湖南電網(wǎng)跨流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度補(bǔ)償效益研究

劉建平，成濤，伍永剛，曹偉，鄧小亮，陳佳

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北武漢430074)

湖南電網(wǎng)跨流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度補(bǔ)償效益研究

劉建平1，成濤1，伍永剛2，曹偉1，鄧小亮1，陳佳2

(1.國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司，湖南長(zhǎng)沙410004；2.華中科技大學(xué)水電與數(shù)字化工程學(xué)院，湖北武漢430074)

針對(duì)湖南省湘資沅澧四大流域季調(diào)節(jié)及其以上電站建立了跨流域水庫(kù)群長(zhǎng)期聯(lián)合優(yōu)化模型，采用POA－DPSA－DDDP混合算法進(jìn)行求解，在此基礎(chǔ)上分析了四大流域聯(lián)合調(diào)度發(fā)電量的補(bǔ)償情況。結(jié)果表明:與各流域單獨(dú)優(yōu)化相比，通過(guò)流域間補(bǔ)償，四大流域年均發(fā)電量增加了5.7萬(wàn)MWh，補(bǔ)償效益可觀。研究成果對(duì)合理安排四大流域水電站的運(yùn)行方式、提高水電系統(tǒng)水能綜合利用率有一定的指導(dǎo)意義，同時(shí)為電力企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中降低成本提供了實(shí)例。

跨流域；聯(lián)合調(diào)度；補(bǔ)償；逐步優(yōu)化算法；動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次逼近；離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃

水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度相比，可增加3%～7%的效益，實(shí)行水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，可在幾乎不增加額外投資的情況下，獲得比單庫(kù)優(yōu)化調(diào)度更顯著的經(jīng)濟(jì)效益〔1〕。與流域水庫(kù)群優(yōu)化相比，跨流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化在增發(fā)電量、增加枯水期平均出力以及承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)峰任務(wù)等方面有著更大的優(yōu)勢(shì)〔2〕，其優(yōu)勢(shì)來(lái)源于補(bǔ)償。水庫(kù)系統(tǒng)的補(bǔ)償分為水文補(bǔ)償和庫(kù)容補(bǔ)償，指利用水庫(kù)水文特性、調(diào)節(jié)性能和地理位置等方面的差異，在供水、發(fā)電、泄洪等方面協(xié)調(diào)互補(bǔ)，以提高水庫(kù)系統(tǒng)總體效益。

湖南省水能資源豐富，湘資沅澧四大流域內(nèi)水庫(kù)眾多、水庫(kù)調(diào)節(jié)性能各異。眾水庫(kù)水文不同步和調(diào)節(jié)性能的差異形成了互補(bǔ)關(guān)系，進(jìn)行跨流域聯(lián)合調(diào)度，可充分挖掘水庫(kù)間協(xié)調(diào)互補(bǔ)的潛力，提高水電系統(tǒng)總體效益。目前，針對(duì)湖南電網(wǎng)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度的研究大多集中于流域梯級(jí)水庫(kù)聯(lián)合優(yōu)化〔3－6〕，成果頗多，但對(duì)跨流域聯(lián)合優(yōu)化的研究成果較少，鮮有可借鑒的資料。為最大程度地發(fā)揮四大流域水庫(kù)對(duì)徑流的調(diào)節(jié)作用，協(xié)調(diào)水庫(kù)群整體利益與局部利益之間的關(guān)系，提高水電系統(tǒng)水能利用率，本文開(kāi)展湘資沅澧水跨流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究，探索湖南四大流域聯(lián)合調(diào)度的潛力，為進(jìn)一步改善湖南電網(wǎng)水庫(kù)群運(yùn)行方式提供可借鑒的實(shí)例。

1 湖南電網(wǎng)四大流域簡(jiǎn)介

湖南省內(nèi)的湘水、資水、沅水和澧水統(tǒng)稱為“四水”。四水水系覆蓋湖南省大部分地區(qū)，湘江干流全長(zhǎng)856 km，流域面積94 660 km2，年水量達(dá)722億m3。資水干流全長(zhǎng)713 km，流域面積28 100 km2，年水量為239億m3，屬湖南第三條大河。沅江干流全長(zhǎng)1 022 km，是四水中最長(zhǎng)的河流，流域面積89 163 km2，四水中僅次于湘江，年平均徑流量667億m3，是湖南省第二條大河，也是長(zhǎng)江七大支流之一。澧水干流全長(zhǎng)388 km，流域面積18 496 km2。四水在湖南位置示意如圖1所示，各流域相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 湘資沅澧位置示意圖

表1 四水情況

1)湘水流域

湘江是長(zhǎng)江流域七大支流之一，源出廣西臨桂縣海洋坪的龍門(mén)界，于東安縣進(jìn)入湖南省?？v貫于南嶺山地向洞庭湖平原過(guò)渡的山丘盆地之間，沿途接納各支流后，至湘陰縣濠河口分兩支匯入洞庭湖。湘江流域共建成大型水庫(kù)3座，分別為涔天河、雙牌、東江水庫(kù)，均建于支流上。其中東江為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容91.5億m3。1986年12月，由湖南省國(guó)土委員會(huì)編制完成的湘江干流規(guī)劃明確了 “以航運(yùn)、發(fā)電為主，結(jié)合灌溉、防洪等綜合利用效益”的開(kāi)發(fā)任務(wù)。

2)資水流域

資水發(fā)源于廣西壯族自治區(qū)資源縣越嶺城，于益陽(yáng)市甘溪港注入洞庭湖。資水流域柘溪水庫(kù)為季調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容35.7億m3，修建于資水干流上，控制集水面積22 640 km2，占資水全流域總面積的80%。資水開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、灌溉、航運(yùn)等，柘溪以上河段以灌概為主，結(jié)合發(fā)電、航運(yùn)等。

3)沅水流域

沅水是湖南第二條大河，有南北兩源。南源龍頭江，發(fā)源于貴州省都勻縣云霧山；北源重安江，發(fā)源于貴州省麻江縣平越大山。兩源匯合后稱清水江，至鑾山入湖南省芷江縣，東流至黔陽(yáng)縣，與渠水會(huì)合后始稱沅水。沿途接納巫水、舞水、辰水、溆水、武水、酉水等支流，于常德德山注入洞庭湖。沅水流域共建成大型水庫(kù)3座，分別是鳳灘、五強(qiáng)溪、三板溪水庫(kù)。其中三板溪為多年調(diào)節(jié)水庫(kù)，鳳灘和五強(qiáng)溪均為季調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容分別為40.9億m3，17.3億m3和42.9億m3。沅水開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧防洪、航運(yùn)等綜合利用要求。

4)澧水流域

澧水為 “四水” 中最小的河流，有南、中、北三源。北源為主源，出自桑植縣杉木界，與中、南二源會(huì)合于南岔，沿途接納婁水、渫水、道水和涔水等支流，至津市小渡口注入洞庭湖。澧水流域共建成大型水庫(kù)2座，分別是皂市和江埡，其中江埡為年調(diào)節(jié)水庫(kù)，總庫(kù)容為17.4億m3。澧水的主要開(kāi)發(fā)任務(wù)為防洪，兼顧灌溉、發(fā)電和航運(yùn)。

湘資沅澧電站拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 四大流域電站拓?fù)潢P(guān)系

2 跨流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化

2.1 優(yōu)化模型

1)目標(biāo)函數(shù)

跨流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化以發(fā)電量最大為目標(biāo)〔7〕， 可表示為

式中 E為水庫(kù)群計(jì)劃期內(nèi)總發(fā)電量；M和T分別為電站總數(shù)和時(shí)段總數(shù)；Ki為水庫(kù)i的綜合出力系數(shù)；Qi，t和Hi，t分別為水庫(kù)i在t時(shí)段的發(fā)電流量和平均水頭；Δt為時(shí)段長(zhǎng)度。

2)約束條件

水庫(kù)系統(tǒng)須滿足以下約束條件:

①庫(kù)容約束

式中 V－i，t，Vi，t和V－i，t分別為水庫(kù)i在t時(shí)段初的庫(kù)容下限、庫(kù)容和庫(kù)容上限，m3。②出庫(kù)流量約束

③出力約束

④水量平衡約束

式中 Yi，t為水庫(kù)i在t時(shí)段的入庫(kù)流量。

⑤邊界約束

式中 Vi

1，ViT＋1為水庫(kù)i指定的期初和期末庫(kù)容。⑥水庫(kù)群最小出力約束

式中 N－t為水庫(kù)群t時(shí)段的最小出力限制。

2.2 求解方法

采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解水庫(kù)群優(yōu)化問(wèn)題時(shí)會(huì)碰到計(jì)算量和內(nèi)存量隨水庫(kù)數(shù)量增大呈指數(shù)上升的 “維數(shù)災(zāi)”〔8〕，當(dāng)時(shí)段數(shù)、離散狀態(tài)數(shù)和水庫(kù)數(shù)分別為T(mén)，k和M時(shí)，動(dòng)態(tài)規(guī)劃的時(shí)間復(fù)雜度為O(Tk2M)。POA〔9〕，DPSA〔10〕和DDDP〔11〕均是動(dòng)態(tài)規(guī)劃的改進(jìn)算法，三種方法采用迭代策略，分別從減小T，M和k的角度實(shí)現(xiàn)狀態(tài)空間降維，在一定程度上緩解了動(dòng)態(tài)規(guī)劃的 “維數(shù)災(zāi)”。

考慮到湖南四大流域內(nèi)水電站眾多，為盡可能地緩解動(dòng)態(tài)規(guī)劃 “維數(shù)災(zāi)”，本文采用POA－DPSA－DDDP〔12〕混合算法對(duì)聯(lián)合優(yōu)化模型進(jìn)行求解。POA－DPSA－DDDP算法的原理如圖3所示。算法首先采用POA將T階段問(wèn)題分解為一系列兩階段問(wèn)題，然后采用DPSA將M水庫(kù)問(wèn)題分解為一系列單個(gè)水庫(kù)問(wèn)題，最后采用DDDP對(duì)單個(gè)水庫(kù)兩階段問(wèn)題進(jìn)行求解?；旌纤惴ǖ臅r(shí)間復(fù)雜度為O(G)，其中，G為DDDP廊道內(nèi)狀態(tài)離散點(diǎn)數(shù)，通常取3，5或7。圖4為POA－DPSA－DDDP混合算法的流程圖?；旌纤惴ǖ脑斍閰⒁?jiàn)文獻(xiàn) 〔12〕。

圖3 POA－DPSA－DDDP算法的原理

圖4 POA－DPSA－DDDP混合算法流程

3 四大流域聯(lián)合調(diào)度補(bǔ)償效益分析

為了說(shuō)明湖南湘資沅澧四大流域水庫(kù)之間的補(bǔ)償情況，以四大流域內(nèi)8個(gè)季調(diào)節(jié)及以上電站為對(duì)象，采用1954年4月—2013年4月共59年徑流資料，以月為時(shí)段，采用上述模型和算法分別進(jìn)行湘、資、沅、澧單流域優(yōu)化計(jì)算和聯(lián)合優(yōu)化計(jì)算，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表2所示，四大流域聯(lián)合優(yōu)化各年的補(bǔ)償效益 (電量)如圖5所示。另構(gòu)造三流域聯(lián)合運(yùn)行外加一流域單獨(dú)運(yùn)行的方式，來(lái)評(píng)估各流域在四大流域聯(lián)合優(yōu)化中對(duì)補(bǔ)償效益的貢獻(xiàn)大小，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表3。

從表2可以看出，沅水流域多年平均發(fā)電量最大，其次是資水流域、湘江流域和澧水流域。四大流域聯(lián)合運(yùn)行，通過(guò)補(bǔ)償，多年平均電量增加了57 014 MWh，增幅為0.34%，其中各年中電量增加最多為191 119 MWh，增幅為1.13%，補(bǔ)償效益較為顯著。

表2 湖南電網(wǎng)四大流域單獨(dú)優(yōu)化與聯(lián)合優(yōu)化結(jié)果對(duì)比 MWh

由表3可知，澧水流域?qū)λ拇罅饔蚵?lián)合調(diào)度補(bǔ)償效益的貢獻(xiàn)最大，達(dá)到42.25%，其次為資水流域，達(dá)到23.41%，沅水流域和湘江流域的貢獻(xiàn)相對(duì)而言要小一些，且均小于20%。以澧水流域?yàn)槔鋮⑴c聯(lián)合優(yōu)化后，四大流域年均發(fā)電量從1 694萬(wàn)MWh增加至1 697萬(wàn)MWh，增幅為0.22%，可知澧水流域的參與對(duì)四大流域總效益的提高發(fā)揮著重大的作用。澧水流域參與聯(lián)合優(yōu)化后，四大流域水庫(kù)群平均每年能增發(fā)超過(guò)3.6萬(wàn)MWh的電量，效益增加顯著。

表3 湖南電網(wǎng)四大流域?qū)β?lián)合調(diào)度補(bǔ)償效益的貢獻(xiàn)

圖5 湖南電網(wǎng)四大流域聯(lián)合調(diào)度補(bǔ)償效益

4 結(jié)論

湖南電網(wǎng)湘資沅澧跨流域水庫(kù)群聯(lián)合調(diào)度研究結(jié)果表明:與四流域水庫(kù)群?jiǎn)为?dú)優(yōu)化相比，通過(guò)補(bǔ)償，跨流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化平均每年可增發(fā)電量57 014 MWh，增幅為0.34%。其中，澧水流域?qū)β?lián)合優(yōu)化補(bǔ)償效益的貢獻(xiàn)最大，湘江流域最小，資水和沅水流域居中。湘資沅澧各流域?qū)缌饔蚵?lián)合優(yōu)化補(bǔ)償效益的貢獻(xiàn)分別為 16.36%，23.41%，17.98%和42.25%。研究結(jié)果表明，與流域梯級(jí)水庫(kù)群優(yōu)化相比，進(jìn)行跨流域水庫(kù)群聯(lián)合優(yōu)化可進(jìn)一步挖掘湖南電網(wǎng)水庫(kù)系統(tǒng)的潛力，提升水電系統(tǒng)總體效益。研究成果對(duì)于促進(jìn)湖南電網(wǎng)進(jìn)一步優(yōu)化四大流域水庫(kù)群的運(yùn)行方式、提高水電系統(tǒng)水能利用率、降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本具有重要的指導(dǎo)意義。

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Study on Compensation Benefit of Joint Dispatching of Inter-basin Reservoir Group in Hunan Power Grid

LIU Jianping1，CHENG Tao1，WU Yonggang2，CAO Wei1，DENG Xiaoliang1，CHEN Jia2
(1.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China；2.School of Hydropower and Information Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China)

A long-term joint optimization dispatching model of inter-basin reservoirs was established，by adjusting the POADPSA-DDDP hybrid algorithm for the four seasonal regulating basins(Xiang，Zi，Yuan and Li rivers)and the hydropower stations located above in Hunan Province.The amount of power generation based on joint dispatching compensation benefit is analyzed.The results show that the average annual generating capacity of the four basins is increased by 57 million kWh compared with the individual optimization in each basin，and the compensation benefit is considerable.The research results provide some guiding significance for rational operation of the operation mode of the four river basins and improve the comprehensive utilization rate of hydropower stations，and provide an example for enterprises to reduce the cost in the fierce market competition.

inter-basin；joint dispatch；compensation；progressive optimality algorithm；dynamic programming successive approximation；discrete differential dynamic programming

TV697.1；TM612

:B

:1008-0198(2017)02-0020-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.02.005

2016-07-15 改回日期:2017-03-02

劉建平(1963)，本科，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樗畮?kù)優(yōu)化調(diào)度。