大型水库发电运行优化调度决策支持系统研究

李德龙，许小华，温天福，黄 萍，鄢笑宇

（1.江西省水利科学院智慧水利研究所，南昌 330029；2.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，南京 210098）

0 研究背景

水库运行调度是根据水库承担的任务及规定的调度原则，运用水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下，有计划地对入库的天然径流进行蓄泄，以降低水旱灾害、提高水资源利用效率为目的，最大限度地满足当地国民经济对水资源的需要。由于天然径流的随机特性和调度目标的多样性，导致水库运行调度工作较为复杂。如何利用高新技术手段，优化水库运行调度这一复杂问题，实现水库防洪和发电等综合效益最大化，已得到相关部门高度重视。近年来，随着水利现代化和信息化的快速发展，水库优化调度的理论和方法逐渐完善，大量学者在水库运行调度系统方面已有较广泛且深入的研究，如成良歌［1］、莫晓聪等［2］、陆玉忠等［3］、陈凯［4］等学者针对水资源调度及水库调度会商研发了相应系统，王森等［5］、张光科等［6］、徐刚［7］、王冕等［8］、涂维党［9］、宋松柏等［10］、李传刚［11］、张歆蒴［12］、赵晓凤［13］学者针对水库群或水电站防洪优化调度进行深入研究，但主要围绕水库单一功能调度，而针对大型防洪和发电任务兼顾的水利枢纽工程鲜有类似系统研究。

本文以兼顾防洪、发电等综合效益的伦潭水利枢纽工程为研究对象，探讨研究大型水库发电运行优化调度决策支持系统的实现，以达到充分发挥水库的综合效益和提升水电站智能化管理能力的目的，为实现水库的科学调度和防洪决策提供技术支撑。

1 区域概况

伦潭水库地处江西省铅山县天柱山乡境内，距县城约50 km，坝址坐落于信江水系铅山河支流杨村水中游，地理位置为东经117°38′22"，北纬28°3′55"，坝址以上流域控制面积为242 km2。伦潭水库是铅山河流域内一座以防洪、灌溉为主，兼顾发电、供水等综合效益的大（2）型水利枢纽工程。正常蓄水位252.0 m（黄海高程，下同），设计洪水位（P=1%）254.72 m，校核洪水位（P=0.1%）256.45 m，总库容1.798 亿m3，防洪库容0.261亿m3。水库设计灌溉农田面积7 000 hm2，灌溉设计保证率为90%；电站装机容量40 MW，保证出力（P=90%）6 MW，多年平均水头109.92 m，多年平均发电量6 059 万kWh（扣除非汛期泄放生态流量时损失电量）。

伦潭水电站是一座位于铅山河杨村水上的小（2）型水电站，电站厂房位于铅山县清潭村下游的黄土潭村附近（见图1），地理位置东经117°38′33"，北纬28°5′45"，距伦潭水库坝址约6.5 km，压力水道（包括引水隧洞和压力管道）总长3 395.037 m。

2 模型构建

2.1 洪水预泄调度模型

预泄发电调度主要分为2种情形：

第1种情形：当入库洪水总量W入小于W1时，则表示当洪水来临，在洪水过程T内通过最大发电流量下泄，洪水过后库水位不超过其汛限水位。其计算公式为：

式中：W1为不预泄最大来水量；qmax为最大发电流量；T为一场洪水过程的总历时；Vm、V0分别为汛限水位及当前水位的库容。

第1种情形：当W1大于入库洪水总量W入时，则表示洪水来临之前，就得提前发电预泄，以免产生不合理弃水。

式中：t为提前预泄时间；qyu为预泄期间的来水流量。

当采用预报时，提前预泄时间t大于预报的预见期时，则会产生弃水。预泄调度模型根据洪水发生时间选择不同的防洪规则。其规则见表1。

表1 主（后）汛期防洪调度规则Tab.1 Flood control dispatching rules in Main（post）flood season

2.2 中长期发电调度模型

对于调节性能为年或年以下的水库来说，通常设置年末水位与年初水位一致或相差不大。为此，考虑伦潭水库（电站）特性和上下游用水约束条件，构建伦潭水电站中长期发电调度模型，并利用优化算法对该模型进行求解。

目标函数：

式中：E为水电站某一时间段内的发电量；K为水电厂机组的出力系数，经综合对比，取K为8.0；Qt为第t个时间段的平均发电流量，m3/s；Ht为第t个时间段的平均发电水头，m；ΔT为时间段长度，s；T为时间段数。

约束条件：

（1）水库水量平衡方程。

式中：Vt+1，Vt分别为第t+ 1时段初和t时段初的水库蓄水量，万m3；qt，Qt分别为第t时段的水库入库流量和发电流量，m3/s；St为第t时段的弃水量。

（2）水库水位（库容）约束。

式中：Zt，min、Zt，max分别为第t时段允许的水库最低、最高水位，m。

由于水位和库容之间存在一定的函数关系，所以水位约束也可以转换为库容约束，即：

式中：Vt，min、Vt，max分别为第t时段允许的水库最小、最大库容，万m3。

（3）水电站出力约束。

式中：Nt，min、Nt，max分别为第t时段水电站允许的最小、最大出力，kw。

（4）水库下泄流量约束。

式中：Qt，min、Qt，max分别为第t时段水库下游所需的最小下泄流量和所允许的最大下泄流量，m3/s。

（5）变量非负约束。所有变量满足非负要求。

3 系统功能实现

3.1 功能模块

依据伦潭水库防洪和发电的调度规则，在构建中长期发电调度模型和洪水预泄调度模型基础上，研发了集首页、工程基础信息、实时水雨情信息、洪水预泄调度、中长期发电调度和预泄调度决策支持报告等多功能的调度决策支持系统。功能上，具有友好的交互界面、强大的计算功能和全面的分析决策功能。结构上，各功能模块既有单独的使用价值，又能和其他功能模块进行交互和信息共享。功能结构如图2所示。

（1）首页。在GIS底图基础上，展示工程概况、水位库容、实时水位、实时降雨量、地理位置、无人飞机航拍全景、三维建模图等功能。系统首页如图3所示。

（2）工程基础信息。主要展示基础地理信息、划界确权信息、注册登记信息、安全鉴定信息、工程图纸和工程面貌。

（3）实时水雨情信息。接入已建设水雨情监测系统信息，展示水库上下游的水位、雨量等实时信息，可查询历史累计降雨量（含小时、周、月、年累计降雨量，以曲线图展示）、警戒水位、汛限水位、当前流量、水库库容曲线图和水位变化过程等信息。

（4）洪水预泄调度。根据实际要求，在确定某场次洪水流量过程、洪水预见期和水库水位约束条件的情况下，通过运行计算得出该场次洪水内发电量、入库流量、弃水量和水库水位等信息，并统计分析出该场次洪水预泄调度的弃水率、发电总量、最大下泄流量等信息。主要包括初始条件设置、计算结果图表展示。界面如图4所示。

1）初始条件设置。提供典型洪水过程和实际洪水过程两种洪水类型计算。①典型洪水过程。可计算1日或3日洪水过程，提供方案名称、洪水来临时间、起始水位、调度末期水位、预泄期、洪水历时、预泄期来水流量、入库洪水总量等输入条件。②实际洪水过程。可计算任意时段洪水过程，提供的输入条件基本与典型洪水过程相同，仅入库洪水总量变化为入库洪水过程（间隔1 h）。

2）计算结果图形展示。以曲线图形式对计算结果进行展示，横坐标为时间，纵坐标为入库水量、弃水量、发电水量、水位值，各变量均以不同颜色显示。

3）计算结果表格展示。以表的形式对计算结果进行展示，主要包含计算方案名称、出入库流量、弃水量、发电水量、发电量、弃水率、最高水位、超防洪高水位、超汛限水位等信息。

（5）中长期发电优化调度。根据伦潭水电站中长期发电调度模型，结合会商讨论和相关经验，分析1964-2013年等50年设计调度出力情况，建立调度决策支持功能，主要分为历年优化调度结果和各月优化调度结果两大功能模块。主要包括历年优化调度结果、各月优化调度计算和计算结果图形展示。界面实现如图5所示。

1）历年优化调度结果。按年份和年入库径流量两种筛选条件，主要展示近50年（1964-2013年）历年优化调度结果，展示内容主要为某年每月出力和平均水位变化关系，且以表格形式展示水文年份、年入库径流量、年发电水量、年发电总量、上游月平均水位、月平均出力、月最高水位、月最大出力等数据。

2）各月优化调度计算。通过DP 算法，系统在后台自动计算，得出历年每月的优化结果。根据结果，拟合得到历年各月优化调度函数及相关系数（如相关系数低于0.8，则系统会提示用户，函数拟合效果一般）。系统利用各月优化调度函数，根据月初库容和当月入库平均流量，预估计算当月平均发电流量和月发电总量。

3）计算结果图形展示。通过用户输入实际月发电总量值，与预估月发电总量对比分析，提供柱形图结果展示。

（6）预泄调度决策支持报告。主要针对不同场次洪水计算的洪水预泄调度结果，系统自动生成预泄调度决策支持报告，为用户快速提供工程基本概况、水雨情综述、洪水预泄调度结果、存在问题和总结等5部分内容，达到提升用户工作效率的目的，利于汛期内用户决策判断。

3.2 实现效果

采用Java 语言编程实现了洪水预泄调度和中长期发电优化调度模型计算，封装成Web 服务，为业务应用提供统一的标准化接口。业务应用层采用J2EE 开放式体系结构，运用Web Service，开发了SOA 模式的应用系统。以洪水预泄调度和中长期发电优化调度为例，重点分析研究该系统对本水库工程运行调度的决策支持作用。

（1）洪水预泄调度实现。选取水库2019年汛期内实际发生弃水情况，发生时段为7月7日0 时-7月13日20 时。通过系统线上计算，结果如表2所示。

表2 实际调度与预泄调度模型对比结果Tab.2 Comparison results between actual scheduling and pre-release scheduling model

洪水经实际调度弃水率为70.09%，经过预泄调度模型计算采用不预泄情景弃水率为50.79%，其主要原因是实际调度过程中来水具有不确定性，调度出于安全考虑则会导致弃水率偏大。当预泄调度计算采取预泄6 和12 h 情景的弃水率分别为49.97%、48.67%，其弃水率随着预泄时间的增大依次减小。实际调度中发电量为656 万kWh，经过预泄调度模型计算得出不预泄、预泄6 h、预泄12 h 的发电量分别为655.19、679.19、703.19 万kWh。

同时，从表2可以看出，7月7日洪水经实际调度后库水位为247.2 m，而不预泄、预泄6 h、预泄12 h 经计算得出其调度后库水位均在252 m左右，相对于实际调度，蓄存了一定的水量在库中用于后期发电，减少了不合理弃水现象的发生。

（2）中长期发电优化调度实现。以水文年为周期，本文计算分析了2017年3月-2018年2月、2018年3月-2019年2月水库优化调度后的发电量，并和实际发电量进行了对比，结果如图6所示。

从图6中可知，2017年3月-2018年2月伦潭水电站实际发电量为7 679 万kWh，优化后的发电量为7 671 万kWh，发电量相差不大，究其原因，是2017年实际调度效果较好，充分利用了洪水资源，有效降低了弃水率，并将其转化为发电；2018年3月-2019年2月伦潭水电站实际发电量为6 622 万kWh，优化后的发电量为7 436 万kWh，发电量增加了12.3%。

4 结 论

本文以兼顾防洪、发电等综合效益的伦潭水利枢纽工程为例，针对伦潭水库现有调度方式水能资源利用效率不高和存在弃水等问题，研究构建了洪水预泄调度和中长期发电调度模型，结果显示在2019年7月7日实际洪水过程中，通过预泄调度模型计算可大大减小弃水率；以2018年3月-2019年2月为水文周期年，通过发电优化调度模型计算，发电量增加了12.3%。在此基础上，采用J2EE 开放式体系结构，运用Web Service 实现了线上实时优化计算，并能可视化展示模拟结果，为实现水库科学调度提供了科学决策技术手段，对推动我省水库工程信息化和智能化管理具有积极引导作用，具有较好推广前景。 □