第30卷第1期中国电机工程学报V ol.30 No.1 Jan.5, 201020 2010年1月5日Proceedings of the CSEE ©2010 Chin.Soc.for Elec.Eng.文章编号：0258-8013 (2010) 01-0020-07 中图分类号：TM 73 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40梯级水电站水库蓄能利用最大化的长期优化调度郭壮志，吴杰康，孔繁镍，祝宇楠(广西大学电气工程学院，广西壮族自治区南宁市 530004)Long-term Optimization Scheduling Based on Maximal Storage Energy Exploitation ofCascaded Hydro-plant ReservoirsGUO Zhuang-zhi, WU Jie-kang, KONG Fan-nie, ZHU Yu-nan(School of Electrical Engineering, Guangxi Univeristy, Nanning 530004, Guangxi Zhuang Autonomous Region, China)ABSTRACT: A hybrid water spillage strategy for cascaded hydro-plants was proposed to realize the optimal distribution of water resource. By taking cascaded hydro-plants as a whole, a novel long-term optimization scheduling model named maximal storage energy exploitation model was established based on the rules of minimizing water spillage electric quantity for the last hydro-plant, maximizing electric quantity increments and total power output of cascaded hydro-plants. A detailed mathematical model for water head was constructed, which can describe relations among water volume, water discharge, water spillage, forebay elevation and tailrace elevation. By using recursion thought, a mathematical model for water volume was presented which is composed by water spillage and water discharge. A proportion strategy and equivalent storage capacity constraint condition were applied to describe the characteristics of daily regulating hydro-plant. To testify the effectiveness of the novel model, an example for three hydro-plants was executed. The simulation results prove that the model can realize the optimal distribution of water resource and enhance the synthesis electricity generation benefit of cascaded hydro-plant.KEY WORDS: cascaded hydro-plant; maximal storage energy exploitation; long-term optimization scheduling; beneficial water spillage strategy; equivalent reservoir capacity 摘要：以强迫弃水和有益弃水的混合弃水策略为基础，将梯级水电站看作一个整体，建立蕴涵末级水电站弃水电量最小、水力资源电站间分配时的发电量增益最大和水电站总发电量最大的梯级水电站水库蓄能利用最大化长期优化调度数学模型。
构建了描述蓄水量、发电引用流量、弃水流量、水库前池水位和放水路水位之间关系的水电站水头特性详细数学模型。
基于递归思想，建立以弃水流量和发电引用流量表示的水库蓄水量表达式。
针对日调节水电站在长期优化调度中的特殊性，采用比例放大策略，建立了水库的等效库容约束条件。
以一个三级水电站为例进行仿真分析，以混合弃水策略为基础的水库蓄能利用最大化优化调度数学模型可以提高约4%的综合发电量，表明了有益弃水策略在合理分配水力资源和提高电站综合发电效益方面的有效性。
关键词：梯级水电站；蓄能利用最大化；长期优化调度；有益弃水策略；等效库容0 引言理论和实践表明，充分利用水能，优先开发水电能源，提高水能利用率，对于合理开发和使用其他非可再生能源如燃煤资源等具有重要作用[1-4]。
由于水电站来水随机性及空间分布不均衡性等因素的影响，自然调节并不能够实现水力资源的可持续高效利用，从而影响电能利用的连续性和稳定性，因此人们通过兴建水库的方式和采用现代优化技术[5-14]的手段进行优化调控，来实现水力资源在时间和空间上的合理分配。
梯级水电站之间存在电力和水力方面的双重联系，如何建立有效的电能生产优化调度数学模型来协调梯级水电站之间水资源的利用和分配已经成为当前研究的热点[15-23]。
目前，围绕着调度期内发电量最大[15-16]、水库蓄能最大[17]、调峰效益最大[18]、耗水量最小[19]及发电收益最大[20-23]等运行目标，建立了大量优化模型，其中基金项目：国家自然科学基金项目(50767001)；国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2007AA04Z197)；广西自然科学基金项目(桂科自0640028)；广西高校百名中青年学科带头人资助计划项目(RC20060808002)；广西壮族自治区教育厅科研项目(200808MS150)和广西壮族自治区研究生教育创新计划项目(105930901001, 105930904068)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50767001); The National High Technology Research and Development of China(863 Programme) (2007AA04Z197)．第1期郭壮志等：梯级水电站水库蓄能利用最大化的长期优化调度 21一些已经应用到工程实践中，提高了水电站运行的综合经济性。
上述所建优化调度数学模型对弃水处理大部分采用的是强迫弃水策略，即当水电站水库蓄水水位超过最大限制水位时产生弃水。
理论上该弃水策略并没有真正实现弃水的重复利用及其在梯级水电站之间的合理分配。
本文针对以发电为主的梯级水电站，采用强迫弃水和有益弃水相结合的弃水策略，建立能够描述水电站发电量最大、水力资源在梯级水电站之间的重新有益分配和最后一级水电站弃水损失最小的梯级水电站水库蓄能利用最大化的长期优化调度数学模型。
通过对现有以强迫弃水策略为基础的发电量最大优化调度数学模型和本文所建的优化调度数学模型的调度结果进行比较分析，表明所建模型能够实现水电站水能的合理分配和高效利用，提高了水电站的整体发电效益。
1 梯级水电站蓄能利用最大化优化调度策略1.1 强迫弃水与有益弃水相结合的水力资源分配强迫弃水策略的目的是在满足发电用水需求的同时，使水力资源最大程度地存储在水电站水库中，满足以后调度期内水电站发电用水的需求。
这种弃水策略对于单一运行的水电站是合理的，能够实现水力资源的可持续利用，然而梯级水电站之间既有电气的联系又有水力方面的联系，仅仅采用强迫弃水策略将不能够实现水资源的最优分配。
本文提出采用强迫弃水与有益弃水相结合的水资源分配策略，目的是为了实现弃水的重复利用，最大可能地发挥水力资源的发电效益。
在本文中，有益弃水指当上一级水电站在满足运行约束条件下，存储在水库中的部分水力资源如果在下一级水电站中利用能够增加梯级水电站总的发电效益将产生人为的放水。
采用1、2、3三级梯级水电站来解释有益弃水策略的水资源分配原理如图1所示。
Z i，iZ，Q i，S i(i=1, 2, 3)分别为水电站i的初始前池水位、产生有益弃水后的前池水位、发电引用流量和有益弃水流量。
图1三级梯级水电站Fig. 1 Three cascaded hydro-plants假定水电站的尾水水位和发电引用流量保持不变，水电站1损失的瞬时发电量为11119.81()P Z Z QΔ=−(1) 水电站2的瞬时发电量增益为22229.81()P Z Z QΔ=−(2) 水电站3的瞬时发电量增益为33339.81()P Z Z QΔ=−(3) 三级梯级水电站总瞬时发电量的增益为231P P P PΔ=Δ+Δ−Δ(4) 若水电站1的水库库容远远大于水电站2和3的水库库容，则水电站1适当的有益弃水不会使1PΔ太大，却可以增加水电站2和3的发电水头和发电流量，从而使水电站2和3的瞬时发电量增益之和23P PΔ+Δ有较大的值，使得梯级水电站总的瞬时发电增益PΔ大于零。
因此，有益弃水策略的目的就是实现水力资源在梯级水电站之间的重新分配以便实现最大的发电效益，对于实现水力资源的持续高效利用具有重要的意义。
针对梯级水电站的最后一级水电站仅采取强迫弃水策略，以便尽可能减少由于弃水而产生的发电效益损失。
在实际情况中有益弃水还可以增加下游水电站的发电引用流量，使得PΔ的值有适当的增加。
1.2 蓄能利用最大化优化调度数学模型1.2.1 目标函数在混合弃水策略的基础上，将梯级水电站作为一个整体处理，使最后一级水电站在调度期内的强迫弃水电量达到最小，同时重新合理分配梯级水电站间的水力资源，使以发电为主的梯级水电站获得最大的发电效益即水库蓄能利用的最大化。