CN108090671B - 一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多阶段域间‑域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法，针对总负荷在多流域水电站(群)之间的分配问题，综合考虑耗水率和水库综合利用，兼顾水库短期与长期利用。该方法优先将负荷分配给日调节与径流水电站等基本不具备调节能力的水电站，以尽可能减少弃水；剩余负荷再在具有调节性能的水电站之间进行分配，分配时考虑水库短期利用与长期利用相结合设计了水电站优先发电指数确定发电顺序。本发明能够提高跨流域负荷分配的自动化水平，提高了流域水电站集中化与精细化管理水平。

Description

一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法

技术领域

本发明涉及一种适用于日总负荷在多个流域间的优化分配方法，属于水利电力技术领域。

背景技术

在目前电力体制改革的背景下，电力企业的思维模式、工作方式、管理体制都面临新的考验,竞争将更激烈，在现有生产运行数据基础上，用科学的优化决策方法优化生产，降低生产成本，提高电力生产经济效益，是深化科技应用的有效途径。电力负荷分配是指在总负荷一定的前提下，最优分配每个发电单元的发电量，筛选出满足目标函数的最优组合方案，是电力系统节能与优化运行的重要内容。据国内外统计资料表明,实现经济负荷分配节约的能源可达总耗量的0.5％-1.5％。因此，电力系统负荷优化调度问题长期以来受到电力系统工程技术和研究者的重视，是电力系统分析领域中的重要课题之一。

近年来，诸多优化算法也被应用到负荷分配问题中来，常用的算法有等微增率法、线性规划法、非线性规划法、二次规划法、动态规划法、神经网络、模糊决策法、模拟退火法、遗传算法等。但目前国内外研究主要集中在发电企业内部多个机组之间的负荷分配，目标函数一般选择耗水率最低、成本最低等，即主要实现机组间的经济调度。对于负荷在多个流域之间的分配问题，则鲜有研究。跨流域梯级水电站负荷分配的目的是在给定总负荷的前提下，在满足各电站负荷和运行约束的条件下，在流域电站间进行最优负荷分配，实现全流域的水电站总体经济运行。跨流域负荷分配与厂内机组之间负荷分配问题具有显著不同，厂内机组间负荷分配主要考虑机组间的经济调度，调度目的为相对单一的降低发电成本，因此厂内机组间的负荷分配一般可以抽象为目标函数为耗水率最低或成本最低的优化问题。而流域间负荷分配除考虑经济运行的因素外，还需要考虑对应水库的防洪等其他综合利用以及流域间均衡等因素，另外如何兼顾长期发电与短期发电能力，也是流域间负荷分配需要考虑的问题。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法，能够提高跨流域负荷分配的自动化水平，提高了流域水电站集中化与精细化管理水平。

技术方案：一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法，包括如下步骤：

步骤1：给定区域跨流域的日总负荷，所述日总负荷以分时段形式表示，每个时段对应一个负荷值，所述日总负荷表示为：

w＝{w₁,w₂,w₃,…w_t,…w_N}

其中，w为日时段负荷值的集合，w_t代表第t个时段分配的负荷值；

步骤2：估算所有流域日调节水电站与径流水电站来水发电总出力；其中，日调节水电站的优化调度主控因素为利用水头，入库流量首先将水位抬高至正常高水位，其余水量全部用于发电；时段t的水电站i来水发电出力N_it根据以下公式计算：

N_it＝K_iQ_itH_it

其中：K_i为电站i的出力系数；Q_it为时段t水电站i发电流量，径流水电站取入库流量，日调节水电站取将水位抬高至正常高水位后剩余的入库流量；H_it为时段t水电站i的发电水头；

根据时段t的水电站i来水发电出力N_it计算t时段所有流域内所有日调节水电站和径流水电站发电总出力，计为N’_t：

式中，n为所有流域内所有日调节水电站和径流水电站的数量；

步骤3：比较时段t日调节水电站和径流水电站发电总出力N’_t与给定总负荷W_t，若N’_t≥W_t，则负荷W_t仅在日调节水电站和径流水电站之间分配，其余有调节能力的水电站在满足水位约束条件下蓄水，蓄满后多余水量弃水；具体的，负荷W_t在日调节水电站和径流水电站之间分配方法为：

从第一个流域的第一个日调节或径流水电站开始，根据时段t该第一个水电站的出力，若第一个水电站出力小于给定总负荷W_t，则第一个流域的第二个水电站发电，根据时段t第二个水电站的出力，判断给定总负荷W_t是否分配完，并以此逐级类推，直至所有负荷完全被分配完为止，并记录负荷分配情况；

若N’_t≤W_t，说明日调节和径流水电站的发电出力无法满足负荷要求，需要有调节性能水库发电，则按下列步骤确定有调节能力水电站的发电顺序：

步骤a：将负荷W_t-N’_t平均划分为n份，逐份确定由哪个流域的哪个水电站发电；

步骤b：根据下列函数计算有调节能力的水电站发电优先级：

其中，V_期末(i)为有调节能力的水电站i在不发电情况下累计本日后续所有时段所有来水后水库日末对应的库容，V_建议(i)为水电站i本日建议水位对应的库容，V_max(i)为水电站i正常高水位对应的库容，V_min(i)为水电站i最低水位对应的库容；

f(i)值越大表示水库放水发电优先级越高，根据f(i)的值得到有调节能力的水电站发电顺序，将一份负荷分配给f(i)最大值对应的水电站；

步骤c：一份负荷分配完成后，按照步骤b重新计算f(i)，决定下一份负荷对应的水电站；

步骤d：统计每个水电站及每个流域所分配的负荷数量，得到时段t的负荷分配方案。

进一步的，水电站计算发电出力时需满足的约束条件包括：

水位约束：

其中，

与

为电站i在t时段的水位上下限；

发电流量约束：

其中，

与

为电站i在t时段的发电流量上下限；

出力约束：

其中，

与

为电站i在t时段的出力上下限，

取电站保证出力，

为电站预想出力；

水库蓄水量约束：

其中，

与

为电站i在t时段的库容上下限；

单库水量平衡：

V_(i,t+1)＝V_(i,t)+(Q_入(i,t)-Q_发电(i,t)-Q_弃水(i,t))△T

其中，V_(i,t)与V_(i,t+1)为电站i在t时段的时段初和时段末库容，△T为时段长，Q_入(i,t)为电站i在t时段的入库流量，Q_发电(i,t)为电站i在t时段的发电流量，Q_弃水(i,t)为电站i在t时段的弃水流量；

梯级水库水量平衡：

Q_入(i,t)为电站i在t时段的入库流量，

是电站i的上一电站i-1在t-τ_i,u时段的发电流量，

是电站i的上一电站i-1在t-τ_i,u时段的弃水流量，q_(i,t)是电站i在t时段的区间流量，其中t-τ_i,u为上游第一级电站u至当前电站i的水库水流传播时间。

有益效果：本发明的一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法，针对总负荷在多流域水电站(群)之间的分配问题，是综合考虑耗水率和水库综合利用，兼顾水库短期与长期利用的跨流域负荷分配算法。该方法优先将负荷分配给日调节与径流水电站等基本不具备调节能力的水电站，以尽可能减少弃水；剩余负荷再在具有调节性能的水电站之间进行分配，分配时考虑水库短期利用与长期利用相结合设计了水电站优先发电指数确定发电顺序。本发明能够提高跨流域负荷分配的自动化水平，提高了流域水电站集中化与精细化管理水平。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法，包括如下步骤：

步骤1：基础资料审查处理。

基础资料是进行水电站优化调度研究的基础，审查内容包括基本资料的可靠性、一致性和代表性，具体可分为以下三部分。

(1)电站特性与曲线资料

电站特性与曲线资料主要包括：电站特性表、流域水系图(含站网规划图)、水位库容曲线、各闸门泄流曲线、尾水水位流量关系曲线、机组N～H～Q曲线、机组运转特性曲线、水电站运行调度设计报告、水电站可行性研究报告、径流频率曲线、设计洪水过程线、工程平面布置图等。

这类资料主要审查其可靠性，审查的方法可参照水文资料整编方法和要求进行，如：历年水位流量关系曲线对照检查，审查点距离差情况及定线的合理性；上下游的水量平衡及洪水流量、水位过程线的对照；流域暴雨过程和洪水过程的对照等，进行合理性分析，发现问题。

(2)电站历史与实时资料

电站历史与实时资料主要包括：历年逐旬、逐月入库流量(包括建站前坝址流量)、出库流量、发电流量、弃水流量；历年逐旬、逐月平均坝上水位、尾水水位、水头和降雨量；历年逐旬旬初坝上水位、逐月月初坝上水位；历年逐旬、逐月发电量；近三年日数据(坝上水位、尾水位、入库流量、出库流量、发电流量、弃水流量)等。

这类资料主要审查其可靠性、一致性与代表性，要求资料系列长度要足够长，数据要足够准确，其资料特性要求能够很好反映总体特性。当电站资料系列较长时，系列代表性可通过长短系列均值对比、历史和实测的时序分析等进行审查；当电站资料系列较短，而邻近站洪水系列较长时，可与邻近流域资料长系列进行比较。

(3)资料的数值化处理

在资料审查的基础上，对资料进行数值化处理，对图形资料进行离散化、数字化处理或进行函数拟合处理，包括：历年运行资料中弃水量的整理计算等，对部分优化调度约束条件进行函数拟合。

步骤2：假设，已知某区域的日总负荷，区域包含多个流域，每个流域都有数个具备一定发电能力的水电站，每天所有水电站的发电量之和应满足日总负荷。日总负荷一般由调度机构或流域电力管理部门给出，以分时段形式表示，通常15分钟一个时段，全天划分为96个时段，每个时段对应一个负荷值，共96个负荷值，即：

w＝{w₁,w₂,w₃,…w_t,…w₉₆}

其中，w为日时段负荷值的集合，w_t代表第t个时段分配的负荷值。

步骤3：考虑流域间不同电站水库的调节能力，考虑到最大限度地利用水能，首先估算所有流域日调节水电站与径流水电站来水发电总出力，决定是否动用具有调节能力的水库的调节库容。

为提高水能利用率，在满足约束条件下径流水电站入库流量尽量全部用于发电。日调节水电站调节能力非常小，优化调度的主控因素为利用水头，为提高日调节梯级电站水能利用率，入库流量首先将水位抬高至正常高水位，其余水量全部用于发电。

时段t的水电站i来水发电出力N_it根据以下公式计算：

N_it＝K_iQ_itH_it

其中：K_i为电站i的出力系数，一般为常数，取值在6.0-8.5之间；Q_it为时段t水电站i发电流量，径流水电站取入库流量，日调节水电站取将水位抬高至正常高水位后剩余的入库流量；H_it为时段t水电站i的发电水头，为上游水位与下游水位之差，下游水位与下泄流量有关，可通过水电站的尾水位-流量曲线获得。

水电站计算发电出力时需满足的约束条件包括：

水位约束：

其中，

与

为电站i在t时段的水位上下限；

发电流量约束：

其中，

与

为电站i在t时段的发电流量上下限；

出力约束：

其中，

与

为电站i在t时段的出力上下限，

取电站保证出力，

为电站预想出力；

水库蓄水量约束：

其中，

与

为电站i在t时段的库容上下限；

单库水量平衡：

V_(i,t+1)＝V_(i,t)+(Q_入(i,t)-Q_发电(i,t)-Q_弃水(i,t))△T

其中，V_(i,t)与V_(i,t+1)为电站i在t时段的时段初和时段末库容，△T为时段长，Q_入(i,t)为电站i在t时段的入库流量，Q_发电(i,t)为电站i在t时段的发电流量，Q_弃水(i,t)为电站i在t时段的弃水流量；

梯级水库水量平衡：

Q_入(i,t)为电站i在t时段的入库流量，

是电站i的上一电站i-1在t-τ_i,u时段的发电流量，

是电站i的上一电站i-1在t-τ_i,u时段的弃水流量，q_(i,t)是电站i在t时段的区间流量，其中t-τ_i,u为上游第一级电站u至电站i的水库水流传播时间。

根据时段t的水电站i来水发电出力N_it计算t时段所有流域内所有日调节水电站和径流水电站发电总出力，计为N’_t：

式中，n为所有流域内所有日调节水电站和径流水电站的数量。

步骤4：比较时段t日调节水电站和径流水电站发电总出力N’_t与给定总负荷W_t，确定负荷分配方案。

①若N’_t≥W_t，说明日调节水库和径流水库发电即可满足负荷要求，则仅安排日调节水电站和径流水电站发电，即负荷W_t仅在日调节水电站和径流水电站之间分配，其余有调节能力的水电站在满足水位约束条件下蓄水，蓄满后多余水量弃水。具体的，负荷W_t在日调节水电站和径流水电站之间分配方法为：

从第一个流域的第一个日调节或径流水电站开始，根据时段t该第一个水电站的出力，若第一个水电站出力小于给定总负荷W_t，即第一个水电站发电后还有剩余负荷，则第一个流域的第二个水电站发电，根据时段t第二个水电站的出力，判断给定总负荷W_t是否分配完，并按流域和水电站次序以此逐级类推，直至所有负荷完全被分配完为止，并记录负荷分配情况。

②若N’_t≤W_t，说明日调节和径流水电站的发电出力无法满足负荷要求，需要有调节性能水库发电，则按下列步骤确定有调节能力水电站的发电顺序：

步骤a：将负荷W_t-N’_t平均划分为n份，逐份确定由哪个流域的哪个水电站发电；

步骤b：根据下列函数计算有调节能力的水电站发电优先级：

其中，V_期末(i)为有调节能力的水电站i在不发电情况下累计本日后续所有时段所有来水后水库日末对应的库容；V_建议(i)为水电站i本日建议水位对应的库容，一般由电站或水库管理部门根据水电站调度曲线或调度经验确定；V_max(i)为水电站i正常高水位对应的库容；V_min(i)为水电站i最低水位对应的库容，一般取死水位。

f(i)值越大表示水库放水发电优先级越高，根据f(i)的值得到有调节能力的水电站发电顺序，将一份负荷分配给f(i)最大值对应的水电站。

步骤c：一份负荷分配完成后，按照步骤b重新计算f(i)，决定下一份负荷对应的水电站。

步骤d：统计每个水电站及每个流域所分配的负荷数量，得到时段t的负荷分配方案。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多阶段域间-域内反馈迭代的跨流域负荷分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：给定区域跨流域的日总负荷，所述日总负荷以分时段形式表示，每个时段对应一个负荷值，所述日总负荷表示为：

w＝{w₁，w₂，w₃，..w_t，...w_N}

其中，w为日时段负荷值的集合，w_t代表第t个时段分配的负荷值；

步骤2：估算所有流域日调节水电站与径流水电站来水发电总出力；其中，日调节水电站的优化调度主控因素为利用水头，入库流量首先将水位抬高至正常高水位，其余水量全部用于发电；时段t的水电站i来水发电出力N_it根据以下公式计算：

N_it＝K_iQ_itH_it

其中：K_i为电站i的出力系数；Q_it为时段t水电站i发电流量，径流水电站取入库流量，日调节水电站取将水位抬高至正常高水位后剩余的入库流量；H_it为时段t水电站i的发电水头；

根据时段t的水电站i来水发电出力N_it计算t时段所有流域内所有日调节水电站和径流水电站发电总出力，计为N’_t：

式中，n为所有流域内所有日调节水电站和径流水电站的数量；

步骤3：比较时段t日调节水电站和径流水电站发电总出力N’_t与给定总负荷W_t，若N’_t≥W_t，则负荷W_t仅在日调节水电站和径流水电站之间分配，其余有调节能力的水电站在满足水位约束条件下蓄水，蓄满后多余水量弃水；具体的，负荷W_t在日调节水电站和径流水电站之间分配方法为：

从第一个流域的第一个日调节或径流水电站开始，根据时段t该第一个水电站的出力，若第一个水电站出力小于给定总负荷W_t，则第一个流域的第二个水电站发电，根据时段t第二个水电站的出力，判断给定总负荷W_t是否分配完，并以此逐级类推，直至所有负荷完全被分配完为止，并记录负荷分配情况；

若N’_t≤W_t，说明日调节和径流水电站的发电出力无法满足负荷要求，需要有调节性能水库发电，则按下列步骤确定有调节能力水电站的发电顺序：

步骤a：将负荷W_t-N’_t平均划分为m份，逐份确定由哪个流域的哪个水电站发电；

步骤b：根据下列函数计算有调节能力的水电站发电优先级：

其中，V_期末(i)为有调节能力的水电站i在不发电情况下累计本日后续所有时段所有来水后水库日末对应的库容，V_建议(i)为水电站i本日建议水位对应的库容，V_max(i)为水电站i正常高水位对应的库容，V_min(i)为水电站i最低水位对应的库容；

f(i)值越大表示水库放水发电优先级越高，根据f(i)的值得到有调节能力的水电站发电顺序，将一份负荷分配给f(i)最大值对应的水电站；

步骤c：一份负荷分配完成后，按照步骤b重新计算f(i)，决定下一份负荷对应的水电站；

步骤d：统计每个水电站及每个流域所分配的负荷数量，得到时段t的负荷分配方案；

水电站计算发电出力时需满足的约束条件包括：

水位约束：

其中，

与

为电站i在t时段的水位上下限；

发电流量约束：

其中，

与

为电站i在t时段的发电流量上下限；

出力约束：

其中，

与

为电站i在t时段的出力上下限，

取电站保证出力，

为电站预想出力；

水库蓄水量约束：

其中，

与

为电站i在t时段的库容上下限；

单库水量平衡：

V_(i，t+1)＝V_(i，t)+(Q_入(i，t)-Q_{发电(i，t)}-Q_{弃水(i，t)})ΔT

其中，V_(i，t)与V_(i，t+1)为电站i在t时段的时段初和时段末库容，ΔT为时段长，Q_入(i，t)为电站i在t时段的入库流量，Q_{发电(i，t)}为电站i在t时段的发电流量，Q_{弃水(i，t)}为电站i在t时段的弃水流量；

梯级水库水量平衡：

Q_入(i，t)为电站i在t时段的入库流量，

是电站i的上一电站i-1在t-τ_i，u时段的发电流量，

是电站i的上一电站i-1在t-τ_i，u时段的弃水流量，q_(i，t)是电站i在t时段的区间流量，其中t-τ_i，u为上游第一级电站u至当前电站i的水库水流传播时间。

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