CN107944634A - 一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法，根据历史径流数据，以年发电量最大为目标对长期优化调度模型进行求解，获得水电站群起始时刻后n个时段的初、末水位；将第1时段的末水位作为中期优化调度模型的末水位边界，在中期优化调度模型满足水量平衡约束时，进行中期优化调度计算，将中期优化调度模型的末水位作为下一轮长期调度模型的初、末水位进行边界条件设置，将下一轮长期调度模型的起始时刻后移1个时段；若不满足水量平衡约束，则将当前实际来水流量代入水量平衡约束计算第1时段末的最高末水位，并作为中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置。通过本发明可以提高梯级水电站联合优化效果。

Description

一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法

技术领域

本发明属于水电能源领域，更具体地，涉及一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法。

背景技术

现有发电调度优化模型研究集中在单一时空尺度水库群发电优化调度问题，多将随机径流过程转换为确定性过程，且忽略了不同调度时段与约束条件精度的协调关系，在径流预报误差的影响下，短期调度获得的时段末水位与长期调度获得的末水位不符，导致不同时间尺度发电调度方案无法有效匹配，短期优化调度难以获得长期优化调度结果的指导，难以充分体现年内径流水量分布对水电站群联合调度的经济性的影响。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法，由此解决长期发电调度结果因径流预报不确定性以及不同调度时段模型约束精度不同问题造成的长期发电调度结果与短期调度模型不匹配的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法，包括：

(1)将历史径流数据作为基于机会约束的长期优化调度模型的输入，以年发电量最大为优化目标对所述长期优化调度模型进行求解，获得水电站群起始时刻后n个时段的初水位与末水位，n为正整数；

(2)将第1时段的末水位作为中期优化调度模型的末水位边界条件，并判断所述中期优化调度模型是否满足水量平衡约束，若满足所述水量平衡约束，则执行步骤(3)，若不满足所述水量平衡约束，则执行步骤(4)；

(3)进行中期优化调度计算，判断当前中期优化调度模型的计算时段是否为n，若不为n，则将所述中期优化调度模型的末水位作为下一轮长期调度模型的初水位与末水位进行边界条件设置，将下一轮长期调度模型的起始时刻后移1个时段，返回执行步骤(1)，若为n，则统计前n个中期调度模型的输出结果，模型计算结束；

(4)将当前实际来水流量代入水量平衡约束计算第1时段末的最高末水位，并将计算得到的第1时段末的最高末水位作为所述中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置，并执行步骤(3)。

优选地，所述长期优化调度模型为：

其中，F是梯级水电站总发电量，I为水电站数量，N为长期调度时段长度，A_i是第i个水电站的发电系数，Q_i,n是第i个水电站在长期调度间隔Δn的发电流量，H_i,n是第i个水电站在长期调度间隔Δn的净水头。

优选地，所述长期优化调度模型满足的约束条件为：

末水位等式约束：Z_i,start＝Z_i,end，水量平衡约束：V_i,n＝V_i,n-1+(I_i,n-1-Q_i,n)·Δn库水位约束：Z^min _i,n≤Z_i,n≤Z^max _i,n 下泄流量约束：Q^min _i,n≤Q_i,n≤Q^max _i,n 出力约束：P^min _i,n≤A_i·Q_i,n·H_i,n≤P^max _i,n 机会约束：P(F≥F')＝α，其中，Z_i,start表示调度期初水位，Z_i,end表示调度期末水位，V_i,n-1表示第i个水电站在n-1时段末的库容，I_i,n-1表示第i个水电站在n-1时段的自然入流，Z_i,n表示第i个水电站在n时段的水位，I_i,n为第i个水电站在n时段的自然入流，R_i,n为第i个水电站在n时段的区间入流，V_i,n为第i个水电站在n时段末的库容，Z^min _i,n为第i个水电站在n时段的最低水位，Z^max _i,n为第i个水电站在n时段最高水位，Q^min _i,n为第i个水电站在n时段的最小下泄流量，Q^max _i,n为第i个水电站在n时段的最大下泄流量，P^min _i,n为第i个水电站在n时段的最小出力，P^max _i,n为第i个水电站在n时段的最大出力，F'为梯级水电站的发电量目标效益，α表示机会约束的置信度值。

优选地，所述中期优化调度模型为：

且所述中期优化调度模型满足所述水量平衡约束、所述库水位约束、所述下泄流量约束以及所述出力约束，其中，T为中期调度时段长度，Δt为中期调度间隔，Q_i,t是第i个水电站在中期调度间隔Δt的发电流量，H_i,t是第i个水电站在中期调度间隔Δt的净水头。

优选地，步骤(4)包括：

(4.1)依据所述水量平衡约束反推计算第1时段的末水位边界条件；

(4.2)根据约束破坏的情况，采取逐时段增加或减少下泄流量的方式，调整梯级各水电站下泄流量过程，直至第1时段的末水位边界条件满足约束；

(4.3)将调整后的第1时段末水位作为所述中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置，并执行步骤(3)。

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，能够取得下列有益效果：

1、现行的梯级水电站长期发电计划编制通常采用经验频率的来水计算，或依据调度员经验为基础进行计算，未充分考虑年内水量分布不均的实际情况，且因长期径流数据的统计特性，难以对中、短期发电调度计划的制定提供参考指导，导致短期优化调度未充分考虑长期径流变化的影响，不利于实现梯级水电站的经济运行。

2、本发明提出的多时间尺度循环嵌套优化调度方法，能有效耦合长期优化调度模型和短期优化调度模型，在短期优化调度边界条件设置时充分考虑长期来水问题，并能应对来水的突变，满足水量平衡约束和末水位等式约束，制定能同时保证梯级水电站经济运行和末水位要求的梯级水电站短期优化调度方案，优化效果直观，方法贴近实际水电站生产过程。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法的流程示意图；

图2为本发明实施例公开的一种多时段循环嵌套结构图。

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。

本发明提供了一套以发电量最大为调度目标，兼顾长期优化调度结果和短期优化调度模型建模精度的水电站多时间尺度循环嵌套调度策略。本发明提出的调度策略可在来水不确定情境下有效耦合长期发电调度模型与短期发电调度模型，提出了长期发电调度结果指导短期发电优化调度边界条件制定的模型嵌套方法，使长期调度结果能有效指导短期发电优化调度边界条件的制定，提高梯级水电站联合优化效果。

如图1所示为本发明实施例公开的一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法的流程示意图，在图1所示的方法中，包括以下步骤：

(1)将历史径流数据作为基于机会约束的长期优化调度模型的输入，以年发电量最大为优化目标对长期优化调度模型进行求解，获得水电站群起始时刻后n个时段的初水位与末水位，n为正整数；

其中，长期优化调度模型为：

其中，F是梯级水电站总发电量，I为水电站数量，N为长期调度时段长度，A_i是第i个水电站的发电系数，Q_i,n是第i个水电站在长期调度间隔Δn的发电流量，H_i,n是第i个水电站在长期调度间隔Δn的净水头。

其中，长期优化调度模型满足的约束条件为：

末水位等式约束：Z_i,start＝Z_i,end，水量平衡约束：V_i,n＝V_i,n-1+(I_i,n-1-Q_i,n)·Δn库水位约束：Z^min _i,n≤Z_i,n≤Z^max _i,n 下泄流量约束：Q^min _i,n≤Q_i,n≤Q^max _i,n 出力约束：P^min _i,n≤A_i·Q_i,n·H_i,n≤P^max _i,n 机会约束：P(F≥F')＝α，其中，Z_i,start表示调度期初水位，Z_i,end表示调度期末水位，V_i,n-1表示第i个水电站在n-1时段末的库容，I_i,n-1表示第i个水电站在n-1时段的自然入流，Z_i,n表示第i个水电站在n时段的水位，I_i,n为第i个水电站在n时段的自然入流，R_i,n为第i个水电站在n时段的区间入流，V_i,n为第i个水电站在n时段末的库容，Z^min _i,n为第i个水电站在n时段的最低水位，Z^max _i,n为第i个水电站在n时段最高水位，Q^min _i,n为第i个水电站在n时段的最小下泄流量，Q^max _i,n为第i个水电站在n时段的最大下泄流量，P^min _i,n为第i个水电站在n时段的最小出力，P^max _i,n为第i个水电站在n时段的最大出力，F'为梯级水电站的发电量目标效益，α表示机会约束的置信度值。

(2)将第1时段的末水位作为中期优化调度模型的末水位边界条件，并判断中期优化调度模型是否满足水量平衡约束，若满足水量平衡约束，则执行步骤(3)，若不满足水量平衡约束，则执行步骤(4)；

其中，中期优化调度模型为：

且中期优化调度模型满足水量平衡约束、库水位约束、下泄流量约束以及出力约束，其中，T为中期调度时段长度，Δt为中期调度间隔，Q_i,t是第i个水电站在中期调度间隔Δt的发电流量，H_i,t是第i个水电站在中期调度间隔Δt的净水头。

(3)进行中期优化调度计算，判断当前中期优化调度模型的计算时段是否为N，若不为N，则将中期优化调度模型的末水位作为下一轮长期调度模型的初水位与末水位进行边界条件设置，将下一轮长期调度模型的起始时刻后移1个时段，返回执行步骤(1)，若为N，则统计前N个中期调度模型的输出结果，模型计算结束；

(4)将当前实际来水流量代入水量平衡约束计算第1时段末的最高末水位，并将计算得到的第1时段末的最高末水位作为中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置，并执行步骤(3)。

其中，步骤(4)包括：

(4.1)依据水量平衡约束反推计算第1时段的末水位边界条件；

(4.2)根据约束破坏的情况，采取逐时段增加或减少下泄流量的方式，调整梯级各水电站下泄流量过程，直至第1时段的末水位边界条件满足约束；

(4.3)将调整后的第1时段末水位作为中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置，并执行步骤(3)。

以葛洲坝-三峡梯级水电站为实施例，整体结构图如图2所示，具体实施步骤如下所示：

长期模型采用机会约束模型，调度周期为年，间隔1月，能有效利用水文资料的信息，并兼顾当前水文年的丰枯情况，进行合理的长期发电优化调度计算。中期模型采用确定性优化调度模型，调度周期为月，间隔为1日。中长期循环嵌套模型需兼顾诸多目标和复杂的约束条件，具体步骤如下：

步骤1：按照历史径流数据输入机会约束模型，获得三峡梯级水电站年发电对应的结果并获得12个月的库水位和月均下泄流量。所涉及到的目标函数和约束条件如式(1)～(7)：

①长期调度目标函数：

其中，F是梯级水电站总发电量，I为水电站数量，N为长期调度时段长度，A_i是第i电站的发电系数，Q_i,n,H_i,n分别是电站i在长期调度间隔Δn的发电流量和净水头。

②末水位等式约束：

Z_i,start＝Z_i,end (2)

Z_i,start表示调度期初水位，Z_i,end表示调度期末水位

③水量平衡约束：

V_i,n-1表示电站i在n-1时段末的库容，I_i,n-1表示水电站i在n-1时段的自然入流。

④库水位约束：

Z_i,n表示电站i在n时段的水位

⑤下泄流量约束：

⑥出力约束：

⑦目标函数机会约束：

P(F≥F')＝α (7)

其中，I_i,n为水电站i在n时段的自然入流，V_i,n为电站i在n时段末的库容，Z^min _i,n,Z^max _i,n分别为电站i在n时段的最低和最高水位，Q^min _i,n,Q^max _i,n分别为电站i在n时段的最小和最大下泄流量，P^min _i,n,P^max _i,n分别为电站i在n时段的最小和最大出力，F'表示目标三峡梯级的发电量目标效益，α表示机会约束的置信度值。

步骤2：将步骤1的计算结果中第1月的月末水位作为中期调度模型的末水位，进行约束检查，是否违反水量平衡约束，若违反水量平衡约束，转步骤3；否则进行中期优化调度计算，所涉及到的目标函数如式(8)，其他约束条件包括式(4)～(7)；

⑧中期优化调度目标函数：

步骤3：当前来水偏小时，步骤1计算结果中的1月末的水位偏高，导致中期调度无法满足末水位等式约束，此时将当前实际来水流量代入水量平衡约束计算时段末最高末水位，并以此作为中期优化调度的末水位进行边界条件设置并进行中期调度计算；

步骤4：中期调度模型计算计算结束后，判断中期调度模型月份，若为第12月，模型计算结束，否则，将中期优化调度末水位作为下一轮长期调度模型的初、末水位进行设置，转到步骤1。

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)

1.一种时段耦合嵌套的水电站群发电优化调度方法，其特征在于，包括：

(1)将历史径流数据作为基于机会约束的长期优化调度模型的输入，以年发电量最大为优化目标对所述长期优化调度模型进行求解，获得水电站群起始时刻后n个时段的初水位与末水位，n为正整数；

(2)将第1时段的末水位作为中期优化调度模型的末水位边界条件，并判断所述中期优化调度模型是否满足水量平衡约束，若满足所述水量平衡约束，则执行步骤(3)，若不满足所述水量平衡约束，则执行步骤(4)；

(3)进行中期优化调度计算，判断当前中期优化调度模型的计算时段是否为n，若不为n，则将所述中期优化调度模型的末水位作为下一轮长期调度模型的初水位与末水位进行边界条件设置，将下一轮长期调度模型的起始时刻后移1个时段，返回执行步骤(1)，若为n，则统计前n个中期调度模型的输出结果，模型计算结束；

(4)将当前实际来水流量代入水量平衡约束计算第1时段末的最高末水位，并将计算得到的第1时段末的最高末水位作为所述中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置，并执行步骤(3)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述长期优化调度模型为：

其中，F是梯级水电站总发电量，I为水电站数量，N为长期调度时段长度，A_i是第i个水电站的发电系数，Q_i,n是第i个水电站在长期调度间隔Δn的发电流量，H_i,n是第i个水电站在长期调度间隔Δn的净水头。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述长期优化调度模型满足的约束条件为：

末水位等式约束：Z_i,start＝Z_i,end，水量平衡约束：库水位约束：下泄流量约束：出力约束：机会约束：P(F≥F')＝α，其中，Z_i,start表示调度期初水位，Z_i,end表示调度期末水位，V_i,n-1表示第i个水电站在n-1时段末的库容，I_i,n-1表示第i个水电站在n-1时段的自然入流，Z_i,n表示第i个水电站在n时段的水位，I_i,n为第i个水电站在n时段的自然入流，R_i,n为第i个水电站在n时段的区间入流，V_i,n为第i个水电站在n时段末的库容，Z^min _i,n为第i个水电站在n时段的最低水位，Z^max _i,n为第i个水电站在n时段最高水位，Q^min _i,n为第i个水电站在n时段的最小下泄流量，Q^max _i,n为第i个水电站在n时段的最大下泄流量，P^min _i,n为第i个水电站在n时段的最小出力，P^max _i,n为第i个水电站在n时段的最大出力，F'为梯级水电站的发电量目标效益，α表示机会约束的置信度值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述中期优化调度模型为：

且所述中期优化调度模型满足所述水量平衡约束、所述库水位约束、所述下泄流量约束以及所述出力约束，其中，T为中期调度时段长度，Δt为中期调度间隔，Q_i,t是第i个水电站在中期调度间隔Δt的发电流量，H_i,t是第i个水电站在中期调度间隔Δt的净水头。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)包括：

(4.1)依据所述水量平衡约束反推计算第1时段的末水位边界条件；

(4.2)根据约束破坏的情况，采取逐时段增加或减少下泄流量的方式，调整梯级各水电站下泄流量过程，直至第1时段的末水位边界条件满足约束；

(4.3)将调整后的第1时段末水位作为所述中期优化调度模型的末水位进行边界条件设置，并执行步骤(3)。