雅礱江下游梯級水庫綜合調(diào)度規(guī)則優(yōu)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(diào)度指導(dǎo)線，并構(gòu)成水庫調(diào)度圖，圍繞該調(diào)度圖制定水庫綜合調(diào)度規(guī)則，進而建立了調(diào)度圖模擬-優(yōu)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(yōu)化技術(shù)對調(diào)度圖進行優(yōu)化。采用優(yōu)化后的調(diào)度圖指導(dǎo)水庫群模擬運行，模擬運行結(jié)果驗證了該調(diào)度圖具有良好的可操作性和實用價值。

關(guān)鍵詞：調(diào)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(fā)技術(shù)和開發(fā)規(guī)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(guī)劃對國內(nèi)水電開發(fā)積極有序的推動，在今后的運行管理中，如何充分發(fā)揮其運行成本低、調(diào)節(jié)性能好、負荷響應(yīng)快速的特點，挖掘水庫水電站的發(fā)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(yōu)化調(diào)度歷經(jīng)了半個多世紀的發(fā)展，在優(yōu)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(xiàn)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(yù)報的不確定；優(yōu)化模型是實際工況的簡化描述；水庫綜合利用約束和電網(wǎng)約束；決策規(guī)則形式復(fù)雜，可解釋性較差，且調(diào)度風(fēng)險難以量化，可推廣性不強。因此，如何應(yīng)用合適的水庫水電站優(yōu)化模型，提取可操作性強、實用價值高的調(diào)度規(guī)則，是目前亟待解決的難點。

根據(jù)對未來水庫入庫徑流描述方法的不同，水庫水電站優(yōu)化調(diào)度可以分為隱隨機優(yōu)化調(diào)度（implicit stochastic optimization，ISO）和顯隨機優(yōu)化調(diào)度（explicit stochastic optimization，ESO）兩類[8-13]。ISO是美國學(xué)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(yōu)化方法得到最優(yōu)調(diào)度過程，以此為樣本進行分析，提取水庫調(diào)度規(guī)則。ESO[7]運用概率分布來描述徑流的不確定性，在此基礎(chǔ)上采用確定性優(yōu)化方法進行長系列優(yōu)化，然而在計算中，隨著水庫數(shù)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(guān)聯(lián)，從而會給模型帶來維數(shù)過高和計算量過大等問題，限制了模型的應(yīng)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(diào)度指導(dǎo)線，用調(diào)度圖的形式加以呈現(xiàn)，并圍繞該調(diào)度圖制定水庫調(diào)度規(guī)則，進而建立調(diào)度圖模擬-優(yōu)化模型。采用隱隨機優(yōu)化調(diào)度的思想，應(yīng)用模擬-優(yōu)化技術(shù)直接對調(diào)度圖進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的調(diào)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(diào)度圖

水庫常規(guī)調(diào)度圖[15]是根據(jù)實測的徑流時歷特性資料計算和繪制的一組調(diào)度曲線及水庫特征水位劃分的若干調(diào)度區(qū)組成的。本文中的調(diào)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(diào)度圖中各條調(diào)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(guān)的水位過程線，即水庫在所有調(diào)度期（年）內(nèi)均按綜合控制線控制庫水位過程，可以得到多年總的最優(yōu)的發(fā)電量。其制作方法為，選取滿足設(shè)計保證率的多年資料，將防洪、供水等其他目標轉(zhuǎn)化為約束條件，以多年總的發(fā)電量最大為目標，以旬（或月）為時段，優(yōu)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(dǎo)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(shè)置保證率范圍內(nèi)時，保證正常供水不遭受破壞，對于以發(fā)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(nèi)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(yīng)的發(fā)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(diào)度期，選擇各年的來水，制作其綜合控制線（即每年的最優(yōu)運行過程），取其下包線。并與采用常規(guī)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(fā)電）保證率的要求，也可以避免水庫消落過早。

在指導(dǎo)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(dǎo)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(fā)電減少棄水而設(shè)置的，其常規(guī)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(fā)電）保證率），按水電站預(yù)想出力對應(yīng)的流量，從預(yù)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(yù)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(jīng)驗性，如（1-P）的典型年選擇并沒有充分的理論依據(jù)，也可能出現(xiàn)與防破壞線相交等不合理的現(xiàn)象。進一步分析，防棄水線的繪制原則應(yīng)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(fā)電較優(yōu)。與本文中綜合控制線的制作原則有一定程度的相似，依據(jù)綜合控制線指導(dǎo)水庫運行就能包含防棄水線的指導(dǎo)作用，因此本文取調(diào)度期內(nèi)各年最優(yōu)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(chǎn)生較大棄水，減少發(fā)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(diào)度圖模擬-優(yōu)化模型

2.1 優(yōu)化模型

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

2.2 模擬優(yōu)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(yīng)用自適應(yīng)遺傳算法[17]（AGA）對各水庫綜合控制線進行優(yōu)化（包括整個調(diào)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(chǎn)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(jù)錦屏二級大壩下游河段不同時期的生態(tài)和環(huán)境要求，下泄相應(yīng)的生態(tài)環(huán)境流量。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)第1節(jié)介紹的方法，首先按照常規(guī)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(fā)現(xiàn)，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(shè)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(nèi)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(fā)現(xiàn)，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(yōu)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(diào)蓄作用，以錦屏一級的出庫流量加上錦屏一級至二灘區(qū)間的天然徑流作為二灘的入庫流量。經(jīng)過錦屏一級的水量調(diào)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(fā)現(xiàn)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(jù)第1節(jié)介紹的方法，取各年最優(yōu)水位過程的下包線作為防棄水線。加上整個調(diào)度期的綜合控制線，以及死水位和防洪限制水位，即構(gòu)成了完整的調(diào)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(yōu)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(dǎo)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(yù)留防洪庫容會限制一部分發(fā)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(fā)電效益。

按優(yōu)化后的調(diào)度圖指導(dǎo)梯級水庫模擬運行，并與以年為調(diào)度期計算得到的各年最優(yōu)運行結(jié)果相比較，具體結(jié)果見表2。其中，設(shè)計年均發(fā)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(guī)調(diào)度圖調(diào)度的發(fā)電量平均值。對于每年的最優(yōu)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(fā)電量為758.8億（kW·h），較設(shè)計值增加5.46%。而按優(yōu)化調(diào)度圖指導(dǎo)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(shè)計需求（98%）；梯級發(fā)電量為728.7億（kW·h），雖然較最優(yōu)運行結(jié)果減少3.97%，但是較設(shè)計值增加1.27%，即比多年按常規(guī)調(diào)度的結(jié)果平均有所改善較最優(yōu)運行結(jié)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(dǎo)線時，只能達到多年平均最較優(yōu)，針對每年的來水情況還有進一步優(yōu)化的潛力。如可以結(jié)合中長期水文預(yù)報成果，選取與預(yù)報結(jié)果相似的來水年份，按其最優(yōu)運行軌跡進行調(diào)度。

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

4 結(jié)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(diào)度指導(dǎo)線，再加上防洪限制水位和死水位，構(gòu)成水庫調(diào)度圖。并圍繞該調(diào)度圖制定水庫調(diào)度規(guī)則，進而建立調(diào)度圖模擬-優(yōu)化模型。以雅礱江下游梯級為研究對象，采用隱隨機優(yōu)化調(diào)度的思想，應(yīng)用模擬-優(yōu)化技術(shù)直接對調(diào)度圖進行優(yōu)化。按優(yōu)化后的調(diào)度圖指導(dǎo)梯級水庫模擬運行，結(jié)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(shè)計需求（98%）；梯級發(fā)電量為728.7億（kW·h），較設(shè)計值增加1.27%，具有一定的實用價值；且調(diào)度圖簡單直觀，可操作性強。

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