拉洛水利樞紐聯合優化調度模型研究

徐　剛，昝雄風

拉洛水利樞紐聯合優化調度模型研究

徐剛1，2，昝雄風1

（1.三峽大學水利與環境學院，湖北宜昌 443002；
2.水資源安全保障湖北省協同創新中心，湖北武漢430072）

針對一水庫兩電站優化調度模型問題，以西藏拉洛水利樞紐為例，視拉洛水庫的拉洛、德羅水電站為1個虛擬電站的2個機組，將復雜的調度約束規則簡化為單一水庫調度的流量約束，以發電量最大化為目標函數，在生態流量、灌溉需水量等約束條件下，建立優化調度模型，選取拉洛壩址多年旬平均流量過程作為來水，采用蟻群算法求解。結果表明，計算所得的調度成果合理，滿足約束條件，實現了拉洛水利樞紐發電收益最大化的目標。該優化模型在保證求解質量和精度的前提下大大簡化了計算量。

水庫調度；模型；優化；虛擬電站；拉洛水利樞紐

0　引言

國外關于水庫群優化調度的研究大約在60年代末起步，我國則開始于80年代初［1］。近20年，我國水電發展迅猛，未來10年也將以同樣的速度發展［2］。隨著河流大規模梯級開發和水電站群逐漸投入運行，大型水庫水電站群運行調度管理日趨復雜，流域水電站之間聯系越來越多樣，約束條件也越來越繁復［3］，構建全面普適的優化調度模型比較困難。而針對某些具體對象或某種具有一定代表性的水電站群進行較深入的研究更具現實意義［4］。從發揮水庫經濟效益出發，探討如何實現水庫綜合利用效益最佳，國內外學者進行了大量研究工作并應用于實踐。研究對象主要包括單庫、具有水力聯系的梯級和流域型水庫群、具有電力聯系的電力系統水庫群。大多數模型方法是針對并聯、串聯或混聯水庫（水電站）群的優化調度研究。1982年，黃守信、方淑秀等［5］提出了以單庫優化為基礎的兩庫輪流尋優法，用于并聯水庫群的優化調度計算。劉寧［6］于2008年對以三峽梯級和清江梯級實際組成的混聯式水電站群進行聯合調度研究，尋求最佳組合調度方式，分別建立了2個梯級單獨優化和聯合優化調度模型。2014年，Arnel Gloti［7］提出了一種固定和動態種群大小調整差分計算法，并應用于斯洛文尼亞一條河流中的8座串聯梯級電站，解決了其復雜的優化調度問題。而在復雜約束條件下，如何為非串并聯的梯級水電站建立精簡的優化調度模型，以實現經濟效益最大化，仍缺少相關研究。

本文提出虛擬電站概念，將西藏拉洛水利樞紐的拉洛、德羅水電站視為同一電站的2個機組。在滿足灌溉、生態用水等約束下，建立水利樞紐優化運行模型，研究提高水庫調節性能的運行調度措施，實現水利樞紐經濟效益最大化。

1　工程概況

拉洛水利樞紐及配套灌區工程位于西藏自治區日喀則地區莎伽縣境內，雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲干流上，包括拉洛水電站和德羅水電站。拉洛水庫正常蓄水位為4 298 m，汛期限制水位為4 296 m，相應防洪高水位4 298 m。拉洛水電站為壩后引水式電站，利用生態流量發電，裝機容量為2.0 MW，額定發電水頭為36.5 m。德羅水電站進水口位于拉洛大壩上游，為引水式電站，直接從拉洛壩址上游引水到廠房，利用灌溉流量發電，其額定水頭為225.5 m，裝機容量為40.0 MW。德羅水電站在引水過程中需滿足拉洛水庫下游河道生態用水以及灌區的灌溉需求。拉洛水電站壩址枯期生態流量為2.84 m3/s，汛期生態流量為8.5 m3/s。拉洛水利樞紐布置見圖1。

圖1　拉洛水利樞紐布置

2　水利樞紐聯合優化運行數學模型

2.1虛擬電站的構建

拉洛水利樞紐原有的調度規則為

式中，Qinflow為流域入庫徑流量；Qeco為電站下游河道生態流量；Qpower，1為拉洛水電站發電流量；Qpower，2為德羅水電站發電流量；Qmaxirri為灌區最大引水流量。

從水利聯系角度看，拉洛與德羅水電站既非串聯式梯級電站形式也非并聯式關系，德羅水電站為引水式電站且直接從拉洛水庫引水，故可將2個電站合并為1個虛擬電站PL，視2個電站分別為該虛擬電站的2個機組PL1、PL2，則原有調度規則轉換為流量約束，公式如下

式中，Qt為電站總發電流量；Q1、Q2分別為機組PL1和PL2發電流量；Qmtin、Qmtax分別為拉洛水電站最小、最大下泄流量。

由于德羅水電站發電額定水頭遠大于拉洛水電站額定水頭，在發電量最大化的優化目標下，不同機組PL1、PL2間流量分配原則為滿足約束條件基礎上盡量利用PL2發電，故機組間流量分配可表示為

式中，Qr，1為機組PL1額定流量。

原模型轉換為單一水庫優化調度模型，公式如下

式中，E為虛擬電站年發電量；A為出力系數；Qt為虛擬電站t時段的發電流量；Ht為虛擬電站t時段的平均發電凈水頭；Mt為虛擬電站t時段的時段長度；T為年內計算總時段數。

原梯級水利聯系復雜，調度規則繁瑣。通過上述模型的改進，將2個電站的優化調度計算簡化為1個電站處理，并將優化模型的約束條件轉化為單一水庫調度的流量約束。

2.2優化調度模型

為了在滿足生態、灌溉等約束條件下，實現拉洛水利樞紐的發電量最大化，本文建立水利樞紐聯合優化運行模型。目標函數為水利樞紐年發電量最大化，公式為

表1　拉洛水電站壩址多年平均旬流量m3/s

表2　拉洛水利樞紐優化調度計算結果

式中，A1、A2分別為2個機組的出力系數；Q1，t、Q2，t分別為機組PL1和PL2在第t時段發電流量；H1，t、H2，t分別為PL1和PL2在第t時段平均發電凈水頭；Mt為第t時段的時段長度。

各約束條件如下

式中，Vt+1為第t時段末PL1水庫蓄水量；Vt為第t時段初PL1水庫蓄水量；Qr，t為第t時段入庫流量；Qirri，t為機組PL2第t時段灌溉取水流量；S1，t為PL1第t時段棄水流量；Vmtin、Vmtax分別為第t時段應保證的水庫最小、最大蓄水量；Qmn，int、Qmn，atx分別為機組第t時段應保證的最小、最大生態下泄流量；Hn，min、Hn，max分別為機組最小、最大水頭；Nn，min、Nn，max分別為機組允許的最小、最大出力；n=1，2，分別代表虛擬電站2個機組PL1和PL2；Qirri，t，min、Qirri，t，max為機組PL2第t時段應保證的最小、最大下泄灌溉流量。上述所有變量均為非負變量（≥0）。

3　計算結果及分析

以拉洛水電站壩址多年旬平均流量過程作為來水條件，并采用蟻群算法［8］求解優化調度模型。拉洛水電站壩址多年平均旬流量過程見表1。優化調度計算結果見表2。

在多年平均來水情況下，拉洛水利樞紐年總發電量為1.581億kW·h。其中，枯期發電量為0.863 億kW·h，豐水期發電量為0.718億kW·h，發電豐枯比為0.83。水庫上游來水總量為40 380萬m3，汛期滿發泄洪水量為918萬 m3，水量利用率為97.8%。

為滿足灌溉需求，3月中旬灌區開始從水庫引水，水庫水位汛前均勻消落，于6月下旬降至4 290 m，預留庫容應對汛期來水，汛期水位維持在4 290.5～4 298 m。4月中旬～5月中旬，因水庫入流量小于生態基流2.84 m3/s，下泄流量等于入庫流量。11月水庫來水較少，水庫引入部分水至灌區，以滿足灌溉需求，并于12月中旬蓄至正常水位。拉洛水利樞紐調度過程見圖2。

圖2　拉洛水利樞紐調度過程

4　結語

針對拉洛水利樞紐優化調度模型約束條件復雜、模型求解困難的問題，本文提出將拉洛、德羅水電站視為1個虛擬電站的2個機組，把復雜的調度約束規則簡化為單一水庫調度的流量約束條件，計算得到了極大簡化。為實現拉洛水利樞紐在生態、灌溉等約束下的發電收益最大化，建立了拉洛水利樞紐聯合優化運行模型，采用蟻群算法進行求解。結果表明，拉洛水利樞紐基于該簡化模型的優化調度水位過程合理，在滿足生態及灌溉流量約束的同時，實現了發電收益的最大化。本文提出的簡化調度模型可在一庫兩電站水利樞紐中借鑒和使用。

［1］潘理中，芮孝芳.水電站水庫優化調度研究的若干進展［J］.水文，1999（6）：37-40.

［2］CHENG Chuntian，SHEN Jianjian，WU Xinyu.Operation challenges for fast-growing China's hydropower systems and respondence to energy saving and emission reduction［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，2012，16（5）：2387-2392.

［3］梅亞東.水庫調度研究的若干進展［J］.湖北水利發電，2008 （1）：47-50.

［4］張勇傳，李福生，熊斯毅，等.水電站水庫群優化調度方法的研究［J］.水力發電，1981（11）：48-52.

［5］黃守信，方淑秀，等.兩個無水力聯系水庫的優化調度［M］.長沙：湖南科學技術出版社，1985.

［6］劉寧.三峽-清江梯級電站聯合優化調度研究［J］.水利學報，2008，38（3）：264-271.

［8］徐剛，馬光文，等.蟻群算法在水庫優化調度中的應用［J］.水科學進展，2005，16（3）：397-400.

（責任編輯楊健）

Research on Optimization Dispatching Model for Laluo Hydro-junction Joint Project

XU Gang1，2，ZAN Xiongfeng1
（1.College of Hydraulic&Environmental Engineering，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，China；2.Hubei Provincial Collaborative Innovation Center for Water Resources Security，Wuhan 430072，Hubei，China）

Laluo Hydro-junction Joint Project located in Tibet is taken as an example to study the optimization dispatching model of a reservoir with two hydropower stations.By regarding Laluo and Deluo power stations under Laluo Reservoir as two assembling units of a virtual power station，the complex dispatching constraint rule can be simplified as the flow constraint condition of single reservoir，and then the optimization dispatching model is established on the basis of ecology and irrigation flow constraint conditions and taking maximum power generation as objective function.The model is solved by using the method of ant colony algorithm on the basis of selecting average annual runoff as design representative year.The calculation results show that the dispatching program is reasonable and meet the constraints.The optimization dispatching model greatly simplifies the calculation under the premise of quality and accuracy.

reservoir dispatching；model；optimization；virtual power station；Laluo Hydro-junction Joint Project

TV697.14（275）

A

0559-9342（2016）02-0090-04

2015-10-30

國家自然科學基金資助項目（51409152）

徐剛（1974—），男，四川成都人，副教授，博士，研究方向為水電經濟管理及梯級水電優化運行.