大型水庫發電運行優化調度決策支持系統研究

李德龍，許小華，溫天福，黃 萍，鄢笑宇

（1.江西省水利科學院智慧水利研究所，南昌 330029；2.河海大學水文水資源與水利工程科學國家重點實驗室，南京 210098）

0 研究背景

水庫運行調度是根據水庫承擔的任務及規定的調度原則，運用水庫的調蓄能力，在保證大壩安全的前提下，有計劃地對入庫的天然徑流進行蓄泄，以降低水旱災害、提高水資源利用效率為目的，最大限度地滿足當地國民經濟對水資源的需要。由于天然徑流的隨機特性和調度目標的多樣性，導致水庫運行調度工作較為復雜。如何利用高新技術手段，優化水庫運行調度這一復雜問題，實現水庫防洪和發電等綜合效益最大化，已得到相關部門高度重視。近年來，隨著水利現代化和信息化的快速發展，水庫優化調度的理論和方法逐漸完善，大量學者在水庫運行調度系統方面已有較廣泛且深入的研究，如成良歌［1］、莫曉聰等［2］、陸玉忠等［3］、陳凱［4］等學者針對水資源調度及水庫調度會商研發了相應系統，王森等［5］、張光科等［6］、徐剛［7］、王冕等［8］、涂維黨［9］、宋松柏等［10］、李傳剛［11］、張歆蒴［12］、趙曉鳳［13］學者針對水庫群或水電站防洪優化調度進行深入研究，但主要圍繞水庫單一功能調度，而針對大型防洪和發電任務兼顧的水利樞紐工程鮮有類似系統研究。

本文以兼顧防洪、發電等綜合效益的倫潭水利樞紐工程為研究對象，探討研究大型水庫發電運行優化調度決策支持系統的實現，以達到充分發揮水庫的綜合效益和提升水電站智能化管理能力的目的，為實現水庫的科學調度和防洪決策提供技術支撐。

1 區域概況

倫潭水庫地處江西省鉛山縣天柱山鄉境內，距縣城約50 km，壩址坐落于信江水系鉛山河支流楊村水中游，地理位置為東經117°38′22"，北緯28°3′55"，壩址以上流域控制面積為242 km2。倫潭水庫是鉛山河流域內一座以防洪、灌溉為主，兼顧發電、供水等綜合效益的大（2）型水利樞紐工程。正常蓄水位252.0 m（黃海高程，下同），設計洪水位（P=1%）254.72 m，校核洪水位（P=0.1%）256.45 m，總庫容1.798 億m3，防洪庫容0.261億m3。水庫設計灌溉農田面積7 000 hm2，灌溉設計保證率為90%；電站裝機容量40 MW，保證出力（P=90%）6 MW，多年平均水頭109.92 m，多年平均發電量6 059 萬kWh（扣除非汛期泄放生態流量時損失電量）。

倫潭水電站是一座位于鉛山河楊村水上的小（2）型水電站，電站廠房位于鉛山縣清潭村下游的黃土潭村附近（見圖1），地理位置東經117°38′33"，北緯28°5′45"，距倫潭水庫壩址約6.5 km，壓力水道（包括引水隧洞和壓力管道）總長3 395.037 m。

2 模型構建

2.1 洪水預泄調度模型

預泄發電調度主要分為2種情形：

第1種情形：當入庫洪水總量W入小于W1時，則表示當洪水來臨，在洪水過程T內通過最大發電流量下泄，洪水過后庫水位不超過其汛限水位。其計算公式為：

式中：W1為不預泄最大來水量；qmax為最大發電流量；T為一場洪水過程的總歷時；Vm、V0分別為汛限水位及當前水位的庫容。

第1種情形：當W1大于入庫洪水總量W入時，則表示洪水來臨之前，就得提前發電預泄，以免產生不合理棄水。

式中：t為提前預泄時間；qyu為預泄期間的來水流量。

當采用預報時，提前預泄時間t大于預報的預見期時，則會產生棄水。預泄調度模型根據洪水發生時間選擇不同的防洪規則。其規則見表1。

表1 主（后）汛期防洪調度規則Tab.1 Flood control dispatching rules in Main（post）flood season

2.2 中長期發電調度模型

對于調節性能為年或年以下的水庫來說，通常設置年末水位與年初水位一致或相差不大。為此，考慮倫潭水庫（電站）特性和上下游用水約束條件，構建倫潭水電站中長期發電調度模型，并利用優化算法對該模型進行求解。

目標函數：

式中：E為水電站某一時間段內的發電量；K為水電廠機組的出力系數，經綜合對比，取K為8.0；Qt為第t個時間段的平均發電流量，m3/s；Ht為第t個時間段的平均發電水頭，m；ΔT為時間段長度，s；T為時間段數。

約束條件：

（1）水庫水量平衡方程。

式中：Vt+1，Vt分別為第t+ 1時段初和t時段初的水庫蓄水量，萬m3；qt，Qt分別為第t時段的水庫入庫流量和發電流量，m3/s；St為第t時段的棄水量。

（2）水庫水位（庫容）約束。

式中：Zt，min、Zt，max分別為第t時段允許的水庫最低、最高水位，m。

由于水位和庫容之間存在一定的函數關系，所以水位約束也可以轉換為庫容約束，即：

式中：Vt，min、Vt，max分別為第t時段允許的水庫最小、最大庫容，萬m3。

（3）水電站出力約束。

式中：Nt，min、Nt，max分別為第t時段水電站允許的最小、最大出力，kw。

（4）水庫下泄流量約束。

式中：Qt，min、Qt，max分別為第t時段水庫下游所需的最小下泄流量和所允許的最大下泄流量，m3/s。

（5）變量非負約束。所有變量滿足非負要求。

3 系統功能實現

3.1 功能模塊

依據倫潭水庫防洪和發電的調度規則，在構建中長期發電調度模型和洪水預泄調度模型基礎上，研發了集首頁、工程基礎信息、實時水雨情信息、洪水預泄調度、中長期發電調度和預泄調度決策支持報告等多功能的調度決策支持系統。功能上，具有友好的交互界面、強大的計算功能和全面的分析決策功能。結構上，各功能模塊既有單獨的使用價值，又能和其他功能模塊進行交互和信息共享。功能結構如圖2所示。

（1）首頁。在GIS底圖基礎上，展示工程概況、水位庫容、實時水位、實時降雨量、地理位置、無人飛機航拍全景、三維建模圖等功能。系統首頁如圖3所示。

（2）工程基礎信息。主要展示基礎地理信息、劃界確權信息、注冊登記信息、安全鑒定信息、工程圖紙和工程面貌。

（3）實時水雨情信息。接入已建設水雨情監測系統信息，展示水庫上下游的水位、雨量等實時信息，可查詢歷史累計降雨量（含小時、周、月、年累計降雨量，以曲線圖展示）、警戒水位、汛限水位、當前流量、水庫庫容曲線圖和水位變化過程等信息。

（4）洪水預泄調度。根據實際要求，在確定某場次洪水流量過程、洪水預見期和水庫水位約束條件的情況下，通過運行計算得出該場次洪水內發電量、入庫流量、棄水量和水庫水位等信息，并統計分析出該場次洪水預泄調度的棄水率、發電總量、最大下泄流量等信息。主要包括初始條件設置、計算結果圖表展示。界面如圖4所示。

1）初始條件設置。提供典型洪水過程和實際洪水過程兩種洪水類型計算。①典型洪水過程。可計算1日或3日洪水過程，提供方案名稱、洪水來臨時間、起始水位、調度末期水位、預泄期、洪水歷時、預泄期來水流量、入庫洪水總量等輸入條件。②實際洪水過程。可計算任意時段洪水過程，提供的輸入條件基本與典型洪水過程相同，僅入庫洪水總量變化為入庫洪水過程（間隔1 h）。

2）計算結果圖形展示。以曲線圖形式對計算結果進行展示，橫坐標為時間，縱坐標為入庫水量、棄水量、發電水量、水位值，各變量均以不同顏色顯示。

3）計算結果表格展示。以表的形式對計算結果進行展示，主要包含計算方案名稱、出入庫流量、棄水量、發電水量、發電量、棄水率、最高水位、超防洪高水位、超汛限水位等信息。

（5）中長期發電優化調度。根據倫潭水電站中長期發電調度模型，結合會商討論和相關經驗，分析1964-2013年等50年設計調度出力情況，建立調度決策支持功能，主要分為歷年優化調度結果和各月優化調度結果兩大功能模塊。主要包括歷年優化調度結果、各月優化調度計算和計算結果圖形展示。界面實現如圖5所示。

1）歷年優化調度結果。按年份和年入庫徑流量兩種篩選條件，主要展示近50年（1964-2013年）歷年優化調度結果，展示內容主要為某年每月出力和平均水位變化關系，且以表格形式展示水文年份、年入庫徑流量、年發電水量、年發電總量、上游月平均水位、月平均出力、月最高水位、月最大出力等數據。

2）各月優化調度計算。通過DP 算法，系統在后臺自動計算，得出歷年每月的優化結果。根據結果，擬合得到歷年各月優化調度函數及相關系數（如相關系數低于0.8，則系統會提示用戶，函數擬合效果一般）。系統利用各月優化調度函數，根據月初庫容和當月入庫平均流量，預估計算當月平均發電流量和月發電總量。

3）計算結果圖形展示。通過用戶輸入實際月發電總量值，與預估月發電總量對比分析，提供柱形圖結果展示。

（6）預泄調度決策支持報告。主要針對不同場次洪水計算的洪水預泄調度結果，系統自動生成預泄調度決策支持報告，為用戶快速提供工程基本概況、水雨情綜述、洪水預泄調度結果、存在問題和總結等5部分內容，達到提升用戶工作效率的目的，利于汛期內用戶決策判斷。

3.2 實現效果

采用Java 語言編程實現了洪水預泄調度和中長期發電優化調度模型計算，封裝成Web 服務，為業務應用提供統一的標準化接口。業務應用層采用J2EE 開放式體系結構，運用Web Service，開發了SOA 模式的應用系統。以洪水預泄調度和中長期發電優化調度為例，重點分析研究該系統對本水庫工程運行調度的決策支持作用。

（1）洪水預泄調度實現。選取水庫2019年汛期內實際發生棄水情況，發生時段為7月7日0 時-7月13日20 時。通過系統線上計算，結果如表2所示。

表2 實際調度與預泄調度模型對比結果Tab.2 Comparison results between actual scheduling and pre-release scheduling model

洪水經實際調度棄水率為70.09%，經過預泄調度模型計算采用不預泄情景棄水率為50.79%，其主要原因是實際調度過程中來水具有不確定性，調度出于安全考慮則會導致棄水率偏大。當預泄調度計算采取預泄6 和12 h 情景的棄水率分別為49.97%、48.67%，其棄水率隨著預泄時間的增大依次減小。實際調度中發電量為656 萬kWh，經過預泄調度模型計算得出不預泄、預泄6 h、預泄12 h 的發電量分別為655.19、679.19、703.19 萬kWh。

同時，從表2可以看出，7月7日洪水經實際調度后庫水位為247.2 m，而不預泄、預泄6 h、預泄12 h 經計算得出其調度后庫水位均在252 m左右，相對于實際調度，蓄存了一定的水量在庫中用于后期發電，減少了不合理棄水現象的發生。

（2）中長期發電優化調度實現。以水文年為周期，本文計算分析了2017年3月-2018年2月、2018年3月-2019年2月水庫優化調度后的發電量，并和實際發電量進行了對比，結果如圖6所示。

從圖6中可知，2017年3月-2018年2月倫潭水電站實際發電量為7 679 萬kWh，優化后的發電量為7 671 萬kWh，發電量相差不大，究其原因，是2017年實際調度效果較好，充分利用了洪水資源，有效降低了棄水率，并將其轉化為發電；2018年3月-2019年2月倫潭水電站實際發電量為6 622 萬kWh，優化后的發電量為7 436 萬kWh，發電量增加了12.3%。

4 結 論

本文以兼顧防洪、發電等綜合效益的倫潭水利樞紐工程為例，針對倫潭水庫現有調度方式水能資源利用效率不高和存在棄水等問題，研究構建了洪水預泄調度和中長期發電調度模型，結果顯示在2019年7月7日實際洪水過程中，通過預泄調度模型計算可大大減小棄水率；以2018年3月-2019年2月為水文周期年，通過發電優化調度模型計算，發電量增加了12.3%。在此基礎上，采用J2EE 開放式體系結構，運用Web Service 實現了線上實時優化計算，并能可視化展示模擬結果，為實現水庫科學調度提供了科學決策技術手段，對推動我省水庫工程信息化和智能化管理具有積極引導作用，具有較好推廣前景。 □