大型流域水電站水庫群長期聯合優化調度模型研究

相子江

(新疆昌源水務集團阜源有限公司，新疆 阜康 831500)

1 概述

近年來，隨著我國經濟和科學技術的進步以及對水電開發的重視，我國的水電事業蒸蒸日上，雖然開發率還不及一些西方的發達國家，但基于我國豐富的水電資源，如今我國已經成為了世界位列第一的名副其實的水電大國[1-2]。我國水電事業在蒸蒸日上的同時也依然存在著不足，我國水電站數量眾多，但各個水電站水庫相互之間基本處于獨立運作的模式根據研究顯示，提高水電站水庫群的整體調度對于提高各個水電站的總體發電量以及航運和防洪等多個方面都是非常有幫助的，所以人們把目光也放到了這里。提高水電站水庫群相互之間的配合，實現系統調度不僅符合我國建設資源節約型和環境友好型的建設方針的要求，推動我國環保事業繼續向前邁進，也對水電事業的經濟效益以及防洪等許多方面益處良多[3-4]。本文主要從三個方面展開研究，分別是大型流域地區水電站水庫群共同合作下的聯合調度模型的建立、聯合優化調度模型的求解及某地區水電站水庫群聯合優化調度模型應用效果的實例分析。

2 大型流域地區的水電站水庫群聯合優化調度模型的建立

2.1 聯合優化調度模型構建思路

大型流域地區水資源豐富，水電站的數量也是比較多的，且分布的地理區域比較廣泛，相互之間的調度關系也是非常復雜的[5]。如果實現系統的聯合調度，優化已有的調度關系，可以很好地讓大型流域的水力資源得到更大的開發和利用，不僅可以大大提高單個水電站的利用率，總體的發電量和經濟效益也可以得到顯著提升。本次聯合優化調度模型的研究以確定的水源輸入為參考數據，綜合考慮大型流域上游地區水電站水庫群等各種約束條件，從河流的梯度水庫群和部分電網水庫群以及整個流域的水庫群等三個方面，從長、中、短三個時間層次，以及長大型流域上游水電站的總發電量，以聯合調度產生的發電量盡可能大，聯合調度產生的效益最高，水電調峰的電量最大為優化目標，建立大型流域上游水電站水庫群多維度、多層次、多目標的優化聯合調度模型。聯合優化調度模型構建的技術思路見圖1。

圖1 聯合優化調度模型技術路線圖

2.2 長期聯合優化調度模型的建立

建設一個良好的聯合調度系統，首先要構建一個完善的調度模型。水電站的調度模型其實就是將水電站水庫群之間的聯合調度的運作系統以數字符號的形式呈現出來[6-7]。模型主要包含調度對象，優化目標以及約束條件三個方面。本文以大型流域水電站水庫群長期聯合優化調度模型為主要研究對象，基于大型流域地區的水電站的聯合調度的規則，以調度期內只考慮發電量最大化目標，在確定性來水情況下，由隸屬不同電網的水電站群所組成的整體發電量最大為前提條件，通過將水電站水庫群作為一個整體進行聯合調度來構建所需的長期聯合優化調度模型。具體構建過程如下：

目標函數：

(1)

(2)

約束條件:

(1)水庫之間的水力聯系:

(3)

(2)水庫水量平衡約束：

(4)

(3)邊界條件：

Zi.o=Zi.stratZi.T=Zi.endt

(5)

(4)m電網庫群最小出力約束:

(6)

(5)m電網庫群最大出力約束:

(7)

公式1～公式7中各符號代表含義見表1。

表1 公式(1)～(7)中主要符號含義表

2.3 長期聯合優化調度模型的建立

針對現有算法模型求解收斂精度差、精度低的問題，采用MPI和OpenMP的混合編程技術，設計了基于多核PC機群環境下的站群間和站內雙層并行優化算法。算法整體框架見圖2。

圖2 大型流域水電站水庫群長期聯合優化調度模型算法框架圖

3 大型流域水電站水庫群長期聯合優化調度模型實例分析

3.1 我國電網基本情況

我國水資源非常豐富，再加之得天獨厚的地理位置[8]。理論上，我國蘊藏的水電資源高達6.89億kW，但由于經濟和技術等條件的限制，所以實際上我國技術層面可開發的電量為4.92億kW，經濟層面可開發的電量為3.95億kW，牢牢占據世界第一的位置。我國的水電資源的分布不均勻，其中60%的可開發資源都位于我國西南地區，其中，光四川一個地區可供開發的水電資源就超過了1億kW，這一數量占據了我國總體可開發電量的1/4。另外，金沙江主干流域的技術層面可開發的電量也是較高的，這一數值高達7490萬kW，大概占了我國水電開發總量的60%，摘取了我國十二大水電站的榜首。但我國各地區所需電量的情況跟水電資源的實際分布恰恰相反。我國東部區域的用電量占據了全國總用電的1/3。也正是這種水電資源分布和各地區的所需電量不平衡的情況，給我國的水電開發帶了許多不便之處，但我國一直在積極地解決采取各種措施努力優化各地區的水電資源配置。例如前些年國家制定的一系列水電方針，起到了一定的緩解作用。本文根據向家壩和溪洛渡等位于西南地區的水電站水庫群以及丹江口、三峽等處于華中地區的水電站水庫群為例，闡述水電站之間長期聯合優化調度模型的應用對于我國水電資源開發的益處。

3.2 研究區域水庫特性分析

前文提到的水電站水庫群雖然在地理區域的劃分上隸屬于西南和華中地區，但就水電站水庫群是分布在華中電網的，所以本文特意對華中電網地區的有關情況進行了整理分析。該地區在2009年時統計的水電量為6323萬kW，該區域電網的主要情況是：

(1)水力發電的比重是比較高的，大約是總量的40%，該區域的水電占比也是區域電網中所占比重最大的。

(2)水電資源的分布不合理，且東西的跨度較大。華中電網中位于西部的四川地區所占水電資源最多，該地區的水電站距離位于東部地區三峽水電站的距離將近兩千公里。

(3)區域向外輸送的電量較大，華中電網區域的許多水電站都承擔著其他區域的用電負荷，例如著名的葛洲壩和溪洛渡等水電站，都需要向廣東甚至華東地區輸送電力。

(4)該區域水庫的總體調節能力較弱，除了個別水電站，大部分水電站都是某一季節產生的電能較多，穩定性較差。

3.3 研究區域長期聯合優化調度模型

(1)電站群發電量最大目標：

(8)

(2)電站群總保證出力最大目標：

(9)

(3)約束條件：

(10)

(11)

(12)

本次所建立的研究區域長期聯合優化調度模型中各符號含義見表2。

表2 研究區域長期聯合優化調度模型符號含義表

3.4 優化聯合調度前后研究區域水電站的相關數據及分析

根據本文提出的雙層并行優化算法對建立的研究區域長期聯合優化調度模型進行求解，優化聯合調度前后研究區域水電站的相關數據及分析見表3、表4。

表3 優化調度前研究區域水電站情況

表4 優化調度后研究區域水電站情況

根據計算結果可以看出，在華中電網區域水電站進行優化調度后，總體的發電量得到顯著提升。上文中提到，華中電網區域的調節特性較弱，一些河流還存在枯水期，這一優化對于枯水期該區域的調節很有幫助，提高電網的穩定性。

5 結論

隨著我國經濟發展水平的不斷提高，我國水利工程建設也已經進入了高速發展的時期，在這一形勢下對水電站水庫群的聯合調度進行優化是非常有利的。但由于我國水電分布情況十分復雜，比如前文中提及的我國水力資源的分布和我國各省份實際所需要的電量是十分不匹配的，光解決這一個問題就需要投入很大的時間、精力及高額的成本，所以后續還有很多相關問題和工作等著解決。想要真正實現大型流域水電站水庫群的整體調度的優化還任重道遠，希望本文的研究能對大型流域水電站之間的合作共贏起到一定的作用。