泽城西安水电站与东山供水泵站联合运行方式研究

卢怡璇，赵喜萍，李剑平，谢 洪，原志丹

（1.太原理工大学，山西 太原 030024；2.山西省旅游投资控股集团有限公司，山西 太原 030000；3.山西东山水务集团有限公司，山西 太原 030000）

水是社会经济发展的基础和命脉，适度建设跨流域调水工程是解决水资源问题和保证区域社会经济可持续发展的必然选择[1]。泵站作为跨流域调水工程供水系统的核心机构，电力消耗占供水端系统总用电量的90%以上，大部分供水系统泵站的运行电费占到供水总成本的40%～70%。因此，考虑用水电站发电补给泵站，节约泵站运行成本。通过建立泽城西安水电站与东山供水泵站联合优化调度模型，验证联合运行可行性，并提出供配电改造方案。

1 工程概况

山西省东山供水工程是山西省“十二五”期间重点建设的互联互通工程之一，是长距离、跨流域引调水工程，实现了汾河流域中游与漳河流域上游连通，是山西省大水网规划体系中第五横晋中—长治线的规划工程，是大水网的重要组成部分。供水体系分为调出区及调入区两部分，工程从调出区3 县的4 座水源地调水，并与调入区5 县（市）的7 座已建水库、水源结合，为调出区补充工农业用水。

山西省泽城西安水电站（二期）工程位于山西省晋中市左权县境内的清漳河干流上。电站枢纽工程是以发电为主，兼顾防洪、养殖等综合利用，并为下游梯级水电站调节发电用水的水电枢纽工程。山西省东山供水工程的二期水源地岩南沟一级提水泵站，处于泽城西安水电站大坝下游的一个区域内，有利于统一调度、统一管理和统一运行。

2 调度模型建立及求解

泽城西安水电站与东山供水泵站联合优化调度模型建立及求解思路，泽城西安水库水流经发电引水洞接压力钢管，分岔后进入水电站厂房，厂房为引水式地面厂房。水电站设计发电水头45.25 m，设计引水流量为14 m3/s，安装4 台卧式混流式水轮发电机组，单机容量为1 250 kW，电站总装机功率5 000 kW，设计年平均发电量1 258 万kW·h。泽城水库正常蓄水位852 m，死水位840 m，汛限水位848 m。

东山供水泵站岩南沟一级泵站从发电引水洞压力钢管设岔管引水，管线经由电站排洪渠与上坝道路之间压力钢管到泵站，泵站主、副厂房位于二期水源大坝下游右侧，为坝后式泵站。岩南沟一级泵站设有七台水泵，其中五台工作，二台备用，泵型为卧式单级双吸离心泵，配套电动机功率均为800 kW。当调水流量为1.25 m3/s 时，三台水泵工作；当调水流量为2.06 m3/s时，五台水泵工作。

2.1 多目标优化调度模型建立

本模型建立优先考虑发电、防洪、生态、供水，其次是泵站耗电等因素。在考虑入库径流、水库蓄水位、下泄流量等约束前提下，合理制定水库调度计划，将泽城西安水电站所发电能，供给岩南沟一级泵站，以减少供水端耗电量，并将多余电能向外输送，使有限水能发挥最大经济效益。因此，泽城西安水电站与东山供水泵站联合运行多目标优化调度模型，是以泽城西安水电站发电量最大、供水量最大和同一调度期内向外部供电量最大的方向制定目标函数。

2.1.1 目标函数

（1）泽城西安水电站发电量最大值

（2）供水量最大值

（3）同一调度期内向外部供电量最大值

式中：E——调度期泽城西安水电站发电量，kW·h；

I——总调度时段数；

i——调度时段编号；

N电——第i时段水电站出力，kW；

Δt——第i时段调度时段长，h；

W——调度期泽城西安水电站供水量，m3；

λ——输水过程中的损失数；

qi——第i时段岩南沟泵站提水流量，m3/s；

E耗能——调度期岩南沟泵站耗能，kW·h；

P泵——第i时段泵站功率，kW。

2.1.2 约束条件

（1）水量平衡约束

式中：Vi——泽城水库第i时段末库容，m3；

Ii——泽城水库第i时段入库流量，m3/s；

qd——水电站引水流量，m3/s；

qi——泽城水库第i时段消耗量，m3/s；

qs——泽城水库下泄流量，m3/s。

（2）库容约束

式中：Vmin和Vmax——分别为泽城水库最小库容和最大库容，m3。

（3）流量约束

式中：qmin和qmax——分别为泽城水库满足生态基流的最小下泄流量和所允许的最大下泄量，m3/s。

（4）电站/泵站出力约束

式中：Nmin和Nmax——分别为电站出力的下限和上限，kW；

Pmin和Pmax——分别为泵站功率的下限和上限，kW。

（5）隧洞过流能力约束

式中：Qi——输水隧洞第i时段的流量，m3/s；

Qmax——输水隧洞的流量上限，m3/s。

2.2 模型求解

因主要考虑设计工况下的优化调度，故针对此多目标优化调度模型，将泽城西安水电站最大发电量以及供水量最大转化为约束条件，从而将多目标优化问题转化为求解同一调度期内向外部供电量最大的单目标优化问题。

为解决这一问题，国内外学者采用了许多算法，如马龙伟采用动态规划法（DP）对模型进行求解[2]；史亚军等基于离散微分动态规划方法（DDDP）改进，提出灰色离散微分动态规划法（GDDDP）[3]来求解；刘新等则采用了逐步优化法（POA）[4]；也有陈立刚等采用遗传算法（GA）[5]进行计算求解；罗德河等采用模拟退火算法（SAA）[6]求解并进行了水库优化调度图的绘制；还有李璐等基于改进粒子群算法（POS）[7]等。上述研究中所采用的算法都能有效对优化运行开展研究。但是，DP 法求解时，计算速度会随着计算精度的提高而下降，出现“维数灾”问题；遗传算法求解时，容易出现早熟、局部收敛的现象[8]。人工鱼群算法（简称AFSA）是一种随机搜索智能启发式算法，它基于模拟鱼群行为，通过利用鱼的觅食、聚群和追尾行为作为算子，以模拟构造每个人工鱼的底层行为做起，通过鱼群中个体的局部寻优达到全局最优值在群体中突显出来的目的，该算法具有良好的克服局部极值取得全局极值的能力，并且具有快速收敛的特点[9]。因此本文通过人工鱼群算法对模型进行求解。

求解过程中各参数：人工鱼群规模为100，移动步长0.3，视野范围2.5，try_number=50，拥挤度为1，最大迭代次数为50。将算法随机运行40 次。来水量数据根据已知的1956—2008 年月来水量，选取1985 年为代表年进行计算，得出结果见表1。

表1 人工鱼群算法计算结果

由计算结果可得出，通过联合运行，泽城西安水电站在保证岩南沟泵站运行耗电的同时还可向外输送1 353 312.48 kW·h 的电能。通过优化调度，总发电量为1 354.531 2 万kW·h 超过设计年均总发电量1 258 万kW·h，但1—4、6—7 月仍需引用外部电能以满足供水需求。年供水量能够达到2 260.396 8 万m3，能够满足供水需求。

3 供配电实现途径

由于两个工程的建设期均未考虑联合运行的情况，按照目前的工程布置，无法满足联合调度和运行的必要条件。因此，仍需对两个工程进行必要的改造。

3.1 供电电源的改造

泽城西安二期水电站电源接入点为铜峪35 kV变电站，岩南沟一级泵站电源接入点为上武110 kV变电站。两站必须整合一个接入点，通过调研与分析，上武110 kV 变电站具有更高的系统容量，更可靠和稳定的供电能力。因此，建议统一上武110 kV 变电站为工程电源。

3.2 电气主接线的结构改造

改造两站的电气主接线以及相关的继电保护系统，是实现两站联合运行的重要条件。其方案主要有两种：

3.2.1 方案一：在电站35 kV 母线侧实现联合运行（见图1）

图1 在电站35 kV 母线侧实现联合运行示意图

方案一特点：一是两站联合调度紧密，接线清晰，运行方式灵活，需改造电站35 kV 侧电压等级，改造出线结构；二是继电保护系统可以构建完整统一的模式，有利系统的安全性；三是系统稳定性较弱，容易受到泵组启动对电站的影响，需要增加完善的保护措施。

3.2.2 方案二：在电站35 kV 出线后侧实现联合运行（见图2）

图2 在电站35 kV 出线后侧实现联合运行示意图

方案二特点：一是两站最大程度地保持原有的接线结构，运行方式相对独立，需与供电部门对接，扩大企业的供电管理范围，需新增出线柜以及相关配套设备，改造费用较高；二是泵站由于与电站电源过近，当变更供电方式情况下，站内电压容易产生不稳定的情况。为了稳定泵站内的运行工况，建议主变压器改造为有载调压变压器；三是本方案对于电网冲击较小。

综合评价，以电站和泵站联合运行稳定性、安全性为主的原则，推荐采用第二种方案。

4 结论

东山供水工程、中部引黄工程、小浪底引黄工程等长距离供水工程，通过调配丰枯不均的水资源，为地区工、农业用水及经济发展提供了强有力的水支撑，具有重要的战略意义[10]。但随着用水规模不断扩大，供水系统的复杂性也随之提高，泵站、水库及水电站之间的运行可靠性、经济性也日益被人们所重视。通过建模计算，对泽城西安水电站与东山供水泵站联合运行进行优化调度，实现了水电站发电供给泵站整合，节省泵站运行成本，提高工程经济效益的目的。但模型建模时仅考虑了泽城西安水电站与岩南沟一级泵站联合运行，东山供水工程作为跨流域、长距离供水工程，还可以进一步研究工程全线的优化调度运行。