CN108695850B - 一种单站多电网的水电负荷分配方法、系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单站多电网的水电负荷分配方法、系统及其应用，其中方法包括：以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。本发明提高了区域电网水电负荷优化分配的效率和效果，克服单电网输电模式的局限性。
Description
技术领域
本发明属于水利信息化领域，更具体地，涉及一种单站多电网的水电负荷分配方法、系统及其应用。
背景技术
我国水能资源极为丰富，且已规划建设有长江中下游、金沙江、雅砻江、澜沧江、黄河上游等十三大水电生产基地，正逐步由水电开发阶段发展至水电管理阶段。国内外学者在短中长期梯级水库群调度上的模型分析与算法求解等方面的研究成果丰硕，研究的方向主要集中于水电消纳、水电调峰减弃、水电负荷预测以及水电发展政策等方面，在多级协同优化调度方面的研究也还主要停留在单电网输电下的水电站发电计划编制模式方面，例如
J等通过综合考虑电站水头敏感性、机组最小开停机时间与起停机花费、不连续出力运行区间等因素，建立了梯级水电站群短期优化调度混合整数规划模型；孟庆喜等提出一种基于电网理想余荷过程的调峰建模方法，以避免多电网调峰过程中出现的局部时段范围内余荷频繁波动的问题。然而，当前的多级水电协同调度系统由区域电网、国家级电网、省级电网、流域集控中心和梯级水电站等多主体组成，各主体调度信息多源，调度目标不同，且各层级主体调度计划自主权和不同层级水电调度都存在差异，这皆给发电调度过程中负荷的合理分配带来了困难，已有的单电网输电模式已不再适用。
另一方面，传统模式的BS系统以客户机端发出请求、服务器端响应的方式工作，难以实现水电调度实时响应需求，譬如实时监控调整及反馈区域电网各水电站的负荷分配结果，这就需要服务器端能实时地将更新的信息传输到客户机端，而无须客户机端发出请求。然而现有技术存在区域电网水电负荷优化分配的效率和效果较差，单电网输电模式具有局限性的技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单站多电网的水电负荷分配方法、系统及其应用，由此解决现有技术存在区域电网水电负荷优化分配的效率和效果较差，单电网输电模式具有局限性的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种单站多电网的水电负荷分配方法，包括：
(1)以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；
(2)根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；
(3)利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
进一步地，目标函数为：
其中，R为多个电网剩余负荷均方差，N为多个电网的数量，T为时段数，
为第n个电网t时段剩余负荷；
为第n个电网所有时段剩余负荷的平均值，wn为第n个电网的调峰目标权重系数，1≤n≤N，1≤t≤T。
进一步地，第n个电网t时段剩余负荷为：
其中，Lnt为第n个电网t时段原始负荷，Pnt为第n个电网t时段分配的受电量。
进一步地，第n个电网的调峰目标权重系数为：
wn＝(Rn·μn)/λn
其中，Rn为电站向第n个电网送电比例，μn为人工松弛变量，λn为第n个电网峰谷差与各电网峰谷差总和之比。
进一步地，步骤(2)包括：
所述水电侧约束条件包括：电站出力约束、电站存留负荷电量约束和电站存留负荷电力约束，根据电站出力上下限得到电站出力约束，根据电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到电站存留负荷电量约束；
电网侧约束条件包括联络线有功约束和多电网受电量比例约束，根据电站到多个电网的联络线上有功上下限得到联络线有功约束，将电站本地存留负荷给各电网的电量比例与电站本地存留负荷过程的总电量的乘积作为多电网受电量比例约束。
进一步地，步骤(3)包括：
将利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，当输出结果收敛时得到多个电网剩余负荷均方差最小值与各电网受电增量的协调比例，根据各电网受电增量的协调比例和电站分配负荷总电量，得到和声搜索后的水电负荷分配曲线，对电站的送电曲线和和声搜索后的水电负荷分配曲线按照电站和各电网的原始水电负荷分配计划进行按合同比例分配，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
按照本发明的另一方面，提供了一种单站多电网的水电负荷分配系统，包括：
建立目标函数模块，用于以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；
获取约束条件模块，用于根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；
求解最优方案模块，用于利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
进一步地，求解最优方案模块将利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，当输出结果收敛时得到多个电网剩余负荷均方差最小值与各电网受电增量的协调比例，根据各电网受电增量的协调比例和电站分配负荷总电量，得到和声搜索后的水电负荷分配曲线，对电站的送电曲线和和声搜索后的水电负荷分配曲线按照电站和各电网的原始水电负荷分配计划进行按合同比例分配，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
按照本发明的另一方面，提供了一种单站多电网的水电负荷分配方法的应用，所述单站多电网的水电负荷分配方法应用于构建基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统，所述基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统包括：
单站多电网的水电负荷分配模块，用于以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
基础信息管理模块，用于存储与管理电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
浏览器，用于展示电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
服务器，用于集成和声搜索算法；
MySQL数据库，用于存储与管理电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量、电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
进一步地，浏览器与服务器之间通过AngularJS框架实现双向数据绑定，所述MySQL数据库与服务器之间通过Spring Boot框架实现数据存取。
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)本发明以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；同时利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。由此提高了区域电网水电负荷优化分配的效率和效果，克服单电网输电模式的局限性。
(2)传统模式的BS系统大多以客户机端发出请求、服务器端响应的方式工作。而本发明在应用时利用单站多电网的水电负荷分配模块执行单站多电网的水电负荷分配方法，引入了具有双向数据绑定特性AngularJS前后台交互前沿框架，提出了Spring Boot后台与数据库对接框架的BS系统，在提高可行解的求解效率和精度的同时，给调度人员以直观结果界面展示，用户体验良好，具有潜在市场价值。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种单站多电网的水电负荷分配方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统的结构图；
图3(a)是本发明实施例1提供的河南电网负荷曲线；
图3(b)是本发明实施例1提供的湖北电网负荷曲线；
图3(c)是本发明实施例1提供的湖南电网负荷曲线；
图3(d)是本发明实施例1提供的江西电网负荷曲线；
图4(a)是本发明实施例1提供的河南电网优化负荷曲线；
图4(b)是本发明实施例1提供的湖北电网优化负荷曲线；
图4(c)是本发明实施例1提供的湖南电网优化负荷曲线；
图4(d)是本发明实施例1提供的江西电网优化负荷曲线。
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。
如图1所示，一种单站多电网的水电负荷分配方法，包括：
(1)以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；
(2)根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；
(3)利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
目标函数为：
其中，R为多个电网剩余负荷均方差，N为多个电网的数量，T为时段数，
为第n个电网t时段剩余负荷；
为第n个电网所有时段剩余负荷的平均值，wn为第n个电网的调峰目标权重系数，1≤n≤N，1≤t≤T。
第n个电网t时段剩余负荷为：
其中，Lnt为第n个电网t时段原始负荷，Pnt为第n个电网t时段分配的受电量。
第n个电网的调峰目标权重系数为：
wn＝(Rn·μn)/λn
其中，Rn为电站向第n个电网送电比例，μn为人工松弛变量，λn为第n个电网峰谷差与各电网峰谷差总和之比。
进一步地，步骤(2)包括：
所述水电侧约束条件包括：电站出力约束、电站存留负荷电量约束和电站存留负荷电力约束，根据电站出力上下限得到电站出力约束，根据电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到电站存留负荷电量约束；
电网侧约束条件包括联络线有功约束和多电网受电量比例约束，根据电站到多个电网的联络线上有功上下限得到联络线有功约束，将电站本地存留负荷给各电网的电量比例与电站本地存留负荷过程的总电量的乘积作为多电网受电量比例约束。
进一步地，步骤(3)包括：
将利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，当输出结果收敛时得到多个电网剩余负荷均方差最小值与各电网受电增量的协调比例，根据各电网受电增量的协调比例和电站分配负荷总电量，得到和声搜索后的水电负荷分配曲线，对电站的送电曲线和和声搜索后的水电负荷分配曲线按照电站和各电网的原始水电负荷分配计划进行按合同比例分配，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
如图2所示，按照本发明的另一方面，提供了一种单站多电网的水电负荷分配方法的应用，所述单站多电网的水电负荷分配方法应用于构建基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统，所述基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统包括：
单站多电网的水电负荷分配模块，用于以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
基础信息管理模块，用于存储与管理电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
浏览器，用于展示电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
服务器，用于集成和声搜索算法；
MySQL数据库，用于存储与管理电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量、电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
浏览器与服务器之间通过AngularJS框架实现双向数据绑定，所述MySQL数据库与服务器之间通过Spring Boot框架实现数据存取。
实施例1
本发明以部分华中区域(湖北、湖南、四川等省)各电网为例，对华中区域电网水电多级协同计划编制中的负荷优化分配问题展开研究。华中区域包含诸多分属于国调、区域直调、省调、地调等不同调度层级的水电站，水电资源十分丰富，丰水期水力发电量充足，枯水期可以依靠火电、风电的季节性优势进行互补调节。但在新的联网形势下，华中地区各电网的水电站渐渐显露出了调度主体复杂化、送电负荷差异大、调度目标迥异等问题。本例以湖北省的直调水电站(水布垭、隔河岩、高坝洲)和湖南省的直调水电站(三板溪、白市、托口、五强溪)为独享，遵从“自下而上逐级上报，由上往下协调发布”的思路，完成了华中区域电网水电负荷优化分配BS系统的设计与实现。具体技术方案如下：
表1
根据华中电网提供的数据，提取出华中区域内各电网的部分国调、直调水电站的参数信息见表1。
利用Navicat Premium数据库管理工具对相关数据进行管理，以单一程序即可同时连接到MySQL、SQL Server，本例使用的是轻量级的关系型数据库MySQL。利用MySQL数据库存储与管理表1中获取的数据。
利用华中电网提供的各时段负荷等数据，根据和声搜索算法可以得到以多个电网剩余负荷均方差最小为目标的电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案，切负荷后的四省的原始负荷过程与剩余负荷过程曲线如附图3所示，图3(a)是河南电网负荷曲线，图3(b)是湖北电网负荷曲线，图3(c)是湖南电网负荷曲线，图3(d)是江西电网负荷曲线；选取2014年4月16日为起始时间，2014年4月17日为终止时间，并以15分钟为计算步长进行一日96点的日负荷分配计划。
通过和声搜索算法可得：在迭代26次后输出结果收敛，不考虑量纲的情况下多个电网剩余负荷均方差从初始值2753657.7914一直迭代至最小值2694832.7283，此时河南、湖北、湖南、江西四省受电增量的协调优化比例分别为0.1338，0.2996，0.2645，0.3021，进而可以求出优化后的四省受电过程与剩余负荷过程如附图4所示，图4(a)是河南电网优化负荷曲线(和声搜索后的水电负荷分配曲线)，图4(b)是湖北电网优化负荷曲线(和声搜索后的水电负荷分配曲线)，图4(c)是湖南电网优化负荷曲线(和声搜索后的水电负荷分配曲线)，图4(d)是江西电网优化负荷曲线(和声搜索后的水电负荷分配曲线)。
对电站的送电曲线和和声搜索后的水电负荷分配曲线按照电站和各电网的原始水电负荷分配计划进行按合同比例分配，求得的剩余负荷进行标准差和峰谷差对比，对比结果见表2。
表2
表2对比结果表明，和声搜索算法优化调整后可一定程度地减小四省剩余负荷的标准差和峰谷差。相较于四省原始负荷，协调优化方法算出的河南、湖北、湖南、江西四省剩余负荷标准差分别下降了12.74％、12.30％、11.50％、20.89％，剩余负荷峰谷差分别下降了5.43％、5.84％、16.33％、27.73％；与按比例分配方法相比，协调优化方法算出的河南、湖北、湖南、江西四省剩余负荷标准差分别下降了9.19％、2.57％、5.30％、7.08％，剩余负荷峰谷差分别下降了1.74％、5.84％、11.32％、5.38％，调峰效果显著。可见，网省负荷协调优化分配方法通过和声搜索算法计算调整比例，综合考虑各受端电网的调峰需求，对三峡送电过程进行合理分配，削弱各省负荷峰值，起到良好的调峰作用，实现三峡水电站外送华中地区的电量在各省受端电网的合理均衡分配，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
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 (6)
1.一种单站多电网的水电负荷分配方法，其特征在于，所述方法应用于构建基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统，所述方法包括如下步骤：
(1)以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；
(2)根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；
(3)将利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，当输出结果收敛时得到多个电网剩余负荷均方差最小值与各电网受电增量的协调比例，根据各电网受电增量的协调比例和电站分配负荷总电量，得到和声搜索后的水电负荷分配曲线，对电站的送电曲线和和声搜索后的水电负荷分配曲线按照电站和各电网的原始水电负荷分配计划进行按合同比例分配，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
所述步骤(2)包括：
所述水电侧约束条件包括：电站出力约束、电站存留负荷电量约束和电站存留负荷电力约束，根据电站出力上下限得到电站出力约束，根据电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到电站存留负荷电量约束；
电网侧约束条件包括联络线有功约束和多电网受电量比例约束，根据电站到多个电网的联络线上有功上下限得到联络线有功约束，将电站本地存留负荷给各电网的电量比例与电站本地存留负荷过程的总电量的乘积作为多电网受电量比例约束；
所述目标函数为：
其中，R为多个电网剩余负荷均方差，N为多个电网的数量，T为时段数，
为第n个电网t时段剩余负荷；
为第n个电网所有时段剩余负荷的平均值，wn为第n个电网的调峰目标权重系数，1≤n≤N，1≤t≤T。
2.如权利要求1所述的一种单站多电网的水电负荷分配方法，其特征在于，所述第n个电网t时段剩余负荷为：
其中，Lnt为第n个电网t时段原始负荷，Pnt为第n个电网t时段分配的受电量。
3.如权利要求1所述的一种单站多电网的水电负荷分配方法，其特征在于，所述第n个电网的调峰目标权重系数为：
wn＝(Rn·μn)/λn
其中，Rn为电站向第n个电网送电比例，μn为人工松弛变量，λn为第n个电网峰谷差与各电网峰谷差总和之比。
4.一种单站多电网的水电负荷分配系统，其特征在于，包括：
建立目标函数模块，用于以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；
获取约束条件模块，用于根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；
求解最优方案模块，用于利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，当输出结果收敛时得到多个电网剩余负荷均方差最小值与各电网受电增量的协调比例，根据各电网受电增量的协调比例和电站分配负荷总电量，得到和声搜索后的水电负荷分配曲线，对电站的送电曲线和和声搜索后的水电负荷分配曲线按照电站和各电网的原始水电负荷分配计划进行按合同比例分配，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
5.一种单站多电网的水电负荷分配方法的应用，其特征在于，所述单站多电网的水电负荷分配方法应用于构建基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统，所述基于BS架构的区域电网水电负荷分配系统包括：
单站多电网的水电负荷分配模块，用于以多个电网剩余负荷均方差最小为目标，建立电站到多个电网的水电负荷分配的目标函数；根据电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量得到目标函数的水电侧约束条件和电网侧约束条件；利用水电侧约束条件和电网侧约束条件对目标函数进行约束，然后利用和声搜索算法求解目标函数，得到电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
基础信息管理模块，用于存储与管理电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
浏览器，用于展示电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案；
服务器，用于集成和声搜索算法；
MySQL数据库，用于存储与管理电站出力上下限、电站本地存留负荷过程的总电力、电站到多个电网的联络线上有功上下限，电站本地存留负荷过程的总电量和电站本地存留负荷过程的总电量分配到各电网的电量、电站到多个电网的水电负荷分配的最优方案。
6.如权利要求5所述的一种单站多电网的水电负荷分配方法的应用，其特征在于，所述浏览器与服务器之间通过AngularJS框架实现双向数据绑定，所述MySQL数据库与服务器之间通过Spring Boot框架实现数据存取。
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