第３０卷第２期２ ０ １ ２年２月水 电 能 源 科 学Ｗａｔｅｒ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ ＰｏｗｅｒＶｏｌ．３０Ｎｏ．２Ｆｅｂ．２ ０ １ ２文章编号：１０００－７７０９（２０１２）０２－００４９－０５基于总保证出力协调的梯级水库联合调度图研究黄春雷１，吴洪寿１，丁 杰１，余有胜１，邝录章２（１．国网电力科学研究院南京南瑞集团公司，江苏南京２１０００３；２．五凌电力有限公司，湖南长沙４１０００４）摘要：针对具有龙头调节的多个季调节性能及以上水库构成的串联梯级水电站的联合调度问题，借鉴单库水库调度图制作思想，基于梯级总保证出力协调原则，提出了梯级水库联合调度图制定的基本原理，以梯级总电量最大化为目标探讨了梯级水库联合调度图的优化方法，并以沅水为例研究了梯级联合调度图。
结果表明，该方法在梯级水头及水量充分利用、梯级相互补偿等方面作用显著，对提高梯级水电站的年均发电量和梯级总保证出力成效突出。
关键词：保证出力；梯级水库；联合调度图；水库调度规则中图分类号：ＫＴ７１＋２；ＴＶ７４文献标志码：Ａ收稿日期：２０１１－０５－２９，修回日期：２０１１－０７－２２作者简介：黄春雷（１９７３－），男，高级工程师，研究方向为水电及新能源运行调度，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｃｈｕｎｌｅｉ＠ｓｇｅｐｒｉ．ｓｇｃｃ．ｃｏｍ．ｃｎ 随着我国水电站建设的不断推进，在许多流域上构成了具有密切水力联系的梯级水库群，且相当一部分为干流控制型龙头和下游多个有调节能力水库串联的梯级。
对梯级水电站，尤其是具有多个季调节能力及以上水库构成的梯级水电站，若能利用梯级水库调节能力的差异和当前蓄水状态的不同实现联合调度，可充分发挥水库间的补偿调节作用，从而提高梯级水电站的发电量和保证出力。
梯级水库联合补偿优化调度常采用两种方法：①建立梯级水库联合调度数学模型，直接采用数学优化方法进行计算，由于水库中长期径流预报精度不高，其优化成果实用性较低；②以长序列径流优化计算方法制定出水库水位、出库流量、决策出力等因子，通过回归分析建立调度函数来指导水库调度，但回归技术决定了该方法为经验成果，概念性不强，直观性差，可用性很低。
在水库实际运行调度中，水库调度图使用广泛［１］，其制定原理反映了入库来水的运行规律，具有直观性好、操作简单、运行效果佳等特点。
但目前我国绝大多数水库的调度图是单库的，在梯级联合调度情况下，由于下游水库天然来水情况已被改变，上游电站为了发挥对整个梯级的调节补偿，也不可能完全按最初单库设计的方式运行，各电站原有的调度图已不能满足当前梯级联合调度需求。
因此，面临着制定梯级联合调度图以进一步提高梯级电站联合调度效益的问题，但国内对此研究较少［２，３］。
鉴此，本文从直观性、可操作性角度，以梯级总发电量最大化为目标，针对具有多年调节能力的龙头和多个有调节性能水库构成的串联梯级水电站，探索了基于总保证出力协调下梯级水库联合调度图的制作和使用方法，并在生产实际中进行了验证，结果表明该梯级水库联合调度图对提高梯级水库的联合调度效益作用显著、成效突出。
１ 基本原理１．１ 原则借鉴单库调度图的制作思想，采用常规调度图与优化调度规则相结合的方式，以逐步优化逼近的方法解决具有龙头调节的多水库梯级联合调度图制作问题。
在制作过程中遵循以下原则：①保证梯级各水库达到原有的设计防洪安全标准和满足综合利用需求；②充分发挥梯级龙头水库的调节作用，以梯级联合调度图指示出力作为协调整个梯级出力的依据；③发挥梯级水库间的补偿作用，减少水库的破坏深度和提高水能利用；④保留传统水库调度图大部分运行区域，采用符合传统习惯的水库调度图操作方式。
１．２ 制定流程梯级电站联合运行时，由于流域梯级水电站群间具有紧密的水力、电力联系，各级水电站发电效益受上、下游水电站的影响较大，下游水电站的调度用水直接受上游水电站的制约，而上游水电站的发电水头又可能受下游水库的回水影响。
因此，梯级水库调度图的计算充分考虑了梯级上下游之间的水力联系，以流域梯级总发电量最大为目标，制定结果符合传统调度图操作习惯，以直观、可操作的调度规则指导梯级水库联合运行，充分发挥梯级水电站群的水量和水头补偿作用，增加梯级总发电量。
本文针对梯级水电站联合调度中缺少直观调度指导工具的缺陷，以梯级水库的总保证出力协调和单库水库调度图为基础，梯级水库联合调度图制定流程见图１。
图１ 梯级水库联合调度图制定流程图Ｆｉｇ．１ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｆｏｒ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｇｒａｐｈ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｉｎｇｏｆ ｃａｓｃａｄｅ ｒｅｓｅｒｖｏｉｒｓ１．３ 计算原理调度图一般用调度线划分为降低出力区、正常工作区、加大出力区及调洪区４个基本工作区，以［Ｚｊ，ｔ，Ｚｊ＋１，ｔ］表示第ｊ工作区第ｔ时段的水位范围。
正常工作区为水电站按保证出力工作的区域；降低出力区为水电站小于保证出力工作的区域；加大出力区为水电站大于保证出力工作的区域；调洪区为汛期的调洪区段，有时各区域还细分为若干小区。
相应地调度线分为基本调度线和附加调度线。
基本调度线包括上基本调度线（又称防破坏线）和下基本调度线（又称限制出力线），体现了水电站的保证运行方式；附加调度线包括一组加大出力线、降低出力线和防弃水线，是体现了水电站在丰、枯水年对水量的利用方式。
本文针对基于梯级总保证出力协调下各水库调度线的制定，采用计算原理主要包括：①梯级逐级等出力计算的初始水库调度图绘制原理；②附加调度线适度加密和目标函数逐步逼近的调优思想；③基于梯级龙头水库总出力协调的调度规则抽取方法。
２ 调度图绘制及调度规则制定２．１ 初始调度图绘制 （１）梯级单库初始调度图绘制。
根据梯级水库的水力联系，构建梯级水库从上游到下游的水库拓扑关系，即水库Ｒｉ（ｉ＝１，２，…，Ｉ）为从上游到下游排序。
根据龙头水库选择的典型年，采用与龙头水库一致的供水和蓄水段，逐级采用等出力计算的独立水库调度图绘制方法制定各级水库初始调度图，时段的等出力计算流程见图２。
图２ 时段等出力计算流程图Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗ ｃｈａｒｔ ｆｏｒ ｅｑｕａｌ ｏｆ ｏｕｔｐｕｔｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ ｉｎ ａ ｔｉｍｅ－ｉｎｔｅｒｖａｌ下游水库典型年来水确定方法为：Ｑｉ，ｔ＝Ｑｑｉ，ｔ＋Ｑｃｉ－１，ｔ （ｉ＞１）（１）式中，Ｑｉ，ｔ为第ｉ水库ｔ时段的平均入库流量；Ｑｑｉ，ｔ为第ｉ水库ｔ时段的区间平均流量；Ｑｃｉ－１，ｔ为第ｉ水库的上游ｉ－１水库ｔ时段的经过调度图调节计算后的平均出库流量。
（２）梯级联合调度初始图绘制。
为使梯级水库发挥联合补偿运行作用，还需从整个梯级联合运行的角度绘制龙头水库的梯级联合调度初始图。
为不降低单库独立运行时的保证出力和简化研究，本文采用梯级水库的总保证出力ＮＴｂ等于各电站的保证出力之和的方式。
龙头水库梯级联合调度初始图以龙头水库为整个梯级的协调对象，以梯级总保证出力为协调因子，采用顺时序逐时段的计算方法。
单时段龙头水库梯级联合调度图绘制步骤如下。
步骤１ 确定龙头电站初始出力值。
Ｎ１，ｔ＝Ｎｔｔ－∑Ｉｉ＝２Ｎｉ，ｔ（Ｚｉ，ｔ） （Ｎ１，ｔ≥０）（２）式中，Ｎ１，ｔ为龙头水库水电站ｔ时段的出力；Ｎｔｔ为ｔ时段梯级总出力，此时Ｎｔｔ＝ＮＴｂ；Ｎｉ，ｔ为下游ｉ电站ｔ时段水位Ｚｉ，ｔ在调度图上的指示出力。
步骤２ 检验总保证出力。
根据既定的典型年来水和各水库初始调度图，各电站按调度图采用等出力方法进行水能计算，并对各电站最终的出力进行总保证出力检验，即：ΔＮ＝ＮＴｂ－∑Ｉｉ＝１Ｎｉ，ｔ＜ε（３）·０５·水 电 能 源 科 学 ２０１２年第３０卷第２期黄春雷等：基于总保证出力协调的梯级水库联合调度图研究式中，ΔＮ为梯级总出力与总保证出力偏差。
判别式（３）是否成立或判别Ｎ１，ｔ是否已达到预想出力，只需满足其中一个条件即可认为通过总保证出力检验，完成本时段计算；否则，将下游电站计算出力值代入式（２）重新计算龙头电站出力，再对总保证出力进行检验，直至满足判别条件需求为止。
以此类推采用不同典型年等出力计算方法完成各时段水能计算，根据水位计算结果取外包线即可完成保证出力线的制定。
步骤３ 绘制其他调度线。
采用类似方法分别绘制梯级加大出力区、降低出力区，完成梯级龙头水库联合调度图的制定，此时龙头水库调度图指示的出力为梯级总出力。
２．２ 调度图调优计算根据制定出的龙头水库初始联合调度图及下游各水库的初始调度图，以长序列径流资料为输入，采用目标函数逐步逼近方法对龙头水库梯级联合调度图和下级各水库初始调度图进行调优计算。
在长序列径流操作计算中，梯级某年的最低出力值Ｎｍｉｎ为：Ｎｍｉｎ＝ｍｉｎ∑Ｉｉ＝１Ｎｉ，ｔ （ｔ＝１，２，…，Ｔ）（４）式中，Ｔ为一年中计算的时段数。
假定以Ａｋ记录第ｋ年梯级水电站运行未发生破坏保证出力事件，则：Ａｋ＝１ Ｎｍｉｎ≥ＮＴｂ０Ｎｍｉｎ＜Ｎ烅烄烆Ｔｂ（５）所以，水库调度图的调优计算目标函数为：ｍａｘＥ＝１Ｋ∑Ｋｋ＝１∑Ｉｉ＝１∑Ｔｔ＝１Ｎｉ，ｔΔｔ（６）式中，Ｋ为长序列径流资料年数。
约束条件除考虑常规的水量平衡约束、水位约束、出库流量约束、电站出力约束外［４］，还需考虑梯级总保证率约束，即：１Ｋ∑Ｋｋ＝１Ａｋ≥ｐｂ（７）式中，ｐｂ为梯级总保证率要求。
优化过程的状态变量为调度图各调度线水位，采用从上游到下游梯级逐级长序列计算的逐步逼近目标函数值的寻优方法，并在寻优过程根据电站出力特性对加大出力区和降低出力区适度进行加密。
从上游到下级逐级遍历寻优一次记为一轮，直至本轮计算目标函数值与上轮计算结果收敛到一定的精度为止，从而完成整个梯级水库各调度图的寻优计算。
２．３ 调度规则拟定 按总出力协调原则，根据龙头下游各水库时段初水位在各自调度图中位置确定其运行出力；再在龙头水库梯级联合调度图上根据时段初水位Ｚ１，ｔ对应的指示出力区位置，确定梯级总出力Ｎｔｔ，按式（２）计算龙头水电站出力Ｎ１，ｔ，由公式计算原理可知：①当下游水库水位上升到加大出力或预想出力区时，龙头电站减少出力多蓄水；②下游水库出力低于保证出力时，龙头水库加大出力补水，使下游水库水位尽量回到发保证出力区位置；③当下游水库区间来水较大时，优先利用区间来水发电，减小龙头水电站发电出力甚至停机；④当各水库水位到正常蓄水位或汛限水位且有弃水发生时，则各电站分别按出库等于入库方式加大出力运行。
３ 实例沅水流域是我国十二大水电基地之一，目前已形成了以三板溪为龙头，由白市、托口、五强溪等调节性能良好的水库和其他日调节水库构成的梯级电站。
流域梯级开发剖面见图３。
图３ 沅水干流梯级开发剖面示意图Ｆｉｇ．３ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｒａｗｉｎｇ ｏｆ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆＹｕａｎｓｈｕｉ ｍａｉｎ ｓｔｒｅａｍ ｃａｓｃａｄｅ ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ具有调节能力水库水电站主要技术经济指标见表１。