水庫水電站非汛期優化調度系統應用研究

李 凱

(河南省水利移民事務中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

水庫水電站是重要的水電站布置形式，通過修建水庫，對天然徑流進行時間的再分配，從而提高水電站對天然徑流的利用效率［1-2］。水庫水電站除承擔發電功能外，往往還承擔防洪、灌溉、供水、生態等多種動能，根據不同的功能要求，其調度模式和規則也有所不同［3-5］。本研究基于水庫水電站的優化調度理論和調度模型，建立水庫水電站優化調度系統［6］，對水庫水電站的各種工況進行仿真優化調度，為確定各種工況下的水庫水電站運行提供科學合理的調度規則和調度模式。

1 水庫水電站優化調度模型

1.1 調度模型

調度模型的目標函數見式（1）。

式中：E為調度期內總發電量；k為電站的綜合出力系數；Qt為水電站在第t時段的發電流量；Ht為第t時段的電站平均發電凈水頭；Δt為調度劃分時段長；T為調度期內調度劃分時段數。

1.2 約束條件

對于上述目標函數的求解，需要構建各約束條件如下。

①水量平衡約束見式（2）。

②水庫下泄流量約束見式（3）。

③非汛期、汛期庫水位約束見式（4）。

④水電站出力約束見式（5）。

⑤各部門用水量約束見式（6）。

⑥非負約束：上述所有變量均為非負變量。

以上式中：Vt-1為第t個時段初水庫庫容；Vt為第t個時段末水庫庫容；Qt為第t個時段的平均入庫流量；St為第t時段水庫的平均出庫流量；Qt,min為第t個時段應保證的最小下泄流量；Qt,max為第t個時段的最大允許下泄流量；Zt為水庫第t個時段的平均水位；Z限為水庫死水位；Z限為水庫防洪限制水位；Z興為水庫正常蓄水位；Nmin為水電站的最小出力限制；Nmax為水電站的最大出力限制；Wt,g為水庫對各用水部門第t個時段內的供水量；Wt,y為各用水部門第t個時段的實際用水量。

2 實例選擇

2.1 工程概況

選擇河南省陸渾水庫水電站作為實例驗證電站的優化調度，陸渾水庫位于河南省嵩縣境內，是一座以防洪為主，結合灌溉、發電和供水等綜合功能的大（1）型水利樞紐工程。水庫興利水位319.50 m（正常高水位），汛限水位317.00 m，死水位298.00 m，興利庫容5.80 億m3，防洪庫容6.76 億m3，死庫容1.55 億m3。水庫設有輸水洞水電站和灌溉洞水電站，其中輸水洞電站裝機容量為4 200 kW（3×1 400 kW），灌溉洞水電站裝機容量為8 000 kW（800 kW+2×3 600 kW）。

2.2 調度規則

根據陸渾水庫水電站的運行規則，一般可以分為汛期調度系統和非汛期調度系統，其中汛期調度系統主要以防洪調度為主，非汛期調度系統以水庫興利為主［7］。本項目主要研究陸渾水庫水電站的非汛期調度，其調度規則為：水庫運行水位為死水位至興利水位；洛陽供水、生態用水的下泄經過輸水洞水電站，且經過輸水洞電站的水量不得小于洛陽市供水、生態用水之和；汝陽縣、鞏義市用水、工業用水及灌溉用水的下泄經過灌溉洞水電站，且經過灌溉洞電站的水量不得小于汝陽縣、鞏義市用水、工業用水及灌溉用水之和；灌溉洞無用水要求時，水庫用水優先經過輸水洞發電，滿足輸水洞用水要求的基礎上，滿發后的多余水量經灌溉洞發電；灌溉洞有用水要求時，滿足灌溉洞用水的基礎上，水庫的多余泄水優先經過輸水洞發電，滿足輸水洞用水要求的基礎上，滿發后的多余水量經灌溉洞發電。

3 優化調度系統建設

根據陸渾水庫水電站的工程特性和調度規則，依據本文構建的優化調度模型和約束條件，開發完成陸渾水庫水電站優化調度系統。

3.1 系統模塊及功能

陸渾水庫水電站優化調度系統主要包括以下6個模塊：一是登錄模塊，輸入用戶名和密碼，正確則進入主頁面，錯誤則給出登錄失敗提示；二是電站信息模塊，用戶可對陸渾水庫基本信息、輸水洞水電站信息、灌溉洞水電站信息進行查看；三是水庫調度模塊，對陸渾水庫下的輸水洞水電站和灌溉洞水電站進行聯合優化調度；四是數據庫管理模塊，用戶可對水庫參數進行查看，對計算過程中用到的旬徑流和用水要求等參數進行查看和修改，對水位庫容關系表進行增刪查改，還可查看每旬的徑流曲線圖、水位庫容關系曲線圖、每旬的用水要求柱狀圖；五是日志管理模塊，用戶可對水庫日志和系統日志進行查看，還可以導出日志，對日志進行備份；六是系統設置模塊，此頁面可對一些系統參數進行修改，如出力精度，時間精度等，用戶可重置密碼、查看軟件介紹等。

3.2 系統界面設計

陸渾水庫水電站優化調度系統主界面如圖1所示，包括電站信息、水庫調度、數據管理、日志管理、系統設置、退出系統等6 個功能模塊，點擊不同的按鈕可以進入相應的界面。

圖1 陸渾水庫水電站優化調度系統主界面

4 水庫水電站仿真調度應用

4.1 調度參數

依據開發形成的陸渾水庫水電站優化調度系統，進行非汛期各運行調度工況的仿真分析，選擇調度參數包括：陸渾水庫非汛期來流量、各旬的灌溉需求水量、水庫城鎮用水（包括洛陽供水、汝陽縣及鞏義市供水等）、生態用水、工業用水、灌溉用水的用水量等。

4.2 標準工況調度

采用陸渾水庫水電站調度系統，以起調水位（11 月上旬）316 m、期末水位（汛期前，6 月下旬）313 m 為標準工況進行調度，可以得到調度期內的水庫調度線、各電站引用流量、各電站的出力及發電量等數據，具體如圖2、圖3 所示。用戶可根據數據結果有效指導水庫水電站的運行。

圖2 調度求解結果圖

圖3 調度求解數據表

4.3 期初和期末水位變化工況調度

由于水庫調度期初和期末水位都可能發生變化，針對不同的水位變化，只需要更改數據庫中相應數據即可。調度期末水位（313 m）不變，期初水位由312～318.5 m 變化的調度各工況；期初水位（316 m）不變，期末水位由310～314 m 變化的調度各工況。根據不同的調取期初和期末水位，優化調度系統均能給出其最優調度過程線以及各電站的出力和發電計劃。部分調度結果如圖4、圖5所示。

圖4 不同期初水位下的水庫調度過程線

圖5 不同期末水位下的水庫調度云圖

由各工況的調度結果可知，期初水位越高，說明水庫儲存的水量越大，則水庫水電站的總發電量越大；相反，期末水位越高，說明水庫可用的水量越少，則水庫水電站的總發電量越小，調度結果與電站實際運行工況吻合。

4.4 來水及用水變化工況調度

針對不同的來水及用水情況，本文提供的水庫水電站優化調度系統均可以進行自動優化計算。計算來流在1 月上旬發生變化，模擬仿真1 月上旬4.11 m3/s、8.11 m3/s、12.11 m3/s、16.11 m3/s 四種工況；計算供水要求發生變化時，假定2 月上旬供水為0、2 m3/s、4 m3/s、6 m3/s 四種工況，水庫調度過程如圖6、圖7所示。

圖6 不同來水的水庫調度線

圖7 不同供水的水庫調度線

調度結果表明，來水增加，說明水庫水電站可用水量增加，電站的整體發電量上升；而供水增加，則在水庫整體用水量不變的情況下，應當優先滿足此時的供水要求，其調度會偏離原最優調度過程線，電站的整體發電量下降，上述調度與電站的實際運行調度結果吻合。

通過上述各工況的仿真調度可知，該水庫水電站優化調度系統可以對各工況進行合理調度，并形成相應的調度規則，可以用于類似水電站的調度運行。

5 結語

本研究通過建立水庫水電站優化調度模型，并根據陸渾水庫水電站的水庫及電站特性，依據其調度規則，建立其優化調度系統，并對優化調度系統的各模塊功能及應用進行介紹。在此基礎上，對陸渾水庫水電站的各調度工況進行仿真調度，研究結果表明，該系統可以對水庫水電站的各運行工況進行合理的優化調度，具有一定的實際應用價值。