徐　剛，昝雄風

拉洛水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型研究

徐剛1，2，昝雄風1

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

針對一水庫兩電站優(yōu)化調(diào)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(diào)度約束規(guī)則簡化為單一水庫調(diào)度的流量約束，以發(fā)電量最大化為目標函數(shù)，在生態(tài)流量、灌溉需水量等約束條件下，建立優(yōu)化調(diào)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(jié)果表明，計算所得的調(diào)度成果合理，滿足約束條件，實現(xiàn)了拉洛水利樞紐發(fā)電收益最大化的目標。該優(yōu)化模型在保證求解質(zhì)量和精度的前提下大大簡化了計算量。

水庫調(diào)度；模型；優(yōu)化；虛擬電站；拉洛水利樞紐

0　引言

國外關(guān)于水庫群優(yōu)化調(diào)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(fā)展迅猛，未來10年也將以同樣的速度發(fā)展［2］。隨著河流大規(guī)模梯級開發(fā)和水電站群逐漸投入運行，大型水庫水電站群運行調(diào)度管理日趨復雜，流域水電站之間聯(lián)系越來越多樣，約束條件也越來越繁復［3］，構(gòu)建全面普適的優(yōu)化調(diào)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(xiàn)實意義［4］。從發(fā)揮水庫經(jīng)濟效益出發(fā)，探討如何實現(xiàn)水庫綜合利用效益最佳，國內(nèi)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(lián)系的梯級和流域型水庫群、具有電力聯(lián)系的電力系統(tǒng)水庫群。大多數(shù)模型方法是針對并聯(lián)、串聯(lián)或混聯(lián)水庫（水電站）群的優(yōu)化調(diào)度研究。1982年，黃守信、方淑秀等［5］提出了以單庫優(yōu)化為基礎的兩庫輪流尋優(yōu)法，用于并聯(lián)水庫群的優(yōu)化調(diào)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(lián)式水電站群進行聯(lián)合調(diào)度研究，尋求最佳組合調(diào)度方式，分別建立了2個梯級單獨優(yōu)化和聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型。2014年，Arnel Gloti［7］提出了一種固定和動態(tài)種群大小調(diào)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(lián)梯級電站，解決了其復雜的優(yōu)化調(diào)度問題。而在復雜約束條件下，如何為非串并聯(lián)的梯級水電站建立精簡的優(yōu)化調(diào)度模型，以實現(xiàn)經(jīng)濟效益最大化，仍缺少相關(guān)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(tài)用水等約束下，建立水利樞紐優(yōu)化運行模型，研究提高水庫調(diào)節(jié)性能的運行調(diào)度措施，實現(xiàn)水利樞紐經(jīng)濟效益最大化。

1　工程概況

拉洛水利樞紐及配套灌區(qū)工程位于西藏自治區(qū)日喀則地區(qū)莎伽縣境內(nèi)，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(tài)流量發(fā)電，裝機容量為2.0 MW，額定發(fā)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(fā)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(tài)用水以及灌區(qū)的灌溉需求。拉洛水電站壩址枯期生態(tài)流量為2.84 m3/s，汛期生態(tài)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(lián)合優(yōu)化運行數(shù)學模型

2.1虛擬電站的構(gòu)建

拉洛水利樞紐原有的調(diào)度規(guī)則為

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

從水利聯(lián)系角度看，拉洛與德羅水電站既非串聯(lián)式梯級電站形式也非并聯(lián)式關(guān)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(diào)度規(guī)則轉(zhuǎn)換為流量約束，公式如下

式中，Qt為電站總發(fā)電流量；Q1、Q2分別為機組PL1和PL2發(fā)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(fā)電額定水頭遠大于拉洛水電站額定水頭，在發(fā)電量最大化的優(yōu)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(fā)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(zhuǎn)換為單一水庫優(yōu)化調(diào)度模型，公式如下

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

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

2.2優(yōu)化調(diào)度模型

為了在滿足生態(tài)、灌溉等約束條件下，實現(xiàn)拉洛水利樞紐的發(fā)電量最大化，本文建立水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化運行模型。目標函數(shù)為水利樞紐年發(fā)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(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果

式中，A1、A2分別為2個機組的出力系數(shù)；Q1，t、Q2，t分別為機組PL1和PL2在第t時段發(fā)電流量；H1，t、H2，t分別為PL1和PL2在第t時段平均發(fā)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(tài)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(jié)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(yōu)化調(diào)度模型。拉洛水電站壩址多年平均旬流量過程見表1。優(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果見表2。

在多年平均來水情況下，拉洛水利樞紐年總發(fā)電量為1.581億kW·h。其中，枯期發(fā)電量為0.863 億kW·h，豐水期發(fā)電量為0.718億kW·h，發(fā)電豐枯比為0.83。水庫上游來水總量為40 380萬m3，汛期滿發(fā)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(qū)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(tài)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(qū)，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(diào)度過程見圖2。

圖2　拉洛水利樞紐調(diào)度過程

4　結(jié)語

針對拉洛水利樞紐優(yōu)化調(diào)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(diào)度約束規(guī)則簡化為單一水庫調(diào)度的流量約束條件，計算得到了極大簡化。為實現(xiàn)拉洛水利樞紐在生態(tài)、灌溉等約束下的發(fā)電收益最大化，建立了拉洛水利樞紐聯(lián)合優(yōu)化運行模型，采用蟻群算法進行求解。結(jié)果表明，拉洛水利樞紐基于該簡化模型的優(yōu)化調(diào)度水位過程合理，在滿足生態(tài)及灌溉流量約束的同時，實現(xiàn)了發(fā)電收益的最大化。本文提出的簡化調(diào)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(yōu)化調(diào)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(diào)度研究的若干進展［J］.湖北水利發(fā)電，2008 （1）：47-50.

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

［5］黃守信，方淑秀，等.兩個無水力聯(lián)系水庫的優(yōu)化調(diào)度［M］.長沙：湖南科學技術(shù)出版社，1985.

［6］劉寧.三峽-清江梯級電站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)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(yōu)化調(diào)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(jīng)濟管理及梯級水電優(yōu)化運行.