具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法

2023-05-18 19:06:31

專利名稱：具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法
技術領域：
本發明涉及水電調度運行領域，特別涉及一種具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法。
背景技術：
多限制運行區是我國西南幹流梯級水電站群的普遍特性，像紅水河流域的龍灘、天生橋一級，瀾滄江流域的小灣、糯扎渡，烏江流域的烏江渡、構皮灘均是如此，這些電站配備的混流式水輪機組儘管可以提供較高的發電效率，但同時存在多個隨水頭動態變化的出力限制區域(見圖1、圖2)，使得調度運行的複雜性大大增加，電站和電網的安穩運行面臨新的挑戰。比以往單一固定範圍的限制運行區情況更為複雜(J. P. S. Catalao, S. J. P. S.Mariano，V. M. F. Mendesj and L. A. F. M. Ferreira. Scheduling of head-sensitivecascaded hydro systems: a nonlinear approach.1EEE Transactions on PowerSystems. 24(1)，337-346，2009)(見圖3)，多限制運行區導致梯級水電站的協調難度進一步加劇，表現為電站本身以及上下遊電站間的發電水頭、出力、發電流量的關係更加緊密。一方面，當電站出力或水頭超出一定的變化範圍時，會使得電站在連續運行過程中跨越多個出力限制區，容易對電站後續時段產生關聯影響，在有限時間範圍內尋求合理的出力過程愈加困難；另一方面，由於梯級電站間的水力耦合關係，當下遊水電站存在與水頭關聯的限制運行區時，水頭的變化很可能使得原先可行出力落入限制運行區域，從而要求進一步協調梯級水電站的發電調度方式，即重新調整電站出力或流量，這勢必會影響優化計算效率。從數學角度考慮，多限制運行區梯級水電站群調度問題屬於高維不連續優化問題，傳統以機組為基本調度單元的最優負荷分配方法儘管可以滿足調度精細化要求，但計算量將成倍增加，難以兼顧優化效率與結果質量，需要探求新的優化求解思路與方法。目前國內外相關研究成果大多針對單一固定範圍的機組限制運行區問題，如何高效安排具有多限制運行區的梯級水電站群發電調度方式，尚未見到相關文獻報導。本發明成果以我國西南地區多個梯級水電站群的調度運行問題為工程背景，兼顧了梯級電站和電網的安全經濟運行要求，具有重要的推廣使用價值。

發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法，可兼顧多限制運行區下梯級水電站的安全性和經濟性運行要求，實現上下遊電站同時避開出力限制區，並較大幅度地提高梯級優化計算效率。本發明的技術方案為一種具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法，包括數據準備和模型求解兩大部分，按照下述步驟(I)-(IO)完成梯級短期優化調度過程(I)確定各電站的所有機組組合類型(數據準備)。根據面臨電站m包含的水輪機型號以及該型號的機組臺數，利用數學中的組合原理確定該電站機組組合集I,,, = {n，· -,UntXm I,其中Nni為電站m的機組組合個數，I彡m彡M，M為電站個數；(2)確定各機組組合類型的最優發電曲線(數據準備)。將電站m第η個機組組合Um，n中各臺機組的水頭 出力 發電流量曲線作為基本求解條件，以總耗水量最小為優化目標，利用動態規劃方法進行固定機組間的最優負荷分配，確定該組合類型在不同發電水頭下的出力 流量曲線，其中ISni^Nm;(3)確定各機組組合類型的限制運行區(數據準備)。將電站m第η個機組組合Um, η中各臺機組的限制運行區間作為已知條件，利用數學中的區間組合原理確定該組合類型在
不同水頭範圍內的限制運行區間；(4)按上遊至下遊順序，利用逐步優化算法對梯級水電站進行搜索尋優。令當前搜索電站編號m=l，搜索時段t=l ； (5)固定電站m在時段t-ι和t+Ι的末水位Zni^ Zm；t+1 (當t_l=0時即為起始水位Zm，當t+l=T時即為給定的末水位需求V m，T，T為時段個數)，按給定的流量步長qstepm對t時段進行流量離散，選擇不同離散狀態下的最優發電曲線，並對t時段進行定流量計算，對t+Ι時段進行定水位計算，對比不同離散狀態下的目標值確定t時段最優發電流量和出力；(6)分別判斷t時段和t+Ι時段的出力是否落入相應水頭下的限制運行區圮, ，
若是，按就近原則將出力修正為限制運行區邊界值，並利用耗水率估算發電流量，重新進行定流量計算，重複該步驟直至t時段和t+i時段出力均跳出出力限制區；(7)對電站m的下遊關聯電站依次進行定出力計算，確定各電站從t時段至最後一個時段的水位與流量過程，若某時段電站出力落入限制運行區，則需要根據水頭增減方向調整發電流量，以快速跳出出力限制區當水頭減小時，可減小發電流量直至出力減至限制運行區下限值；當水頭增大時，可增大發電流量直至出力增至限制運行區上限值；(8)令t=t+l，若t ( T-1，則跳至步驟(5)繼續計算；否則轉至步驟(9)；(9)令t=l, m=m+l，若m彡M，則跳至步驟(5)繼續計算；否則轉至步驟(10)；(10)判斷兩輪目標差值是否小於給定的精度，若是，梯級優化調度過程結束；否則跳至步驟(4)，繼續下一輪尋優。本發明對比現有技術有如下有益效果本發明一種具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法，利用機組組合優化預先將機組限制運行區和發電曲線等效轉換為電站特性數據，以將電站作為基本調度單元；在優化計算過程中，根據面臨時段的發電水頭實時選擇最優發電曲線，使出力 流量轉換滿足耗水量最小目標，並由梯級水頭變化關係和限制運行區確定出力修正方向和幅度，實現梯級水電站快速跳出限制運行區。對比現有技術，本發明可兼顧多限制運行區下梯級水電站的安全性和經濟性運行要求，實現上下遊電站同時避開出力限制區，並提高梯級優化計算效率。


圖1是龍灘水電站的限制運行區示意圖。圖2是天生橋一級水電站的限制運行區示意圖。
圖3是天生橋二級水電站的限制運行區示意圖。圖4是具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法實施流程圖。圖5是龍灘水電站出力過程和限制運行區分布圖。圖6是天生橋一級水電站出力過程和限制 運行區分布圖。圖7是天生橋二級水電站出力過程和限制 運行區分布圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。多限制運行區問題是大規模梯級水電站群安全經濟運行面臨的突出問題之一。由於限制運行區隨發電水頭動態變化，使得在計算中很難預判面臨時段的出力限制區間，也就無法直接採用傳統處理單一固定區間的懲罰函數法確定出力調整方向和幅度；另一方面，電站和機組數量急劇增加使得傳統以機組為基本調度單元的求解效率大幅下降，為此，應將電站作為基本調度單元，以保證較高的梯級優化效率，但如何將機組的限制運行區和發電曲線轉換為等效電站數據，鮮有文獻報導。本發明揭示一種具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法，打破了傳統求解思路，預先通過機組組合優化將機組限制運行區和發電曲線等效轉換為電站特性數據，以將電站作為基本調度單元；在優化計算過程中，根據面臨時段的發電水頭實時選擇最優發電曲線，使出力 流量轉換滿足耗水量最小目標，並由梯級水頭變化關係和限制運行區確定出力調整方向和幅度，實現梯級水電站快速跳出限制運行區。本發明由數據準備和模型求解兩大部分組成。第一部分需要生成電站的機組組合類型、以及不同機組組合的限制運行區和最優發電曲線，這是模型求解的前提和基礎。首先，機組組合的個數取決於電站的水輪機種類及對應機組臺數，假定電站m具有A型號的機組Y1臺，B型號的機組Y2臺，以此類推，共有X種型號，則該電站的組合機組數為
權利要求
1.一種具有多限制運行區的梯級水電站優化調度方法，其特徵包括如下步驟(1)確定各電站的所有機組組合類型；根據面臨電站m包含的水輪機型號以及該型號的機組臺數，利用組合原理確定該電站機組組合集···，[/ ,ij，其中 I ^ m ^ M ；(2)確定各機組組合類型的最優發電曲線；將電站m第η個機組組合Um，n中各臺機組的水頭 出力 發電流量曲線作為基本求解條件，以總耗水量最小為優化目標，利用動態規劃方法進行固定機組間的最優負荷分配，確定該組合類型在不同發電水頭下的出力 流量曲線，其中I彡m彡M，1彡η彡Nni ;(3)確定各機組組合類型的限制運行區；將電站m第η個機組組合Unhn中各臺機組的限制運行區間作為已知條件，利用區間組合原理確定該組合類型在不同水頭範圍內的限制運行區間;(4)按上遊至下遊順序，利用逐步優化算法對梯級水電站進行搜索尋優；令當前搜索電站編號m=l,搜索時段t=l ；(5)固定電站m在時段t-1和t+1的末水位;當卜1=0時即為起始水位Zii^, 當t+l=T時即為給定的末水位需求Z丨m，T ;按給定的流量步長Qst印時段進行流量離散，選擇不同離散狀態下的最優發電曲線，並對t時段進行定流量計算，對t+Ι時段進行定水位計算，對比不同離散狀態下的目標值確定t時段最優發電流量和出力；(6)分別判斷t時段和t+Ι時段的出力是否落入相應水頭下的限制運行區，若是，按就近原則將出力調整為限制運行區邊界值，並利用耗水率估算發電流量，重新進行定流量計算，重複該步驟直至t時段和t+Ι時段出力均跳出出力限制區；(7)對電站m的下遊關聯電站依次進行定出力計算，確定各電站從t時段至最後一個時段的水位與流量過程，若某時段電站出力落入限制運行區，則需要根據水頭增減方向調整發電流量，以快速跳出出力限制區當水頭減小時，減小發電流量直至出力減至限制運行區下限值；當水頭增大時，增大發電流量直至出力增至限制運行區上限值；(8)令t=t+l，若t( T-1，則調至步驟(5)繼續計算；否則轉至步驟(9)；(9)令t=l，m=m+l，若m<M，則調至步驟(5)繼續計算；否則轉至步驟(10)；(10)判斷兩輪目標差值是否小於給定的精度，若是，梯級優化調度過程結束；否則跳至步驟(4)，繼續下一輪尋優。
全文摘要
本發明屬於水電調度運行領域，公開了一種具有多限制運行區的梯級水電站群短期優化調度方法，可兼顧多限制運行區下梯級水電站的安全性和經濟性運行要求，實現上下遊電站同時避開出力限制區，並提高梯級優化計算效率。其技術方案為利用機組組合優化預先將機組限制運行區和發電曲線等效轉換為電站特性數據，以將電站作為基本調度單元；在優化計算過程中，根據面臨時段的發電水頭實時選擇最優發電曲線，使出力~流量轉換滿足耗水量最小目標，並由梯級水頭變化關係和限制運行區確定出力修正方向和幅度，實現梯級水電站快速跳出限制運行區。本發明有效克服了多限制運行區導致的優化結果可用性差、計算速度慢的缺點，兼顧了結果質量和計算效率，適於在類似梯級水電站調度運行中推廣採用。
文檔編號G06Q10/04GK103020742SQ20121057917
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優先權日2012年12月27日
發明者程春田, 申建建, 武新宇, 廖勝利, 李剛 申請人:大連理工大學