面向多尾水河道的水庫發電優化調度研究

2025-02-13 00:00:00張永輝王健馬俊李達上吳承君

人民珠江 2025年1期

摘要：面向戈枕水庫發電效益提升需求，針對戈枕水庫水電機組多尾水河道的特殊的工程布置形式，統籌考慮戈枕水庫復雜工程設計及功能約束，建立兼顧保證出力的戈枕水庫發電優化調度模型，提出面向水庫整體外層求解和面向雙機組協同內層求解的雙層求解策略，針對不同來水和不同灌溉需求條件下的96種組合工況，對戈枕水庫進行了長系列發電優化調度模擬。結果表明，優化后的多年平均發電量較常規調度多年平均發電量提高了約18. 92%，戈枕水庫盡量維持高水位運行，可顯著提高水庫的發電效益。

關鍵詞：發電調度；優化調度；動態規劃；調度規則；戈枕水庫

中圖分類號：TV7 文獻標識碼：A 文章編號：1001-9235（2025）01-0097-06

Research on Optimal Power Generation Scheduling for Reservoir"in Multi-Tailed River Channels

ZHANG Yonghui1， WANG Jian1， MA Jun2， LI Dashang1， WU Chengjun3，4*

（1. Huaneng Hainan Power Generation Co.， Ltd. Dongfang Power Plant， Dongfang 572600， China; 2. Hainan Provincial Water

Conservancy and Irrigation Administation Bureau Daguangba Irrigation District Branch， Dongfang 572600， China; 3. Yellow River Institute of Hydraulic Research， Yellow River Conservancy Commission， Zhengzhou 450003， China; 4. Key Laboratory"of Lower Yellow River Channel and Estuary Regulation， Zhengzhou 450046， China）

Abstract： To enhance the power generation efficiency of Gezhen Reservoir， the unique engineering layout of hydroelectric generating sets of Gezhen Reservoir in multi-tailed river channels was studied. The intricate engineering design and functional constraints of Gezhen Reservoir were considered， and an optimal power generation scheduling model for Gezhen Reservoir that guaranteed output was established. Meanwhile， a two-layer solving strategy for the outer layer of the whole reservoir and the inner layer of the two-unit cooperation was proposed. According to 96 combinations under different inflow and irrigation requirements， a long series of optimal power generation scheduling simulations was carried out for Gezhen Reservoir. The results demonstrate that after optimization， the average annual power generation exhibits a remarkable increase of 18. 92% compared to that of conventional scheduling practices over years. It is recommended that maintaining an elevated water level can significantly enhance the power generation efficiency of Gezhen Reservoir.

Keywords： power generation scheduling; optimal scheduling; dynamic programming; scheduling rule;Gezhen Reservoir

水力發電是一種清潔能源，開展水庫發電優化調度可在增加水電站發電效益的同時，對實現國家“雙碳”戰略目標也具有重要的支撐保障價值［1-2］。目前國內外學者針對水庫發電優化調度已開展了大量的研究，并取得了豐碩的研究成果［3-5］。如謝雨祚等［6］針對金沙江下游梯級水庫構建發電聯合調度模型；鐘斯睿等［7］針對雅礱江流域“三庫七級”梯級水庫電站開展了聯合優化調度研究；曲田等［8］針對大渡河流域梯級電站開展了發電計劃預測方法的研究。上述研究實例均呈現同一水庫下游具有唯一河道的特點，針對某座水庫其不同水電機組對應下游不同河道的研究較少。具有多個電站尾水河道的水庫，受不同河道尾水位流量關系曲線不同的影響，導致不同水電機組在相同壩上水位條件下的發電水頭不同；同時由于不同水電機組出力特性和機組過水流量的差異，導致面向多尾水河道的水庫發電優化調度較單一尾水河道水庫調度更加復雜。

水電站保證出力反映了水電站在設計保證率條件下的發電能力［9-10］。在不考慮水電站保證出力約束的條件下，水庫發電優化調度結果可能存在某個時段的出力值小于保證出力，降低了電力系統供電的可靠性［11-13］。基于此，本文針對戈枕水庫水電機組多尾水河道的特殊的工程布置形式，構建戈枕水庫兼顧保證出力的發電優化調度模型，以長系列入庫徑流過程作為模型輸入，研究其發電優化調度規則。

1 戈枕水庫概況

戈枕水庫是海南省昌化江的最后一個梯級，于2014年竣工驗收。戈枕水庫承接上游大廣壩水庫泄流和區間來水，是以灌溉、供水為主兼顧發電、生態等綜合效益的大（2）型水利工程。水庫按100年一遇洪水設計，混凝土壩按1 000年一遇洪水校核，土壩按2 000年一遇洪水校核。戈枕水庫配套灌溉設施包括低干渠、中干渠和昌江干渠，其中中干渠和昌江干渠公用中干渠渠首工程。低干渠、中干渠和昌江干渠設計灌溉面積分別為16. 9萬、31. 15萬、16. 5萬畝（1畝約等于667 m2），設計灌溉用水保證率為90%。現狀水庫供水工程主要通過水泵由庫區直接抽水，城鎮供水規模為1. 12萬t/d。水庫河床式發電廠房（主機組）裝機容量為80 MW，并在低干渠渠首安置了裝機容量為2 MW的小機組，具有多個電站尾水河道的特性。水庫保證出力為3. 95 MW，多年平均發電量1. 48億kW·h。同時，水庫承擔了下游昌化江河道生態用水任務，最小下泄流量為12. 7 m3/s。當水庫主機組不發電泄水時，可通過低干渠渠首位置的生態引水閘向昌化江下游進行全額的生態補水。戈枕水庫各工程見圖1。

其中，城鎮供水、中干渠和昌江干渠供水由于不經過水電站過流，不能用于電站發電；低干渠供水可先采用小機組發電再泄入低干渠中；生態用水包括主機組下泄和低干渠補水2種方式，主機組下泄用水可先發電再泄入下游河道，而低干渠補水可先經小機組發電，再向下游河道補水。戈枕水庫設計發電調度見圖2。

2 兼顧保證出力的戈枕水庫發電優化調度模型

2. 1 模型構建

2. 1. 1 目標函數

針對戈枕水庫，以年為調度周期，以月為計算時段，構建兼顧保證出力的戈枕水庫中長期發電量最大優化調度模型。模型目標函數見式（1）。

式中：T為調度期內的調度時段數；m為水電站機組編號，m=1，2分別代表戈枕水庫主機組和小機組；N（m，t）為第m個機組第t時段的出力；Np為戈枕水庫的保證出力；Δt為調度時段長度；ω、γ為懲罰系數，ωgt; 0，γ為正整數，需通過模擬試算確定；km為第m個機組的出力系數；Zt為戈枕水庫t時刻的壩上水位；Qm，t為第m個機組對應下游河道（渠道）第t時段的過流量；h（?）為多因素影響下的第m機組第t時段發電水頭；Qm，t為第m個機組對應下游河道第t時段的發電流量；Φt為第t時段的三值邏輯變量，其取值邏輯如下：

式中：R（γ/2）為γ/2的余數。

2. 1. 2 約束條件

根據戈枕水庫設計功能及工程布置方案，針對戈枕水庫發電優化調度模型的約束條件主要包括防洪興利約束、灌溉與供水約束、生態水量約束、發電類約束以及水量平衡約束等。

a））防洪興利約束。水庫調度過程需滿足防洪和正常興利的庫水位約束。

----------

b））灌溉與供水約束。水庫調度過程需滿足灌

c））生態水量約束。水庫下游昌化江河道過流量需滿足河道生態流量要求。

Z，Q（O）?

（tm，t） [-m

m]（7）??------

??0≤Qm，t（G）≤（G）Qm?

e））水量平衡約束。包括上下游水庫間的水量平衡以及水庫來水、庫區引水、水庫泄水等之間的水量平衡。

式中：Zt（Vt）為戈枕水庫t時刻的壩上水位（庫容）；Zt（Vt）、Zt（Vt）分別為戈枕水庫t時段防洪興利允許的壩上水位（庫容）下限和上限；Q（Irr）a，t分別為第a灌渠第t時段的灌溉流量和灌區最小灌溉需求流量，a=1，2分別代表中干渠（包括昌江干渠）和低干渠；Q（MIrr）為第a灌渠過流能力；Q（Sup）、Q（DSup）分別為第t時段城鎮供水流量和城鎮最小供水需求流量；

Q（MSup）為用于城鎮供水泵站的最大抽水能力；Qt為t時段戈枕水庫下游昌化江生態流量；N、Q（G）分別mm為第m個機組的裝機容量和最大過流能力；hm、hm分別為第m個機組的振動區水頭下限和上限；qt、Qt、qt分別為第t時段戈枕水庫入庫流量、大廣壩水庫出庫流量、大廣壩—戈枕區間入庫流量；Vt、Vt+ 1分別為戈枕水庫第t時段初、末庫容；其他參數含義同上。

2. 2 模型求解策略

動態規劃算法（Dynamic Programming，DP）是目前用于求解單庫單目標優化問題最廣泛的算法［14-15］，本文針對戈枕水庫發電優化調度模型仍采用動態規劃算法進行求解。同時，考慮到戈枕水庫調度運用的復雜性，本文針對性地提出兼顧保證出力的戈枕水庫發電優化調度模型的雙層求解策略。2. 2. 1 面向水庫整體的外層求解將多機組視為一個集合，采用常規單庫求解方法進行面向水庫的外層調度模擬，以初步確定集合機組的過水流量，步驟如下。

步驟一庫水位離散。基于DP算法的單庫優化求解思路，針對調度期內不同調度時刻分別進行庫水位離散，生成庫水位離散集合{Zt，i}，其中Zt，i表示t時刻第i個離散狀態的水位。

步驟二綜合出庫流量計算。針對時段t，依據水量平衡原理，根據t時段初、末時刻離散水位Zt，i（相應庫容Vt，）i和Zt+ 1，（j相應庫容Vt+ 1，）j確定綜合出庫流量Qt，i，j=（Vt，i-Vt+ 1，j）/Δt+qt。

步驟三方案可行性判別。判斷Qt，i，j與中干渠最低灌溉需求流量、低干渠最低灌溉需求流量、最小城鎮供水需求流量和下游河道需水流量之和的大小關系：若Qt，i，jlt;∑Qa，t+Qt+Qt（E），返回步驟二繼續其他水位組合方案的計算，否則，進入步驟四。

步驟四集合機組過水流量初定。根據中干渠最低灌溉需求流量和最小城鎮供水需求流量初步確定集合機組過水流量Qt=Qt，i，j-Qt（DIrr）Q1，t。

2. 2. 2 面向雙機組協同的內層求解

在面向整個水庫的外層求解的基礎上，進行主機組和小機組間的內層最優流量分配。不同機組間的流量具體協同分配步驟如下。

步驟一小機組過流量離散。通過對低干渠渠首小機組過流量進行離散，生成小機組過流量離散集合{Qt，i}，其中Q2，t≤Qt，i≤ min（Q2，Qt-----（G）-（S））。

步驟二小機組出力計算。針對第i個小機組過流量離散狀態Qt，i，根據低干渠水位流量關系和外層求解中離散的庫水位，確定小機組發電水頭h Z+Z/2，Q（GS），根據式（7）判斷機組是否處于振動區，若是，返回步驟一；否則，根據式（2）初步計算小機組出力N（2，t，i），根據min{N（2，t，i），N2}確定小機組最終出力。

步驟三主機組過流量計算。針對第i個小機組過流量離散狀態Qt，i（GS），確定主機組過流量Qt，i（GM）=min（Qt-Qt，i，Q1）和主河道過水流量Q1，t，i=Q（S）-Q（GS）；判斷主河道過水流量與河道生態流量t，i之t間的大小關系，若Qt（E）gt;Q1，t（O），i，則由低干渠通過生態引水閘向主河道補水Qt（E）-Q1，t（O），i。

步驟四主機組出力計算。根據主河道過水流（O）量Q1，t，i、主河道水位流量關系和外層求解中離散的庫

水位，確定主機組發電水頭h

Z+Z/2，Q（O），

（（t，it+ 1，j）1，t，i）根據式（7）判斷機組是否處于振動區，若是，返回步驟一；否則，根據式（2）初步計算主機組出力N（1，t，i），根據min{N（1，t，i），N1}確定主機組最終出力。

步驟五最優分配流量確定。遍歷主機組和小機組流量分配組合方案，根據步驟一至四計算不同流量分配方案下戈枕水庫t時段整體出力，最大出力對應的流量分配方案即為最優分配方案。

步驟六水庫優化調度方案確定。將主機組和小機組間內層最優流量分配方案及出力計算結果反饋給外層尋優，確定某一特定來水條件下的水庫優化調度方案。

戈枕水庫發電優化調度模型雙層求解流程見圖3。

3 戈枕水庫發電優化調度方案擬定

由于戈枕水庫和其上游大廣壩水庫隸屬不同的利益群體，目前兩庫尚未實現聯合調度，因此本文針對大廣壩水庫進行常規模擬調度，并以大廣壩水庫的出庫流量和大廣壩—戈枕區間流量之和作為戈枕水庫的入庫流量。

采用戈枕水庫2015—2022年實測逐月灌溉引水數據作為戈枕水庫發電優化調度模型的最小灌溉需水條件，實測城鎮供水資料作為城鎮供水最小需求條件，采用經大廣壩水庫模擬調蓄后的2011—2022年徑流資料和大廣壩—戈枕區間流量相應時段區間徑流資料作為模型的徑流輸入。以昌化江流域汛末12月至次年11月作為調度期，調度期初、末庫水位均采用戈枕水庫12月份多年平均庫水位52. 20 m（56榆林高程）控制，針對不同年份來水（12種來水過程）和灌溉流量（8種灌溉過程）組成的12×8=96組工況，分別進行兼顧保證出力的戈枕水庫發電優化調度模型求解，不同工況下的庫水位變化過程見圖4。根據不同工況下的戈枕水庫水位優化調度結果，通過繪制包絡線，確定戈枕水庫發電優化調度區間，見圖5。

由圖4、5可知，不同工況下的戈枕水庫水位優化調度線多處于高水位狀態，這主要是由于當庫水位較高時，增大了同一發電流量條件下的發電水頭，根據出力計算公式可知，水庫發電量則會相應提高。因此，戈枕水庫盡量維持高水位運行，可在增加水電站發電效益的同時，提高水能資源利用率。

為對比分析優化調度區間與常規調度圖對戈枕水庫發電效益的影響，根據上述由不同年份來水和灌溉過程組成的96組工況，采用常規調度圖進行模擬調度，結果見圖6和表1。

由圖6和表1可以看出，優化后的多年平均發電量分別較常規調度和實際運行多年平均發電量提高了約2. 92%和18. 92%，發電量得到明顯提高，表明現狀戈枕水庫發電調度模式仍有優化提升空間，戈枕水庫在調度運行過程中宜在滿足灌溉、供水和下游生態用水條件下，盡可能維持在優化調度區間運行，以提高水庫長期運行發電效益。

值得指出，由于戈枕水庫在初設階段未繪制調度圖，僅對戈枕水庫發電調度進行了定性指導；同時，受來水不確定性影響，戈枕水庫實際調度過程中，存在棄水現象；而優化調度和常規模擬是基于確定性來水過程的中長期尺度模擬，導致優化和模擬結果遠大于實際運行多年平均發電量。

4 結論

面向戈枕水庫發電效益提升需求，針對戈枕水庫水電機組多尾水河道的特點，構建了兼顧保證出力的戈枕水庫發電優化調度模型，并提出了針對戈枕水庫發電優化調度模型的雙層求解策略，通過長系列優化模擬計算，提出了戈枕水庫發電優化調度方案。主要結論如下。①構建的兼顧保證出力的戈枕水庫發電優化調度模型全面考慮了戈枕水庫設計功能要求，符合戈枕水庫調度運行實際；提出的針對戈枕水庫發電優化調度模型的雙層求解策略，可有效解決單一水庫不同機組對應不同下游河道的水庫水電站發電優化調度問題。②通過對戈枕水庫發電優化調度模型的長系列優化模擬計算，得出了戈枕水庫盡量維持較高水位運行可大幅增加水庫發電效益的結論；在此基礎上通過繪制戈枕水庫發電優化調度區間圖，提出了戈枕水庫發電優化調度方案，對戈枕水庫今后的高效運行具有實際指導價值。

參考文獻：

［1］景含，陳翔，孟洪文，等. 考慮破壞深度和發電保證率的水風光互補調度規則研究［J］. 人民珠江，2023，44（11）：31-40.

［2］李飛，李咸善，李振興，等. 基于梯級水電調節的多能聯合發電系統短期優化調度［J］. 電力系統保護與控制，2022，50（15）：11-20.

［3］李佳，陳在妮，聞昕，等. 大型梯級水電站汛期多尺度多模式調度模型研究［J］. 水電能源科學，2022，40（11）： 68-72.

［4］曹瑞，程春田，申建建，等. 考慮蓄水期棄水風險的水庫長期發電調度方法［J］. 水利學報， 2021，52（10）：1193-1203.

［5］支悅，艾學山，董祚，等. 水庫發電優化調度模型的快速求解算法及應用［J］. 水力發電學報， 2020，39（6）： 49-61.

［6］謝雨祚，郭生練，鐘斯睿，等. 金沙江下游梯級水庫發電出力區間優化研究［J］. 武漢大學學報（工學版），2024，57（3）：267-276.

［7］鐘斯睿，何彥鋒，郭生練，等. 雅礱江梯級水庫優化調度規則提取研究［J］. 水力發電學報，2023，42（10）：50-59.

［8］曲田，李佳，陳在妮，等. 大渡河流域枯期發電計劃滾動預測研究［J］. 水電能源科學，2023，41（9）：55-59.

［9］楊曉萍，黃瑜珈，黃強. 改進多目標布谷鳥算法的梯級水電站優化調度［J］. 水力發電學報，2017，36（3）：12-21.

［10］王宗志，王偉，劉克琳，等. 水電站水庫長期優化調度模型及調度圖［J］. 水利水運工程學報，2016（5）：23-31.

［11］袁林山，張家余，張力，等. 氣候變化對水電站發電出力的影響研究［J］. 中國農村水利水電，2020（9）：231-235.