崔家营航电枢纽优化调度研究

徐俊锋，赵津京，刘俊涛，普晓刚

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300461）

崔家营航电枢纽优化调度研究

徐俊锋1，赵津京2，刘俊涛1，普晓刚1

（1.交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456；2.中交天津港航勘察设计研究院有限公司，天津300461）

水库优化调度是复杂的多目标问题，以往的优化调度研究工作中多以发电量最大、发电保证率最大或者最小出力最大为单一目标，局限于发电优化，无法兼顾供水、防洪以及航运调度。研究通过对崔家营航电枢纽复杂运行模式的研究，以航运和发电为目标，建立了崔家营枢纽多目标调度模型，以2012年水文年作为典型年，运用动态规划算法对模型进行求解，产生了模型最优解，首次提出了优化调度准则，对枢纽的实际运行具有较大意义。

航电枢纽；通航率；通航保证率；多目标调度方案

崔家营枢纽位于汉江中游丹江口至钟祥河段，湖北省襄樊市下游17 km处，是湖北省内汉江干流9级梯级开发中的第5级，上距丹江口水利枢纽142 km，下距河口515 km，是一个以航运为主，兼发电、灌溉、供水、旅游等功能的综合枢纽。崔家营航电枢纽以尽量减少库区淹没、浸没损失、增加发电效益为原则，结合河段规划和工程任务要求，在满足航运要求前提下，当前推荐正常蓄水位为62.73 m。

崔家营枢纽已于2010年8月全部建成投产，开始发挥航运、发电等功能。如何充分利用水资源，在保证航运的前提下，少弃水，多发电，既是枢纽正常运行后的重要目标，也决定着枢纽的调度运行方式。水库优化调度是复杂的多目标问题，以往的优化调度研究工作中多以发电量最大、发电保证率最大或者最小出力最大为单一目标，局限于发电优化，无法兼顾供水、防洪以及航运调度。

本文以航运和发电为目标，建立了崔家营枢纽多目标调度模型，以2012年水文年作为典型年，运用动态规划算法对模型进行求解，产生了模型的最优解，从而确定了崔家营航电枢纽优化调度的原则。

1 常规调度方式

崔家营航电枢纽以航运为主，兼有发电、灌溉、供水、旅游等，是一座航电结合、以电促航的综合性枢纽，初步拟定主要调度原则如下。

（1）当来流量小于机组停机流量10 000 m3/s时，先由电站过水，富余水量由泄水闸下泄。

（2）当来流量大于机组发电停机流量10 000 m3/s时，电站机组停机，泄水闸全部敞开泄洪。

（3）当来流量大于最大通航流量时，枢纽封航，以保证航运安全。

（4）当入库洪水处于消退阶段，入库流量小于或等于停机流量时，泄水闸闸门逐渐关闭。

2 调度模型和动态规划算法介绍

水库调度模型从理论上可以概括抽象为一个以年为周期的多阶段马尔可夫决策过程［1-2］，根据每个时段初水库所处的状态作出相应的决策，并考虑到天然径流的随机性（即各种可能的来水），在一个调度周期内需要考虑的状态和决策的组合数是非常庞大的。动态规划方法可以从庞大的组合数中找出一个最优的决策组合，即一个最优策略（调度方案），这正是通过动态规划算法建立水库优化调度模型的基本构想。

动态规划算法通过分析系统的多阶段决策过程以求得整个系统的最优决策方案，而不受目标函数和约束条件的线性、凸性或连续性的要求［3-5］。选用动态规划方法编程求解时可以从最末时段开始，按动态规划逆时序递推公式进行逐时段逆向向前递推，直到初始时段，所得最优调度轨迹在递推中逐渐清晰，在第一时段得以最终确定。最后顺向按最优决策进行计算，即可确定各时段的泄流及水位变化情况。模型求解程序框图如图1所示。

图1 水库优化调度主模块程序框图Fig.1 The main program diagram for the reservoir optimal operation

3 崔家营航电枢纽优化调度方式研究

3.1 以通航率最高为目标

为了保证航运基流，本次优化调度的目标函数为枢纽下游通航率最高，主要考虑了两个约束：船闸下游最高通航水位取11 340 m3/s下泄流量（10 a一遇洪水频率标准）相应的下游最高水位61.21 m，下游最低通航水位按下泄流量470 m3/s（97%保证率）的下游水位54.91 m。

3.1.1 目标函数

目标函数为枢纽下游通航率最高。

3.1.2 输入输出

输入条件为枢纽的天然入库径流，研究中把水库天然来水当作独立随机序列来描述。模型的输出为枢纽各时段出力和发电量。

图2 以通航率最高为目标优化调度结果Fig.2 Generation scheduling results in the typical year

3.1.3 状态变量和决策变量

本研究将枢纽入流作为独立序列，状态变量取枢纽各时段初的库水位。计算时将枢纽从死水位62.23 m至正常蓄水位62.73 m间每隔0.01 m离散一次，则相应有50个库水位状态变量。各时段均一样，状态变量取此50个离散值。而各时段末库水位取计算值，故不受限于该50个状态，故模型状态空间为水库有效库容所对应库水位的可变动范围。取水轮机出力为决策变量，每个时段要选择的决策只取决于该时段初水库所处的状态。决策空间，即决策变量的取值范围是［0，90MW］。

表1 崔家营航电枢纽优化调度方案成果汇总Tab.1 The summary of optimization scheduling solution results

3.1.4 约束集合

约束集合主要包括：（1）水量平衡方程；（2）枢纽水位限制；（3）电站引流量限制；（4）水轮机水头限制；（5）水轮机出力等。其中水库水位限制严格按照崔家营水库汛期（包括前汛期和后汛期）和非汛期要求执行［6-9］。

分析建坝3 a来逐日径流资料可知，2012年个别天日均流量出现小于航运基流470 m3/s的情况。为比较各方案计算结果，以2012年坝下水文资料作为输入条件输入，以下游通航保证率最大为目标时，在典型年2012年年内通航保证率由原来的97.27%提高到了99.18%（参见表1）调度结果见图2。

进一步分析认为，这种破坏通航历时最短优化调度方式执行的技术路线主要取决于枯水期径流过程，可以归纳为以下4种情况：

（1）一次蓄水（未满蓄）充分补偿调度方式。

调度方式如图3所示，图中Q天、Q航保、Q生分别代表天然径流、航运保证流量、生态生活等用水流量。在图中AB段为水库蓄水段，BC段为水库对下游补偿段，通过优化计算，获得B点，且有

VAB=VBC（＜V航）

优化后，其通航破坏时段由AC段缩短为AB段。

（2）一次蓄水（满蓄）部分补偿调度方式。

调度方式如图4所示，该方式是蓄水至B′时刻，水库已蓄满，在B′C′时段水库向下游补水且所回蓄水量全部耗尽，C′C时段仍然为通航破坏时段。优化后其通航破坏时段由AC缩短为AB′+C′C。

（3）局部回蓄补偿调度方式。

调度方式如图5所示，由于枯水径流有微小波动过程，在BB′时段天然径流大于Q航保，所以产生这种特殊调度方式，即在AB段以Q天-Q生对水库充蓄；BB′段以Q航保下泄，以Q航保-Q天继续充蓄水库；B′C段水库开始向下游以Q航保-Q天补偿。经过优化后原来通航破坏历时为AB+B′C缩短为AB历时。

（4）跟踪补偿调度方式。

调度方式如图6所示，AA1时段水库充蓄，且获得有效调节库容为VAA1，在A1B1段水库放水向下游补偿，令VA1B1=VAA1

，求得B1点；同理B1C1充蓄，C1D1时段补偿；如此跟踪直至枯水期结束。显然，经过优化调度后，将原断航时间由AF1缩短至AA1+B1C1+D1E1。图中，优化调度方式对于枯水期历时长，而中、短期枯水径流预报预见期及精度又有一定限制的情况尤为适合。

为进一步展示通航破坏历时最短调度方式的实施路线，采用崔家营枢纽2012年9月25日～10月23日枯水季系列作为天然入库过程。分析优化结果［9］可见，自9月25日～10月23日，共历时11 d破坏通航枯水日，日均来流量均小于崔家营下游通航要求（P= 97%）的最小通航流量470 m3/s。在采用破坏历时最短优化调度方式过程中，结合来水情况，边蓄边补，充蓄和补偿相结合，充分利用调节库容，共进行2次蓄水，2次补水循环，如表2所示。

图3 一次蓄水充分补偿调度方式示意图Fig.3 Water storage full compensation scheduling scheme

图4 一次蓄水部分补偿调度方式示意图Fig.4 Water storage part compensation scheduling scheme

图5 局部回蓄补偿调度方式示意图Fig.5 Local back compensation storage scheduling scheme

图6 跟踪补偿调度方式示意图Fig.6 Tracking compensation scheduling schemes

3.2 以满足通航保证率前提下发电最大化为目标

枢纽建成之后，为了经济效益的最大化，水库拦截来水用以发电，因而会改变天然来水的状况，下游的流量变化幅值变小，流速变小，难以充分发挥航运效益。本方案选择下游通航基流保障率和发电量最大为两个主要功能指标，指导崔家营杭电枢纽运行达到航运和发电两个目标的综合效益最大。把多目标问题转化为一个或一系列单目标的问题［4］，而把后者求出的解当作多目标优化问题的一个解是求解多目标问题的一种有效方法。本研究采用“化多为少法”，将发电量最大作为目标函数，保障通航保证率作为主要约束条件，采用动态规划法求解［10］。

典型年2012年的多目标优化调度结果见图7。结果表明，该年通航基流保证率由原来的97.27%提高到了99.18%；累计发电量约为5.6494亿kW·h，与常规调度运行时的5.558 7亿kW·h相比增加约1.632%（参见表1）。

表2 典型年2012年枯水期崔家营枢纽充蓄、补偿表Tab.2 Impoundment and compensation during dry season in 2012

图7 多目标调度结果Fig.7 Multi⁃bjective scheduling results in the typical year

进一步分析认为该水库运行调度方案遵循了以下基本原则：通过调度，从第296天开始，水库出流量由449 m3/s变为470 m3/s，满足航运基流。其中，加大下泄的流量来自于水库库容的调节，即此时水库库容由2.45亿m3减少到了2.43亿m3。同理第297天，水库出流量由467 m3/s变为470 m3/s，可以满足航运基流。其中，加大下泄的流量亦来自于水库库容的调节。以此方式一直保证出库流量为470 m3/s直到第306天，此时库区水位为62.56 m并没有达到水位约束下限值。第307天，水库来流量突然增大，此时可以减少出流蓄水至正常蓄水位。同时可见，在2012年，天然状态下从第296天～第306天，航道均无法满足470 m3/s的航运基流。为保障下游航运基流需运用水库可调节库容加大下泄流量，在此调度过程中需损失一定的发电效益。

4 结论

通过对比两个优化调度方案，考虑到崔家营枢纽防洪、航运和发电调度并重，建议该枢纽优化调度基本原则为：通常情况下，库区水位应控制在62.73 m正常蓄水位运行；当预报来流小于470 m3/s时，采用电站出流等于航运基流的调度方式，这种航运补偿仅能维持到库区水位降至死水位62.23 m；当预报来流开始大于470 m3/s时，保持470 m3/s下泄，多余水量由水库进行蓄水直至正常蓄水位62.73 m；当预报来流小于电站满发下泄流量2 199 m3/s时，动用调节库容尽量以满发流量全部通过电站水轮机过水下泄；当预报来流大于2 199 m3/s、小于机组发电停机流量10 000 m3/s时，电站通过机组满发下泄流量，富余水量由水库进行蓄水；当预报来流量大于10 000 m3/s时，电站机组停机，泄水闸全部敞开泄洪；当预报洪水来量大于最大通航流量11 340 m3/s时，枢纽封航，以保证航运安全；当入库洪水处于消退阶段，入库流量小于或等于10 000 m3/s时，泄水闸闸门逐渐关闭，其关闭的原则以维持库水位62.73 m为限，电站恢复发电。

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Study on optimized operation of Cuijiaying navigation⁃power junction

XU Jun⁃feng1,ZHAO Jin⁃jing2,LIU Jun⁃tao1,PU Xiao⁃gang1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co., Ltd.,Tianjin 300461,China）

Reservoir scheduling is a complicated multi⁃objective optimization problem.Taking the maximum of power generation and reliability requirement or the minimum output of power plant as a single objective,the previ⁃ous studies were confined to power optimization,which can not satisfy the requirements of water supply,flood con⁃trol and shipping scheduling.According to the complex operation mode of Cuijiaying navigation⁃power junction，two models were established in 2012 typical dry season.The models were solved by using dynamic programming algo⁃rithm,and the optimal solutions of the models were produced.A complete scheduling criterion was proposed for the first time.It has a significant meaning for actual operation of Cuijiaying navigation⁃power junction.

navigation⁃power junction;shipping rate;guarantee rate of navigation stage;multi⁃objective sched⁃uling scheme

U 641

A

1005-8443（2016）06-0604-05

2016-01-11；

2016-01-27

CSSN-服务-38-09，中央级公益性科研院所基本科研业务费（TKS150102）；国家科技支撑计划（2015BAG20B05）

徐俊锋（1983-），男，山西省忻州人，副研究员，主要从事港航工程、水利工程研究。

Biography：XU Jun⁃feng（1983-），male，associate professor.