郭 樂(lè)，徐 斌

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京100038；2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北宜昌443133；3.河海大學(xué)，江蘇南京210098)

三峽梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量分析

郭 樂(lè)1，2，徐 斌3

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司，北京100038；2.中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北宜昌443133；3.河海大學(xué)，江蘇南京210098)

以溪洛渡、向家壩、三峽與葛洲壩四庫(kù)梯級(jí)為背景，將年來(lái)水分成豐水年組、平水年組和枯水年組，以分組期望發(fā)電量最大為目標(biāo)，建立了梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，結(jié)合各庫(kù)約束條件開展了模擬計(jì)算，得到不同典型年下梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度較單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量值及水庫(kù)優(yōu)化運(yùn)行方式。結(jié)果表明：開展四庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度均能不同程度的增發(fā)電量，且存在來(lái)水越大增發(fā)電量越大的趨勢(shì)，龍頭水庫(kù)溪洛渡通過(guò)降低自身效益，增加放水量，可使下游三庫(kù)有不同程度的增發(fā)，從而使梯級(jí)總發(fā)電效益增加。

三峽梯級(jí)水庫(kù)群；聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度；增發(fā)電量

近年金沙江下游溪洛渡、向家壩水電站相繼投產(chǎn)發(fā)電，與長(zhǎng)江干流三峽、葛洲壩電站組成梯級(jí)水庫(kù)群。溪洛渡、向家壩梯級(jí)水庫(kù)與三峽水庫(kù)聯(lián)系密切，有一定的互補(bǔ)作用，具有較好的聯(lián)合調(diào)度條件[1]。科學(xué)開展三峽梯級(jí)水庫(kù)群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，優(yōu)化梯級(jí)水庫(kù)水資源利用方式，對(duì)提高水資源利用效率增發(fā)電量，發(fā)揮梯級(jí)水庫(kù)群的綜合效益最大化具有重要意義。

本文以梯級(jí)四庫(kù)總發(fā)電量最大作為目標(biāo)，將防洪、下游供水、生態(tài)等目標(biāo)作為約束條件，建立多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，分析梯級(jí)電站發(fā)電量變化。

1 計(jì)算條件

(1)來(lái)水分組。以三峽來(lái)水為基準(zhǔn)，將1940年～2013年共74年長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料按年徑流量分為豐水年組、平水年組和枯水年組3種不同來(lái)水情況，其對(duì)應(yīng)的在實(shí)測(cè)資料系列中的頻率分別為[0，33.3%]、[33.3%，66.7%]、[66.7%，100%]。

(2)水位約束。依據(jù)相關(guān)規(guī)程及上級(jí)調(diào)度部門批復(fù)的調(diào)度方案，確定不同時(shí)期各水庫(kù)的水位運(yùn)行范圍約束。

(3)最小下泄流量約束。三峽1月～8月最小下泄流量按照6 000m3/s考慮，蓄水期9月～10月最小下泄流量分別按照10 000m3/s和8 000m3/s考慮，11月～12月最小下泄流量按照5 700m3/s考慮；向家壩最小下泄量全年都取1 600 m3/s。

(4)水位變幅約束。溪洛渡、向家壩水庫(kù)水位日變幅分別按不超過(guò)2m/d和1m/d控制，三峽水利樞紐下游河道水位最大日變幅按不超過(guò)3m/d控制，集中消落期水位變幅按不超過(guò)0.6m/d控制，葛洲壩水庫(kù)水位最大日變幅按不大于3.0m/d控制。

2 計(jì)算方法

2.1 目標(biāo)函數(shù)

梯級(jí)電站發(fā)電量期望值最大

(1)

式中，T為調(diào)度期末時(shí)序或時(shí)段數(shù)；βit為第i電站第t時(shí)段的電價(jià)；Nit為第i水電站第t時(shí)段的發(fā)電出力，與第i水電站第t時(shí)段的發(fā)電流量qit和第i水電站第t時(shí)段的凈水頭Hit有關(guān)；Δt為第t時(shí)段的小時(shí)數(shù)；n為梯級(jí)電站個(gè)數(shù)，本項(xiàng)目為4。

2.2 約束條件

(1)各庫(kù)的水量平衡約束

Vi,t=Vi,t-1+(Qi,t-qi,t-Ji,t-Si,t)Δt

(2)

式中，Vi,t,Vi,t-1為第i庫(kù)第t時(shí)段末、初水庫(kù)蓄水量；Qi,t為第i庫(kù)第t時(shí)段入庫(kù)流量；qi,t為第i庫(kù)第t時(shí)段之發(fā)電流量；Ji,t為第i庫(kù)第t時(shí)段之棄水流量；Si,t為第i庫(kù)第t時(shí)段之損失流量。

(2)各庫(kù)的上、下限水位約束

(3)

(3)流量約束

(4)

(4)最小負(fù)荷約束。考慮電力系統(tǒng)對(duì)電站最小負(fù)荷要求為

(5)

(5)水輪機(jī)的預(yù)想出力約束

Ni,tmin{NHi,t,NYi}

(6)

式中，NYi為第i電站裝機(jī)容量，只有當(dāng)水電站發(fā)電水頭大于水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭時(shí)，水輪機(jī)才能發(fā)出額定出力NY；NHi,t為第t時(shí)段預(yù)想出力，是一個(gè)與發(fā)電水頭有關(guān)的數(shù)值，可由水輪機(jī)綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線得到。

(6)調(diào)度期末水位控制

(7)

(7)水位變幅約束

(8)

式中，Zi,t為第i庫(kù)第t時(shí)刻水位；Zi,t+1為第i庫(kù)第t+1時(shí)刻水位；ΔZi為第i庫(kù)水位允許的變幅。在時(shí)段長(zhǎng)為日及以下時(shí)，航運(yùn)要求的水位變化速率必須受到限制，如果計(jì)算時(shí)段較長(zhǎng)一般不考慮該約束項(xiàng)。

(8)流量變幅約束。為下游防洪和航運(yùn)安全設(shè)置的約束條件，如果是長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度，計(jì)算時(shí)段較長(zhǎng)則不用考慮該約束項(xiàng)

(9)

式中，qi,t為第i庫(kù)第t時(shí)刻下泄流量(含發(fā)電流量和棄水流量)；qi,t+1為第i庫(kù)第t+1時(shí)刻下泄流量；Δqi為第i庫(kù)下泄流量允許的變幅。

2.3 求解方法

本文單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度采用隨機(jī)增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃法[2-5]求解，庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度采用輪庫(kù)迭代法[6-9]求解。隨機(jī)增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃法是以發(fā)電量期望值最大為目標(biāo)，每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)移和決策都要考慮不同來(lái)水條件，階段效益取值為不同來(lái)水條件階段發(fā)電量的平均值，它將水庫(kù)調(diào)度期劃分成若干個(gè)階段，以水庫(kù)的蓄水量作為狀態(tài)變量，以下泄流量作為決策變量，以水量平衡方程為狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，以不同來(lái)水條件階段發(fā)電量的平均值為階段效益，逐階段遞推擇優(yōu)，最終求得全局最優(yōu)解。在求解過(guò)程中，對(duì)于最小出力、最小流量等約束條件不滿足時(shí)，采用罰函數(shù)法處理。輪庫(kù)迭代法求解時(shí)固定其余水庫(kù)調(diào)度過(guò)程線，逐一優(yōu)化單個(gè)水庫(kù)調(diào)度過(guò)程線，最終得到梯級(jí)各個(gè)水庫(kù)的最優(yōu)調(diào)度線。

3 結(jié)果分析

采用變時(shí)段長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，建立單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模型與梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合運(yùn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，輸入各庫(kù)長(zhǎng)系列區(qū)間徑流(溪洛渡為入庫(kù)徑流資料)資料進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果與庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度結(jié)果進(jìn)行比較，具體結(jié)果見表1。

表1 各典型年梯級(jí)四庫(kù)優(yōu)化調(diào)度與單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度發(fā)電量對(duì)比

由表1可以得出以下結(jié)論：

(1)梯級(jí)四庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度豐水年組、平水年組、枯水年組增發(fā)電量分別為2.07億～13.22億、0.25億～9.09億、0.10億～4.49億kW·h，庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度與單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度相較多年平均增發(fā)電量分別為6.96億、4.66億、2.20億kW·h，增發(fā)率分別為0.34%、0.24%、0.12%，隨著來(lái)水的減少，增發(fā)電量也隨之減少；龍頭水庫(kù)的溪洛渡通過(guò)降低自身效益，增加放水量使下游三庫(kù)有不同程度的增發(fā)，從而使梯級(jí)總發(fā)電效益增加。

(2)不同來(lái)水年組梯級(jí)四庫(kù)系統(tǒng)總發(fā)電量以及各庫(kù)自身的發(fā)電量的計(jì)算結(jié)果表明，隨著來(lái)水的減少，多年平均發(fā)電量也隨之減少。但是由于來(lái)水劃分是根據(jù)年總徑流量進(jìn)行排頻的，不能反映年內(nèi)來(lái)水的均勻程度，導(dǎo)致并非豐水年組的所有年份發(fā)電量均優(yōu)于平水年，甚至枯水年。

以1965年(豐水年)、1988年(平水年)以及2011年(枯水年)為代表作庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度與單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度對(duì)比分析。考慮向家壩調(diào)節(jié)能力較小，其對(duì)梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度影響不大，而葛洲壩是日調(diào)節(jié)能力的水庫(kù)，故在長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度中，僅重點(diǎn)分析調(diào)節(jié)能力較好的溪洛渡水庫(kù)和三峽各庫(kù)的年調(diào)度方案。各庫(kù)水位過(guò)程線如圖1～3所示。

圖1 1965年(豐水年)溪洛渡、三峽庫(kù)群與單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度水位過(guò)程

從圖1～3可以看出：

(1)消落期。溪洛渡庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模式較單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模式，集中消落時(shí)間提前，兩種優(yōu)化調(diào)度模式下水位過(guò)程線形態(tài)相似；三峽庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模式較單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模式，消落時(shí)間變化很小，但由于溪洛渡的放水加大，三峽庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模式下水位過(guò)程線比單庫(kù)水位過(guò)程線稍高。

(2)蓄水期。溪洛渡庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模式較單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度模式，豐水年、平水年前期加大放水，協(xié)助三峽盡快蓄水，后期利用來(lái)水將水位回蓄至正常高水位，整體水位過(guò)程相似，枯水年由于來(lái)水較少，不采用前期加大放水的策略，而是與三峽同步蓄水，體現(xiàn)為庫(kù)群與單庫(kù)該段水位過(guò)程線幾乎重合；三峽無(wú)論是單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度抑或庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度，都是主要考慮自身的效益，因此，蓄水過(guò)程線無(wú)明顯差異。

圖2 1988年(平水年)溪洛渡、三峽庫(kù)群與單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度水位過(guò)程

圖3 2011年(枯水年)溪洛渡、三峽庫(kù)群與單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度水位過(guò)程

(3)汛期。由于汛期來(lái)水較多，為了減少后期梯級(jí)的無(wú)效棄水，溪洛渡在確保汛后期可以回蓄到汛限水位560 m的情況下，加大放水，整個(gè)汛期使水位維持在540～560 m區(qū)間內(nèi)運(yùn)行，由于三峽發(fā)電流量的增加，從而使得梯級(jí)的發(fā)電效益增大，不同年份來(lái)水情況各異，因此水位過(guò)程線的形態(tài)也不盡相同。三峽汛期水位基本維持在汛期水位上限值146.5 m運(yùn)行，水位過(guò)程線在兩種優(yōu)化調(diào)度模式下無(wú)顯著差異。

4 展 望

上述聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度是在給定約束條件下計(jì)算出來(lái)的增發(fā)電量，汛期各庫(kù)基本按照汛限水位出入庫(kù)平衡控制。因?yàn)檠雌诘膩?lái)水過(guò)程、水庫(kù)上下游防洪形勢(shì)、防洪調(diào)度策略等具有較大的不確定性，后期可根據(jù)歷史實(shí)際洪水資料并按照擬定的汛期統(tǒng)一調(diào)度規(guī)則計(jì)算典型年的汛期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量，從而為計(jì)算三峽梯級(jí)水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度增發(fā)電量提供重要參考。

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(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Analysis on Power Generation Increasing by Joint Optimal Operation of Three Gorges Cascade Reservoirs

GUO Le1,2, XU Bin3

(1. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China;2. China Yangtze Power Co., Ltd., Yichang 443133, Hubei, China; 3. Hohai University, Nanjing 210098, Jinagsu, China)

Taking the cascade reservoirs of Xiluodu, Xiangjiaba, Three Gorges and Gezhouba as study object, the yearly runoffs are firstly divided into three groups of high hydrological year, normal hydrological year and low hydrological year, and then a joint optimal operation model for four cascaded reservoirs is established by taking the maximum power generation of each group as target. The model is calculated after considering the constraint conditions of each reservoir, and then the power generation increasing of cascade reservoirs in different hydrological year between joint optimal operation and separated operation and the joint optimal operation mode are get. The results show that the joint optimal operation of four reservoirs can increase the power generation of each reservoir in a different level, and greater runoff inflow will lead to more power generation increasing. The discharge increase of the first cascade reservoir of Xiluodu, which will reduce itself power generation, will increase the power generation of downstream three reservoirs, so the overall power generation of four cascade reservoirs will be increased.

Three Gorges cascade reservoirs; joint optimal operation; power generation increasing

2016-03-30

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB036406)；國(guó)家“十二五”水專項(xiàng)(2014ZX07104-005)

郭樂(lè)(1984—)，男，湖北廣水人，工程師，碩士，主要從事水文預(yù)報(bào)和水庫(kù)調(diào)度工作.

TV697.1

A

0559-9342(2016)12-0090-04