三段式水庫優化調度技術

唐乾柏，曹希堯(.柘溪水力發電廠，湖南安化43508；.國網湖南省電力公司，湖南長沙40004)

三段式水庫優化調度技術

唐乾柏1，曹希堯2
(1.柘溪水力發電廠，湖南安化413508；2.國網湖南省電力公司，湖南長沙410004)

基于降雨預測、發生、結束階段的調度目的與策略的不同，提出雨前、雨中、雨后三段式優化調度模式，實現了水庫短中期預報調度與長期優化調度的有機銜接，既避免了雨前起調水位過高而造成棄水，也避免了雨后間歇期水位消落太快而造成長期低水位運行，提高了水資源利用效率。

水庫；優化調度；三段式

水庫優化調度技術應用常受到制于水情的不確定性和長期天氣預報精度低。既需要嚴謹計算、及早安排，更需要持續預測、以變應變。水位高，既可提高水頭效率，也能造成庫容不足棄水；水位低，既可提高水量利用率，也可造成水庫長時間低水位運行。水位高低之間，既能化水為銀、蓄豐濟枯，也能看銀子變水、空庫度冬。為了緩解防洪泄水與抗旱、發電蓄水的矛盾，文獻〔1〕提出實施分期汛限水位，文獻〔2〕提出根據大型水庫降雨、洪水預見期預泄能力對分期汛限水位實行動態控制，文獻〔3〕評述了汛限水位動態控制方法的要點及適用條件，使汛期水位控制更加符合水庫蓄泄特性、流域水文特性及實時天氣條件與預測水平。為了優化水庫水位控制，文獻〔4〕采用可變方向探索法建立柘溪水庫優化調度模型，提高了調度圖的可靠性；文獻〔5〕回顧水庫發電確定性優化調度理論發展歷程及其實際應用的局限性，指出考慮徑流不確定性的隨機優化理論更符合水電站中長期運行實際；文獻〔6〕根據入庫流量統計特征隨機產生來水序列，并用確定性優化算法求解入庫流量、庫水位、最優下泄流量之間的響應曲面，以便根據實時預報入庫流量、庫水位快速查出最優下泄流量；文獻〔7〕采用GFS發布未來10天降雨信息，預報渾江流域未來5天、10天徑流量，并進行分段聚合分解貝葉斯隨機動態規劃，從而制定出渾江梯級水庫群未來5天、10天發電計劃。文中從多年水庫調度實踐出發，根據降雨過程調度目的、策略的不同，提出雨前、雨中、雨后三段式優化調度模式，實現了水庫短中期預報調度與長期優化調度的有機銜接，使優化調度策略更具可操作性。

1 水庫發電優化調度目的與調度對象特性

追求水庫年均發電量最大是水庫優化調度的目的，其主要措施為水多時防大量棄水、水少時防長期低水位運行。水庫調度對象表面上是不均勻來水，實質上是一場場強降雨。調度手段是利用實時有效庫容對多余水量進行時間上的重分配。多余水量不但與降雨大小、降雨面積密切相關，而且與流域前期降雨影響值Pa有關。

經詳細分析水庫流域較長水文系列及現代氣象預報成果后，發現水情具有限確定性與有限可預測性。一方面，對于特定流域，入庫流量多數仍具較明顯豐枯分期特性，年來水量也多數在固定區間內變動，據此可根據較長日入庫流量系列制定水庫旬優水位方案；另一方面，較強暴雨過程和無雨過程氣象特征明顯，其預報精度已基本滿足實用要求〔8〕，且能提供較長的預報期，使得水庫調度能在預報期內根據面臨時段入庫水量調整庫水位高低；其三，對于預報精度較差的小雨、中雨過程，一般產水量小，可待降雨徑流預報后選擇調度策略。這樣以水庫旬優水位為基線，暴雨前加大發電方式騰庫，避免起調水位過高，減少棄水；雨后根據間歇期長短適度保持庫水位在旬優水位以上運行，避免無雨期長期低水位運行，從而達到水頭與水量的雙優利用。

2 三段式優化調度技術

2.1 調度思路

水庫調度目的和調度對象特性決定了調度策略。如上所述，首先根據長系列日入庫流量的統計優化確定旬優水位，作為各旬遇強降雨的預報調度基線，也實現水庫時段預報調度與年度(或周期)優化調度的銜接。時段預報調度是利用實時調蓄庫容來調節一場場暴雨洪水，由雨前、雨中、雨后三段調度組成，依據實時天氣預報和水庫水情，參考基線，通過預安排發電方式調整水庫水位。基線不作為水庫水位的實際控制線，只作為雨后無天氣預報情況下的計算條件。通過跟蹤天氣變化、遙測降雨、滾動制作徑流預報與調度方案，做到“雨前騰庫徹底、雨中調整及時、雨后控制適中”，實現水能資源的最優利用。三段式水庫優化調度原理見圖1。其中，雨前調度的主要對象是預報降雨來水量，可根據天氣預報的降雨信息、流域Pa值、流域內各水庫可攔蓄水量等因素，預估預報降雨可產生的凈入庫水量，并據此確定預騰水位及預騰發電流量；雨中調度則是根據水情遙測系統實測降雨情況及短期逐日預報降雨量，利用降雨徑流預報來增減發電流量或開啟泄洪閘門；雨后調度為最高調洪水位日至預報有下一場較大降雨時段的調度，此時入庫流量確定，將根據無雨(含小雨)預報滾動調整發電方式，使時段末庫水位接近參考線，避免雨后水庫長期低水位運行。當雨后收到下一場強降雨預報時自動轉入新的雨前調度，依此循環。

圖1 三段式水庫優化調度原理

2.2 調度模型

以水庫年發電量最大為優化準則，可得式(1):

式中 E為年發電量(億kWh)；i為降雨場數序號；j為降雨過程(含雨前、雨中、雨后)分段序號，一場降雨時間Ti分m段；K為電廠綜合出力系數；Q為發電流量(m3/s)；H為水庫上下游凈水位差(m)；t為分段時間長度；Q0為基流或退水流量(m3/s)；Pc為凈降雨量(mm)；V為庫容(億m3)；ΔV為時段庫容差(億m3)；Ti為每場降雨時間(天)，包括降雨預報期至無降雨預報間歇期。

主要約束條件:

1)水庫水量平衡方程

2)水庫蓄水位限制

3)預騰發電流量限制

式中 Vt為水庫第t時段初蓄水量(億m3)；WIt為水庫第t時段的平均天然入庫水量(億m3)，WQt為水庫第t時段的平均出庫水量(億m3)；HLt為第t時刻的水庫最低蓄水位，HHt為第t時刻的水庫雨后允許攔蓄水位；QLt為第t時段的水庫最小發電流量，QHt為第t時段的水庫最大發電流量。

2.3 調度技術

2.3.1 雨前消落徹底

雨前調度的實質是為了調蓄即將發生降雨所產生的來水，而在降雨的預報期通過加大發電方式，合理預騰水庫調蓄庫容。根據水庫調節性能，水庫雨前調度的主要對象是暴雨及大暴雨過程，即當預報流域有暴雨及以上量級的降雨過程時，需在雨前進行預騰庫調度，具體的操作方法分為兩步:

1)確定雨前起調庫容。對于一場降雨的調蓄過程，以庫水位達到允許攔蓄水位時刻為計算斷面，雨前起調庫容為允許攔蓄庫容減去本次降雨的預估產水量。即:

式中 V起為起調庫容(億m3)；V允為允許攔蓄水位相應庫容(億m3)，汛期由防汛指揮機構、非汛期由水庫主管單位依據天氣條件確定；V凈為降雨預估產水量(億m3)，由預報降雨量查降雨徑流相關圖計算，并扣除流域水庫攔蓄水量；V滿退為洪水退水至滿發電流量后的洪尾水量(億m3)。

2)確定水庫水位削落發電流量。水庫當前蓄水位、雨前起調庫容、入庫基流以及調度時長綜合確定預騰發電流量，其中調度時長是指收到降雨預報日至水庫回蓄到允許水位日。當后續滾動降雨預報有較大變化時，預騰流量也應跟蹤修正。預騰發電流量為:

式中 Q預為預騰發電流量(m3/s)；Q0為當前基流(m3/s)；V0為當前庫容(億m3)；V起為起調庫容(億m3)；t為調度時長(天)。

預騰深度可根據不同汛期階段、不同降雨預報精度適度調整，也可分段預騰，以避免過度預騰或預騰不足。本階段調度的重點是過程降雨產生的洪量，而不是流量，允許日降雨量或日產水量在調度時長內變動。

2.3.2 雨中調整及時

雨中調度是根據水情遙測系統實時采取的降雨及衛星云圖情況，利用降雨徑流預報進行較準確調度。雨中調度的主要工作是全面掌握實時水情，利用降雨產匯流時間及時糾正因降雨預報誤差而引起的雨前調度偏差。同時根據實時滾動水情及后期降雨預報，調整發電運行方式、甚至轉入防洪調度。

1)當前期預報降雨量較實際降雨量偏小時，則應及時加大出力運行，必要時帶基荷滿發運行；若庫水位仍將超過當前允許攔蓄水位時，則應轉入防洪調度。

2)當前期預報降雨量較實際降雨量相當時，調度方式仍以雨前調度安排的方式為宜，并結合實際情況適當修正。

3)當前期預報降雨量較實際降雨量偏大時，則應及時降低出力運行，確保雨后水庫水位不低于當前旬優控水位。本階段預報降雨逐步發生、入庫流量逐漸確定，是保證水庫防洪安全和較優經濟運行水位的關鍵時段，調整必須果斷、及時。

2.3.3 雨后控制適中

雨后調度與雨前調度是相與轉換的。當預報未來10天一直無有效降雨時，則以旬優控水位作為第10天的庫水位控制目標，來安排水庫運行方式。當雨后第2天仍預報未來10天無有效降雨，則依次逐日類推，直到有一天，預報未來5日或7日后有一場大的降雨過程，再轉入雨前調度。雨后調度的發電流量如下式所示:

式中 Q發為時段內的發電流量(m3/s)；V(H)為當前水庫水位對應的庫容(億m3)；V(H旬)為旬優水位對應的庫容(億m3)；Q退均為時段內的平均退水流量(m3/s)；T為雨后調度時段長(天)。

1)在無降雨預報時防庫水位過早、過渡消落，避免低水位運行。

2)當收到下場較強降雨預報時，應及早轉為雨前調度。

3)當雨后、雨前轉段天氣形勢不明顯時，也宜及早將庫水位控制在旬優水位以上附近。

3 應用實例

柘溪水庫壩址以上流域面積22 640 km2，年均降雨量1 560mm，年均入庫流量590m3/s。電站總裝機容量947.5 MW，滿發流量約為1 850 m3/s。經分析電站日消落能力及水庫運行特點，水庫具較強調節降雨能力，當流域發生大雨及以下量級的降雨過程時，可利用降雨徑流預報從容應對，不發生棄水；當降雨過程為暴雨及以上量級時，則需結合降雨預報進行調度。2012年7月9日中央氣象臺預報13—17日流域有175mm的降雨過程，現按三段式模型對“20120717暴雨洪水”進行優化調度，詳見表1。

表1 “20120717暴雨洪水”三段式優化調度表

3.1 雨前消落

預報降雨P為175mm，7月13日Pa為23.1mm，P＋Pa為198.1mm，查柘溪(P＋Pa)與R關系線得R＝83mm，扣除上游水庫攔蓄水量約2×109m3后，V凈為16.79×109m3；本次調洪允許攔蓄水位為167.5 m，相應庫容V允為27.3×109m3；經分析，暴雨洪水退水至滿發電流量1 850m3/s以下洪尾水量一般為2.5×109m3～3.0×109m3，V滿退取3×109m3，代入式(7)，V起為13.51×109m3。

主降雨日期取中值7月15日，經分析主降雨日至洪水退水至1 850m3/s約4天，則消落調度時長為7月9日至19日共11天；7月9日庫水位164m，V0為22.8×109m3，基流Q0為100m3/s，代入式(8)，得預騰發電流量Q預為1 077 m3/s，取Q預為1 100m3/s。

3.2 雨中調整

7月13日—7月18日實際降雨171.1mm，與預報值很接近(較主降雨日推后1天)，故降雨期間的發電方式不作調整。降雨于7月18日結束，洪峰也于同日出現，自次日進入洪水退水過程，后期預報無雨(含小雨)且7月下旬柘溪進入后汛蓄水時段，故自7月19日起對將發電流量調減到800m3/s，使水庫回蓄到允許攔蓄水位167.5 m左右。

3.3 雨后調度

7月23日回蓄到允許攔蓄水位167.5m，相應庫容VH為27.3×109m3，水庫轉入雨后調度階段。8月上旬旬優水位為166.5m，相應VH旬為25.9×109m3；徑流退水預報近10天平均入庫流量Q退均為670m3/s，代入公式(8)，得近10天發電流量Q發為832m3/s，期末水位接近當旬旬優水位。當流域內上游水庫加大消落時，發電流量要相應增加。

3.4 調度效果

將實際調度線與優化調度線比較，三段式調度具如下優點:

1)發電流量平穩，負荷率穩定且留有較大的調峰空間，有利于電網安全經濟運行。優化前，日發電流量變幅1 794 m3/s，日負荷率變幅97%；優化后，日發電流量變幅400 m3/s，日負荷率變幅21.6%。

2)確保了后汛期水庫蓄水。8月1日起柘溪水庫可正常蓄水位，優化后庫水位回蓄至旬優水位166.5m附近，較實際運行水位高3.54m，多蓄水4.35×109m3。

3)提高了水庫運行水頭。優化后本時段平均庫水位，較實際平均庫水位高，提高了發電效率。

4 結論

1)根據水庫水情具長系列有限確定性和短中期有限可預測性的特點，分別采取基于概率統計的長期優化調度與基于天氣形勢分析的短中期預報調度，前者為后者提供高概率水情樣品的優化調度參考線，彌補長期天氣預測的不足；后者是在天氣可預報期內對前者調度方案的優化，解決短中期水情統計預測的不確定性。兩者取長補短，構成完整的水庫優化調度體系。

2)從多年水庫調度實踐出發，針對降雨預測、發生、結束階段的調度目的與策略的不同，提出雨前、雨中、雨后三段式優化調度模式，具較強可操作性，實現了水庫短中期預報調度與長期優化調度的有機銜接。

3)建構了簡明、實用的三段式優化調度模型，并用該模型對柘溪水庫“20120717暴雨洪水”調度進行優化，雨前預騰、雨后攔蓄與水位控制均較理想。

4)過程暴雨水量預報決定了三段式優化調度技術的應用效果，今后將重點研究場次暴雨水量預報精度與對策。

〔1〕國家質量技術監督局.大中型水電站水庫調度規范:GB 17621—1998〔S〕.北京:中國標準出版社，1999.

〔2〕曹希堯，彭才德，寧邁進，等.湖南省大型水庫防洪調度研究〔M〕.北京:中國電力出版社，2002.

〔3〕王本德，周惠成，張改紅.水庫汛限水位動態控制方法研究發展現狀〔J〕.南水北調與水利科技，2007，5(3):43-46.

〔4〕張勇傳，熊斯毅.優化理論在水庫調度中的應用〔M〕//柘溪水電站水庫優化調度.長沙:湖南科學技術出版社，1985:1-4.

〔5〕紀昌明，周婷，王麗萍，等.水庫水電站中長期隱隨機優化調度綜述〔J〕.電力系統自動化，2013，37(16):129-135.

〔6〕李芳芳，曹廣晶，王光謙.考慮徑流不確定性的水庫優化調度響應曲面方法〔J〕.水力發電學報，2012，31(6):49-54.

〔7〕徐煒，彭勇，張弛，等.基于降雨預報信息的梯級水電站不確定優化調度研究Ⅱ:耦合短、中期預報信息〔J〕.水利學報，2013，44(10):1189-1196.

〔8〕梁國華，王國利，王本德，等.GFS可利用性研究及其在旬徑流預報中的應用〔J〕.水電能源科學，2009，27(1):10-13.

Three-Stage Reservoir Scheduling Optim ization Technology

TANG Qianbai1，CAO Xiyao2
(1.Zhexi Hydropower Plant，Anhua 413508，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China)

The reservoir scheduling optimization technology is often subject to the water condition uncertainty and the low accuracy of long-term weather forecast Based on the difference of scheduling objectives and strategies during rainfall prediction，occurrence and ending stages，this paper proposes the three-stage scheduling optimizationmode for before the rain，in the rain，and after the rain periods，which realizes the convergence of short and medium-term forecast and long-term optimal scheduling for hydropower station.Itwill avoid the situation that rising water level too high before the rain causing water abandonment，and also avoide the situation thatwater level descending too fast in the intermittent period after the rain causing long-term low waterlevel operation.So as to improve the efficiency of water resources utilization.

reservoir；scheduling optimization；three-stage

TV697.1

B

1008-0198(2017)03-0047-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.013

2016-10-21

唐乾柏(1974)，高級工程師，湖南邵陽人，主要從事大中型水庫的優化調度、科學防洪和綜合運用研究。

曹希堯(1963)，博士，高級工程師。湖南南岳人。主要從事水利水電建筑工程、工業與農田建筑工程、市政與交通工程、巖土工程的科研、設計與監理工作。