（水利水电工程专业论文）大别山水库群优化调度研究.pdf

合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学硕 一 士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 主席： 阻协j 笛 知历i - f d , 馏刎以降毒】 委员： 倦毁 铷j t k _ 1 以天多 书话已侃王8 越 导师：彳钎钥噬 别叛覆 孑j 极旋 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 一一 。 知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签字：彻。龋，签字日期：加，f 年月亏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金壁王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金月巴王些太 兰l 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：程蕊厢， 导师签名： 签字日期圳年牛月习日 渤们哩 签字日期：如年牛月刁日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：啪拇怵电勘劂波计隐 通讯地址：金解帝淘浆略f 巧g 电话：，和巧幻桫 邮编：2 枷孚 大别山水库群优化调度研究 摘要 大别山水库群是位于安徽省西部的佛子岭、磨子潭、响洪甸和白莲崖四座 大型水库，共同承担着城镇供水、农业灌溉、发电、防洪等方面任务，对大别 山水库群进行优化调度研究，能更大限度地发挥大别山水库群防洪、发电、灌 溉、供水等综合效益。 本文以磨子潭、白莲崖、佛子岭和响洪甸四座水库长系列来水资料和用水 资料为基础，运用运筹学理论建立大别山水库群多目标优化调度数学模型，分 别采用改进判别系数法、耗水率加权动态空库系数法和动态空电库容系数法三 种近似优化算法以及增量动态规划方法，进行长系列和典型年水库群调度研究。 计算出长系列及不同来水频率下四库群的年水资源利用量、发电量和弃水量等 指标，对计算结果进行分析，确定大别山水库群的最优运行方式，以提高水资 源的综合利用效率。 通过优化调度，大别山水库群多年平均发电量较实际总发电量增加1 0 左 右，水资源得到更充分地利用，本研究成果，为大别山水库群的调度提供了参 考依据。 关键词：水库群；优化调度；判别系数法；空库系数法；增量动态规划 s t u d yo no p t i m a lo p e r a t i o no fr e s e r v o i r si n d a b i em o u n t a i n a b s t r a c t r e s e r v o i r si nd a b i em o u n t a i na l et h ef o u rl a r g er e s e r v o i r sw h i c hl o c a t e di nt h ew e s t o fa n h u ip r o v i n c e ，n a m e df uz i l i n g ，m oz i t a n ，x i a n gh o n g d i a na n db a il i a n y a t h e r e s e r v o i r ss h a r e 谢t 1 1t h et o w nw a t e rs u p p l y , a g r i c u l t u r a li r r i g a t i o n ，p o w e rg e n e r a t i o n ，f l o o d c o n t r o la n do t h e ra s p e c t so ft h et a s k t h eo p t i m a lo p e r a t i o no ft h er e s e r v o i r sc a np l a ya g r e a t e re x t e n tt h eb e n e f i t so nt h ef l o o dc o n t r o l ，p o w e rg e n e r a t i o n ，i r r i g a t i o n ，w a t e rs u p p l y a n do t h e ra s p e c t s i nt h i sp a p e r , am u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nm o d e lh a sb e e nm a d eb yo p e r a t i o n s r e s e a r c ht h e o r y , b a s e do nal o n gs e r i e so fr u n o f fa n dw a t e rd a t eo ft h ef o u rr e s e r v o i r s t h r e e a p p r o x i m a t eo p t i m i z a t i o n ，w h i c ha l et h ei m p r o v e dd i s c r i m i n a n tc r i t e r i o nm e t h o d ，w a t e r c o n s u m p t i o nr a t ew e i g h t e dd y n a m i ce m p t ys t o r a g ec o e f f i c i e n tm e t h o da n dd y n a m i cs p a c e p o w e rs t o r a g ec o e f f i c i e n tm e t h o d ，a n di n c r e m e n t a ld y n a m i cp r o g r a m m i n ga r eu s e di nt h e l o n gs e r i e sa n dat y p i c a ly e a r sr e s e r v o i rs c h e d u l i n g 皿ea m o u n to f a n n u a lw a t e ru s e ，p o w e r g e n e r a t i o na n dd i s p o s a lo fw a t e ra n do t h e ri n d i c a t o r so ft h ef o u rr e s e r v o i r sh a v eb e e n c a l c u l a t e da n da n a l y z e d t h e nw ec a nd e t e r m i n et h eo p t i m a lo p e r a t i o no ft h er e s e r v o i r st o i m p r o v ew a t e ru t i l i z a t i o ne f f i c i e n c y b yo p t i m i z i n gt h es c h e d u l i n g ，t h ea n n u a lp o w e rg e n e r a t i o no ft h er e s e r v o i r si nd a b i e m o u n t a i n si n c r e a s e db y10 t h a nt h ea c t u a lt o t a lg e n e r a t i n gc a p a c i t y w a t e rr e s o u r c e sc a n b em o r ef u l l yu t i l i z e da n dt h er e s u l t so ft h i ss t u d yc a np r o v i d ear e f e r e n c ef o rt h er e s e r v o i r s s c h e d u l i n g k e y w o r d s ：r e s e r v o i r s ；o p t i m a lo p e r a t i o n ；d i s c r i m i n a n tc o e f f i c i e n t ；e m p t y s t o r a g e c o e f f i c i e n t ；i n c r e m e n t a ld y n a m i cp r o g r a m m i n g 致谢 本文是在导师徐得潜教授的悉心指导下完成的，他渊博的知识、严谨的治 学态度和敏锐的洞察力使我受益匪浅。在已度过的两年半的研究生学习兰活中， 导师不仅在学习和科研上对我倾注了大量心血，还在生活上给予我无微不至的 关怀和照顾，教会了我做人处事的道理，让我受益一生。在此对导师徐得潜教 授致以最崇高的敬意和最真诚的感谢! 在研究过程中，得到了安徽省水利水电勘测设计院陈昌才处长、省水文局 丁峰处长、淠史杭管理总局及水库管理单位等单位领导的关心和支持，在此向 他们表示感谢! 感谢我的父母，他们给了我极大的支持，是他们的关怀和照顾，对我的鼓 励和帮助，使得我顺利地完成学业。感谢王慧副教授、童芳老师在论文研究过 程中给予指导和建议，感谢师姐丁爱生、同门王梅婷、陈勇、陈凯对本论文写 作的帮助，感谢所有师兄弟们长期对我的支持，在此表示万分的感谢! 最后，感谢评阅本论文以及参加论文答辩的专家和老师，感谢母校合肥工 业大学对我的培养! 作者：程螈螈 2 0 11 年3 月7 日 目录 第一章前言1 1 1 课题背景及意义一1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1国外研究现状l 1 2 2国内研究现状2 1 3 大别山水库群概况3 1 4 本论文研究内容和研究思路4 第二章水库群优化调度模型6 2 1 目标函数一6 2 2 约束条件一7 2 3 求解思路_ 一9 2 4 水库群优化调度有关资料l o 2 4 1 资料收集1 0 2 4 2资料整理分析10 第三章近似优化算法及其改进1 7 3 1 判别系数法及其改进1 7 3 1 1 常规判别系数法1 7 3 1 2 判别系数法的改进1 9 3 1 3改进判别系数法的求解步骤2 3 3 2 动态空库系数法及其改进2 7 3 2 1 动态空库系数法一2 7 3 2 2 发电耗水率加权动态空库系数法j 2 7 3 2 3动态空电库容系数法2 8 3 2 4改进动态空库系数法求解步骤2 9 第四章大别山水库群的动态规划求解。3 2 4 1 动态规划及增量动态规划3 2 4 2 求解思路3 3 第五章大别山水库群优化调度结果。3 6 5 1 改进的判别系数法调度结果3 6 5 2 动态空库系数法调度结果3 6 5 3 增量动态规划调度结果4 l 5 4 大别山水库群实际调节性能讨论一4 2 5 5 灵敏度分析及实时优化调度研究4 2 第六章结论与建议4 5 6 1 结论4 5 6 2 讨论4 5 6 3 建议4 5 参考文献? ? = = ”竺4 7 插图清单 _ ，一 图2 1大别山水库群汇水面积示意图13 图3 1大别山水库群位置示意图i9 图3 2损失水头及增加水头示意图2 0 图3 3判别系数法编程框图2 5 图3 4动态空库系数法编程框图3l 图4 一l增量动态规划计算框图3 5 表格清单 表2 1磨子潭水库容积特性曲线拟合结果1 1 表2 2响洪甸水库入库流量修正基流值1 2 表2 3大别山水库群区间来水计算示例( 2 0 0 2 年) 1 4 表5 1枯水年优化调度结果( 19 7 8 年) 3 8 表5 2平水年优化调度结果( 2 0 0 2 年) 3 8 表5 ：3丰水年优化调度结果( 1 9 9 1 年) 3 8 表5 - 4改进判别系数法长系列计算结果3 9 表5 5耗水率加权空库系数法长系列计算结果4 0 表5 - 6动态空电库容系数法长系列计算结果4 1 表5 7枯水年增量动态规划调度结果( 1 9 7 8 年) 4 2 表5 8平水年增量动态规划调度结果( 2 0 0 2 年) 4 2 表5 - 9丰水年增量动态规划调度结果( 1 9 9 1 年) 4 3 第一章前言 1 1课题背景及意义 大别山水库群是指位于安徽省西部的佛子岭、磨子潭! 响洪甸、自莲崖四 座大型水库，白莲崖水库是近期新建的，其他三座水库均建设于上世纪五十年 代，已运行5 0 多年，在城镇供水、农业灌溉、发电、防洪等方面发挥了重要作 用，取得了重大的经济效益和社会效益。经过5 0 多年的变迁，大别山水库群的 汇水区域及服务区域的自然条件、水库水电站本身情况及社会环境等都发生了 较大的变化。佛子岭、磨子潭、响洪甸水库进行了加固及改建，响洪甸增装抽 水蓄能机组，新建了白莲崖水库等，原有的特征水位、兴利调度和防洪调度规则等 已不适应这些变化。要在新的特征水位及兴利防洪调度规则下，对大别山水库群进行 优化调度，以最大限度的发挥大别山水库群防洪、发电、灌溉、供水等综合效益。 实行大别山水库群统一调度，一是能增强水库的调节能力，提高防洪能力， 解决好防洪、供水与发电之间的矛盾，使有限的水资源得到充分利用，缓解皖 西皖中地区工农业用水矛盾，提高水资源的利用效率；二是有益子改善皖西、 皖中地区生态环境；三为大别山水库群制定一套切实可行的运行水位控制线及 供水期与蓄水期的调度运行规则，以指导水库的实际运行，并为将来实行水库 群实时调度和建立系统决策支持系统奠定基础，彻底解决大别山水库群运行管 理问题【l l 。 1 2国内外研究现状 1 2 1国外研究现状 水库优化调度的方法子2 0 世纪4 0 年代国外提出，最早由美国学者m a s s e 将优化概念引入解决水库调度问题中，1 9 5 5 年，美国的l i t t l e l 2 j 提出随机动态 规划调度模型对水库优化调度问题进行研究，从而标志着用系统科学方法研究 水库优化调度的开始p ，4 j 。 实行水库优化调度常用的优化方法有线性规划法、动态规划法、非线性规 划法、多目标优化分析法和大系统分解协调法等【5 】。线性规划法是最早、最简 单的一种规划方法，d o r m a n 在1 9 6 2 年用确定型线性规划模型求解水库调度问 题【6 1 ，在1 9 7 6 年，h a l l 和s h e p h a r d 7 1 对水库优化问题，建立了线性规划和动态 规划的耦合模型；非线性规划法可以有效地处理不可分目标函数和非线性约束 问题，1 9 8 3 年q w m a r t i n 用非线性规划法求解了2 7 座水库的联合调度问题垆1 ； 动态规划是应用最为广泛的优化方法之一，适用于水库群优化调度多阶段决策， t u t g e o n 8 】于1 9 8 1 年运用随机动态规划和逼近法解决了并联水库群的优化问题， f o u f o u l a t 9 】等于1 9 8 8 年提出了梯度动态规划算法( g d p ) ，能够有效地减少由于 水库数目增加“维数灾 现象；由于大多数水库是综合利用水库，不止一个目 标，所以引入了多目标优化分析方法，b e c k o r 于l9 8 2 年用约束扰动法来研究 水库群系统的多目标问题，m o h a n t l 0 】在1 9 9 2 年对某一流域水库群建立了线性多 目标问题；大系统分解协调法是将复杂的大系统分解为若干简单的子系统，实 现子系统局部最优化，然后根据大系经的总任务和总目，使各子系统互相配合， 实现全局最优化。对于大规模水库群系统，以地理位置为基础可以划分为几个 子系统，t u r g e o n 在1 9 8 0 年用逐步聚合的方法将多维状态变量优化问题逐步转 化成多个两维状态变量问题处理，同时还分别提出并联和串联水库的聚合计算 方法，v a d l e s 在1 9 8 2 年用聚合分解方法进行了水电站水库群的实时调度研究， 利用聚合模型将库群聚合为一等价水库再进行优化1 6 j 。同时，遗传算法、蚁群 算法等智能算法在水库优化调度中也得到广泛地应用。 1 2 2国内研究现状 国内学者于2 0 世纪8 0 年代开始研究水库群随机优化调度问题，以单一水 库优化调度的理论和方法为基础，综合运用规划优化算法，取得了丰硕的成果。 王厥谋【l l 】在1 9 8 5 年建立了第一个线性规划模型进行防洪优化调度，许自达l l 2 j 在1 9 9 0 年用线性规划方法求解了并联水库群联合调度，都金康i l j 】等于1 9 9 5 年 构造了并联水库的线性规划模型，用两种替代解法求解；在非线性规划法应用 方面，罗强等2 0 0 1 年建立了水库群系统的非线性网络流规划法，并提出了逐次 线性化与逆境法相结合的求解方法；虞锦江教授于1 9 8 3 年提出水电站水库洪水 优化控制模型，李文家【1 4 】等以下游超标洪水最小的准则，建立了黄河三门峡一 陆浑一故县三水库联合防御下游供水的动态规划模型，邵东国i ”j 于1 9 9 6 年建 立了有模糊约束条件的防洪优化调度模型，艾学山6 】等于2 0 0 7 年利用可行搜 索一离散微分动态规划方法研究黄河上游梯级水库，以求得水库群优化调度的 较好解。在解决多目标优化问题方面，张玉新i l7 】等于1 9 8 6 年提出多维决策多 目标动态规划的一般模型和求解方法，林翔岳【l8 j 等对某水库群的多目标优化调 度问题采用多目标、分层次的方法进行了研究，黄志中i l9 j 等于1 9 9 4 年提出了 水库防洪系统多目标决策模型，以水库、大坝安全、水库防洪保护区淹没损失 最小为目标，以多个防洪效果指标为评判标准，寻求最优协调解，有效地降低 了防洪系统的风险等等1 2 。 由于水库群优化调度在建立模型和计算上是极其复杂的，一些专家学者提 出了几种近似优化算法来简化水库群优化调度过程，近似优化算法概念直观简 单，计算方便，常用的近似优化算法有判别式法和空库系数法。判别式法以损 失的不蓄电能最小为目标，进行蓄放水次序的确定，张铭等在2 0 0 7 年结合水库 常规调度图，对判别式法的判别式进行修正，使计算结果更为合理，并用该方 法对长江中上游的l l 座大型水电站进行调度，李安强等采用与水库调度图相结 合的判别式法对清江梯级和三峡梯级组成的跨流域水电站群进行联合调度研 究，效益增加显著。空库系数法是朱颖元于2 0 0 1 年提出的一种以弃水量最小为 目标函数的近似优化算法，2 0 0 5 年又提出了动态空库系数法的图解算法，王勇 2 于2 0 0 7 年提出将水文年度分为枯水期和丰水期，分别计算空库系数的分期空库 系数法，有较好的实用价值。 由于水库群之间有水文、水力等方面的联系，水库群优化调度极其复杂， 到目前为止，还不能用数学模型准确地描述其过程，仍需要假设一些限制条件， 借助模拟和经验函数来描述，存在一定的误差，精度不高，是水库群优化调度 有待进一步研究之处。目前，水资源开发管理水平和计算机技术发展迅速，进 一步推动水库群优化调度技术研究，神经网络、蚁群算法等智能算法在水库群 优化调度的应用是水库群优化调度研究的发展趋势。 1 3 大别山水库群概况 大别山水库群分布在淠河上，淠河是淮河南岸主要支流之一，源出安徽省 西南部大别山北麓，有东西二条主要源流，即东淠河和西淠河，已分别建有佛 子岭和响洪甸二座大型水库。东淠河佛子岭以上又分二支：东支黄尾河上已建 有磨子潭水库；西支漫水河上建有白莲崖水库。东淠河自佛子岭水库以下流经 霍山县城北侧至六安市境内的两河口处与西淠河相会，向北流经横排头、六安 市城区西侧至寿县境内的正阳关西南注入淮河，全流域面积6 0 0 0k m 2 。史河是 淮河中游南岸的一级支流，在史河上建有梅山水库，全流域面积6 8 8 0k m 2 。杭 埠河为长江一级支流裕溪河巢湖闸上主要入湖支流，在杭埠河上建有龙河口水 库，全流域面积4 2 4 6k m z l “j 。 佛子岭水库位于安徽省霍山县境内淮河南岸支流淠河东源一一东淠河上， 距下游霍山县城1 7 k m ，东与杭埠河为界，西与响洪甸水库为邻，南源于大别山 北麓，北流至两河口与响洪甸水库汇合，再经横排头、六安、冯集至正阳关汇 入淮河。水库流域面积1 8 4 0 k m 2 ，占淠河全流域的3 0 7 。佛子岭水库设计洪 水位1 2 5 9 7 m ，校核洪水位1 2 9 8 m ，正常蓄水位1 2 5 5 6 m ，汛限水位1 2 2 5 6 m ， 死水位1 0 8 7 6 m ，总库容4 9 1 亿m 3 ，兴利库容2 7 亿m 3 ，调洪库容1 5 6 亿m 3 ， 死库容1 2 5 亿m 3 ，为年调节水库。佛子岭水库现有水电站装机容量为3l m w ， 7 台发电机组，单机最大过水流量3 4 4 m 3 s ，电站主要结合灌溉供水或利用泄 洪弃水发电，原则上不单独为发电目的而放水入横排头水库。现状情况下多年 平均发电量为1 0 5 4 0 万k w h 2 2 , 2 3 j 。 磨子潭水库位于安徽省霍山县境内东淠河的东支流上，与佛子岭水库形成 梯级枢纽，距佛子岭水库大坝上游2 5 k m 处，坝址以上控制流域面积5 7 0 k m 2 。 磨子潭水库校核洪水位2 0 3 7 9 m ，设计洪水位1 9 7 2 8 m ，正常蓄水位1 8 7 o m ， 汛限水位1 8 2 5 m ，死水位1 6 3 o m ，总库容3 4 7 亿m 3 ，兴利库容1 3 7 亿m 3 ， 调洪库容1 9 1 亿m 3 ，死库容0 5 3 亿m 3 ，为年调节水库。磨子潭水库现有水电 站装机容量为1 8 m w ，1 台发电机组，最大过水流量3 7 4 m 3 s ，电站主要结合 灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独为发电目的而放水入佛子岭水库。 现状情况下年均发电量5 6 5 3 万k w h t 2 4 j 。 3 响洪甸水库位于淮河支流西淠河上游金寨县境内，距下游六安市独山镇 1 6 o k m ，水库控制流域面积为1 4 0 0k m 2 ，占淠河全流域面积6 0 0 0 k m 2 的2 3 3 。 淠河流域地势南高北低，南部霍山及独山以上全属山区，占全流域面积的7 3 ： 霍山、独山至横排头间为丘陵区，横排头以下为平原区。响洪甸水库是以防洪、 灌溉为主，结合发电、兼顾水产、航运等综合利用的大( i ) 型水利枢纽工程。校 核洪水位为1 4 5 2 6 m ，设计洪水位为1 4 0 6 6 m ，正常蓄水位为1 2 8 o m ，汛限水 位1 2 5 o m ，死水位1 0 0 o m 。水库总库容2 6 1 3 亿m 3 ，兴利库容1 1 7 8 亿m 3 ， 调洪库容1 3 8 6 亿m 3 ，死库容2 3 4 亿m 3 ，为多年调节水库。响洪甸水库现有 常规水电站装机容量为4 0 m w ，4 台发电机组，单机最大过水流量3 0 m 3 s ，主 要结合灌溉供水或利用泄洪弃水发电，原则上不单独为发电目的而放水，引用 发电最大流量1 2 0 m 3 s ，而灌区设计最大灌溉流量3 0 0 m 3 s ，在灌溉或泄洪期间， 经常产生弃水，现状情况下多年平均发电量0 9 3 亿k w h 。1 9 9 9 年响洪甸水 库扩建装机容量为8 0 m w 的抽水蓄能机组，可将响洪甸水库每年弃水2 8 亿 m 3 转化为电能，可使响洪甸水库不必为灌溉放水而开启泄洪隧洞，同时可利用 其它弃水量发电，每年增加发电量o 4 l 亿k w h ；蓄能机组年均发电量1 1 0 亿k w h i 2 5 2 8 l 。 白莲崖水库位于安徽省六安市霍山县，水库流域属省西南部大别山北麓。 坝址地处淮河南岸主要支流淠河的主源漫水河上，距淠河入淮口1 8 9 k m ，下游 2 6 k m 为已建的佛子岭水库，白莲崖水库流域面积7 4 5 k m 2 。白莲崖水库项目以 防洪为主，提高佛子岭水库的防洪标准至设计的5 0 0 0 年一遇，兼有发电、灌溉、 供水等综合利用效益。白莲崖水库校核洪水位2 3 4 5 m ，设计洪水位2 0 9 2 4 m ， 正常蓄水位2 0 8 o m ，汛限水位2 0 5 o m ，死水位1 8 0 o m 。水库总库容4 6 0 亿 m 3 ，兴利库容1 4 2 亿m 3 ，调洪库容2 8 l 亿m 3 ，死库容0 5 9 亿m 3 ，为年调节 水库。白莲崖水库建有装机容量为5 万k w 的水电站，2 台发电机组，单机最 大发电流量4 1 4 5 m 3 s ，设计多年平均发电量为1 0 6 亿k w h t 2 9 引1 。 1 4本论文研究内容和研究思路 ( 1 ) 课题来源 本课题来源于安徽省水利厅的科研项目“安徽中西部重点流域淠史杭水量 分配方案编制 中的专题研究“大别山水库群优化调度研究 。 ( 2 ) 主要研究内容 以磨子潭、白莲崖、佛子岭和响洪甸四座水库长系列来水资料和用水资料 为基础，运用运筹学理论建立大别山水库群多目标优化调度数学模型，分别采 用改进判别系数法、耗水率加权动态空库系数法和动态空电库容系数法三种近 似优化算法以及增量动态规划方法，进行长系列和典型年水库群调度研究，计 算出长系列及不同来水频率下四库群的年水资源利用量、发电量和弃水量等指 标，对计算结果进行分析，确定大别山水库群的最优运行方式，以提高水资源 4 的综合利用效率。 ( 3 ) 研究技术路线 通过对大别山水库群现有资料分析与实际调查，了解大别山水库群目前在 汛限水位、联合调度及运行规则等方面存在的问题，以水文学、运筹学、系统 工程理论、经济学等理论为基础，以现有的长系列来水资料为基础，在保证防 洪安全和生态用水的前提下，以灌溉、供水和发电综合效益最大为目标，运用 动态规划、多目标规划建立大别山水库群优化调度数学模型，采用近似优化算 法和动态规划方法求解，求解过程采用m a t l a b 编程进行计算，对计算结果 进行分析，研究确定大别山水库群合理的运行调度规则，解决好发电与供水之 间的矛盾、兴利与防洪之间的矛盾，实现大别山水库群水资源的高效利用。 第二章水库群优化调度模型 2 1目标函数 大别山水库群优化调度是多维多目标优化调度，目标函数的选择基本原则 如下： 1 、防洪 ( 1 ) 下游防护对象，用下泄流量或安全泄量，在约束条件中反映。 ( 2 ) 水库本身防洪安全，用蓄水水位或蓄水库容表示，即水库水位应小于 等于相应的设计洪水位。如洪水超过下游防洪标准，则以水库本身安全为重。 在保证水库安全的前提下，尽量做到：使下泄流量均匀( 即下泄流量的平方 和丸最小，此时，水库防洪目标是不能作为约束条件，只能作为目标函数) ； 在一次洪水过程中，水库调洪最高水位越低越好；调洪末水位越接近于理想 水位越好( 实际上等价于弃水越少越好) ；水库下游控制点的最大组合流量越 小越好。 由于本次研究是在安徽省中西部重点流域淠史杭水量分配的大框架下进行 的，所选典型年分别为l o 、5 0 、9 0 三种频率，分属枯水年、平水年和丰 水年，在目标函数中暂不考虑洪灾损失。如遇到设计频率的洪水，则要考虑防 洪调度。此时，在目标函数中，要考虑防洪损失。 2 、保证生态环境用水 用约束条件表示：水库下泄流量( 或控制断面上的流量) 最小生态环境需 水量。 最小的生态环境需水量应是各断面( 横排头、水库出口、河道控制断面等) 和来水频率的函数，与枯水年、丰水年、平水年的最枯日流量有关。 3 、弃水量最小。即通过优化调度，增加大别山水库群向安徽中西部地区的 供水量，减少用户的缺水量。当水库下泄流量大于用水流量时，水库发生弃水。 弃水量最小，等价于水的利用率最大。在计算中，可用弃水量最小作为目标函 数，以作比较。 4 、发电量( 发电收入) 最大。如水电站上网电价为一定值，可用发电量最 大作为目标函数。如电力系统实行分时电价，则以发电收入最大为目标函数。 在进行大别山水库群优化调度时，发电应服从灌溉要求，供水或灌溉时， 应结合发电，若发电与灌溉供水流量存在矛盾时，应尽量利用响洪甸抽水蓄能 电站、横排头渠道工程进行反调节，一般情况下不启用其它泄水设施放灌溉水。 大别山水库群是一混联水库群，为多水库多目标优化，可经过简化，简化 为两维问题进行求解。经上述分析，可得大别山水库群优化调度数学模型的目 标函数： 6 斤4 发电量最大：e = 嵫n , ( t ) a t 、 t = l f = l 7 弃水量最小：e = m i n ( q 3 0 ) + 9 4 ) 出 t = 1 求解的方法有两种： ( 1 ) 将多目标问题转化为单目标问题进行求解，可以采用加权系数法，目 标函数表示为： m i n f = a 木互一b 事e ( 2 - 3 ) 也可以采用除法的形式转化为单目标问题，目标函数表示为： m i n f = e 疋( 2 - 4 ) ( 2 ) 由于淠史杭灌区的在非汛期的首要任务是灌溉，灌溉供水在流域水资 源开发利用中占绝大多数部分，所以应在保证供水的前提下，尽量地多发电， 追求发电效益最大。求解时在满足e 的前提下求e 的最优解，把e 求得的最优 解转化为求e 的约束条件。 式中：，l 一计算时段总数； ，( ，) 一时段f 水库的发电出力； 出_ 时段的计算时长； q 3 ( r ) 一佛子岭水库在第t 时段的弃水流量，m 3 s ； g 。( r ) 一响洪甸水库在第，时段的弃水流量，m 3 s ； 彳、曰一为权重系数，根据单位水量缺水损失和单位水量平均发电收入确 定。 2 2约束条件 大别山水库群优化调度数学模型的约束条件有： ( 1 ) 水库方面的约束：水库水量平衡约束，水库调蓄能力约束，水库防洪 库容( 水位) 约束，水库下泄流量约束( 包括兴利调节时的下泄流量和洪水期 间的泄洪能力约束) ( 下游错峰约束一佛子岭到横排头的时间8 n 1 0 d , 时) 。 ( 2 ) 需水方面的约束：用水部门需水量的上下限约束，环境生态用水约束。 ( 3 ) 水电站方面的约束：最大最小工作水头约束，发电最大最小出力约束， 发电机最大过流能力约束，空蚀震动区约束。 ( 4 ) 边界条件约束：水库调度期初、末蓄水量( 水库水位) 约束。 ( 5 ) 其他约束：下游河道( 横排头) 过水能力约束过水能力约束，洪水调 度规程约束，决策变量非负约束。 大别山水库群优化调度数学模型的约束条件有： ( 1 ) 水库水量平衡约束方程 单库水量平衡约束 k 末p ) = k 初o ) + ( t o ) 一q o ) 一q i 损o ) ) a t ( 2 5 ) 7 1 2 2 2 ，l，l 一 束) 式中，k 圭( f ) 一水库t 时段末蓄水量，m 3 ； ( f ) f 水库，时段初蓄水量，m 3 ； q 损( f ) _ i 水库f 时段损失流量( 包括蒸发、漏失等) ，m 3 s q ( ，) 一时段f 水库放水流量，m 3 s ； 一 一 ，( f ) 一f 时段f 水库入库流量，1 1 1 3 s 。 白莲岩水库和磨子潭水库在水量方面与佛子岭水库存在如下关系： q l ( t ) + q 2 0 ) + q f 同o ) + q f 问o ) = 1 3 ( t ) 式中，砰问( f ) 一白莲岩水库流向佛子岭水库的区间来水，m 3 s ； q 笋问( ，) 一磨子潭水库流向佛子岭水库的区间来水，m 3 s 。 ( 2 ) 水库蓄水量约束 杉，m 妇( f ) 形o ) 形嘲；o ) ( 2 7 ) 式中，k 劬( f ) 一i 水库t 时段最小库容，一般对应于死库容，m 3 ； k 一( ，) 一f 水库，时段最大库容( 汛期为防洪库容；非汛期为兴利 库容) ，m 3 。 ( 3 ) 下泄流量约束( 包括兴利调节时的下泄流量和洪水期间的泄洪能力约 q ，m i n ( ，) q ( f ) q 、一( ，) ( 2 - 8 ) 式中，q j 曲( f ) f 水库t 时段下泄流量下限，m 3 s ； q f 、一( f ) 一f 水库f 时段下泄流量上限，m 3 s ； q o ) 一f 水库f 时段下泄流量，m 3 s 。 ( 4 ) 用水部门需水量的上、下限约束 q m , ( r ) g ，( f ) g 一( f ) ( 2 - 9 ) 式中，q m m ( f ) 一用水部门f 时段需水量下限，m 3 s ； g 一( f ) 用水部门，时段需水量上限，m 3 s ； g ，( f ) 一用水部门，时段需水量，m 3 s 。 ( 5 ) 环境生态用水约束 q ( f ) g 曲( ，) ( 2 - 1 0 ) 式中，g 。访o ) f 时段f 水库下游生态环境最小需水量，m 3 s 。 ( 6 ) 最大最小工作水头约束 h 曲( f ) h ，( f ) 日一( ，) ( 2 - 1 1 ) 式中，。( f ) f 时段f 电站最小允许水头，m ； 日一o ) 一r 时段f 电站最大允许水头，m ； 日，( ，) 一f 时段f 电站的水头，i n 。 ( 7 ) 水电站出力约束 ( f ) f ( f ) 一( f ) ( 2 1 2 ) 式中，m i 。o ) 一f 水库t 时段出力下限ik w h ； l 掀( f ) f 水库f 时段出力上限，k w h ，一般取f 水库总装机容量。 8 ( 8 ) 水轮机最大过水流量约束 q ：( t ) 5q k ( t ) ( 2 - 1 3 ) 式中，q ：( t ) 一f 时段f 水库水电站水轮机的过水流量，m 3 s ： q i m 。( t ) 一f 时段f 水库水电站水轮机的最大过棚i 量，m 3 s l ( 9 ) 空蚀震动约束 为保证水电站运行安全、减少修理费用，机组在空蚀震动不运行。 ( 1 0 ) 下游河道( 横排头) 过水能力约束 q 一( ，) 乏( ，)( 2 1 4 ) 式中，q 。( f ) 一f 时段横排头过流流量，m 3 s q 急( f ) 一f 时段横排头过流能力上限，m 3 s 。 ( 11 ) 边界约束条件( f 水库始末状态条件) 形，l = ；k ，m = k 束 ( 2 1 5 ) 除上述约束方程外，还有洪水调度规则约束、龙河口水库和四库( 白莲岩 水库、磨子潭水库、佛子岭水库及响洪甸水库) 在水量分配上的存在约束，以 及所有决策变量均非负约束。 2 3求解思路 由磨子潭、白莲崖、佛子岭和响洪甸四座水库组成的水库群，是一四维优 化调度问题，比较复杂。在求解中，注意以下问题： l 、确定补偿水库与被补偿水库，被补偿水库按自身有利方式运行，补偿水 库进行调节。 2 、在对水库群进行优化调度计算中，考虑除发电以外的经济价值，用判别 系数法、动态空库系数法对四库群进行优化计算，为了验证近似优化方法计算 的结果，以丰、平、枯三个典型年以及长系列来水及用水资料为基础，汛期以 日为计算时段，非汛期以旬为计算时段，对近似优化计算的结果与常规优化计 算结果进行分析比较，并根据他们之间差值的具体情况，对近似优化方法进行 适当的修改，改善近似优化计算方法的结果。 3 、利用动态规划对水库群进行优化，由于四座水库计算比较复杂，先对四 库群进行合并简化，以降低水库群优化调度计算的复杂性，具体的简化是将白 莲崖水库和磨子潭水库( 二库群) 合并为一个水库，再与佛子岭串联为一个串 联水库后与响洪甸并联计算，简化为逐次二维动态规化问题，对于二维的动态 规化可以采取逐次逼近动态规划和增量动态规划进行求解。 4 、用水量为安徽省水利勘测设计院提供淠河逐月需水量，该需水量为横排 头水利枢纽以上的总需水量，未考虑佛子岭水库至横排头之间的区间来水量， 在进行优化调度时，要减去对应1 13 0 k m 2 汇水面积的区间来水量才是需要四座 水库所放的需水量，为四座水库运行的约束条件。 5 、由于响洪甸水电站有常规水电4 万千瓦和抽水蓄能8 万千瓦，为使问题 不至于太复杂，现根据安徽省电力系统负荷情况确定响洪甸水电站运行方式， 9 或直接引用响洪甸水电站现有运行方式。亦即，本次研究不对响洪甸混合水电 站进行经济运行研究。 2 4 水库群优化调度有关资料 2 4 1资料收集 一 响洪甸水库位于淠河支流东淠河上，磨子潭水库、白莲崖水库和佛子岭水 库位于西淠河上，四库群为混联，上游的磨子潭水库和白莲崖水库并联后与下 游的佛子岭水库串联，这三座水库与东淠河上的响洪甸水库并联。根据大别山 水库群优化调度要求，水库群优化调度需以下资料： ( 1 ) 水库的汛期划分； ( 2 ) 水库历年预报降雨( 径流) 资料与实测降雨( 径流) 资料、逐年分时 段实际出库水量和发电量； ( 3 ) 径流系数； ( 4 ) 历年逐次洪水洪量与实测洪量、逐次洪水实际发电量； ( 5 ) 水库调度规则及方案； ( 6 ) 水库区间河道长度、河道传播历时、河道安全泄量； ( 7 ) 水库坝上用水量、下游用水量、相邻水库区间河道用水量以及用水组 成( 包括生活用水、生态用水、生产用水及各组成部分所占比例) ； ( 8 ) 水库下游安全泄量； ( 9 ) 水库各特征水位、水库各时段放水的允许变幅； ( 1 0 ) 水库下游水位流量关系曲线； ( “) 水库面积特性曲线、库容特性曲线，水库水位与下泄能力关系曲线； ( 12 ) 水电站发电机组的保证出力、装机容量、水轮机过水能力、发电机组 出力系数、出力曲线、出力流量水位发电量水头关系曲线( 响洪甸水 库包含抽水蓄能电站运行) ； ( 1 3 ) 水库逐月蒸发强度； ( 1 4 ) 电力系统中用电负荷变化( 逐日负荷图、水电站工作位置、年负荷图) 、 分时电价； ( 1 5 ) 水库调度手册； ( 1 6 ) 水库各种水位下最大下泄流量； ( 1 7 ) 供水效益、发电收入、洪灾损失等方面的资料； ( 1 8 ) 水库长系列水库调度运行资料； ( 1 9 ) 已有调度研究成果。 2 4 2资料整理分析 l 、相关曲线拟合 在大别山水库群优化运行研究中，需要拟定水库水位与库容的关系曲线、 坝上水位与下泄流量关系曲线、机组耗水率曲线、下泄流量与坝下水位关系曲 1 0 线等曲线。其中，水库特性曲线是水库面积库容水位，下泄流量下游水 位关系的直观表述，是进行水库兴利调节计算、防洪调节计算的基本资料。因 此，对水库特性曲线的拟合应使其误差最小，以满足后续计算精度的要求。此 外，为获取更高的精度，分别用三次样条插值法和多项式回归方法进行库容曲 线拟合，从中选取最优者，得出的结果颇为满意。 分别用多项式拟合和三次样条插值对四座水库特性曲线等进行了拟合。以 磨子潭水库为例，最小二乘多项式拟合的结果如下： 磨子潭水库容积特性曲线拟合结果为： y ，= p o + p , x l + 岛x ? = 1 8 7 3 7 8 一o 2 5 8 6 x ，+ o 0 0 9 x , 2 ( 2 - 1 6 ) 拟合精度见表2 1 。 表2 1 磨子潭水库容积特性曲线拟合结果 水位( m )库容( 亿m 3 )计算值绝对误差相对误差( ) 1 6 30 5 3 0 00 5 3 5 70 0