崔家營航電樞紐優(yōu)化調(diào)度研究

徐俊鋒，趙津京，劉俊濤，普曉剛

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.中交天津港航勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300461）

崔家營航電樞紐優(yōu)化調(diào)度研究

徐俊鋒1，趙津京2，劉俊濤1，普曉剛1

（1.交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所工程泥沙交通行業(yè)重點實驗室，天津300456；2.中交天津港航勘察設(shè)計研究院有限公司，天津300461）

水庫優(yōu)化調(diào)度是復(fù)雜的多目標(biāo)問題，以往的優(yōu)化調(diào)度研究工作中多以發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最大或者最小出力最大為單一目標(biāo)，局限于發(fā)電優(yōu)化，無法兼顧供水、防洪以及航運調(diào)度。研究通過對崔家營航電樞紐復(fù)雜運行模式的研究，以航運和發(fā)電為目標(biāo)，建立了崔家營樞紐多目標(biāo)調(diào)度模型，以2012年水文年作為典型年，運用動態(tài)規(guī)劃算法對模型進(jìn)行求解，產(chǎn)生了模型最優(yōu)解，首次提出了優(yōu)化調(diào)度準(zhǔn)則，對樞紐的實際運行具有較大意義。

航電樞紐；通航率；通航保證率；多目標(biāo)調(diào)度方案

崔家營樞紐位于漢江中游丹江口至鐘祥河段，湖北省襄樊市下游17 km處，是湖北省內(nèi)漢江干流9級梯級開發(fā)中的第5級，上距丹江口水利樞紐142 km，下距河口515 km，是一個以航運為主，兼發(fā)電、灌溉、供水、旅游等功能的綜合樞紐。崔家營航電樞紐以盡量減少庫區(qū)淹沒、浸沒損失、增加發(fā)電效益為原則，結(jié)合河段規(guī)劃和工程任務(wù)要求，在滿足航運要求前提下，當(dāng)前推薦正常蓄水位為62.73 m。

崔家營樞紐已于2010年8月全部建成投產(chǎn)，開始發(fā)揮航運、發(fā)電等功能。如何充分利用水資源，在保證航運的前提下，少棄水，多發(fā)電，既是樞紐正常運行后的重要目標(biāo)，也決定著樞紐的調(diào)度運行方式。水庫優(yōu)化調(diào)度是復(fù)雜的多目標(biāo)問題，以往的優(yōu)化調(diào)度研究工作中多以發(fā)電量最大、發(fā)電保證率最大或者最小出力最大為單一目標(biāo)，局限于發(fā)電優(yōu)化，無法兼顧供水、防洪以及航運調(diào)度。

本文以航運和發(fā)電為目標(biāo)，建立了崔家營樞紐多目標(biāo)調(diào)度模型，以2012年水文年作為典型年，運用動態(tài)規(guī)劃算法對模型進(jìn)行求解，產(chǎn)生了模型的最優(yōu)解，從而確定了崔家營航電樞紐優(yōu)化調(diào)度的原則。

1 常規(guī)調(diào)度方式

崔家營航電樞紐以航運為主，兼有發(fā)電、灌溉、供水、旅游等，是一座航電結(jié)合、以電促航的綜合性樞紐，初步擬定主要調(diào)度原則如下。

（1）當(dāng)來流量小于機組停機流量10 000 m3/s時，先由電站過水，富余水量由泄水閘下泄。

（2）當(dāng)來流量大于機組發(fā)電停機流量10 000 m3/s時，電站機組停機，泄水閘全部敞開泄洪。

（3）當(dāng)來流量大于最大通航流量時，樞紐封航，以保證航運安全。

（4）當(dāng)入庫洪水處于消退階段，入庫流量小于或等于停機流量時，泄水閘閘門逐漸關(guān)閉。

2 調(diào)度模型和動態(tài)規(guī)劃算法介紹

水庫調(diào)度模型從理論上可以概括抽象為一個以年為周期的多階段馬爾可夫決策過程［1-2］，根據(jù)每個時段初水庫所處的狀態(tài)作出相應(yīng)的決策，并考慮到天然徑流的隨機性（即各種可能的來水），在一個調(diào)度周期內(nèi)需要考慮的狀態(tài)和決策的組合數(shù)是非常龐大的。動態(tài)規(guī)劃方法可以從龐大的組合數(shù)中找出一個最優(yōu)的決策組合，即一個最優(yōu)策略（調(diào)度方案），這正是通過動態(tài)規(guī)劃算法建立水庫優(yōu)化調(diào)度模型的基本構(gòu)想。

動態(tài)規(guī)劃算法通過分析系統(tǒng)的多階段決策過程以求得整個系統(tǒng)的最優(yōu)決策方案，而不受目標(biāo)函數(shù)和約束條件的線性、凸性或連續(xù)性的要求［3-5］。選用動態(tài)規(guī)劃方法編程求解時可以從最末時段開始，按動態(tài)規(guī)劃逆時序遞推公式進(jìn)行逐時段逆向向前遞推，直到初始時段，所得最優(yōu)調(diào)度軌跡在遞推中逐漸清晰，在第一時段得以最終確定。最后順向按最優(yōu)決策進(jìn)行計算，即可確定各時段的泄流及水位變化情況。模型求解程序框圖如圖1所示。

圖1 水庫優(yōu)化調(diào)度主模塊程序框圖Fig.1 The main program diagram for the reservoir optimal operation

3 崔家營航電樞紐優(yōu)化調(diào)度方式研究

3.1 以通航率最高為目標(biāo)

為了保證航運基流，本次優(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)為樞紐下游通航率最高，主要考慮了兩個約束：船閘下游最高通航水位取11 340 m3/s下泄流量（10 a一遇洪水頻率標(biāo)準(zhǔn)）相應(yīng)的下游最高水位61.21 m，下游最低通航水位按下泄流量470 m3/s（97%保證率）的下游水位54.91 m。

3.1.1 目標(biāo)函數(shù)

目標(biāo)函數(shù)為樞紐下游通航率最高。

3.1.2 輸入輸出

輸入條件為樞紐的天然入庫徑流，研究中把水庫天然來水當(dāng)作獨立隨機序列來描述。模型的輸出為樞紐各時段出力和發(fā)電量。

圖2 以通航率最高為目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果Fig.2 Generation scheduling results in the typical year

3.1.3 狀態(tài)變量和決策變量

本研究將樞紐入流作為獨立序列，狀態(tài)變量取樞紐各時段初的庫水位。計算時將樞紐從死水位62.23 m至正常蓄水位62.73 m間每隔0.01 m離散一次，則相應(yīng)有50個庫水位狀態(tài)變量。各時段均一樣，狀態(tài)變量取此50個離散值。而各時段末庫水位取計算值，故不受限于該50個狀態(tài)，故模型狀態(tài)空間為水庫有效庫容所對應(yīng)庫水位的可變動范圍。取水輪機出力為決策變量，每個時段要選擇的決策只取決于該時段初水庫所處的狀態(tài)。決策空間，即決策變量的取值范圍是［0，90MW］。

表1 崔家營航電樞紐優(yōu)化調(diào)度方案成果匯總Tab.1 The summary of optimization scheduling solution results

3.1.4 約束集合

約束集合主要包括：（1）水量平衡方程；（2）樞紐水位限制；（3）電站引流量限制；（4）水輪機水頭限制；（5）水輪機出力等。其中水庫水位限制嚴(yán)格按照崔家營水庫汛期（包括前汛期和后汛期）和非汛期要求執(zhí)行［6-9］。

分析建壩3 a來逐日徑流資料可知，2012年個別天日均流量出現(xiàn)小于航運基流470 m3/s的情況。為比較各方案計算結(jié)果，以2012年壩下水文資料作為輸入條件輸入，以下游通航保證率最大為目標(biāo)時，在典型年2012年年內(nèi)通航保證率由原來的97.27%提高到了99.18%（參見表1）調(diào)度結(jié)果見圖2。

進(jìn)一步分析認(rèn)為，這種破壞通航歷時最短優(yōu)化調(diào)度方式執(zhí)行的技術(shù)路線主要取決于枯水期徑流過程，可以歸納為以下4種情況：

（1）一次蓄水（未滿蓄）充分補償調(diào)度方式。

調(diào)度方式如圖3所示，圖中Q天、Q航保、Q生分別代表天然徑流、航運保證流量、生態(tài)生活等用水流量。在圖中AB段為水庫蓄水段，BC段為水庫對下游補償段，通過優(yōu)化計算，獲得B點，且有

VAB=VBC（＜V航）

優(yōu)化后，其通航破壞時段由AC段縮短為AB段。

（2）一次蓄水（滿蓄）部分補償調(diào)度方式。

調(diào)度方式如圖4所示，該方式是蓄水至B′時刻，水庫已蓄滿，在B′C′時段水庫向下游補水且所回蓄水量全部耗盡，C′C時段仍然為通航破壞時段。優(yōu)化后其通航破壞時段由AC縮短為AB′+C′C。

（3）局部回蓄補償調(diào)度方式。

調(diào)度方式如圖5所示，由于枯水徑流有微小波動過程，在BB′時段天然徑流大于Q航保，所以產(chǎn)生這種特殊調(diào)度方式，即在AB段以Q天-Q生對水庫充蓄；BB′段以Q航保下泄，以Q航保-Q天繼續(xù)充蓄水庫；B′C段水庫開始向下游以Q航保-Q天補償。經(jīng)過優(yōu)化后原來通航破壞歷時為AB+B′C縮短為AB歷時。

（4）跟蹤補償調(diào)度方式。

調(diào)度方式如圖6所示，AA1時段水庫充蓄，且獲得有效調(diào)節(jié)庫容為VAA1，在A1B1段水庫放水向下游補償，令VA1B1=VAA1

，求得B1點；同理B1C1充蓄，C1D1時段補償；如此跟蹤直至枯水期結(jié)束。顯然，經(jīng)過優(yōu)化調(diào)度后，將原斷航時間由AF1縮短至AA1+B1C1+D1E1。圖中，優(yōu)化調(diào)度方式對于枯水期歷時長，而中、短期枯水徑流預(yù)報預(yù)見期及精度又有一定限制的情況尤為適合。

為進(jìn)一步展示通航破壞歷時最短調(diào)度方式的實施路線，采用崔家營樞紐2012年9月25日～10月23日枯水季系列作為天然入庫過程。分析優(yōu)化結(jié)果［9］可見，自9月25日～10月23日，共歷時11 d破壞通航枯水日，日均來流量均小于崔家營下游通航要求（P= 97%）的最小通航流量470 m3/s。在采用破壞歷時最短優(yōu)化調(diào)度方式過程中，結(jié)合來水情況，邊蓄邊補，充蓄和補償相結(jié)合，充分利用調(diào)節(jié)庫容，共進(jìn)行2次蓄水，2次補水循環(huán)，如表2所示。

圖3 一次蓄水充分補償調(diào)度方式示意圖Fig.3 Water storage full compensation scheduling scheme

圖4 一次蓄水部分補償調(diào)度方式示意圖Fig.4 Water storage part compensation scheduling scheme

圖5 局部回蓄補償調(diào)度方式示意圖Fig.5 Local back compensation storage scheduling scheme

圖6 跟蹤補償調(diào)度方式示意圖Fig.6 Tracking compensation scheduling schemes

3.2 以滿足通航保證率前提下發(fā)電最大化為目標(biāo)

樞紐建成之后，為了經(jīng)濟(jì)效益的最大化，水庫攔截來水用以發(fā)電，因而會改變天然來水的狀況，下游的流量變化幅值變小，流速變小，難以充分發(fā)揮航運效益。本方案選擇下游通航基流保障率和發(fā)電量最大為兩個主要功能指標(biāo)，指導(dǎo)崔家營杭電樞紐運行達(dá)到航運和發(fā)電兩個目標(biāo)的綜合效益最大。把多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為一個或一系列單目標(biāo)的問題［4］，而把后者求出的解當(dāng)作多目標(biāo)優(yōu)化問題的一個解是求解多目標(biāo)問題的一種有效方法。本研究采用“化多為少法”，將發(fā)電量最大作為目標(biāo)函數(shù)，保障通航保證率作為主要約束條件，采用動態(tài)規(guī)劃法求解［10］。

典型年2012年的多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度結(jié)果見圖7。結(jié)果表明，該年通航基流保證率由原來的97.27%提高到了99.18%；累計發(fā)電量約為5.6494億kW·h，與常規(guī)調(diào)度運行時的5.558 7億kW·h相比增加約1.632%（參見表1）。

表2 典型年2012年枯水期崔家營樞紐充蓄、補償表Tab.2 Impoundment and compensation during dry season in 2012

圖7 多目標(biāo)調(diào)度結(jié)果Fig.7 Multi?bjective scheduling results in the typical year

進(jìn)一步分析認(rèn)為該水庫運行調(diào)度方案遵循了以下基本原則：通過調(diào)度，從第296天開始，水庫出流量由449 m3/s變?yōu)?70 m3/s，滿足航運基流。其中，加大下泄的流量來自于水庫庫容的調(diào)節(jié)，即此時水庫庫容由2.45億m3減少到了2.43億m3。同理第297天，水庫出流量由467 m3/s變?yōu)?70 m3/s，可以滿足航運基流。其中，加大下泄的流量亦來自于水庫庫容的調(diào)節(jié)。以此方式一直保證出庫流量為470 m3/s直到第306天，此時庫區(qū)水位為62.56 m并沒有達(dá)到水位約束下限值。第307天，水庫來流量突然增大，此時可以減少出流蓄水至正常蓄水位。同時可見，在2012年，天然狀態(tài)下從第296天～第306天，航道均無法滿足470 m3/s的航運基流。為保障下游航運基流需運用水庫可調(diào)節(jié)庫容加大下泄流量，在此調(diào)度過程中需損失一定的發(fā)電效益。

4 結(jié)論

通過對比兩個優(yōu)化調(diào)度方案，考慮到崔家營樞紐防洪、航運和發(fā)電調(diào)度并重，建議該樞紐優(yōu)化調(diào)度基本原則為：通常情況下，庫區(qū)水位應(yīng)控制在62.73 m正常蓄水位運行；當(dāng)預(yù)報來流小于470 m3/s時，采用電站出流等于航運基流的調(diào)度方式，這種航運補償僅能維持到庫區(qū)水位降至死水位62.23 m；當(dāng)預(yù)報來流開始大于470 m3/s時，保持470 m3/s下泄，多余水量由水庫進(jìn)行蓄水直至正常蓄水位62.73 m；當(dāng)預(yù)報來流小于電站滿發(fā)下泄流量2 199 m3/s時，動用調(diào)節(jié)庫容盡量以滿發(fā)流量全部通過電站水輪機過水下泄；當(dāng)預(yù)報來流大于2 199 m3/s、小于機組發(fā)電停機流量10 000 m3/s時，電站通過機組滿發(fā)下泄流量，富余水量由水庫進(jìn)行蓄水；當(dāng)預(yù)報來流量大于10 000 m3/s時，電站機組停機，泄水閘全部敞開泄洪；當(dāng)預(yù)報洪水來量大于最大通航流量11 340 m3/s時，樞紐封航，以保證航運安全；當(dāng)入庫洪水處于消退階段，入庫流量小于或等于10 000 m3/s時，泄水閘閘門逐漸關(guān)閉，其關(guān)閉的原則以維持庫水位62.73 m為限，電站恢復(fù)發(fā)電。

［1］徐俊鋒，馮小香，普曉剛.長沙綜合樞紐水庫優(yōu)化調(diào)度研究［J］.水道港口，2015，36（1）：46-52. XU J F，F(xiàn)ENG X X，PU X G.Study on Changsha Navigation Hydro?junction Reservoir Operation Management Schemes［J］.Jour?nal of Waterway and Harbor，2015，36（1）：46-52.

［2］許新發(fā)，黃俊民.小水電水庫優(yōu)化調(diào)度技術(shù)（2）——基本資料收集［J］.江西水利科技，1995，21（2）：114. XU X F，HUANG J M.The reservoir optimal dispatch technique of the small hydropower（2）-collecting primary data［J］.Jiangxi Hydraulic Science&Technology，1996，21（2）：114.

［3］潘婷，雷曉云，郭秀娟，等.烏魯瓦提水庫調(diào)度模型及算法研究［J］.人民黃河，2012，34（1）：143. PAN T，LEI X Y，GUO X J，et al.Research on Model and Algorithm of Wuluwati Reservoir Regulation［J］.Yellow River，2012，34（1）：143.

［4］楊峰，黃懷禮，張強.用動態(tài)規(guī)劃法對水庫進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度［J］.河南科學(xué)，2005，23（1）：16-19. YANG F，HUANG H L，ZHANG Q.Use the method of dynamic programming to optimizing control in reservoir［J］.Henan Sci?ence，2005，23（1）：16-19.

［5］楊良軍.面向崔家營庫區(qū)水環(huán)境的船舶發(fā)展及對策研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2011.

［6］KOLEBER M L.Planning and operation of hydropower development on a navigation system-a case study［J］.Proceedings of the In?ternational Conference on Hydropower，1989：1 554-1 503.

［7］榮學(xué)文，王連勤，王平義.嘉陵江梯級渠化以電養(yǎng)航問題研究［J］.重慶交通學(xué)院學(xué)報，2001，20（4）：101-104. RONG X W，WANG L Q，WANG P Y.Analysis of navigation development based on power generation of Jialing River［J］.Jour?nal of Chongqing Jiaotong University，2001，20（4）：101-104.

［8］陳寧珍.水庫運行調(diào)度［M］.北京：水利電力出版社，1990.

［9］徐俊鋒，劉俊濤.漢江襄陽以下四級航運樞紐聯(lián)合數(shù)字化調(diào)度管理系統(tǒng)研究［R］.天津：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所，2015.

［10］武漢水利電力學(xué)院，西北農(nóng)學(xué)院，華中工學(xué)院.水能利用［M］.北京：電力工業(yè)出版社，1981.

Study on optimized operation of Cuijiaying navigation?power junction

XU Jun?feng1,ZHAO Jin?jing2,LIU Jun?tao1,PU Xiao?gang1
（1.Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China;2.CCCC Tianjin Port&Waterway Prospection&Design Research Institute Co., Ltd.,Tianjin 300461,China）

Reservoir scheduling is a complicated multi?objective optimization problem.Taking the maximum of power generation and reliability requirement or the minimum output of power plant as a single objective,the previ?ous studies were confined to power optimization,which can not satisfy the requirements of water supply,flood con?trol and shipping scheduling.According to the complex operation mode of Cuijiaying navigation?power junction，two models were established in 2012 typical dry season.The models were solved by using dynamic programming algo?rithm,and the optimal solutions of the models were produced.A complete scheduling criterion was proposed for the first time.It has a significant meaning for actual operation of Cuijiaying navigation?power junction.

navigation?power junction;shipping rate;guarantee rate of navigation stage;multi?objective sched?uling scheme

U 641

A

1005-8443（2016）06-0604-05

2016-01-11；

2016-01-27

CSSN-服務(wù)-38-09，中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費（TKS150102）；國家科技支撐計劃（2015BAG20B05）

徐俊鋒（1983-），男，山西省忻州人，副研究員，主要從事港航工程、水利工程研究。

Biography：XU Jun?feng（1983-），male，associate professor.