面向多尾水河道的水库发电优化调度研究

2025-02-13张永辉王健马俊李达上吴承君

人民珠江 2025年1期

摘要：面向戈枕水库发电效益提升需求，针对戈枕水库水电机组多尾水河道的特殊的工程布置形式，统筹考虑戈枕水库复杂工程设计及功能约束，建立兼顾保证出力的戈枕水库发电优化调度模型，提出面向水库整体外层求解和面向双机组协同内层求解的双层求解策略，针对不同来水和不同灌溉需求条件下的96种组合工况，对戈枕水库进行了长系列发电优化调度模拟。结果表明，优化后的多年平均发电量较常规调度多年平均发电量提高了约18. 92%，戈枕水库尽量维持高水位运行，可显著提高水库的发电效益。

关键词：发电调度；优化调度；动态规划；调度规则；戈枕水库

中图分类号：TV7 文献标识码：A 文章编号：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

水力发电是一种清洁能源，开展水库发电优化调度可在增加水电站发电效益的同时，对实现国家“双碳”战略目标也具有重要的支撑保障价值［1-2］。目前国内外学者针对水库发电优化调度已开展了大量的研究，并取得了丰硕的研究成果［3-5］。如谢雨祚等［6］针对金沙江下游梯级水库构建发电联合调度模型；钟斯睿等［7］针对雅砻江流域“三库七级”梯级水库电站开展了联合优化调度研究；曲田等［8］针对大渡河流域梯级电站开展了发电计划预测方法的研究。上述研究实例均呈现同一水库下游具有唯一河道的特点，针对某座水库其不同水电机组对应下游不同河道的研究较少。具有多个电站尾水河道的水库，受不同河道尾水位流量关系曲线不同的影响，导致不同水电机组在相同坝上水位条件下的发电水头不同；同时由于不同水电机组出力特性和机组过水流量的差异，导致面向多尾水河道的水库发电优化调度较单一尾水河道水库调度更加复杂。

水电站保证出力反映了水电站在设计保证率条件下的发电能力［9-10］。在不考虑水电站保证出力约束的条件下，水库发电优化调度结果可能存在某个时段的出力值小于保证出力，降低了电力系统供电的可靠性［11-13］。基于此，本文针对戈枕水库水电机组多尾水河道的特殊的工程布置形式，构建戈枕水库兼顾保证出力的发电优化调度模型，以长系列入库径流过程作为模型输入，研究其发电优化调度规则。

1 戈枕水库概况

戈枕水库是海南省昌化江的最后一个梯级，于2014年竣工验收。戈枕水库承接上游大广坝水库泄流和区间来水，是以灌溉、供水为主兼顾发电、生态等综合效益的大（2）型水利工程。水库按100年一遇洪水设计，混凝土坝按1 000年一遇洪水校核，土坝按2 000年一遇洪水校核。戈枕水库配套灌溉设施包括低干渠、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、中干渠和昌江干渠设计灌溉面积分别为16. 9万、31. 15万、16. 5万亩（1亩约等于667 m2），设计灌溉用水保证率为90%。现状水库供水工程主要通过水泵由库区直接抽水，城镇供水规模为1. 12万t/d。水库河床式发电厂房（主机组）装机容量为80 MW，并在低干渠渠首安置了装机容量为2 MW的小机组，具有多个电站尾水河道的特性。水库保证出力为3. 95 MW，多年平均发电量1. 48亿kW·h。同时，水库承担了下游昌化江河道生态用水任务，最小下泄流量为12. 7 m3/s。当水库主机组不发电泄水时，可通过低干渠渠首位置的生态引水闸向昌化江下游进行全额的生态补水。戈枕水库各工程见图1。

其中，城镇供水、中干渠和昌江干渠供水由于不经过水电站过流，不能用于电站发电；低干渠供水可先采用小机组发电再泄入低干渠中；生态用水包括主机组下泄和低干渠补水2种方式，主机组下泄用水可先发电再泄入下游河道，而低干渠补水可先经小机组发电，再向下游河道补水。戈枕水库设计发电调度见图2。

2 兼顾保证出力的戈枕水库发电优化调度模型

2. 1 模型构建

2. 1. 1 目标函数

针对戈枕水库，以年为调度周期，以月为计算时段，构建兼顾保证出力的戈枕水库中长期发电量最大优化调度模型。模型目标函数见式（1）。

式中：T为调度期内的调度时段数；m为水电站机组编号，m=1，2分别代表戈枕水库主机组和小机组；N（m，t）为第m个机组第t时段的出力；Np为戈枕水库的保证出力；Δt为调度时段长度；ω、γ为惩罚系数，ωgt; 0，γ为正整数，需通过模拟试算确定；km为第m个机组的出力系数；Zt为戈枕水库t时刻的坝上水位；Qm，t为第m个机组对应下游河道（渠道）第t时段的过流量；h（⋅）为多因素影响下的第m机组第t时段发电水头；Qm，t为第m个机组对应下游河道第t时段的发电流量；Φt为第t时段的三值逻辑变量，其取值逻辑如下：

式中：R（γ/2）为γ/2的余数。

2. 1. 2 约束条件

根据戈枕水库设计功能及工程布置方案，针对戈枕水库发电优化调度模型的约束条件主要包括防洪兴利约束、灌溉与供水约束、生态水量约束、发电类约束以及水量平衡约束等。

a））防洪兴利约束。水库调度过程需满足防洪和正常兴利的库水位约束。

----------

b））灌溉与供水约束。水库调度过程需满足灌

c））生态水量约束。水库下游昌化江河道过流量需满足河道生态流量要求。

Z，Q（O）∉

（tm，t） [-m

m]（7）ïï------

ïï0≤Qm，t（G）≤（G）Qmî

e））水量平衡约束。包括上下游水库间的水量平衡以及水库来水、库区引水、水库泄水等之间的水量平衡。

式中：Zt（Vt）为戈枕水库t时刻的坝上水位（库容）；Zt（Vt）、Zt（Vt）分别为戈枕水库t时段防洪兴利允许的坝上水位（库容）下限和上限；Q（Irr）a，t分别为第a灌渠第t时段的灌溉流量和灌区最小灌溉需求流量，a=1，2分别代表中干渠（包括昌江干渠）和低干渠；Q（MIrr）为第a灌渠过流能力；Q（Sup）、Q（DSup）分别为第t时段城镇供水流量和城镇最小供水需求流量；

Q（MSup）为用于城镇供水泵站的最大抽水能力；Qt为t时段戈枕水库下游昌化江生态流量；N、Q（G）分别mm为第m个机组的装机容量和最大过流能力；hm、hm分别为第m个机组的振动区水头下限和上限；qt、Qt、qt分别为第t时段戈枕水库入库流量、大广坝水库出库流量、大广坝—戈枕区间入库流量；Vt、Vt+ 1分别为戈枕水库第t时段初、末库容；其他参数含义同上。

2. 2 模型求解策略

动态规划算法（Dynamic Programming，DP）是目前用于求解单库单目标优化问题最广泛的算法［14-15］，本文针对戈枕水库发电优化调度模型仍采用动态规划算法进行求解。同时，考虑到戈枕水库调度运用的复杂性，本文针对性地提出兼顾保证出力的戈枕水库发电优化调度模型的双层求解策略。2. 2. 1 面向水库整体的外层求解将多机组视为一个集合，采用常规单库求解方法进行面向水库的外层调度模拟，以初步确定集合机组的过水流量，步骤如下。

步骤一库水位离散。基于DP算法的单库优化求解思路，针对调度期内不同调度时刻分别进行库水位离散，生成库水位离散集合{Zt，i}，其中Zt，i表示t时刻第i个离散状态的水位。

步骤二综合出库流量计算。针对时段t，依据水量平衡原理，根据t时段初、末时刻离散水位Zt，i（相应库容Vt，）i和Zt+ 1，（j相应库容Vt+ 1，）j确定综合出库流量Qt，i，j=（Vt，i-Vt+ 1，j）/Δt+qt。

步骤三方案可行性判别。判断Qt，i，j与中干渠最低灌溉需求流量、低干渠最低灌溉需求流量、最小城镇供水需求流量和下游河道需水流量之和的大小关系：若Qt，i，jlt;∑Qa，t+Qt+Qt（E），返回步骤二继续其他水位组合方案的计算，否则，进入步骤四。

步骤四集合机组过水流量初定。根据中干渠最低灌溉需求流量和最小城镇供水需求流量初步确定集合机组过水流量Qt=Qt，i，j-Qt（DIrr）Q1，t。

2. 2. 2 面向双机组协同的内层求解

在面向整个水库的外层求解的基础上，进行主机组和小机组间的内层最优流量分配。不同机组间的流量具体协同分配步骤如下。

步骤一小机组过流量离散。通过对低干渠渠首小机组过流量进行离散，生成小机组过流量离散集合{Qt，i}，其中Q2，t≤Qt，i≤ min（Q2，Qt-----（G）-（S））。

步骤二小机组出力计算。针对第i个小机组过流量离散状态Qt，i，根据低干渠水位流量关系和外层求解中离散的库水位，确定小机组发电水头h Z+Z/2，Q（GS），根据式（7）判断机组是否处于振动区，若是，返回步骤一；否则，根据式（2）初步计算小机组出力N（2，t，i），根据min{N（2，t，i），N2}确定小机组最终出力。

步骤三主机组过流量计算。针对第i个小机组过流量离散状态Qt，i（GS），确定主机组过流量Qt，i（GM）=min（Qt-Qt，i，Q1）和主河道过水流量Q1，t，i=Q（S）-Q（GS）；判断主河道过水流量与河道生态流量t，i之t间的大小关系，若Qt（E）gt;Q1，t（O），i，则由低干渠通过生态引水闸向主河道补水Qt（E）-Q1，t（O），i。

步骤四主机组出力计算。根据主河道过水流（O）量Q1，t，i、主河道水位流量关系和外层求解中离散的库

水位，确定主机组发电水头h

Z+Z/2，Q（O），

（（t，it+ 1，j）1，t，i）根据式（7）判断机组是否处于振动区，若是，返回步骤一；否则，根据式（2）初步计算主机组出力N（1，t，i），根据min{N（1，t，i），N1}确定主机组最终出力。

步骤五最优分配流量确定。遍历主机组和小机组流量分配组合方案，根据步骤一至四计算不同流量分配方案下戈枕水库t时段整体出力，最大出力对应的流量分配方案即为最优分配方案。

步骤六水库优化调度方案确定。将主机组和小机组间内层最优流量分配方案及出力计算结果反馈给外层寻优，确定某一特定来水条件下的水库优化调度方案。

戈枕水库发电优化调度模型双层求解流程见图3。

3 戈枕水库发电优化调度方案拟定

由于戈枕水库和其上游大广坝水库隶属不同的利益群体，目前两库尚未实现联合调度，因此本文针对大广坝水库进行常规模拟调度，并以大广坝水库的出库流量和大广坝—戈枕区间流量之和作为戈枕水库的入库流量。

采用戈枕水库2015—2022年实测逐月灌溉引水数据作为戈枕水库发电优化调度模型的最小灌溉需水条件，实测城镇供水资料作为城镇供水最小需求条件，采用经大广坝水库模拟调蓄后的2011—2022年径流资料和大广坝—戈枕区间流量相应时段区间径流资料作为模型的径流输入。以昌化江流域汛末12月至次年11月作为调度期，调度期初、末库水位均采用戈枕水库12月份多年平均库水位52. 20 m（56榆林高程）控制，针对不同年份来水（12种来水过程）和灌溉流量（8种灌溉过程）组成的12×8=96组工况，分别进行兼顾保证出力的戈枕水库发电优化调度模型求解，不同工况下的库水位变化过程见图4。根据不同工况下的戈枕水库水位优化调度结果，通过绘制包络线，确定戈枕水库发电优化调度区间，见图5。

由图4、5可知，不同工况下的戈枕水库水位优化调度线多处于高水位状态，这主要是由于当库水位较高时，增大了同一发电流量条件下的发电水头，根据出力计算公式可知，水库发电量则会相应提高。因此，戈枕水库尽量维持高水位运行，可在增加水电站发电效益的同时，提高水能资源利用率。

为对比分析优化调度区间与常规调度图对戈枕水库发电效益的影响，根据上述由不同年份来水和灌溉过程组成的96组工况，采用常规调度图进行模拟调度，结果见图6和表1。

由图6和表1可以看出，优化后的多年平均发电量分别较常规调度和实际运行多年平均发电量提高了约2. 92%和18. 92%，发电量得到明显提高，表明现状戈枕水库发电调度模式仍有优化提升空间，戈枕水库在调度运行过程中宜在满足灌溉、供水和下游生态用水条件下，尽可能维持在优化调度区间运行，以提高水库长期运行发电效益。

值得指出，由于戈枕水库在初设阶段未绘制调度图，仅对戈枕水库发电调度进行了定性指导；同时，受来水不确定性影响，戈枕水库实际调度过程中，存在弃水现象；而优化调度和常规模拟是基于确定性来水过程的中长期尺度模拟，导致优化和模拟结果远大于实际运行多年平均发电量。

4 结论

面向戈枕水库发电效益提升需求，针对戈枕水库水电机组多尾水河道的特点，构建了兼顾保证出力的戈枕水库发电优化调度模型，并提出了针对戈枕水库发电优化调度模型的双层求解策略，通过长系列优化模拟计算，提出了戈枕水库发电优化调度方案。主要结论如下。①构建的兼顾保证出力的戈枕水库发电优化调度模型全面考虑了戈枕水库设计功能要求，符合戈枕水库调度运行实际；提出的针对戈枕水库发电优化调度模型的双层求解策略，可有效解决单一水库不同机组对应不同下游河道的水库水电站发电优化调度问题。②通过对戈枕水库发电优化调度模型的长系列优化模拟计算，得出了戈枕水库尽量维持较高水位运行可大幅增加水库发电效益的结论；在此基础上通过绘制戈枕水库发电优化调度区间图，提出了戈枕水库发电优化调度方案，对戈枕水库今后的高效运行具有实际指导价值。

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