唐乾柏，曹希尧(.柘溪水力发电厂，湖南安化43508；.国网湖南省电力公司，湖南长沙40004)

三段式水库优化调度技术

唐乾柏1，曹希尧2
(1.柘溪水力发电厂，湖南安化413508；2.国网湖南省电力公司，湖南长沙410004)

基于降雨预测、发生、结束阶段的调度目的与策略的不同，提出雨前、雨中、雨后三段式优化调度模式，实现了水库短中期预报调度与长期优化调度的有机衔接，既避免了雨前起调水位过高而造成弃水，也避免了雨后间歇期水位消落太快而造成长期低水位运行，提高了水资源利用效率。

水库；优化调度；三段式

水库优化调度技术应用常受到制于水情的不确定性和长期天气预报精度低。既需要严谨计算、及早安排，更需要持续预测、以变应变。水位高，既可提高水头效率，也能造成库容不足弃水；水位低，既可提高水量利用率，也可造成水库长时间低水位运行。水位高低之间，既能化水为银、蓄丰济枯，也能看银子变水、空库度冬。为了缓解防洪泄水与抗旱、发电蓄水的矛盾，文献〔1〕提出实施分期汛限水位，文献〔2〕提出根据大型水库降雨、洪水预见期预泄能力对分期汛限水位实行动态控制，文献〔3〕评述了汛限水位动态控制方法的要点及适用条件，使汛期水位控制更加符合水库蓄泄特性、流域水文特性及实时天气条件与预测水平。为了优化水库水位控制，文献〔4〕采用可变方向探索法建立柘溪水库优化调度模型，提高了调度图的可靠性；文献〔5〕回顾水库发电确定性优化调度理论发展历程及其实际应用的局限性，指出考虑径流不确定性的随机优化理论更符合水电站中长期运行实际；文献〔6〕根据入库流量统计特征随机产生来水序列，并用确定性优化算法求解入库流量、库水位、最优下泄流量之间的响应曲面，以便根据实时预报入库流量、库水位快速查出最优下泄流量；文献〔7〕采用GFS发布未来10天降雨信息，预报浑江流域未来5天、10天径流量，并进行分段聚合分解贝叶斯随机动态规划，从而制定出浑江梯级水库群未来5天、10天发电计划。文中从多年水库调度实践出发，根据降雨过程调度目的、策略的不同，提出雨前、雨中、雨后三段式优化调度模式，实现了水库短中期预报调度与长期优化调度的有机衔接，使优化调度策略更具可操作性。

1 水库发电优化调度目的与调度对象特性

追求水库年均发电量最大是水库优化调度的目的，其主要措施为水多时防大量弃水、水少时防长期低水位运行。水库调度对象表面上是不均匀来水，实质上是一场场强降雨。调度手段是利用实时有效库容对多余水量进行时间上的重分配。多余水量不但与降雨大小、降雨面积密切相关，而且与流域前期降雨影响值Pa有关。

经详细分析水库流域较长水文系列及现代气象预报成果后，发现水情具有限确定性与有限可预测性。一方面，对于特定流域，入库流量多数仍具较明显丰枯分期特性，年来水量也多数在固定区间内变动，据此可根据较长日入库流量系列制定水库旬优水位方案；另一方面，较强暴雨过程和无雨过程气象特征明显，其预报精度已基本满足实用要求〔8〕，且能提供较长的预报期，使得水库调度能在预报期内根据面临时段入库水量调整库水位高低；其三，对于预报精度较差的小雨、中雨过程，一般产水量小，可待降雨径流预报后选择调度策略。这样以水库旬优水位为基线，暴雨前加大发电方式腾库，避免起调水位过高，减少弃水；雨后根据间歇期长短适度保持库水位在旬优水位以上运行，避免无雨期长期低水位运行，从而达到水头与水量的双优利用。

2 三段式优化调度技术

2.1 调度思路

水库调度目的和调度对象特性决定了调度策略。如上所述，首先根据长系列日入库流量的统计优化确定旬优水位，作为各旬遇强降雨的预报调度基线，也实现水库时段预报调度与年度(或周期)优化调度的衔接。时段预报调度是利用实时调蓄库容来调节一场场暴雨洪水，由雨前、雨中、雨后三段调度组成，依据实时天气预报和水库水情，参考基线，通过预安排发电方式调整水库水位。基线不作为水库水位的实际控制线，只作为雨后无天气预报情况下的计算条件。通过跟踪天气变化、遥测降雨、滚动制作径流预报与调度方案，做到“雨前腾库彻底、雨中调整及时、雨后控制适中”，实现水能资源的最优利用。三段式水库优化调度原理见图1。其中，雨前调度的主要对象是预报降雨来水量，可根据天气预报的降雨信息、流域Pa值、流域内各水库可拦蓄水量等因素，预估预报降雨可产生的净入库水量，并据此确定预腾水位及预腾发电流量；雨中调度则是根据水情遥测系统实测降雨情况及短期逐日预报降雨量，利用降雨径流预报来增减发电流量或开启泄洪闸门；雨后调度为最高调洪水位日至预报有下一场较大降雨时段的调度，此时入库流量确定，将根据无雨(含小雨)预报滚动调整发电方式，使时段末库水位接近参考线，避免雨后水库长期低水位运行。当雨后收到下一场强降雨预报时自动转入新的雨前调度，依此循环。

图1 三段式水库优化调度原理

2.2 调度模型

以水库年发电量最大为优化准则，可得式(1):

式中 E为年发电量(亿kWh)；i为降雨场数序号；j为降雨过程(含雨前、雨中、雨后)分段序号，一场降雨时间Ti分m段；K为电厂综合出力系数；Q为发电流量(m3/s)；H为水库上下游净水位差(m)；t为分段时间长度；Q0为基流或退水流量(m3/s)；Pc为净降雨量(mm)；V为库容(亿m3)；ΔV为时段库容差(亿m3)；Ti为每场降雨时间(天)，包括降雨预报期至无降雨预报间歇期。

主要约束条件:

1)水库水量平衡方程

2)水库蓄水位限制

3)预腾发电流量限制

式中 Vt为水库第t时段初蓄水量(亿m3)；WIt为水库第t时段的平均天然入库水量(亿m3)，WQt为水库第t时段的平均出库水量(亿m3)；HLt为第t时刻的水库最低蓄水位，HHt为第t时刻的水库雨后允许拦蓄水位；QLt为第t时段的水库最小发电流量，QHt为第t时段的水库最大发电流量。

2.3 调度技术

2.3.1 雨前消落彻底

雨前调度的实质是为了调蓄即将发生降雨所产生的来水，而在降雨的预报期通过加大发电方式，合理预腾水库调蓄库容。根据水库调节性能，水库雨前调度的主要对象是暴雨及大暴雨过程，即当预报流域有暴雨及以上量级的降雨过程时，需在雨前进行预腾库调度，具体的操作方法分为两步:

1)确定雨前起调库容。对于一场降雨的调蓄过程，以库水位达到允许拦蓄水位时刻为计算断面，雨前起调库容为允许拦蓄库容减去本次降雨的预估产水量。即:

式中 V起为起调库容(亿m3)；V允为允许拦蓄水位相应库容(亿m3)，汛期由防汛指挥机构、非汛期由水库主管单位依据天气条件确定；V净为降雨预估产水量(亿m3)，由预报降雨量查降雨径流相关图计算，并扣除流域水库拦蓄水量；V满退为洪水退水至满发电流量后的洪尾水量(亿m3)。

2)确定水库水位削落发电流量。水库当前蓄水位、雨前起调库容、入库基流以及调度时长综合确定预腾发电流量，其中调度时长是指收到降雨预报日至水库回蓄到允许水位日。当后续滚动降雨预报有较大变化时，预腾流量也应跟踪修正。预腾发电流量为:

式中 Q预为预腾发电流量(m3/s)；Q0为当前基流(m3/s)；V0为当前库容(亿m3)；V起为起调库容(亿m3)；t为调度时长(天)。

预腾深度可根据不同汛期阶段、不同降雨预报精度适度调整，也可分段预腾，以避免过度预腾或预腾不足。本阶段调度的重点是过程降雨产生的洪量，而不是流量，允许日降雨量或日产水量在调度时长内变动。

2.3.2 雨中调整及时

雨中调度是根据水情遥测系统实时采取的降雨及卫星云图情况，利用降雨径流预报进行较准确调度。雨中调度的主要工作是全面掌握实时水情，利用降雨产汇流时间及时纠正因降雨预报误差而引起的雨前调度偏差。同时根据实时滚动水情及后期降雨预报，调整发电运行方式、甚至转入防洪调度。

1)当前期预报降雨量较实际降雨量偏小时，则应及时加大出力运行，必要时带基荷满发运行；若库水位仍将超过当前允许拦蓄水位时，则应转入防洪调度。

2)当前期预报降雨量较实际降雨量相当时，调度方式仍以雨前调度安排的方式为宜，并结合实际情况适当修正。

3)当前期预报降雨量较实际降雨量偏大时，则应及时降低出力运行，确保雨后水库水位不低于当前旬优控水位。本阶段预报降雨逐步发生、入库流量逐渐确定，是保证水库防洪安全和较优经济运行水位的关键时段，调整必须果断、及时。

2.3.3 雨后控制适中

雨后调度与雨前调度是相与转换的。当预报未来10天一直无有效降雨时，则以旬优控水位作为第10天的库水位控制目标，来安排水库运行方式。当雨后第2天仍预报未来10天无有效降雨，则依次逐日类推，直到有一天，预报未来5日或7日后有一场大的降雨过程，再转入雨前调度。雨后调度的发电流量如下式所示:

式中 Q发为时段内的发电流量(m3/s)；V(H)为当前水库水位对应的库容(亿m3)；V(H旬)为旬优水位对应的库容(亿m3)；Q退均为时段内的平均退水流量(m3/s)；T为雨后调度时段长(天)。

1)在无降雨预报时防库水位过早、过渡消落，避免低水位运行。

2)当收到下场较强降雨预报时，应及早转为雨前调度。

3)当雨后、雨前转段天气形势不明显时，也宜及早将库水位控制在旬优水位以上附近。

3 应用实例

柘溪水库坝址以上流域面积22 640 km2，年均降雨量1 560mm，年均入库流量590m3/s。电站总装机容量947.5 MW，满发流量约为1 850 m3/s。经分析电站日消落能力及水库运行特点，水库具较强调节降雨能力，当流域发生大雨及以下量级的降雨过程时，可利用降雨径流预报从容应对，不发生弃水；当降雨过程为暴雨及以上量级时，则需结合降雨预报进行调度。2012年7月9日中央气象台预报13—17日流域有175mm的降雨过程，现按三段式模型对“20120717暴雨洪水”进行优化调度，详见表1。

表1 “20120717暴雨洪水”三段式优化调度表

3.1 雨前消落

预报降雨P为175mm，7月13日Pa为23.1mm，P＋Pa为198.1mm，查柘溪(P＋Pa)与R关系线得R＝83mm，扣除上游水库拦蓄水量约2×109m3后，V净为16.79×109m3；本次调洪允许拦蓄水位为167.5 m，相应库容V允为27.3×109m3；经分析，暴雨洪水退水至满发电流量1 850m3/s以下洪尾水量一般为2.5×109m3～3.0×109m3，V满退取3×109m3，代入式(7)，V起为13.51×109m3。

主降雨日期取中值7月15日，经分析主降雨日至洪水退水至1 850m3/s约4天，则消落调度时长为7月9日至19日共11天；7月9日库水位164m，V0为22.8×109m3，基流Q0为100m3/s，代入式(8)，得预腾发电流量Q预为1 077 m3/s，取Q预为1 100m3/s。

3.2 雨中调整

7月13日—7月18日实际降雨171.1mm，与预报值很接近(较主降雨日推后1天)，故降雨期间的发电方式不作调整。降雨于7月18日结束，洪峰也于同日出现，自次日进入洪水退水过程，后期预报无雨(含小雨)且7月下旬柘溪进入后汛蓄水时段，故自7月19日起对将发电流量调减到800m3/s，使水库回蓄到允许拦蓄水位167.5 m左右。

3.3 雨后调度

7月23日回蓄到允许拦蓄水位167.5m，相应库容VH为27.3×109m3，水库转入雨后调度阶段。8月上旬旬优水位为166.5m，相应VH旬为25.9×109m3；径流退水预报近10天平均入库流量Q退均为670m3/s，代入公式(8)，得近10天发电流量Q发为832m3/s，期末水位接近当旬旬优水位。当流域内上游水库加大消落时，发电流量要相应增加。

3.4 调度效果

将实际调度线与优化调度线比较，三段式调度具如下优点:

1)发电流量平稳，负荷率稳定且留有较大的调峰空间，有利于电网安全经济运行。优化前，日发电流量变幅1 794 m3/s，日负荷率变幅97%；优化后，日发电流量变幅400 m3/s，日负荷率变幅21.6%。

2)确保了后汛期水库蓄水。8月1日起柘溪水库可正常蓄水位，优化后库水位回蓄至旬优水位166.5m附近，较实际运行水位高3.54m，多蓄水4.35×109m3。

3)提高了水库运行水头。优化后本时段平均库水位，较实际平均库水位高，提高了发电效率。

4 结论

1)根据水库水情具长系列有限确定性和短中期有限可预测性的特点，分别采取基于概率统计的长期优化调度与基于天气形势分析的短中期预报调度，前者为后者提供高概率水情样品的优化调度参考线，弥补长期天气预测的不足；后者是在天气可预报期内对前者调度方案的优化，解决短中期水情统计预测的不确定性。两者取长补短，构成完整的水库优化调度体系。

2)从多年水库调度实践出发，针对降雨预测、发生、结束阶段的调度目的与策略的不同，提出雨前、雨中、雨后三段式优化调度模式，具较强可操作性，实现了水库短中期预报调度与长期优化调度的有机衔接。

3)建构了简明、实用的三段式优化调度模型，并用该模型对柘溪水库“20120717暴雨洪水”调度进行优化，雨前预腾、雨后拦蓄与水位控制均较理想。

4)过程暴雨水量预报决定了三段式优化调度技术的应用效果，今后将重点研究场次暴雨水量预报精度与对策。

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〔5〕纪昌明，周婷，王丽萍，等.水库水电站中长期隐随机优化调度综述〔J〕.电力系统自动化，2013，37(16):129-135.

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Three-Stage Reservoir Scheduling Optim ization Technology

TANG Qianbai1，CAO Xiyao2
(1.Zhexi Hydropower Plant，Anhua 413508，China；2.State Grid Hunan Electric Power Corporation，Changsha 410004，China)

The reservoir scheduling optimization technology is often subject to the water condition uncertainty and the low accuracy of long-term weather forecast Based on the difference of scheduling objectives and strategies during rainfall prediction，occurrence and ending stages，this paper proposes the three-stage scheduling optimizationmode for before the rain，in the rain，and after the rain periods，which realizes the convergence of short and medium-term forecast and long-term optimal scheduling for hydropower station.Itwill avoid the situation that rising water level too high before the rain causing water abandonment，and also avoide the situation thatwater level descending too fast in the intermittent period after the rain causing long-term low waterlevel operation.So as to improve the efficiency of water resources utilization.

reservoir；scheduling optimization；three-stage

TV697.1

B

1008-0198(2017)03-0047-05

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.03.013

2016-10-21

唐乾柏(1974)，高级工程师，湖南邵阳人，主要从事大中型水库的优化调度、科学防洪和综合运用研究。

曹希尧(1963)，博士，高级工程师。湖南南岳人。主要从事水利水电建筑工程、工业与农田建筑工程、市政与交通工程、岩土工程的科研、设计与监理工作。