湖南电网跨流域水库群联合调度补偿效益研究

刘建平，成涛，伍永刚，曹伟，邓小亮，陈佳

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410004；2.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉430074)

湖南电网跨流域水库群联合调度补偿效益研究

刘建平1，成涛1，伍永刚2，曹伟1，邓小亮1，陈佳2

(1.国网湖南省电力公司，湖南长沙410004；2.华中科技大学水电与数字化工程学院，湖北武汉430074)

针对湖南省湘资沅澧四大流域季调节及其以上电站建立了跨流域水库群长期联合优化模型，采用POA－DPSA－DDDP混合算法进行求解，在此基础上分析了四大流域联合调度发电量的补偿情况。结果表明:与各流域单独优化相比，通过流域间补偿，四大流域年均发电量增加了5.7万MWh，补偿效益可观。研究成果对合理安排四大流域水电站的运行方式、提高水电系统水能综合利用率有一定的指导意义，同时为电力企业在激烈的市场竞争中降低成本提供了实例。

跨流域；联合调度；补偿；逐步优化算法；动态规划逐次逼近；离散微分动态规划

水库优化调度与常规调度相比，可增加3%～7%的效益，实行水库群联合优化调度，可在几乎不增加额外投资的情况下，获得比单库优化调度更显著的经济效益〔1〕。与流域水库群优化相比，跨流域水库群联合优化在增发电量、增加枯水期平均出力以及承担电网调峰任务等方面有着更大的优势〔2〕，其优势来源于补偿。水库系统的补偿分为水文补偿和库容补偿，指利用水库水文特性、调节性能和地理位置等方面的差异，在供水、发电、泄洪等方面协调互补，以提高水库系统总体效益。

湖南省水能资源丰富，湘资沅澧四大流域内水库众多、水库调节性能各异。众水库水文不同步和调节性能的差异形成了互补关系，进行跨流域联合调度，可充分挖掘水库间协调互补的潜力，提高水电系统总体效益。目前，针对湖南电网水库群优化调度的研究大多集中于流域梯级水库联合优化〔3－6〕，成果颇多，但对跨流域联合优化的研究成果较少，鲜有可借鉴的资料。为最大程度地发挥四大流域水库对径流的调节作用，协调水库群整体利益与局部利益之间的关系，提高水电系统水能利用率，本文开展湘资沅澧水跨流域水库群联合调度研究，探索湖南四大流域联合调度的潜力，为进一步改善湖南电网水库群运行方式提供可借鉴的实例。

1 湖南电网四大流域简介

湖南省内的湘水、资水、沅水和澧水统称为“四水”。四水水系覆盖湖南省大部分地区，湘江干流全长856 km，流域面积94 660 km2，年水量达722亿m3。资水干流全长713 km，流域面积28 100 km2，年水量为239亿m3，属湖南第三条大河。沅江干流全长1 022 km，是四水中最长的河流，流域面积89 163 km2，四水中仅次于湘江，年平均径流量667亿m3，是湖南省第二条大河，也是长江七大支流之一。澧水干流全长388 km，流域面积18 496 km2。四水在湖南位置示意如图1所示，各流域相关参数见表1。

图1 湘资沅澧位置示意图

表1 四水情况

1)湘水流域

湘江是长江流域七大支流之一，源出广西临桂县海洋坪的龙门界，于东安县进入湖南省。纵贯于南岭山地向洞庭湖平原过渡的山丘盆地之间，沿途接纳各支流后，至湘阴县濠河口分两支汇入洞庭湖。湘江流域共建成大型水库3座，分别为涔天河、双牌、东江水库，均建于支流上。其中东江为多年调节水库，总库容91.5亿m3。1986年12月，由湖南省国土委员会编制完成的湘江干流规划明确了 “以航运、发电为主，结合灌溉、防洪等综合利用效益”的开发任务。

2)资水流域

资水发源于广西壮族自治区资源县越岭城，于益阳市甘溪港注入洞庭湖。资水流域柘溪水库为季调节水库，总库容35.7亿m3，修建于资水干流上，控制集水面积22 640 km2，占资水全流域总面积的80%。资水开发任务以发电为主，兼顾防洪、灌溉、航运等，柘溪以上河段以灌概为主，结合发电、航运等。

3)沅水流域

沅水是湖南第二条大河，有南北两源。南源龙头江，发源于贵州省都匀县云雾山；北源重安江，发源于贵州省麻江县平越大山。两源汇合后称清水江，至銮山入湖南省芷江县，东流至黔阳县，与渠水会合后始称沅水。沿途接纳巫水、舞水、辰水、溆水、武水、酉水等支流，于常德德山注入洞庭湖。沅水流域共建成大型水库3座，分别是凤滩、五强溪、三板溪水库。其中三板溪为多年调节水库，凤滩和五强溪均为季调节水库，总库容分别为40.9亿m3，17.3亿m3和42.9亿m3。沅水开发任务以发电为主，兼顾防洪、航运等综合利用要求。

4)澧水流域

澧水为 “四水” 中最小的河流，有南、中、北三源。北源为主源，出自桑植县杉木界，与中、南二源会合于南岔，沿途接纳娄水、渫水、道水和涔水等支流，至津市小渡口注入洞庭湖。澧水流域共建成大型水库2座，分别是皂市和江垭，其中江垭为年调节水库，总库容为17.4亿m3。澧水的主要开发任务为防洪，兼顾灌溉、发电和航运。

湘资沅澧电站拓扑结构如图2所示。

图2 四大流域电站拓扑关系

2 跨流域水库群联合优化

2.1 优化模型

1)目标函数

跨流域水库群联合优化以发电量最大为目标〔7〕， 可表示为

式中 E为水库群计划期内总发电量；M和T分别为电站总数和时段总数；Ki为水库i的综合出力系数；Qi，t和Hi，t分别为水库i在t时段的发电流量和平均水头；Δt为时段长度。

2)约束条件

水库系统须满足以下约束条件:

①库容约束

式中 V－i，t，Vi，t和V－i，t分别为水库i在t时段初的库容下限、库容和库容上限，m3。②出库流量约束

③出力约束

④水量平衡约束

式中 Yi，t为水库i在t时段的入库流量。

⑤边界约束

式中 Vi

1，ViT＋1为水库i指定的期初和期末库容。⑥水库群最小出力约束

式中 N－t为水库群t时段的最小出力限制。

2.2 求解方法

采用动态规划求解水库群优化问题时会碰到计算量和内存量随水库数量增大呈指数上升的 “维数灾”〔8〕，当时段数、离散状态数和水库数分别为T，k和M时，动态规划的时间复杂度为O(Tk2M)。POA〔9〕，DPSA〔10〕和DDDP〔11〕均是动态规划的改进算法，三种方法采用迭代策略，分别从减小T，M和k的角度实现状态空间降维，在一定程度上缓解了动态规划的 “维数灾”。

考虑到湖南四大流域内水电站众多，为尽可能地缓解动态规划 “维数灾”，本文采用POA－DPSA－DDDP〔12〕混合算法对联合优化模型进行求解。POA－DPSA－DDDP算法的原理如图3所示。算法首先采用POA将T阶段问题分解为一系列两阶段问题，然后采用DPSA将M水库问题分解为一系列单个水库问题，最后采用DDDP对单个水库两阶段问题进行求解。混合算法的时间复杂度为O(G)，其中，G为DDDP廊道内状态离散点数，通常取3，5或7。图4为POA－DPSA－DDDP混合算法的流程图。混合算法的详情参见文献 〔12〕。

图3 POA－DPSA－DDDP算法的原理

图4 POA－DPSA－DDDP混合算法流程

3 四大流域联合调度补偿效益分析

为了说明湖南湘资沅澧四大流域水库之间的补偿情况，以四大流域内8个季调节及以上电站为对象，采用1954年4月—2013年4月共59年径流资料，以月为时段，采用上述模型和算法分别进行湘、资、沅、澧单流域优化计算和联合优化计算，统计指标见表2所示，四大流域联合优化各年的补偿效益 (电量)如图5所示。另构造三流域联合运行外加一流域单独运行的方式，来评估各流域在四大流域联合优化中对补偿效益的贡献大小，统计指标见表3。

从表2可以看出，沅水流域多年平均发电量最大，其次是资水流域、湘江流域和澧水流域。四大流域联合运行，通过补偿，多年平均电量增加了57 014 MWh，增幅为0.34%，其中各年中电量增加最多为191 119 MWh，增幅为1.13%，补偿效益较为显著。

表2 湖南电网四大流域单独优化与联合优化结果对比 MWh

由表3可知，澧水流域对四大流域联合调度补偿效益的贡献最大，达到42.25%，其次为资水流域，达到23.41%，沅水流域和湘江流域的贡献相对而言要小一些，且均小于20%。以澧水流域为例，其参与联合优化后，四大流域年均发电量从1 694万MWh增加至1 697万MWh，增幅为0.22%，可知澧水流域的参与对四大流域总效益的提高发挥着重大的作用。澧水流域参与联合优化后，四大流域水库群平均每年能增发超过3.6万MWh的电量，效益增加显著。

表3 湖南电网四大流域对联合调度补偿效益的贡献

图5 湖南电网四大流域联合调度补偿效益

4 结论

湖南电网湘资沅澧跨流域水库群联合调度研究结果表明:与四流域水库群单独优化相比，通过补偿，跨流域水库群联合优化平均每年可增发电量57 014 MWh，增幅为0.34%。其中，澧水流域对联合优化补偿效益的贡献最大，湘江流域最小，资水和沅水流域居中。湘资沅澧各流域对跨流域联合优化补偿效益的贡献分别为 16.36%，23.41%，17.98%和42.25%。研究结果表明，与流域梯级水库群优化相比，进行跨流域水库群联合优化可进一步挖掘湖南电网水库系统的潜力，提升水电系统总体效益。研究成果对于促进湖南电网进一步优化四大流域水库群的运行方式、提高水电系统水能利用率、降低系统运营成本具有重要的指导意义。

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Study on Compensation Benefit of Joint Dispatching of Inter-basin Reservoir Group in Hunan Power Grid

LIU Jianping1，CHENG Tao1，WU Yonggang2，CAO Wei1，DENG Xiaoliang1，CHEN Jia2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China；2.School of Hydropower and Information Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

A long-term joint optimization dispatching model of inter-basin reservoirs was established，by adjusting the POADPSA-DDDP hybrid algorithm for the four seasonal regulating basins(Xiang，Zi，Yuan and Li rivers)and the hydropower stations located above in Hunan Province.The amount of power generation based on joint dispatching compensation benefit is analyzed.The results show that the average annual generating capacity of the four basins is increased by 57 million kWh compared with the individual optimization in each basin，and the compensation benefit is considerable.The research results provide some guiding significance for rational operation of the operation mode of the four river basins and improve the comprehensive utilization rate of hydropower stations，and provide an example for enterprises to reduce the cost in the fierce market competition.

inter-basin；joint dispatch；compensation；progressive optimality algorithm；dynamic programming successive approximation；discrete differential dynamic programming

TV697.1；TM612

:B

:1008-0198(2017)02-0020-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.005

2016-07-15 改回日期:2017-03-02

刘建平(1963)，本科，高级工程师，研究方向为水库优化调度。