考慮供水發(fā)電效益差的水庫(kù)調(diào)度優(yōu)化方法探討

歐述俊，秦玲玲，張學(xué)功，匡全忠

（寧波白溪市水庫(kù)管理局，浙江 寧海 315606）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和水資源需求的加大，涌現(xiàn)出了以城鎮(zhèn)供水為主，發(fā)電為輔的綜合利用水庫(kù)[1]。這一類(lèi)水庫(kù)，單位水量的供水效益明顯大于純發(fā)電效益。汛期高水位運(yùn)行時(shí)會(huì)面臨兩難的境地：一是擔(dān)心如果水庫(kù)多發(fā)電，可能會(huì)由于后期來(lái)水少而影響供水；但如果不多發(fā)電，可能會(huì)因后期來(lái)水多而產(chǎn)生棄水，造成效益損失；同時(shí)，由于峰谷電價(jià)往往有數(shù)倍之差，在安排發(fā)電時(shí)還應(yīng)考慮是否安排谷電。在汛期是否安排多發(fā)電，是否安排發(fā)低谷電，安排發(fā)多少電量合適，這些直接關(guān)系到水庫(kù)的經(jīng)濟(jì)效益。

目前，對(duì)于綜合利用水庫(kù)的優(yōu)化調(diào)度研究有的以發(fā)電量最大和供水量最大為目標(biāo)[2-3]，有的僅以發(fā)電效益最大為目標(biāo)[4]。本文在多年水庫(kù)調(diào)度和探索的基礎(chǔ)上，以綜合效益最大為目標(biāo)提出了一套考慮供水發(fā)電效益差距的水庫(kù)興利調(diào)度優(yōu)化方法。

1 模型建立

假設(shè)峰谷電價(jià)之比為a:1，單位水量的供水效益與純發(fā)峰電的效益比為b:1，則單位水量的供水效益與純發(fā)谷電的效益比為ab:1。計(jì)算期初水位為H初，汛限水位為H限。由于峰電價(jià)高于谷電價(jià)，所以?xún)?yōu)先考慮多發(fā)峰電。

1.1 是否多發(fā)峰電

汛期高水位時(shí)，在保證正常城鎮(zhèn)供水需要的情況下，有兩種方案可供選擇。方案一，前期多將一定水量用于發(fā)峰電，前期能產(chǎn)生發(fā)電效益r元，方案二，前期不安排多發(fā)峰電，用于后期供水，則有兩種可能：不產(chǎn)生棄水，則可收益b×r元，發(fā)生的概率為p；產(chǎn)生棄水，則收益為0元，發(fā)生概率為1－p。方案一的期望收益E1=r元。方案二的期望收益 E2=b×r×p。

（1）多發(fā)峰電與否的判別準(zhǔn)則：①若兩種方案的期望收益E1與E2相等，即汛期不棄水的概率p=1/b，則是否多發(fā)峰電效益一樣；②若p>1/b，則不應(yīng)多發(fā)峰電；③若p<1/b，則應(yīng)多發(fā)峰電。

（2）確定多發(fā)多少峰電量合適的判別準(zhǔn)則。假設(shè)前期安排多發(fā)t天峰電，汛期總共為T(mén)天，假設(shè)T-t天時(shí)間內(nèi)不棄水概率為p，則：①若p=1/b，則多發(fā)t天峰電是合適的；②若p<1/b，則應(yīng)增加多發(fā)峰電的天數(shù)，直至p=1/b時(shí)對(duì)應(yīng)的天數(shù)為最佳；③若p>1/b，則應(yīng)減少多發(fā)峰電的天數(shù)，直至p=1/b時(shí)對(duì)應(yīng)的天數(shù)為最佳值。

進(jìn)一步判斷是否需要安排發(fā)谷電。

1.2 是否發(fā)谷電

方案一，前期將一定水量用于發(fā)谷電，所能產(chǎn)生發(fā)電效益r元。方案二，前期不發(fā)谷電，用于后期供水，則有兩種可能：不產(chǎn)生棄水，則可收益a×b×r元，發(fā)生的概率為p2。產(chǎn)生棄水，則收益為0，發(fā)生概率為1-p2。方案一的期望收益E1=r元。方案二的期望收益 E2=a×b×r×p2。

（1）發(fā)谷電與否的判別準(zhǔn)則：①若兩種方案的期望收益E1與E2相等，即汛期不棄水的概率p2=1/（a×b）， 則是否發(fā)谷電效益一樣； ②若 p2>1/（a×b），則不應(yīng)安排發(fā)谷電；③若p2<1/（a×b），則應(yīng)安排發(fā)谷電。

（2）確定發(fā)多少谷電量合適的判別準(zhǔn)則。假設(shè)前期安排多發(fā)t天谷電，汛期總共為T(mén)天，假設(shè)T-t天時(shí)間內(nèi)不棄水概率為 p2， 則： ①若 p2=1/（a×b），則發(fā) t天谷電是合適的；②若p2<1/（a×b），則應(yīng)增加發(fā)谷電的天數(shù)，直至p2=1/（a×b）時(shí)對(duì)應(yīng)的天數(shù)為最佳；③若p2>1/（a×b），則應(yīng)減少發(fā)谷電的天數(shù)，直至p2=1/（a×b）時(shí)對(duì)應(yīng)的天數(shù)為最佳。

1.3 計(jì)算期內(nèi)不棄水概率p的確定

采用統(tǒng)計(jì)法進(jìn)行不棄水概率的確定。根據(jù)水量平衡原理，利用長(zhǎng)系列水文資料逐年逐時(shí)段 (旬、月）進(jìn)行計(jì)算，每年的計(jì)算期內(nèi)有任一時(shí)段棄水，則計(jì)該年發(fā)生棄水；然后，統(tǒng)計(jì)發(fā)生棄水的年數(shù)，該年數(shù)與整個(gè)水文系列年數(shù)的比值即為發(fā)生棄水的年概率ρ，將整個(gè)長(zhǎng)系列資料作為整體考慮，則不棄水的概率p=1-ρ。

汛期高水位時(shí)，在判別計(jì)算期內(nèi)是否要多發(fā)電時(shí)，首先默認(rèn)的條件是已經(jīng)保證正常城鎮(zhèn)供水。具體計(jì)算方法可參照文獻(xiàn)[5]。

2 實(shí)例分析

2.1 工程簡(jiǎn)介

浙江省某大（2）型水庫(kù)，以供水、防洪為主，兼顧發(fā)電、灌溉，總庫(kù)容1.684億m3，汛限水位170 m，多年平均徑流量2.81億m3，年設(shè)計(jì)供水量1.73億m3，多年平均發(fā)電量為4 380萬(wàn)kW·h，水電站裝機(jī)2×9 MW，主要承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)，供水保證率94%，發(fā)電保證率75%。4月15日~10月15日為水庫(kù)汛期。工程進(jìn)水口設(shè)置在電廠尾水池岸邊，水庫(kù)供水水源來(lái)自于發(fā)電機(jī)組尾水，即供水效益為供水收益與該部分水所發(fā)電量收益之和。受供水規(guī)模限制，該水庫(kù)單機(jī)峰電運(yùn)行即可保證供水安全，多余峰電以及發(fā)谷電部分的水量不能創(chuàng)造供水收益。水庫(kù)電廠可供選擇的日運(yùn)行方式有以下3種：①單機(jī)峰電。也即，以水定電方式，1臺(tái)機(jī)組發(fā)峰電運(yùn)行，發(fā)電用水量恰好滿(mǎn)足每日供水和生態(tài)用水需要。②雙機(jī)峰電。2臺(tái)機(jī)組發(fā)峰電運(yùn)行，發(fā)電用水量約為單機(jī)峰電方式的2倍。③雙機(jī)全天。2臺(tái)機(jī)組全天24 h運(yùn)行。

2.2 判別條件概率

電廠發(fā)電平均耗水率i=5.1 m3/kW·h，峰電電價(jià)y1=0.573元/kW·h，水價(jià)y2=0.50元/m3，則1 m3水對(duì)應(yīng)供水效益 （含發(fā)峰電）與純發(fā)峰電效益比

該電廠峰谷電價(jià)之比a∶1=3∶1；則單位水量供水效益與純發(fā)谷電的效益比為 a×b∶1=5.5×3∶1=16.5∶1；則是否多發(fā)峰電的判別條件概率p=1/b=18.2%；是否發(fā)谷電的判別條件概率 p2=1/（a×b）=6.1%。

2.3 判斷5月中旬的運(yùn)行方式

某年5月11日水庫(kù)水位163.78 m，利用水庫(kù)長(zhǎng)系列水文資料 （1961年～2011年，共51 a）進(jìn)行5月～10月調(diào)節(jié)計(jì)算，以旬為計(jì)算時(shí)段。調(diào)節(jié)計(jì)算得水庫(kù)按正常供水方式，即單機(jī)發(fā)峰電方式，后期不棄水概率p=15.7%，小于多發(fā)峰電判別條件概率p=18.2%，大于發(fā)谷電判別條件概率6.1%，故判定在計(jì)算期內(nèi)應(yīng)安排多發(fā)峰電，不應(yīng)安排發(fā)谷電。即5月中旬可安排雙機(jī)峰電運(yùn)行。5月中旬安排雙機(jī)峰電后，以5月21日實(shí)際水位為起始水位，重新計(jì)算p值，及時(shí)調(diào)整決策。

2.4 水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度圖

根據(jù)判別條件概率，利用長(zhǎng)系列水文資料，通過(guò)試算的方法求得以庫(kù)水位形式表示的水庫(kù)汛期各時(shí)段運(yùn)行方式判別標(biāo)準(zhǔn)，繪制水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度圖（見(jiàn)圖1）。圖1與水庫(kù)興利調(diào)度圖 （見(jiàn)圖2）相比，更具有可操作性，為調(diào)度決策提供直觀參考。

圖1 水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度

圖2 水庫(kù)興利調(diào)度

以該水庫(kù)2010年汛期為例，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)計(jì)算，優(yōu)化調(diào)度圖方法與興利調(diào)度圖方法調(diào)度成果見(jiàn)表1。

由表1可知，兩種方法汛末庫(kù)水位相同，優(yōu)化調(diào)度圖方法較興利調(diào)度圖方法增加效益245.77萬(wàn)元，減少棄水4 332.75萬(wàn)m3，優(yōu)化調(diào)度圖方法優(yōu)勢(shì)明顯。

水庫(kù)自2006年供水以來(lái)的其他年份來(lái)水不豐，汛期水庫(kù)水位不高，優(yōu)化調(diào)度圖方法與興利調(diào)度圖方法均選擇保供水方式，調(diào)度效果相同。

3 結(jié)論與建議

（1）本文提出的優(yōu)化調(diào)度方法從水庫(kù)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益最大出發(fā)，考慮了水庫(kù)單位水量產(chǎn)生供水效益與發(fā)電效益不同、峰谷電價(jià)不同等因素，在汛期高水位時(shí)較常規(guī)興利調(diào)度圖方法優(yōu)勢(shì)明顯。

（2）本文按期望值最大準(zhǔn)則選擇最優(yōu)策略，在任何一個(gè)實(shí)際過(guò)程中所獲得的效益并非與期望效益完全一致，但多次重復(fù)時(shí)會(huì)等于或接近期望效益。

（3）本文繪制的水庫(kù)汛期優(yōu)化調(diào)度圖為興利調(diào)度提供直觀參考，應(yīng)用時(shí)綜合考慮中短期天氣預(yù)報(bào)、防洪能力等因素，可使決策更為可靠。

（4）本文假定在滿(mǎn)足防洪要求下，水庫(kù)前期節(jié)約的水量后期能夠用于城鎮(zhèn)供水，若水庫(kù)供水規(guī)模受限，則應(yīng)當(dāng)綜合考慮。

［1］劉志坤，馬喜峰.加強(qiáng)水庫(kù)管理 充分發(fā)揮工程效益［J］.水利科技與經(jīng)濟(jì)， 2004， 10（1）:40-40.

［2］陳洋波，曾碧球.水庫(kù)供水發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型及應(yīng)用研究［J］.人民長(zhǎng)江， 2004， 35（4）:11-13.

［3］王興菊，趙然杭.水庫(kù)多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度理論及其應(yīng)用研究［J］.水利學(xué)報(bào)， 2003（3）:104-109.

［4］馬光文，王黎.分時(shí)電價(jià)下綜合利用水庫(kù)水電站的運(yùn)營(yíng)方式研究［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)， 2002（3）:1-6.

［5］歐述俊.考慮峰谷電價(jià)的水庫(kù)發(fā)電調(diào)度優(yōu)化方法探討［J］.水力發(fā)電， 2003， 29（1）:8-9.