龍羊峽水庫初始水位和出庫流量的相關影響分析

□范會寧 □孫 曉 □于 健 □王亞麗（鄭州大學水利與環境學院）

龍羊峽水庫初始水位和出庫流量的相關影響分析

□范會寧 □孫 曉 □于 健 □王亞麗（鄭州大學水利與環境學院）

本文結合黃河上游梯級水庫聯合調度的特點和龍羊峽、劉家峽水庫防凌運行方式，綜合考慮黃河上游梯級發電量和青海電網電量平衡，建立了黃河干流上游梯級水庫防凌優化調度模型，對龍羊峽水庫初始水位和出庫流量的控制策略相關問題進行了定量影響分析，并采用自優化模擬技術對模型求解。通過實例驗算，證明該模型是可行的，分析結果對龍羊峽水庫調度運行具有一定的參考價值。

水庫調度；初始水位；電量平衡；出庫流量；發電量

龍羊峽水庫是黃河上游唯一的多年調節水庫[1]，水量調節性能得天獨厚，具有儲備充足水資源的能力。黃河上游形成了以龍羊峽作為補償調節水庫，劉家峽作為被補償調節水庫的黃河上游梯級水庫（電站）群的聯合調度格局。黃河上游寧蒙河段凌汛期長達5個月之久，期間正值西北電網用電負荷高峰，合理預留劉家峽水庫防凌庫容[2]，關系到龍羊峽、劉家峽兩庫聯合防凌效果的優劣。青海電網作為西北骨干電網，其水電占上網電量80%左右，而青海省的用電需求仍處于上升階段，由于電網電源結構的特殊性，其可發電量直接影響到電網電量平衡。青海電網在進行電量平衡測算時，首先根據龍羊峽水庫下泄流量，確定青海省境內黃河上游水電的可發電量，在凌汛期還要考慮到劉家峽水庫的防凌庫容，對龍劉兩庫進行聯合調度，從而確定劉家峽水庫合理的防凌庫容，計算青海電網水電在各個時段的可發電量。因此，如何科學調度、高效利用龍羊峽水庫是相關電網、發電企業不斷追求的共同目標。多年的生產經驗表明，合理控制龍羊峽水庫出庫流量是安全高效利用龍羊峽水庫以及保障黃河水資源綜合利用效益的重要措施之一，而對龍羊峽水庫的初始水位和出庫流量的影響目前缺乏定量分析。針對該問題本文從龍羊峽和劉家峽兩水庫聯合調度、黃河上游防凌以及青海省電網運行的實際情況出發，采用數學模型和水庫實際運行約束相結合并將其編程化的方法，分析研究龍羊峽水庫初始水位和出庫流量控制策略及相關問題，最大限度地提高龍羊峽水庫群的綜合利用效益。

一、數學模型

本文根據黃河上游梯級水電站群的工程特點和水量調度需要，結合龍羊峽、劉家峽水電站的實際情況，考慮黃河上游并網和青海電網的水電站可發電量因素，以梯級時段最小出力最大化為目標，將防凌要求轉化為約束條件，建立黃河干流上游梯級防凌庫容優化模型，用以優化劉家峽水庫防凌庫容以及制定凌汛期黃河上游梯級水電站發電計劃，從而確定青海電網水電的可發電量。

（一）目標函數

式中：N（n,t）為第n個電站t時段出力；0 b為計算期內梯級最小出力最大量。

（二）約束條件

1.水庫水量平衡約束

2.防凌約束

3.出庫流量約束

4.出力約束

5.水庫庫容或水位約束

6.變量非負約束

式中，V（m，t）、Vmin（m，t）、Vmax（m，t）分別為第m個水庫t時段初庫容、t時段初庫容上下限；RW（m,t）W（m,t）LW（m,t）分別為第m個水庫t時段入庫、出庫、損失水量；q（m,t）qmin（m,t）qmax（m,t）分別為第m個水庫t時段出庫流量、t時段初最小、最大允許出庫流量；QFmin（m,t）Qfmax（m,t）分別為第m個水庫t時段防凌最小出庫流量、最大出庫流量；N（n,t）Nmin（n,t）Nmax（n,t）分別為第n個水庫t時段出力、允許最小、最大出力；NSUMmin（t）為梯級t時段允許最小總出力；△t為調度時段長。

二、龍羊峽水庫初始水位和出庫流量控制研究

本研究在上述模型基礎之上，采用模擬優化和自迭代技術相結合的方法[3]，對該模型進行求解，并用該模型對龍羊峽初始水位和出庫流量進行模擬計算。

（一）龍羊峽水庫初始水位影響分析

為得到龍羊峽水庫初始水位對劉家峽水庫防凌庫容和青海電網水電可發電量的影響，本文在同等電量條件、黃河上游來水以及下游用水的情況下，根據防凌要求設置了一組龍羊峽水庫初始水位，其中，龍羊峽水庫入庫流量、龍劉區間流量、劉家峽水庫和蘭州斷面區間流量、蘭州斷面控制流量以及龍羊峽水庫出庫流量如表1所示。在此基礎上，模擬計算出凌汛期龍羊峽水庫不同初始水位下的劉家峽水庫防凌庫容、龍羊峽水庫在凌汛期補水量、龍青段梯級總出力和青海省梯級水電可發電量，如表2所示。

表1 斷面流量控制表 （單位：m3/s）

表2 龍羊峽水庫初始水位模擬計算結果表

由表2可知，龍羊峽水庫初始水位的改變并不影響劉家峽水庫防凌庫容和龍羊峽凌汛期的補水量，變化的只有梯級水電的出力和發電量。這是由于龍羊峽水庫入庫流量和出庫流量作為了定值時，其發電水頭隨著初始水位的抬高而增大，但對其他水電站沒有影響。隨著龍羊峽水庫初始水位的抬高，龍青段梯級出力不斷增加，青海省內水電站的發電量也在增加，在龍羊峽水庫初始水位的變化下龍青梯級出力相對比較平穩，最大相差84 MW，變化幅度為2.1%；青海省水電站的發電量增加幅度不大，最大相差2.8%。因此，在制定發電計劃和優化劉家峽防凌庫容時對龍羊峽初始水位可不做為重點影響因素進行考慮。

（二）龍羊峽水庫出庫流量影響分析

類似于上述龍羊峽初始水位影響分析，在同等電量條件、黃河上游來水以及下游用水的情況下，分析研究龍羊峽水庫出庫流量對劉家峽水庫防凌庫容、龍羊峽水庫在凌汛期補水量、龍青段梯級總出力和青海省梯級水電發電量的影響，本文將調度期按月劃分，在分析時采用一個時間段變化，其余不變的方法。由于11月份上旬仍為劉家峽水庫放水預留防凌庫容的階段，因此僅分析12月、1月、2月和3月龍羊峽水庫出庫流量變化情況所引起的影響。本文對12～3月不同出庫流量進行模擬計算，限于篇幅，僅列出1月份模擬計算結果，如表3所示。

由表3分析可知：

表3 1月份龍羊峽水庫不同出庫流量模擬計算結果表

1.1 月份隨著出庫流量的增加，龍羊峽水庫在凌汛期補水量不斷增加，當龍羊峽水庫出庫流量變化50 m3/s左右時，補水量變化1.3億m3。

2.各月份龍羊峽不同出庫流量對龍青梯級水電總出力和青海梯級水電總電量的影響總體變化較小，但是隨著出庫流量的變化，當月的電量變化比較大。當龍羊峽水庫出庫流量變化50 m3/s左右時，青海省水電電量變化在1.8億kWh;同時，約需劉家峽水庫變化防凌庫容1.3億m3。

3.對于龍羊峽水電站至青銅峽水電站的最小出力影響也比較大，當龍羊峽水庫出庫流量變化50 m3/s左右時，龍青梯級總出力變化在282 MW左右。

從上述分析可知，隨著龍羊峽水庫出庫流量的變化，劉家峽防凌庫容、龍青梯級總出力和青海省電量隨之具有相同的較大變化。因此，龍羊峽水庫決定了青海省在凌汛期電量的平衡性，同時對劉家峽水庫的防凌庫容也起到了關鍵的作用。圖1～圖3為龍羊峽出庫流量影響變化趨勢。

圖1 1月份不同流量下防凌水位變化圖

圖2 1月份龍羊峽不同出庫流量龍青梯級總出力變化圖

圖3 1月份龍羊峽不同出庫流量青海梯級水電總電量變化圖

本文對12月、2月和3月份不同出庫流量的模擬計算結果也分別進行分析，所得結論均與1月份基本一致，并且該結論與龍羊峽水庫運行的多年生產經驗相符合。由此可見，合理控制龍羊峽水庫的出庫流量不僅能滿足沿黃工農業生產生活綜合用水需求，而且提高了龍青梯級水電調度效益，同時，在一定程度上有效地兼顧了青海電網安全穩定的經濟運行。

三、結論

本文考慮了劉家峽防凌庫容優化，重點結合了龍青梯級發電量以及青海省電網電量平衡的實際情況，通過對龍羊峽水庫的不同初始水位和出庫流量的影響對比分析，認為龍羊峽水庫初始水位對劉家峽水庫防凌庫容、龍青梯級發電量以及青海電網影響不大。因此，在制定發電計劃和優化劉家峽防凌庫容時對龍羊峽初始水位可不作為重點影響因素進行考慮。

分析認為，龍羊峽水庫的出庫流量的合理控制不僅能夠提高梯級水電站調度效益，而且決定了青海省在凌汛期電量的平衡性，同時對劉家峽水庫的防凌庫容也起到了關鍵的作用。因此，龍羊峽水庫出庫流量控制既要兼顧整個梯級出力的平衡性，又要照顧到以水電為主的青海電量平衡性，在最大程度上利用劉家峽水庫凌汛期的調節作用，充分發揮劉家峽防凌庫容效益，滿足西北和青海省的社會經濟發展。

[1]冉本銀,艾學山.龍羊峽水庫年末運行水位控制研究[J].電網與清潔能源,2008,24（6）:13-16.

[2]薛金淮,朱教新.合理預留劉家峽水庫防凌庫容提高黃河上游梯級電站保證電量[J].水力發電,1997（9）:26-29.

[3]李會安.黃河干流水電站水庫群水量實施調度及風險研究.[D].西安理工大學.

[4]李會安,黃強,沈晉.黃河上游水庫群防凌優化調度研究[J].水利學報,2001（7）:51-56.

[5]李會安,等.黃河上游水量調度自優化模擬模型研究[J].水力發電學報,2000,（3）.

2011-02-15