ABSTRACT

Banduo reservoir, located in the source area of the Yellow River, is lack of specific operation schemes. There are many problems such as the freezing of the reservoir surface during the ice prevention period, the large amount of abandoned water in flood season and the drastic decrease of the power generation in dry season. In this paper, the short-term conventional operation model of constant output and the operation model of maximal power generation optimized by the genetic algorithm were established under daily and weekly periods. By comparing the power generation, abandoned water and output in different periods, it is found that the short-term optimal operation reduces the amount of abandoned water and increases the power generation. Initial operation mode of Banduo reservoir is obtained and optimal operation rules are derived. Banduo reservoir has the potential of weekly operation since the weekly results are better than the daily’s. This study can guide the actual operation of Banduo hydropower station in different periods, which can improve water resources utilization and economic benefit of power generation enterprises.

Keywords:Short-Term Optimal Operation, Maximal Power Generation, Genetic Algorithm, Banduo Hydropower

黄河源区班多水库的短期优化调度研究

王晓宇¹，白涛^1*，白钰²，畅建霞¹

¹西安理工大学，西北旱区生态水利工程国家重点实验室，陕西 西安

²黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁

收稿日期：2017年1月26日；录用日期：2017年2月18日；发布日期：2017年2月21日

摘 要

针对黄河源区班多水库尚缺乏指导其运行的具体的调度方案，且存在防凌期库面易结冰、丰水期有大量弃水、枯水期发电量急剧下降等问题，本文对班多水库分别建立了不同典型日、周调度的短期定出力常规调度模型和发电量最大优化调度模型，采用遗传算法求解优化调度模型。通过对比常规与优化的日、周调度中发电量、弃水及出力等结果，短期优化调度减少了弃水量，增加了发电量；获得了班多水库初步运行方式，揭示了班多水库的最优运行规律。研究发现：班多水库的周调度较日调度结果更为理想，具有周调节潜力。研究成果可用于指导班多水电站不同时期的运行调度，可提高水资源利用效率和发电企业的经济效益。

关键词 :短期优化调度，发电量最大，遗传算法，班多水电站

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1. 引言

班多水电站是黄河上游茨哈-羊曲河段的第2个梯级电站，以发电为主。目前，班多水库尚未有具体的操作规程，存在冬季库面易结冰，丰水期有大量的弃水，枯水期来水较小发电量急剧下降等问题，且由于班多上游未建有调节性能水库，受河道天然径流的制约，大部分时段不能满负荷运行 [1] 。因此，为解决班多冬季库面封冻、水库弃水、运行效率低等问题，充分发挥水电站的发电效益，本文开展班多水电站的短期常规调度和优化调度研究。

国内外对水库调度的研究已十分成熟。Jalali等提出了能处理连续和离散优化问题的多种群蚁群算法，并将其用于解决水库群优化调度的问题中 [2] 。陈立华等建立遗传算法(GA)求解多阶段最优化问题的数学模型，验证了改进策略在解决水库群优化问题方面的有效性和优越性 [3] ；朱彦刚构建了水沙联合调度多目标模型，采用遗传算法和多目标加权均衡排序相结合的方法进行多目标求解，得出了最佳水沙联合调度方案 [4] 。目前，对于黄河上游已经开展了大量的水库调度研究。马跃先等建立了黄河上游梯级水库防凌优化调度模型，增加了刘家峡水库防凌库容并提高了梯级电站效益 [5] ；靳少波等通过探讨黄河上游梯级电站(主要是龙羊峡、刘家峡电站)的联合调度方式，提出合理、可行、多方受益的建设性建议 [6] ；金文婷等建立了以梯级水电站水库调沙水量最大为目标的黄河上游梯级水库调水调沙模型，获得了龙羊峡、刘家峡梯级水电站水库相应方案下的合理库容 [7] ；白夏等以黄河上游沙漠宽谷河段为研究对象，建立了基于自迭代模拟优化算法的黄河上游梯级水库多目标水沙联合模拟优化调度模型，得到了黄河上游调水调沙最优方案，最大程度上发挥黄河上游水资源综合利用效益 [8] 。

近年来，水库优化调度研究以智能优化算法为主，且主要围绕黄河上游龙羊峡、刘家峡及其下游梯级联合调度展开，鲜有针对龙羊峡上游水库开展的优化调度成果。本文将结合防凌、防洪、发电等目标，以黄河源区班多水电站为研究实例，建立不同典型日、周的短期常规调度和优化调度模型，开展龙羊峡以上高海拔地区水库经济运行的研究，旨在构建班多水电站调度方式，揭示班多水库的最优运行规律。研究成果可用于指导班多水电站不同时期的实际运行，对提高水资源利用效率和发电企业的经济效益具有重要的应用价值。

2. 模型的建立及求解

为了与班多水电站各设计参数进行对比，本文建立定出力调节的常规调度。与此同时，班多作为以发电为主的水电站，在实际运行中发电量小且在汛期存在大量弃水。鉴于此，本文拟建立发电量最大的优化调度模型。

2.1. 常规调度模型

本文采用定出力求解常规调度模型。对于日调节水库而言，丰水时段尽量利用有限的调节库容多蓄水，减少不必要的弃水；之后利用水库蓄水补充发电流量，提高水量利用率，增加发电量 [9] [10] 。采用定出力方法的计算步骤如下：

1) 由计算时段内的平均入库径流量确定起始时段的调节流量Q_p，计算初始假定的定出力值N_R；

2) 由Q_p查得下游平均水位Z_d，假定发电流量Q_F，根据水位库容曲线确定上游平均水位Z_u，根据式(1)得到平均水头H；

3) 由式(2)计算出各时段平均出力N_Rj，若则重设Q_p并确定发电流量。当入库流量小于发电流量时，不足水量由水库供给；当入库流量大于发电流量时，多余水量储存在水库中，蓄满后水库弃水；

4) 计算时段结束时，水库末水位回到起调水位，否则重新设定N_R，如此循环；

5) 按式(3)计算平均电量。

(1)

(2)

(3)

式中：k为水电站出力系数；Δ H为平均水头损失；E为电站日平均发电量。

2.2. 优化调度模型的建立及求解

班多水电站的主要任务为发电，不承担下游防洪任务。因此，本文所建立的优化调度模型目标函数为发电量最大，将防凌、防洪等其他综合利用要求转为约束条件。

(1) 目标函数

(4)

式中：E为班多水库调度期内总发电量；N_t为水库t时段平均出力；为时段长；T为时段数目。

(2) 约束条件

① 水库水位：

(5)

式中：、分别表示水库t时段初和时段末的蓄水位，Z_c表示调度期初水库蓄水位，Z_e表示调度期末水库蓄水位。

② 水电站出力约束：

(6)

式中：、、分别表示电站t时段平均出力、最小和最大出力。

③ 防凌约束：防凌时段从11月初开始，次年3月底结束。

(7)

式中：表示水库t时段出库流量；、分别表示水库t时段防凌限制最小、最大出库流量。

④ 出库流量约束：

(8)

式中：、分别表示水库t时段最小、最大允许出库流量。

⑤ 水量平衡约束：

(9)

式中：Q_t1、Q_t2分别表示水库t时段入库、出库流量；、分别表示水库t时段初和时段末的库容。

⑥ 其他非负约束。

班多水库的优化调度为单目标问题，采用遗传算法求解。日调度时以小时为计算时段；周调度时以日为计算时段。求解发电量最大模型的步骤为：

Step 1：确定种群规模，最大迭代代数。M为群体大小，本文中日调度为50，周调度为10；T为遗传算法的终止进化代数，日调度为200，周调度为100。

Step 2：在水库水位可行变化范围内，随机选取t时段水库水位变化序列生成popsize组初始母体群。

Step 3：以发电量作为适应度函数值，计算各染色体的发电量，找出最优个体。

Step 4：采用“轮盘赌”模式的比例选择操作，找出适应度较高的一组染色体，即发电量最大的个体。

Step 5：对群体进行交叉、变异和精英选择策略操作，得到新一代群体。本文交叉概率P_c为0.3，变异概率P_m为0.1。

Step 6：判断是否满足终止条件，日调度拟定的最大进化代数为200，周调度为100。若满足条件，则比较每代个体的最优值，保存到目前为止的最优值，退出循环，并输出最优个体即最优解；若不满足条件，则以新一代群体为母体，转入Step 3继续执行。

3. 实例研究

黄河上游按地域划分为2段：龙羊峡以下至青铜峡河段为黄河上游的中下段，河段全长918 km；龙羊峡以上为黄河上游的上段，即黄河源区，其中从鄂陵湖湖口以下至龙羊峡库尾的羊曲坝址，河段全长1360 km [11] 。黄河上游梯级电站是目前国内综合利用任务最多、涉及区域最广、调度运行最复杂的梯级水电站群，承担着向陕、甘、青、宁电网供电以及下游地区防洪、防凌、灌溉等综合利用的任务 [12] 。现阶段，黄河上游电站以防洪、防凌和发电为主 [13] 。

本文考虑黄河上游综合利用任务及水文气象资料，查阅相关文献 [14] [15] ，将调度时段分为春汛期(4~5月)、汛期(6~10月)和防凌期(11~翌年3月)。

研究区域概况示意图如图1所示。班多是黄河龙羊峡以上、海拔3000 m以下水电规划的第2个梯级电站，位于青海省兴海县和同德县交界处 [16] ，距下游龙羊峡水电站176 km，坝址以上控制流域面积10.8万km²。2010年班多水电站首台机组投入运行，2011年竣工。目前，班多为“以水定电”的单一运行方式：在非汛期保持均匀发电；枯水期来水减少，发电量减少；汛期来水较大，兼顾经济运行和安全运行，水库以中低水头运行，产生大量弃水。

班多水库正常蓄水位2760 m，死水位2757 m，死库容880万m³，调节库容200万m³；电站装机容量360 MW，保证出力46.1 MW。

本文以军功站2010年1月至2015年12月以小时为尺度的径流资料作为班多水库的入库径流过程，从中选取了3个典型日及典型周，分别为防凌期2013年1月25日，2013年1月22~28日；春汛期2012年4月1日，2012年4月1~7日；汛期2012年9月7日，2012年9月4~10日。

3.1. 计算结果

图2和图3分别绘出班多水库日、周调度的水位过程。由图可知：

图1. 研究区域概况示意图

图2. 日调度水位变化过程

1) 防洪限制水位即正常高水位2760 m，各调度期水位均在死水位和正常蓄水位之间，满足水位限制条件；

2) 春汛期水位从2758 m起调，常规调度时，水库保持中低水头运行；优化调度时，水库保持高水头运行；

3) 汛期，水位从2759 m起调，常规调度时，水库水位在2759~2760 m上下波动；优化调度时，水库始终保持高水头运行；

4) 防凌期水位从2758 m起调，由于防凌期来水过少，前期按保证出力发电，多蓄水以抬高水位，最后加大出力发电，将水位回落至2758 m；常规调度中，均按保证出力调节，前期出库流量少，故水位变化过程与优化调度基本一致。

图4为班多水库日、周调度不同调度期的弃水流量。可以看出：(1) 在进行优化后，调度期内弃水显著减少；(2) 在防凌期，定出力常规调度的出力为46.2 MW，最后一刻水位回落至死水位后产生了少量弃水，而进行优化后无弃水产生。

图5为班多水库日、周调度不同调度期的出力值。可以看出：采用优化算法后，各调度期内平均出力均大于定出力，即发电量明显加大。

通过水位、弃水和出力的对比，各调度期的发电量均有明显提高，且弃水大幅减少，证明了在各时段入库流量不变的情况下，运用优化算法能在短期调度期内提高水电站的综合发电效益和弃水利用率。对比水位过程线可知：优化调度前期抬高水位多蓄水、后期高水位多发电的情况，充分反映了调节性能小的电站短期优化调度规律。

日优化调度与周优化调度的对比结果如表1。由表1可知：1) 与日调度相比，周调度在春汛、汛期和防凌

图3. 周调度水位变化过程

图4. 不同调度期弃水流量

图5. 不同调度期出力值

表1. 日和周优化调度结果对比表

期的增发电量分别是9.42、6.92、2.01万kW·h；2) 周调度汛期的弃水较日调度减少了1293 m³/s。可见，周调度的发电量效益与弃水利用率均高于日调度，其调度结果更为理想，说明班多水库具有周调度的潜力。

3.2. 水库运行规律

1) 防洪减灾要求

防洪减灾要求包括防洪和防凌要求，黄河源区班多水电站至龙羊峡河段防洪和防凌任务主要由下游多年调节水电站龙羊峡控制。因此，班多水库一般不承担水库下游防洪和防凌任务，只需预留足够防洪、防凌库容，以保证自身运行安全。

2) 水库水位运行规律

从发电量和弃水两方面，通过对比常规算法与优化算法的结果，考虑班多水电站单独工作时，春汛期水库从2758 m起调，前期少发电多蓄水，尽量维持正常蓄水位2760 m，根据来水情况发电；汛期，水库从2759 m起调，前期多蓄水以抬高水位，高水头天然径流发电；防凌期水库从2758 m起调，由于来水过少，前期按保证出力发电以抬高水位，最后加大流量发电。

通过分析黄河上游各电站资料及班多水库实际情况，班多水库应预留部分防洪库容和防凌库容。因此，汛期从2759 m起调合理；防凌期为使水库库区不结冰或冰层较薄，以免增加水库库区的冰压力，从2757 m起调更为合理，且要避免防凌期库区水位不动；春汛期水库从2760 m起调，维持高水头运行，且要满足下游生态流量的要求。

4. 结论与建议

1) 短期优化调度极大的减少了弃水量，显著地增加了发电量，提高了水资源利用率和发电企业的经济效益；

2) 班多水库周调度结果较日调度更理想，证明其具有周调节的潜力，为班多水库开展日、周优化调度提供了技术支撑；

3) 结合班多水电站的实际运行情况，获得了水库水电站初步的运行方式。下一步将深入开展黄河上游梯级水库群短期联合优化调度研究。

基金项目

水利公益性行业科研专项经费项目(201501058)；国家自然科学基金(51409210, 51179149, 51190093)。

文章引用

王晓宇,白 涛,白 钰,畅建霞. 黄河源区班多水库的短期优化调度研究
Short-Term Optimal Operation of Banduo Reservoir in the Source of Yellow River[J]. 水资源研究, 2017, 06(01): 24-32. http://dx.doi.org/10.12677/JWRR.2017.61004

参考文献 (References)