關鍵水位控制技術在瀾滄江中下游梯級優(yōu)化調度中的應用

郭有安，王昱倩

(華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南昆明650214)

1 工程概況

瀾滄江流域中下游河段的規(guī)劃開發(fā)提出了以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運等綜合利用的開發(fā)方針和以小灣、糯扎渡兩個巨型水電站為核心的“兩庫八級”開發(fā)方案。8個梯級電站中自上而下功果橋、小灣、漫灣、糯扎渡、景洪5個水電站已全部投產(chǎn)。小灣電站是瀾滄江下游“兩庫八級”中的第二級，水庫具有不完全多年調節(jié)性能，裝機420萬kW，于2010年建成投產(chǎn)。糯扎渡電站位于瀾滄江下游“兩庫八級”的第五級，水庫具有多年調節(jié)性能，裝機585萬kW，于2013年完全建成投產(chǎn)。

小灣、糯扎渡是瀾滄江流域的龍頭水庫，是“西電東送”工程的主要電源點。兩庫的運行方式對瀾滄江中下游梯級有著決定性的影響，對整個云南電網(wǎng)的運行均有舉足輕重的影響。

2 問題的提出

長期以來，人們對瀾滄江梯級的運行方式進行了諸多的研究，根據(jù)水庫調節(jié)性能的不同，瀾滄江中下游梯級可簡化為小灣-糯扎渡兩庫模式。傳統(tǒng)方法對于兩庫調度規(guī)則的制定通常是以月為時段，將水庫水位或庫容作為狀態(tài)變量，通過對各狀態(tài)變量的優(yōu)化計算，得出相對精細化的調度規(guī)則，用于指導電站發(fā)電運行。然而傳統(tǒng)方法具有一定的局限性，過度精細化的計算使得結果往往容易受到來水、電力電量需求不確定性不確性的影響，同時實際情況需要考慮的因素和約束條件較多，而傳統(tǒng)優(yōu)化計算中又難免會做各種簡化，簡化條件下的精細化最優(yōu)結果容易降低對其它約束和因素的滿足程度，導致實用性也有降低[1- 2]。

關鍵水位控制技術是指在一個調度期內(nèi)選擇幾個關鍵點作為狀態(tài)變量，除關鍵狀態(tài)變量以外的其他狀態(tài)點根據(jù)確定性的調度原則進行自動填充，形成完整的狀態(tài)序列。對年調節(jié)以上水庫來說，選擇年初、汛前、汛末、年末水位作為關鍵水位，對上述4個關鍵水位狀態(tài)變量進行優(yōu)化計算，結合目標函數(shù)，選擇優(yōu)化的關鍵水位控制過程。

3 關鍵水位控制技術原理

3.1 汛前消落水位確定

根據(jù)以往的研究成果，小灣、糯扎渡汛前水位消落經(jīng)驗公式[3- 4]分別為

Hi+1=-0.006 9Qi-4+0.003 3Qi-3+0.004 8

Qi-2+0.04Qi-1-0.023Qi+0.067Hi+1 070

(1)

Hi+1=-0.01Qi-4-0.001 3Qi-3+0.005 9

Qi-2+0.003 9Qi-1-0.006 2Qi+0.001 2Hi+778

(2)

式中，Hi+1為汛前消落水位；Qi-1、Qi-2、Qi-3、Qi-4分別為前4年來水流量；Hi為供水期初水位，即前一年10月末水位；Qi為當年來水。

3.2 關鍵水位控制優(yōu)化計算

分別針對瀾滄江流域豐、平、枯不同來水，適當考慮梯級發(fā)電量最大和梯級汛枯比最小作為目標函數(shù)，采用關鍵水位控制技術進行優(yōu)化計算。除功果橋汛期控制在排沙限制水位附近運行外，其余均全年維持在正常蓄水位運行。

3.2.1 目標函數(shù)

(3)

(4)

S*=min(s)

(5)

式(3)表示在一個計算周期內(nèi)梯級發(fā)電量最大，式中，E*為梯級電量；式(4)表示在一個計算周期內(nèi)梯級棄水量最小，Vq為梯級棄水量；式(5)表示在一個計算周期內(nèi)梯級汛枯比最小，S*為梯級汛枯比。

3.2.2 約束條件

水位約束

(6)

式中，電站m在任意t時段水位Zm,t不越其上下限。

出力約束

(7)

式中，電站m在任意t時段水位pm,t不越其上下限。

流量約束

(8)

Qqm,t=qm,t+Vqm,t

(9)

式中，電站m在任意t時段發(fā)電流量qm,t不越其上下限;Qqm,t為總出庫流量；Vqm,t為棄水流量。

水量平衡約束

Vm,t+1=Vm,t+(Qm,t-qm,t-Vdm,t)Δt

(10)

式中，Vm,t和Vm,t+1分別為t時段的初末水位對應的庫容；Qm,t為電站的入庫流量[6- 8]。

3.2.3 求解

本文所述水庫優(yōu)化調度問題涉及多個目標函數(shù)及約束條件，各個目標函數(shù)具有不同的量綱和意義，甚至具有競爭關系。多目標優(yōu)化問題的本質是希望找到一組滿足約束條件的決策向量，使目標函數(shù)在某一區(qū)域內(nèi)極大或極小，而使目標函數(shù)同時達到極大或極小的可能并不存在。由于極大極小可以互相轉化，以極小化多目標問題為例，設fm(X)為目標函數(shù),xi、xj為任意兩個決策向量，對于m∈{1,2,…M}有fm(xi)≤fm(xj),且至少存在一個l∈{1,2,…P}使得fl(xi)≤fl(xj),則xi支配xj；當且僅當l∈{1,2,…P}，使fl(xi)>fl(xj),同時p∈{1,2,…P}，使fp(xi)>fp(xj), 則xi、xj互不支配；如果在X∈{x1,x2,…xn}區(qū)域內(nèi)不存在任何x支配xi；稱xi為Pareto最優(yōu)解，即非劣最優(yōu)解。對于多目標優(yōu)化問題來說，存在多個Pareto最優(yōu)解，在實際問題中結合實際需要及經(jīng)驗，從多目標問題的Pareto解集中選擇合適的解作為問題最優(yōu)解。通過NSGA-2方法得出瀾滄江梯級調度規(guī)則的Pareto解集，NSGA-2是NSGA算法的改進版本，降低計算復雜度；擴大采樣空間，將父代種群與其產(chǎn)生的子代種群結合，保持優(yōu)良種群個體在進化過程中不被丟棄；采用擁擠度和擁擠度比較算子，并將其作為種群中個體間的比較標準，保證種群多樣性。

為得出合理的梯級水庫調度規(guī)則，本文分別選取小灣、糯扎渡水電站年初、汛前、汛末、年末作為關鍵狀態(tài)變量，供水期考慮保證出力耦合約束，確保電站出力滿足設計保證率；蓄水期考慮電網(wǎng)調度原則，按平均負荷率進行控制計算，確保水庫蓄水過程貼近發(fā)電運行實際，從而制定年度運行規(guī)則的滿意解集。結合工程實踐經(jīng)驗，選取滿意解集的第三位作為優(yōu)化解，即得出小灣、糯扎渡兩庫長期優(yōu)化調度策略，進一步完善得出梯級長期優(yōu)化調度規(guī)則。

4 關鍵水位控制技術應用

根據(jù)小灣、糯扎渡前四年來水及當年供水期初水位，按照流域來水分別為豐、平、枯3種情況，分別計算，約束條件設置如下。

(1)豐水年。小灣年平均入庫流量為1 410 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗公式，小灣汛前水位為1 166.00 m附近，糯扎渡汛前水位為765.28 m附近。

(2)平水年。小灣年平均入庫流量為1 210 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗公式，小灣汛前消落為1 169.41 m附近，糯扎渡汛前消落水位為766.80 m附近。

(3)枯水年。小灣年平均入庫流量為1 010 m3/s，根據(jù)經(jīng)驗公式，小灣汛前消落為1 174.00 m附近，糯扎渡汛前消落水位為768.00 m附近。

5 結論及建議

根據(jù)計算結果，為確保流域梯級發(fā)電量最大、棄水量最小及汛枯電量比適中目標的實現(xiàn)，則需按不同來水條件選擇關鍵水位控制。

(1)若預測瀾滄江流域來水為豐水年，則小灣、糯扎渡汛前分別消落至1 166～1 170 m、765～770 m，汛末分別蓄至正常蓄水位1 240、812 m；

(2)若預測瀾滄江流域來水為平水年，則小灣、糯扎渡汛前分別消落至1 170～1 175 m、770～775 m，汛末分別蓄至1 240、812 m附近；

(3)若預測瀾滄江流域來水為枯水年，則小灣、糯扎渡汛前分別消落至1 175～1 180 m、775～780 m，汛末分別蓄至1 236、808 m附近。

(4)按照上述關鍵水位控制結果，可以較好地兼顧梯級發(fā)電量較大和梯級汛枯比較小的目標。瀾滄江梯級其他調節(jié)性能較小的水庫，除功果橋汛期控制在排沙限制水位附近運行外，其余均可全年維持在正常高水位附近運行。

關鍵水位控制技術應用于瀾滄江中下游梯級調度規(guī)則的制定，雖然能夠快速得出小灣、糯扎渡兩庫年初、汛前、汛末、年末的水位控制條件，但取得的結果可結合月、周、日來水過程和電站典型日負荷曲線對其進行二次優(yōu)化，形成具體詳細的月、周、日調度曲線用于生產(chǎn)運行。同時，關鍵水位計算過程中步長的選取對于計算速度有一定的影響，選取不同精度的步長可能會影響局部最優(yōu)結果。