黃龍灘水庫(kù)調(diào)度圖的模擬運(yùn)用與分析

袁林山

（國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司黃龍灘水力發(fā)電廠，湖北 十堰 442000）

0 引言

水庫(kù)調(diào)度原則是按設(shè)計(jì)確定的綜合利用目標(biāo)、任務(wù)、參數(shù)、指標(biāo)及有關(guān)運(yùn)用原則，在確保水庫(kù)工作安全的前提下，充分發(fā)揮水庫(kù)最大的綜合效益。當(dāng)水庫(kù)水位落在保證出力區(qū)時(shí)，水電站以保證出力運(yùn)行，盡可能抬高水庫(kù)運(yùn)行水位。當(dāng)水庫(kù)水位落在限制出力線時(shí)，水電站應(yīng)降低出力運(yùn)行。當(dāng)水庫(kù)水位落于防破壞線與防棄水線之間時(shí)，應(yīng)加大水電站出力運(yùn)行，減少棄水，提高水量利用率，以達(dá)到水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

在水庫(kù)調(diào)度中廣泛采用的調(diào)度圖，多以歷史實(shí)測(cè)徑流資料為樣本，根據(jù)水庫(kù)各設(shè)計(jì)參數(shù)值及特征水位，進(jìn)行徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，偏安全地決定各種調(diào)度方案的適用范圍，即對(duì)于同一決策，相應(yīng)設(shè)計(jì)一定保證率的水文情況各種可能出現(xiàn)的水庫(kù)水位的包線，即為所求的調(diào)度線。根據(jù)水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能及其承擔(dān)的水利任務(wù)。

1 最新水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化結(jié)果

為了保證發(fā)電量最大，選定目標(biāo)函數(shù)發(fā)電量最大對(duì)應(yīng)的調(diào)度圖為優(yōu)化的調(diào)度圖。

優(yōu)化的黃龍灘調(diào)度圖仍然包括兩條加大出力線和一條降低出力線，保證出力為50 MW，加大出力線包括60 MW和65 MW兩條，降低出力線包括44 MW一條，65 MW加大出力線以上部分不按原始調(diào)度圖的裝機(jī)容量510 MW發(fā)電，而是減小為90 MW。水位落在44 MW降低出力線以下部分出力按16 MW發(fā)電。水位在死水位226 m和正常蓄水位247 m之間變化。優(yōu)化調(diào)度圖圖形如圖1所示，圖中，橫坐標(biāo)為旬時(shí)段數(shù)，開(kāi)始時(shí)段從4月上旬開(kāi)始，縱坐標(biāo)為水位（m），從下到上出力區(qū)分別為16 MW、44 MW、50 MW、60 MW、65 MW、90 MW。

圖1 黃龍灘優(yōu)化調(diào)度圖Fig.1 Huanglongtan optimal scheduling map

每條調(diào)度線逐旬的具體數(shù)值如表1所示。

表1 黃龍灘優(yōu)化調(diào)度圖Tab.1 Huanglongtan optimal scheduling map

2 模擬計(jì)算與分析

2.1 長(zhǎng)系列操作

為了驗(yàn)證優(yōu)化調(diào)度圖的應(yīng)用效果，本次研究以1979年～2009年的潘口長(zhǎng)系列資料為輸入，經(jīng)過(guò)潘口調(diào)蓄后與區(qū)間徑流疊加得到黃龍灘的入庫(kù)徑流，分別用原始調(diào)度圖和優(yōu)化調(diào)度圖對(duì)黃龍灘進(jìn)行模擬調(diào)度，根據(jù)模擬調(diào)度的結(jié)果，得到原始調(diào)度圖和優(yōu)化調(diào)度圖的多年平均逐旬水位、多年平均逐旬棄水流量和多年平均逐旬出力過(guò)程分別如圖2、3、4所示。

圖2 多年平均逐旬水位Fig.2 Multi-year average water level of 10 days

圖3 多年平均逐旬出力Fig.3 Multi-year average power generation of 10 days

圖4 多年平均逐旬棄水流量Fig.4 Multi-year average discarded water flow of 10 days

從圖2可以看出，優(yōu)化調(diào)度圖的水位過(guò)程線位于原調(diào)度圖之上，有利于水庫(kù)處于高水位發(fā)電，尤其在枯期2月初-8月底，優(yōu)化調(diào)度圖的水位一直高于原始調(diào)度圖。9月初-次年1月兩者的水位相差不大。從圖2中還可以看出，來(lái)水越偏枯的時(shí)段，兩者的水位差越大，說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度圖能更好地適應(yīng)來(lái)水較少的時(shí)段。從兩者的多年平均逐旬水位過(guò)程線可以看出，優(yōu)化的調(diào)度圖過(guò)程線變化相對(duì)平滑，不像原始調(diào)度圖一樣水位存在陡漲陡落的現(xiàn)象。這主要是因?yàn)樵{(diào)度圖的出力分區(qū)設(shè)置不合理，加大出力區(qū)2為80 MW和預(yù)想出力區(qū)為510 MW，當(dāng)水位處于兩者的交界處時(shí)，微小的水位變動(dòng)就可能使出力相差到幾百兆瓦，導(dǎo)致水位在相鄰兩個(gè)時(shí)段間相差極大，變化極不均勻，這也正是原始調(diào)度圖發(fā)電保證率偏低的一個(gè)重要原因。

從圖3可以看出，優(yōu)化調(diào)度圖在3月～9月的各旬平均出力除了在7月中旬略小于原始調(diào)度圖外，其余階段的出力均比原始調(diào)度圖高，有利于發(fā)電量的增加。10月～次年1月兩者的水位一樣，發(fā)電量也基本沒(méi)有差別。但是原始調(diào)度圖在2月份出力有陡漲陡落的現(xiàn)象，2月中旬的出力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它時(shí)段的出力，而2月下旬的平均出力小于50 MW，還達(dá)不到保證出力水平。結(jié)合圖2也可以看出，2月中旬的初始水位為245 m左右，2月中旬末的水位陡降至死水位附近。原始調(diào)度圖2月中旬當(dāng)水位落在240～247 m之間時(shí)，按預(yù)想出力發(fā)電。分析模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，2月中旬平均初水位為245.35 m，大于240 m的時(shí)段占86.2%，所以有86.2%的時(shí)段水庫(kù)在2月中旬落在預(yù)想出力區(qū)。統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，2月中旬的平均出力為310.5 MW，36個(gè)旬的旬平均出力108 MW，是所有旬均出力的2.86倍，2月中旬平均發(fā)電流量為526.07 m3/s，36個(gè)旬的旬均發(fā)電量為169.25 m3/s，是所有旬均發(fā)電流量的3.12倍。由此可以得到，2月份的水位和流量之所以出現(xiàn)陡漲陡落的現(xiàn)象，是由于原始調(diào)度圖設(shè)置不合理，且2月份的水位突然降低到死水位附近，對(duì)之后來(lái)水較枯的3月～5月份發(fā)電特別不利，出力一直處于很低的水平。相比之下，優(yōu)化調(diào)度圖出力過(guò)程平穩(wěn)得多，能在整個(gè)調(diào)度年份均勻地出力，均勻地消落水位，所以其發(fā)電保證率大大提升。

從圖4可以看出，不管是原始調(diào)度圖還是優(yōu)化調(diào)度圖在棄水量上都很少，尤其是枯期基本上不存在棄水，只有在6月～10月存在少量的棄水，而且相比之下，優(yōu)化調(diào)度圖的棄水還稍多一點(diǎn)，但是兩者的棄水量最大相差不到8 m3/s，基本上沒(méi)差別。結(jié)合多年平均旬水位圖可以看出，優(yōu)化調(diào)度圖在6～10月基本上一直處于240 m以上的水位，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于原始調(diào)度圖的水位，所以優(yōu)化調(diào)度圖更多的是利用高水位發(fā)電，而原始調(diào)度圖的水位低，只能利用大流量發(fā)電，所以在汛期6月～10月相較而言棄水要少一些，但其由于水位降低而損失的電量是無(wú)法靠節(jié)約這點(diǎn)棄水而彌補(bǔ)的。

通過(guò)以上分析可以看出，優(yōu)化調(diào)度圖不僅能使發(fā)電量增加，還能提高發(fā)電保證率，具有很好的應(yīng)用效果，可以用于指導(dǎo)黃龍灘后期的調(diào)度運(yùn)行。

2.2 典型年操作

基于可行空間搜索遺傳算法的水庫(kù)調(diào)度圖優(yōu)化方法對(duì)堵河流域黃龍灘水庫(kù)的調(diào)度圖進(jìn)行了優(yōu)化。由于本研究采用的是多目標(biāo)優(yōu)化方法，可以直接給出一組Pareto解集，從這些非支配解集中挑出了使年均發(fā)電量最大的解，得到了相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)度圖。該調(diào)度圖已經(jīng)在長(zhǎng)系列調(diào)度過(guò)程中體現(xiàn)出了優(yōu)越性，本次研究還選用了豐、平、枯3個(gè)典型年，分別用原始調(diào)度圖和優(yōu)化的調(diào)度圖模擬運(yùn)行，比較兩個(gè)調(diào)度圖在典型年操作中的應(yīng)用效果。

3.2.1 典型年選擇

由于潘口入庫(kù)徑流（即竹山水文站）與潘口壩址實(shí)測(cè)逐旬徑流存在差異，故根據(jù)潘口壩址1979年～2009年逐年入庫(kù)徑流、黃龍灘1950～2014逐年入庫(kù)徑流進(jìn)行排頻，得到兩個(gè)系列來(lái)水頻率結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 潘口、黃龍灘水庫(kù)入庫(kù)徑流排頻結(jié)果Tab.2 The runoff calculation results of Pankou and Huanglontan reservoirs

由表2比較潘口、黃龍灘入庫(kù)徑流可知，盡量選取兩者頻率接近的年份，則近5%、50%和75%三個(gè)典型年可分別選1982年、1991年和1994年。

在潘口水電站蓄水運(yùn)行之前，潘口逐旬出庫(kù)流量與入庫(kù)流量相同，均是未經(jīng)水庫(kù)調(diào)蓄的天然徑流；黃龍灘逐旬入庫(kù)徑流也為實(shí)測(cè)值。由于區(qū)間消耗和區(qū)間入流推求較為困難，本研究對(duì)其做以下處理：比較潘口出庫(kù)與黃龍灘入庫(kù)天然徑流的差值，若潘口出庫(kù)大于黃龍灘入庫(kù)，則認(rèn)為兩者差值是區(qū)間消耗量，使區(qū)間入流為0；若小于黃龍灘入庫(kù)徑流，則兩者差值認(rèn)為是區(qū)間入流量，區(qū)間消耗量為0。這樣得到整個(gè)計(jì)算期的區(qū)間逐旬實(shí)際入流量。3個(gè)典型年的潘口壩址、黃龍灘以及區(qū)間旬徑流過(guò)程如圖5、6、7所示。

圖5 潘口典型年資料Fig.5 Typical data of Pankou

圖6 區(qū)間典型年資料Fig.6 Interval typical data

圖7 黃龍灘典型年資料Fig.7 Typical data of Huanglongtan

2.2.2 典型年計(jì)算結(jié)果

將潘口的3個(gè)典型年資料輸入到潘口調(diào)度模型中模擬調(diào)度得到出庫(kù)過(guò)程，將出庫(kù)過(guò)程與區(qū)間洪水疊加作為黃龍灘的入庫(kù)過(guò)程，分別用原始調(diào)度圖和優(yōu)化調(diào)度圖模擬3個(gè)典型年的黃龍灘調(diào)度過(guò)程。最后得到黃龍灘優(yōu)化調(diào)度和原調(diào)度圖調(diào)度的水位過(guò)程線、發(fā)電過(guò)程線如圖8、9、10、11、12、13所示。

從1982年豐水年調(diào)度結(jié)果可以很明顯地看出，優(yōu)化調(diào)度圖能夠使水位在枯期一直處于正常蓄水位247 m的位置運(yùn)行，只在7月中旬～8月上旬來(lái)水較峰的時(shí)段，用大流量發(fā)電，同時(shí)為了兼顧防洪安全水位有所降低，但水位一直大于245 m。而原始調(diào)度圖的旬末水位在2月中旬～8月上旬一直比優(yōu)化調(diào)度圖的旬末水位低，且水位變化大，特別是在2月中旬，水位從正常蓄水位247 m驟降至死水位226 m，對(duì)后期的發(fā)電十分不利。結(jié)合發(fā)電過(guò)程線可以看出，2月中旬原始調(diào)度圖的發(fā)電量特別大，使得水位從247 m降低到226 m，后期3～7月份來(lái)水不豐的月份只能處于低水位發(fā)電，水位和發(fā)電量一直低于優(yōu)化調(diào)度圖，在8月上旬水位回充至247 m以后，應(yīng)用效果和優(yōu)化調(diào)度圖差不多。

圖8 1982年豐水年旬末水位過(guò)程Fig.8 Water level process of 1982

圖9 1982年豐水年旬發(fā)電量過(guò)程Fig.9 Power generation process of 1982

圖10 1991年平水年末水位過(guò)程Fig.10 Water level process of 1991

從1991年平水年的調(diào)度結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，原始調(diào)度圖的旬末水位在1月下旬～7月下旬一直低于優(yōu)化調(diào)度圖的水位，特別是2月中旬和7月上旬，發(fā)電量突然增加，使得水位迅速降低，使得后期發(fā)電量迅速降低，后期只能處于低水位發(fā)電狀態(tài)，發(fā)電量低于優(yōu)化調(diào)度圖。從整個(gè)發(fā)電量過(guò)程線也可以看出，原始調(diào)度圖在1月下旬～7月下旬間的水位和發(fā)電量變化大，水位變化極不平緩，不利于發(fā)電保證率的提高，而優(yōu)化調(diào)度圖的水位和發(fā)電量變化很平穩(wěn)，出力比較均勻，發(fā)電保證率高。而且，跟長(zhǎng)系列操作中2月中旬的情況類似，7月份也易出現(xiàn)水位和發(fā)電量陡漲陡落的情況，7月份也易落在較高的出力區(qū)域，當(dāng)出力猛增時(shí)，使得水位迅速降低到很低的水平，不利于后期的發(fā)電，7月份猛增發(fā)電量使得8月份和9月份的電量遠(yuǎn)小于優(yōu)化調(diào)度圖的發(fā)電量。

圖11 1991年平水年發(fā)電量過(guò)程Fig.11 Power generation process of 1991

圖12 1994年枯水年水位過(guò)程Fig.12 Water level process of 1994

1994年枯水年的調(diào)度結(jié)果和1991年的調(diào)度結(jié)果相似，只是由于來(lái)水更偏枯，水位處于低水位的時(shí)間變得更長(zhǎng)，低水位運(yùn)行一直延續(xù)到了9月份，且在2月份和7分析月份都出現(xiàn)發(fā)電量突然增大的現(xiàn)象。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，原始調(diào)度圖在來(lái)水越偏枯的年份，應(yīng)用效果越差，來(lái)水越枯，低水位運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)電過(guò)程越不平滑，發(fā)電量越低，發(fā)電保證率越小。

表3統(tǒng)計(jì)了3個(gè)典型年的應(yīng)用結(jié)果，從表中可以看出：優(yōu)化調(diào)度圖在3個(gè)典型年的發(fā)電量都比原始調(diào)度圖高，1982年豐水年優(yōu)化調(diào)度圖的發(fā)電量為1357.52百萬(wàn)kW·H，原始調(diào)度圖的發(fā)電量為1298.96百萬(wàn)kW·h，增加了58.56百萬(wàn)kW·h。1991年平水年優(yōu)化調(diào)度圖的發(fā)電量為1010.71百萬(wàn)kW·h，原始調(diào)度圖的發(fā)電量為893.87百萬(wàn)kW·h，增加了116.84百萬(wàn)kW·h。1994年枯水年優(yōu)化調(diào)度圖的發(fā)電量為905.36百萬(wàn)kW·h，原始調(diào)度圖的發(fā)電量為834.8百萬(wàn)kW·h，增加了70.56百萬(wàn)kW·h。

圖13 1994年枯水年發(fā)電量過(guò)程Fig.13 Power generation process of 1994

表3 原調(diào)度圖和優(yōu)化調(diào)度圖3個(gè)典型年應(yīng)用比較Tab.3 The comparison of the three typical years of the original scheduling diagram and the optimal scheduling diagram

從發(fā)電保證率也可以看出，優(yōu)化調(diào)度圖在3個(gè)典型年的發(fā)電保證率都能達(dá)到100%，而原始調(diào)度圖除了能在1991年的平水年的發(fā)電保證率達(dá)到100%，即使是來(lái)水較多的豐水年1982年的發(fā)電保證率也僅為97.2%。而1994年枯水年的發(fā)電保證率僅為94.4%。結(jié)合之前的分析，這主要是因?yàn)樵颊{(diào)度圖的出力設(shè)置不合理，相鄰兩個(gè)出力區(qū)的出力梯度太大，有時(shí)微小的水位變動(dòng)可能使發(fā)電流量變動(dòng)巨大，使水位變化極不均勻，特別是在2月中旬和7月中旬，極易使出力驟增，水位驟降，不利于后期平穩(wěn)的發(fā)電，所以整體的發(fā)電保證率偏低。

3 結(jié)語(yǔ)

從上述模擬調(diào)度的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果可以看出，最新的、優(yōu)化后的水庫(kù)調(diào)度圖對(duì)于平水年和枯水年發(fā)電量增加明顯，主要是因?yàn)閮?yōu)化調(diào)度圖能使水位處于較高的位置，水庫(kù)水位按照不低于240 m控制，來(lái)水偏少也能利用高水頭發(fā)電，提高單位流量的發(fā)電效益。