考慮北總干渠灌區取水后的溪洛渡、向家壩水庫聯合消落調度優化研究

苗科舉 孫莉

摘 要：以溪洛渡、向家壩梯級水庫為研究對象，在滿足向家壩北總干渠灌區灌溉取水的前提下，以梯級水庫發電效益最大作為目標，研究兩庫聯合枯水期消落方案，并建立兩庫聯合消落調度優化模型，優化梯級水庫水位的消落深度和回蓄過程。結果表明：通過優化梯級水庫水位的消落深度和回蓄過程，可增加梯級電站發電效益，且梯級增發電量主要為溪洛渡的增發電量，聯合優化調度的重點在于優化溪洛渡的枯水期水位消落方式。

關鍵詞：溪洛渡；向家壩；梯級水庫；發電效益；聯合消落調度；優化算法

中圖分類號：X171；TV741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

金沙江流域位于我國西南部，地屬青藏高原、云貴高原和四川西部高山區，流域總面積為47.32萬km2，總落差5 142 m，具有徑流豐沛且較穩定、河道落差大、水能資源豐富、開發條件較好等特點，是全國最大的水電能源基地[1-3]。溪洛渡和向家壩水電站是我國西電東送戰略部署下金沙江梯級開發的最下游二級水電站。向家壩水電站是溪洛渡水電站的下游銜接梯級，距溪洛渡水電站壩址河道里程為156.6 km，由于區間徑流較小，溪洛渡出庫流量占向家壩入庫流量的絕大部分，兩庫水力聯系緊密[4-5]。開展溪洛渡、向家壩水庫的聯合消落調度優化調度[6]，優化梯級水庫水資源利用方式，對提高水資源利用效率，增發電量，發揮梯級水庫的綜合效益最大化具有重要意義。

本文以滿足向家壩北總灌區灌溉取水作為前提，將梯級電站效益的充分發揮作為目標，建立溪洛渡、向家壩兩庫聯合蓄水調度優化模型，在梯級連續徑流調節計算成果基礎上，優化梯級水庫水位的消落深度和回蓄過程，增加梯級水電站的年發電效益。

1 研究對象基本特性

溪洛渡水電站是一座以發電為主，兼顧防洪，此外具有攔沙、改善庫區及壩下河段通航條件等綜合利用效益的大型水電站。水庫正常蓄水位600 m，死水位540 m，防洪限制水位560 m，防洪庫容46.5億m3，調節庫容64.6億m3，具備不完全年調節能力。向家壩水電站是一座以發電為主，能改善航運條件，兼顧防洪、灌溉，并具有對溪洛渡水電站進行反調節等作用的大型水電站。水庫正常蓄水位380 m，死水位和汛期限制水位均為370 m，防洪庫容9.03億m3，調節庫容9.03億m3，具有季調節性能。兩個水電站汛期為6月至10月，枯水期為11月至次年5月。

向家壩水電站北總干渠從向家壩水電站左岸灌溉取水口取水，設計取水流量98 m?/s，灌區開發任務以灌溉為主，兼顧城鄉生活、工業供水。北總干渠灌區涉及宜賓市、自貢市、內江市、瀘州市四個地級城市，涉及地區是川南地區的政治、經濟和文化中心。

2 兩庫聯合消落調度發電方式研究

2.1 研究方案擬定

溪洛渡水電站為湖泊型水庫，提高水量利用率，可以提高發電效益。從近年運行資料分析，枯水期消落水位在546～551 m。

向家壩水電站為河道型水庫，對水量的調節能力相對較差。電站水頭效益明顯，減小水庫消落深度，對增加電站發電量具有一定的作用。從近年運行資料分析，枯水期消落水位在374～378 m。

結合兩庫水庫特性和近年運行資料，制定溪洛渡、向家壩兩庫聯合枯水期消落方案（見表1），其中方案1～方案5，向家壩枯水期消落水位分別為370 m、374 m、376 m、378 m以及枯水期不消落維持正常蓄水位，溪洛渡枯水期消落水位均為540 m；方案1、方案6、方案7，溪洛渡枯水期消落水位分別為540 m、550 m、560 m，向家壩枯水期消落水位均為370 m；方案1和方案8，方案1向家壩4月～5月回蓄到正常蓄水位，方案8不回蓄。

2.2 發電效益分析

根據溪洛渡、向家壩兩庫聯合枯水期消落方案，將各電站的庫水位庫容關系曲線、水位流量關系曲線、泄洪能力曲線作為梯級發電效益計算的基本計算參數，考慮北總干渠取水過程，利用溪洛渡1970—2012年的來水資料進行計算，分析不同消落調度方案時的梯級發電效益，成果見表2。

由表可知，考慮向家壩灌區北總干渠建成取水后：

（1）向家壩消落水位對發電量的影響。從方案1～方案5成果看，隨著向家壩消落水位的抬高，向家壩年發電量逐步增大，溪洛渡年發電量逐步減小，梯級整體發電量以方案4（向家壩消落水位378 m）為最大。

（2）溪洛渡消落水位對發電量的影響。從方案1、方案6、方案7成果看，隨著溪洛渡消落水位的抬高，溪洛渡年發電量逐步增大，向家壩年發電量以方案6（溪洛渡消落水位550 m）略大，但梯級整體發電量以方案7（溪洛渡消落水位560 m）為最大，且明顯較其他方案發電量大。

（3）向家壩水庫是否回蓄對發電量的影響。從方案1和方案8成果看，回蓄方案（方案1）梯級整體電量更大。

（4）考慮灌區取水后，不同消落調度方案時發電量變化規律與不考慮灌區取水基本一致。考慮灌區取水后，向家壩發電量減少，影響電量為3.04億～3.92億kW·h；溪洛渡發電量增加，影響電量為0.02億～0.61億kW·h；梯級整體電量減少，影響電量為2.73億～3.39億kW·h。

綜合研究成果和實際運行情況，建議兩庫聯合消落調度為：向家壩水庫枯水期消落至水位378 m左右，溪洛渡水庫枯水期消落至水位560 m左右，向家壩水庫在4月～5月進行回蓄。

3 兩庫聯合消落調度優化模型

在溪洛渡、向家壩聯合消落推薦方案基礎上，建立溪洛渡、向家壩兩庫聯合消落調度優化模型，運用高效求解算法，開展考慮灌區灌溉取水的溪洛渡、向家壩梯級聯合發電優化調度研究，分析兩庫的優化運行過程。

3.1 目標函數

3.1.1 發電目標

將梯級總發電量最大作為首要優化目標，其目標函數描述為

式中：E為梯級發電總量；Ssum為梯級電站個數；T為調度時段總數；Ki為第i個電站的出力系數；Hi，t為

3.3 求解方法

消落調度模型采用逐步優化算法求解。逐步優化算法[7-8]是一種改進動態規劃類算法，具有收斂性好、計算效率高和求解時間短的優點，可以有效求解高維、非線性優化模型問題，在大規模水電系統優化調度中得到廣泛應用。

研究采用梯級連續徑流調節計算所得成果作為聯合調度的初始解，然后采用逐步優化算法進行梯級水庫電站群聯合調度過程尋優，獲得聯合優化調度的最優解。求解步驟如下。

步驟1：基本參數初始化。

步驟2：通過梯級連續徑流調節計算獲得各水庫電站初始調度運行過程。

步驟3：將步驟2獲得的成果作為初始調度方案組成電站群聯合優化調度逐步優化算法精細化優化的初始解。設置初始迭代次數k=1。

步驟4：進行第k次逐步優化迭代計算，設置當前梯級序號i=1。

步驟5：進行第i個水庫優化，從1至T時段依次進行各時段尋優。在進行第t時段優化時，固定前后兩個時段（即t-1時段和t+1時段）當前水庫和下游所有水庫的壩前運行水位，在可行范圍內遍歷第i個水庫當前時段所有可行的運行水位，根據總發電效益最優確定當前時段最優運行水位。

步驟6：i= i+1，轉步驟5進行下一個水庫的優化。

步驟7：k= k+1，轉步驟4進行下一次迭代計算。

步驟8：循環迭代至最大次數，則跳出循環，保存當前梯級水庫電站群長系列水位過程作為最優解。

4 聯合消落調度優化研究

運用所構建的數學模型及設計的模型高效求解算法，開展考慮灌區灌溉取水的溪洛渡、向家壩梯級聯合發電優化調度研究，計算成果及與梯級連續徑流調節計算成果的對比見表3。

由表3可知，逐步優化后，梯級發電量相比初始計算的梯級連續徑流調節計算成果增加10.44億kW·h，增發率為1.15%，其中，溪洛渡電站多年平均電量增加15.74億kW·h，增發率為2.67%；向家壩電站多年平均電量減少5.3億kW·h，增發率為-1.69%。

圖1、圖2分別為梯級連續徑流調節計算對應的溪洛渡電站多年各旬平均庫水位、各旬多年平均發電量；圖3、圖4分別為逐步優化計算成果對應的溪洛渡電站多年各旬平均水位、各旬多年平均發電量。

分析上述優化成果，可知：

（1）通過逐步優化算法優化梯級水庫的水位消落和回蓄過程，可以在梯級水電站保證出力和破壞深度不下降的情況下，優化溪洛渡、向家壩梯級水電站的發電效益，優化運行方式后梯級增發電量主要為溪洛渡的增發電量，即溪洛渡水電站運行方式的優化是梯級發電效益充分挖潛的關鍵。

（2）對比梯級連續徑流調節和逐步優化計算成果對應的溪洛渡水庫多年平均旬水位過程，逐步優化算法通過自身內在的尋優機制，重點優化了溪洛渡水庫枯水時段的水位消落方式，相比電站實際調度運行中采取的逐旬均勻消落策略，逐步優化算法擬定的水位消落方式更傾向于充分發揮溪洛渡水電站的水頭效益，使其在枯水期盡量少發電以抬高水電站全年的平均水頭，在調度運行邊界條件允許的前提下，安排溪洛渡水庫于12月下旬至次年5月底集中消落庫水位，從而達到提高電站調度運行期平均加權發電水頭，實現發電效益最大化的目的。

（3）向家壩水電站由于水頭變化幅度較小，且蓄水期很快蓄滿并維持高水位運行，因此水庫水位消落方式和水電站發電量的優化空間不大。

5 結 論

（1）結合梯級水電站的實際運行情況，擬定8組溪洛渡、向家壩兩庫聯合枯水期消落方案，通過對比不同消落調度方案時的梯級發電效益，建議兩庫聯合消落調度為：向家壩水庫枯水期水位消落至378 m左右，溪洛渡水庫枯水期水位消落至560 m左右，向家壩水庫在4—5月進行回蓄。

（2）建立溪洛渡、向家壩兩庫聯合消落調度優化模型，采用逐步優化算法求解，進一步優化梯級水庫水位的消落深度和回蓄過程；梯級發電量相比初始計算的梯級連續徑流調節計算成果增加10.44億kW·h，增發率為1.15%，梯級增發電量主要為溪洛渡的增發電量。

（3）逐步優化算法重點優化了溪洛渡水庫枯水時段的水位消落方式，使其在枯水期盡量少發電以抬高電站全年的平均水頭，安排溪洛渡水庫于12月下旬至次年5月底集中消落庫水位，從而達到發電效益最大化的目的。

（4）經研究分析，采用溪洛渡、向家壩梯級聯合調度這一非工程措施，通過充分挖掘梯級之間的水力補償效益，優化梯級水庫水位消落和回蓄過程，可在不增加額外投資，不違反其他調度邊界條件情況下增加梯級電站發電效益，從而提高水能資源利用率，并促進區域經濟發展。

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An Optimization of Joint Drawdown Scheduling of Xiluodu and Xiangjiaba Reservoirs Considering Water Withdrawal into the North Main Canal Irrigation District

MIAO Keju，SUN Li

（Power China Zhongnan Engineering Corporation Limited，Changsha 410007，China）

Abstract：In this study we focus on the Xiluodu and Xiangjiaba cascade reservoirs with the primary aim of maximizing power generation benefit while ensuring irrigation water intake demands of Xiangjiaba North Main Canal Irrigation District. We probe into the joint drawdown scheduling of the cascade reservoirs in low flow period，and establish an optimization model to optimize the drawdown depth and the recharge process. Findings indicate that optimizing the drawdown depth and the recharge process can enhance the power generation benefit of the cascade power stations，and the increase in power generation is mainly attributed to Xiluodu. The key point of the joint optimal scheduling lies in optimizing the water level drawdown mode of Xiluodu during low flow period.

Key words：Xiluodu；Xiangjiaba；cascade reservoirs；power generation benefit；joint drawdown scheduling；optimization algorithm