一種梯級水電站短期優化調度方法
2023-05-13 00:25:36
一種梯級水電站短期優化調度方法
【專利摘要】本發明公開了一種梯級水電站短期優化調度方法。本發明提出一種全新的適用於梯級水電短期調度棄能消納的「平土」算法。本發明採用梯級和廠內兩級協調控制的技術：對梯級各個水電站進行計算得到各水庫的出庫流量和發電水頭；再以此為基礎，利用混合整數規劃，分別確定各個電廠的最優開停機計劃；進而採用動態規劃按照給定水量使發電量最大的目標對機組群進行負荷優化分配。同時，得到各水電站的發電流量過程之後，又可以將結果反饋給梯級系統，梯級系統以此為約束條件繼續重複利用「平土」算法進行迭代計算。本發明可以顯著緩解大規模水電系統的棄能矛盾，並能提高廠內機組運行與調度水平。
【專利說明】一種梯級水電站短期優化調度方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬於水文學與運籌學的交叉【技術領域】，更具體地，涉及一種梯級水電站短 期優化調度方法。
【背景技術】
[0002] 水電系統短期優化調度可以認為是一個確定性優化問題，求解短期調度問題有傳 統的數學規劃方法和智能算法。智能算法在求解該問題時存在最優解不穩定的不足。目前， 尚無利用智能算法成功解決大規模水電系統短期優化的調度問題的實例。因此，當前短期 水電調度問題主要應用傳統的線性規劃或者動態規劃等方法求解。然而，利用傳統方法求 解需要對約束條件進行線性化處理，致使與原問題有所偏差，對於凸規劃的問題，多採用分 段線性規劃的處理以減小誤差。然而這些方法在水庫群優化調度尋找最優解的過程中，容 易過早的陷入局部最優解，導致不能找到理想的最優解。
[0003] 此外，在廠內機組經濟運行中，等微增率和動態規劃被廣泛用於機組群的負荷分 配，但兩種方法都未能考慮開、停機的時間耦合約束，應用受到很大限制。國外有報導採用 開、停機水量損失來限制頻繁開停機運行，但這種水量損失往往難於估算，更為普遍和實用 的做法是通過約束開停機持續時間和次數來提高機組運行的安全和穩定性。即便如此，由 於問題的離散、非凸和非線性特徵，對於規模稍大的水電機組群的聯合開停機和負荷優化 問題，求解起來也非常困難。
[0004] 從目前國內外研究的發展趨勢看，如何考慮時間和空間約束的耦合，協調控制梯 級水電站調度和廠內機組群負荷與開停機優化、並將其納入到一體化調度和控制體系中， 是進一步亟待解決的難題。
[0005] 從報導情況看，發達國家更為關注梯級水電調度涉及生態、環境、社會的影響，對 水電棄能消納技術的研究鮮有報導。在國內，各大電力、電網公司都相繼開展了梯級水電調 度高級應用系統的開發，但由於問題複雜、涉及面廣，實際上所開發的系統在生產實用上還 有相當大差距。從目前研究情況看，無論是國內還是國外，梯級水電和廠內經濟運行一般都 採用逐級控制的方式，還達到兩級一體化協調控制的水平。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明以水電棄能消納為導向，模擬來回 推拉平整土地，研究出了一種全新的"平土"算法，為水庫水電站群聯合優化調度跳出局部 最優或者可行化修正提供一條簡單、實用且高效的局部修正算法。採用梯級和廠內兩級協 調控制技術，同時結合混合整數規劃和動態規劃，克服大規模水電機組群開停機和負荷優 化的維數難題，最終獲得水電調度梯級和廠內機組經濟運行一體化的發電計劃。
[0007] 本發明提供一種梯級水電站短期優化調度方法，其總體思路是：對水電梯級和廠 內機組群分為兩級協調控制，包括以下步驟：
[0008] 步驟1根據徑流資料以及梯級水電站的參數，建立所述梯級水電站短期優化調度 的多目標優化模型；
[0009] 步驟2求解所述多目標優化模型的最優解，獲得多個水庫的出庫流量和發電水頭 過程；
[0010] 步驟3將獲得的所述出庫流量和所述發電水頭過程作為廠內水電機組群的計算 邊界條件，建立混合整數規劃模型，獲得所述廠內水電機組群的最優開停機計劃；
[0011] 步驟4採用動態規劃按照給定水量發電量最大化的目標對所述廠內水電機組群 進行負荷優化分配；
[0012] 步驟5根據獲得的所述廠內水電機組群優化運行結果更新整個水電站的發電流 量上下限，反饋給上級系統，梯級水電調度以此為約束條件，再執行所述步驟2,如此反覆迭 代直到整個梯級水電站的棄水減小到最小和廠內發電效益最大，獲得一體化梯級和廠內最 優發電計劃。
[0013] 總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，具有以下有益效 果：
[0014] 1、本發明基於成熟的數學規劃理論，不同於現有水電調度技術多以經驗調度為 主，可以應用於實際生產調度中，同時克服了現有的諸多智能算法的調度方案生成的最優 解不穩定、只停留在理論層面無法應用到實際調度生產中的問題，具有實用性；
[0015] 2、本發明提出了一種全新的"平土"算法，為水電站優化調度避免陷入局部最優解 陷阱提供了一條全新的途徑，為當前水電站實際調度提供理論支撐和技術支撐，提高水電 站經濟效益；
[0016] 3、本發明採用梯級與電廠兩級調度、電廠內開停機和機組負荷優化的兩階段優 化，以及混合整數規劃和動態規劃的應用，克服了大規模水電調度的維數災問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1為本發明梯級水電站短期優化調度方法的流程圖；
[0018] 圖2為本發明梯級水電棄能"平土"消納示意圖；
[0019] 圖3為本發明梯級水庫"平土"算法"前推"步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0020] 為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對 本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並 不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要 彼此之間未構成衝突就可以相互組合。
[0021] 圖1所示為本發明梯級水電站短期優化調度方法的流程圖，其總體思路是：對水 電梯級和廠內機組群分為兩級協調控制。
[0022] 步驟1根據徑流資料以及梯級水電站的參數，建立梯級電站短期優化調度的數學 模型；
[0023] 步驟2進行梯級水電棄能消納的計算，獲得各水庫的出庫流量過程和發電水頭過 程，在本發明實施例中，利用"平土"算法進行梯級水電棄能消納的計算；
[0024] 步驟3將所獲得的出庫流量過程和發電水頭過程作為廠內水電機組群的計算邊 界條件，建立混合整數規劃模型，獲得機組最優開停機計劃；
[0025] 步驟4採用動態規劃按照給定水量發電量最大化的目標對機組群進行負荷優化 分配；
[0026] 步驟5廠內機組群優化運行結果可更新整個水電站的發電流量上下限，反饋給上 級系統，梯級水電調度以此為約束條件，再執行步驟2,如此反覆迭代，直到整個梯級水電站 的棄水減小到最小，從而獲得一體化梯級和廠內最優發電計劃，即梯級各水電廠蓄放水計 劃、機組開停機計劃及機組出力過程，流程結束。
[0027] 圖2所示為本發明梯級水電棄能"平土"消納示意圖，圖2將結合圖1進行描述。 本發明梯級水電棄能消納控制可分為"前推"、"後拉"、再"前推"三步進行。前、後向修正時 需要同時優化調節多個水庫的時段末或初蓄水，目標是以偏離每個優化時段的初始蓄水過 程儘可能小的方式使該時段棄水/棄能最小。當考慮水庫間的水流滯時情況時，將上、下遊 水庫的調節時段之差設定為水庫間水流滯時長，消除了出庫流量對下階段調節的影響。在 本發明實施例中，水庫結構如圖2右側所示，水庫1與水庫2為並聯的第一級水庫，水庫3、 4依次為串聯的第二、三級水庫。在本發明實施例中，以由4個串並聯水庫組成的梯級水電 站為例進行說明，但不以此為限。
[0028] 在上述步驟1中，將調度期內的時間長度分為T個時段，根據調度期棄水最小和迭 代量與原始解偏差最小的原則，建立梯級水庫短期調度多目標優化模型如下：
[0029]
【權利要求】
1. 一種梯級水電站短期優化調度方法，其特徵在於，包括以下步驟： 步驟1根據徑流資料以及梯級水電站的參數，建立所述梯級水電站短期優化調度的多 目標優化模型； 步驟2求解所述多目標優化模型的最優解，獲得多個水庫的出庫流量和發電水頭過 程； 步驟3將獲得的所述出庫流量和所述發電水頭過程作為廠內水電機組群的計算邊界 條件，建立混合整數規劃模型，獲得所述廠內水電機組群的最優開停機計劃； 步驟4採用動態規劃按照給定水量發電量最大化的目標對所述廠內水電機組群進行 負荷優化分配； 步驟5根據獲得的所述廠內水電機組群優化運行結果更新整個水電站的發電流量上 下限，反饋給上級系統，梯級水電調度以此為約束條件，再執行所述步驟2,如此反覆迭代直 到整個梯級水電站的棄水減小到最小和廠內發電效益最大，最終獲得一體化梯級和廠內最 優發電計劃。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟1將調度期內的時間長度分為T個 時段，根據調度期棄水最小和迭代量與原始解偏差最小的原則，建立所述多目標優化模型 如下：
其中，i，t分別表示第i個水庫和第t個時間段數；N，T分別表示所述調度期內的水庫 數量和時段數；split表示所述第i個水庫在所述第t個時間段的棄水流量；vit表示所述第 i個水庫在所述時段t初的庫容；vf表示所述第i個水庫在所述時段t初的庫容初始解； β表示與庫容相關的係數，是水庫興利庫容與多年平均來水量之比。
3. 如權利要求2所述的方法，其特徵在於，所述多目標優化模型需滿足以下約束條件： 庫容約束：vfSv, 出庫流量限制：(Τ4 0^(ΤΧ 發電流量限制：(4 )<I W (Λ") 水量平衡方程
其中，ν it表示時段t初水庫i的庫容，初始庫容以=if，為所述水庫i在所述調 度期起始時間觀察到的水庫庫容；f分別表示所述時段t初水庫i的庫容最大和最 小值；Qit為所述水庫i在所述時段t內的實際下洩流量，Qit = qit+split，0廣、βΤ分別表 示所述水庫i在所述時段t內的最小和最大下洩流量值；qit表示所述水庫i在所述時段t 的發電流量；分別表示所述水庫i在固定水頭下最小和最大發電流量， 是關於水頭的函數；hit表示所述水庫i在所述時段t的平均水頭；Ω (i)表示與所述水庫i 直接相連的水庫集合；τ k表示水庫k的水流到達與其直接相連的下一個水庫的水流時間； Iit表示所述水庫i在所述時段t的當地入流量；Λ t表示時段t的間隔時長。
4. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟2中利用"平土"算法求解所述多 目標優化模型的最優解，其中，所述"平土"算法具體包括以下子步驟： (2-1) "前推"過程，在T = 1，. . .，T-1+ τ _各時間段分別對梯級水庫進行向前修正， 其中= ，u⑴是第i個水庫水流到達最後一個水庫的流達時間，時段t- u⑴ 末水庫i的庫容由初始化，然後通過迭代不斷更新t- u (i)時段末水庫i的 庫容，當迭代所得值滿足J時，則將得到最優庫容其中δ為預先 設定的正值，可根據經驗確定迭代後與迭代初的偏差值S。求解最優庫容<"(_的線性規 劃問題表達為以下數學模型：
其中，時段t- u (i)的水庫初庫容表示為：;時段t滿足 u (i)彡t彡T+u (i) ; α為與偏差相關的權重係數，根據水庫調節性能取值，範圍為〇? 1. 0之間，水庫調節性能越大取值越大；I/., 和1 是水庫i在時段t初與目標庫容 的正負偏差值； 得到t-u (i)時段末水庫的庫容值之後，時段t-u (i)的各水庫的下洩流量 ?2^ i j v{ j j 通過水量平衡方程求出，再根據公式
， 求出水庫在時段t- U Q)的水頭& ，其中，時段t- U (i)的庫容為： 9 ^/,Ι-υ?Ι)
?式中的m 在時段t-1計算得到； (2-2) "回拉"過程，在各時段Τ+τ_、Τ-1+τ_，…，2向後修正，根據已知的時段 t_ υ⑴末的庫容值，對時段t- u⑴初的庫容進行優化，其中u (i)彡t彡Τ+ u (i); (2-3)重複所述步驟（2-1)的"前推"過程，在各時段t = 0,1，…，T-1+τ _向前修 正，在t = T+u (i)時段需要修正所述調度期末的庫容值以減少棄水。
5. 如權利要求4所述的方法，其特徵在於，所述步驟（2-1)中求解所述最優庫容 丨1的約束條件為： 目標庫容的偏差約束和最大最小值約束：
出庫流量限制：β=( 發電流量限制
水量平衡方程
其中，At表不時段t的間隔時長。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述步驟3中所述廠內水電機組群的最優開 停機計劃即為求以下數學模型的最優解：
其約束條件為：
以及最小開停機持續時間和最多開停機次數限制， 其中，-if1為0-1變量，表示j機組在t時段是否運行在k運行區，運行在k區則為1否 則為〇 ;τ為控制期離散時刻數；splt為所述t時段i水庫的棄水流量；α為權重係數，根據 水庫調節性能取值，範圍為〇?1. 〇之間，水庫調節性能越大取值越大；為〇-1變量， 表示j機組在所述t時段是否運行在效率最高運行區，運行在效率最高區則為1，否則為0 ; M(i)為i水庫的機組數；q#為j機組在所述t時段的發電流量；Q#為第i個水庫的出庫流 量；K為第i個水庫水電站的機組總數；和分別表示j機組在t時段k運行區 的發電流量上、下限。
7. 如權利要求1或6所述的方法，其特徵在於，所述步驟4對所述廠內水電機組群進行 負荷優化即為求以下數學模型的最優解：
其約束條件為：
其中，為表示j機組在t時段最優開機計劃；p#為j機組在t時段的分配負荷。
【文檔編號】G06Q50/06GK104123589SQ201410289145
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】王金文, 劉雙全, 陳誠, 康傳雄 申請人:華中科技大學, 雲南電力調度控制中心