電站-水庫-泵站聯合調度最優模式研究

原志丹，趙喜萍，李劍平，謝 洪，盧怡璇

(1.太原理工大學 水利科學與工程學院，山西 太原 030024；2.山西省旅游投資控股集團有限公司，山西 太原 030024；3.山西東山供水工程管理有限公司，山西 太原 030024)

0 引言

在我國，泵站的設計及規劃主要是根據水文歷史資料，同時依據最不利條件下的最大流量和揚程為設計規范標準，然而由于不同條件下水庫徑流量大小、水位特征線高低及水電站發電量要求往往導致水泵的流量和揚程低于設計工況。一方面，限制了水泵最高運行效率，另一方面水電站用水、發電與水泵的用水、用電需求存在時間與空間上的不統一、不互補矛盾。尤其是在峰谷電價差的背景下，水庫流量分配不均、水力發電與泵站聯合運行調度方案的缺失共同導致了水泵更高運行耗電量和電費的產生[1]。因此如何合理且高效統籌規劃兩者的聯合運行，實現電站發電補給供水泵站，對提高泵站運行效率，降低能耗和運行成本具有重要工程意義。孔波、付少杰等結合引漢濟渭工程，以泵站耗能最小、電站出力最大和水庫調水量最大為目標函數，采用改進的布谷鳥算法求解模型，并獲得了發電、調水、耗能的Pareto解集[2]，與NSGA-Ⅱ算法對比，具有相對優勢。

山西省東山供水工程二期水源受地理位置及高程影響，巖南溝泵站機組在實現調水目的過程中運行能耗高達年耗電129.56萬kw·h亟待解決。基于入庫徑流、水庫蓄水位、電廠出力、泵站效率等約束指標建立的澤城水電站-東山供水泵站系統多目標優化聯合調度模型，應用遺傳算法求解并指定調度方案。

1 電站-水庫-泵站聯合優化調度模型

1.1 多目標函數

(1)水電站

考慮水電站流量、機組出力及機組空蝕區等設備特性約束的不同發電任務下機組最優組合方式的研究；并進一步考慮開停機次數、最小開停機時間等設備特性約束的不同調度期內以水電站總發電量最大為準則的優化運行研究，以實現在設備的運行潛力最大化、設備性能進行改善的基礎上，制定合理的機組組合和機組運行方式，以達到合理利用水能、節約能源、經濟供電的目的[3]。以發電量最大為目標，建立模型：

(1)

式中，E—水電站的多年平均發電量，億kW·h；I—時段總數；J—水電站總個數；Y為年數；kj—j水電站的出力系數；Qi，j—發電流量，m3/s；Hi，j—發電水頭，m；Δt—每小時段的小時數。

(2)泵站

考慮泵站進水流量，研究不同工況下的機組最優組合方案，并進一步考慮開停機次數、最小開停時間等設備特性，以泵站耗能最小為準則進行優化運行研究。目標函數為：

(2)

式中，P—泵站多年平均耗電量，億kW·h；g—重力加速度，m/s2；ηn—n泵站的效率；qi—提水流量，m3/s；hn—泵站揚程，m；N—泵站數。

(3)水庫

水庫在跨流域調水工程中的主要任務是調水，還會承擔發電、防洪、生態等任務[4]。其目標函數是總調水量最大：

(3)

式中，W—水庫的總調水量，m3；K—水庫數；λk—k水庫水量損失系數；ωi，k—k水庫i時段的調水量，m3。

1.2 約束條件

(1)庫容約束：

Vk，min≤Vi，k≤Vk，max

(4)

式中，Vk，min—k水庫的最小庫容，一般是死水位對應的庫容；Vk，max—最大庫容，考慮水庫的防洪功能，在非汛期采用最大興利水位對應的庫容，在汛期采用防洪限制水位對應的庫容。

(2)下泄流量約束：

QC，k，min≤QC，i，k≤QC，k，max

(5)

式中，QC，k，min—k水庫的生態流量，一般由下游綜合用水和生態基流共同確定；QC，k，max—下游安全下泄流量，其數值視水庫的入庫流量、庫容以及下游水利工程的防洪能力而定。

(3)電站出力約束

Nj，min≤kjQi，jHi，j≤Nj，max

(6)

式中，Nj，min、Nj，max—為j水電站的最小出力和最大出力。

(4)泵站功率約束

(7)

式中，Pn，max—n泵站額定功率。

(5)水庫水量平衡約束：

Vi+1，k=Vi，k+3600(QR，i，k-QC，i，k-qi)Δt

(8)

式中，Vi+1，k—k水庫i時段末的庫容，m3；Vi，k—k水庫i時段初的庫容，m3；QR，i，k—入庫流量，m3/s；QC，i，k—出庫流量，m3/s。

2 工程實例

2.1 工程概況

(1)澤城西安水電站(二期)工程

山西省澤城西安水電站(二期)工程地處山西省晉中市左權縣境內的清漳河干流上。水電站為年調節電站，壩后電站裝機容量為4×1250kW。此水電站機組容量較小，目前工程中套用現有的混流式機組，水輪機型號為HLA616-WJ-71。澤城西安水電站(二期)工程水庫的特征參數為：死水位840.0m、汛限水位848.0m、正常蓄水位852.0m、防洪高水位853.69m、設計洪水位854.22m、校核洪水位859.60m；總庫容9941萬m3。

澤城西安水電站工程包含兩座調蓄水庫：戀思水庫位于東源，為一座中型水庫，其功能主要是承擔城鄉生活和工業供水，兼顧灌溉、防洪等綜合利用；石匣水庫位于西源，是一座具有防洪、灌溉、供水、發電和養魚等綜合效益的中型水庫。各水庫參數見表1。

表1 水庫參數表

(2)東山供水工程

山西省東山供水工程是山西省一項跨流域引調水工程，工程包含有兩座提水泵站：巖南溝一級泵站配備有七臺單機流量0.412m3/s水泵，五工二備，泵型為臥式單級雙吸離心泵；為了與巖南溝一級泵站流量匹配，小寨二級泵站同樣選擇七臺單機流量0.412m3/s水泵，五工二備，泵型為臥式雙級雙吸離心泵。由于水庫水位的變幅較大，為了適應水位變化，兩級泵站各配備四臺變頻電機，二臺變頻器。

由于澤城西安水電站與山西省東山供水工程的二期水源地巖南溝一級提水泵站處于大壩下游的一個區域內，在地理環境上有利于統一調度，因此本聯合優化調度模型不考慮小寨二級泵站。

2.2 典型年的選取

結合實際工程1956—2008年的東山工程的初設徑流，先進行排頻計算，利用皮爾遜3型曲線[5]進行配線，取P=25%，50%，75%所對應的徑流值作為豐、平、枯水年的設計值，結果見表2。

表2 典型年選取

2.3 聯合優化模型求解

對于多目標優化模型，為簡化模型求解過程，采取主目標函數法，以電站發電量最大為主函數，將水庫調水量目標函數轉化為約束條件，加入懲罰系數，將多目標優化模型轉為單目標模型，采用遺傳算法[6]進行求解，參數設定為：初始種群數N=200，變量個數D=12，交叉概率Pc=0.9，變異概率Pm=0.1，豐、平、枯分別進行計算，計算結果見表3—4。

表3 計算結果

表4 最優水位表 單位：m

模型計算結果驗證了東山供水工程和澤城西安水電站聯合運行的可行性，由模型結果可知，豐水年水庫的泄水量一部分進入水電站，水輪機發電，發電量足以供泵站耗能，且有富余，富余的電量可以用來售賣產生經濟效益；平水年、枯水年水量有限，但在最優運行水位下，較豐水年發電量小，調節泵站調度方案，使其耗能變小，可以滿足水電站向泵站供電，即更加經濟節能。

3 結論

通過建立電站-水庫-泵站聯合優化多目標優化模型，結合東山供水工程和澤城西安水電站聯合運行工程實例，采用遺傳算法進行求解，確定了設計工況下兩工程聯合運行的最經濟節能的方案，驗證了聯合運行的可行性，同時其調度方案為實際工程提供了參考。