大型水庫發(fā)電運行優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)研究

李德龍，許小華，溫天福，黃 萍，鄢笑宇

（1.江西省水利科學(xué)院智慧水利研究所，南昌 330029；2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室，南京 210098）

0 研究背景

水庫運行調(diào)度是根據(jù)水庫承擔(dān)的任務(wù)及規(guī)定的調(diào)度原則，運用水庫的調(diào)蓄能力，在保證大壩安全的前提下，有計劃地對入庫的天然徑流進行蓄泄，以降低水旱災(zāi)害、提高水資源利用效率為目的，最大限度地滿足當?shù)貒窠?jīng)濟對水資源的需要。由于天然徑流的隨機特性和調(diào)度目標的多樣性，導(dǎo)致水庫運行調(diào)度工作較為復(fù)雜。如何利用高新技術(shù)手段，優(yōu)化水庫運行調(diào)度這一復(fù)雜問題，實現(xiàn)水庫防洪和發(fā)電等綜合效益最大化，已得到相關(guān)部門高度重視。近年來，隨著水利現(xiàn)代化和信息化的快速發(fā)展，水庫優(yōu)化調(diào)度的理論和方法逐漸完善，大量學(xué)者在水庫運行調(diào)度系統(tǒng)方面已有較廣泛且深入的研究，如成良歌［1］、莫曉聰?shù)龋?］、陸玉忠等［3］、陳凱［4］等學(xué)者針對水資源調(diào)度及水庫調(diào)度會商研發(fā)了相應(yīng)系統(tǒng)，王森等［5］、張光科等［6］、徐剛［7］、王冕等［8］、涂維黨［9］、宋松柏等［10］、李傳剛［11］、張歆蒴［12］、趙曉鳳［13］學(xué)者針對水庫群或水電站防洪優(yōu)化調(diào)度進行深入研究，但主要圍繞水庫單一功能調(diào)度，而針對大型防洪和發(fā)電任務(wù)兼顧的水利樞紐工程鮮有類似系統(tǒng)研究。

本文以兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的倫潭水利樞紐工程為研究對象，探討研究大型水庫發(fā)電運行優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)的實現(xiàn)，以達到充分發(fā)揮水庫的綜合效益和提升水電站智能化管理能力的目的，為實現(xiàn)水庫的科學(xué)調(diào)度和防洪決策提供技術(shù)支撐。

1 區(qū)域概況

倫潭水庫地處江西省鉛山縣天柱山鄉(xiāng)境內(nèi)，距縣城約50 km，壩址坐落于信江水系鉛山河支流楊村水中游，地理位置為東經(jīng)117°38′22"，北緯28°3′55"，壩址以上流域控制面積為242 km2。倫潭水庫是鉛山河流域內(nèi)一座以防洪、灌溉為主，兼顧發(fā)電、供水等綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。正常蓄水位252.0 m（黃海高程，下同），設(shè)計洪水位（P=1%）254.72 m，校核洪水位（P=0.1%）256.45 m，總庫容1.798 億m3，防洪庫容0.261億m3。水庫設(shè)計灌溉農(nóng)田面積7 000 hm2，灌溉設(shè)計保證率為90%；電站裝機容量40 MW，保證出力（P=90%）6 MW，多年平均水頭109.92 m，多年平均發(fā)電量6 059 萬kWh（扣除非汛期泄放生態(tài)流量時損失電量）。

倫潭水電站是一座位于鉛山河楊村水上的小（2）型水電站，電站廠房位于鉛山縣清潭村下游的黃土潭村附近（見圖1），地理位置東經(jīng)117°38′33"，北緯28°5′45"，距倫潭水庫壩址約6.5 km，壓力水道（包括引水隧洞和壓力管道）總長3 395.037 m。

2 模型構(gòu)建

2.1 洪水預(yù)泄調(diào)度模型

預(yù)泄發(fā)電調(diào)度主要分為2種情形：

第1種情形：當入庫洪水總量W入小于W1時，則表示當洪水來臨，在洪水過程T內(nèi)通過最大發(fā)電流量下泄，洪水過后庫水位不超過其汛限水位。其計算公式為：

式中：W1為不預(yù)泄最大來水量；qmax為最大發(fā)電流量；T為一場洪水過程的總歷時；Vm、V0分別為汛限水位及當前水位的庫容。

第1種情形：當W1大于入庫洪水總量W入時，則表示洪水來臨之前，就得提前發(fā)電預(yù)泄，以免產(chǎn)生不合理棄水。

式中：t為提前預(yù)泄時間；qyu為預(yù)泄期間的來水流量。

當采用預(yù)報時，提前預(yù)泄時間t大于預(yù)報的預(yù)見期時，則會產(chǎn)生棄水。預(yù)泄調(diào)度模型根據(jù)洪水發(fā)生時間選擇不同的防洪規(guī)則。其規(guī)則見表1。

表1 主（后）汛期防洪調(diào)度規(guī)則Tab.1 Flood control dispatching rules in Main（post）flood season

2.2 中長期發(fā)電調(diào)度模型

對于調(diào)節(jié)性能為年或年以下的水庫來說，通常設(shè)置年末水位與年初水位一致或相差不大。為此，考慮倫潭水庫（電站）特性和上下游用水約束條件，構(gòu)建倫潭水電站中長期發(fā)電調(diào)度模型，并利用優(yōu)化算法對該模型進行求解。

目標函數(shù)：

式中：E為水電站某一時間段內(nèi)的發(fā)電量；K為水電廠機組的出力系數(shù)，經(jīng)綜合對比，取K為8.0；Qt為第t個時間段的平均發(fā)電流量，m3/s；Ht為第t個時間段的平均發(fā)電水頭，m；ΔT為時間段長度，s；T為時間段數(shù)。

約束條件：

（1）水庫水量平衡方程。

式中：Vt+1，Vt分別為第t+ 1時段初和t時段初的水庫蓄水量，萬m3；qt，Qt分別為第t時段的水庫入庫流量和發(fā)電流量，m3/s；St為第t時段的棄水量。

（2）水庫水位（庫容）約束。

式中：Zt，min、Zt，max分別為第t時段允許的水庫最低、最高水位，m。

由于水位和庫容之間存在一定的函數(shù)關(guān)系，所以水位約束也可以轉(zhuǎn)換為庫容約束，即：

式中：Vt，min、Vt，max分別為第t時段允許的水庫最小、最大庫容，萬m3。

（3）水電站出力約束。

式中：Nt，min、Nt，max分別為第t時段水電站允許的最小、最大出力，kw。

（4）水庫下泄流量約束。

式中：Qt，min、Qt，max分別為第t時段水庫下游所需的最小下泄流量和所允許的最大下泄流量，m3/s。

（5）變量非負約束。所有變量滿足非負要求。

3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

3.1 功能模塊

依據(jù)倫潭水庫防洪和發(fā)電的調(diào)度規(guī)則，在構(gòu)建中長期發(fā)電調(diào)度模型和洪水預(yù)泄調(diào)度模型基礎(chǔ)上，研發(fā)了集首頁、工程基礎(chǔ)信息、實時水雨情信息、洪水預(yù)泄調(diào)度、中長期發(fā)電調(diào)度和預(yù)泄調(diào)度決策支持報告等多功能的調(diào)度決策支持系統(tǒng)。功能上，具有友好的交互界面、強大的計算功能和全面的分析決策功能。結(jié)構(gòu)上，各功能模塊既有單獨的使用價值，又能和其他功能模塊進行交互和信息共享。功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

（1）首頁。在GIS底圖基礎(chǔ)上，展示工程概況、水位庫容、實時水位、實時降雨量、地理位置、無人飛機航拍全景、三維建模圖等功能。系統(tǒng)首頁如圖3所示。

（2）工程基礎(chǔ)信息。主要展示基礎(chǔ)地理信息、劃界確權(quán)信息、注冊登記信息、安全鑒定信息、工程圖紙和工程面貌。

（3）實時水雨情信息。接入已建設(shè)水雨情監(jiān)測系統(tǒng)信息，展示水庫上下游的水位、雨量等實時信息，可查詢歷史累計降雨量（含小時、周、月、年累計降雨量，以曲線圖展示）、警戒水位、汛限水位、當前流量、水庫庫容曲線圖和水位變化過程等信息。

（4）洪水預(yù)泄調(diào)度。根據(jù)實際要求，在確定某場次洪水流量過程、洪水預(yù)見期和水庫水位約束條件的情況下，通過運行計算得出該場次洪水內(nèi)發(fā)電量、入庫流量、棄水量和水庫水位等信息，并統(tǒng)計分析出該場次洪水預(yù)泄調(diào)度的棄水率、發(fā)電總量、最大下泄流量等信息。主要包括初始條件設(shè)置、計算結(jié)果圖表展示。界面如圖4所示。

1）初始條件設(shè)置。提供典型洪水過程和實際洪水過程兩種洪水類型計算。①典型洪水過程?？捎嬎?日或3日洪水過程，提供方案名稱、洪水來臨時間、起始水位、調(diào)度末期水位、預(yù)泄期、洪水歷時、預(yù)泄期來水流量、入庫洪水總量等輸入條件。②實際洪水過程?？捎嬎闳我鈺r段洪水過程，提供的輸入條件基本與典型洪水過程相同，僅入庫洪水總量變化為入庫洪水過程（間隔1 h）。

2）計算結(jié)果圖形展示。以曲線圖形式對計算結(jié)果進行展示，橫坐標為時間，縱坐標為入庫水量、棄水量、發(fā)電水量、水位值，各變量均以不同顏色顯示。

3）計算結(jié)果表格展示。以表的形式對計算結(jié)果進行展示，主要包含計算方案名稱、出入庫流量、棄水量、發(fā)電水量、發(fā)電量、棄水率、最高水位、超防洪高水位、超汛限水位等信息。

（5）中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度。根據(jù)倫潭水電站中長期發(fā)電調(diào)度模型，結(jié)合會商討論和相關(guān)經(jīng)驗，分析1964-2013年等50年設(shè)計調(diào)度出力情況，建立調(diào)度決策支持功能，主要分為歷年優(yōu)化調(diào)度結(jié)果和各月優(yōu)化調(diào)度結(jié)果兩大功能模塊。主要包括歷年優(yōu)化調(diào)度結(jié)果、各月優(yōu)化調(diào)度計算和計算結(jié)果圖形展示。界面實現(xiàn)如圖5所示。

1）歷年優(yōu)化調(diào)度結(jié)果。按年份和年入庫徑流量兩種篩選條件，主要展示近50年（1964-2013年）歷年優(yōu)化調(diào)度結(jié)果，展示內(nèi)容主要為某年每月出力和平均水位變化關(guān)系，且以表格形式展示水文年份、年入庫徑流量、年發(fā)電水量、年發(fā)電總量、上游月平均水位、月平均出力、月最高水位、月最大出力等數(shù)據(jù)。

2）各月優(yōu)化調(diào)度計算。通過DP 算法，系統(tǒng)在后臺自動計算，得出歷年每月的優(yōu)化結(jié)果。根據(jù)結(jié)果，擬合得到歷年各月優(yōu)化調(diào)度函數(shù)及相關(guān)系數(shù)（如相關(guān)系數(shù)低于0.8，則系統(tǒng)會提示用戶，函數(shù)擬合效果一般）。系統(tǒng)利用各月優(yōu)化調(diào)度函數(shù)，根據(jù)月初庫容和當月入庫平均流量，預(yù)估計算當月平均發(fā)電流量和月發(fā)電總量。

3）計算結(jié)果圖形展示。通過用戶輸入實際月發(fā)電總量值，與預(yù)估月發(fā)電總量對比分析，提供柱形圖結(jié)果展示。

（6）預(yù)泄調(diào)度決策支持報告。主要針對不同場次洪水計算的洪水預(yù)泄調(diào)度結(jié)果，系統(tǒng)自動生成預(yù)泄調(diào)度決策支持報告，為用戶快速提供工程基本概況、水雨情綜述、洪水預(yù)泄調(diào)度結(jié)果、存在問題和總結(jié)等5部分內(nèi)容，達到提升用戶工作效率的目的，利于汛期內(nèi)用戶決策判斷。

3.2 實現(xiàn)效果

采用Java 語言編程實現(xiàn)了洪水預(yù)泄調(diào)度和中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型計算，封裝成Web 服務(wù)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供統(tǒng)一的標準化接口。業(yè)務(wù)應(yīng)用層采用J2EE 開放式體系結(jié)構(gòu)，運用Web Service，開發(fā)了SOA 模式的應(yīng)用系統(tǒng)。以洪水預(yù)泄調(diào)度和中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度為例，重點分析研究該系統(tǒng)對本水庫工程運行調(diào)度的決策支持作用。

（1）洪水預(yù)泄調(diào)度實現(xiàn)。選取水庫2019年汛期內(nèi)實際發(fā)生棄水情況，發(fā)生時段為7月7日0 時-7月13日20 時。通過系統(tǒng)線上計算，結(jié)果如表2所示。

表2 實際調(diào)度與預(yù)泄調(diào)度模型對比結(jié)果Tab.2 Comparison results between actual scheduling and pre-release scheduling model

洪水經(jīng)實際調(diào)度棄水率為70.09%，經(jīng)過預(yù)泄調(diào)度模型計算采用不預(yù)泄情景棄水率為50.79%，其主要原因是實際調(diào)度過程中來水具有不確定性，調(diào)度出于安全考慮則會導(dǎo)致棄水率偏大。當預(yù)泄調(diào)度計算采取預(yù)泄6 和12 h 情景的棄水率分別為49.97%、48.67%，其棄水率隨著預(yù)泄時間的增大依次減小。實際調(diào)度中發(fā)電量為656 萬kWh，經(jīng)過預(yù)泄調(diào)度模型計算得出不預(yù)泄、預(yù)泄6 h、預(yù)泄12 h 的發(fā)電量分別為655.19、679.19、703.19 萬kWh。

同時，從表2可以看出，7月7日洪水經(jīng)實際調(diào)度后庫水位為247.2 m，而不預(yù)泄、預(yù)泄6 h、預(yù)泄12 h 經(jīng)計算得出其調(diào)度后庫水位均在252 m左右，相對于實際調(diào)度，蓄存了一定的水量在庫中用于后期發(fā)電，減少了不合理棄水現(xiàn)象的發(fā)生。

（2）中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度實現(xiàn)。以水文年為周期，本文計算分析了2017年3月-2018年2月、2018年3月-2019年2月水庫優(yōu)化調(diào)度后的發(fā)電量，并和實際發(fā)電量進行了對比，結(jié)果如圖6所示。

從圖6中可知，2017年3月-2018年2月倫潭水電站實際發(fā)電量為7 679 萬kWh，優(yōu)化后的發(fā)電量為7 671 萬kWh，發(fā)電量相差不大，究其原因，是2017年實際調(diào)度效果較好，充分利用了洪水資源，有效降低了棄水率，并將其轉(zhuǎn)化為發(fā)電；2018年3月-2019年2月倫潭水電站實際發(fā)電量為6 622 萬kWh，優(yōu)化后的發(fā)電量為7 436 萬kWh，發(fā)電量增加了12.3%。

4 結(jié) 論

本文以兼顧防洪、發(fā)電等綜合效益的倫潭水利樞紐工程為例，針對倫潭水庫現(xiàn)有調(diào)度方式水能資源利用效率不高和存在棄水等問題，研究構(gòu)建了洪水預(yù)泄調(diào)度和中長期發(fā)電調(diào)度模型，結(jié)果顯示在2019年7月7日實際洪水過程中，通過預(yù)泄調(diào)度模型計算可大大減小棄水率；以2018年3月-2019年2月為水文周期年，通過發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型計算，發(fā)電量增加了12.3%。在此基礎(chǔ)上，采用J2EE 開放式體系結(jié)構(gòu)，運用Web Service 實現(xiàn)了線上實時優(yōu)化計算，并能可視化展示模擬結(jié)果，為實現(xiàn)水庫科學(xué)調(diào)度提供了科學(xué)決策技術(shù)手段，對推動我省水庫工程信息化和智能化管理具有積極引導(dǎo)作用，具有較好推廣前景。 □