雅砻江下游梯级水库综合调度规则优化方法

蹇德平 缪益平

摘要：以综合运行水位控制线、防弃水线、防破坏线、防洪限制水位和死水位作为水库调度指导线，并构成水库调度图，围绕该调度图制定水库综合调度规则，进而建立了调度图模拟-优化模型。选取雅砻江下游梯级水库作为研究对象，采用模拟-优化技术对调度图进行优化。采用优化后的调度图指导水库群模拟运行，模拟运行结果验证了该调度图具有良好的可操作性和实用价值。

关键词：调度图；雅砻江下游梯级水库群；综合运行水位控制线

中图分类号：TV697.1 文献标志码：A 文章编号：1672-1683（2016）04-0204-06

Abstract：The comprehensive control line for the operation water level，anti water discharge line，anti destroy line，the limited water level of flood control and dead water level were used as reservoir operation guide line，and constituted the reservoir operation chart.The simulation and optimization model of operation chart was established according to the comprehensive dispatching rules for the operation chart.Simulation and optimization technology was adopted to optimize the reservoir operation chart，and the optimize method was applied in the lower reach of Yalong River cascade reservoirs.The study showed that the optimization operation chart has good operability and practical value based on guiding the reservoir operation.

Key words：operation chart；the lower reach of Yalong River cascade reservoirs；comprehensive control line for the operation water level

水电作为一种清洁的可再生能源，开发技术和开发规模均为同类电力能源之最，对中国电力能源格局有着显著的影响。随着“十二五”规划对国内水电开发积极有序的推动，在今后的运行管理中，如何充分发挥其运行成本低、调节性能好、负荷响应快速的特点，挖掘水库水电站的发电效益，是一项理论与实践并重的研究课题。自20世纪50年代以来，水库水电站优化调度历经了半个多世纪的发展，在优化理论和模型上均取得了一系列的研究成果，然而研究成果在实际运行中往往很难得以利用[1-5]。针对该现象，文献[5-7]均进行过分析，认为最主要的原因有以下几个方面：来水和预报的不确定；优化模型是实际工况的简化描述；水库综合利用约束和电网约束；决策规则形式复杂，可解释性较差，且调度风险难以量化，可推广性不强。因此，如何应用合适的水库水电站优化模型，提取可操作性强、实用价值高的调度规则，是目前亟待解决的难点。

根据对未来水库入库径流描述方法的不同，水库水电站优化调度可以分为隐随机优化调度（implicit stochastic optimization，ISO）和显随机优化调度（explicit stochastic optimization，ESO）两类[8-13]。ISO是美国学者G K Young于1967年提出的[14]，其基本思想为从实际径流过程中截取一段有限时间序列，运用确定性优化方法得到最优调度过程，以此为样本进行分析，提取水库调度规则。ESO[7]运用概率分布来描述径流的不确定性，在此基础上采用确定性优化方法进行长系列优化，然而在计算中，随着水库数量的增加，除天然的随机性外，水库径流彼此之间还存在时间和空间上的关联，从而会给模型带来维数过高和计算量过大等问题，限制了模型的应用范围。本文提出以综合运行水位控制线、防弃水线、防破坏线为水库调度指导线，用调度图的形式加以呈现，并围绕该调度图制定水库调度规则，进而建立调度图模拟-优化模型。采用隐随机优化调度的思想，应用模拟-优化技术直接对调度图进行优化，并对优化后的调度图的可操作性和实用价值进行了实例分析。

1 水库水电站调度图

水库常规调度图[15]是根据实测的径流时历特性资料计算和绘制的一组调度曲线及水库特征水位划分的若干调度区组成的。本文中的调度图包括防洪控制水位、死水位、防破坏线、防弃水线和综合运行水位控制线（简称综合控制线），见图1。下面详细介绍调度图中各条调度线的作用及制作思路。

1.1 综合控制线

综合控制线为一组条与时间相关的水位过程线，即水库在所有调度期（年）内均按综合控制线控制库水位过程，可以得到多年总的最优的发电量。其制作方法为，选取满足设计保证率的多年资料，将防洪、供水等其他目标转化为约束条件，以多年总的发电量最大为目标，以旬（或月）为时段，优化计算得到的一组多年综合的水位控制指标。按综合控制线指导水库运行的计算流程如下。

1.2 防破坏线

防破坏线的作用为当水库来水在设置保证率范围内时，保证正常供水不遭受破坏，对于以发电为主要目标的水库就是保证其出力大于、等于保证出力。其制作方法[16]通常为选取保证率范围内的所有来水过程，以死水位为起点，从供水期末开始进行逆时序水量平衡计算，且保证水库下泄流量为保证出力对应的发电引用流量，得到一组水位过程线，取其上包线即为防破坏线。

在本文中以第1年汛末到第二年汛末为一个完整的调度期，选择各年的来水，制作其综合控制线（即每年的最优运行过程），取其下包线。并与采用常规方法得到的防破坏线相比较，取其上包线作为最终的防破坏线。采用该方法得到防破坏线，不仅能够满足供水（发电）保证率的要求，也可以避免水库消落过早。

在指导水库实际运行中，防破坏线为水库运行下限值，若水库消落至防破坏线以下，可能会导致供水（或保证出力）破坏。

1.3 防弃水线

防弃水线是为增加发电减少弃水而设置的，其常规制作方法为：选用年水量（或汛期水量）频率为（1-P）的典型年来水过程（P为供水（发电）保证率），按水电站预想出力对应的流量，从预留防洪库容的时段末开始，逆时序作水量平衡计算，到死水位后再反推至正常高水位；同样，从预留防洪库容的时段末开始，顺时序作水量平衡计算，直到正常蓄水位，该水位过程线即为防弃水线。

然而，防弃水线的绘制，带有较强的经验性，如（1-P）的典型年选择并没有充分的理论依据，也可能出现与防破坏线相交等不合理的现象。进一步分析，防弃水线的绘制原则应该是：在满足防破坏线要求的条件下，按防弃水线指示运行，能够使水库多年运行弃水较小、发电较优。与本文中综合控制线的制作原则有一定程度的相似，依据综合控制线指导水库运行就能包含防弃水线的指导作用，因此本文取调度期内各年最优运行水位的上包线作为防弃水线。

防弃水线为水库实际运行的出力上限，若水库蓄至防弃水线以上，可能会产生较大弃水，减少发电效益。

1.4 防洪限制水位

防洪限制水位是汛期水库兴利蓄水允许达到的最高水位。

1.5 死水位

死水位是水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位。

2 梯级水库调度图模拟-优化模型

2.1 优化模型

（1）目标函数。对于本文制定的水库水电站调度图，需要优化的部分为综合控制线。其目标函数为在给定调度期内径流过程下，兼顾保证出力要求的梯级发电量最大，具体表达如下：

2.2 模拟优化过程

以雅砻江下游梯级为研究对象，以旬为时段，选择1959年11月上旬-2009年10月下旬共计50年的旬入库径流资料，[HJ2mm]应用自适应遗传算法[17]（AGA）对各水库综合控制线进行优化（包括整个调度期及各年的综合控制线）。其中锦屏二级、官地和如图2所示，锦屏二级水库建成投产运行后，将在坝下至厂房间形成119 km的减水河段，在非泄洪时段，需要根据锦屏二级大坝下游河段不同时期的生态和环境要求，下泄相应的生态环境流量。

3.2 结果分析

根据第1节介绍的方法，首先按照常规方法推求防破坏线。锦屏一级的枯水期为11月上旬-次年5月下旬，分析锦屏一级的入库径流系列发现，部分年份在6月上、中旬来流也较小，保证出力会受到破坏。故在推求防破坏线时，以6月中旬为起始时段，逆时序递推。同时，考虑到锦屏一级的设计保证率为98%，对锦屏一级入库流量进行排频后，选用供水期来水频率在98%以内的径流过程推求其防破坏线。在选择的50年径流资料中，1986年供水期来水最枯，来水频率为98.04%。对其进行逆时序递推发现，12月上旬和中旬保证出力被破坏，在计算防破坏线时不考虑。分析其它49年推求的水位过程线，上包线由1968年、1983年、1985年、1987年的水位过程决定。并与各年最优水位过程的下包线进行对比，取二者各时段水位过程的较大值作为最终的防破坏线。

由于不考虑锦屏二级和官地水库的调蓄作用，以锦屏一级的出库流量加上锦屏一级至二滩区间的天然径流作为二滩的入库流量。经过锦屏一级的水量调度，改变了二滩入库径流的分布过程，枯水期来水有显著增加。按照防破坏线的推求方法进行计算，发现所有年份的保证出力均能得到满足。选用1959年6月下旬-2009年6月中旬共50年的资料推求二滩水库的防破坏线。分析50年的水位过程线，防破坏线由2002年、2007年和2008年的水位过程决定。

根据第1节介绍的方法，取各年最优水位过程的下包线作为防弃水线。加上整个调度期的综合控制线，以及死水位和防洪限制水位，即构成了完整的调度图，见图3、图4。

如图3所示，锦屏一级的综合控制线位于防弃水线和防破坏线之间，在枯水期与防破坏线较为接近。分析原因为，在综合控制线的优化目标中加入了保证率约束，以满足保证出力要求，而在枯水期按

照防破坏线线运行时，只会在特枯年份的某些时段导致保证出力破坏，因此综合控制线在枯水期与防破坏线线具有相同的走势；在汛期，综合控制线与防洪限制水位相交，说明预留防洪库容会限制一部分发电效益。

如图4所示，二滩水库的综合控制线位于防弃水线和防破坏线之间，且在4月底、5月初仍然维持在较高水位运行，在5月份集中下泄。分析原因为，当锦屏一级能满足保证出力时，二滩水库基本也能满足保证出力要求，故不需要提前加大下泄以满足保证出力要求，维持在较高水位，抬高水头，以减小单位电量的耗水量；而在汛前，需要腾空一部分库容，以拦蓄汛期多余水量，增加发电效益。

按优化后的调度图指导梯级水库模拟运行，并与以年为调度期计算得到的各年最优运行结果相比较，具体结果见表2。其中，设计年均发电量可以视为包含丰平枯水情况的多年旬径流系列按照常规调度图调度的发电量平均值。对于每年的最优运行过程，锦屏一级和二滩的保证出力保证率分别为99.94%和100%；雅砻江下游梯级年均发电量为758.8亿（kW·h），较设计值增加5.46%。而按优化调度图指导梯级水库模拟运行时，锦屏一级和二滩的保证出力保证率分别为99.17%和99.72%，均达到了设计需求（98%）；梯级发电量为728.7亿（kW·h），虽然较最优运行结果减少3.97%，但是较设计值增加1.27%，即比多年按常规调度的结果平均有所改善较最优运行结果减少3.97%。同时可知，显然若仅以多年综合控制线为唯一指导线时，只能达到多年平均最较优，针对每年的来水情况还有进一步优化的潜力。如可以结合中长期水文预报成果，选取与预报结果相似的来水年份，按其最优运行轨迹进行调度。

按本文制作的调度图指导水库运行时，其调度目标明确，简单直观，可操作性强。模拟运行发电量相对于设计值也有所提高，保证出力保证率也达到了设计要求，具有较强实用价值。

4 结语

本文提出以综合运行水位控制线、防弃水线、防破坏线为水库调度指导线，再加上防洪限制水位和死水位，构成水库调度图。并围绕该调度图制定水库调度规则，进而建立调度图模拟-优化模型。以雅砻江下游梯级为研究对象，采用隐随机优化调度的思想，应用模拟-优化技术直接对调度图进行优化。按优化后的调度图指导梯级水库模拟运行，结果显示，锦屏一级和二滩的保证出力保证率分别为99.17%和99.72%，均达到了设计需求（98%）；梯级发电量为728.7亿（kW·h），较设计值增加1.27%，具有一定的实用价值；且调度图简单直观，可操作性强。

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