陳村紀(jì)村梯級電站實時優(yōu)化調(diào)度研究

王立剛 王藝菲 姜志群

陳村紀(jì)村梯級電站實時優(yōu)化調(diào)度研究

王立剛 王藝菲 姜志群

一、概述

陳村水庫位于長江支流青弋江上，壩址在涇縣桃花潭鎮(zhèn)以上3km。青弋江發(fā)源于黟縣北部和黃山，下游在西河鎮(zhèn)以下流入圩區(qū)，與水陽江、漳河水系溝通入長江。青弋江流域面積5760km2，陳村水庫壩址以上流域面積2780km2。壩址以上主要支流麻川河，源出黃山，經(jīng)石門里、譚家橋、太平在小河口匯入干流。陳村水庫壩址以上流域多年平均降雨量1700mm，多年平均徑流量 2.77×109m3，設(shè)計洪水流量 10600m3/s，校核流量 14400m3/s。水庫正常蓄水位119.0m，設(shè)計洪水位122.2m，總庫容2.476×109m3。電站安裝3臺50000kW機(jī)組，總?cè)萘?50000kW。多年平均發(fā)電量0.316×109kW·h；設(shè)計灌溉面積97.7×103hm2，使 44×103hm2耕地的防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到20年一遇。陳村水庫是一座以防洪、發(fā)電、灌溉為主、兼有航運(yùn)、水產(chǎn)養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的水庫。

紀(jì)村電站是陳村水電廠的二級站，位于青弋江灌區(qū)總干渠樞紐末端，屬于徑流式電站，裝機(jī)2臺，總裝機(jī)容量為34000kW。通過青弋江灌區(qū)總干渠與陳村水庫下游溪口水庫相連接，攔截徽水河區(qū)間來水，在紀(jì)村筑壩壅水發(fā)電，尾水進(jìn)入青弋江老河道。是一個投資省、收效快、淹沒少，十分經(jīng)濟(jì)合理的水電工程。

溪口水庫是青弋江灌區(qū)總干渠樞紐渠首工程，位于涇縣溪口下游約lkm處，截引青弋江干流水。溪口樞紐設(shè)計最低水位，即起調(diào)水位57.15m，相應(yīng)庫容3000萬m3；壩上最高興利水位57.50m，相應(yīng)庫容為3221萬m3；壩上最高水位58.0m。控制區(qū)間集水面積500km2，總庫容3750萬m3。調(diào)節(jié)容量221萬m3，具有日調(diào)節(jié)能力，無裝機(jī)容量，當(dāng)引水渠來水超過其過流能力時，多余的流量可直接從河道排向下游。

青弋江灌區(qū)總干渠總長40km，設(shè)計最大過水流量160m3/s，實際過流量140m3/s，黃村閘上游徽水河集水面積1100km2。

陳村和紀(jì)村電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度在宏觀層面上已經(jīng)有過研究，但缺乏實際操作性，系統(tǒng)示意圖見圖1。在實際應(yīng)用中，更需要實時性強(qiáng)的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)來支持梯級電站的優(yōu)化調(diào)度，即需要研究開發(fā)實時優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)，以便充分利用陳村尾水、徽水河及其區(qū)間來水，使得發(fā)電經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

二、基本算法

陳村和紀(jì)村實時優(yōu)化調(diào)度模型必須考慮在一年不同時期水庫的運(yùn)行方式。在汛期，陳村水庫以防汛為主，控制汛限水位運(yùn)行。在非汛期，應(yīng)考慮發(fā)電經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所以，實時優(yōu)化調(diào)度模型必須綜合考慮這些因素。調(diào)度策略可簡單描述為：

（1）汛期，當(dāng)陳村水庫庫水位超過汛限水位時，陳村電站滿發(fā)，紀(jì)村電站利用陳村尾水即可實現(xiàn)滿發(fā)。

（2）汛期，當(dāng)庫水位達(dá)到汛限水位時，且上游無洪水入庫，陳村電站按計劃發(fā)電，紀(jì)村電站利用陳村尾水并通過徽水河和區(qū)間來水實現(xiàn)發(fā)電量最大。

（3）非汛期，最大限度地利用徽水河和區(qū)間來水，實現(xiàn)紀(jì)村電站發(fā)電量最大化。

由此，陳村和紀(jì)村實時優(yōu)化調(diào)度模型采用補(bǔ)償調(diào)度模型。

目標(biāo)函數(shù)：陳村和紀(jì)村實時優(yōu)化調(diào)度模型的目標(biāo)函數(shù)可以描述為在規(guī)定的時段紀(jì)村電站發(fā)電量最大。即：

圖1 系統(tǒng)示意圖

式中：E—時段發(fā)電量；N—時段數(shù)。

約束條件：

（1）庫容約束：水庫的蓄水量控制在一定的上下限內(nèi)。

式中：Vi—某時刻庫容—庫容下限—庫容上限。

（2）水庫泄量約束：某時刻水庫所有泄流建筑物的泄流量不能大于其最大泄流量，也不能大于下游的安全泄量。

式中：Qi—某時刻泄流量；Qmax—最大泄流量；q—下游安全泄量。

（3）渠道行洪流量約束：渠道流量不能大于其行洪能力。

（4）出力約束：發(fā)電機(jī)出力應(yīng)位于裝機(jī)容量和保證出力間。

式中：Ni—某時刻發(fā)電機(jī)出力；—出力下限，相當(dāng)于保證出力—出力上限，當(dāng)出力不受阻時，即為裝機(jī)容量。

（5）節(jié)點水量平衡約束：系統(tǒng)中各節(jié)點水量必須平衡，包括陳村水庫、紀(jì)村水庫、溪口和黃村。

三、計算邏輯

系統(tǒng)一期研究非汛期系統(tǒng)運(yùn)行情況。基本計算邏輯為：

（1）如果平垣來水充分，不需要上游補(bǔ)償。

（2）如果平垣來水不充分，則考慮上游補(bǔ)償。

如果溪口水量充分，則通過溪口水庫調(diào)節(jié)計算，補(bǔ)償下游水量需求；如果溪口水量不足，則考慮上游補(bǔ)償。

黃村至溪口段渠道水流計算用馬斯京根河道演算方法和圣維南方程擴(kuò)散波解析解方法。如果是逆向調(diào)節(jié)計算，則采用反向試錯調(diào)節(jié)計算。

溪口水庫調(diào)節(jié)計算采用聯(lián)解溪口水庫的水量平衡方程和泄流方程，采用數(shù)值解法。

溪口至陳村壩下水流計算方法同黃村至溪口段渠道水流計算。

系統(tǒng)每隔15min自動遞推計算一次，要求水位計算誤差小于2cm。計算要求極高，要求采用快速收斂并保持高精度的計算模型，同時需要優(yōu)化軟件的計算時間。

四、軟件概述

陳紀(jì)優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)應(yīng)以數(shù)據(jù)庫為核心，實現(xiàn)區(qū)間水雨情、機(jī)組實時信息的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，通過河道與區(qū)間來水的不斷的自動演算，提供調(diào)度方案，并制定與模擬管理、檢索時段數(shù)據(jù)發(fā)布和查詢管理，并方便地進(jìn)行系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫管理和調(diào)度方案、調(diào)度成果管理。

該系統(tǒng)分為兩個子系統(tǒng)：客戶端系統(tǒng)和服務(wù)器端系統(tǒng)。服務(wù)器系統(tǒng)為自動調(diào)節(jié)計算，而客戶端系統(tǒng)為發(fā)布與查詢實時信息和調(diào)節(jié)計算結(jié)果。

1.客戶端系統(tǒng)功能

實時顯示沿渠道主要節(jié)點的水位與流量信息，包括：壩下、溪口、黃村、紀(jì)村。

顯示在紀(jì)村電站最大化發(fā)電量的情況下，沿渠道各主要節(jié)點的水位與流量信息。

顯示如果運(yùn)用溪口水庫調(diào)節(jié)的情況下，溪口水庫的閘門開啟情況，包括開啟孔數(shù)和開啟高度。

顯示在運(yùn)用陳村水庫調(diào)節(jié)的情況下，請求陳村水庫的調(diào)節(jié)流量。

2.服務(wù)器系統(tǒng)功能

服務(wù)器系統(tǒng)主要包括水量優(yōu)化調(diào)節(jié)計算模型，該模型每隔15min自動進(jìn)行一次調(diào)節(jié)計算，并將計算結(jié)果存入服務(wù)器數(shù)據(jù)庫。

五、結(jié)論與建議

通過一年多的試運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行十分穩(wěn)定，計算精度和計算時間達(dá)到設(shè)計要求，為梯級電站優(yōu)化運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)支持。建議在二期工程中，考慮運(yùn)用徑流預(yù)報模型，增加系統(tǒng)的預(yù)見期，可以更加充分地利用區(qū)域的水資源，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益■

（作者單位：遼寧省大洼縣水利局124200 佳木斯大學(xué) 154007 南京江山同和水利水電技術(shù)有限公司 210000）