王 強(qiáng)，張繼軍

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021；2.水利部松遼水利委員會(huì)，吉林長(zhǎng)春130021）

0 引言

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，各方面對(duì)電力的需求量日益增加[1]。為充分發(fā)揮現(xiàn)有水利工程的發(fā)電效益，提高流域或區(qū)域整體的綜合調(diào)度水平，多個(gè)流域已經(jīng)或正在形成水庫(kù)群的整體開(kāi)發(fā)利用格局。與傳統(tǒng)的單庫(kù)相比，水庫(kù)群的聯(lián)合運(yùn)行要更為復(fù)雜，不僅僅是水庫(kù)數(shù)量上的增加、范圍的擴(kuò)大，而且難點(diǎn)在于如何有效利用庫(kù)群間的水文差異和庫(kù)容差異，提高整體的發(fā)電效益[2]。因此，研究制定與優(yōu)化調(diào)度規(guī)則相適應(yīng)的水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案已經(jīng)成為各大流域的研究重點(diǎn)，對(duì)實(shí)現(xiàn)水能資源利用最大化具有重要的意義[3-7]。本文以西藏拉薩河流域內(nèi)的旁多、直孔水庫(kù)群作為研究對(duì)象，建立了水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模型，并采用模擬-優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行求解，通過(guò)對(duì)比分析，制定了切合實(shí)際可操作的聯(lián)合調(diào)度方案，有效地提高了流域內(nèi)水庫(kù)群的整體效益。

1 研究對(duì)象

旁多、直孔水庫(kù)均位于拉薩河干流上，形成拉薩河干流中游河段水電梯級(jí)結(jié)構(gòu)。旁多水庫(kù)為拉薩河中游段水電梯級(jí)開(kāi)發(fā)的龍頭水庫(kù)，總庫(kù)容12.30×108m3，電站裝機(jī)容量160 MW。旁多水庫(kù)工程任務(wù)是以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水，水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)性能。直孔水庫(kù)位于旁多水庫(kù)下游，總庫(kù)容2.24×108m3，電站裝機(jī)容量100 MW，直孔水庫(kù)工程任務(wù)是以發(fā)電為主，兼顧灌溉和防洪，水庫(kù)具有年調(diào)節(jié)能力。

2 聯(lián)合調(diào)度模型的構(gòu)建與求解

將拉薩河流域內(nèi)的旁多、直孔水庫(kù)群作為研究對(duì)象，根據(jù)流域內(nèi)水庫(kù)群多年長(zhǎng)系列徑流數(shù)據(jù)，綜合考慮流域內(nèi)的用水需求，以旬為計(jì)算時(shí)段，建立水庫(kù)群電力調(diào)度數(shù)學(xué)模型，以充分發(fā)揮水庫(kù)群的聯(lián)合電力調(diào)節(jié)作用。

2.1 模型的構(gòu)建

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

模型的目標(biāo)函數(shù)描述：已知系統(tǒng)初始庫(kù)水位（庫(kù)容）和入庫(kù)徑流過(guò)程，在滿足壩址上游綜合用水、發(fā)電保證率等各種約束條件下，使水庫(kù)群系統(tǒng)在調(diào)度運(yùn)行期內(nèi)總發(fā)電量最大。模型目標(biāo)函數(shù)，見(jiàn)式（1）。

式中：E為旁多、直孔水庫(kù)群系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行期內(nèi)的總發(fā)電量，kW·h；N1，N2分別表示旁多、直孔電站的發(fā)電出力，MW；T為時(shí)段總數(shù)；A′，A″分別表示旁多、直孔電站出力系數(shù)，其中旁多出力系數(shù)為8.5，直孔出力系數(shù)為8.3；分別表示旁多、直孔電站在時(shí)段的發(fā)電流量，m3/s；分別表示旁多、直孔電站在時(shí)段的凈水頭，m，為上下游水位之差減去水頭損失。

2.1.2 約束條件

2）水庫(kù)蓄水量約束

蓄水下限，對(duì)應(yīng)各水庫(kù)的死庫(kù)容，m3；t

分別表示旁多、直孔水庫(kù)時(shí)段蓄水上限，在汛期為水庫(kù)汛限水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容，m3，在非汛期為水庫(kù)正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容，m3。

3）水輪機(jī)過(guò)水流量約束

4）水電站出力約束

5）上下游水庫(kù)關(guān)聯(lián)方程：

由于旁多水庫(kù)和直孔水庫(kù)為串聯(lián)結(jié)構(gòu)形式，故需要考慮2座水庫(kù)之間的水力聯(lián)系，如式（13）所示：

式中：QJt表示時(shí)段旁多水庫(kù)與直孔水庫(kù)之間的區(qū)間流量，m3/s。

6）水庫(kù)水位約束

2.2 模型求解

構(gòu)建水庫(kù)群聯(lián)合電力調(diào)度模型，應(yīng)用模擬和優(yōu)化相結(jié)合的方法對(duì)模型進(jìn)行求解，在求解過(guò)程中，以各水庫(kù)電力調(diào)度圖中調(diào)度線上的關(guān)鍵控制點(diǎn)作為決策變量，求解水庫(kù)發(fā)電調(diào)度問(wèn)題的基本流程如圖1所示。首先，給定模型的輸入信息，模擬模型根據(jù)水庫(kù)的水量平衡方程以及初始決策變量對(duì)水庫(kù)進(jìn)行興利調(diào)節(jié)計(jì)算；然后，優(yōu)化模型采用遺傳算法，通過(guò)遺傳進(jìn)化操作（選擇、交叉和變異）產(chǎn)生一組新的決策變量，并將這些變量輸入到模擬模型中，以便獲得水庫(kù)最優(yōu)的性能指標(biāo)（適應(yīng)度值）；最后，模擬模型得到的水庫(kù)性能指標(biāo)反饋到優(yōu)化模型中，當(dāng)水庫(kù)性能指標(biāo)發(fā)生變化時(shí)，優(yōu)化模型重新調(diào)整決策變量。這種模擬-優(yōu)化迭代循環(huán)直到系統(tǒng)性能滿足模型收斂條件為止，并得到最優(yōu)的或者滿意的調(diào)度，見(jiàn)圖1。

3 水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案

旁多水庫(kù)正常蓄水位4 095 m，死水位4 066 m，汛限水位4 093.5 m；直孔水庫(kù)正常蓄水位3 888 m，死水位3 878 m，汛限水位3 885 m。此次研究在考慮了上、下游補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用后，分別編制出了旁多水庫(kù)、直孔水庫(kù)各自運(yùn)行的電力調(diào)度圖，以滿足實(shí)際運(yùn)行中調(diào)度可操作性需要。

圖1 模型求解基本流程圖

為滿足電站在運(yùn)行中能按相應(yīng)設(shè)計(jì)的方式運(yùn)行，故電站在該區(qū)內(nèi)的平均出力應(yīng)按保證出力即旁多32 MW、直孔21.35 MW運(yùn)行。當(dāng)水庫(kù)水位位于保證出力區(qū)調(diào)度線以上時(shí)，即轉(zhuǎn)入加大出力運(yùn)行范圍；在枯水時(shí)段，為了保證電站在死水位以上運(yùn)行，水庫(kù)轉(zhuǎn)入降低出力運(yùn)行范圍。

為實(shí)現(xiàn)上述要求，在編制旁多、直孔水庫(kù)群聯(lián)合電力調(diào)度圖時(shí)采用同倍比加大或降低的方法，并利用1956—2002年共47年旬徑流系列對(duì)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度模型進(jìn)行優(yōu)化求解，編制幾種不同加大、降低出力運(yùn)行范圍的水庫(kù)群聯(lián)合電力調(diào)度方案。對(duì)應(yīng)每個(gè)旁多調(diào)度方案、直孔水庫(kù)各方案設(shè)置的基本情況見(jiàn)表1。

表1 兩座水庫(kù)運(yùn)行調(diào)度圖方案表

將旁多水庫(kù)與直孔水庫(kù)的3個(gè)調(diào)度方案進(jìn)行組合，形成9個(gè)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度方案，并對(duì)聯(lián)合調(diào)度方案中2座水庫(kù)的調(diào)度圖進(jìn)行優(yōu)化，形成最終的聯(lián)合調(diào)度圖。

4 聯(lián)合調(diào)度結(jié)果及分析

采用拉薩河流域旁多和直孔2座水庫(kù)1956—2002年共47年的實(shí)測(cè)徑流資料作為模型的輸入數(shù)據(jù)，以旬為計(jì)算時(shí)段，對(duì)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)行長(zhǎng)系列優(yōu)化調(diào)節(jié)計(jì)算，得到指導(dǎo)水庫(kù)群實(shí)施調(diào)度運(yùn)行的聯(lián)合調(diào)度方案。對(duì)比分析不同聯(lián)合方案下的水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，選擇較為合理可行的聯(lián)合調(diào)度方案，最大程度地發(fā)揮水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度效益。為驗(yàn)證聯(lián)合調(diào)度方案的合理性及有效性，表2給出了不同調(diào)度方案下水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度結(jié)果，以及現(xiàn)行的水庫(kù)單庫(kù)調(diào)度結(jié)果。

表2 不同調(diào)度方案多年平均發(fā)電量計(jì)算成果對(duì)比 108kW·h

從表2中可以看到，與原設(shè)計(jì)方案（水庫(kù)群聯(lián)調(diào)前）結(jié)果相比，各聯(lián)合調(diào)度方案旁多和直孔兩座水庫(kù)年均發(fā)電量都有顯著提高。主要原因在于原設(shè)計(jì)方案中，旁多、直孔2座水庫(kù)均按各自的調(diào)度原則進(jìn)行單庫(kù)調(diào)度，并且直孔水庫(kù)并未編制調(diào)度圖，采用聯(lián)合調(diào)度方案后，旁多水庫(kù)調(diào)度圖在原方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，同時(shí)制定了直孔水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖。對(duì)比各聯(lián)合調(diào)度方案，當(dāng)旁多采用方案二中的規(guī)則形式（聯(lián)合調(diào)度方案4、方案5和方案6）時(shí)，旁多年均發(fā)電量最大，為5.99×108kW·h，結(jié)果也說(shuō)明了增加旁多水庫(kù)加大出力倍比系數(shù)，可以有效提高旁多水庫(kù)年均發(fā)電量。

綜上所述，當(dāng)旁多水庫(kù)采用方案二中的規(guī)則形式，直孔水庫(kù)采用方案一中的規(guī)則形式（聯(lián)合調(diào)度方案4）時(shí)，2庫(kù)合計(jì)發(fā)電量最大，為10.01×108kW·h，增加了4.49%，聯(lián)調(diào)結(jié)果優(yōu)于其他方案。聯(lián)合調(diào)度方案4中兩庫(kù)合計(jì)年均發(fā)電量較原設(shè)計(jì)方案增加約0.43×108kW·h。因此，聯(lián)合調(diào)度方案4水能利用率最高，調(diào)度方案最為合理。