大型流域水電站水庫群長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型研究

相子江

(新疆昌源水務集團阜源有限公司，新疆 阜康 831500)

1 概述

近年來，隨著我國經(jīng)濟和科學技術的進步以及對水電開發(fā)的重視，我國的水電事業(yè)蒸蒸日上，雖然開發(fā)率還不及一些西方的發(fā)達國家，但基于我國豐富的水電資源，如今我國已經(jīng)成為了世界位列第一的名副其實的水電大國[1-2]。我國水電事業(yè)在蒸蒸日上的同時也依然存在著不足，我國水電站數(shù)量眾多，但各個水電站水庫相互之間基本處于獨立運作的模式根據(jù)研究顯示，提高水電站水庫群的整體調(diào)度對于提高各個水電站的總體發(fā)電量以及航運和防洪等多個方面都是非常有幫助的，所以人們把目光也放到了這里。提高水電站水庫群相互之間的配合，實現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)度不僅符合我國建設資源節(jié)約型和環(huán)境友好型的建設方針的要求，推動我國環(huán)保事業(yè)繼續(xù)向前邁進，也對水電事業(yè)的經(jīng)濟效益以及防洪等許多方面益處良多[3-4]。本文主要從三個方面展開研究，分別是大型流域地區(qū)水電站水庫群共同合作下的聯(lián)合調(diào)度模型的建立、聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的求解及某地區(qū)水電站水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型應用效果的實例分析。

2 大型流域地區(qū)的水電站水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的建立

2.1 聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型構建思路

大型流域地區(qū)水資源豐富，水電站的數(shù)量也是比較多的，且分布的地理區(qū)域比較廣泛，相互之間的調(diào)度關系也是非常復雜的[5]。如果實現(xiàn)系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)度，優(yōu)化已有的調(diào)度關系，可以很好地讓大型流域的水力資源得到更大的開發(fā)和利用，不僅可以大大提高單個水電站的利用率，總體的發(fā)電量和經(jīng)濟效益也可以得到顯著提升。本次聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的研究以確定的水源輸入為參考數(shù)據(jù)，綜合考慮大型流域上游地區(qū)水電站水庫群等各種約束條件，從河流的梯度水庫群和部分電網(wǎng)水庫群以及整個流域的水庫群等三個方面，從長、中、短三個時間層次，以及長大型流域上游水電站的總發(fā)電量，以聯(lián)合調(diào)度產(chǎn)生的發(fā)電量盡可能大，聯(lián)合調(diào)度產(chǎn)生的效益最高，水電調(diào)峰的電量最大為優(yōu)化目標，建立大型流域上游水電站水庫群多維度、多層次、多目標的優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度模型。聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型構建的技術思路見圖1。

圖1 聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型技術路線圖

2.2 長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的建立

建設一個良好的聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)，首先要構建一個完善的調(diào)度模型。水電站的調(diào)度模型其實就是將水電站水庫群之間的聯(lián)合調(diào)度的運作系統(tǒng)以數(shù)字符號的形式呈現(xiàn)出來[6-7]。模型主要包含調(diào)度對象，優(yōu)化目標以及約束條件三個方面。本文以大型流域水電站水庫群長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型為主要研究對象，基于大型流域地區(qū)的水電站的聯(lián)合調(diào)度的規(guī)則，以調(diào)度期內(nèi)只考慮發(fā)電量最大化目標，在確定性來水情況下，由隸屬不同電網(wǎng)的水電站群所組成的整體發(fā)電量最大為前提條件，通過將水電站水庫群作為一個整體進行聯(lián)合調(diào)度來構建所需的長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。具體構建過程如下：

目標函數(shù)：

(1)

(2)

約束條件:

(1)水庫之間的水力聯(lián)系:

(3)

(2)水庫水量平衡約束：

(4)

(3)邊界條件：

Zi.o=Zi.stratZi.T=Zi.endt

(5)

(4)m電網(wǎng)庫群最小出力約束:

(6)

(5)m電網(wǎng)庫群最大出力約束:

(7)

公式1～公式7中各符號代表含義見表1。

表1 公式(1)～(7)中主要符號含義表

2.3 長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的建立

針對現(xiàn)有算法模型求解收斂精度差、精度低的問題，采用MPI和OpenMP的混合編程技術，設計了基于多核PC機群環(huán)境下的站群間和站內(nèi)雙層并行優(yōu)化算法。算法整體框架見圖2。

圖2 大型流域水電站水庫群長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型算法框架圖

3 大型流域水電站水庫群長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型實例分析

3.1 我國電網(wǎng)基本情況

我國水資源非常豐富，再加之得天獨厚的地理位置[8]。理論上，我國蘊藏的水電資源高達6.89億kW，但由于經(jīng)濟和技術等條件的限制，所以實際上我國技術層面可開發(fā)的電量為4.92億kW，經(jīng)濟層面可開發(fā)的電量為3.95億kW，牢牢占據(jù)世界第一的位置。我國的水電資源的分布不均勻，其中60%的可開發(fā)資源都位于我國西南地區(qū)，其中，光四川一個地區(qū)可供開發(fā)的水電資源就超過了1億kW，這一數(shù)量占據(jù)了我國總體可開發(fā)電量的1/4。另外，金沙江主干流域的技術層面可開發(fā)的電量也是較高的，這一數(shù)值高達7490萬kW，大概占了我國水電開發(fā)總量的60%，摘取了我國十二大水電站的榜首。但我國各地區(qū)所需電量的情況跟水電資源的實際分布恰恰相反。我國東部區(qū)域的用電量占據(jù)了全國總用電的1/3。也正是這種水電資源分布和各地區(qū)的所需電量不平衡的情況，給我國的水電開發(fā)帶了許多不便之處，但我國一直在積極地解決采取各種措施努力優(yōu)化各地區(qū)的水電資源配置。例如前些年國家制定的一系列水電方針，起到了一定的緩解作用。本文根據(jù)向家壩和溪洛渡等位于西南地區(qū)的水電站水庫群以及丹江口、三峽等處于華中地區(qū)的水電站水庫群為例，闡述水電站之間長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型的應用對于我國水電資源開發(fā)的益處。

3.2 研究區(qū)域水庫特性分析

前文提到的水電站水庫群雖然在地理區(qū)域的劃分上隸屬于西南和華中地區(qū)，但就水電站水庫群是分布在華中電網(wǎng)的，所以本文特意對華中電網(wǎng)地區(qū)的有關情況進行了整理分析。該地區(qū)在2009年時統(tǒng)計的水電量為6323萬kW，該區(qū)域電網(wǎng)的主要情況是：

(1)水力發(fā)電的比重是比較高的，大約是總量的40%，該區(qū)域的水電占比也是區(qū)域電網(wǎng)中所占比重最大的。

(2)水電資源的分布不合理，且東西的跨度較大。華中電網(wǎng)中位于西部的四川地區(qū)所占水電資源最多，該地區(qū)的水電站距離位于東部地區(qū)三峽水電站的距離將近兩千公里。

(3)區(qū)域向外輸送的電量較大，華中電網(wǎng)區(qū)域的許多水電站都承擔著其他區(qū)域的用電負荷，例如著名的葛洲壩和溪洛渡等水電站，都需要向廣東甚至華東地區(qū)輸送電力。

(4)該區(qū)域水庫的總體調(diào)節(jié)能力較弱，除了個別水電站，大部分水電站都是某一季節(jié)產(chǎn)生的電能較多，穩(wěn)定性較差。

3.3 研究區(qū)域長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型

(1)電站群發(fā)電量最大目標：

(8)

(2)電站群總保證出力最大目標：

(9)

(3)約束條件：

(10)

(11)

(12)

本次所建立的研究區(qū)域長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型中各符號含義見表2。

表2 研究區(qū)域長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型符號含義表

3.4 優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度前后研究區(qū)域水電站的相關數(shù)據(jù)及分析

根據(jù)本文提出的雙層并行優(yōu)化算法對建立的研究區(qū)域長期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型進行求解，優(yōu)化聯(lián)合調(diào)度前后研究區(qū)域水電站的相關數(shù)據(jù)及分析見表3、表4。

表3 優(yōu)化調(diào)度前研究區(qū)域水電站情況

表4 優(yōu)化調(diào)度后研究區(qū)域水電站情況

根據(jù)計算結果可以看出，在華中電網(wǎng)區(qū)域水電站進行優(yōu)化調(diào)度后，總體的發(fā)電量得到顯著提升。上文中提到，華中電網(wǎng)區(qū)域的調(diào)節(jié)特性較弱，一些河流還存在枯水期，這一優(yōu)化對于枯水期該區(qū)域的調(diào)節(jié)很有幫助，提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性。

5 結論

隨著我國經(jīng)濟發(fā)展水平的不斷提高，我國水利工程建設也已經(jīng)進入了高速發(fā)展的時期，在這一形勢下對水電站水庫群的聯(lián)合調(diào)度進行優(yōu)化是非常有利的。但由于我國水電分布情況十分復雜，比如前文中提及的我國水力資源的分布和我國各省份實際所需要的電量是十分不匹配的，光解決這一個問題就需要投入很大的時間、精力及高額的成本，所以后續(xù)還有很多相關問題和工作等著解決。想要真正實現(xiàn)大型流域水電站水庫群的整體調(diào)度的優(yōu)化還任重道遠，希望本文的研究能對大型流域水電站之間的合作共贏起到一定的作用。