石橋水電站水能資源優化利用研究

肇毓鋒

(遼寧省水利事務服務中心，遼寧 沈陽 110003)

水能資源是清潔能源，但由于部分電站過分追求經濟效益，不合理開發利用水能資源，由此導致了許多生態問題，因此科學、合理、高效利用水能資源，既能滿足電站經濟效益，同時能夠保證生態安全，意義十分重大[1]。水能資源開發利用受利用水量、經濟效益和生態環境等動態因素影響，因此其優化問題是一個典型的多目標問題，必須統籌考慮各種制約因素的相互關系、相互影響，建立符合實際情況的多目標、群決策模型。

石橋水電站位于遼寧省愛河流域，愛河流域水能資源蘊藏量十分豐富，水系發育良好。流域整體開發程度較低，沒有大型控制性水利工程，但隨著社會的發展對能源需求量的不斷加大以及對清潔能源的開發程度不斷提高，加之早期水能資源開發未能充分重視生態環境因素，已開發水電站多以引水式為主，導致區域內的水生態環境受到了影響。由此可見，采取原始單目標調度模式，單純以追求電站經濟效益為目標，勢必會對流域水生態環境產生不良影響。為統籌考慮流域水生態環境保護與電站經濟效益，解決單一目標調度無法同時兼顧水生態保護與經濟效益的問題，本文建立了石橋水電站水能資源優化開發利用模型，有效解決了水能資源利用過程中追求經濟效益目標與生態目標存在相互矛盾、相互制約的問題，找到最優交集使2個目標同時達到要求，對在滿足生態目標要求的前提下充分開發利用水能資源意義重大[2-5]。

1 石橋水電站工程概況

石橋水電站為日調節水電站，電站工程壩址位于愛河干流的鳳城市東湯鎮石橋村的唐家堡，是愛河流域水能梯級開發規劃中，草河河口以下河段水電開發的第一級水電站工程，在流域水能資源開發序列中處于比較重要的地位。石橋水電站工程屬于小型水電站工程，以發電為主，其壩址以上控制流域面積約4 000多km2，占總流域面積的80%以上。

電站廠房內布置3臺水輪發電機組，總裝機容量為9 600 kW。其校核洪水位以下的水庫總容量約為3 664萬m3，水庫正常蓄水運行時，總水量為465.5萬m3。本文以石橋電站為研究對象，應用水能資源優化開發利用模型對其進行優化運行調度的計算并提出優化運行調度方案[6-9]。通過優化運行調度方案的選擇，可以在滿足石橋水電站發電效益的基礎上，最大程度地滿足河道生態流量要求，保證區域內水生態環境的健康發展，平衡經濟目標與生態目標之間的關系，使得二者在矛盾中得到統一，并對愛河流域內其他區域水能開發提供參考依據[10-17]。

2 石橋水電站水能資源優化利用模型的建立

2.1 目標函數

在滿足河流生態需求、保護河流天然形態為前提下充分開發利用水能資源過程中，受到水庫的庫容(水位)、發電流量約束、水電站水頭限制、水輪機組的出力限制等諸多要素影響，而各要素之間還存在矛盾關系，因此必須依托建立水電站發電多目標運行實施，即在發揮水電站社會經濟效益的同時，能夠保證水電站下游河段生態流量的基本要求。水能資源優化開發是水電站多目標運行在生態層面的集中表現，也是水電站多目標運行的有機組成部分。水能資源開發利用優化調度運行多目標模型目標函數如下。

a)發電量最大目標。追求總發電量最大為目標，充分開發利用水能資源，同時滿足最大經濟效益。

(1)

式中E——河段水流理論發電能量，kW·h；N——河段水流理論出力，kW；Q——發電流量，m3/s；H——河段上、下游兩斷面水面高程差，m；Δt——發電時段長度，h；K——出力系數，取7.5；T——時段，以月為單位進行計算時段的選取，即T取值12，下同。

b)保證出力最大。追求水電站保證出力最大為目標，本文以枯水期水電站最小出力近似為水電站的保證出力，在保證水能資源利用率最高的同時也保證了發電下泄流量的合理性。

F2=Max(minNt)t=1,2,… ,T

(2)

式中Nt——第t時段水電站的總出力，以t時段最小出力近似為各時段的保證出力。

2.2 約束條件

a)下泄流量約束。為滿足河道必要的生態環境用水，保護流域生態、水文系統的天然狀態，水電站下泄流量不得小于該段河道適宜生態流量，由于汛期總來水量較大，可以滿足下游河道的生態流量要求，所以主要考慮枯水時期的水電站下泄流量能否滿足下游河道生態流量的要求。因此對下泄流量進行如下約束：

Qt≥Qst=1,2,… ,T

(3)

式中Qs——電站下游河道各月適宜生態流量；Qt——水電站第t月發電后下游河道流量。

b)水輪機可承受過水量約束。為確保電站水輪機正常運轉，電站水輪機最大過流量不得超過其設計值。因此對電站水輪機過水量進行如下約束：

Qt≤QTt=1,2,…,T

(4)

式中QT——水電站達到最大設計水頭時，水輪機允許發電時可承受的最大過流量。

c)水庫最低蓄水位限制約束。正常情況下，水庫水位不會低于其死水位，因此對水庫最低蓄水位進行如下約束：

Ht≥Hmint=1,2,…,T

(5)

式中Hmin——t時段水庫水位達到其設計允許消落的最低水位，一般情況下特指水庫達到死庫容時的水位。

d)防洪限制約束。在汛期過程中，主要針對汛期水庫水量的限制，水庫最高水位即為水庫水位達到防洪限制水位；非汛期過程中，以正常蓄水位進行約束，即水庫在正常運行情況下對應的水庫水位。因此對水庫防洪限制進行如下約束：

Ht≤Hmaxt=1,2,…,T

(6)

式中Hmax——第t時段水庫蓄水量的上限水平。

e)水輪機出力限制約束。水電站在其水輪機設計最小出力及最大出力區間能夠正常運轉，因此對水輪機出力進行如下約束：

NN≤Nt≤NTt=1,2,…,T

(7)

式中Nt——第t時段水輪機機組的實際出力值；NN——在滿足水輪機設計最小出力情況下的發電出力；NT——水輪機在區域現有水能資源條件下的最大發電出力。

f)水量平衡約束。水庫運用調度過程中，其蓄水量、來水量、泄流量保持動態平衡關系，因此對水庫水量平衡進行如下約束：

Vt+1=Vt+(St-Qt)Δtt=1,2,…,T

(8)

式中Vt+1——t+1時段水庫的總水量；Vt——第t時段初水庫的蓄水總量；St、Qt——t時段水電站水庫的來水量及下泄流量；Δt——時段長度。

g)非負約束。所有變量均為非負值。

綜合各目標及約束條件，得出了石橋水電站優化運行調度多目標函數。

3 模型求解及結果分析

3.1 石橋水電站水能資源優化開發計算

本文所研究的水能資源優化開發是指在考慮水生態環境前提下，提高水能資源利用率的最優決策。在保證開發利用水能資源過程中不對水生態環境造成嚴重破壞的情況下，使其獲得的經濟效益最大化。根據目前水能資源開發方面多目標理論研究狀況，有多種方法可以用于模型求解，包括最優化方法、差分進化算法、數學模擬法等。水能資源優化開發模型具有多個約束條件，是一個復雜的多目標優化模型，對模型的求解較為困難，同時愛河流域水能資源利用具有多目標性和復雜性，所以本文采用數學模擬方法進行研究，即利用計算機仿真模擬技術來對石橋水電站水能資源優化開發利用模型進行求解。

數學模擬方法是將實際案例通過數學的方式進行轉化，得出可以貼切描述實際情況的數學方程式或方程組，通過計算機編程進行計算的一種高度仿真算法。在實際問題較為復雜且存在多個變量及約束條件時，常規方法難以進行計算，采用數學模擬法可以在短時間內進行大量數據的求解，有著明顯的優勢。同時，數學模擬法具有直觀性較強，其原理容易被大多數人接受及實際應用過程可以省去很多的復雜程序等特點，因此成為近年來應用頻率較高的算法之一。

采用計算機仿真模擬技術來對石橋水電站水能資源優化開發利用模型進行求解的步驟如下。

步驟一確定石橋水電站的初始調度狀態。根據石橋水電站壩高及水電站防洪限制水位，在典型年來水條件下，確定石橋水電站各月入庫流量及經計算后的下游河道生態流量。根據石橋水電站H-W(水位-庫容)曲線，可得水庫的水位與庫容之間關系。聯系典型年來水條件下水庫庫容與來水量及泄流量關系，下泄流量初始值設置為0，單位m3/s,迭代步長為0.1，進行試算。

步驟二約束條件判定。模型共有7個約束條件，在保證所有變量值非負的前提下，分別從生態流量約束、水庫約束、電站出力約束三方面進行判定。其中生態流量約束主要對下泄流量進行判定；水庫約束主要對水庫水位最大值、最低值及水量平衡進行判定；電站出力約束主要對水輪機最大過流量、水輪機出力上下限進行判定。具體過程如下：①生態流量判定。根據水庫的下泄流量，確定石橋水電站下游斷面流量并判斷各時段斷面流量是否滿足生態流量要求。如相應時段內能夠滿足下游河道生態流量要求，則繼續進行判定，否則返回步驟一重新確定下泄流量。②水庫約束判定。在滿足生態流量辨識前提下，在不考慮水量傳播損失的條件下，計算滿足條件的水量平衡方程。同時，判斷相應流量下石橋水電站水庫水位是否滿足約束條件，從石橋水電站上游到下游尾水河道依次對水庫水位進行辨識。如果水庫水位超過最大值或低于最小值，則返回步驟一重新確定下泄流量。③電站出力約束判定。采用同時滿足生態流量判定、水庫約束判定情況下的下泄流量及相應水位進行計算，得出水電站出力值。對水電站出力值進行判定，如出力值符合約束條件則對該組數據輸出，如出力值不符合約束判定，則返回初始狀態重新試算。

步驟三確定調度備選方案。將符合各約束條件的水電站保證出力及發電流量作為調度方案，并以求得的水電站調度方案來進行仿真模擬，重復以上步驟，輸出滿足約束條件的30組最優備選方案。

基于以上的求解步驟，本研究在Visual Studio平臺下采用C#編寫模擬程序求解，并通過txt文本文件輸出備選方案。

3.2 計算結果分析

當枯水期來水量較小時，如電站以追求經濟效益為主要目標，在這一時期將控制水電站的發電流量，減少低水能利用率情況下發電的時段。同時水庫進行蓄水，抬高發電水頭，直到水庫水位達到滿足其經濟運行水位時進行發電。這種調度方案的優點是可以提高總發電量，將水電站經濟效益達到最大化。但是采用這種控制流量提高發電效益的做法會導致下游河道的流量減小。如果電站在追求經濟目標的同時兼顧生態目標，則電站在枯水時期將增大下泄流量，保證下游河道的生態需要，采用這種方案整體發電量較上一種方案略低，但是對保護下游河道水生態環境有著積極的作用。

采用石橋水電站在典型年來水情況下枯水期最小出力為電站的保證出力，經計算，輸出了30組在典型年來水條件下，石橋水電站優化運行調度方案。將輸出數據整理后見表1。

表1 石橋水電站典型年來水條件下優化運行調度方案

表1共列出了滿足各項約束條件的30組優化運行調度方案，由于追求的主要目標不同，針對石橋水電站的優化調度方案仍有差別。綜合表1中30組優化運行調度方案，分別選取1號生態效益最大化方案、15號兼顧經濟效益及生態效益方案、30號經濟效益最大化調度方案作為石橋水電站優化后運行調度的典型方案進行對比分析。石橋水電站典型年來水情況下滿足各約束條件的出力過程見圖1，石橋水電站典型年來水情況下滿足各約束條件的發電量見圖2，石橋水電站典型年來水情況下各月發電流量見圖3。

圖2 石橋水電站典型年來水條件下各月發電量

圖3 石橋水電站典型年來水情況下各月發電流量

從圖1、2、3可以看出，各運行方案在7—12月份水電站的發電出力情況、發電量及電站的發電流量基本相同，差別不大。各項指標的不同之處主要體現在1—6月份這段時間，即整個來水量相對較小的時期。而水電站的最小出力一般也多出現在枯水期。

圖1 石橋水電站出力過程

第1號方案，石橋水電站在實際運行過程中年發電量為1 996.8萬kW·h，保證出力為1 358 kW。電站全年保證出力略大于其他2組方案，并且電站全年發電過程出力波動幅度較小，能夠保證區域電網安全。但是發電量相對最小，雖然該種方案能夠保證生態流量最大，但是未能兼顧電站經濟效益。

第30號方案,石橋水電站年發電量為2 044.8萬kW·h，保證出力為1 305.2 kW。全年發電量略大于其他2組方案，發電效益最大，但是該種方案下水電站保證出力小于其他2組方案，年利用小時數較少，且全年發電過程出力波動幅度較大，不利于區域電網的安全性，未能兼顧生態效益及電網安全需要。

第15號方案，石橋水電站年發電量為2 023.2萬kW·h，保證出力為1 336 kW。在電站出力、發電量等方面，指標均處于另2種方案之間，同時全年發電過程出力平穩，符合區域電網安全需要。兼顧了經濟目標與生態目標，二者協調統一。

由以上3種典型優化方案的對比分析可以看出，在滿足石橋水電站下游河道生態流量及其他約束條件的情況下，可以有針對性地進行調度方案的選擇。如果地區水生態環境基礎較為薄弱且電網公司對電站出力平穩程度有特殊要求情況下，可以采用以滿足電站保證出力為主的調度方案，在能夠保證較大生態流量和利用小時數的情況下同時能夠滿足發電出力的平穩性，雖然該種方案年發電量稍微有所降低，但是其保證出力有所提高，對下游河道的生態環境保護作用最好，如果考慮生態效益比重較大情況下可選擇第1號方案；當地區水生態環境基礎情況處于中等水平，且地區電網公司對電站出力過程沒有明確要求的情況下，綜合考慮發電效益及水生態環境保護可以優先考慮第15號方案；如地區水生態環境基礎較好，電站可以采用以經濟效益為主的調度方案，即以發電量為主要目標，可以考慮選擇第30號方案進行發電。

由于愛河流域水能資源豐富，地表水資源量較大，水生態環境基礎較好，且遼東山區供電網絡安全等級有限，所以綜合研究區的具體情況，經分析推薦第15號方案為石橋水電站在典型年來水情況下合理運行調度方案。

4 結語

a)建立的石橋水電站水能資源優化開發模型，以水電站發電量最大及保證出力最大為目標建立了多目標函數，以水電站下游生態流量為主要約束，指標獲取相對方便，直觀性、可操作性較強，與以往單目標調度運行方式相比，實用性、針對性、綜合性更加突出，對保護水電站下游區水生態環境并充分利用水能資源有著重要意義。

b)采用數學模擬法對模型進行求解，可以在短時間內處理大量數據，同時，數學模擬法具有直觀性較強的特點，求解模型過程可以省去很多的復雜的程序，實際應用過程高效、準確。

c)石橋水電站工程是草河河口以下河段水電開發的第一級水電站工程，在流域水能資源開發序列中處于比較重要的地位，采用第15號方案，在保證發電效益的同時，滿足豐水、枯水不同時期的河道生態需水，避免了由于不合理調度導致的下游河段出現減脫水情況，有力保障了河段水生態環境，符合生態發展理念要求。