基于優(yōu)化調度規(guī)律挖掘的水庫調度運用方案研究

李克飛，武 見，謝 維，張永永

(1.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州450003；2.水利部規(guī)劃計劃司，北京100053)

基于優(yōu)化調度規(guī)律挖掘的水庫調度運用方案研究

李克飛1，武 見1，謝 維2，張永永1

(1.黃河勘測規(guī)劃設計有限公司，河南鄭州450003；2.水利部規(guī)劃計劃司，北京100053)

結合常規(guī)調度圖操作簡單、易于指導實際但難以充分發(fā)揮水庫的運行效益，而優(yōu)化調度能夠充分發(fā)揮水庫運行效益但難以指導水庫實際運行的特點，分別建立常規(guī)調度圖模擬模型和發(fā)電優(yōu)化調度模型，通過對比兩種方案、分析優(yōu)化運行的結果，挖掘水庫運行調度規(guī)律，總結出調度圖的修正原則，進而得到優(yōu)化調度圖。以某流域兩座水庫為例進行應用研究，結果表明優(yōu)化調度圖較常規(guī)調度圖能夠獲得更優(yōu)的結果，為優(yōu)化理論成果應用于水庫實際提供了一種新的思路。

調度圖；優(yōu)化調度；DPSA；調度規(guī)律挖掘；調度方案

0 引 言

水庫常規(guī)調度圖以其操作簡單、方便直觀等優(yōu)點，成為指導水電站水庫運行調度的常用工具[1]，多年來一直備受各方關注。但依據(jù)常規(guī)調度圖進行調度時，調度規(guī)則偏于保守，調度結果很難達到最優(yōu)，難以充分發(fā)揮水庫的運行效益，從系統(tǒng)水資源利用率方面看，依據(jù)常規(guī)調度圖指導水庫調度依然存在較大的優(yōu)化空間。近年來，隨著系統(tǒng)科學、計算機技術的發(fā)展和優(yōu)化智能算法的出現(xiàn)，動態(tài)規(guī)劃方法[2]、大系統(tǒng)分解協(xié)調理論[3]、粒子群算法[4]、遺傳算法[5]等一些優(yōu)化理論和方法在水電站水庫優(yōu)化調度中得到了廣泛的應用，水電站水庫的優(yōu)化調度研究成為一個重要課題[6]?；趦?yōu)化理論和方法的水庫中長期優(yōu)化調度，依據(jù)一定的優(yōu)化目標，將長系列內的輸入過程最優(yōu)地分配到各個時段，實現(xiàn)水庫的最優(yōu)調度方式，制定水庫的優(yōu)化調度方案，能夠獲得較優(yōu)的運行效益。但優(yōu)化調度與實際調度存在一定偏差，依據(jù)優(yōu)化調度方案指導水庫實際運行，從應用水平考慮難以實現(xiàn)。因此，如何利用優(yōu)化調度的成果，結合水庫常規(guī)調度圖，指導水庫的實際運行，具有重大意義。

本文首先建立梯級水庫聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調度模型，采用動態(tài)規(guī)劃逐次逼近算法(DPSA)對模型進行求解，獲取水庫優(yōu)化調度過程；通過與常規(guī)調度模擬結果對比，挖掘優(yōu)化調度規(guī)律，進一步總結調度圖的修正原則，獲取優(yōu)化調度圖以指導水庫運行，最終提高水庫的綜合運行效益。

1 模型建立

1.1 常規(guī)調度圖模擬模型

依據(jù)水庫常規(guī)調度圖模擬運行調度規(guī)則，常規(guī)調度圖模擬模型的計算表達式如下

(1)

式中，E為調度期內的總發(fā)電量；Nt為水電站t時段的出力；△t為時段長度；T為調度期內的計算總時段數(shù)；K為電站出力系數(shù)；Qt、Ht分別為調度期內第t時段的水庫發(fā)電流量和平均發(fā)電水頭。約束條件包括：水量平衡約束、庫容約束、出力約束、灌溉或防凌等下泄流量約束、非負約束等。

表2 常規(guī)調度圖模擬運行與優(yōu)化模擬運行結果分析統(tǒng)計

電站名稱常規(guī)調度圖模擬運行聯(lián)合優(yōu)化調度模擬運行年均發(fā)電量/億kW·h年均棄水量/億m3出力保證率/%灌溉、防凌要求年均發(fā)電量/億kW·h年均棄水量/億m3出力保證率/%灌溉、防凌要求水庫112.633.0485.99滿足13.310.0392.38滿足水庫26.304.2995.21滿足6.392.9096.99滿足梯級18.937.3388.83滿足19.702.9395.21滿足

1.2 發(fā)電優(yōu)化調度模型

以年為調度周期，月為計算時段，以梯級水庫調度周期內發(fā)電量最大為目標，求各水電站出力過程和相應的水庫蓄泄狀態(tài)變化過程，建立梯級水庫聯(lián)合發(fā)電優(yōu)化調度模型，相應目標函數(shù)為

(2)

式中，Ni，t為t時段電站i的出力；N為電站數(shù)；Ki為電站i的出力系數(shù)；qi，t為t時段電站i的發(fā)電流量；Hi，t為t時段電站i的平均發(fā)電水頭。約束條件同常規(guī)調度圖模擬模型。

梯級水庫聯(lián)合優(yōu)化調度模型求解時，動態(tài)規(guī)劃是常用的優(yōu)化方法，為解決動態(tài)規(guī)劃的“維數(shù)災”問題，本文采用改進動態(tài)規(guī)劃的逐次逼近法(DPSA)進行梯級電站群聯(lián)合優(yōu)化調度的求解。

2 實例研究

以某流域的梯級兩座水庫為例進行分析。其中龍頭水庫(水庫1)為年調節(jié)水庫，下游水庫2為徑流式電站，兩座水庫的基本參數(shù)見表1。汛期為每年的6月～8月，徑流資料采用龍頭水庫壩址1957年6月～2004年5月共47年天然長系列資料。已知水庫的特征曲線，水庫常規(guī)調度圖及灌溉、防凌等約束條件等。

表1 梯級水庫基本參數(shù)

水庫保證出力/MW有效庫容/億m3調節(jié)能力水庫187.114.03年調節(jié)水庫240.30.443日調節(jié)

2.1 方案對比

分別運用上述模型及求解方法，對梯級水庫進行調節(jié)計算，梯級水庫依據(jù)常規(guī)調度圖指導運行與發(fā)電優(yōu)化運行的相應結果見表2。

由表2可以看出，與常規(guī)調度圖模擬運行方案相比，優(yōu)化調度模擬運行時，水庫1、水庫2及整個梯級，在年均發(fā)電量方面，分別增加0.68億、0.09億、0.77億kW·h，相對提高百分比分別為5.38%、1.43%、4.07%；在年均棄水量方面，分別減少3.01億、1.39億、4.40億m3，相對減少百分比分別為99.01%、32.40%、60.03%；在出力保證率方面，分別由85.99%、95.21%和88.83%提高到92.38%、96.99%、95.21%；兩方案均能滿足灌溉及防凌的任務要求。

由此可以看出，用調度圖指導水庫運行的結果在發(fā)電效益方面還有較大的提升空間。因此，考慮從優(yōu)化調度的運行結果著手，分析挖掘水庫調度運行規(guī)律，與調度圖相結合以指導水庫實際運行，提高水庫的綜合運行效益。

對水庫1兩種方案汛期的棄水量進行統(tǒng)計，見表3。分析表3可知，在汛期，現(xiàn)狀運用方案產(chǎn)生棄水量較大，優(yōu)化方案產(chǎn)生的棄水量較少。

表3 水庫1常規(guī)與優(yōu)化方案棄水量統(tǒng)計 億m3

水庫1的出力對比過程如圖1。由圖1可知，常規(guī)調度運用時，在汛期產(chǎn)生棄水的情況下，電站出力并沒有達到預想出力；另外，在供水期某些月份出現(xiàn)加大出力運行的現(xiàn)象，尤其是11月。進一步對水庫1汛初6月和凌汛期初11月的出力過程進行分析，見圖2。

圖1 水庫1多年運行出力過程對比

由圖2可知：①水庫1在常規(guī)調度運用時的出力比優(yōu)化運行時的出力低，結合對棄水量的分析(見表3)，常規(guī)運行時，在汛期棄水較多，而汛初的出力達到預想出力的機會較低，因此造成水庫的運行水位較高，致使水庫在后期來水較多的情況下產(chǎn)生了大量的棄水。②常規(guī)調度運行時，水庫1在11月大部分時段出現(xiàn)加大出力的現(xiàn)象，致使水庫水位削落較快，月末水位較低，不利于水庫發(fā)電效益的提高；優(yōu)化調度運行時，水庫大部分時段在保證出力附近運行，減緩了水庫水位削落，有利于供水期發(fā)電水頭維持相對較高，利于提高水庫的發(fā)電效益。

圖2 水庫1典型月多年運行出力過程

2.2 優(yōu)化調度規(guī)律挖掘

梯級聯(lián)合調節(jié)運行時，由于水庫2為徑流式電站，因此，影響梯級聯(lián)合運行效益的是水庫1的運行方式。指導實際運行的調度圖是以月為調度時段，年為調度周期，為利用優(yōu)化調度的運行結果，對優(yōu)化調度結果中水庫1各月的多年平均運行水位進行統(tǒng)計，見圖3。

圖3 水庫1多年運行月平均水位過程

由圖3可以看出，梯級水庫優(yōu)化調度運行時，以發(fā)電效益最大作為優(yōu)化目標，水庫1在9月至次年2月一直維持在較高水位運行。而這個時間段是汛末枯水時段，水庫一般不會產(chǎn)生棄水，在較高水位運行能維持水庫有較高的發(fā)電水頭，有利于提高水庫的發(fā)電效益。

為充分利用優(yōu)化調度的運行結果，總結優(yōu)化調度的運行規(guī)律，對水庫1長系列各水文年6月～8月以及次年4月、5月優(yōu)化調度運行的結果進行統(tǒng)計分析，分析水電站的流量過程、月平均水位過程以及出力過程情況如圖4所示(僅列出汛期7月的統(tǒng)計分析圖)。

圖4 水庫1各水文年優(yōu)化調度運行的結果(7月)

分析水庫1優(yōu)化調度運行的結果，可總結得出以下規(guī)律：

(1)從流量過程來看，大部分年份，6月的發(fā)電流量不小于入庫流量，且產(chǎn)生了少量棄水。從水位過程來看，大部分年份6月的末水庫水位均較低，以便為汛期預留足夠的防洪庫容。綜合分析，在發(fā)電流量小于入庫流量的年份里，大部分年份的電站出力均已達到最大發(fā)電能力。因此可以看出，6月應加大出力多發(fā)電，以適當降低水庫的運行水位從而保證足夠的防洪庫容。

(2)從流量過程來看，大部分年份，棄水情況較為普遍；從出力過程來看，均是按預想出力運行。因此，7月、8月以最大發(fā)電能力發(fā)電，在此條件下如還有余水，則水庫蓄水。

(3)4月、5月供水從流量過程來看，發(fā)電流量絕大多數(shù)年份均不低于入庫流量；從水位過程來看，水庫運行水位均較低；從出力過程來看，均沒有達到預想出力。綜合分析，4月、5月在來水量較多時可適當加大出力，增加發(fā)電量，來水量較少時可適當降低出力，減少發(fā)電量。

3 水庫調度運用方案制定

結合優(yōu)化調度規(guī)律，提出調度圖的修正原則，進一步對常規(guī)調度圖進行修正，得到修正后的優(yōu)化調度圖。

3.1 調度圖修正原則

總結調度圖的修正原則為：①水庫1在汛期應適當加大出力，減少蓄水，從而減少主汛期的棄水，即用損失水頭來補償水量，以期提高發(fā)電效益，對常規(guī)調度圖的調整應適當降低上基本調度線以增加電站加大出力運行的機會；②在凌汛期初(11月、12月)，可適當抬高水庫上基本調度線的水位值，減少電站棄水以加大出力運行的幾率，減緩水庫水位削落，使供水期發(fā)電水頭維持在相對較高水位，以提高水庫發(fā)電效益；③次年3月～5月基本上為水庫汛前時段的枯水期，水庫的水位削落較快，可適當抬高上基本調度線的水位值，減緩水庫水位削落，提高發(fā)電效益；④適當降低供水期下基本調度線的水位值，增加水庫發(fā)保證出力的范圍，減小降低出力區(qū)的范圍，以增加電站以保證出力運行的概率，提高電站的出力保證率。

表4 常規(guī)調度圖模擬運行與優(yōu)化調度圖模擬運行結果分析統(tǒng)計

電站名稱常規(guī)調度圖模擬運行優(yōu)化調度圖模擬運行年均發(fā)電量/億kW·h年均棄水量/億m3出力保證率/%灌溉、防凌要求年均發(fā)電量/億kW·h年均棄水量/億m3出力保證率/%灌溉、防凌要求水庫112.633.0485.99滿足12.772.7590.25滿足水庫26.304.2995.21滿足6.334.2396.99滿足梯級18.937.3388.83滿足19.106.9892.20滿足

3.2 優(yōu)化調度圖

綜上分析，對水庫調度圖進行大量模擬計算和多次優(yōu)化修正，最終得到優(yōu)化后的水庫調度圖，并與常規(guī)調度圖進行對比，如圖5所示。

圖5 水庫1優(yōu)化調度圖和常規(guī)調度圖對比

從圖5可知，與常規(guī)調度圖相比，優(yōu)化調度圖有如下改變：①6月～8月上基本調度線下移，增加了汛期加大出力發(fā)電的機會；②在保證防凌安全的前提下，凌汛期初(11月、12月)上基本調度線水位值適當上移，減小了供水期加大出力發(fā)電的機會，增加了電站發(fā)電效益；③3月～5月上基本調度線上移，減緩水庫水位削落，增加了電站供水期的發(fā)電效益；④供水期下基本調度線適當下移，增加了電站發(fā)保證出力的機會，提高了電站的出力保證率。

3.3 綜合調度運行分析

按照優(yōu)化后的水庫調度圖，對梯級電站進行以月為調度時段的長系列(47年)發(fā)電調度模擬運行計算，得出梯級模擬運行成果，各方案的計算成果見表4。

由表4可知，與常規(guī)調度圖模擬運行方案相比，按優(yōu)化調度圖模擬運行時，水庫1、水庫2及整個梯級多年平均發(fā)電量分別增加0.14億、0.03億、0.17億kW·h，相對增加百分比分別為1.11%、0.48%、0.89%；年均棄水量分別減少0.29億、0.06億、0.35億m3，相對減少百分比分別為9.54%、1.40%、4.77%；出力保證率均有一定程度的提高；兩方案均能滿足灌溉和防凌的任務要求。

4 結 論

本文綜合調度圖易于指導水庫實際運行的特點和優(yōu)化調度的理論成果，通過挖掘水庫運行規(guī)律，總結調度圖修正原則對調度圖進行了優(yōu)化修正。在滿足灌溉、生態(tài)、防凌要求的前提下，較之常規(guī)調度圖，優(yōu)化調度圖在一定程度上吸收了優(yōu)化調度的理論成果，提高了梯級水庫的發(fā)電效益和出力保證率，保證了電站系統(tǒng)運行的可靠性。而如何結合水庫運行調度規(guī)律，更好地對調度圖進行優(yōu)化修正將是下一步研究的問題。

[1]楊子俊， 王麗萍， 謝維， 等. 基于文化粒子群算法的水庫發(fā)電調度圖繪制[J]. 水力發(fā)電， 2010， 36(1)： 35- 37．

[2]程雄， 李剛， 程春田， 等. 含混合式抽水蓄能電站的梯級水電站群調度規(guī)則建模方法[J]. 水利學報， 2013， 52(4)： 377- 381．

[3]繆益平， 魏鵬， 陳飛翔， 等. 雅礱江下游梯級水電站聯(lián)合優(yōu)化調度研究 [J]. 水力發(fā)電， 2014， 40(5)： 91- 94．

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[6]李克飛. 水庫調度多目標決策與風險分析方法研究[D]. 北京： 華北電力大學， 2013．

(責任編輯焦雪梅)

Study of Reservoir Scheduling Program Based on Optimal Scheduling Law Mining

LI Kefei1, WU Jian1, XIE Wei2, ZHANG Yongyong1

(1. Yellow River Engineering Consulting Co., Ltd., Zhengzhou 450003, Henan, China;2. Department of Planning and Programming, Ministry of Water Resources, Beijing 100053, China)

The conventional scheduling chart is simple and easy to guide practical reservoir operation, but is difficult to give full play the benefits of reservoir operation. The optimal scheduling can run the full benefits of reservoir, but is difficult to guide the actual operation. So the conventional scheduling simulation model and generation optimization model are established respectively to compare two schemes and analyze the results of optimization scheme, and then the scheduling law of reservoir operation is mined and the correction principles of scheduling chart are summarized. Finally, the optimal scheduling chart is obtained. The application studies in two reservoirs in a watershed show that the optimal scheduling chart can obtain better results compared with conventional scheduling chart. The optimal scheduling chart provides a new way for the optimization theory applied in reservoir operation．

scheduling chart; optimal scheduling; DPSA; scheduling law mining; scheduling program

2015- 03- 07

國家“十二五”科技支撐計劃項目(2013BAC10B02);國家國際科技合作項目(2013DFG70990)；黃河設計公司自主研究開發(fā)項目(2011-ky05,2015-ky01)

李克飛(1986—)，男，河南許昌人，工程師，博士，主要從事水資源規(guī)劃與水庫調度方面的研究．

TV697.12

A

0559- 9342(2015)12- 0096- 05