羅立軍，肖 楊，王渤權(quán)，何葵東，姜曉峰，伍 昕

(1.國家電力投資集團(tuán)有限公司水電產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410004；2.南京南瑞水利水電科技有限公司，江蘇 南京 211100；3.五凌電力有限公司，湖南 長沙 410004)

0 概 述

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對能源的需求也在不斷地增加。另一方面，隨著生態(tài)文明建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，大力發(fā)展可再生能源勢在必行。我國是水資源豐富的大國，擁有數(shù)以萬計(jì)的河流，蘊(yùn)藏著巨大的水能資源。目前已形成十三大水電基地，水電站群規(guī)模龐大，由于水電是一種清潔能源，且具有啟停迅速、運(yùn)轉(zhuǎn)靈活、響應(yīng)負(fù)荷變化快等優(yōu)點(diǎn)，因此在可再生能源中占據(jù)重要位置。眾所周知，梯級(jí)水電站上下游水庫之間存在著密切的水力與電力聯(lián)系，開展梯級(jí)水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究，可充分發(fā)揮水庫間的水文補(bǔ)償和庫容補(bǔ)償作用，挖掘梯級(jí)水電站的發(fā)電潛能。王浩等[1]總結(jié)了梯級(jí)水庫群聯(lián)合調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)，探討了未來水庫群調(diào)度研究的發(fā)展方向；郭生練等[2]系統(tǒng)闡述了水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方法，對水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的應(yīng)用進(jìn)行了研究；紀(jì)昌明等[3]提出了基于泛函思想的水庫優(yōu)化調(diào)度技術(shù)，有效減少了傳統(tǒng)優(yōu)化方法中產(chǎn)生的“維數(shù)災(zāi)”問題，提高了算法的計(jì)算效率。上述專家學(xué)者均為水庫群優(yōu)化調(diào)度作出了重要貢獻(xiàn)。

自2015年中發(fā)9號(hào)文發(fā)布以來，電力市場化進(jìn)程不斷加速，發(fā)電企業(yè)參與市場化交易的電量規(guī)模逐年增長。水電上網(wǎng)電價(jià)成為了調(diào)度計(jì)劃制作中不可忽視的一個(gè)重要因素，因此考慮電價(jià)的水庫群優(yōu)化調(diào)度研究對于水電站實(shí)際運(yùn)行生產(chǎn)具有重要的意義。肖楊等[4]以梯級(jí)水庫發(fā)電量最大和發(fā)電效益最大為目標(biāo)對沅水流域梯級(jí)水庫中長期優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行了研究；鄺錄章[5]考慮電網(wǎng)豐枯水期電價(jià)因素，以發(fā)電收入最大為目標(biāo)，對沅水流域三板溪、五強(qiáng)溪水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行了研究；劉芳[6]對梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度模型和方法、電力市場環(huán)境下面臨問題及參與市場交易策略進(jìn)行了深入研究；盧立宇等[7]以梯級(jí)水電站發(fā)電收入最大化為目標(biāo)，研究得出了不同來水和市場環(huán)境下的大渡河中下游梯級(jí)水庫優(yōu)化調(diào)度方案。

目前湖南水電已全面進(jìn)入電力市場結(jié)算，隨著電力市場改革的深入推進(jìn)，水電上網(wǎng)電價(jià)整體呈現(xiàn)下行趨勢，這對沅水流域梯級(jí)水電站運(yùn)行帶來一定的影響?；诖?，本文針對上網(wǎng)電價(jià)上調(diào)和下調(diào)情況分別進(jìn)行研究，構(gòu)建沅水梯級(jí)水庫群中長期優(yōu)化調(diào)度模型，通過模型求解分析不同電價(jià)、不同年型影響下的水庫最佳運(yùn)行策略，為實(shí)現(xiàn)沅水流域梯級(jí)水電站發(fā)電效益最大化提供決策參考。

1 梯級(jí)水電站優(yōu)化調(diào)度模型

1.1 目標(biāo)函數(shù)

給定調(diào)度期內(nèi)來水過程和水庫始末庫水位，綜合考慮各水電站實(shí)際運(yùn)行條件和約束要求，確定流域梯級(jí)各水庫的用水過程，使得調(diào)度期內(nèi)流域梯級(jí)水電站總售電收入最大，其目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中，E為梯級(jí)水電站調(diào)度期內(nèi)的最大發(fā)電收入；βit為第i電站第t時(shí)段的上網(wǎng)電價(jià)；Nit(qit，Hit)為第i水電站第t時(shí)段的發(fā)電出力；qit為第i水電站第t時(shí)段的發(fā)電流量；Hit為第i水電站第t時(shí)段的發(fā)電水頭；Δt為時(shí)段小時(shí)數(shù)；T為調(diào)度期的總時(shí)段數(shù)；n為沅水流域梯級(jí)電站個(gè)數(shù)。

1.2 約束條件

沅水梯級(jí)水庫運(yùn)行中考慮如下約束條件：

各庫水量平衡約束

Vi，t=Vi，t-1+(Qi，t-qi，t-Ji，t-Si，t) Δt

(2)

式中，Vi，t、Vi，t-1分別為第i庫第t時(shí)段末、初水庫蓄水量；Qi，t為第i庫第t時(shí)段入庫流量；qi，t為第i庫第t時(shí)段的發(fā)電流量；Ji，t為第i庫第t時(shí)段之棄水流量；Si，t為第i庫第t時(shí)段的損失流量。

各庫水位約束

Zit，min≤Zit≤Zit，max

(3)

式中 ，Zit為第i庫第t時(shí)刻實(shí)際壩前水位；Zit，min為第i庫第t時(shí)刻允許壩前下限水位，一般為死水位；Zit，max為第i庫第t時(shí)刻壩前允許上限水位，一般地，在非汛期為正常高水位，在汛期為汛限水位，體現(xiàn)了防洪的要求，具體為水庫的安全及上游地區(qū)的防洪效益決定。

各庫流量約束

qi，min≤qit≤qi，max

(4)

式中，qit為第i庫發(fā)電流量；qi，min為第i庫滿足下游航運(yùn)、生態(tài)、供水等綜合利用的最小流量；qi，max為第i庫水輪機(jī)組最大過水能力。

機(jī)組出力約束

Ni，min≤Nit≤Ni，max

(5)

式中，Nit為第i電站第t時(shí)段的計(jì)算出力；Ni，min為第i電站最小負(fù)荷要求；Ni，max為第i電站最大負(fù)荷限制，Ni，max=min{N(Hit)，NYi}，其中，NYi為第i電站額定出力，N(Hit)第i電站第t時(shí)段預(yù)想出力。

1.3 模型求解

由于本文研究對象為4個(gè)具有調(diào)節(jié)性能的水庫組成的梯級(jí)水庫群，傳統(tǒng)優(yōu)化方法易產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)”問題，嚴(yán)重影響求解效率。為此，本文根據(jù)逐次逼近算法思想，結(jié)合增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法，提出輪庫迭代增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行求解，確保尋優(yōu)性能的同時(shí)保障模型求解效率[8-9]。模型求解步驟如下：

(1)初始化模型基本參數(shù)，包括輪庫迭代次數(shù)K、計(jì)算水庫數(shù)n、調(diào)度期時(shí)段數(shù)T、搜索補(bǔ)償ΔZ、計(jì)算精度ε等。

(2)初始化每個(gè)水庫調(diào)度策略線。初始調(diào)度過程線方法較多，本文采用單庫動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法初始化各個(gè)水庫的水位過程

其中，迭代次數(shù)d=0；n為水電站個(gè)數(shù)。

(3)選擇第k個(gè)水庫進(jìn)行尋優(yōu)，固定其他水庫水位過程不變；轉(zhuǎn)到步驟(4)。

(5)以初始可行調(diào)度線為中心，在其上下各取若干個(gè)各水位增量(步長)ΔZ，形成若干個(gè)離散值的策略“廊道”。在t=0和t=T，ΔZ=0。

(8)令k=k+1，返回步驟(4)繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)所有水庫全部計(jì)算完成后判斷是否滿足終止條件，若否，則令k=0，返回步驟(4)；若是，則輸出結(jié)果。

模型求解流程如圖1所示。

圖1 模型求解流程

2 沅水流域概況

沅水是洞庭湖水系四水之一，發(fā)源于貴州省東南部，流域范圍包括湘西、黔東、渝東南、鄂西等部分地區(qū)，在常德德山流入洞庭湖。沅水流域面積90 000 km2，干流全長1 028 km，總落差1 033 m，水能蘊(yùn)藏量豐富，是國家十三大水電基地之一的湘西水電基地的重要組成部分。沅水流域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，溫濕多雨，四季分明，流域內(nèi)平均降雨量在1 000～1 730 mm，水力資源豐富，是洞庭湖水系湘資沅澧四水中水量最大的河流，其水量占洞庭湖水系的40%。沅水干流水量豐沛，占全流域的60%，其中干流上具有季調(diào)節(jié)及以上調(diào)節(jié)能力的水電站有三板溪、白市、托口、五強(qiáng)溪等4座水電站，各水電站基本特征值見表1、流域位置如圖2所示。

表1 各水電站水庫基本信息

圖2 沅水流域示意

五凌電力有限公司根據(jù)國務(wù)院授權(quán)，按“流域、梯級(jí)、滾動(dòng)、綜合”的方針，全面負(fù)責(zé)沅水流域梯級(jí)水電站的開發(fā)、建設(shè)與經(jīng)營，目前沅水流域水電站已開發(fā)完成，全部投入正常運(yùn)用。上述4座水電站均隸屬于五凌電力有限公司，同一主體、構(gòu)成上下游梯級(jí)水電站，非常有利于開展梯級(jí)水庫的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。開展梯級(jí)水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度能夠充分發(fā)揮各水庫間的水文補(bǔ)償與庫容補(bǔ)償作用，能夠最大限度地提高流域的水資源利用效率，從而顯著增加梯級(jí)水電站的整體發(fā)電效益。隨著電力市場的深入推進(jìn)，為尋求沅水流域梯級(jí)水電站發(fā)電效益最大化，急需對不同上網(wǎng)電價(jià)下的流域聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略進(jìn)行深入研究。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

目前水電已進(jìn)入電力市場，水電上網(wǎng)電價(jià)整體呈下行趨勢，本文研究在水電上網(wǎng)電價(jià)上行和下行情況下，沅水流域梯級(jí)水電站各水庫的最優(yōu)運(yùn)行策略。選取沅水干流三板溪、白市、托口、五強(qiáng)溪等4座水電站組成沅水流域梯級(jí)水電站，各水電站的上網(wǎng)電價(jià)分別設(shè)定為0.36、0.40、0.40、0.27元/(kW·h)。以設(shè)定的上網(wǎng)電價(jià)為基準(zhǔn)，各水電站上網(wǎng)電價(jià)分別同步上調(diào)0.02、0.04、0.06元/(kW·h)，同步下調(diào)0.02、0.04、0.06、0.08元/(kW·h)，共組成8組上網(wǎng)電價(jià)。從2007年～2019年中挑選豐、平、枯典型年各一年，分別為2014年、2010年、2011年。以式(1)為目標(biāo)函數(shù)，滿足式(2)～(5)的約束條件，進(jìn)行梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度計(jì)算。

3.1 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算的年度發(fā)電量見表2，各水電站在設(shè)定上網(wǎng)電價(jià)下豐、平、枯水年份年度最優(yōu)運(yùn)行過程如圖3所示，豐、平、枯3種典型年份上網(wǎng)電價(jià)與三板溪水庫消落水位關(guān)系如圖4所示。

圖3 設(shè)定上網(wǎng)電價(jià)下豐、平、枯水年份各水電站年度最優(yōu)運(yùn)行過程

圖4 上網(wǎng)電價(jià)與三板溪水庫消落水位關(guān)系

表2 上網(wǎng)電價(jià)同步升降時(shí)梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度中各水電站的發(fā)電量

3.2 優(yōu)化策略分析

由圖3分析沅水流域梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度策略為：①三板溪水電站為流域“龍頭”多年調(diào)節(jié)水庫，應(yīng)充分發(fā)揮調(diào)節(jié)庫容攔豐補(bǔ)枯，發(fā)揮對梯級(jí)調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，提升流域梯級(jí)的整體發(fā)電效益，于上一年度末開始消落庫水位，至汛前3月份消落至低水位，來水越豐消落深度越大，消落至最低水位的時(shí)間越靠前，5月份前后開始為下游攔洪蓄水，6月份擇機(jī)蓄滿；②白市、托口與五強(qiáng)溪水電站在三板溪汛前庫水位消落期間維持高水位運(yùn)行，充分發(fā)揮水頭效益，三板溪庫水位消落到位后，其他各水庫開始消落庫水位(3月～4月)，先消落上游水庫、后消落下游水庫，4月份消落至低水位，7月份各水庫擇機(jī)蓄水，并于8月份蓄滿。

對于不同的來水年份，沅水流域梯級(jí)水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的運(yùn)行策略如下：

(1)枯水年份。三板溪水電站2月份開始緩慢消落，4月份消落至低水位，較平水年和豐水年，汛前消落庫水位時(shí)間推遲，消落至最低水位的時(shí)間也偏晚，且消落深度大幅減小，5月份主汛期開始為下游攔洪逐步蓄水抬升庫水位，6月下旬蓄至高水位。白市、托口水電站于4月份開始消落庫水位，5月份消落至低水位，6月下旬開始逐步蓄水；五強(qiáng)溪水電站按照汛期分期水位控制高水位運(yùn)行，7月份開始蓄水，9月份方蓄滿。

(2)平水年份。三板溪水電站上一年度末開始加大發(fā)電方式消落庫水位，為下游補(bǔ)償水量，同時(shí)騰出庫容攔蓄汛期下游水電站無法通過發(fā)電來利用的上游來水，以增加整個(gè)梯級(jí)的發(fā)電效益，3月份消至低水位，而后為下游各水電站攔洪而逐步抬升庫水位，6月中下旬蓄至高水位。白市、托口水電站于4月份開始消落庫水位，5月底消落至低水位，7月開始逐步蓄水。五強(qiáng)溪水電站汛前期按分期水位控制運(yùn)行，7月份在年度大洪水來臨前消落至低水位，而后利用洪尾開始蓄水，可于8月份蓄滿。

(3)豐水年份。與平水年份類似，三板溪水電站于上一年度末開始通過發(fā)電消落庫水位，3月下旬降至低水位并維持至5月份，主汛期為下游各水電站攔洪而蓄水，7月初蓄至高水位。白市、托口水電站于3月底開始消落庫水位，4月上旬即消落至低水位并維持至5月份，而后按汛限水位控制，7月下旬蓄水并于8月初蓄滿。因來水豐沛，汛期五強(qiáng)溪水電站難以通過發(fā)電消落庫水位，所以為發(fā)揮水頭效益而維持在汛限水位運(yùn)行，汛末即可蓄滿。

在上網(wǎng)電價(jià)同步上調(diào)和下調(diào)的情況下，下游白市、托口、五強(qiáng)溪的水位控制運(yùn)行策略變化不大，為實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站整體發(fā)電效益的最大，主要體現(xiàn)在三板溪水電站維持自身發(fā)電效益與其為下游各梯級(jí)水電站的補(bǔ)償效益的權(quán)衡。由圖4可看出，隨著上網(wǎng)電價(jià)同步下降，三板溪消落水位上升，上網(wǎng)電價(jià)每下降0.02元/(kW·h)，三板溪消落水位在豐水年、平水年、枯水年分別上漲1.09、0.20、1.34 m。這是因?yàn)樯暇W(wǎng)電價(jià)同步下降時(shí)，下游各水電站發(fā)電效益下降，三板溪對下游各電站的補(bǔ)償效應(yīng)削弱，下游各電站從犧牲三板溪水頭效益中所置換的發(fā)電效益逐步降低，所以隨著上網(wǎng)電價(jià)下降，三板溪自身的發(fā)電效益在梯級(jí)水電站中的比重上升，提高自身消落水位有利于保障本電站的水頭與發(fā)電效益，也提升了梯級(jí)的整體發(fā)電效益。

4 總結(jié)與展望

開展沅水流域梯級(jí)水電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，可以較單一常規(guī)調(diào)度顯著提升發(fā)電效益，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)流域水資源高效利用的目標(biāo)。本文通過構(gòu)建沅水梯級(jí)水庫群發(fā)電效益最大模型，分析研究不同典型年不同上網(wǎng)電價(jià)下沅水干流梯級(jí)水電站的最優(yōu)運(yùn)行策略，得到結(jié)論如下：

(1)三板溪水庫作為梯級(jí)水庫群的龍頭水庫，對下游起到重要的調(diào)蓄作用，在設(shè)定的電價(jià)下，不同年型表現(xiàn)出不同的消落規(guī)律，在枯水年、平水年、豐水年三板溪自調(diào)度期開始消落，分別于4月下旬、3月下旬、3月下旬消落至最低水位，下游水庫自三板溪消落至最低水位后開始進(jìn)行集中消落。

(2)在上網(wǎng)電價(jià)同步上調(diào)和下調(diào)的情況下，對三板溪水位消落策略影響較大，在豐水年、平水年、枯水年上網(wǎng)電價(jià)每同步下調(diào)0.02元/(kW·h)，三板溪消落至的最低庫水位分別上漲1.09、0.20、1.34 m，而其他水庫相對變化較小。

(3)本文研究內(nèi)容為沅水流域梯級(jí)水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行和電力市場營銷提供科學(xué)指導(dǎo)，有利于在新電力市場環(huán)境下實(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站整體發(fā)電效益的最大化。

隨著水電逐步深入?yún)⑴c市場交易，發(fā)電企業(yè)和電網(wǎng)均需要較為精準(zhǔn)的中長期水電發(fā)電能力預(yù)測和負(fù)荷預(yù)測，從而制定最優(yōu)的水電發(fā)電競價(jià)策略。所以需進(jìn)一步研究如何提升流域的中長期降雨預(yù)報(bào)和來水預(yù)測，進(jìn)而開發(fā)應(yīng)用集成中長期徑流預(yù)報(bào)與滿足電力市場交易規(guī)則的最優(yōu)發(fā)電策略于一體的水電最優(yōu)發(fā)電能力預(yù)測系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)新電力市場規(guī)則下流域梯級(jí)水電站發(fā)電效益的最大化，同時(shí)提升水庫調(diào)度業(yè)務(wù)的智能化水平。