澤城西安水電站與東山供水泵站聯(lián)合運(yùn)行方式研究

盧怡璇，趙喜萍，李劍平，謝 洪，原志丹

（1.太原理工大學(xué)，山西 太原 030024；2.山西省旅游投資控股集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000；3.山西東山水務(wù)集團(tuán)有限公司，山西 太原 030000）

水是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)和命脈，適度建設(shè)跨流域調(diào)水工程是解決水資源問(wèn)題和保證區(qū)域社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的必然選擇[1]。泵站作為跨流域調(diào)水工程供水系統(tǒng)的核心機(jī)構(gòu)，電力消耗占供水端系統(tǒng)總用電量的90%以上，大部分供水系統(tǒng)泵站的運(yùn)行電費(fèi)占到供水總成本的40%～70%。因此，考慮用水電站發(fā)電補(bǔ)給泵站，節(jié)約泵站運(yùn)行成本。通過(guò)建立澤城西安水電站與東山供水泵站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，驗(yàn)證聯(lián)合運(yùn)行可行性，并提出供配電改造方案。

1 工程概況

山西省東山供水工程是山西省“十二五”期間重點(diǎn)建設(shè)的互聯(lián)互通工程之一，是長(zhǎng)距離、跨流域引調(diào)水工程，實(shí)現(xiàn)了汾河流域中游與漳河流域上游連通，是山西省大水網(wǎng)規(guī)劃體系中第五橫晉中—長(zhǎng)治線的規(guī)劃工程，是大水網(wǎng)的重要組成部分。供水體系分為調(diào)出區(qū)及調(diào)入?yún)^(qū)兩部分，工程從調(diào)出區(qū)3 縣的4 座水源地調(diào)水，并與調(diào)入?yún)^(qū)5 縣（市）的7 座已建水庫(kù)、水源結(jié)合，為調(diào)出區(qū)補(bǔ)充工農(nóng)業(yè)用水。

山西省澤城西安水電站（二期）工程位于山西省晉中市左權(quán)縣境內(nèi)的清漳河干流上。電站樞紐工程是以發(fā)電為主，兼顧防洪、養(yǎng)殖等綜合利用，并為下游梯級(jí)水電站調(diào)節(jié)發(fā)電用水的水電樞紐工程。山西省東山供水工程的二期水源地巖南溝一級(jí)提水泵站，處于澤城西安水電站大壩下游的一個(gè)區(qū)域內(nèi)，有利于統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理和統(tǒng)一運(yùn)行。

2 調(diào)度模型建立及求解

澤城西安水電站與東山供水泵站聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型建立及求解思路，澤城西安水庫(kù)水流經(jīng)發(fā)電引水洞接壓力鋼管，分岔后進(jìn)入水電站廠房，廠房為引水式地面廠房。水電站設(shè)計(jì)發(fā)電水頭45.25 m，設(shè)計(jì)引水流量為14 m3/s，安裝4 臺(tái)臥式混流式水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)容量為1 250 kW，電站總裝機(jī)功率5 000 kW，設(shè)計(jì)年平均發(fā)電量1 258 萬(wàn)kW·h。澤城水庫(kù)正常蓄水位852 m，死水位840 m，汛限水位848 m。

東山供水泵站巖南溝一級(jí)泵站從發(fā)電引水洞壓力鋼管設(shè)岔管引水，管線經(jīng)由電站排洪渠與上壩道路之間壓力鋼管到泵站，泵站主、副廠房位于二期水源大壩下游右側(cè)，為壩后式泵站。巖南溝一級(jí)泵站設(shè)有七臺(tái)水泵，其中五臺(tái)工作，二臺(tái)備用，泵型為臥式單級(jí)雙吸離心泵，配套電動(dòng)機(jī)功率均為800 kW。當(dāng)調(diào)水流量為1.25 m3/s 時(shí)，三臺(tái)水泵工作；當(dāng)調(diào)水流量為2.06 m3/s時(shí)，五臺(tái)水泵工作。

2.1 多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型建立

本模型建立優(yōu)先考慮發(fā)電、防洪、生態(tài)、供水，其次是泵站耗電等因素。在考慮入庫(kù)徑流、水庫(kù)蓄水位、下泄流量等約束前提下，合理制定水庫(kù)調(diào)度計(jì)劃，將澤城西安水電站所發(fā)電能，供給巖南溝一級(jí)泵站，以減少供水端耗電量，并將多余電能向外輸送，使有限水能發(fā)揮最大經(jīng)濟(jì)效益。因此，澤城西安水電站與東山供水泵站聯(lián)合運(yùn)行多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，是以澤城西安水電站發(fā)電量最大、供水量最大和同一調(diào)度期內(nèi)向外部供電量最大的方向制定目標(biāo)函數(shù)。

2.1.1 目標(biāo)函數(shù)

（1）澤城西安水電站發(fā)電量最大值

（2）供水量最大值

（3）同一調(diào)度期內(nèi)向外部供電量最大值

式中：E——調(diào)度期澤城西安水電站發(fā)電量，kW·h；

I——總調(diào)度時(shí)段數(shù)；

i——調(diào)度時(shí)段編號(hào)；

N電——第i時(shí)段水電站出力，kW；

Δt——第i時(shí)段調(diào)度時(shí)段長(zhǎng)，h；

W——調(diào)度期澤城西安水電站供水量，m3；

λ——輸水過(guò)程中的損失數(shù)；

qi——第i時(shí)段巖南溝泵站提水流量，m3/s；

E耗能——調(diào)度期巖南溝泵站耗能，kW·h；

P泵——第i時(shí)段泵站功率，kW。

2.1.2 約束條件

（1）水量平衡約束

式中：Vi——澤城水庫(kù)第i時(shí)段末庫(kù)容，m3；

Ii——澤城水庫(kù)第i時(shí)段入庫(kù)流量，m3/s；

qd——水電站引水流量，m3/s；

qi——澤城水庫(kù)第i時(shí)段消耗量，m3/s；

qs——澤城水庫(kù)下泄流量，m3/s。

（2）庫(kù)容約束

式中：Vmin和Vmax——分別為澤城水庫(kù)最小庫(kù)容和最大庫(kù)容，m3。

（3）流量約束

式中：qmin和qmax——分別為澤城水庫(kù)滿足生態(tài)基流的最小下泄流量和所允許的最大下泄量，m3/s。

（4）電站/泵站出力約束

式中：Nmin和Nmax——分別為電站出力的下限和上限，kW；

Pmin和Pmax——分別為泵站功率的下限和上限，kW。

（5）隧洞過(guò)流能力約束

式中：Qi——輸水隧洞第i時(shí)段的流量，m3/s；

Qmax——輸水隧洞的流量上限，m3/s。

2.2 模型求解

因主要考慮設(shè)計(jì)工況下的優(yōu)化調(diào)度，故針對(duì)此多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度模型，將澤城西安水電站最大發(fā)電量以及供水量最大轉(zhuǎn)化為約束條件，從而將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解同一調(diào)度期內(nèi)向外部供電量最大的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題。

為解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了許多算法，如馬龍偉采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（DP）對(duì)模型進(jìn)行求解[2]；史亞軍等基于離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法（DDDP）改進(jìn)，提出灰色離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃法（GDDDP）[3]來(lái)求解；劉新等則采用了逐步優(yōu)化法（POA）[4]；也有陳立剛等采用遺傳算法（GA）[5]進(jìn)行計(jì)算求解；羅德河等采用模擬退火算法（SAA）[6]求解并進(jìn)行了水庫(kù)優(yōu)化調(diào)度圖的繪制；還有李璐等基于改進(jìn)粒子群算法（POS）[7]等。上述研究中所采用的算法都能有效對(duì)優(yōu)化運(yùn)行開(kāi)展研究。但是，DP 法求解時(shí)，計(jì)算速度會(huì)隨著計(jì)算精度的提高而下降，出現(xiàn)“維數(shù)災(zāi)”問(wèn)題；遺傳算法求解時(shí)，容易出現(xiàn)早熟、局部收斂的現(xiàn)象[8]。人工魚群算法（簡(jiǎn)稱AFSA）是一種隨機(jī)搜索智能啟發(fā)式算法，它基于模擬魚群行為，通過(guò)利用魚的覓食、聚群和追尾行為作為算子，以模擬構(gòu)造每個(gè)人工魚的底層行為做起，通過(guò)魚群中個(gè)體的局部尋優(yōu)達(dá)到全局最優(yōu)值在群體中突顯出來(lái)的目的，該算法具有良好的克服局部極值取得全局極值的能力，并且具有快速收斂的特點(diǎn)[9]。因此本文通過(guò)人工魚群算法對(duì)模型進(jìn)行求解。

求解過(guò)程中各參數(shù)：人工魚群規(guī)模為100，移動(dòng)步長(zhǎng)0.3，視野范圍2.5，try_number=50，擁擠度為1，最大迭代次數(shù)為50。將算法隨機(jī)運(yùn)行40 次。來(lái)水量數(shù)據(jù)根據(jù)已知的1956—2008 年月來(lái)水量，選取1985 年為代表年進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 人工魚群算法計(jì)算結(jié)果

由計(jì)算結(jié)果可得出，通過(guò)聯(lián)合運(yùn)行，澤城西安水電站在保證巖南溝泵站運(yùn)行耗電的同時(shí)還可向外輸送1 353 312.48 kW·h 的電能。通過(guò)優(yōu)化調(diào)度，總發(fā)電量為1 354.531 2 萬(wàn)kW·h 超過(guò)設(shè)計(jì)年均總發(fā)電量1 258 萬(wàn)kW·h，但1—4、6—7 月仍需引用外部電能以滿足供水需求。年供水量能夠達(dá)到2 260.396 8 萬(wàn)m3，能夠滿足供水需求。

3 供配電實(shí)現(xiàn)途徑

由于兩個(gè)工程的建設(shè)期均未考慮聯(lián)合運(yùn)行的情況，按照目前的工程布置，無(wú)法滿足聯(lián)合調(diào)度和運(yùn)行的必要條件。因此，仍需對(duì)兩個(gè)工程進(jìn)行必要的改造。

3.1 供電電源的改造

澤城西安二期水電站電源接入點(diǎn)為銅峪35 kV變電站，巖南溝一級(jí)泵站電源接入點(diǎn)為上武110 kV變電站。兩站必須整合一個(gè)接入點(diǎn)，通過(guò)調(diào)研與分析，上武110 kV 變電站具有更高的系統(tǒng)容量，更可靠和穩(wěn)定的供電能力。因此，建議統(tǒng)一上武110 kV 變電站為工程電源。

3.2 電氣主接線的結(jié)構(gòu)改造

改造兩站的電氣主接線以及相關(guān)的繼電保護(hù)系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)兩站聯(lián)合運(yùn)行的重要條件。其方案主要有兩種：

3.2.1 方案一：在電站35 kV 母線側(cè)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行（見(jiàn)圖1）

圖1 在電站35 kV 母線側(cè)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行示意圖

方案一特點(diǎn)：一是兩站聯(lián)合調(diào)度緊密，接線清晰，運(yùn)行方式靈活，需改造電站35 kV 側(cè)電壓等級(jí)，改造出線結(jié)構(gòu)；二是繼電保護(hù)系統(tǒng)可以構(gòu)建完整統(tǒng)一的模式，有利系統(tǒng)的安全性；三是系統(tǒng)穩(wěn)定性較弱，容易受到泵組啟動(dòng)對(duì)電站的影響，需要增加完善的保護(hù)措施。

3.2.2 方案二：在電站35 kV 出線后側(cè)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行（見(jiàn)圖2）

圖2 在電站35 kV 出線后側(cè)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行示意圖

方案二特點(diǎn)：一是兩站最大程度地保持原有的接線結(jié)構(gòu)，運(yùn)行方式相對(duì)獨(dú)立，需與供電部門對(duì)接，擴(kuò)大企業(yè)的供電管理范圍，需新增出線柜以及相關(guān)配套設(shè)備，改造費(fèi)用較高；二是泵站由于與電站電源過(guò)近，當(dāng)變更供電方式情況下，站內(nèi)電壓容易產(chǎn)生不穩(wěn)定的情況。為了穩(wěn)定泵站內(nèi)的運(yùn)行工況，建議主變壓器改造為有載調(diào)壓變壓器；三是本方案對(duì)于電網(wǎng)沖擊較小。

綜合評(píng)價(jià)，以電站和泵站聯(lián)合運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性為主的原則，推薦采用第二種方案。

4 結(jié)論

東山供水工程、中部引黃工程、小浪底引黃工程等長(zhǎng)距離供水工程，通過(guò)調(diào)配豐枯不均的水資源，為地區(qū)工、農(nóng)業(yè)用水及經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了強(qiáng)有力的水支撐，具有重要的戰(zhàn)略意義[10]。但隨著用水規(guī)模不斷擴(kuò)大，供水系統(tǒng)的復(fù)雜性也隨之提高，泵站、水庫(kù)及水電站之間的運(yùn)行可靠性、經(jīng)濟(jì)性也日益被人們所重視。通過(guò)建模計(jì)算，對(duì)澤城西安水電站與東山供水泵站聯(lián)合運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了水電站發(fā)電供給泵站整合，節(jié)省泵站運(yùn)行成本，提高工程經(jīng)濟(jì)效益的目的。但模型建模時(shí)僅考慮了澤城西安水電站與巖南溝一級(jí)泵站聯(lián)合運(yùn)行，東山供水工程作為跨流域、長(zhǎng)距離供水工程，還可以進(jìn)一步研究工程全線的優(yōu)化調(diào)度運(yùn)行。