加利福尼亚州水道工程运行调度.docx

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加利福尼亚州水道工程运行调度

加利福尼亚州水道工程运行调度

　　摘要：

加利福尼亚州水道工程解决了加利福尼亚州水资源分布南北不均的问题，为加利福尼亚州的经济社会发展提供了水源保障，在规模和效益上居世界前列，其成功运行建立在可靠的工程设施及科学的运行调度模式的基础上。

对加利福尼亚州水道工程的建设、运行目标、运行方式及调度模型等方面进行了介绍，以期为南水北调工程提供借鉴。

　　关键词：

加州水道工程；运行调度；优化；线性规划

　　中图分类号：

TV213；TV68

　　文献标识码：

A

　　文章编号：

1672-1683（2006）06-0023-04

　　OperationofCaliforniaStateWaterProject

　　WANGKai1，RENZhi-yuan2

　　（1.StateKeyLaboratoryofHydroscienceandEngineering，TsinghuaUniversity，Beijing100084；2.ResearchCentreforPolicy

　　andTechnology，OfficeoftheSouth-to-NorthWaterDiversionProjectCommissionoftheStateCouncil，Beijing100053，China.）

　　Abstract：

TheCaliforniaStateWaterProjectsolvestheunbalanceddistributionofwaterresourcesthroughoutthewholestate，acceleratestheeconomicandsocialdevelopment.Thescaleandeconomicbenefithavebeenleadingintheworld.ThesuccessoftheSWPisbasedonthedependableprojectfacilitiesestablishmentandthescientificoperationschedulemodels.Itistheconstruction，operationobjective，operationmannerandtheoperationschedulethatintroducedinthearticletooffervaluableexperiencesfortheSouth-to-NorthWaterTransfer（SNWT）Project.

　　Keywords：

CaliforniaStateWaterProject；operationschedule；optimization；linearprogramming

　　1引言

　　加利福尼亚州（以下简称加州）位于美国西部太平洋沿岸，全州水资源的75%分布在北方地区，但是主要城镇人口和农业基地都集中在南部地区，南部地区的需水量占全州需水量的80%。

为了提高水资源利用效率，满足经济发展的需要，先后兴建了一系列的调水工程，包括著名的加州水道工程（StateWaterProject，SWP）、中央河谷工程（CentralValleyProject，CVP）等。

这些调水工程极大地缓解了社会经济发展需水与自然环境可承载能力之间的矛盾，促进了区域社会经济发展和生态环境改善。

　　加州水道工程的效益及作用的发挥在很大程度上得益于一套科学有效的运行调度模式。

加州水道工程开发了多个优化调度模型，包括渠道调度优化模型、水力联合电力优化模型、工程长期运行效益最大优化模型等。

本文根据文献资料，对加州调水工程的运行模式、运行目标及调控模型进行了介绍，同时简要分析了应用于加州水道工程和中央河谷工程部分设施的非线性优化调度模型，以期对建设中的南水北调东、中线工程水量优化调度提供借鉴。

　　2工程运行调度系统

　　2.1系统概述

　　加州调水工程于1957年开始兴建，它北起费瑟河上的奥维尔水库，在萨克拉门托河与圣瓦金河三角洲处由泵站提水穿越特哈齐皮山进入加州南部及洛杉矶地区。

加州水道工程包括储水、提水、输水、配水及动力系统，由29座坝及水库、17座泵站、10座电站及1086km输水水道组成。

从贝瑟尼水库调出的水大部分都流入了加州水道，并沿圣华金河谷的西侧注入圣路易斯水库。

圣路易斯水库的建设和运行管理任务由加州水资源部和垦务局联合承担。

加州水道在安特路普河谷分成东支渠和西支渠，各自的终点为帕里斯湖和卡斯泰克湖。

　　加州水道工程水源来自费瑟河和旧金山湾。

费瑟河的北部支流上建有安特洛普（Antelope）水库，中部支流上建有弗兰奇曼（Frenchman）水库和戴维斯（Davis）水库。

在费瑟河北、中和南支流交汇处建有一座大型骨干水库―奥洛维尔水库，对费瑟河的径流起到重要的储蓄和调解作用。

旧金山湾位于萨克拉门托河与圣华金河的交汇处，在降水集中的季节来水量较大，可为加州水道工程提供重要的水资源供给。

　　加州水道工程的输水系统由输水渠道和泵站组成，输水渠道由人工渠道、天然河道及水库、输水管道组成。

加州南北两端高，中间较低，受地形制约，为将北部及三角洲地区的水输送至加州南部地区，必须自旧金山湾开始沿程修建多座提水泵站，图1是加州水道工程的组成及设施分布图。

　　图1加州调水工程设施分布图

　　2.2调度目标

　　加州水道工程的运行目标是在现有条件下尽可能的满足用水需求。

1963年至1967年，水资源部和32个地方用水户联合会签订了长期合约[1]受水区覆盖加州沿海及南部大部分地区。

到目前为止，这些合约所要求的可靠供水量已达到52.20亿m3。

但是按加州水道工程当时的发展水平，只满足供合约需水量的一半要求。

根据合约规定，水资源部是加州水道工程的运行者，它必须在职责允许的范围之内，尽一切努力来完成工程设施建设，不断完善和维护水权，并通过对工程设施进行有效地运用和管理来满足供水。

而对于那些用水户来说，其责任是根据用水量按比例承担相应的运行及管理费用。

　　除了这些基本的运行目标外，还有一些法定责任，包括利用工程设施为生态、渔业和野生动物提供保护，维持三角洲的水质，以及契约义务，如配合陆军工程兵团减轻洪灾，管理任何可能增加的水资源和销售稳定的电能等。

当然，履行合同责任是加州水道工程最首要的任务。

　　加州水道工程的水泵运行需要相当可观的电能支持，大约占整个加州总用电量的3%。

不同地区输送单位水量的用电量差距很大，在三角洲地带的水流输送几乎不用电力，但是如果把水资源输送到南加州，每输送1m3的水资源需要消耗电力3.65kW?

h，而在圣瓦金河谷内输送水资源的平均电耗为0.41kW?

h。

但是从1983年3月31日起，向工程提供长期廉价电力的合同被中止了，州水资源部承担了电力供应职能，为了购买抽水所需电力的费用迅速增长，但是，如果在用电高峰期出售电力，将能得到最大回报。

表1是2003年加州调水工程的发电及电耗列表[1]。

　　　　工程的设计者和运行者最关心的问题是南加州及其它地区能得到多少水，如何运行奥洛维尔水库才能从这部分水中获得最大效益。

因此，州水资源部在管理工程运行的时候，必须考虑到购买与销售电力的经济效果，采用成本效率最高的工程运行模式，加强工程运行的计划性和可控性。

在给定规则和需求的条件下，使用一种模拟模型以满足所有需求为目标（在可能的情况下）来运行调水系统[2]。

为了寻找一个最有效的工程运行方案，水资源部开发了一整套的实时调度模型，它包括网络流规划模型（NFP）、仿真模拟模型和大尺度线性规划控制（LP）模型等，这套模型能在给定水泵的电力需求、工程的可发电功率以及水资源需求的基础上，为整个加州水道系统的输水模式制定最优方案。

　　3SWP运行调度模型

　　3.1调度模型介绍

　　加州水道工程的运行调度模型，主要用于统一规划、调度加州水道工程的水力和电力资源，实行年调度、周调度和日峰荷调度（按小时调度）。

模型计算的时间跨度以及计算结果的详细程度可以根据决策者的需要自行调整。

图2是加州水道工程规划调度模型的水力计算模块。

　　3.1.1水力调度为了满足向签约户供水这一最基本的要求，模型的调度规划中水力调配优先于电力调配。

水力调控模型为一些相对次要的渠道（如北湾渠道、南湾渠道和海滨支渠）提供恒定流计算模块，如图2所示[3]。

在此基础之上，生成了奥洛维尔水库联合体的网络流规划控制模型（NFP）。

NFP模型把物理水体和电力系统概化为一个包括节点和连线的产能网络流问题，其解决方法为修正的逆境法（out-of-kilter）。

　　奥洛维尔水库系统模块寻求既定储量与出流的平衡，它提供规定时间跨度（如一周或一天）内的所有出入流量，然后开始计算从奥洛维尔系统到贝瑟尼水库的三角洲水资源平衡情况，这将为水道系统的供水提供支持。

然后使用NFP模型来支持运行从贝瑟尼水库到工程最南端终点的水道系统。

同奥洛维尔水库系统模块类似，这个网络谋求达到蓄水量目标，并提供规定时间段的水资源。

　　在日循环模型中，为渠道提供的水资源总量取决于从三角洲平衡计算中得到的数量大小；在周循环计算中，尝试使渠道供水量满足需水量，这样可以尽量减少偏离蓄水目标的行为。

如果所需入流小于或等于供水量，渠道解决方案就可以被接受，反之，系统将决定是否通过增加奥洛维尔水库出流目标来获得更多的水量。

如果采用这种方法，奥洛维尔水库系统模块将根据新的目标再次运行，三角洲的水资源平衡也将重新计算，反之，先前的解决方案将被保留。

无论采用哪种方案，都会在服从三角洲水资源平衡的情况下计算一个新的渠道系统解决方案。

　　图2加州水道工程规划调度模型的水力计算模块

　　在计划时间内，加州水道系统的泵站及发电厂所需的水资源都由这个循环系统提供。

这些水资源再根据不同时间特征进行细分，比如周计划和日计划中的小时分配计划。

在这些条件下，优化模型寻求峰荷发电和非峰荷抽水的最大化效果。

这个寻求发电和抽水效益最大化的过程由核心系统的LP模块完成。

这个核心系统包含在从奥尼尔前池到银木湖和金字塔湖之间的水道系统中。

在核心系统计算后，外围系统也根据这个模式进行计算和整合。

这样，对于圣路易斯泵站和发电厂，可以根据需要进行一个循环回流方案的日循环系统计算。

最终对于两个循环来说，可以计算任一时间段的电载荷与电力资源。

　　3.1.2电力调度电力调度的第一步是解决电力配置网络（PAN）模型，在电力协议中，这个NFP模型需要在任何时间段都可以被复制和满足，并且由周或日循环的全部发电量捆绑在一起，如图3所示[3]。

弹性电能的首要来源是奥洛维尔和瓦那发电厂。

对于第一次求解，计划时间（日或周）内的总电能是已知的，各个时间段被设定为非负，并小于等于机组容量。

工程的实际输电过程中会有传输损耗，但是这在网络流的规划运行算法中很难被处理。

因此，设计了低层的反馈循环（循环1）来计算损耗，作为网络系统边界条件，并重复这个过程直到损耗与传输数量相协调。

这个循环被限制在5次迭代之内。

当损耗达到平衡时，将会进行奥洛维尔水库系统以及阿瑟奎-瓦那湖设施的水力模拟计算，以检测PAN模型所需电力规划的可行性。

如果奥洛维尔或瓦那模拟计算的任何一个结果与电力计划不符，这个被改变的时间段将被设为固定的量，然后，这个PAN模型将再次进行计算（循环2）。

如果奥洛维尔或瓦那规划都没有被改变，循环2将被中止。

　　相对于系统的其它部分来说，核心系统的短时水力计算是独立的，因为它起始于大容量水库并终结于大容量水库。

因此，它相对独立于其它的组件