混联水库群汛限水位联合运用方案优化调度研究

混联水库群汛限水位联合运用方案优化调度研究

0水库群未来期水位动态控制问题防洪水库是防洪水库尽可能多地满足洪水泛滥的限制水位的水库，也称为防洪水库限制水位。按汛限水位的控制方法分为:单一汛限水位控制、分期汛限水位控制及汛限水位动态控制;按汛限水位控制的对象可分为:单一水库动态控制、梯级水库动态控制及混联水库群动态控制。这里的“动态”是指水库可以利用预报信息在汛限水位控制域范围内对其进行实时调整,根据实时的水、雨、工情,对水库的汛期水位实施动态管理。现有的单库汛限水位动态控制方法,多属于基于风险与效益分析的常规调度方法,且未能考虑其研究对象在水库群系统中的水文、水力联系。水库群系统中各库之间具有水力联系和库容补偿作用,故水库群汛限水位动态控制的潜力应比单一水库更大。因此,开展水库群汛限水位动态控制的研究,具有重要的理论价值和实际意义。近年来国内初步形成了对水库群规划设计阶段汛限水位动态控制域推求的理论和方法,其中较为成熟的有库容补偿法,预报调度法,系统分解协调法等。但针对水库群汛限水位实时动态控制问题的研究尚处于初探阶段。李玮等开展了对梯级水库汛限水位运用方案的初步尝试,提出基于预报及上游水库补偿的梯级水库汛限水位动态控制模型,经计算得到最佳的梯级水库汛限水位方案。陈炯宏等基于“聚合-分解-优化模拟”框架,构建梯级水库汛限水位实时动态控制模型,对梯级水库上下游各水库的汛限水位进行统一调度,在保证梯级水库防洪安全的前提下,能最大限度的提高梯级水库的兴利效益。随着水库系统中水库数量(维数)的增加,如从梯级水库变更到混联水库群,其中可利用的信息越来越多,汛限水位的管理也将越来越复杂。本文以三峡梯级和清江梯级混联水库群为研究对象,将梯级水库汛限水位实时动态控制模型拓展为混联水库群汛限水位实时动态调度模型,在不降低防洪标准的前提下,研究探讨混联水库群的中小洪水实时动态调度。1中小洪水实时动态调度研究三峡梯级水库和清江梯级水库形成混联水库群(如图1),混联水库群的主要特征指标如表1。三峡梯级紧邻清江梯级,清江河口在葛洲坝电站下游40km处,五座水库的调节性能各不相同,三峡水库只有不完全年调节能力,葛洲坝水库是三峡水库的反调节水库,具有日调节能力;水布垭水库是华中地区具有多年调节性能的龙头水库,同时也是距三峡梯级最近的调峰、调频大型水电站;隔河岩水库具有年调节性能;高坝洲水库为径流式电站,是隔河岩水库的反调节水库。随着举世瞩目的三峡工程、清江水布垭电站的竣工和投入正常运行,三峡梯级与清江梯级形成了一个地理位置靠近、处于同一地理气候区、总装机容量约为2800万kW、年均发电量达1100亿kW·h、分属国家电网和华中电网调度管理、世界上最大的巨型混联水库群,三峡梯级与清江梯级进行联合调度运行,可以显著地提高水库的发电效益和荆江河段的防洪安全标准。本次研究取混联水库群的中小洪水实时动态调度研究时段为三峡梯级与清江梯级的汛期中小洪水主要遭遇时段6月1日-7月31日。中小洪水实时动态调度需有可靠的洪水预报精度作为前提,三峡水库72h内的入库洪水预报精度达到甲级方案,本次研究仅以有效预见期为24h为例。清江梯级水库入库洪水预报的有效预见期为6h。2设计实时动态控制模块该模型由三峡水库实时动态调度模块、清江梯级水库实时动态模块、水库群优化模拟模块组成。在汛期调度期内,根据三峡水库面临时刻水情和分级补偿调度方式,充分考虑洪水量级信息,基于面临时刻库水位和未来洪水大小之间的关系式,建立三峡水库汛期库水位实时动态控制模块;对清江梯级水库,基于“聚合-分解”思路,建立梯级水库汛限水位实时动态控制模块;在有效预见期内,根据预报径流、面临库容、防洪要求等状态信息确定各水库最优蓄放水策略,建立水库群优化模拟模块,使混联水库群的兴利效益最大。2.1峡水库洪水实时动态控制三峡水库以防洪为首要任务,汛期调度必须考虑防洪安全。三峡水库有两种防洪调度方式,即分别对荆江和城陵矶进行防洪补偿调度。对荆江进行防洪补偿调度方式简单明确,可操作性强。根据防洪抢险实践,不宜遇任何洪水都按沙市保证水位控制,而应根据洪水大小分级控制。三峡水库对荆江进行分级补偿调度方式为:遇100年一遇以下洪水沙市水位按44.5m控制,控制三峡水库最大下泄流量不超过54000m3/s;遇超过100年至1000年一遇洪水时,控制三峡水库最大下泄流量不超过76000m3/s,补偿枝城最大流量不超过80000m3/s,采取分洪措施可控制沙市水位45.0m。陈桂亚等就三峡水库中小洪水动态调度的可行性、必备条件和实时调度步骤进行了详细阐述,并研究分析了2009年-2011年洪水实时动态调度过程,经济社会效益十分显著。为在确定的三峡水库汛限水位动态控制实施边界条件和控制域内寻求合理的库水位实时动态控制决策,李响根据三峡水库面临时刻水情和分级补偿调度方式,充分考虑洪水量级信息(中小洪水为20年一遇及以下的洪水资源),基于面临时刻库水位和未来洪水大小之间的关系式,建立了三峡水库汛期库水位实时动态控制模块:Ζtc={ΖuˆQmaxt≤35000f(V(Ζu-w))ˆQmaxt>35000(1)w=(ˆQmaxt-35000)⋅Δt/L1(2)Ztc={Zuf(V(Zu−w))Qˆmaxt≤35000Qˆmaxt>35000(1)w=(Qˆmaxt−35000)⋅Δt/L1(2)式中:tc为面临时刻;Ztc为面临时刻库水位期望值;Zu、Zl分别为汛限水位动态控制域的上下限,Ζtc∈[Ζl,Ζu]Ztc∈[Zl,Zu];ˆQmaxtQˆmaxt为预见期内预报最大入库流量;f(*)为水位与库容关系;w为面临时刻允许预泄的水量;Δt为时段长;L1为ˆQmaxtQˆmaxt至面临时刻的预见期长度。由式(1)和式(2)可以看出:当预见期L1时段内预报的最大入库流量小于35000m3/s时,说明未来L1时段内入库洪水较小,当前在满足电厂保证出力的要求下应尽量蓄水回充至汛限水位动态控制域上限;预见期L1时段内预报的最大入库流量大于35000m3/s时,在预报的最大流量入库前,加大泄量将35000m3/s以上的部分均匀泄出,以腾出库容对应较大洪水,但当前库水位不低于汛限水位动态控制域下限。比如对于24h预见期,当ˆQmaxtQˆmaxt大约为45000m3/s时,初步估算预泄后当前时刻库水位约为145.0m,这与确定汛限水位动态控制域的边界条件一致。以上说明该动态控制模块简单,便于实际操作。2.2确定预报期“聚合水库”的计算目标基于“聚合-分解”思路,建立清江梯级水库汛限水位实时动态控制模块。据聚合思路,利用预蓄预泄思想确定预报期内“聚合水库”在满足防洪条件下允许的最大预蓄水量;据分解思路,各水库据库容状态和预报期内的来水情况,在满足各水库防洪约束要求下,建立上下游水库汛限水位关系,并确定各水库允许动态控制调整的范围。汛期调度期内清江梯级水库聚合水库的建立和允许的最大预蓄水量分解方法和过程详见文献。2.3级调度计算方法在实时洪水调度过程中,未来长系列入库流量是未知的,决策者仅能根据有限的预报信息确定预报期内的入库流量,因此混联水库群汛限水位联合运用并对实时洪水进行动态控制只能是在有效预见期内根据预报径流、面临库容、防洪要求等状态信息确定各水库最优蓄放水策略,库容补偿优化调度是一个“预报-优化-预报”的实时动态滚动过程。考虑到三峡有效预见期L1为24h,清江梯级水库有效预见期L2为6h,即有L1=4L2,为便利清江梯级与三峡梯级之间的联合调度,取优化调度时间段长为24h。据贝尔曼(R.Bellman)最优化原理的思想,在优化调度时间段内寻求最优策略使混联水库群的兴利效益最大的目标函数为:ΜaxE=∫L1(n1∑i=1Νi(t))dt+∫4L2(n2∑i=1Νi(t))dt(3)Νi(t)=ΚiQi(t)Ηi(t)(4)MaxE=∫L1(∑i=1n1Ni(t))dt+∫4L2(∑i=1n2Ni(t))dt(3)Ni(t)=KiQi(t)Hi(t)(4)式中:n1为三峡梯级汛限水位动态控制水库数目;n2为为清江梯级汛限水位动态控制水库数目;Ni(t)为i水库第t时段的出力;Ki为i水库第t时段的出力系数;Qi(t)为i水库第t时段的发电流量;Hi(t)为i水库第t时段的平均发电水头;计算时段间隔dt=3h。当上述目标函数右边项变为单独项∫L1(n1∑i=1Νi(t))dt∫L1(∑i=1n1Ni(t))dt或∫4L2(n2∑i=1Νi(t))dt,则等式变为梯级水库单独优化模拟模块的目标函数。约束条件如下:①水量平衡约束Vi(t)=Vi(t-1)+(Qin,i(t)-Qout,i(t)-EΡi(t))Δt(5)式中:Vi(t)表示i水库第t时段初蓄水容积,为状态变量;Qin,i(t)表示第t时段水库i入库流量;Qout,i(t)表示第t时段水库i平均出库流量,为决策变量;EPi(t)表示t时段水库i水库蒸发、渗漏损失,其它同上。②水库水位约束ΖLi(t)≤Ζi(t)≤ΖUi(t)(6)式中:ZLi(t)为第i水库第t时段允许的最小蓄水位,取原设计汛限水位;ZUi(t)表示第i水库允许的最大蓄水位,取允许汛限水位的上限。③出库流量约束QLi(t)≤Qout,i(t)≤QUi(t)(7)式中:QLi(t)为第i水库第t时段放水量下限,由下游灌溉、供水或航运要求给出;QUi(t)表示水库放水量上限,受下游防洪要求、水库泄流能力影响。④电站出力约束ΡLi(t)≤Νi(t)≤ΡUi(t)(8)式中:Ni(t)为第i水电站第t时段出力;PLi(t)为第i水电站第t时段出力下限;PUi(t)为第i水电站第t时段出力上限,综合考虑机组额定出力、受阻容量、振动区及调峰要求等确定。上述滚动优化过程属于一个多维的多阶段优化决策过程,可采用逐步优化方法(POA)计算,该优化问题的具体求解流程详见文献。3未来年期到主周期的节点设计研究时段6月1日-7月31日内,三峡水库的汛限水位动态控制域下限取原汛限水位145.0m;上限在6月1日-6月30日(前汛期)之间取值为149.8m,7月1日-7月31日(包含前汛期到主汛期的过渡期)之间取值为146.7m。清江梯级水布垭水库和隔河岩水库汛限水位动态控制域下限分别为原汛限水位391.8m和192.2m(6月1日-7月31日为主汛期),上限值需据面临时刻水情,采用实时动态调度模块推求。据三峡梯级和清江梯级水库群1958年-2009年汛期资料,选取1982年、1960年、1978年为丰、平、枯典型年,分别对原设计汛限水位方案、梯级汛限水位单独运行方案、库群汛限水位联合运用方案进行计算。原设计方案按各水库原设计汛限水位和防洪调度规则计算,梯级调度方案和联合调度方案按在防洪调度规则下最优分配策略控制运行。3.1计算结果和洪水资源利用率对比表2～表4分别为丰、平、枯典型年调度期内各方案计算结果和洪水资源利用率对比。限于篇幅,在此仅给出了清江梯级水库丰、平、枯典型年在联合调度方案下最优策略和汛限水位动态控制过程,如图2所示。3.2混联水库群3年生时落实教政调度成果由表2和表3可知,梯级汛限水位单独运行方案和库群汛限水位联合运用方案相比原设计方案,各典型年汛期的发电量增加,弃水量减少。以混联水库群为例:与原设计方案相比,采用梯级汛限水位单独运用方案时,丰、平和枯水年的发电量分别增加了7.76、9.04和7.60亿kW·h;平均发电量增加了8.13亿kW·h,增幅为2.79%。采用库群汛限水位联合运用方案时,平均发电量增加9.02亿kW·h,增幅为3.10%。进一步分析表3中水库群不同汛限水位控制方案下的发电量增幅可知:梯级汛限水位单独运行方案和库群汛限水位联合运用方案的发电量,较原设计方案增幅显著,主要原因为梯级汛限水位单独运行方案和库群汛限水位联合运用方案均采用基于汛限水位动态控制下的优化调度方式,兴利效益较常规调度方式显著。对比三种不同典型年中水布垭和隔河岩水库的发电量,隔河岩水库的发电增量均大于水布垭水库,弃水减幅也均超过水布垭水库,由图2可知,主汛期的预蓄库容几乎都分配给了下游的隔河岩水库。混联水库群中的反调节水库葛洲坝水库和高坝洲水库在各调度方案下的发电效益差异不明显,究其原因为受其本身的调节性能限制影响。对比分析表4中混联水库群不同汛限水位控制方案下的洪水资源利用率得出:混联水库群在三种不同典型年中,梯级汛限水位单独运行方案和库群汛限水位联合运用方案的洪水资源利用率,较原设计方案增幅显著。在枯水年汛期来水不足,当入库流量超过满发流量时,清江梯级水库之间可通过库容补偿,及时提高水库运行水位,保证在枯水年不弃水,因此汛