松涛灌区渠道梯级电站优化调度研究与应用

麦树仁

（海南省水利灌区管理局松涛灌区管理分局，海南 儋州 571700）

松涛灌区渠道梯级电站优化调度研究与应用

麦树仁

（海南省水利灌区管理局松涛灌区管理分局，海南 儋州 571700）

松涛水利工程管理局在松涛灌区（东干）渠道上建立的 5 座梯级电站由于地理位置分散，渠道调节性能差，发电效益不高，综合利用部门之间的矛盾突出。为此，对松涛灌区渠道梯级电站进行优化调度研究，以现代控制论、动态规划法为基础，根据动态规划理论，求解适合渠道梯级电站优化运行方式，并开展渠道梯级电站联合优化调度应用的探索，实践证明，松涛灌区梯级电站优化调度后效益显著。

渠道；梯级电站；优化调度；研究应用；松涛灌区

0 引言

松涛水库是海南省最大的水库，是一宗跨流域引水，以灌溉为主，结合供水、防洪、发电、养殖的大型水利枢纽工程。总库容 33.45 亿m3，流域面积1 496 km2，设计多年平均供水量 12.87 亿m3，设计灌溉面积 13.66 万hm2，实际灌溉面积 7.2 万hm2。松涛灌区总干渠 6.68 km，设计流量 94.3 m3/s；西干渠25.92 km，设计流量 23.4 m3/s；东干渠 123.57 km，设计流量 70.9 m3/s；那大分干渠 25 m3/s；松涛灌区（东干渠）渠道梯级跌水电站（5 座）装机容量为11.57 MW。

松涛灌区渠道主要是以灌溉为主，结合供水、发电等，5 座渠道梯级电站服从于灌区灌溉、供水（工业、生活）的需求，在协调好各方面关系的基础上，充分利用好水资源多发电。由于渠道的调节性能差，渠道梯级电站地理位置分散，松涛灌区渠道梯级电站（以下简称渠道梯级电站）相互之间（上下游电站）的矛盾突出，相互争抢水头，开停机频繁，造成互相影响，既影响灌区灌溉及供水（流量时大时小），也影响电站运行的稳定性和可靠性，造成渠道梯级电站总体发电效益不高。为化解松涛灌区渠道用水方面存在的诸多矛盾，提高水的利用率，提高渠道梯级电站的发电效益，20 世纪90 年代后期开始对松涛灌区渠道梯级电站优化调度进行调研，并对松涛灌区渠道梯级电站优化调度开始进行专题研究，以现代控制理论、动态规化法为基础，根据动态规化法求解适合松涛灌区渠道梯级电站优化调度的运行方式；2006 年后，松涛灌区渠道梯级电站开展了联合优化调度应用的探索，在研究和应用过程中，得到了一些新的启发和启示，并取得较好的应用效果。

松涛灌区渠道梯级（5 座）电站实施优化调度后，既考虑了灌溉用水，也兼顾了综合利用（供水、发电）的用水，最大程度地化解松涛灌区渠道灌溉用水和综合利用（供水、发电）之间的用水矛盾。由于实施松涛灌区渠道梯级电站联合优化调度，松涛灌区渠道 5 座梯级电站的整体意识提高了，松涛灌区渠道梯级电站群之间的矛盾得到了缓解，松涛灌区渠道和渠道梯级电站群之间的水流平稳，发电条件得到了明显改善，发电量也得到明显增加。

1 渠道梯级电站优化调度目标

松涛灌区（东干渠）渠道梯级电站优化调度是在不改变水工建筑和跌水电站现有设备的情况下，运用随机动态规划法，借助松涛水库水情测报系统提供的实时水情信息，利用计算机编制出渠道最优调度方案，从而实现松涛灌区的灌溉和结合发电的最佳控制运用，达到增加发电量（产值）的目标。

1.1 目标与方式

松涛灌区渠道梯级电站的优化调度运用，是根据渠道梯级电站优化调度目标制定各种优化运行方式，包括：1）渠道优化、梯级跌水电站群互补调节运行方式；2）渠道梯级电站经济负荷实时调度运行方式；3）编制渠道梯级电站年、月、日运行方式；4）下达渠道梯级电站日负荷曲线。

1.2 目标与计划

依据松涛灌区渠道梯级电站优化调度目标确定的优化运行方式，编制各梯级电站的年、月发电计划，编制梯级电站群的年、月发电计划。松涛灌区渠道梯级电站每年发电时间约为 300～310 d，具体计划如表1 所示。

表1 具体计划表 MW•h

2 渠道梯级电站工程特性

由于松涛灌区 5 座渠道梯级电站的地理位置分散，渠道梯级电站的机组都是低水头机组，渠道自身的调节性能差，致使渠道梯级电站相互之间争抢水头，相互间影响较大，既影响灌区灌溉及供水，也影响电站运行的稳定性和可靠性，造成渠道梯级电站总体发电效益不高。为此通过对松涛灌区渠道电站的基本现状和工程特性方面深入地了解，全面研究合理处理各项工程因素、权衡各项约束因素的方法，在各项约束之间找到一个最佳的结合点，得出适合松涛灌区渠道梯级电站联合优化运行的方式。

2.1 渠道梯级电站的地理分布

松涛灌区渠道及 5 座渠道梯级电站的地理分布情况如图1 所示。

图1 渠道梯级电站的地理分布图

2.2 渠道梯级电站工程特性

松涛灌区渠道 5 座梯级电站的工程特性如表2所示。

表2 松涛灌区渠道梯级电站工程特性表

3 渠道梯级电站优化调度方法和特点

3.1 渠道梯级电站优化调度方案

根据松涛灌区渠道 5 座梯级电站的状态变量（水位、流量），选取平均出力、发电耗水量、相邻渠道（西干渠、那大分干渠）的水量调节和稳定渠道过流量等作为决策变量，按渠道设计确定的渠道水位、流量和发电出力等边界约束条件，运用动态规划法进行逆时序逐时段的调节计算，编制渠道优化调度方案[1]。

3.2 渠道梯级电站优化调度曲线图

1）编制渠道优化调度曲线图，将常规渠道的水位、流量调度曲线，扩展为时间、水位、流量的调度曲线图，使渠道调度决策的实时性、实用性更强。

2）松涛灌区渠道实施了节水改造工程（梯级电站群的渠道实施了防渗工程），根据渠道工程特性（设计）和各种来水组合计算，在每年 5—11 月的汛期，取消了渠道汛期水位限制。现在渠道在汛期的运行水位比原汛期的运行水位提高了 30～40 cm，因此要重新综合调整渠道优化调度曲线图。

3）根据渠道（梯级跌水电站）恶劣天气（台风、暴雨）与来水量的组合计算，结合渠道优化调度曲线图，重新制定台风暴雨期间的控制运行水位。

3.3 渠道梯级电站优化调度方式

1）根据动态规划理论，求解适合渠道梯级电站优化运行的方式，根据渠道梯级电站优化调度曲线图和梯级电站的工程特性，确定渠道梯级电站的发电出力。松涛灌区渠道梯级电站优化运行方式如表3所示。

表3 松涛灌区渠道梯级电站优化运行方式表

2）根据松涛灌区渠道各梯级水电站间的水头、流量关系，计算出上下级电站区间扣损及流达时间，两相邻梯级电站间水头衔接程度和下一级电站水位波动对上一级电站的水头损失；采用计入流量的时间、空间相关关系，建立优化调度数学模型，应用随机动态规划法求解，得出各时段梯级电站整体最优运行方式；得出总负荷及其他约束条件下的梯级跌水电站群整体最优联合运行方式。由于渠道梯级电站是低水头机组，通过实施梯级电站优化调度，渠道梯级各电站知道前池流量，根据来水量发电，平稳发电，做到不弃水和少弃水，机组始终在高水头满发电状态下运行。由于克服了常规渠道调度方法的重大缺陷，经济效益明显提高[2]。松涛灌区渠道梯级电站水利要素如表4 所示。

3）根据水情遥测系统提供的实时水情信息对各渠段过流量进行预测和还原分析，使渠道梯级电站优化调度决策更贴近实际，从而提高渠道梯级电站的发电量。

表4 松涛灌区渠道梯级电站水利要素表

3.4 渠道梯级电站内的优化经济运行

要实现松涛渠道梯级电站内的经济运行，就要做好挖潜增效，根据渠道梯级电站优化调度给定的前池流量和下达的运行方式，在渠道梯级电站流量稳定的前提下，梯级电站结合本电站机组水头和单机引流的实际情况，选择“以水定电”或“以电定水”的操作方法，始终保持在最高水头、满负荷的情况下运行，机组耗水量最少，效率最高，发电量也高于以往的发电量，使电站内经济运行得到了优化。以往，来水量不稳定，匆大匆小，前池水位匆高匆低，难于控制，由于渠道跌水电站是低水头机组，水头损失是机组效率损失最大的因素，从而造成发电量损失。松涛灌区渠道梯级电站日运行方式-负荷[3]如表5 所示。

表5 松涛灌区渠道梯级电站日运行方式-负荷表

4 渠道梯级电站优化调度效益评估

4.1 实际效益

自 2006 年以后，松涛灌区渠道梯级电站实行优化调度以来，对渠道梯级电站运行实行联合优化调度，各梯级电站间主动进行沟通配合，如机组运行方式、开停机都主动向下游电站电话通报情况，使松涛灌区渠道梯级电站优化调度工作得到了顺利开展。松涛灌区渠道梯级电站实施优化调度后发电量明显增加，经过 8 年的运行考核，松涛灌区渠道梯级跌水电站 8 年的年平均发电量与未进行优化调度期间的发电量相比，年平均增发电量 10.68 MW•h，增加收入 427 万元（综合电价 0.40 元/ kW•h）。8 年累积平均节水增发电量 85.45 MW•h，累积增加收入3 418 万元。松涛灌区渠道梯级电站实施优化调度前后发电量对比情况如表6 所示。

表6 松涛灌区渠道梯级电站实施优化调度对比表 MW•h

4.2 综合效益

松涛灌区渠道梯级电站优化调度应用实践经验证明，实现渠道梯级电站优化调度可获得 3 种直接和间接效益：1）增加发电量；2）提高发、供电的可靠性和稳定性；3）实现松涛灌区的灌溉和结合发电的最佳控制运用，保障综合利用，提高自身经济和社会效益。

5 结语

在松涛灌区渠道梯级电站优化调度的实际过程中，主要研究如何处理各项工程因素，根据动态规划理论，全面而合理地权衡各项约束因素，在各项约束之间综合考虑，找到一个最佳的结合点，求解出适合松涛渠道梯级电站优化运行的方式。在实施松涛灌区渠道梯级电站联合优化调度初期，渠道梯级电站的年发电效益就显现出来了，经过多年不断地修正和调整优化特性，松涛渠道梯级电站的年发电量逐年提高，经过 8 年的经济运行考核，松涛灌区渠道梯级电站群优化调度后，年发电量的提高达到 20% 左右。实践证明，松涛灌区渠道梯级电站实施优化调度后效益显著。

[1] 董子敖.水库群调度与规划的优化理论和应用[M].济南：山东科学技术出版社，1989: 214-285.

[2] 马细霞，马跃先，申季维，等.电站引水损失对厂内优化运行设计的影响分析[J].水电能源科学，2003, 21 (1): 49-50.

[3] 韩桂芳，陈启华，张仁贡.动态规划法在水电站厂内经济运行中的应用[J].水电能源科学，2005, 23 (1): 48-51.

Research and Application of Optimal Operation of Channels Cascade Hydropower Stations in Songtao Irrigated Area

MAI Shuren

(Songtao Irrigation Management Substation of water conservancy Irrigation Management in Hainan Province, Danzhou 571700, China)

Because five cascade class electric stations’geography position is scatter, which are built in Songtao irrigated area (east stem) by Songtao hydraulic engineering administration, channel regulation performance is poor.Power generation efficiency is not high.And the contradiction between departments of comprehensive utilization is outstanding.Therefore, the article researches on optimal operation of channels cascade hydropower stations in Songtao irrigated area.Based on comtemporary control theory and dynamic programming method, optimization operation mode of channels caseade hydropower stations is solved according to dynamic programming theory.And it explores the joint optimization scheduling application.It has been proved that the benefit is remarkable after optimal operation of cascade hydropower stations in Songtao irrigated area.

channel; cascade hydropower station; optimal operation; research and application; Songtao irrigated area

T74

A

1674-9405(2014)04-0032-04

2014-05-06

麦树仁（1955－），男，海南东方人，工程师，从事灌区水利、电力调度，水情自动测报、无线通信系统的技术管理等工作。