三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量分析

郭 樂，徐 斌

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京100038；2.中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌443133；3.河海大學(xué)，江蘇南京210098)

三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量分析

郭 樂1，2，徐 斌3

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京100038；2.中國長江電力股份有限公司，湖北宜昌443133；3.河海大學(xué)，江蘇南京210098)

以溪洛渡、向家壩、三峽與葛洲壩四庫梯級為背景，將年來水分成豐水年組、平水年組和枯水年組，以分組期望發(fā)電量最大為目標(biāo)，建立了梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)合各庫約束條件開展了模擬計(jì)算，得到不同典型年下梯級水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度較單庫優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量值及水庫優(yōu)化運(yùn)行方式。結(jié)果表明：開展四庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度均能不同程度的增發(fā)電量，且存在來水越大增發(fā)電量越大的趨勢，龍頭水庫溪洛渡通過降低自身效益，增加放水量，可使下游三庫有不同程度的增發(fā)，從而使梯級總發(fā)電效益增加。

三峽梯級水庫群；聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度；增發(fā)電量

近年金沙江下游溪洛渡、向家壩水電站相繼投產(chǎn)發(fā)電，與長江干流三峽、葛洲壩電站組成梯級水庫群。溪洛渡、向家壩梯級水庫與三峽水庫聯(lián)系密切，有一定的互補(bǔ)作用，具有較好的聯(lián)合調(diào)度條件[1]。科學(xué)開展三峽梯級水庫群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化梯級水庫水資源利用方式，對提高水資源利用效率增發(fā)電量，發(fā)揮梯級水庫群的綜合效益最大化具有重要意義。

本文以梯級四庫總發(fā)電量最大作為目標(biāo)，將防洪、下游供水、生態(tài)等目標(biāo)作為約束條件，建立多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，分析梯級電站發(fā)電量變化。

1 計(jì)算條件

(1)來水分組。以三峽來水為基準(zhǔn)，將1940年～2013年共74年長系列實(shí)測資料按年徑流量分為豐水年組、平水年組和枯水年組3種不同來水情況，其對應(yīng)的在實(shí)測資料系列中的頻率分別為[0，33.3%]、[33.3%，66.7%]、[66.7%，100%]。

(2)水位約束。依據(jù)相關(guān)規(guī)程及上級調(diào)度部門批復(fù)的調(diào)度方案，確定不同時期各水庫的水位運(yùn)行范圍約束。

(3)最小下泄流量約束。三峽1月～8月最小下泄流量按照6 000m3/s考慮，蓄水期9月～10月最小下泄流量分別按照10 000m3/s和8 000m3/s考慮，11月～12月最小下泄流量按照5 700m3/s考慮；向家壩最小下泄量全年都取1 600 m3/s。

(4)水位變幅約束。溪洛渡、向家壩水庫水位日變幅分別按不超過2m/d和1m/d控制，三峽水利樞紐下游河道水位最大日變幅按不超過3m/d控制，集中消落期水位變幅按不超過0.6m/d控制，葛洲壩水庫水位最大日變幅按不大于3.0m/d控制。

2 計(jì)算方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

梯級電站發(fā)電量期望值最大

(1)

式中，T為調(diào)度期末時序或時段數(shù)；βit為第i電站第t時段的電價(jià)；Nit為第i水電站第t時段的發(fā)電出力，與第i水電站第t時段的發(fā)電流量qit和第i水電站第t時段的凈水頭Hit有關(guān)；Δt為第t時段的小時數(shù)；n為梯級電站個數(shù)，本項(xiàng)目為4。

2.2 約束條件

(1)各庫的水量平衡約束

Vi,t=Vi,t-1+(Qi,t-qi,t-Ji,t-Si,t)Δt

(2)

式中，Vi,t,Vi,t-1為第i庫第t時段末、初水庫蓄水量；Qi,t為第i庫第t時段入庫流量；qi,t為第i庫第t時段之發(fā)電流量；Ji,t為第i庫第t時段之棄水流量；Si,t為第i庫第t時段之損失流量。

(2)各庫的上、下限水位約束

(3)

(3)流量約束

(4)

(4)最小負(fù)荷約束。考慮電力系統(tǒng)對電站最小負(fù)荷要求為

(5)

(5)水輪機(jī)的預(yù)想出力約束

Ni,tmin{NHi,t,NYi}

(6)

式中，NYi為第i電站裝機(jī)容量，只有當(dāng)水電站發(fā)電水頭大于水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭時，水輪機(jī)才能發(fā)出額定出力NY；NHi,t為第t時段預(yù)想出力，是一個與發(fā)電水頭有關(guān)的數(shù)值，可由水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線得到。

(6)調(diào)度期末水位控制

(7)

(7)水位變幅約束

(8)

式中，Zi,t為第i庫第t時刻水位；Zi,t+1為第i庫第t+1時刻水位；ΔZi為第i庫水位允許的變幅。在時段長為日及以下時，航運(yùn)要求的水位變化速率必須受到限制，如果計(jì)算時段較長一般不考慮該約束項(xiàng)。

(8)流量變幅約束。為下游防洪和航運(yùn)安全設(shè)置的約束條件，如果是長期優(yōu)化調(diào)度，計(jì)算時段較長則不用考慮該約束項(xiàng)

(9)

式中，qi,t為第i庫第t時刻下泄流量(含發(fā)電流量和棄水流量)；qi,t+1為第i庫第t+1時刻下泄流量；Δqi為第i庫下泄流量允許的變幅。

2.3 求解方法

本文單庫優(yōu)化調(diào)度采用隨機(jī)增量動態(tài)規(guī)劃法[2-5]求解，庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度采用輪庫迭代法[6-9]求解。隨機(jī)增量動態(tài)規(guī)劃法是以發(fā)電量期望值最大為目標(biāo)，每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移和決策都要考慮不同來水條件，階段效益取值為不同來水條件階段發(fā)電量的平均值，它將水庫調(diào)度期劃分成若干個階段，以水庫的蓄水量作為狀態(tài)變量，以下泄流量作為決策變量，以水量平衡方程為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，以不同來水條件階段發(fā)電量的平均值為階段效益，逐階段遞推擇優(yōu)，最終求得全局最優(yōu)解。在求解過程中，對于最小出力、最小流量等約束條件不滿足時，采用罰函數(shù)法處理。輪庫迭代法求解時固定其余水庫調(diào)度過程線，逐一優(yōu)化單個水庫調(diào)度過程線，最終得到梯級各個水庫的最優(yōu)調(diào)度線。

3 結(jié)果分析

采用變時段長進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，建立單庫優(yōu)化調(diào)度模型與梯級水庫群聯(lián)合運(yùn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，輸入各庫長系列區(qū)間徑流(溪洛渡為入庫徑流資料)資料進(jìn)行計(jì)算，并對單庫優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與庫群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比較，具體結(jié)果見表1。

表1 各典型年梯級四庫優(yōu)化調(diào)度與單庫優(yōu)化調(diào)度發(fā)電量對比

由表1可以得出以下結(jié)論：

(1)梯級四庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度豐水年組、平水年組、枯水年組增發(fā)電量分別為2.07億～13.22億、0.25億～9.09億、0.10億～4.49億kW·h，庫群優(yōu)化調(diào)度與單庫優(yōu)化調(diào)度相較多年平均增發(fā)電量分別為6.96億、4.66億、2.20億kW·h，增發(fā)率分別為0.34%、0.24%、0.12%，隨著來水的減少，增發(fā)電量也隨之減少；龍頭水庫的溪洛渡通過降低自身效益，增加放水量使下游三庫有不同程度的增發(fā)，從而使梯級總發(fā)電效益增加。

(2)不同來水年組梯級四庫系統(tǒng)總發(fā)電量以及各庫自身的發(fā)電量的計(jì)算結(jié)果表明，隨著來水的減少，多年平均發(fā)電量也隨之減少。但是由于來水劃分是根據(jù)年總徑流量進(jìn)行排頻的，不能反映年內(nèi)來水的均勻程度，導(dǎo)致并非豐水年組的所有年份發(fā)電量均優(yōu)于平水年，甚至枯水年。

以1965年(豐水年)、1988年(平水年)以及2011年(枯水年)為代表作庫群優(yōu)化調(diào)度與單庫優(yōu)化調(diào)度對比分析。考慮向家壩調(diào)節(jié)能力較小，其對梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度影響不大，而葛洲壩是日調(diào)節(jié)能力的水庫，故在長期優(yōu)化調(diào)度中，僅重點(diǎn)分析調(diào)節(jié)能力較好的溪洛渡水庫和三峽各庫的年調(diào)度方案。各庫水位過程線如圖1～3所示。

圖1 1965年(豐水年)溪洛渡、三峽庫群與單庫優(yōu)化調(diào)度水位過程

從圖1～3可以看出：

(1)消落期。溪洛渡庫群優(yōu)化調(diào)度模式較單庫優(yōu)化調(diào)度模式，集中消落時間提前，兩種優(yōu)化調(diào)度模式下水位過程線形態(tài)相似；三峽庫群優(yōu)化調(diào)度模式較單庫優(yōu)化調(diào)度模式，消落時間變化很小，但由于溪洛渡的放水加大，三峽庫群優(yōu)化調(diào)度模式下水位過程線比單庫水位過程線稍高。

(2)蓄水期。溪洛渡庫群優(yōu)化調(diào)度模式較單庫優(yōu)化調(diào)度模式，豐水年、平水年前期加大放水，協(xié)助三峽盡快蓄水，后期利用來水將水位回蓄至正常高水位，整體水位過程相似，枯水年由于來水較少，不采用前期加大放水的策略，而是與三峽同步蓄水，體現(xiàn)為庫群與單庫該段水位過程線幾乎重合；三峽無論是單庫優(yōu)化調(diào)度抑或庫群優(yōu)化調(diào)度，都是主要考慮自身的效益，因此，蓄水過程線無明顯差異。

圖2 1988年(平水年)溪洛渡、三峽庫群與單庫優(yōu)化調(diào)度水位過程

圖3 2011年(枯水年)溪洛渡、三峽庫群與單庫優(yōu)化調(diào)度水位過程

(3)汛期。由于汛期來水較多，為了減少后期梯級的無效棄水，溪洛渡在確保汛后期可以回蓄到汛限水位560 m的情況下，加大放水，整個汛期使水位維持在540～560 m區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，由于三峽發(fā)電流量的增加，從而使得梯級的發(fā)電效益增大，不同年份來水情況各異，因此水位過程線的形態(tài)也不盡相同。三峽汛期水位基本維持在汛期水位上限值146.5 m運(yùn)行，水位過程線在兩種優(yōu)化調(diào)度模式下無顯著差異。

4 展 望

上述聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是在給定約束條件下計(jì)算出來的增發(fā)電量，汛期各庫基本按照汛限水位出入庫平衡控制。因?yàn)檠雌诘膩硭^程、水庫上下游防洪形勢、防洪調(diào)度策略等具有較大的不確定性，后期可根據(jù)歷史實(shí)際洪水資料并按照擬定的汛期統(tǒng)一調(diào)度規(guī)則計(jì)算典型年的汛期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量，從而為計(jì)算三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量提供重要參考。

[1]楊春花，許繼軍. 金沙江下游梯級與三峽梯級水庫聯(lián)合發(fā)電調(diào)度[J]. 水電能源科學(xué)，2011，29(5)：142-144.

[2]覃谷昌. 增量動態(tài)規(guī)劃在小浪底水利樞紐優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用[J]. 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004，16(1)：4-7.

[3]王金文，袁曉輝，張勇傳. 隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃在三峽梯級長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用[J]. 電力自動化設(shè)備，2002，22(8)：54-56.

[4]黃德所，王明賀，何幼林. 隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃的混合算法研究[J]. 指揮控制與仿真，2009，31(6)：11-15.

[5]李文武，吳稀西，黃進(jìn)，等. 基于隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃的混合式抽水蓄能電站水庫中長期優(yōu)化調(diào)度研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2013，41(9)：86-93.

[6]劉燁，鐘平安，郭樂，等. 基于多重迭代算法的梯級水庫群調(diào)度圖優(yōu)化方法[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2015，35(1)：85-88，94.

[7]鐘平安，張金花，徐斌，等. 梯級庫群水流滯后性影響的日優(yōu)化調(diào)度模型研究[J]. 水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2012，31(4)：34-38.

[8]張陽，鐘平安，徐斌，等. 基于廊道約束的水庫調(diào)度圖優(yōu)化遺傳算法[J]. 水利水電科技進(jìn)展，2014，34(6)：13-17.

[9]李克正，武見，謝維，等. 基于優(yōu)化調(diào)度規(guī)律挖掘的水庫調(diào)度運(yùn)用方案研究[J]. 水力發(fā)電，2015，41(12)：96-100.

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Analysis on Power Generation Increasing by Joint Optimal Operation of Three Gorges Cascade Reservoirs

GUO Le1,2, XU Bin3

(1. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China;2. China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443133, Hubei, China; 3. Hohai University, Nanjing 210098, Jinagsu, China)

Taking the cascade reservoirs of Xiluodu, Xiangjiaba, Three Gorges and Gezhouba as study object, the yearly runoffs are firstly divided into three groups of high hydrological year, normal hydrological year and low hydrological year, and then a joint optimal operation model for four cascaded reservoirs is established by taking the maximum power generation of each group as target. The model is calculated after considering the constraint conditions of each reservoir, and then the power generation increasing of cascade reservoirs in different hydrological year between joint optimal operation and separated operation and the joint optimal operation mode are get. The results show that the joint optimal operation of four reservoirs can increase the power generation of each reservoir in a different level, and greater runoff inflow will lead to more power generation increasing. The discharge increase of the first cascade reservoir of Xiluodu, which will reduce itself power generation, will increase the power generation of downstream three reservoirs, so the overall power generation of four cascade reservoirs will be increased.

Three Gorges cascade reservoirs; joint optimal operation; power generation increasing

2016-03-30

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB036406)；國家“十二五”水專項(xiàng)(2014ZX07104-005)

郭樂(1984—)，男，湖北廣水人，工程師，碩士，主要從事水文預(yù)報(bào)和水庫調(diào)度工作.

TV697.1

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0559-9342(2016)12-0090-04