CN104537577A - 一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法，属于水利电力技术领域。本发明包括以下步骤：(1)确定调度期，设置调度期内约束条件；(2)建立水库确定性长期优化调度发电量最大模型；(3)以减少弃水能量和入能损失为原则，获得防弃水线和最小决策限制线；(4)对防弃水线进行相应调整，确定最优运行参考线；(5)根据最优运行参考线，获得最优决策，指导电站运行。本发明将专家经验和水库调度规则融入方法本身，容易为调度人员理解并掌握；任意时刻可根据水电站当前蓄水状态作出相应的决策，具有更强的可执行性和更大的指导意义。

Description

一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法

技术领域

本发明属于水利电力技术领域，更具体地，涉及一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法。

背景技术

水电站优化调度是一个典型的多目标、多阶段非线性问题。在水电站长期调度中，通常建立发电量最大模型，并用动态规划法及其改进算法进行求解，改进算法主要包括逐步优化法、动态规划逐次逼近法、状态逐密动态规划法和增量动态规划法等。这些方法虽然可以获得最优解或近似最优解，但其本质上是穷举法，优化结果可解释性差，难以让调度人员理解，且获得的仅仅是问题的一个解而不是一套规则，指导能力有限。受水电站运行累积偏差、负荷需求偏差和径流预报偏差的影响，水电站的运行状态会偏离原最优方案，此时，原最优方案已丧失了最优性而不具有指导意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法。本发明将专家经验和水库调度规则融入方法本身，容易为调度人员理解并掌握；任意时刻可根据水电站当前蓄水状态作出相应的决策，具有更强的可执行性和更大的指导意义。

本发明提供一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法，包括以下步骤：

步骤1设置调度期，将所述调度期均匀划分为T个等间距的时段，设置水电站调度期内的初始条件和约束条件，其中T为正整数；

步骤2根据水电站的库容特性曲线、尾水关系曲线、水电站优化调度的目标函数和所述约束条件，建立水电站长期优化调度发电量最大模型；

步骤3确定防弃水线和最小决策限制线，包括以下子步骤：

(3-1)以减少弃水能为原则确定防弃水线，包括以下子步骤：

(3-1-1)已知一个时段末蓄水状态和入库流量信息，令本时段出库流量等于水轮机最大过流，由水量平衡方程求得时段初蓄水状态；

(3-1-2)根据所述时段初蓄水状态、所述时段末蓄水状态、所述入库流量和最大出力，计算求得弃水流量，若所述弃水流量大于零，则减小所述出库流量使得所述弃水流量为零，并根据所述水量平衡方程重新计算时段初蓄水状态，若所述弃水流量等于零，则时段初蓄水状态取所述步骤(3-1-1)所求得的值，将计算得到的时段初蓄水状态作为上一时段末蓄水状态；

(3-1-3)按所述步骤(3-1-1)和(3-1-2)从调度期末递推计算至调度期初，得到一条水位过程线；

(3-1-4)对所述水位过程线从所述调度期初至调度期末逐时段检查是否有弃水发生，若各时段均无弃水，则所述水位过程线即为防弃水线；若某时段有弃水发生，则进行相应调整，使弃水集中在最后一个或几个时段，调整后的水位过程线即为所述防弃水线；

(3-2)根据水电站尽量保持高水位运行减少入能损失的原则，确定最小决策限制线，包括以下子步骤：

(3-2-1)根据一个时段初蓄水状态和入库流量信息，计算本时段最小出力对应的出库流量，并与最小下泄流量比较，取两者中较大流量作为本时段出库流量，根据所述水量平衡方程获得时段末蓄水状态，并将其作为下一时段初蓄水状态；

(3-2-2)按所述步骤(3-2-1)从调度期初递推计算至调度期末，得到一条水位过程线，即为所述最小决策限制线；

步骤4当抬高水位引起的不蓄能增加比弃水能损失大时对所述防弃水线进行调整，使得不蓄能增加量与弃水能损失量的差值为0时结束调整，调整后的防弃水线即为水电站最优运行参考线；

步骤5获得所述最优运行参考线以后，根据水电站时段初蓄水状态、入库流量和所述最优运行参考线，取本时段末蓄水状态为最优运行参考线对应的本时段末蓄水状态，计算出库流量并与本时段最小出库流量、最小出力对应的出库流量进行比较，取较大流量作为本时段决策，并按照此决策运行至本时段末，后续时段按上述方法确定相应决策并运行，直至所述调度期末。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本发明将最小决策限制线和防弃水线结合使用，可达到在尽量不弃水的条件下尽可能抬高水电站发电水头的效果，增加水电站发电量；

(2)以本发明获得的是一套调度规则而不仅仅是一个发电计划，以参考线为目标水位，任意时刻水电站均可根据当前水位作出最优决策，而不需要重做发电计划，具有更强的可执行性和更大的指导意义；

(3)本发明将专家经验和水库调度规则融入方法本身，获得的调度规则只有一条水位控制线，即参考线，用参考线指导水电站运行设计合理、操作简单且易为调度人员理解并接受。

附图说明

图1为本发明基于参考线的水电站确定性优化调度方法的流程图；

图2为本发明水电站决策运行流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

水电站发电过程中涉及到的能量有水电站初始蓄能、输入能、损耗能和输出能，根据能量守恒定律，在水电站初始蓄能和输入能一定的情况下，损耗能越少，则输出的电能越多。基于上述原理，可获得须遵循的两条基本原则：(1)尽量避免弃水，减少弃水能损耗；水电站发电优化调度(2)尽量抬高水电站运行水位，减少入库能损耗。根据水电站初始蓄水状态和计划期内入库流量过程，运用上述原则可确定水电站最优运行策略。

图1所示为基于参考线的水电站确定性优化调度方法的流程图，具体包括以下步骤：

步骤1设置调度期，将调度期(1年)均匀划分为T(T为正整数，在本发明实施例中，T＝12或36)个等间距的时段；设置水电站调度期内的约束条件，其中，水位约束： Z _t、分别表示t(t＝1,2，…，T)时段最低水位和最高水位限制；库容约束： V _t、分别表示t时段最小库容和最大库容限制；出力约束： N _t、分别表示t时段最小和最大出力限制；出库流量约束： R _t、分别表示t时段最小和最大出库流量限制；水量平衡方程：V_t+1＝V_t+(I_t-R_t)×Δt，I_t表示t时段来流，Δt表示一个时段的时间间隔；设置调度初始条件：水电站调度期初水位为Z_s，调度期末水位为Z_end。

步骤2根据水电站的库容特性曲线、尾水关系曲线、以及水电站优化调度的目标函数和上述约束条件，以水电站各时段入库流量作为输入变量，目标函数作为输出变量，建立水电站长期优化调度发电量最大模型如下：

$E=\max \underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{N}_t\×\mathrm{\Δt}$

N_t＝KQ_tH_t

其中，E表示全时期最优发电量；N_t表示水电站t时段出力；K表示水电站出力系数；Q_t表示t时段发电流量；H_t表示发电水头。

步骤3确定防弃水线和最小决策限制线，具体包括以下子步骤：

(3-1)确定防弃水线。在水电站运行过程中，减少弃水损失能量，有利于发电量增加。水电站运行过程中，在两种情况下会发生弃水：一是出库流量大于水轮机最大过流量PlantsMaxQ；二是虽然出库流量小于水轮机过流量，但是本时段出力超过最大出力限制具体包括以下子步骤：

(3-1-1)已知时段T末水位Z_T+1和本时段入库流量I_T,由库容特性线性插值得时段末库容V_T+1，令本时段出库流量R_T等于水轮机最大过流PlantsMaxQ，由V_T+1、R_T、I_T和水量平衡方程，可求得时段初库容V_T，若则取若V_T＜V _T，则取V_T＝V _T，求得时段初库容V_T后由库容特性线性插值获得时段初水位Z_T；

(3-1-2)由V_T、V_T+1、I_T和可求得弃水流量Q_sp，若Q_sp＞0，则调整出库流量为R_T-Q_sp，根据水量平衡方程重新计算V_T，若则取若V_T＜V _T，则取V_T＝V _T，求得V_T后由库容特性线性插值获得时段初水位Z_T；若Q_sp＝0，则本时段初水位Z_T取上述步骤(3-1-1)中所获得的值；将Z_T作为上一时段末水位；

(3-1-3)按照步骤(3-1-1)和步骤(3-1-2)从调度期末递推计算至调度期初，得到一条水位过程线Z_t-unsp(t＝1,2，…，T，T+1)，相应的库容为V_t-unsp(t＝1,2，…，T，T+1)；

(3-1-4)对步骤(3-1-3)中所得水位过程线从调度期初至调度期末逐时段检查是否有弃水发生。若各时段均无弃水，则该水位过程线即为防弃水线；若时段t₁有弃水发生，则进行相应调整，调整原则是使弃水集中在最后一个或几个时段，以保持高水位发电，减小水库入库能损失。具体调整方法如下：调整电站出力为本时段所能达到的最大值，将弃水蓄存起来，直至水电站蓄满，蓄满后若仍有弃水，则令本时段出库流量等于其入库流量，计算本时段较调整前增加的蓄水量后续时段水库末库容均增加若遇t₂(t₁＜t₂＜T)时段末库容大于最大库容的情况，则令计算该时段增加的蓄水量后续时段水库末库容在V_t-unsp的基础上均增加调整后的水位过程线即为防弃水线；

(3-2)确定最小决策限制线。在水电站运行过程中，应尽量抬高水电站运行水位，以减小入能损失，增加发电量，具体包括以下子步骤：

(3-2-1)已知调度期初水位Z₁和本时段入库流量I₁，计算本时段最小出力N ₁对应的出库流量并与最小下泄流量R ₁比较，取两者中较大者作为本时段出库流量R₁，即本时段出库流量按照水量平衡方程，计算本时段末库容V₂,若则取若则取V₂＝V ₂，再根据库容特性线性插值得本时段末水位Z₂,并将其作为下一时段初水位；

(3-2-2)按步骤(3-2-1)从调度期初递推计算至调度期末，得到一条水位过程线Z_t-minN(t＝1,2，…，T,T+1)，即为最小决策限制线。

在本发明实施例中，步骤(3-1)的计算和步骤(3-2)的计算是分别独立进行的，即防弃水线与最小决策限制线的计算顺序可以任意。

步骤4考虑到某些情况下抬高水位引起的不蓄能增加比弃水能损失大，此种情况下可对防弃水线进行调整，具体包括以下子步骤：

(4-1)对防弃水线低于最小决策限制线的时段，将其时段末蓄水增加单位蓄水量ΔW(在本发明实施例中为1百万立方米)，计算水位抬高后的不蓄能增加量E_inc-i和弃水能损失量E_loss-sp，若不蓄能增加量E_inc-i大于弃水能损失量E_loss-sp，则执行步骤(4-2)进行调整，否则，防弃水线即为电站最优运行参考线，执行步骤5；

其中，不蓄电能增加量E_inc-i的计算方法为：

$E_{\mathrm{inc}-i}=\underset{t=t1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{I}_t\×\mathrm{\Δ}{H}_t\×\mathrm{\Δt}$

$\mathrm{\Δ}{H}_t=H_t^1-H_t^0$

其中，t1表示需进行调整计算的第一个时段的序号；表示增加单位蓄水量ΔW前水电站t时段上游平均水头；表示增加单位蓄水量ΔW后水电站t时段上游平均水头；

弃水损失量E_loss-sp的计算方法如下：

$E_{\mathrm{loss}-\mathrm{sp}}=\underset{t=t1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SP}}_t^1\×\mathrm{\Δ}{H}_t^1-{\mathrm{SP}}_t^0\×\mathrm{\Δ}{H}_t^0)$

$\mathrm{\Δ}{H}_t^1=H_t^1-{\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{down}}$

$\mathrm{\Δ}{H}_t^0=H_t^0-{\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{down}}$

其中，表示增加单位蓄水量ΔW前水电站t时段弃水量；表示增加单位蓄水量ΔW后水电站t时段弃水量；Z _down表示水电站下游常水头；

(4-2)采用一维搜索方法在最小决策限制线和防弃水线之间的区域对库容进行搜索，库容增加量每变化一次，用上述步骤(4-1)中的方法重新计算调整后的水位过程线对应的不蓄能增加量与弃水能损失量的差值，直到差值为0则结束调整，调整后的防弃水线即为最优运行参考线。

步骤5获得水电站长期优化调度最优运行参考线以后，以尽量抬高水位和减少弃水为原则，指导水电站运行。图2所示为本发明水电站决策运行流程图，具体包括以下子步骤：

(5-1)根据水电站t时段初蓄水状态Z_t、V_t，入库流量I_t和最优运行参考线，确定本时段决策，具体包括以下子步骤：

(5-1-1)计算本时段最小出力N _t对应的出库流量R_t1；

(5-1-2)令时段末蓄水状态等于防弃水线上本时段末蓄水状态，即Z_t+1＝Z_t+1-unsp，V_t+1＝V_t+1-unsp，计算出库流量R_t2和弃水流量Q_sp，若Q_sp＞0,则调整出库流量为R_t2＝R_t2-Q_sp，使弃水流量为0；

(5-1-3)比较出库流量R _t、R_t1、和R_t2的大小，取较大者作为本时段决策流量R_t，本时段按照决策R_t运行。

(5-2)按照步骤(5-1)的方法确定水电站每个时段的决策，运行至调度期末。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于参考线的水电站确定性优化调度方法，其特征在于，包括：

步骤1设置调度期，将所述调度期均匀划分为T个等间距的时段，设置水电站调度期内的初始条件和约束条件，其中T为正整数；

步骤2根据水电站的库容特性曲线、尾水关系曲线、水电站优化调度的目标函数和所述约束条件，建立水电站长期优化调度发电量最大模型；

步骤3确定防弃水线和最小决策限制线，包括以下子步骤：

(3-1)以减少弃水能为原则确定防弃水线，包括以下子步骤：

(3-1-1)已知一个时段末蓄水状态和入库流量信息，令本时段出库流量等于水轮机最大过流，由水量平衡方程求得时段初蓄水状态；

(3-1-2)根据所述时段初蓄水状态、所述时段末蓄水状态、所述入库流量和最大出力，计算求得弃水流量，若所述弃水流量大于零，则减小所述出库流量使得所述弃水流量为零，并根据所述水量平衡方程重新计算时段初蓄水状态，若所述弃水流量等于零，则时段初蓄水状态取所述步骤(3-1-1)所求得的值，将计算得到的时段初蓄水状态作为上一时段末蓄水状态；

(3-1-3)按所述步骤(3-1-1)和(3-1-2)从调度期末递推计算至调度期初，得到一条水位过程线；

(3-1-4)对所述水位过程线从所述调度期初至调度期末逐时段检查是否有弃水发生，若各时段均无弃水，则所述水位过程线即为防弃水线；若某时段有弃水发生，则进行相应调整，使弃水集中在最后一个或几个时段，调整后的水位过程线即为所述防弃水线；

(3-2)根据水电站尽量保持高水位运行减少入能损失的原则，确定最小决策限制线，包括以下子步骤：

(3-2-1)根据一个时段初蓄水状态和入库流量信息，计算本时段最小出力对应的出库流量，并与最小下泄流量比较，取两者中较大流量作为本时段出库流量，根据所述水量平衡方程获得时段末蓄水状态，并将其作为下一时段初蓄水状态；

(3-2-2)按所述步骤(3-2-1)从调度期初递推计算至调度期末，得到一条水位过程线，即为所述最小决策限制线；

步骤4当抬高水位引起的不蓄能增加比弃水能损失大时对所述防弃水线进行调整，使得不蓄能增加量与弃水能损失量的差值为0时结束调整，调整后的防弃水线即为水电站最优运行参考线；

步骤5获得所述最优运行参考线以后，根据水电站时段初蓄水状态、入库流量和所述最优运行参考线，取本时段末蓄水状态为最优运行参考线对应的本时段末蓄水状态，计算出库流量并与本时段最小出库流量、最小出力对应的出库流量进行比较，取较大流量作为本时段决策，并按照此决策运行至本时段末，后续时段按上述方法确定相应决策并运行，直至所述调度期末。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于,在所述步骤1中所述约束条件包括：水位约束、库容约束、出力约束以及出库流量约束。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于,在所述步骤2中建立的所述水电站长期优化调度发电量最大模型如下：

$E=\max \underset{t=1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{N}_t\×\mathrm{\Δt}$

N_t＝KQ_tH_t

其中，E表示全时期最优发电量；N_t表示水电站t时段出力；K表示水电站出力系数；Q_t表示t时段发电流量；H_t表示发电水头。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于,在所述步骤(3-1-1)中由所述水量平衡方程求得时段初库容，若所述时段初库容大于最大库容，则取所述时段初库容等于所述最大库容；若所述时段初库容小于最小库容，则取所述时段初库容等于所述最小库容，根据所述时段初库容由库容特性线性插值获得所述时段初蓄水状态。

5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于,在所述步骤(3-1-2)根据所述水量平衡方程重新计算所述时段初蓄水状态，若所述时段初库容大于最大库容，则取所述时段初库容等于所述最大库容；若所述时段初库容小于最小库容，则取所述时段初库容等于所述最小库容，根据所述时段初库容由库容特性线性插值获得所述时段初蓄水状态。

6.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于,在所述步骤(3-1-4)中若某时段有弃水发生，则调整电站出力为本时段所能达到的最大值，将弃水蓄存起来，直至水电站蓄满，蓄满后若仍有弃水，则令本时段出库流量等于其入库流量，计算本时段较调整前增加的蓄水量后续时段水库末库容均增加所述蓄水量若遇某时段末库容大于最大库容的情况,则令该时段末库容等于所述最大库容,计算该时段增加的蓄水量后续时段水库末库容在调整前库容的基础上均增加所述蓄水量

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于,在所述步骤(3-2-1)根据所述水量平衡方程获得时段末库容，若所述时段末库容大于最大库容，则取所述时段初库容等于所述最大库容；若所述时段初库容小于最小库容，则取所述时段初库容等于所述最小库容，根据所述时段初库容由库容特性线性插值获得所述时段初蓄水状态。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于,所述步骤4包括以下子步骤：

(4-1)对所述防弃水线低于所述最小决策限制线的时段，将其时段末蓄水增加单位蓄水量，计算水位抬高后的不蓄能增加量和弃水能损失量，若所述不蓄能增加量大于所述弃水能损失量，则执行步骤(4-2)，否则，防弃水线即为所述水电站最优运行参考线，执行所述步骤5；

(4-2)采用一维搜索方法在所述最小决策限制线和所述防弃水线之间的区域对库容进行搜索，库容增加量每变化一次，用所述步骤(4-1)中的方法重新计算调整后的水位过程线对应的不蓄能增加量与弃水能损失量的差值，直到差值为0则结束调整，调整后的防弃水线即为所述水电站最优运行参考线。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于,所述步骤(4-1)中所述不蓄电能增加量计算方法如下：

$E_{\mathrm{inc}-i}=\underset{t=t1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}{I}_t\×{\mathrm{\ΔH}}_t\×\mathrm{\Δt}$

$\mathrm{\Δ}{H}_t=H_t^1-H_t^0$

其中，t1表示需进行调整计算的第一个时段的序号；表示增加所述单位蓄水量前水电站t时段上游平均水头；表示增加所述单位蓄水量后水电站t时段上游平均水头；

所述弃水损失量的计算方法如下：

$E_{\mathrm{loss}-\mathrm{sp}}=\underset{t=t1}{\overset{T}{\mathrm{\Σ}}}({\mathrm{SP}}_t^1\×{\mathrm{\ΔH}}_t^1-{\mathrm{SP}}_t^0\×{\mathrm{\ΔH}}_t^0)$

${\mathrm{\ΔH}}_t^1=H_t^1-{\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{down}}$

${\mathrm{\ΔH}}_t^0=H_t^0-{\underset{\‾}{Z}}_{\mathrm{down}}$

其中，表示所述增加单位蓄水量前水电站t时段弃水量；表示增加所述单位蓄水量后水电站t时段弃水量；Z _dowm表示水电站下游常水头。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于,所述步骤5包括以下子步骤：

(5-1)根据水电站t时段初蓄水状态，入库流量和所述最优运行参考线，确定本时段决策，包括以下子步骤：

(5-1-1)计算所述t时段最小出力对应的出库流量R_t1；

(5-1-2)令时段末蓄水状态等于防弃水线上本时段末蓄水状态，计算出库流量R_t2和弃水流量Q_sp，若Q_sp＞0,则调整出库流量为R_t2＝R_t2-Q_sp，使弃水流量为0；

(5-1-3)比较所述t时段最小出库流量最小出力对应的出库流量R_t1、和出库流量R_t2的大小，取较大者作为本时段决策流量R_t，本时段按照所述决策流量运行；

(5-2)按照所述步骤(5-1)的方法确定水电站每个时段的决策，运行至调度期末。