CN105305501A - 实时负荷变化下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水电能源优化运行领域，公开了一种实时负荷下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法，该方法以实时负荷变化量大小为依据，制定多种模式调整策略。当电站接受到新负荷指令时，自动进入其相应调整模式。本发明方法可减少电站机组出力变幅、有效躲避振动区、降低穿越振动区次数，且电站总耗水率与计划经济运行计算得到的耗水率非常接近，无明显额外耗水。因此本发明方法兼顾稳定性、经济性与高效性，比现有技术更为经济、安全、高效。

Description

实时负荷变化下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法

技术领域

本发明属于水电能源优化运行领域，更具体地，涉及一种实时负荷变化下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法。

背景技术

水电站实时负荷调整是在日计划运行的基础上，每隔一定时段(一般为15min)，根据电网的实时负荷指令，按一定准则，对电站机组开停机组合、机组间负荷分配进行调整，得到新的出力计划并执行。实时负荷调整既要降低电站耗水率，又需避免机组频繁操作以保证电站稳定运行，是一个多目标问题。目前，实时负荷调整方法多为单一模式的调整方法，如：按机组容量分配或按等微增率原则分配，这类调整方法没有考虑机组最小开停机时间约束、机组爬坡率约束、振动区约束等，很难满足工程实际需要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种面向水电站实时控制的多模式时空嵌套出力动态调整方法，并运用空间和时间动态规划算法对实时负荷调整问题进行时空嵌套动态求解，实现基于安全和经济性的水电站实时出力调整和自动发动控制。

本发明提出的实时负荷变化下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法，充分考虑各项工程约束，以实时负荷变化量大小为依据，制定多种模式调整策略，并运用空间和时间动态规划算法对实时负荷调整问题进行时空嵌套动态求解，且在时间动态规划运算中对机组组合状态进行合理识别和筛选，减少遍历状态数，在保证最优解的前提下减少了计算时间。

具体技术方案如下：

步骤一：电网下达新负荷指令判断。

若本时段接到电网下达的新负荷指令则转至步骤二，否则保持原计划运行。

步骤二：负荷调整模式判断。

考虑水电机组单机容量、旋转备用要求、实时负荷变幅及时空动态规划方法的求解效率，共分为4种调整模式。负荷变幅在0～5MW以内，进入模式1，转至步骤3；负荷变幅在5～20MW范围内，进入模式2，转至步骤4；负荷变幅大于20MW且无需开停机操作，进入模式3，转至步骤5；负荷变幅大于20MW且需要开停机操作则进入模式4，转至步骤6。

步骤三：负荷调整模式1。

此时负荷变幅为0～5MW，波动微小，一般由系统负荷特性和机组惯性所吸收，分配方式保持与原计划一致，不做调整。

步骤四：负荷调整模式2。

此时负荷波动为5MW～20MW，仍在较小范围内，若采用动态规划方法重新分配机组负荷则计算成本过大，宜在原有出力计划的基础上按一定准则增减机组所带负荷，使调整后机组出力分配尽量与计划保持一致，避免机组频繁启停或出力大幅波动。具体步骤如下：

①将机组按耗水率从小到大排序，作为增减负荷的优先顺序。

②设实时负荷变化量为Δ(Δ＝实际负荷值-计划负荷值)。若Δ大于0，则在满足出力范围约束、振动区约束和爬坡率约束前提下，从优先顺序最高的机组开始依次向后加负荷，直至Δ等于0；若Δ小于0，在满足出力范围约束、振动区约束和爬坡率约束的前提下，从优先顺序最低的机组开始依次向前减负荷，直至Δ等于0。

③本时段负荷调整完成后，依次检查余留期下一时段到最后时段的出力状态，若出现不满足约束的情况，予以修正。

步骤五：负荷调整模式3。

此时负荷变化大于20MW，若仍采用模式2中的调整方法，则机组出力遍历空间小，局限性大，难以保证最优解。另一方面，原计划开机机组容量仍能满足当前负荷，无需进行开停机操作，在时间尺度上对余留时段机组开机组合无影响，因此只需调用空间动态规划方法，对本时段开机机组进行负荷再分配。具体步骤如下：

①根据机组出力上下限约束、振动区约束、爬坡率约束等确定各台机组的出力范围，并以1MW为步长进行离散，得到若干个可行出力状态。记录第一台机组的所有可行出力状态。

②从第二台机组开始，令当前机组编号k＝2。对k号机的每个可行出力状态，计算k号机该状态下的耗流量，并遍历k-1号机的所有可行状态，将第k号机耗流量与1～k-1号机累计耗流量相加，计算到1～k号机的总耗流量，得到使总耗流量最小的状态并记录。记录包括k号机出力、k号机耗流量、1～k号机总耗流以及k-1号机的出力状态。k号机计算完后令k＝k+1，重复步骤②，直至k＝4。

③从最后一台机开始，由后向前逆序查找，依次记录使总耗流量最小的各台机的状态，得到最优的实时负荷分配方案。

④本时段负荷调整完成后，依次检查余留期下一时段到最后时段的出力状态，若出现不满足约束的情况，予以修正。

步骤六：负荷调整模式4。

此时负荷变化大于20MW且原计划开机机组不能满足当前负荷，必须进行增减机组操作。当前时段开机组合发生变化，必然在时间尺度上对余留时段机组组合产生影响，因此不同于模式3，模式4需调用时间动态规划方法，对整个余留期作最优机组组合计算。具体步骤如下：

①令t＝t'，t'为负荷新负荷下达时段。遍历t时段的所有可行状态，查询空间最优负荷分配表，计算t时段各状态下的机组出力状态及发电耗流量并记录。

②t＝t+1，对t时段的每种可行的开机组合，查询空间最优负荷分配表得到当前时段该种开机组合下的耗流量，并遍历t-1时段所有满足t-1到t时段最小开机时间约束的开机组合，将t时段耗流量与1～t-1时段累计耗流量相加，得到使1～t时段总耗流量(包括1～t时段的发电耗流量、开停机耗流量和穿越振动区惩罚耗流量)最小的状态，并记录。为每一时段的各个可行组合状态建立数据表。每个状态的数据表包括如下内容：开机状态；机组本时段所带负荷，机组耗流量，全站本时段耗流量；全站从初始时段到本时段总耗流量，包括发电耗流量与时段间状态转移耗流量；指向前一时段组合状态的路径。

③循环步骤②，直至t＝T时段，其中T为调度总时段数。

④建立所有时段的数据表，从最后阶段累计耗流量最小的状态开始，由后向前回溯，进行逆序查表，依次记录各阶段使总的累计耗流量最小的状态，得到最优的开机方案。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

本发明方法可减少电站机组出力变幅、有效躲避振动区、降低穿越振动区次数，且电站总耗水率与计划经济运行计算得到的耗水率非常接近，无明显额外耗水。因此本发明方法兼顾稳定性、经济性与高效性，比现有技术更为经济、安全、高效。

附图说明

图1为本发明实时负荷变化下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法流程图；

图2为本发明实施例中实时负荷变化图；

图3为发明实施例中计划运行开停机状态图；

图4为发明实施例中实时运行开停机状态图。

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。

本发明以水布垭电站为实施例，进行实例仿真，以验证本发明的效果。

水布垭电站共装有4台46kW机组，145m～170m水头下振动区间为[121,180]MW,170m～203m水头下振动区间为[121,199]MW。机组爬坡率约束设置为100MW。以水布垭电站某日经厂内经济运行计算后的日发电计划为基础，并随机选取4个负荷变化点进行模拟计算，如图2所示。深灰色表示全站计划出力，黑色表示增负荷，浅灰色表示减负荷。其中在13时段，电站总负荷由100MW增加到140MW，此时若仍由一台机带负荷，则该台机会落入振动区，故要增开一台机组，进入模式4，采用时间动态规划算法对整个余留期作最优机组组合计算。36时段电站总负荷由800MW增加到1000MW，此时两台机组的装机容量已不能满足负荷需求，故也需增开一台机组，进入模式4，采用时间动态规划算法对整个余留期作最优机组组合计算。24时段电站总负荷由400MW减少到380MW，负荷变动在20MW范围内，进入模式2，由一台机组承担变化负荷。25时段电站总负荷由500MW增加到600MW，此时开两台机组仍能满足负荷需求，但变化量超过20MW，进入模式3，采用空间动态规划方法对该时段两台开机机组进行负荷再分配。本发明实施步骤如下：

步骤一：电网下达新负荷指令判断。若本时段接到电网下达的新负荷指令则转至步骤二，否则保持原计划运行。

步骤二：负荷调整模式判断。发明共分为4种调整模式，若负荷变幅在0～5MW以内，进入模式1，转至步骤3；负荷变幅在5～20MW范围内，进入模式2，转至步骤4；负荷变幅大于20MW且无需开停机操作，进入模3，转至步骤5；负荷变幅大于20MW且需要开停机操作则进入模4，转至步骤6。

步骤三：负荷调整模式1。此时负荷变幅为0～5MW，波动微小，一般由系统负荷特性和机组惯性所吸收，分配方式保持与计划一致，不做调整。

步骤四：负荷调整模式2。将机组按耗水率从小到大排序，作为增减负荷的优先顺序。若负荷变幅大于0则在满足出力范围约束、振动区约束和爬坡率约束前提下，从优先顺序最高的机组开始依次向后加负荷直至负荷变幅等于0；反之则从优先顺序最低的机组开始依次向前减负荷直至负荷变幅等于0。

步骤五：负荷调整模式3。调用空间动态规划方法，对本时段开机机组进行负荷再分配。本时段负荷调整完成后，依次检查余留期下一时段到最后时段的出力状态，若出现不满足约束的情况，予以修正。

步骤六：负荷调整模式4。调用时间动态规划方法，对整个余留期作最优机组组合计算。

计划负荷与实时负荷在各台机组间的分配分别如表1和表2所示。在表4中，加粗时段为实时负荷变化时段。由表2可知，所有时段电站总出力均与实时总负荷一致，且机组均处于稳定区运行，相邻时段机组爬坡率均在给定范围内。计划运行机组预计穿越振动区7次，而实时运行中机组共穿越振动区10次，这是因为实时运行中负荷变化较剧烈，需要启停机的次数增多，导致穿越振动区的次数略有增加。计划运行与实时运行开停机状态如图3与图4所示，其中深色代表开机，浅色代表停机。计划运行与实时运行全站耗水量如下表所示，由表3可知，实时调整后的耗水率与原计划经济运行计算的耗水率非常相近，保证了实时运行中水资源的高效利用。整个计算过程经历4次负荷调整，总耗时8.25s，实时性优越。其中表1、表2和表3分别为：

表1：计划运行负荷分配表

表2：实时运行负荷分配表

表3：计划运行与实时运行指标对比表

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 (5)

1.一种实时负荷变化下水电站多模式时空嵌套出力动态调整方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、判断是否接收到电网下达的新负荷指令，若本时段接到电网下达的新负荷指令则转至步骤二，否则保持原计划运行；

步骤二、负荷调整模式判断：当负荷变幅在0～5MW以内，进入模式1，转至步骤3；负荷变幅在5～20MW范围内，进入模式2，转至步骤4；负荷变幅大于20MW且无需开停机操作，进入模3，转至步骤5；负荷变幅大于20MW且需要开停机操作则进入模4，转至步骤6；

步骤三、负荷调整模式1：此时负荷变幅为0～5MW，波动微小，分配方式保持与原计划一致，不做调整；

步骤四、负荷调整模式2：此时负荷波动为5MW～20MW，仍在较小范围内，在原有出力计划的基础上按一定准则增减机组所带负荷，使调整后机组出力分配尽量与计划保持一致，避免机组频繁启停或出力大幅波动；

步骤五、负荷调整模式3：此时负荷变化大于20MW，调用空间动态规划方法，对本时段开机机组进行负荷再分配；

步骤六、负荷调整模式4：此时负荷变化大于20MW且原计划开机机组不能满足当前负荷，必须进行增减机组操作；调用时间动态规划方法，对整个余留期作最优机组组合计算。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四的具体步骤如下：

①将机组按耗水率从小到大排序，作为增减负荷的优先顺序；

②若Δ大于0，则在满足出力范围约束、振动区约束和爬坡率约束前提下，从优先顺序最高的机组开始依次向后加负荷，直至Δ等于0；若Δ小于0，在满足出力范围约束、振动区约束和爬坡率约束的前提下，从优先顺序最低的机组开始依次向前减负荷，直至Δ等于0；其中Δ为实时负荷变化量，Δ＝实际负荷值-计划负荷值；

③本时段负荷调整完成后，依次检查余留期下一时段到最后时段的出力状态，若出现不满足约束的情况，予以修正。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤五的具体步骤如下：

①根据机组出力上下限约束、振动区约束、爬坡率约束等确定各台机组的出力范围，并以1MW为步长进行离散，得到若干个可行出力状态；记录第一台机组的所有可行出力状态；

②从第二台机组开始，令当前机组编号k＝2；对k号机的每个可行出力状态，计算k号机该状态下的耗流量，并遍历k-1号机的所有可行状态，将第k号机耗流量与1～k-1号机累计耗流量相加，计算到1～k号机的总耗流量，得到使总耗流量最小的状态并记录；记录包括k号机出力、k号机耗流量、1～k号机总耗流以及k-1号机的出力状态；k号机计算完后令k＝k+1，重复步骤②，直至k＝4；

③从最后一台机开始，由后向前逆序查找，依次记录使总耗流量最小的各台机的状态，得到最优的实时负荷分配方案；

④本时段负荷调整完成后，依次检查余留期下一时段到最后时段的出力状态，若出现不满足约束的情况，予以修正。

4.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述步骤六的具体步骤如下：

①令t＝t'，t'为负荷新负荷下达时段；遍历t时段的所有可行状态，查询空间最优负荷分配表，计算t时段各状态下的机组出力状态及发电耗流量并记录；

②t＝t+1，对t时段的每种可行的开机组合，查询空间最优负荷分配表得到当前时段该种开机组合下的耗流量，并遍历t-1时段所有满足t-1到t时段最小开机时间约束的开机组合，将t时段耗流量与1～t-1时段累计耗流量相加，得到使1～t时段总耗流量最小的状态并记录；为每一时段的各个可行组合状态建立数据表；每个状态的数据表包括如下内容：开机状态；机组本时段所带负荷，机组耗流量，全站本时段耗流量；全站从初始时段到本时段总耗流量，包括发电耗流量与时段间状态转移耗流量；指向前一时段组合状态的路径；

③循环步骤②，直至t＝T时段，其中T为调度总时段数；

④建立所有时段的数据表，从最后阶段累计耗流量最小的状态开始，由后向前回溯，进行逆序查表，依次记录各阶段使总的累计耗流量最小的状态，得到最优的开机方案。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，在所述步骤六的子步骤②中，所述1～t时段总耗流量包括1～t时段的发电耗流量、开停机耗流量和穿越振动区惩罚耗流量。