一種預測出力不確定小水電與大中型水電站協調的日前發電方法

2023-05-25 00:03:06

一種預測出力不確定小水電與大中型水電站協調的日前發電方法
【專利摘要】本發明屬於水電調度領域，公開了一種計及小水電預測出力不確定性的小水電與大中型水電站協調日前發電計劃製作方法，其特徵是以小水電與大中型水電站耦合系統的調峰電量期望最大為目標，提出一種小水電與大中型水電站協調方法有效解決複雜水電運行問題。在考慮小水電預測出力的不確定時，提出小水電出力不確定性的模糊聚類和情境分析方法。在此基礎上以系統負荷作為關聯因子，混合逐次逼近算法與處理複雜時段耦合約束的關聯搜索策略建立小水電與大中型水電站群的協調求解框架，實現小水電與大中型水電站的協調，確定大中型電站運行計劃，對解決我國大型電網水電系統運行具有重要的借鑑價值和參考作用。
【專利說明】一種預測出力不確定小水電與大中型水電站協調的日前發電方法

【技術領域】
[0001]本發明屬於水電系統調度領域，具體涉及一種計及小水電預測出力不確定性的小水電與大中型水電站協調的日前發電計劃制定方法。
技術背景
[0002]在國家力推節能減排的能源政策導向下，電網節能發電調度得以深入開展，小水電作為重要的清潔可再生能源，因其靈活的開發方式及能夠有效推動農村經濟發展等優點而逐漸受到社會各界的廣泛關注，並以每年超過250萬kW的裝機規模迅速發展。截止2011年末，全國範圍內已建成小型水電站4.5萬多座，裝機容量6212萬kW，年發電量1757億kWh。小水電已成為我國電網運行中的重要的電源力量。由於小水電主要分布在中西部遠離大電網且水資源豐富的山區，隨著小水電系統規模和比重逐漸增大，大中型水電站與小水電共同構成了規模巨大、運行條件極為複雜的水電站群系統。同時，由於小水電與大中型水電站在調度方式、數據資料等方面的差異，傳統的水能利用、水電站水庫調度理論和方法的應用遇到難以克服的困難。近年來，隨著系統規模的擴大，電網安穩約束、大小水電系統協調、小水電出力不確定性等問題加劇了問題的複雜性，對現行水電調度方式構成的巨大挑戰。因此，針對小水電與大水電耦合系統，構建合理優化調度模型，對充分利用水資源，深入開展電網節能調度，保障電網安全運行有著十分重要的意義。
[0003]水電系統被公認為水資源領域最為複雜的應用系統之一。對於小水電與大水電耦合的水電系統需要滿足電網需求，同時受到省網和電站運行約束的限制，其發電計劃受電網消納、送出能力限制，是極其複雜的大規模、非線性、優化調度問題。在短期發電優化中，由於決策變量多、目標函數多樣、約束條件複雜、時效性要求高的特點，因而建模求解非常棘手，而小水電出力的不確定性更加劇了建模求解的複雜性。目前國內外文獻中主要分別針對大中型水電和小水電進行調度及相關研究，但對於考慮大小水電耦合系統協調的建模及求解基本是空白，小水電與大水電耦合系統優化調度面臨的難度很大，理論和實踐意義顯著，直接關係和影響電網安全經濟運行，同時實現水資源的合理利用。
[0004]本次申請成果構建了小水電與大中型水電耦合系統調峰電量期望最大模型並提出了求解算法。


【發明內容】

[0005]本發明的目的在於提供一種計及小水電預測出力不確定性的小水電與大中型水電站協調的日前發電計劃制定方法，用於構建小水電與大中型水電站耦合系統調峰電量最大模型，充分考慮小水電預測出力的不確定性與隨機性，採用基於不同情境的概率分布方式進行描述，同構模型構建小水電與大中型水電站協調求解框架，制定合理的日前發電計劃，實現大小水電的協調運行，保證電網安全運行，具有廣泛的經濟效益和社會價值。
[0006]為實現上述目的，本發明的技術方案為:
[0007]—種計及小水電預測出力不確定性的小水電與大中型水電站協調的日前發電計劃制定方法，建立小水電與大水電耦合系統調峰短期調峰電量期望最大模型。該模型利用小水電歷史預測出力與實際出力的相關關係，採用模糊聚類分析方法建立基於不同情境小水電預測出力條件下實際可能情境的概率分布；並以系統負荷作為關聯因子，結合混合水電降維策略建立小水電與大中型水電站群的協調求解框架，實現大、小水電協調運行。
[0008]本發明對比現有技術有如下有益效果:本發明是一種計及小水電預測出力不確定性的小水電與大中型水電站協調的日前發電計劃制定方法，水電站在電力系統中主要作用之一就是調峰，考慮到我國的能源結構及水電在我國電力系統中所處的獨特地位，隨著小水電併網裝機比重的不斷增加，小水電與大中型水電聯合調度問題也越來越嚴重。對比現有技術，本發明能夠有效解決小水電與大中型水電站聯合運行問題，得到高效的、滿足實際工程中需求的應用結果，是一種切實可行的小水電與大中型水電站協調的日前發電計劃制定方法，對解決我國大電網水電系統運行將具有借鑑與參考作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是小水電基於不同預測情境分類過程示意圖。
[0010]圖2是小水電與大中型電站協調運行過程示意圖。

【具體實施方式】
[0011]為使本發明的目的、優點及技術方案更加清晰，下面對本發明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0012]1.一種計及小水電預測出力不確定性的小水電與大中型水電站協調日前發電計劃制定方法，以小水電與大中型水電站耦合系統調峰電量期望最大為目標，實現小水電與大中型水電站協調運行。主要包括小水電基於不同情境概率分析和小水電與大中型水電站協調運行兩部分核心內容。
[0013](I)小水電基於不同情境概率分布分析；
[0014]I)選取特徵值；小水電某日運行情況對系統調峰造成影響的相關因素稱為該日的特徵值。經由目標函數分析可知，小水電時段出力是主要影響因素，其各時段出力的大小會影響大中型水電的最優分配結果。綜上所述，可以選取小水電總出力和調峰時段平均出力作為聚類特徵值。為了說明，本發明選取小水電總出力、早峰平均出力、午峰平均出力、晚峰平均出力共4個因子作為聚類特徵值進行解釋。則第i日的特徵向量可表示為:[αη, ai2, ai3, a i4]=[總出力，早峰平均出力，午峰平均出力，晚峰平均出力]，其中總出力:

【權利要求】
1.一種預測出力不確定小水電與大中型水電站協調的日前發電方法，以小水電與大中型水電站耦合系統調峰電量期望最大為目標，實現小水電與大中型水電站協調運行；其特徵在於包括分析小水電基於不同情境概率和協調運行小水電與大中型水電站； (1)分析小水電基於不同情境概率分布 1)選取特徵值；選取小水電總出力和調峰時段平均出力作為聚類特徵值，選取小水電總出力、早峰平均出力、午峰平均出力、晚峰平均出力共4個因子作為聚類特徵值進行解釋；則第i日的特徵向量可表示為:[an，ai2) ai3) a i4]=[總出力，早峰平均出力，午峰平均出力，晚峰平均出力]，其中總出力:
調峰時段平均出力:
式中:a 為第i日第j個特徵值，tl、t2分別表示調峰時段的起始和結束時段，Psmt為t時段小水電群出力，麗； 2)模糊聚類分析確定基於不同預測情境的小水電概率分布；將歷史所有預測樣本作為計算樣本，按I)所示確定的指標特徵向量，採用模糊聚類方法確定預測出力分類集合，表示為PF ;在第nO種小水電預測出力情境下，將第nO種小水電預測出力情境的樣本對應日期的實際出力過程組成新的聚類樣本；採用模糊聚類方法進行分類，確定實際分類集合，表示為PO ;則第η種實際出力情境的概率分布按下式表示:
式中:g表示第η種實際出力情境的樣本個數，G表示實際出力情境的樣本總數，Pr [PO (n) |PF(nO)]為預測出力屬於第nO種情境時，實際出力為第η種情境的概率； 3)每一類預測或實際出力情境中均包含>I的樣本個數，採用樣本均值方式確定每一情境的典型過程； (2)小水電與大中型水電站協調運行； I)小水電實際出力可能情境確定；根據某日預測出力過程，可表示為Pf，與計劃情境集合PF中第i類按下式進行相關性分析:
式中:pft為在時段t的預測出力；^為預測平均出力；PFi,t為第i類計劃情境中t時段的出力；&為第i類計劃情境的平均出力；R為相關係數； 選取相關係數最大對應的計劃情境為當前預測出力所屬類別，即Pf e PF(nO);按照小水電計劃情境(PF(nO))，根據小水電概率分布獲得在當前預測情境下，實際可能的小水電出力情境集合(PO)及其對應概率；2)採用等流量調節方式確定初始解；根據水庫m調度期的始末水位控制需求以及日來水總量，可按下式確定各時段的發電流量:
式中:V?u、Vm；T為電站m的初始水位和期末水位對應的庫容q為電站m在t時段的發電流量，m3/s ; At為t時段小時數，Qm；t為m號電站在時段t的入庫流量，m3/s ； 3)餘留負荷最大值期望的確定；根據大中型水電與小水電的負荷關聯性計算系統剩餘負荷，求解最大值，並結合不同情境小水電的概率分布確定餘留負荷最大值的期望；第η類小水電實際情境Po e PO (η)的剩餘負荷最大值按下式進行計算:
式中為第η類實際出力情境的剩餘負荷最大值，MW ;Ct表示t時段系統負荷，MW;Psmt^n為第η種實際出力情境t時段小水電出力，MW ； 結合小水電的概率分布，按下式確定剩餘負荷最大值的期望:
式中:E為剩餘負荷最大值的期望；Pr[po e PO(n) |pf e PF(nO)]為預測出力屬於第nO種情境時，實際出力為第η種情境的概率； 4)循環優化計算；混合逐次逼近算法與處理複雜時段耦合約束的關聯搜索策略進行水電站群優化調度求解，調整大中型水電的出力過程；其中逐次逼近算法將原多維問題簡化為一系列一維優化子問題，關聯搜索策略保證在一維問題求解中多個時段耦合變量滿足給定的爬坡限制和出力波動控制約束；第一次調整結束即完成一次迭代；根據3)所述計算餘留負荷最大值的期望E' ;按照總體評價目標，將本次計算的E'與前一次計算的E進行比較: 若E' Ε，則捨棄本次結果，進行下一次優化； 循環上述步驟直至不再獲得更優結果即可結束。
2.根據權利要求1所述的日前發電方法，其特徵在於，目標函數為小水電與大中型水電站耦合系統調峰電量期望最大:
式中:po為小水電實際出力過程；P0為小水電可能實際出力過程集合；Ρ0(η)為第η種小水電可能實際出力過程；Pf為小水電預測出力過程(上報計劃)；PF為小水電預測出力過程集合；PF(nO)為第nO種小水電預測出力過程；Pr[po e PO(n) pf e PF(nO)]為預測出力屬於第nO種情境時，實際出力為第η種情境的概率，PsmU為第η種實際出力情境t時段小水電出力；N為小水電可能實際出力過程情境數。
3.根據權利要求1或2所述的日前發電方法，其特徵在於，利用極大熵凝聚函數的一種近似變換代替極大極小形式的目標函數，建立替代目標函數:
4.根據權利要求3所述的日前發電方法，其特徵在於，步驟(1)中模糊聚類方法: 假設共有η個樣本集合，利用m個指標特徵向量，以所有相同樣本距聚類中心總距離最小為目標，建立如下目標函數:
式中:Ukj表不樣本j隸屬於類別k的相對隸屬度；Dkj表不樣本j與類別k之間的歐式距離；c表示分類個數； 對各指標特徵值進行歸一化處理；則上述目標函數中的Dw可表示為:
式中=Wi表示不同指標權重,且滿足
Vik表示類別k指標i的聚類特




i=l徵規格化數，0<Vi，k<i; 由於考慮各指標特徵值對聚類的影響同等重要，本文採用等權重，即Wi = Ι/m ;通過構造拉格朗日函數求解滿足約束的上述極值問題，獲得如下聚類迭代式:
5.根據權利要求4所述的日前發電方法，其特徵在於，步驟(2)中關聯搜索算法: 對於大規模問題，從一個初始解開始，持續地在當前解的鄰域中搜索比當前解更優的可行解，並以其替代當前解，直到在當前解的鄰域中找不到更優解為止；由於存在出力爬坡、出力波動頻率和出力升降時段數等約束，當一個變量被賦值後，其他變量的可行取值範圍也會發生改變，設計一種能夠在當前解鄰域內構造可行解的關聯搜索模式，通過修正與搜索發起點關聯的局部發電流量過程以確保搜索模式的可行性；關聯搜索包括修正搜索發起電站的發電流量以滿足時間關聯約束和末水位控制等約束，也包括對各下遊電站發電流量的調整以滿足其末水位控制；單步關聯搜索過程由初始搜索、影響範圍擴張、影響範圍邊緣修正、出入庫水量差修正四種基本操作構成。
6.根據權利要求4或5所述的日前發電方法，其特徵在於，約束條件集合包括: (a)水量平衡:
式中X (W)、QL Cm3Zs'), Stm (m3/.s)分別表示m號水電站t時段初庫容、入庫流量和出庫流量S =q:,+d,m, q:d:n ( m3)分別為m號水電站t時段發電流量和棄水流量；Δ t表示第t個時段的小時數； 其中
表示m號水電站t時段區間入庫流
量，對於最上遊電站則為總入庫流量；Km為m號水電站的直接上遊電站數目；Um為m號水電站直接上遊電站標號數組；以函數f (m，Um [k]，t)計算m號水電站的第k個直接上遊電站各時段出庫流量在時段t流達電站m的總和；
式中:康示m號水電站的第k個直接上遊電站與m號電站間的最大最小水流滯時時段數；從《，/，《，仏[/(]，孓^)表示m號水電站的直接上遊Um[k]號電站在η時段的出庫sHm (m3/s)於t時段流達m號電站的流量；為Um[k]號水電站的出庫流S.Sum [k] 對應的滯時時段數； (b)末水位控制:
Zr+1 = ZT mm 式中:Zl+1表示m號水電站控制期末水位，ZTffl為其控制值； (c)發電流量約束: € ^ i 式中:g? (m3h)表示m號水電站t時段發電流量上限； (d)水電站出力約束:
? Z t 廠1式中:Al (MW), ρ[, (MW), pm (胃)表示m號水電站t時段平均出力及其上下限，
(e)電網水電總出力限制:
式中:I ( \m ，Ug (MW )表示g號電網t時段水電總出力上下限； (f)庫水位約束:
2；?<Z:,<Z:? 式中:Zi，Z^m, Ei表示m號水電站t時段初水位及其上下限； (g)出庫流量限制:
S:n ^ Stm < Sm 式中:1 (Ot3/s)，Stm ( m3/s )表不m號水電站t時段出庫流量上下限； (h)水電站振動區約束:
式中:凡，WX) ( MW )，psm^(Z:n,Z；:\Zd'J (蕭)表示m號水電站t時段第k個出力振動區的上下限，與Zl+t，Ztm , 有關，Z<?為m號水電站t時段平均尾水位； (i)最小開機出力: (P'?-Pmin? 式中:pminm(MW)表示m號水電站最小開機出力，即"大於pminm或為O ; (j)水電站出力爬坡限制:
\PL -Pin1 AP,n ^Pm ( )表不m號水電站相鄰時段最大出力升降限制； (k)水電站出力波動限制:
(P',,,、1 - P1、W,,, -Ptm1) Δ = 1,2,…，ivm 式中^^是!!!號水電站出力升降最小間隔時段數，即在一輪出力升降過程最高最低點需持續最少tvm個時段； (I)最小出力升降時段數限制: m號水電站出力上升開始至下降開始，或由下降開始至上升開始的時間間隔不少於tpm個時段；
式(b)和式(d)-(l)中，I彡t彡T，I彡m彡Μ。
【文檔編號】G06Q10/04GK104182804SQ201410415349
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年8月21日 優先權日:2014年8月21日
【發明者】程春田, 蔡華祥, 武新宇, 李秀峰, 吳慧軍 申請人:大連理工大學, 雲南電力調度控制中心