俞洪杰，紀(jì)昌明，閻曉冉，吳嘉杰，王麗萍

(華北電力大學(xué)可再生能源學(xué)院，北京 102206)

0 引 言

水庫(kù)調(diào)度是指運(yùn)用水庫(kù)的調(diào)蓄能力有計(jì)劃地對(duì)入庫(kù)徑流進(jìn)行蓄泄，從而達(dá)到防洪、興利的目的[1]。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，水庫(kù)調(diào)度可分成不同類型，本文主要針對(duì)水庫(kù)短期發(fā)電調(diào)度進(jìn)行研究。

水庫(kù)短期發(fā)電調(diào)度包括常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度兩種類型[2,3]。常規(guī)調(diào)度主要依據(jù)調(diào)度規(guī)則來(lái)指導(dǎo)水庫(kù)運(yùn)行，調(diào)度規(guī)則一般分為三類：①以庫(kù)水位作為分級(jí)調(diào)度的指標(biāo)；②以入庫(kù)流量作為分級(jí)調(diào)度的指標(biāo)；③綜合考慮庫(kù)水位與入庫(kù)流量，將兩者共同作為分級(jí)調(diào)度的指標(biāo)。常規(guī)調(diào)度簡(jiǎn)單直觀，并且無(wú)需預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，因此在實(shí)際生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。謝維等[4]在分析了金沙江某梯級(jí)長(zhǎng)系列調(diào)度過(guò)程的基礎(chǔ)上，總結(jié)出一組簡(jiǎn)便可行的分期調(diào)度規(guī)則，并指導(dǎo)該梯級(jí)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行；周研來(lái)等[5]采用“優(yōu)化-擬合-再優(yōu)化-隨機(jī)仿真”的技術(shù)框架建立了梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度函數(shù)，并將其應(yīng)用于大渡河梯級(jí)，經(jīng)濟(jì)效益顯著。然而調(diào)度規(guī)則的制定是以歷史資料為依據(jù)的，故其在指導(dǎo)實(shí)際調(diào)度時(shí)通常只能給出一個(gè)相對(duì)較優(yōu)的可行解，而并非最優(yōu)解，因此采用常規(guī)調(diào)度時(shí)水電站的發(fā)電效益仍有一定的提升空間。

優(yōu)化調(diào)度采用某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，在滿足約束條件的情況下，建立優(yōu)化調(diào)度模型，并采用優(yōu)化算法對(duì)模型進(jìn)行求解，以得到使目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極值的水庫(kù)運(yùn)行方式，進(jìn)而指導(dǎo)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行。優(yōu)化調(diào)度能夠在不增加水電站運(yùn)行成本的前提下，有效提升其發(fā)電效益，因此自產(chǎn)生以來(lái)一直是研究的熱點(diǎn)。紀(jì)昌明等[6]考慮了水流在河道中的演進(jìn)過(guò)程，針對(duì)雅礱江錦官電源組梯級(jí)水電站建立了梯級(jí)發(fā)電量最大模型，并采用MSDP法進(jìn)行求解，得到了高精度的全局最優(yōu)解，顯著提高了梯級(jí)水電站的運(yùn)行效益；付湘等[7]從水庫(kù)防洪、發(fā)電以及下游生態(tài)需水的角度出發(fā)，對(duì)優(yōu)化調(diào)度方式進(jìn)行了全面的評(píng)價(jià)，為水庫(kù)調(diào)度決策的制定提供了重要的參考。

目前對(duì)于優(yōu)化調(diào)度的研究多側(cè)重于確定性調(diào)度，對(duì)其評(píng)價(jià)也多屬于事前評(píng)價(jià)[8]。確定性調(diào)度是指在入庫(kù)流量已知的情況下尋求調(diào)度方案的最優(yōu)解，而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于入庫(kù)流量的不確定性(來(lái)自于天然來(lái)水或者上游水電站出庫(kù)流量的不確定性)，未來(lái)入庫(kù)流量是未知的。并且由于預(yù)報(bào)誤差的客觀存在，前一日制定的、采用預(yù)報(bào)入流計(jì)算得到的發(fā)電計(jì)劃，往往不能滿足次日實(shí)際生產(chǎn)的需求。若次日按照該計(jì)劃實(shí)施調(diào)度，則其對(duì)應(yīng)的發(fā)電效益較預(yù)期會(huì)有所降低，并且在預(yù)報(bào)誤差較大的情況下還有可能出現(xiàn)水位越限風(fēng)險(xiǎn)[9]。事前評(píng)價(jià)是指在實(shí)際調(diào)度之前對(duì)各調(diào)度方案(每個(gè)調(diào)度方案對(duì)應(yīng)著一種調(diào)度方式)進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)采用的指標(biāo)均根據(jù)預(yù)報(bào)來(lái)流計(jì)算得到，不能反映該方案真正實(shí)施后的風(fēng)險(xiǎn)、效益情況，因此事前評(píng)價(jià)最優(yōu)的方案在實(shí)際調(diào)度中未必最優(yōu)。綜上可知，由于入庫(kù)流量不確定性以及預(yù)報(bào)誤差的存在，優(yōu)化調(diào)度與實(shí)際生產(chǎn)并未緊密結(jié)合，因此其應(yīng)用效果也并不十分理想。

雖然常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度在單獨(dú)應(yīng)用時(shí)均存在一定的不足，但不可否認(rèn)它們依然具有各自的優(yōu)勢(shì)。鑒于此，本文在分析總結(jié)常規(guī)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度各自特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，綜合兩者的優(yōu)勢(shì)，提出了常規(guī)、優(yōu)化結(jié)合調(diào)度方式(后稱結(jié)合調(diào)度方式)，并采用事后評(píng)價(jià)方法驗(yàn)證了該方式的優(yōu)越性，以期為水庫(kù)短期發(fā)電調(diào)度提供更加有效的指導(dǎo)。

1 調(diào)度方式介紹

1.1 常規(guī)調(diào)度

常規(guī)調(diào)度是根據(jù)調(diào)度規(guī)則進(jìn)行水庫(kù)控制運(yùn)用的調(diào)度方法。調(diào)度圖[10]是調(diào)度規(guī)則的一種形式，但由于其只適用于中長(zhǎng)期調(diào)度，故本文不作研究。下面對(duì)本文研究對(duì)象——堵河流域小漩水電站的調(diào)度規(guī)則進(jìn)行具體介紹。小漩水電站位于湖北省境內(nèi)，是上游潘口水電站的反調(diào)節(jié)水電站，主要對(duì)潘口的出庫(kù)流量進(jìn)行調(diào)蓄并利用其發(fā)電，同時(shí)還承擔(dān)下游河道的生態(tài)供水任務(wù)。潘口水電站是湖北省重要的調(diào)峰電站，受電網(wǎng)影響其負(fù)荷極不穩(wěn)定，這也導(dǎo)致了小漩入庫(kù)流量極不穩(wěn)定(潘口、小漩壩址相距僅10.4km，區(qū)間無(wú)支流匯入，因此潘口的出庫(kù)流量直接決定了小漩的入庫(kù)流量，即小漩入庫(kù)流量的不確定性直接來(lái)自于潘口出庫(kù)流量的不確定性，其源頭為電網(wǎng)的不確定性)。并且小漩水庫(kù)庫(kù)容較小，其發(fā)電機(jī)組的泄流能力也較弱，因此在調(diào)度過(guò)程中會(huì)存在以下兩個(gè)問(wèn)題。

(1)潘口在負(fù)荷高峰期發(fā)電流量激增，此時(shí)小漩即使以全部機(jī)組滿發(fā)的狀態(tài)運(yùn)行，其庫(kù)水位還是會(huì)迅速上升(潘口滿發(fā)流量約為680 m3/s，而小漩只有450 m3/s)，到達(dá)水位上限后則產(chǎn)生棄水；

(2)潘口在負(fù)荷低谷期發(fā)電流量降低甚至停發(fā)，小漩為保證下游生態(tài)流量需求，需以不低于16.7m3/s的流量進(jìn)行下泄。但在低流量下運(yùn)行小漩機(jī)組的發(fā)電效率非常低，因此實(shí)際生產(chǎn)中一般以一臺(tái)機(jī)組滿發(fā)的方式運(yùn)行，此時(shí)小漩庫(kù)水位下降較快，達(dá)到水位下限后則會(huì)出現(xiàn)無(wú)水可用的現(xiàn)象。

為解決上述問(wèn)題，目前小漩水電站采用的調(diào)度規(guī)則如下：根據(jù)調(diào)度人員的長(zhǎng)期調(diào)度經(jīng)驗(yàn)確定一個(gè)上警戒水位與一個(gè)下警戒水位，兩者之間的區(qū)域稱為水位合理運(yùn)行區(qū)間。若實(shí)際運(yùn)行水位高于上警戒水位，則全部機(jī)組滿發(fā)以降低運(yùn)行水位；若實(shí)際運(yùn)行水位在合理運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，則根據(jù)當(dāng)前入庫(kù)流量，合理控制開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)并使機(jī)組位于高效率區(qū)運(yùn)行，保持水位基本不變；若實(shí)際運(yùn)行水位低于下警戒水位，則以16.7 m3/s的流量進(jìn)行下泄。

1.2 優(yōu)化調(diào)度

優(yōu)化調(diào)度是通過(guò)求解優(yōu)化調(diào)度模型進(jìn)而指導(dǎo)水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行的調(diào)度方法。本文結(jié)合小漩水電站“以水定電”運(yùn)行的實(shí)際情況，建立了發(fā)電量最大模型如下所示。

目標(biāo)函數(shù)：

(1)

式中：E為小漩水電站在整個(gè)調(diào)度期的發(fā)電量，kWh；T為一個(gè)調(diào)度期包含的時(shí)段數(shù)；Nt為小漩水電站在t時(shí)段的出力，kW；Δt為計(jì)算時(shí)段長(zhǎng)，h；Kt為小漩水電站在t時(shí)段的出力系數(shù)；qt為小漩水電站在t時(shí)段的發(fā)電流量，m3/s；Ht為小漩水電站在t時(shí)段的水頭，m。

約束條件包括調(diào)度期末水位約束、水位上下限約束、出力上下限約束、流量上下限約束、水量平衡約束以及生態(tài)流量約束[11]：

(2)

式中：Zt為小漩水庫(kù)在t時(shí)刻的水位，m；Zend為小漩水庫(kù)調(diào)度期末控制水位，m；Zmax、Zmin為小漩水庫(kù)的水位上下限，m；Nmax、Nmin為小漩水電站的出力上下限，kW；qout,t為小漩水庫(kù)在t時(shí)段的出庫(kù)流量，m3/s；qout,max、qout,min為小漩水庫(kù)的出庫(kù)流量上下限，m3/s；Vt為小漩水庫(kù)在t時(shí)刻的庫(kù)容，m3；qin,t為小漩水庫(kù)在t時(shí)段的入庫(kù)流量，m3/s；qe為下游河道的生態(tài)流量，m3/s。

與常規(guī)調(diào)度(僅考慮當(dāng)前時(shí)刻水庫(kù)狀態(tài)，并給出當(dāng)前時(shí)刻調(diào)度決策)不同，優(yōu)化調(diào)度需要整個(gè)調(diào)度期的入庫(kù)流量過(guò)程作為模型輸入，得到的最優(yōu)方案也是一個(gè)運(yùn)行過(guò)程。湖北省電力中調(diào)每日會(huì)預(yù)報(bào)并下達(dá)潘口次日的96點(diǎn)負(fù)荷指令，根據(jù)潘口廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行計(jì)算便可得到次日潘口預(yù)報(bào)出庫(kù)流量過(guò)程(即小漩預(yù)報(bào)入庫(kù)流量過(guò)程)，將其輸入上述發(fā)電量最大模型并采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解，便可得到小漩次日的發(fā)電計(jì)劃。

在次日實(shí)際調(diào)度過(guò)程中，發(fā)電計(jì)劃的實(shí)施有兩種方式：①按出力控制，小漩水電站在各時(shí)段的出力均按發(fā)電計(jì)劃執(zhí)行；②按水位控制，小漩水庫(kù)在各時(shí)段末的庫(kù)水位均與發(fā)電計(jì)劃保持一致。若次日潘口實(shí)際負(fù)荷與前一日預(yù)報(bào)結(jié)果完全相同，那么上述兩種控制方式也是等價(jià)的。但由于電網(wǎng)的復(fù)雜性，準(zhǔn)確預(yù)報(bào)潘口次日負(fù)荷過(guò)程無(wú)法實(shí)現(xiàn)[12]，因此按照上述兩種控制方式調(diào)度時(shí)，小漩水電站的實(shí)際運(yùn)行方式是不同的。對(duì)于兩種控制方式的優(yōu)劣，本文作定性分析如下：機(jī)組高效運(yùn)行是水庫(kù)水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要條件，優(yōu)化調(diào)度計(jì)算結(jié)果中，各時(shí)段機(jī)組多位于高效區(qū)運(yùn)行。采用按出力控制的方式實(shí)施發(fā)電計(jì)劃時(shí)，雖然預(yù)報(bào)誤差的存在會(huì)導(dǎo)致水庫(kù)實(shí)際運(yùn)行水位過(guò)程與預(yù)想運(yùn)行水位過(guò)程(發(fā)電計(jì)劃對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位過(guò)程，下同)并不一致，但此時(shí)機(jī)組仍位于高效區(qū)運(yùn)行，因此發(fā)電效益較高；而采用按水位控制的方式實(shí)施發(fā)電計(jì)劃時(shí)，預(yù)報(bào)誤差的存在會(huì)導(dǎo)致水電站的實(shí)際出力過(guò)程與預(yù)想出力過(guò)程產(chǎn)生差異，此時(shí)無(wú)法保證機(jī)組高效運(yùn)行，因此發(fā)電效益明顯降低。基于上述分析結(jié)果，本文采用按出力控制的方式實(shí)施發(fā)電計(jì)劃。

1.3 常規(guī)、優(yōu)化結(jié)合調(diào)度

常規(guī)調(diào)度僅以水庫(kù)當(dāng)前狀態(tài)作為調(diào)度決策制定的依據(jù)，并未從調(diào)度期整體的角度進(jìn)行分析，因此在水能資源的時(shí)間分配上不夠合理，其發(fā)電效益也有待提高。但常規(guī)調(diào)度制定的調(diào)度規(guī)則較為保守，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)時(shí)不易產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)，有利于水庫(kù)安全穩(wěn)定運(yùn)行；優(yōu)化調(diào)度則恰恰相反，其在優(yōu)化計(jì)算時(shí)從所有可行解中選取發(fā)電效益最高的方案(僅針對(duì)模型輸入為預(yù)報(bào)入流的情況)作為最終方案，然而為了提高發(fā)電效益而抬升運(yùn)行水位會(huì)給水庫(kù)帶來(lái)一定的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在實(shí)際入流偏大時(shí)，很有可能出現(xiàn)水位越上限的現(xiàn)象。綜上可知，常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度各有各的優(yōu)勢(shì)，但也均存在一定的不足，那么有沒(méi)有可能將兩者綜合，摒棄各自的不足，進(jìn)行優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)呢？

基于上述思想，本文提出了一種常規(guī)、優(yōu)化結(jié)合調(diào)度方式，該方式以優(yōu)化調(diào)度為主體，將常規(guī)調(diào)度規(guī)則作為優(yōu)化調(diào)度模型的約束條件，盡量將庫(kù)水位控制在水位合理運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，在保持機(jī)組高效運(yùn)行的同時(shí)大大降低了水位越限風(fēng)險(xiǎn)；并且在發(fā)電計(jì)劃實(shí)施時(shí)，若實(shí)際水位超出合理運(yùn)行區(qū)間，則采用調(diào)度規(guī)則對(duì)該計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，使得其更加靈活。下面對(duì)結(jié)合調(diào)度方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1.2節(jié)建立的優(yōu)化調(diào)度模型中，小漩庫(kù)水位的可行域位于水位上限與下限之間，可行域中所有的水位離散點(diǎn)都不帶有人為偏好[13]，因此通過(guò)模型計(jì)算得到的最優(yōu)運(yùn)行水位過(guò)程線可能貼近水位上限(或下限)，采用該發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行實(shí)際調(diào)度很容易發(fā)生水位越限風(fēng)險(xiǎn)。而常規(guī)調(diào)度中，調(diào)度人員則根據(jù)調(diào)度經(jīng)驗(yàn)對(duì)可行域進(jìn)行了分區(qū)，位于水位合理運(yùn)行區(qū)間外的水位離散點(diǎn)雖然在可行域內(nèi)，卻被認(rèn)為對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)較大，故正常情況下基本不會(huì)被選擇，此時(shí)可行域中的水位離散點(diǎn)被賦予了人為偏好，而這些偏好是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期生產(chǎn)實(shí)踐得來(lái)的，具有重要的參考價(jià)值。因此，本文借鑒常規(guī)調(diào)度規(guī)則中的水位合理運(yùn)行區(qū)間，對(duì)發(fā)電量最大模型進(jìn)行如下改進(jìn)，其示意圖如圖1所示：在原有可行域的基礎(chǔ)上，增加設(shè)置水位合理運(yùn)行區(qū)間約束。當(dāng)運(yùn)行水位超出上、下警戒水位時(shí)，采用罰函數(shù)對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行懲罰[14]，罰函數(shù)的計(jì)算公式:

P=-W·max(0,Zd-Zt,Zt-Zu)

(3)

式中：P為懲罰項(xiàng)，kWh；W為懲罰系數(shù)，kWh/m；Zu、Zd分別為上、下警戒水位，m。

圖1 水位合理運(yùn)行區(qū)間示意圖Fig.1 Schematic diagram of the reasonable operation interval of water level

改進(jìn)后的發(fā)電量最大模型結(jié)合了調(diào)度者的調(diào)度經(jīng)驗(yàn)，較傳統(tǒng)模型更加適用于生產(chǎn)實(shí)際。但是在預(yù)報(bào)誤差過(guò)大的情況下，改進(jìn)模型仍不能避免水位越限的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生，此時(shí)則需要采用調(diào)度規(guī)則對(duì)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)修正：若實(shí)際調(diào)度過(guò)程中庫(kù)水位超出警戒水位，則放棄采用發(fā)電計(jì)劃，轉(zhuǎn)為采用調(diào)度規(guī)則進(jìn)行調(diào)度。結(jié)合調(diào)度方式的實(shí)施過(guò)程如圖2所示。

圖2 結(jié)合調(diào)度方式實(shí)施流程圖Fig.2 Flow chart of the integrated operation mode

2 調(diào)度方式評(píng)價(jià)

目前對(duì)水庫(kù)調(diào)度方式的評(píng)價(jià)多屬于事前評(píng)價(jià)，即在水庫(kù)實(shí)際調(diào)度之前，根據(jù)預(yù)報(bào)入流采用常規(guī)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度以及結(jié)合調(diào)度制定相應(yīng)的調(diào)度方案，通過(guò)對(duì)比分析各調(diào)度方案，最終對(duì)調(diào)度方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于預(yù)報(bào)誤差的存在，事前評(píng)價(jià)最優(yōu)的方案在實(shí)際調(diào)度過(guò)程中并不一定最優(yōu)，因此其對(duì)調(diào)度方式的評(píng)價(jià)也具有一定的局限性。鑒于此，本文對(duì)各調(diào)度方式進(jìn)行事后評(píng)價(jià)，即在每種調(diào)度方式執(zhí)行后再對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。事后評(píng)價(jià)能夠真實(shí)反映各調(diào)度方式在實(shí)際調(diào)度中的應(yīng)用情況，有效彌補(bǔ)事前評(píng)價(jià)的不足。

評(píng)價(jià)指標(biāo)是評(píng)價(jià)工作的關(guān)鍵，本文結(jié)合小漩水庫(kù)的生產(chǎn)實(shí)際，針對(duì)其運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)、效益情況，建立相應(yīng)的短期發(fā)電調(diào)度方式評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如下。

(1)發(fā)電效益。水庫(kù)調(diào)度的目的就是通過(guò)合理配置水能資源來(lái)增加水電站的發(fā)電效益，因此發(fā)電效益是衡量調(diào)度方式優(yōu)劣的重要指標(biāo)。水電站的發(fā)電效益由調(diào)度期內(nèi)發(fā)電效益與未來(lái)發(fā)電效益兩部分組成，表達(dá)式如式(4)所示。其中調(diào)度期內(nèi)發(fā)電效益即調(diào)度期內(nèi)發(fā)電量(本文不考慮電價(jià)因素，以發(fā)電量來(lái)表征發(fā)電效益)，而未來(lái)發(fā)電效益則通過(guò)調(diào)度期末蓄能來(lái)表征，在調(diào)度期初蓄能一定的情況下，可以轉(zhuǎn)化為通過(guò)調(diào)度期內(nèi)蓄能增量來(lái)表征。

B=Bin+Bafter=

(4)

式中：B為發(fā)電效益，kWh；Bin為調(diào)度期內(nèi)發(fā)電效益，kWh；Bafter為未來(lái)發(fā)電效益，kWh；λ為水電站的能效系數(shù)，表示水庫(kù)中單位水量能夠發(fā)出的電量，kWh/m3。

(2)棄水機(jī)會(huì)損失。棄水機(jī)會(huì)損失是針對(duì)水位越上限而提出的一個(gè)指標(biāo)[15]。若水庫(kù)實(shí)際入庫(kù)流量比預(yù)報(bào)值偏大，則可能出現(xiàn)水位越上限的情況，此時(shí)水庫(kù)被迫棄水以降低水位，放棄了利用這部分水能資源的機(jī)會(huì)，這是一種損失，我們稱之為棄水機(jī)會(huì)損失，其計(jì)算公式如式(5)所示，示意圖見(jiàn)圖3。

(5)

式中：L為棄水機(jī)會(huì)損失，kWh；qab,t為水庫(kù)在t時(shí)段的棄水流量，m3/s。

(3)生態(tài)破壞歷時(shí)。生態(tài)破壞歷時(shí)是針對(duì)水位越下限而提出的一個(gè)指標(biāo)。若水庫(kù)實(shí)際入庫(kù)流量比預(yù)報(bào)值偏小，則可能出現(xiàn)水位越下限的情況，此時(shí)水庫(kù)無(wú)水可用，無(wú)法保持生態(tài)流量下泄。這種狀態(tài)持續(xù)越久，對(duì)下游河道生態(tài)環(huán)境造成的破壞也就越大，因此本文引入生態(tài)破壞歷時(shí)來(lái)反映水庫(kù)對(duì)下游生態(tài)的破壞程度，其表達(dá)式如式(6)：

圖3 棄水機(jī)會(huì)損失示意圖Fig.3 Schematic diagram of opportunity loss from water abandonment

(6)

式中：D為生態(tài)破壞歷時(shí)，h；dt為水庫(kù)在t時(shí)段的生態(tài)破壞函數(shù)，當(dāng)該時(shí)段生態(tài)流量約束被破壞時(shí)，其值為1，否則為0。

3 實(shí)例計(jì)算

堵河位于陜西省、湖北省境內(nèi)，全長(zhǎng)354 km，是漢江南岸一級(jí)支流。小漩水電站位于堵河上游湖北省境內(nèi)，其基本參數(shù)見(jiàn)表1。本文在計(jì)算時(shí)取調(diào)度期為1 d，計(jì)算時(shí)段數(shù)為96，水位上限為正常蓄水位，水位下限為死水位。

表1 小漩水電站基本參數(shù)表Tab.1 Basic information of Xiaoxuan hydropower station

結(jié)合小漩水電站實(shí)際運(yùn)行情況，分別對(duì)實(shí)際入流與預(yù)報(bào)值基本持平、實(shí)際入流比預(yù)報(bào)值偏大以及偏小(即潘口實(shí)際負(fù)荷與預(yù)報(bào)值基本持平、比預(yù)報(bào)值偏大以及偏小)三種工況進(jìn)行計(jì)算，各工況下小漩入庫(kù)流量、庫(kù)水位情況如表2所示。

表2 各工況對(duì)應(yīng)的調(diào)度信息Tab.2 Operation information of each working condition

注：表中僅列出了潘口負(fù)荷以及小漩入流的日平均值，由于日內(nèi)分布的原因，兩者對(duì)應(yīng)的相對(duì)誤差并不相等，但相差不大。

3.1 工況一：實(shí)際入流與預(yù)報(bào)值基本持平

以2017年7月1日為代表日進(jìn)行計(jì)算。首先根據(jù)1.1節(jié)中的調(diào)度規(guī)則對(duì)該日進(jìn)行常規(guī)調(diào)度計(jì)算，其中上、下警戒水位分別取263.5、261.8 m，各預(yù)留了0.5 m的庫(kù)容以防水位越限。其次進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，將該日的預(yù)報(bào)入庫(kù)流量數(shù)據(jù)代入1.2節(jié)中的發(fā)電量最大模型，通過(guò)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)模型進(jìn)行求解，得到發(fā)電計(jì)劃，并采用按出力控制的方式實(shí)施發(fā)電計(jì)劃。最后進(jìn)行結(jié)合調(diào)度，其計(jì)算步驟與優(yōu)化調(diào)度基本一致，兩者的區(qū)別在于結(jié)合調(diào)度采用了改進(jìn)的發(fā)電量最大模型(上、下警戒水位的取值與常規(guī)調(diào)度完全一致)，并且在發(fā)電計(jì)劃實(shí)施過(guò)程中采用調(diào)度規(guī)則進(jìn)行了實(shí)時(shí)修正。三種調(diào)度方式對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表3、圖4所示。

表3 工況一下各調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of each operation mode in the first working condition

注：⑤=① +λ×(②-③)；⑥=λ×④；小漩水電站的能效系數(shù)λ=0.030 8 kWh/m3。

圖4 工況一下各調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位過(guò)程Fig.4 Water level variations of each operation mode in the first working condition

結(jié)合表3、圖4可得，在調(diào)度期初庫(kù)水位適中并且入庫(kù)流量預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確的情況下，無(wú)論采用哪種調(diào)度方式，小漩水庫(kù)均不會(huì)發(fā)生水位越限風(fēng)險(xiǎn)，因此棄水機(jī)會(huì)損失、生態(tài)破壞歷時(shí)均為0。由于預(yù)報(bào)誤差的存在，發(fā)電計(jì)劃實(shí)施時(shí)無(wú)法保證實(shí)際運(yùn)行末水位與規(guī)定值一致，故三種調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的小漩水庫(kù)末水位各不相同，即它們未來(lái)所能發(fā)出的電量也不同。由此可知，在計(jì)算水電站發(fā)電效益時(shí)，僅考慮調(diào)度期內(nèi)發(fā)電效益的做法是不合理的，還必須考慮未來(lái)的發(fā)電效益，這也驗(yàn)證了式(4)的科學(xué)性。由表3可得，在綜合考慮兩者后，優(yōu)化調(diào)度對(duì)應(yīng)的發(fā)電效益最高，結(jié)合調(diào)度略低于優(yōu)化調(diào)度，而常規(guī)調(diào)度則明顯低于前兩者。進(jìn)一步觀察圖4可得，優(yōu)化調(diào)度的高效益是建立在高水位運(yùn)行的基礎(chǔ)上的，即便在預(yù)報(bào)精度較高的情況下，其對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位也非常接近于水位上限，這種運(yùn)行方式是十分冒險(xiǎn)的，一旦實(shí)際入流偏大，很有可能發(fā)生水位越上限的風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 工況二：實(shí)際入流比預(yù)報(bào)值偏大

以2017年6月1日為代表日進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程與3.1節(jié)相同，3種調(diào)度方式對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表4、圖5所示。

結(jié)合表4、圖5可得，在調(diào)度期初庫(kù)水位較高并且實(shí)際入流偏大的情況下，優(yōu)化調(diào)度對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位過(guò)程有三次越上限，這嚴(yán)重影響了水庫(kù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，并且造成了的一定棄水機(jī)會(huì)損失。在發(fā)生棄水的情況下，即使優(yōu)化調(diào)度對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位較常規(guī)調(diào)度、結(jié)合調(diào)度明顯偏高，也無(wú)法彌補(bǔ)其效益損失，因此優(yōu)化調(diào)度對(duì)應(yīng)效益為三者最低。至于結(jié)合調(diào)度，采用該方式進(jìn)行實(shí)際調(diào)度時(shí)，上半日小漩一直在上警戒水位附近運(yùn)行，預(yù)留了0.5 m的庫(kù)容，故在下半日潘口高負(fù)荷運(yùn)行、出庫(kù)流量激增時(shí)，小漩能夠完全消納這部分水量，將其全部轉(zhuǎn)化為電能，因此該方式對(duì)應(yīng)的發(fā)電效益為三者最高。常規(guī)調(diào)度雖然也未產(chǎn)生棄水，但其運(yùn)行水位較低，因此發(fā)電效益低于結(jié)合調(diào)度。

表4 工況二下各調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of each operation mode in the second working condition

注：⑤=① +λ×(②-③)；⑥=λ×④；小漩水電站的能效系數(shù)λ=0.030 8 kWh/m3。

圖5 工況二下各調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位過(guò)程Fig.5 Water level variations of each operation mode in the second working condition

3.3 工況三：實(shí)際入流比預(yù)報(bào)值偏小

以2017年7月10日為代表日進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算過(guò)程與3.1節(jié)相同，三種調(diào)度方式對(duì)應(yīng)計(jì)算結(jié)果如表5、圖6所示。

表5 工況三下各調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果Tab.5 Calculation results of each operation mode in the third working condition

注：⑤=① +λ×(②-③)；⑥=λ×④；小漩水電站的能效系數(shù)λ=0.030 8 kWh/m3。

圖6 工況三下各調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的運(yùn)行水位過(guò)程Fig.6 Water level variations of each operation mode in the third working condition

在實(shí)際入流偏小的情況下，優(yōu)化調(diào)度方式高估了小漩水庫(kù)的來(lái)流，因此其制定的發(fā)電計(jì)劃中小漩水電站的整體出力偏大。在該計(jì)劃實(shí)施時(shí)，會(huì)出現(xiàn)實(shí)際運(yùn)行水位比預(yù)計(jì)偏低的情況，特別是在調(diào)度期初庫(kù)水位較低時(shí)，還容易出現(xiàn)水位越下限的現(xiàn)象。由圖6可得，在2017年7月10日的23∶30-24∶00，優(yōu)化調(diào)度對(duì)應(yīng)的小漩運(yùn)行水位越下限，無(wú)法滿足生態(tài)流量需求，對(duì)下游生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞。又由于在這兩個(gè)時(shí)段小漩無(wú)水可用，機(jī)組被迫停機(jī)，嚴(yán)重影響了其發(fā)電進(jìn)程，故優(yōu)化調(diào)度對(duì)應(yīng)的發(fā)電效益為三者最低。結(jié)合調(diào)度方式對(duì)應(yīng)的小漩運(yùn)行水位過(guò)程在20∶30之前與優(yōu)化調(diào)度完全一致，在20∶30時(shí)，小漩的庫(kù)水位為263.76 m，已經(jīng)低于下警戒水位，因此在此之后，結(jié)合調(diào)度方式采用調(diào)度規(guī)則對(duì)發(fā)電計(jì)劃進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，降低小漩的出力，有效避免了水位越下限的現(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)也提升了發(fā)電效益。與工況一、工況二類似，在工況三下，常規(guī)調(diào)度所作決策較為保守，采用其進(jìn)行實(shí)際調(diào)度時(shí)，小漩并未發(fā)生水位越限風(fēng)險(xiǎn)，但發(fā)電效益也不突出，與結(jié)合調(diào)度存在一定差距。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文在深入研究了水庫(kù)短期發(fā)電常規(guī)調(diào)度與優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，將兩者的優(yōu)勢(shì)結(jié)合，提出了一種常規(guī)、優(yōu)化結(jié)合調(diào)度方式，并結(jié)合小漩水電站的生產(chǎn)實(shí)際，采用事后評(píng)價(jià)方法對(duì)各調(diào)度方式在不同工況下的應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

(1)常規(guī)調(diào)度相對(duì)保守，采用該方式進(jìn)行實(shí)際調(diào)度時(shí)水位越限風(fēng)險(xiǎn)較低，但同時(shí)發(fā)電效益也不高。無(wú)論是實(shí)際入流偏大、偏小還是持平的情況，常規(guī)調(diào)度均能得到一個(gè)較為合理的調(diào)度方案。

(2)優(yōu)化調(diào)度在入庫(kù)流量預(yù)報(bào)較為準(zhǔn)確的情況下，能夠得到非常高的發(fā)電效益。然而一旦預(yù)報(bào)誤差偏大，采用該方式進(jìn)行實(shí)際調(diào)度就有可能出現(xiàn)水位越限的現(xiàn)象，同時(shí)水電站的發(fā)電效益也有較大幅度的降低，不利于水庫(kù)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

(3)本文所提的常規(guī)、優(yōu)化結(jié)合調(diào)度綜合了上述兩者的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)論是實(shí)際入流偏大、偏小還是持平的情況，采用該方式進(jìn)行實(shí)際調(diào)度均未發(fā)生水位越限風(fēng)險(xiǎn)，并且發(fā)電效益相對(duì)較高。因此，相比于常規(guī)調(diào)度、優(yōu)化調(diào)度，本文所提的結(jié)合調(diào)度更加適用于生產(chǎn)實(shí)際。

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