松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度研究與應(yīng)用

麥樹(shù)仁

（海南省水利灌區(qū)管理局松濤灌區(qū)管理分局，海南 儋州 571700）

松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度研究與應(yīng)用

麥樹(shù)仁

（海南省水利灌區(qū)管理局松濤灌區(qū)管理分局，海南 儋州 571700）

松濤水利工程管理局在松濤灌區(qū)（東干）渠道上建立的 5 座梯級(jí)電站由于地理位置分散，渠道調(diào)節(jié)性能差，發(fā)電效益不高，綜合利用部門(mén)之間的矛盾突出。為此，對(duì)松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度研究，以現(xiàn)代控制論、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法為基礎(chǔ)，根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，求解適合渠道梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行方式，并開(kāi)展渠道梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用的探索，實(shí)踐證明，松濤灌區(qū)梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度后效益顯著。

渠道；梯級(jí)電站；優(yōu)化調(diào)度；研究應(yīng)用；松濤灌區(qū)

0 引言

松濤水庫(kù)是海南省最大的水庫(kù)，是一宗跨流域引水，以灌溉為主，結(jié)合供水、防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖的大型水利樞紐工程。總庫(kù)容 33.45 億m3，流域面積1 496 km2，設(shè)計(jì)多年平均供水量 12.87 億m3，設(shè)計(jì)灌溉面積 13.66 萬(wàn)hm2，實(shí)際灌溉面積 7.2 萬(wàn)hm2。松濤灌區(qū)總干渠 6.68 km，設(shè)計(jì)流量 94.3 m3/s；西干渠25.92 km，設(shè)計(jì)流量 23.4 m3/s；東干渠 123.57 km，設(shè)計(jì)流量 70.9 m3/s；那大分干渠 25 m3/s；松濤灌區(qū)（東干渠）渠道梯級(jí)跌水電站（5 座）裝機(jī)容量為11.57 MW。

松濤灌區(qū)渠道主要是以灌溉為主，結(jié)合供水、發(fā)電等，5 座渠道梯級(jí)電站服從于灌區(qū)灌溉、供水（工業(yè)、生活）的需求，在協(xié)調(diào)好各方面關(guān)系的基礎(chǔ)上，充分利用好水資源多發(fā)電。由于渠道的調(diào)節(jié)性能差，渠道梯級(jí)電站地理位置分散，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站（以下簡(jiǎn)稱渠道梯級(jí)電站）相互之間（上下游電站）的矛盾突出，相互爭(zhēng)搶水頭，開(kāi)停機(jī)頻繁，造成互相影響，既影響灌區(qū)灌溉及供水（流量時(shí)大時(shí)小），也影響電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，造成渠道梯級(jí)電站總體發(fā)電效益不高。為化解松濤灌區(qū)渠道用水方面存在的諸多矛盾，提高水的利用率，提高渠道梯級(jí)電站的發(fā)電效益，20 世紀(jì)90 年代后期開(kāi)始對(duì)松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行調(diào)研，并對(duì)松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度開(kāi)始進(jìn)行專題研究，以現(xiàn)代控制理論、動(dòng)態(tài)規(guī)化法為基礎(chǔ)，根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)化法求解適合松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度的運(yùn)行方式；2006 年后，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站開(kāi)展了聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用的探索，在研究和應(yīng)用過(guò)程中，得到了一些新的啟發(fā)和啟示，并取得較好的應(yīng)用效果。

松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)（5 座）電站實(shí)施優(yōu)化調(diào)度后，既考慮了灌溉用水，也兼顧了綜合利用（供水、發(fā)電）的用水，最大程度地化解松濤灌區(qū)渠道灌溉用水和綜合利用（供水、發(fā)電）之間的用水矛盾。由于實(shí)施松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，松濤灌區(qū)渠道 5 座梯級(jí)電站的整體意識(shí)提高了，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站群之間的矛盾得到了緩解，松濤灌區(qū)渠道和渠道梯級(jí)電站群之間的水流平穩(wěn)，發(fā)電條件得到了明顯改善，發(fā)電量也得到明顯增加。

1 渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)

松濤灌區(qū)（東干渠）渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度是在不改變水工建筑和跌水電站現(xiàn)有設(shè)備的情況下，運(yùn)用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法，借助松濤水庫(kù)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)水情信息，利用計(jì)算機(jī)編制出渠道最優(yōu)調(diào)度方案，從而實(shí)現(xiàn)松濤灌區(qū)的灌溉和結(jié)合發(fā)電的最佳控制運(yùn)用，達(dá)到增加發(fā)電量（產(chǎn)值）的目標(biāo)。

1.1 目標(biāo)與方式

松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)用，是根據(jù)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)制定各種優(yōu)化運(yùn)行方式，包括：1）渠道優(yōu)化、梯級(jí)跌水電站群互補(bǔ)調(diào)節(jié)運(yùn)行方式；2）渠道梯級(jí)電站經(jīng)濟(jì)負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行方式；3）編制渠道梯級(jí)電站年、月、日運(yùn)行方式；4）下達(dá)渠道梯級(jí)電站日負(fù)荷曲線。

1.2 目標(biāo)與計(jì)劃

依據(jù)松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)確定的優(yōu)化運(yùn)行方式，編制各梯級(jí)電站的年、月發(fā)電計(jì)劃，編制梯級(jí)電站群的年、月發(fā)電計(jì)劃。松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站每年發(fā)電時(shí)間約為 300～310 d，具體計(jì)劃如表1 所示。

表1 具體計(jì)劃表 MW?h

2 渠道梯級(jí)電站工程特性

由于松濤灌區(qū) 5 座渠道梯級(jí)電站的地理位置分散，渠道梯級(jí)電站的機(jī)組都是低水頭機(jī)組，渠道自身的調(diào)節(jié)性能差，致使渠道梯級(jí)電站相互之間爭(zhēng)搶水頭，相互間影響較大，既影響灌區(qū)灌溉及供水，也影響電站運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，造成渠道梯級(jí)電站總體發(fā)電效益不高。為此通過(guò)對(duì)松濤灌區(qū)渠道電站的基本現(xiàn)狀和工程特性方面深入地了解，全面研究合理處理各項(xiàng)工程因素、權(quán)衡各項(xiàng)約束因素的方法，在各項(xiàng)約束之間找到一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)，得出適合松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化運(yùn)行的方式。

2.1 渠道梯級(jí)電站的地理分布

松濤灌區(qū)渠道及 5 座渠道梯級(jí)電站的地理分布情況如圖1 所示。

圖1 渠道梯級(jí)電站的地理分布圖

2.2 渠道梯級(jí)電站工程特性

松濤灌區(qū)渠道 5 座梯級(jí)電站的工程特性如表2所示。

表2 松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站工程特性表

3 渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度方法和特點(diǎn)

3.1 渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度方案

根據(jù)松濤灌區(qū)渠道 5 座梯級(jí)電站的狀態(tài)變量（水位、流量），選取平均出力、發(fā)電耗水量、相鄰渠道（西干渠、那大分干渠）的水量調(diào)節(jié)和穩(wěn)定渠道過(guò)流量等作為決策變量，按渠道設(shè)計(jì)確定的渠道水位、流量和發(fā)電出力等邊界約束條件，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法進(jìn)行逆時(shí)序逐時(shí)段的調(diào)節(jié)計(jì)算，編制渠道優(yōu)化調(diào)度方案[1]。

3.2 渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度曲線圖

1）編制渠道優(yōu)化調(diào)度曲線圖，將常規(guī)渠道的水位、流量調(diào)度曲線，擴(kuò)展為時(shí)間、水位、流量的調(diào)度曲線圖，使渠道調(diào)度決策的實(shí)時(shí)性、實(shí)用性更強(qiáng)。

2）松濤灌區(qū)渠道實(shí)施了節(jié)水改造工程（梯級(jí)電站群的渠道實(shí)施了防滲工程），根據(jù)渠道工程特性（設(shè)計(jì)）和各種來(lái)水組合計(jì)算，在每年 5—11 月的汛期，取消了渠道汛期水位限制?，F(xiàn)在渠道在汛期的運(yùn)行水位比原汛期的運(yùn)行水位提高了 30～40 cm，因此要重新綜合調(diào)整渠道優(yōu)化調(diào)度曲線圖。

3）根據(jù)渠道（梯級(jí)跌水電站）惡劣天氣（臺(tái)風(fēng)、暴雨）與來(lái)水量的組合計(jì)算，結(jié)合渠道優(yōu)化調(diào)度曲線圖，重新制定臺(tái)風(fēng)暴雨期間的控制運(yùn)行水位。

3.3 渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度方式

1）根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，求解適合渠道梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行的方式，根據(jù)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度曲線圖和梯級(jí)電站的工程特性，確定渠道梯級(jí)電站的發(fā)電出力。松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行方式如表3所示。

表3 松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行方式表

2）根據(jù)松濤灌區(qū)渠道各梯級(jí)水電站間的水頭、流量關(guān)系，計(jì)算出上下級(jí)電站區(qū)間扣損及流達(dá)時(shí)間，兩相鄰梯級(jí)電站間水頭銜接程度和下一級(jí)電站水位波動(dòng)對(duì)上一級(jí)電站的水頭損失；采用計(jì)入流量的時(shí)間、空間相關(guān)關(guān)系，建立優(yōu)化調(diào)度數(shù)學(xué)模型，應(yīng)用隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解，得出各時(shí)段梯級(jí)電站整體最優(yōu)運(yùn)行方式；得出總負(fù)荷及其他約束條件下的梯級(jí)跌水電站群整體最優(yōu)聯(lián)合運(yùn)行方式。由于渠道梯級(jí)電站是低水頭機(jī)組，通過(guò)實(shí)施梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度，渠道梯級(jí)各電站知道前池流量，根據(jù)來(lái)水量發(fā)電，平穩(wěn)發(fā)電，做到不棄水和少棄水，機(jī)組始終在高水頭滿發(fā)電狀態(tài)下運(yùn)行。由于克服了常規(guī)渠道調(diào)度方法的重大缺陷，經(jīng)濟(jì)效益明顯提高[2]。松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站水利要素如表4 所示。

3）根據(jù)水情遙測(cè)系統(tǒng)提供的實(shí)時(shí)水情信息對(duì)各渠段過(guò)流量進(jìn)行預(yù)測(cè)和還原分析，使渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度決策更貼近實(shí)際，從而提高渠道梯級(jí)電站的發(fā)電量。

表4 松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站水利要素表

3.4 渠道梯級(jí)電站內(nèi)的優(yōu)化經(jīng)濟(jì)運(yùn)行

要實(shí)現(xiàn)松濤渠道梯級(jí)電站內(nèi)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就要做好挖潛增效，根據(jù)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度給定的前池流量和下達(dá)的運(yùn)行方式，在渠道梯級(jí)電站流量穩(wěn)定的前提下，梯級(jí)電站結(jié)合本電站機(jī)組水頭和單機(jī)引流的實(shí)際情況，選擇“以水定電”或“以電定水”的操作方法，始終保持在最高水頭、滿負(fù)荷的情況下運(yùn)行，機(jī)組耗水量最少，效率最高，發(fā)電量也高于以往的發(fā)電量，使電站內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行得到了優(yōu)化。以往，來(lái)水量不穩(wěn)定，匆大匆小，前池水位匆高匆低，難于控制，由于渠道跌水電站是低水頭機(jī)組，水頭損失是機(jī)組效率損失最大的因素，從而造成發(fā)電量損失。松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站日運(yùn)行方式-負(fù)荷[3]如表5 所示。

表5 松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站日運(yùn)行方式-負(fù)荷表

4 渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度效益評(píng)估

4.1 實(shí)際效益

自 2006 年以后，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站實(shí)行優(yōu)化調(diào)度以來(lái)，對(duì)渠道梯級(jí)電站運(yùn)行實(shí)行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，各梯級(jí)電站間主動(dòng)進(jìn)行溝通配合，如機(jī)組運(yùn)行方式、開(kāi)停機(jī)都主動(dòng)向下游電站電話通報(bào)情況，使松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度工作得到了順利開(kāi)展。松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站實(shí)施優(yōu)化調(diào)度后發(fā)電量明顯增加，經(jīng)過(guò) 8 年的運(yùn)行考核，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)跌水電站 8 年的年平均發(fā)電量與未進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度期間的發(fā)電量相比，年平均增發(fā)電量 10.68 MW?h，增加收入 427 萬(wàn)元（綜合電價(jià) 0.40 元/ kW?h）。8 年累積平均節(jié)水增發(fā)電量 85.45 MW?h，累積增加收入3 418 萬(wàn)元。松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站實(shí)施優(yōu)化調(diào)度前后發(fā)電量對(duì)比情況如表6 所示。

表6 松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站實(shí)施優(yōu)化調(diào)度對(duì)比表 MW?h

4.2 綜合效益

松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明，實(shí)現(xiàn)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度可獲得 3 種直接和間接效益：1）增加發(fā)電量；2）提高發(fā)、供電的可靠性和穩(wěn)定性；3）實(shí)現(xiàn)松濤灌區(qū)的灌溉和結(jié)合發(fā)電的最佳控制運(yùn)用，保障綜合利用，提高自身經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié)語(yǔ)

在松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站優(yōu)化調(diào)度的實(shí)際過(guò)程中，主要研究如何處理各項(xiàng)工程因素，根據(jù)動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，全面而合理地權(quán)衡各項(xiàng)約束因素，在各項(xiàng)約束之間綜合考慮，找到一個(gè)最佳的結(jié)合點(diǎn)，求解出適合松濤渠道梯級(jí)電站優(yōu)化運(yùn)行的方式。在實(shí)施松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度初期，渠道梯級(jí)電站的年發(fā)電效益就顯現(xiàn)出來(lái)了，經(jīng)過(guò)多年不斷地修正和調(diào)整優(yōu)化特性，松濤渠道梯級(jí)電站的年發(fā)電量逐年提高，經(jīng)過(guò) 8 年的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行考核，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站群優(yōu)化調(diào)度后，年發(fā)電量的提高達(dá)到 20% 左右。實(shí)踐證明，松濤灌區(qū)渠道梯級(jí)電站實(shí)施優(yōu)化調(diào)度后效益顯著。

[1] 董子敖.水庫(kù)群調(diào)度與規(guī)劃的優(yōu)化理論和應(yīng)用[M].濟(jì)南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1989: 214-285.

[2] 馬細(xì)霞，馬躍先，申季維，等.電站引水損失對(duì)廠內(nèi)優(yōu)化運(yùn)行設(shè)計(jì)的影響分析[J].水電能源科學(xué)，2003, 21 (1): 49-50.

[3] 韓桂芳，陳啟華，張仁貢.動(dòng)態(tài)規(guī)劃法在水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中的應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2005, 23 (1): 48-51.

Research and Application of Optimal Operation of Channels Cascade Hydropower Stations in Songtao Irrigated Area

MAI Shuren

(Songtao Irrigation Management Substation of water conservancy Irrigation Management in Hainan Province, Danzhou 571700, China)

Because five cascade class electric stations’geography position is scatter, which are built in Songtao irrigated area (east stem) by Songtao hydraulic engineering administration, channel regulation performance is poor.Power generation efficiency is not high.And the contradiction between departments of comprehensive utilization is outstanding.Therefore, the article researches on optimal operation of channels cascade hydropower stations in Songtao irrigated area.Based on comtemporary control theory and dynamic programming method, optimization operation mode of channels caseade hydropower stations is solved according to dynamic programming theory.And it explores the joint optimization scheduling application.It has been proved that the benefit is remarkable after optimal operation of cascade hydropower stations in Songtao irrigated area.

channel; cascade hydropower station; optimal operation; research and application; Songtao irrigated area

T74

A

1674-9405(2014)04-0032-04

2014-05-06

麥樹(shù)仁（1955－），男，海南東方人，工程師，從事灌區(qū)水利、電力調(diào)度，水情自動(dòng)測(cè)報(bào)、無(wú)線通信系統(tǒng)的技術(shù)管理等工作。