雅礱江下游梯級水庫綜合調度規則優化方法

蹇德平 繆益平

摘要：以綜合運行水位控制線、防棄水線、防破壞線、防洪限制水位和死水位作為水庫調度指導線，并構成水庫調度圖，圍繞該調度圖制定水庫綜合調度規則，進而建立了調度圖模擬-優化模型。選取雅礱江下游梯級水庫作為研究對象，采用模擬-優化技術對調度圖進行優化。采用優化后的調度圖指導水庫群模擬運行，模擬運行結果驗證了該調度圖具有良好的可操作性和實用價值。

關鍵詞：調度圖；雅礱江下游梯級水庫群；綜合運行水位控制線

中圖分類號：TV697.1 文獻標志碼：A 文章編號：1672-1683（2016）04-0204-06

Abstract：The comprehensive control line for the operation water level，anti water discharge line，anti destroy line，the limited water level of flood control and dead water level were used as reservoir operation guide line，and constituted the reservoir operation chart.The simulation and optimization model of operation chart was established according to the comprehensive dispatching rules for the operation chart.Simulation and optimization technology was adopted to optimize the reservoir operation chart，and the optimize method was applied in the lower reach of Yalong River cascade reservoirs.The study showed that the optimization operation chart has good operability and practical value based on guiding the reservoir operation.

Key words：operation chart；the lower reach of Yalong River cascade reservoirs；comprehensive control line for the operation water level

水電作為一種清潔的可再生能源，開發技術和開發規模均為同類電力能源之最，對中國電力能源格局有著顯著的影響。隨著“十二五”規劃對國內水電開發積極有序的推動，在今后的運行管理中，如何充分發揮其運行成本低、調節性能好、負荷響應快速的特點，挖掘水庫水電站的發電效益，是一項理論與實踐并重的研究課題。自20世紀50年代以來，水庫水電站優化調度歷經了半個多世紀的發展，在優化理論和模型上均取得了一系列的研究成果，然而研究成果在實際運行中往往很難得以利用[1-5]。針對該現象，文獻[5-7]均進行過分析，認為最主要的原因有以下幾個方面：來水和預報的不確定；優化模型是實際工況的簡化描述；水庫綜合利用約束和電網約束；決策規則形式復雜，可解釋性較差，且調度風險難以量化，可推廣性不強。因此，如何應用合適的水庫水電站優化模型，提取可操作性強、實用價值高的調度規則，是目前亟待解決的難點。

根據對未來水庫入庫徑流描述方法的不同，水庫水電站優化調度可以分為隱隨機優化調度（implicit stochastic optimization，ISO）和顯隨機優化調度（explicit stochastic optimization，ESO）兩類[8-13]。ISO是美國學者G K Young于1967年提出的[14]，其基本思想為從實際徑流過程中截取一段有限時間序列，運用確定性優化方法得到最優調度過程，以此為樣本進行分析，提取水庫調度規則。ESO[7]運用概率分布來描述徑流的不確定性，在此基礎上采用確定性優化方法進行長系列優化，然而在計算中，隨著水庫數量的增加，除天然的隨機性外，水庫徑流彼此之間還存在時間和空間上的關聯，從而會給模型帶來維數過高和計算量過大等問題，限制了模型的應用范圍。本文提出以綜合運行水位控制線、防棄水線、防破壞線為水庫調度指導線，用調度圖的形式加以呈現，并圍繞該調度圖制定水庫調度規則，進而建立調度圖模擬-優化模型。采用隱隨機優化調度的思想，應用模擬-優化技術直接對調度圖進行優化，并對優化后的調度圖的可操作性和實用價值進行了實例分析。

1 水庫水電站調度圖

水庫常規調度圖[15]是根據實測的徑流時歷特性資料計算和繪制的一組調度曲線及水庫特征水位劃分的若干調度區組成的。本文中的調度圖包括防洪控制水位、死水位、防破壞線、防棄水線和綜合運行水位控制線（簡稱綜合控制線），見圖1。下面詳細介紹調度圖中各條調度線的作用及制作思路。

1.1 綜合控制線

綜合控制線為一組條與時間相關的水位過程線，即水庫在所有調度期（年）內均按綜合控制線控制庫水位過程，可以得到多年總的最優的發電量。其制作方法為，選取滿足設計保證率的多年資料，將防洪、供水等其他目標轉化為約束條件，以多年總的發電量最大為目標，以旬（或月）為時段，優化計算得到的一組多年綜合的水位控制指標。按綜合控制線指導水庫運行的計算流程如下。

1.2 防破壞線

防破壞線的作用為當水庫來水在設置保證率范圍內時，保證正常供水不遭受破壞，對于以發電為主要目標的水庫就是保證其出力大于、等于保證出力。其制作方法[16]通常為選取保證率范圍內的所有來水過程，以死水位為起點，從供水期末開始進行逆時序水量平衡計算，且保證水庫下泄流量為保證出力對應的發電引用流量，得到一組水位過程線，取其上包線即為防破壞線。

在本文中以第1年汛末到第二年汛末為一個完整的調度期，選擇各年的來水，制作其綜合控制線（即每年的最優運行過程），取其下包線。并與采用常規方法得到的防破壞線相比較，取其上包線作為最終的防破壞線。采用該方法得到防破壞線，不僅能夠滿足供水（發電）保證率的要求，也可以避免水庫消落過早。

在指導水庫實際運行中，防破壞線為水庫運行下限值，若水庫消落至防破壞線以下，可能會導致供水（或保證出力）破壞。

1.3 防棄水線

防棄水線是為增加發電減少棄水而設置的，其常規制作方法為：選用年水量（或汛期水量）頻率為（1-P）的典型年來水過程（P為供水（發電）保證率），按水電站預想出力對應的流量，從預留防洪庫容的時段末開始，逆時序作水量平衡計算，到死水位后再反推至正常高水位；同樣，從預留防洪庫容的時段末開始，順時序作水量平衡計算，直到正常蓄水位，該水位過程線即為防棄水線。

然而，防棄水線的繪制，帶有較強的經驗性，如（1-P）的典型年選擇并沒有充分的理論依據，也可能出現與防破壞線相交等不合理的現象。進一步分析，防棄水線的繪制原則應該是：在滿足防破壞線要求的條件下，按防棄水線指示運行，能夠使水庫多年運行棄水較小、發電較優。與本文中綜合控制線的制作原則有一定程度的相似，依據綜合控制線指導水庫運行就能包含防棄水線的指導作用，因此本文取調度期內各年最優運行水位的上包線作為防棄水線。

防棄水線為水庫實際運行的出力上限，若水庫蓄至防棄水線以上，可能會產生較大棄水，減少發電效益。

1.4 防洪限制水位

防洪限制水位是汛期水庫興利蓄水允許達到的最高水位。

1.5 死水位

死水位是水庫在正常運用情況下，允許消落到的最低水位。

2 梯級水庫調度圖模擬-優化模型

2.1 優化模型

（1）目標函數。對于本文制定的水庫水電站調度圖，需要優化的部分為綜合控制線。其目標函數為在給定調度期內徑流過程下，兼顧保證出力要求的梯級發電量最大，具體表達如下：

2.2 模擬優化過程

以雅礱江下游梯級為研究對象，以旬為時段，選擇1959年11月上旬-2009年10月下旬共計50年的旬入庫徑流資料，[HJ2mm]應用自適應遺傳算法[17]（AGA）對各水庫綜合控制線進行優化（包括整個調度期及各年的綜合控制線）。其中錦屏二級、官地和如圖2所示，錦屏二級水庫建成投產運行后，將在壩下至廠房間形成119 km的減水河段，在非泄洪時段，需要根據錦屏二級大壩下游河段不同時期的生態和環境要求，下泄相應的生態環境流量。

3.2 結果分析

根據第1節介紹的方法，首先按照常規方法推求防破壞線。錦屏一級的枯水期為11月上旬-次年5月下旬，分析錦屏一級的入庫徑流系列發現，部分年份在6月上、中旬來流也較小，保證出力會受到破壞。故在推求防破壞線時，以6月中旬為起始時段，逆時序遞推。同時，考慮到錦屏一級的設計保證率為98%，對錦屏一級入庫流量進行排頻后，選用供水期來水頻率在98%以內的徑流過程推求其防破壞線。在選擇的50年徑流資料中，1986年供水期來水最枯，來水頻率為98.04%。對其進行逆時序遞推發現，12月上旬和中旬保證出力被破壞，在計算防破壞線時不考慮。分析其它49年推求的水位過程線，上包線由1968年、1983年、1985年、1987年的水位過程決定。并與各年最優水位過程的下包線進行對比，取二者各時段水位過程的較大值作為最終的防破壞線。

由于不考慮錦屏二級和官地水庫的調蓄作用，以錦屏一級的出庫流量加上錦屏一級至二灘區間的天然徑流作為二灘的入庫流量。經過錦屏一級的水量調度，改變了二灘入庫徑流的分布過程，枯水期來水有顯著增加。按照防破壞線的推求方法進行計算，發現所有年份的保證出力均能得到滿足。選用1959年6月下旬-2009年6月中旬共50年的資料推求二灘水庫的防破壞線。分析50年的水位過程線，防破壞線由2002年、2007年和2008年的水位過程決定。

根據第1節介紹的方法，取各年最優水位過程的下包線作為防棄水線。加上整個調度期的綜合控制線，以及死水位和防洪限制水位，即構成了完整的調度圖，見圖3、圖4。

如圖3所示，錦屏一級的綜合控制線位于防棄水線和防破壞線之間，在枯水期與防破壞線較為接近。分析原因為，在綜合控制線的優化目標中加入了保證率約束，以滿足保證出力要求，而在枯水期按

照防破壞線線運行時，只會在特枯年份的某些時段導致保證出力破壞，因此綜合控制線在枯水期與防破壞線線具有相同的走勢；在汛期，綜合控制線與防洪限制水位相交，說明預留防洪庫容會限制一部分發電效益。

如圖4所示，二灘水庫的綜合控制線位于防棄水線和防破壞線之間，且在4月底、5月初仍然維持在較高水位運行，在5月份集中下泄。分析原因為，當錦屏一級能滿足保證出力時，二灘水庫基本也能滿足保證出力要求，故不需要提前加大下泄以滿足保證出力要求，維持在較高水位，抬高水頭，以減小單位電量的耗水量；而在汛前，需要騰空一部分庫容，以攔蓄汛期多余水量，增加發電效益。

按優化后的調度圖指導梯級水庫模擬運行，并與以年為調度期計算得到的各年最優運行結果相比較，具體結果見表2。其中，設計年均發電量可以視為包含豐平枯水情況的多年旬徑流系列按照常規調度圖調度的發電量平均值。對于每年的最優運行過程，錦屏一級和二灘的保證出力保證率分別為99.94%和100%；雅礱江下游梯級年均發電量為758.8億（kW·h），較設計值增加5.46%。而按優化調度圖指導梯級水庫模擬運行時，錦屏一級和二灘的保證出力保證率分別為99.17%和99.72%，均達到了設計需求（98%）；梯級發電量為728.7億（kW·h），雖然較最優運行結果減少3.97%，但是較設計值增加1.27%，即比多年按常規調度的結果平均有所改善較最優運行結果減少3.97%。同時可知，顯然若僅以多年綜合控制線為唯一指導線時，只能達到多年平均最較優，針對每年的來水情況還有進一步優化的潛力。如可以結合中長期水文預報成果，選取與預報結果相似的來水年份，按其最優運行軌跡進行調度。

按本文制作的調度圖指導水庫運行時，其調度目標明確，簡單直觀，可操作性強。模擬運行發電量相對于設計值也有所提高，保證出力保證率也達到了設計要求，具有較強實用價值。

4 結語

本文提出以綜合運行水位控制線、防棄水線、防破壞線為水庫調度指導線，再加上防洪限制水位和死水位，構成水庫調度圖。并圍繞該調度圖制定水庫調度規則，進而建立調度圖模擬-優化模型。以雅礱江下游梯級為研究對象，采用隱隨機優化調度的思想，應用模擬-優化技術直接對調度圖進行優化。按優化后的調度圖指導梯級水庫模擬運行，結果顯示，錦屏一級和二灘的保證出力保證率分別為99.17%和99.72%，均達到了設計需求（98%）；梯級發電量為728.7億（kW·h），較設計值增加1.27%，具有一定的實用價值；且調度圖簡單直觀，可操作性強。

參考文獻（References）：

[1] 黃益芬.水電站水庫優化調度研究[J].水力發電，2002（05）：64-66.（HUANG Yi-fen.Study on optimal operation of hydropower station reservoir[J].Water Power，2002（05）：64-66.（in Chinese））

[2] 趙鳴雁，程春田，李剛.水庫群系統優化調度新進展[J].水文，2005，25（06）：18-23，61.（ZHAO Ming-yan，CHENG Chun-tian，LI Gang.The present state-of-the art in optimum scheduling of multi-reservoir systems[J].Hydrology，2005，25（06）：18-23，61.（in Chinese））

[3] 郭生練，陳炯宏，劉攀，等.水庫群聯合優化調度研究進展與展望[J].水科學進展，2010，21（04）：496-503.（GUO Sheng-lian，CHEN Jiong-hong，LIU Pan，et al.State-of-the-art review of joint operation for multi-reservoir systems[J].Advances in Water Science，2010，21（04）：496-503.（in Chinese））

[4] 汪菲娜，談飛.梯級水電站群聯合優化調度研究與應用[J].中國水利水電科學研究院學報，2015，13（02）：150-156.（WANG Fei-na，TAN Fei.Research and application on the cooperating optimize operation of cascade hydropower plant[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research，2015，13（02）：150-156.（in Chinese））

[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.（JI Chang-ming，ZHOU Ting，WANG Li-ping，et al.A review on implicit stochastic optimization for medium-long term operation of reservoirs and hydropower stations[J].Automation of Electric Power Systems.2013，37（16）：129-135.（in Chinese））

[6] YEH W W G.Reservoir management and operations models：a state-of-the-art review [J].Water Resources Research，1985，21（12）：1797-1818.

[7] Labadie J W.Optimal operation of multi-reservoir systems：a state-of-the-art review [J].Journal of Water Resources Planning and Management，2004，130（2）：93-111.

[8] 許銀山，梅亞東，鐘壬琳，等.大規模混聯水庫群調度規則研究[J].水力發電學報，2011，30（2）：20-25.（XU Yin-shan，MEI Ya-dong，ZHONG Ren-lin，et al.Operating rules of large- scale multi-reservoir system[J].Journal of Hydroelectric Engineering.2011，30（2）：20-25.（in Chinese））

[9] 曾祥，胡鐵松，郭旭寧，等.并聯供水水庫解析調度規則研究Ⅱ：多階段模型與應用[J].水利學報，2014，45（09）：1120-1126+1133.（ZENG Xiang，HU Tie-song，GUO Xu-ning，et al.Analytical operating rule for parallel multi-reservoir system Ⅱ.multi-period model and application[J].Journal of Hydraulic Engineering，2014，45（09）：1120-1126+1133.（in Chinese））

[10] 黃春雷，吳洪壽，丁杰，等.基于總保證出力協調的梯級水庫聯合調度圖研究[J].水電能源科學，2012，30（02）：49-52，80.（HUANG Chun-lei，WU Hong-tao，DING Jie，et al.Joint operation chart of cascade reservoirs based on total firm power coordinating[J].Water Resources and Power，2012，30（02）：49-52，80.（in Chinese））

[11] 劉攀，依俊楠，徐小偉，等.水文資料長度對隱隨機優化調度規則的影響研究[J].水電能源科學，2011，29（04）：46-47，157.（LIU Pan，YI Jun-nan，XU Xiao-wei，et al.Influence of hydrological data length on implicit stochastic optimization for reservoir operation[J].Water Resources and Power，2011，29（04）：46-47，157.（in Chinese））

[12] 紀昌明，蔣志強，孫平，等.基于最優出力分配的梯級總出力調度圖優化[J].運籌與管理，2014，23（04）：184-190.（JI Chang-ming，JIANG Zhi-qiang，SUN Ping，et al.Optimization of cascade total output dispatching figure based on the optimal output distribution[J].Operation Research and Management Science，2014，23（04）：184-190.（in Chinese））

[13] 王士武，王賀龍，溫進化.水庫調度圖優先控制線優化方法研究[J].水力發電學報，2015，34（06）：35-40.（WANG Shi-wu，WANG He-long，WEN Jin-hua.Study on optimization method of priority control line on reservoir operation cuive[J].Journal of Hydroelectric Engineering，2015，34（06）：35-40.（in Chinese））

[14] YOUNG G K.Finding Reservoir operating rules[J].Journal of the Hydraulics Division，1967，93（6）：297-322.

[15] 萬俊.水資源開發利用[M].武漢：武漢大學出版社，2008.（WAN jun.Water resources exploration and utilization[M].Wuhan：Wuhan University Press，2008.（in Chinese））

[16] 葉秉如.水利計算[M].北京：水利電力出版社，1985.（YE Bing-ru.Hydraulic Calculation[M].Beijing：China Water Power Press，1985.（in Chinese））

[17] 呂孫云，許銀山，蘭嵐，等.基于優化-模擬技術的生態庫容[J].水科學進展.2013，24（3）：402-409.（LU Sun-yun，XU Yin-shan，LAN lan，et al.Study of ecological storage based on optimization simulation technique[J].Advances in Water Science.2013，24（3）：402-409.（in Chinese））