水電站日水位控制多目標(biāo)優(yōu)選方法

楊金平

(崇義縣水利局，江西 贛州 341300)

0 引 言

水電站的調(diào)度是保證下游防洪安全的基礎(chǔ)，需根據(jù)庫(kù)水位、歷史防洪數(shù)據(jù)及水電站相關(guān)參數(shù)對(duì)其調(diào)度情況進(jìn)行調(diào)整。由于涉及到影響調(diào)度方案的因素較多，需采取多目標(biāo)優(yōu)化的方式對(duì)方案進(jìn)行統(tǒng)籌，既要保證發(fā)電效益，同時(shí)也要考慮調(diào)峰需求，實(shí)現(xiàn)利益最大化。

近年來(lái)，許多專家學(xué)者針對(duì)以上問(wèn)題開展了研究。文小浩等[1]通過(guò)調(diào)度模擬試驗(yàn)，對(duì)影響三峽水庫(kù)水位的因素進(jìn)行分析，采用聯(lián)合調(diào)度的方法，提出該水庫(kù)的調(diào)度優(yōu)化方案，以保證水庫(kù)在洪澇等自然災(zāi)害下，仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。洪興駿等[2]以丹江口某水庫(kù)為研究對(duì)象，基于來(lái)水預(yù)報(bào)，對(duì)水庫(kù)的運(yùn)行水位實(shí)行動(dòng)態(tài)控制，以避免洪澇等自然災(zāi)害帶來(lái)的損失。羅志偉等[3]以某水電站為研究對(duì)象，基于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析不確定性因素對(duì)水電站防洪與發(fā)電效率的影響，并根據(jù)分析結(jié)果，得出該水電站的最優(yōu)控制水位。張永永等[4]基于某水庫(kù)的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用人工魚群算法，對(duì)其旱限水位進(jìn)行研究，并得出最優(yōu)水位。彭少明等[5]以某水庫(kù)為研究對(duì)象，建立水位控制模型，得出在保證水庫(kù)安全和收益的條件下的最優(yōu)水位，根據(jù)該研究結(jié)果，可有效緩解由于干旱帶來(lái)的損失。

本文以某流域末端的水電站為研究對(duì)象，建立日水位控制優(yōu)化模型，引入最大不棄水概率，分析在多種因素影響下的水電站調(diào)度方案，根據(jù)分析結(jié)果，可對(duì)水電站的調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

本文以某流域末端的水電站為研究對(duì)象，其裝機(jī)容量為500 MW。由于該水電站的發(fā)電能力較強(qiáng)，且防洪工作相對(duì)較少，所以提取其日水位并加以控制。該水電站的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 水電站的相關(guān)參數(shù)

2 日水位控制優(yōu)化模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

本研究的日水位控制優(yōu)化模型主要考慮發(fā)電量、棄水量和剩余負(fù)荷對(duì)調(diào)度方案的影響，對(duì)上述3個(gè)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，根據(jù)對(duì)調(diào)度方案的敏感性確定優(yōu)先級(jí)和權(quán)重值。根據(jù)上述分析，本研究的目標(biāo)函數(shù)為：

(1)

式中：F為日水位控制優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)；w1、w2、w3分別為發(fā)電量、棄水量和剩余負(fù)荷的權(quán)重值；ri，j為兩兩目標(biāo)間的相對(duì)優(yōu)屬度。

2.2 約束條件

本研究的水位、電站出力、庫(kù)容、泄流量和發(fā)電流量均應(yīng)處于該約束條件對(duì)應(yīng)時(shí)段的上下限的限值之內(nèi)。水量平衡應(yīng)滿足式(2)：

Vt+1=Vt+(Qt-qt-Qd)Δt

(2)

式中：Vt、Vt+1分別為對(duì)應(yīng)時(shí)段的庫(kù)容；Qt為入庫(kù)流量，m/s3；qt為發(fā)電流量，m/s3；Qd為棄水流量，m/s3。

2.3 求解方法

由于對(duì)水電站的日水位需要根據(jù)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行推算，且多數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為月流量數(shù)據(jù)，因此對(duì)于日水位和來(lái)水量的估算具有一定的不確定性，因此難以利用傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法對(duì)日水位進(jìn)行獲取。本研究采用兩天內(nèi)的水流量作為隨機(jī)變量，假定來(lái)水量有30 N種結(jié)果，根據(jù)數(shù)值大小對(duì)其進(jìn)行排序，根據(jù)其出現(xiàn)的頻率確定來(lái)水狀態(tài)。

在實(shí)際過(guò)程中，當(dāng)庫(kù)水位較大時(shí)，由于水的高差較大，其發(fā)電效率較高，并且可以有效減小耗水率。但是由于高水位對(duì)洪澇災(zāi)害具有一定的影響，需考慮在保證水電站安全的條件下，使其發(fā)電效率最高。根據(jù)水電站的來(lái)水頻率，可得到不棄水狀態(tài)下的水電站日水位集合，計(jì)算過(guò)程如下：

首先設(shè)置不棄水預(yù)見(jiàn)期為1，計(jì)算時(shí)段為1，得出來(lái)水量的30 N種結(jié)果。將上述來(lái)水量的30 N種結(jié)果進(jìn)行排序，得出最大不棄水概率對(duì)應(yīng)的來(lái)水過(guò)程。不斷重復(fù)以上過(guò)程，使得計(jì)算時(shí)段數(shù)大于最大計(jì)算時(shí)段；改變不棄水預(yù)見(jiàn)期，重復(fù)以上過(guò)程，即可得出棄水概率對(duì)應(yīng)的日水位控制過(guò)程。

日水位的控制過(guò)程求解主要通過(guò)歷史來(lái)水資料確定不棄水預(yù)見(jiàn)期，得出其水位上限、出力上限和不同頻率的來(lái)水過(guò)程。然后假定水電站以80%的負(fù)荷率進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，且在預(yù)見(jiàn)期內(nèi)不得發(fā)生棄水，反推出日水位過(guò)程線，得出日水位控制過(guò)程可行解集，根據(jù)該結(jié)果對(duì)水電站日水位進(jìn)行模擬調(diào)度，以達(dá)到優(yōu)化和控制水位的目的。

3 結(jié)果分析

研究水電站的來(lái)水頻率和預(yù)見(jiàn)期對(duì)其日水位的影響情況，分別分析來(lái)水頻率為30%、70%和100%及預(yù)見(jiàn)期為1 d、4 d和7 d下的水電站日水位變化規(guī)律。當(dāng)時(shí)間為1 d時(shí)，水電站的水位變化情況見(jiàn)圖1。

圖1 1 d水電站的水位變化情況

由圖1可知，當(dāng)時(shí)間位于6-9月份時(shí)，水位較低，最低水位出現(xiàn)在6月20日，其值為269 m。這是由于6-9月份的降雨量較大，此時(shí)為了滿足防洪的要求，需對(duì)水電站內(nèi)的水位進(jìn)行控制。當(dāng)時(shí)間位于冬季和春季時(shí)，水電站的水位基本維持在280～300 m，且其數(shù)值差距較小，說(shuō)明由于季節(jié)的影響，此時(shí)由于降雨產(chǎn)生的來(lái)水量較小，無(wú)需對(duì)水電站的水位進(jìn)行控制。來(lái)水概率與水電站水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)來(lái)水概率較大時(shí)，同一時(shí)間對(duì)應(yīng)的水電站水位較小；當(dāng)來(lái)水概率為100%時(shí)，對(duì)應(yīng)的水電站水位遠(yuǎn)小于其它來(lái)水概率下的水電站水位，說(shuō)明當(dāng)來(lái)水概率較大時(shí)，需對(duì)水電站內(nèi)的水位進(jìn)行控制，且其值越大，對(duì)水電站水位的影響程度越大。這是由于當(dāng)來(lái)水概率較大時(shí)，易發(fā)生洪澇災(zāi)害的概率較大，此時(shí)為滿足防洪工作的要求，需對(duì)水電站的水位進(jìn)行控制，以避免洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

當(dāng)時(shí)間為4 d時(shí)，水電站的水位變化情況見(jiàn)圖2。

圖2 4 d水電站的水位變化情況

由圖2可知，時(shí)間為4 d的日期-水位曲線與日期為1 d的曲線變化趨勢(shì)基本保持一致，當(dāng)時(shí)間位于6-9月份時(shí)，最低日水位時(shí)間為6月25日，其值為257 m，但其數(shù)值與1 d的曲線數(shù)值存在一定的差異性。其中，100%來(lái)水概率與70%來(lái)水概率與1 d相同來(lái)水概率對(duì)應(yīng)的最大日水位差異值最大，說(shuō)明預(yù)見(jiàn)期的變化對(duì)70%、100%來(lái)水概率對(duì)應(yīng)的日水位影響較大。這是由于隨著預(yù)見(jiàn)期時(shí)間的增大，水電站的各項(xiàng)參數(shù)的不確定性增大，進(jìn)而影響水電站日水位的推算，不確定性越大，影響其日水位的因素越多，為保證水電站的安全性，應(yīng)保持日水位較低。

當(dāng)時(shí)間為7 d時(shí)，水電站的水位變化情況見(jiàn)圖3。

圖3 7 d水電站的水位變化情況

由圖3可知，時(shí)間為7d的日期-水位曲線與上述兩種預(yù)見(jiàn)期的曲線變化趨勢(shì)基本一致，當(dāng)時(shí)間位于6-9月份時(shí)，最低日水位時(shí)間為6月23日，其值為245 m。對(duì)比3種不同預(yù)見(jiàn)期的時(shí)間-水位曲線可知，預(yù)見(jiàn)期與水電站的日水位呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著預(yù)見(jiàn)期的增大，水電站的日水位逐漸減小，這是由于預(yù)見(jiàn)期會(huì)影響水電站參數(shù)的不確定性，進(jìn)而影響其日水位的大小。

為了研究發(fā)電量、棄水量和調(diào)峰對(duì)水電站調(diào)度方案的影響，對(duì)上述3種因素進(jìn)行權(quán)重組合，組合方案見(jiàn)表2。

表2 權(quán)重組合方案

根據(jù)表2的權(quán)重組合進(jìn)行模擬，得出對(duì)應(yīng)權(quán)重下的調(diào)度方案，見(jiàn)表3。

由表3可知，不同權(quán)重組合得出的調(diào)度方案具有一定的差異性。其中，方案1的發(fā)電量最大，其值為72.3×108kW·h；方案2的發(fā)電量最小，其值為67.1×108kW·h。這是由于方案1僅考慮發(fā)電量最大時(shí)的水電站調(diào)度方案，此時(shí)該方案的發(fā)電量最大，方案2主要以棄水量為主要考慮因素，此時(shí)的不棄水概率為100%，而發(fā)電量減少幅度顯著，說(shuō)明棄水量與發(fā)電量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。不同方案的發(fā)電量、余荷均方差差異較小，而棄水量的差異較大，其最大值為29.9 ×108m3，最小值為9.5×108m3，說(shuō)明棄水量對(duì)調(diào)度方案影響的權(quán)重較大，應(yīng)對(duì)其權(quán)重進(jìn)行重新調(diào)整，然后根據(jù)權(quán)重組合得出調(diào)度方案。

表3 調(diào)度方案

僅考慮發(fā)電量的最優(yōu)日水位調(diào)度方案見(jiàn)圖4(a)。由圖4(a)可知，水電站的水位變化主要集中于6-8月份，最低日水位為285 m，其余時(shí)間水電站的水位變化較小，其日水位主要集中于300 m左右。這是由于6-8月份的降雨量較大，此時(shí)為了滿足防洪的要求，需對(duì)水電站內(nèi)的水位進(jìn)行控制。對(duì)比圖4(b)考慮棄水情況下的調(diào)度方案可知，棄水概率對(duì)水電站的日水位影響較大，隨著日期的變化，其曲線變化趨勢(shì)顯著。除6-8月份外，11月份左右的水位變化量較大，全年最低日水位出現(xiàn)在6月10日，其值為261 m，遠(yuǎn)小于僅考慮發(fā)電量的調(diào)度方案，說(shuō)明棄水概率對(duì)調(diào)度方案的影響較大。僅考慮調(diào)峰的最優(yōu)日水位調(diào)度方案見(jiàn)圖4(c)。由圖4(c)可知，隨著日期的變化，水電站的日水位無(wú)明顯的變化趨勢(shì)，全年日水位均處于300 m，說(shuō)明調(diào)峰對(duì)水電站日水位調(diào)度方案的影響較小。

圖4 發(fā)電量的調(diào)度方案

同時(shí)考慮發(fā)電量、棄水概率和調(diào)峰的水電站調(diào)度方案見(jiàn)圖5。由圖5可知，在以上3種因素影響下，水電站的日水位變化集中于6-8月份。其中，6月29日有最低日水位線，其值為293 m。除6-8月份外，水電站的日水位均集中于300 m左右。

圖5 考慮發(fā)電量、棄水概率和調(diào)峰的水電站調(diào)度方案

4 結(jié) 論

本文以某流域末端的水電站為研究對(duì)象，建立日水位控制優(yōu)化模型，引入最大不棄水概率，分析在多種因素影響下的水電站調(diào)度方案。根據(jù)分析結(jié)果，可對(duì)水電站的調(diào)度方案進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)論如下：

1) 當(dāng)時(shí)間位于6-9月份時(shí)，水電站的日水位較低，最低水位出現(xiàn)在6月20日，其值為269 m。這是由于6-9月份的降雨量較大，此時(shí)為了滿足防洪的要求，需對(duì)水電站內(nèi)的水位進(jìn)行控制。

2) 隨著預(yù)見(jiàn)期時(shí)間的增大，水電站各項(xiàng)參數(shù)的不確定性增大，進(jìn)而影響水電站日水位的推算。不確定性越大，影響其日水位的因素越多，為保證水電站的安全性，應(yīng)保持日水位較低。

3) 在發(fā)電量、棄水概率和調(diào)峰3種因素影響下，水電站的日水位變化集中于6-8月份。其中，6月29日有最低日水位線，其值為293 m。除6-8月份外，水電站的日水位均集中于300 m左右。