CN109447405B - 一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电网规划和调度运行领域，特别涉及一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法。首先，依据电网负荷曲线分布特征采用模糊半梯级隶属度函数划分峰谷时段，调节电站峰平谷比例确定电站典型调峰曲线；然后，采用粒子群算法求解厂间电量分配的过程；最后，计算过程中为减少弃水的发生采用弃水调整策略对各电站出力过程进行修正，最大限度减少弃水。本发明的方法实现上下游电站出力匹配，平衡调峰及蓄能的关系，改进短期调峰因复杂约束带来时效性不强的问题。本发明的方法原理清晰、易于操作、计算效率高，为解决实际工程调度问题提供了切实可行的新思路。

Description

一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法

技术领域

本发明涉及电网规划和调度运行领域，特别涉及一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法。

技术背景

持续增加的负荷峰谷差及不断投产的间歇性能源给电网短期调度带来巨大的调峰压力，水电作为一种优质的调峰电源，在保证我国电力系统安全、稳定、经济地运行中发挥着越来越重要的作用。我国大多流域采用“一库多级”或“多库多级”式开发，即上游具有一个或多个调节能力好的龙头电站，下游配备多个库容小、水头高、调节能力差的电站，充分利用龙头电站调蓄作用及下游电站高水头发电，在不显著加大工程规模的前提下极大提高梯级保证出力。如金沙江中下游“一库八级”、乌江“两库七级”、澜沧江干流“三库二十一级”、红水河“两库十级”等。然而，“一库多级”式梯级电站间存在着紧密的水力及电力联系，下游库容较小，上游微小的下泄流量变化就会造成下游水位的大幅波动；同时，下游水库重新调节上游出库，通过顶托作用进一步影响上游电站发电水头。因此开展一库多级式梯级电站群短期计划制定具有重大意义。

目前国内外先关研究成果大多存在计算时间过长、忽略梯级上下游互相反馈机制、出力在追踪负荷峰谷过程中常陡涨陡落造成机组频繁启停或者频繁跨越振动区、上下游出力不匹配造成下游电站弃水等问题。本发明旨在实现一库多级式梯级水电站群电量与水量的平衡及匹配，避免因调峰带来的弃水及库空问题，为水调部门进行短期上报计划制定提供参考。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法，提出一种基于“峰谷时段”模糊识别、提高梯级蓄能的“一库多级”式梯级水电站群短期调峰计划快速生成方法，以合理安排上下游电站发电计划、平衡调峰及蓄能的关系、解决数学规划方法时效性不强的问题。

本发明的技术方案为：

一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法，按照步骤(1)-(3)获得可行的一库多级式梯级库群短期计划，具体如下：

(1)依据电网负荷曲线分布特征采用模糊半梯级隶属度函数划分峰谷时段，调节电站峰平谷比例确定电站典型调峰曲线。

(2)采用粒子群算法求解厂间电量分配的过程。

(3)计算过程中为减少弃水的发生采用弃水调整策略对各电站出力过程进行修正，最大限度减少弃水。

本发明的有益效果：针对“一库多级”式梯级库群复杂的水力电力联系，提出基于峰谷时段模糊识别的短期调峰计划快速生成方法，实现上下游电站出力匹配，平衡调峰及蓄能的关系，改进短期调峰因复杂约束带来时效性不强的问题。本发明的方法原理清晰、易于操作、计算效率高，为解决实际工程调度问题提供了切实可行的新思路。

附图说明

图1(a)为偏小型半梯级隶属度函数示意图；

图1(b)为偏大型半梯级隶属度函数示意图；

图2为本发明的总体求解流程图；

图3(a)为汛期典型调峰曲线确定结果示意图；

图3(b)为枯期典型调峰曲线确定结果示意图；

图4为天二电站的水位过程示意图；

图5为天二电站的出力过程示意图；

图6(a)为天一电站的优化与实际计划出力过程对比示意图；

图6(b)为天二电站的优化与实际计划出力过程对比示意图；

图7为天二电站的优化与计划水位过程对比示意图；

图8为枯期调峰能力分析示意图。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步描述本发明的具体实施方式。

本发明的水电站群短期调峰模型目标为期末蓄能最大，满足梯级日总电量需求的前提下，实现最大限度减小龙头电站的发电流量，充分利用下游电站高水头发电，通过典型调峰曲线实现梯级调峰目的。

目标函数如下：

单个水电站的蓄能值计算公式如下：

梯级蓄能计算公式如下：

式中：i表示电站自上游至下游编号，i＝1,2,...,I；t表示时段编号，t＝1,2,...,T；S_i,t表示电站i在t时段末的蓄能值；W_i,t表示电站i在t时段末的可用水量，等于当前水位及死水位之间的库容；γ_i,t表示电站i在t时段末的平均耗水率，采用该水电站当前水位对应的耗水率与死水位对应的耗水率的平均值；

为梯级水电站群在t时段末的总蓄能值。从而得出梯级水电站群期末蓄能最大模型目标函数为：

需满足如下约束条件：

A.梯级日总电量约束：

式中：α_i,t为电站i在时段t的出力与最大出力的比值，

其中p_i,t为电站i在时段t的出力，单位MW；

为电站i的日最大出力；Δt为时段间隔，单位小时；E为梯级日总电量，单位MWh。

B.水量平衡约束：

式中：v_i,t表示电站i在时段t的库容，I_i,t表示电站i在时段t的区间入流，u_i,t表示电站i在时段t的出库流量，包括发电流量q_it及弃水流量

τ_i表示一库多级梯级库群上游i-1电站到电站i的滞时。

C.电站出力约束：

式中：p _i,t、

分别为电站i在时段t的出力下限及上限。

D.发电流量约束：

式中：

q _i,t为电站i在时段t的发电流量上、下限约束。

E.出库流量约束：

式中：

u _i,t为电站i在时段t的出库流量上、下限。

F.水位约束：

式中：

为电站i在t时段初的坝上水位，

为其上、下限。

G.日调节及以下电站末水位约束：

式中：

为调度期末水位控制值，在本发明中该约束控制在一库多级式梯级水电站群下游日调节以下的电站，采用高水位控制期末水位，以维持下游电站高水头运行。

H.出力曲线：

p_i,t＝f_i(q_i,t,h_i,t) (12)

式中：f_i(*)表示电站动力特性曲线，即出力、发电流量及水头的三维关系曲线。

I.水头计算：

式中：

表示电站i在时段t的坝下水位，Δh_i,t表示电站i在时段t的水头损失，这里水头损失一日内取定值。

J.坝下水位计算：

式中：

表示电站尾水位曲线，即尾水位、出库流量及下游电站坝上水位的三维关系。

本发明基于“峰谷时段”模糊识别、提高梯级蓄能的“一库多级”式梯级水电站群短期调峰计划快速生成方法，以合理安排上下游电站发电计划、平衡调峰及蓄能的关系、解决数学规划方法时效性不强的问题。总体流程图如图2所示，具体求解方法如下：

(1)基于模糊半梯级隶属度函数的峰谷时段识别

基于水电出力与系统负荷峰谷趋势一致实现水电对系统负荷的削峰填谷，采用模糊半梯级隶属度函数描述日负荷各时段处于峰、谷时段的可能性。将一天分为96时段，时段集合记为T＝{1,…,…,96}，对应的负荷值为P＝{p₁,…,p_t…,p₉₆}。采用偏大型半梯形隶属度函数确定负荷曲线上各时段负荷处于峰时段的可能性A(p_t)；采用偏小型半梯形隶属度函数确定负荷曲线上各时段负荷处于谷时段的可能性B(p_t)，数学表达如式(12)-(13)：

A(p_t)＝(p_t-p_min)/(p_max-p_min) (12)

B(p_t)＝(p_max-p_t)/(p_max-p_min) (13)

式中：p_t为t时段对应的负荷值；p_max为负荷曲线上的最大值；p_min为负荷曲线上的最小值，如图1所示。

模糊半梯级隶属度函数法进行峰谷时段划分需要选定合适的隶属度特征阈值λ，λ∈[0,1]。设峰、谷时段隶属度特征阈值为λ₁和λ₂。将峰、平、谷时段分别记为集合

则

设λ₁对应峰时段的时段数为n₁，λ₂对应谷时段的时段数为n₂，则平时段的时段数为96-n₁-n₂。实际应用时，不宜将峰、谷时段持续时间过长，一般不小于2小时，峰、谷时段数目总数不超过6个。

(2)基于峰谷时段划分的典型调峰曲线的确定

对于承担调峰任务的电站，其出力过程除满足电网负荷峰谷过程外，还要维持一定的平稳性，以避免机组频繁启停或频繁跨越振动区。为此，提出如下电站典型调峰曲线来兼顾电网调峰及出力平稳性。

A.确定电站的峰、平、谷出力比，包括平峰出力比θ₁和谷峰出力比θ₂，其中θ₁,θ₂∈(0,1)，峰、平、谷出力比初始采用实际调度统计的平均值或根据调度经验或根据调度要求设定。

B.根据电网典型负荷过程确定峰平谷时段，作为电站出力的峰平谷时段。

C.峰时段出力设定为1，平时段及谷时段出力则为θ₁及θ₂。得到各电站的典型调峰曲线α＝{α₁,...,α_t,...,α_T}。其中

该典型调峰曲线能够根据实际情况设定调峰深度，避免直接按照电网负荷过程优化调峰带来的优先调峰弊端，导致其他可调峰电站无峰可调，这种情况在水电所占比重大的电网结构中问题尤其严重。

(3)基于粒子群算法PSO的厂间电量分配

采用动态规划等进行厂间负荷分配时，需将连续的电量离散化，离散状态随电站个数增加呈指数增加，采用启发式智能算法在不离散电量的情况下通过迭代搜索满意解。粒子群算法求解厂间电量分配的过程为：以调度期末梯级总蓄能最大为适应度函数，以梯级水电站群各电站的日总电量为决策变量，即把电站的日总电量决策过程看成是粒子在I维空间内的飞行轨迹，粒子位置代表各电站的日总出力，I表示梯级水电站总数。应用PSO求解厂间电量分配的迭代过程为：

v_i(k+1)＝ωv_i(k)+c₁r₁(p_i(t)-x_i(k))+c₁r₂(p_g(k)-x_i(k))

x_i(k+1)＝x_i(k)+v_i(k+1) (14)

式中：i表示粒子编号，k表示迭代次数，ω是惯性权重系数，c₁,c₂为学习因子，r₁,r₂为[0,1]之间的随机数；x_i(k)为粒子的位置，v_i(k)表示粒子的飞行速度；p_i(k)表示粒子个体极值，p_g(k)表示全局极值。

值得说明，对每一个粒子计算适应度时，根据来水，采用定出力、流量试算法进行调节计算，惩罚函数法不满足任一约束条件的情况。

(4)启发式弃水调整策略

“一库多级”式梯级水电站群下游电站调节能力有限，上下游电站出力安排不匹配将常导致弃水发生，故在优化过程中对所得结果进行局部弃水调整是非常有必要的。为此设计了如下启发式弃水调整策略，调整顺序在空间上自弃水电站开始从上游水库到下游水库，在时间上自弃水时段向前，其基本调整思路如下：

A.当前最上游弃水电站记为m，最后一个弃水时段记为t。

B.对m电站以步长Δζ上调t时段出力，重新调节计算，更新t。

C.对m电站向前(t-1，t-2)以步长Δζ上调出力(实现预泄)，重新调节计算，更新t。

D.对m-1电站t时段以步长Δζ下调出力，重新调节计算。若上下游滞时不可忽略则提前τ_i进行调整，更新t。

E.对m-1电站向前(t-1，t-2)下调出力，重新调节计算更新t。

步骤(4)中的A-D是一组上下游水库的循环调整。对梯级电站自上游到下游，重复上述操作，直至所有电站不发生弃水或弃水不再减少。

现以我国“十四大水电基地”之一的红水河流域已建成的天生桥(天一)及天生桥二级(天二)两座电站，天一天二的调节性能分别为不完全多年调节和日调节电站，为典型的一库多级梯级库群。采用计划的日总电量对汛枯期分别进行计算，以验证本发明的方法对汛枯期的普适性。

天一天二送电广西广东，送电比例约为1：1，本文采用归一化方法对两省典型日负荷进行重构，峰谷时段模糊识别结果如表3所示，划分结果满足时段持续时间超过2个小时及时段数不超过6个的要求，划分合理。依据的系统负荷曲线及确定的出力曲线如图3所示。

汛期计算结果：汛期日总发电量要求为4,976.1×10⁴KWh，占日最大发电能力6,048×104KWh的82.3％，在满足一定的调峰深度的条件下极易发生弃水。表4给出了弃水调整前后调度结果，可知：在不采用弃水调整策略时，天二发生1,276×10⁴m³的弃水，由图4天二水位过程(调整前)可以看出，到第24个时段，天二电站已经蓄到正常高水位，此后弃水流量平均为194m³/s，一直延续到调度周期末，并破坏了天二电站的末水位约束。图5给出天二出力过程，采用弃水调整策略之后，可消除弃水，说明本发明提出的弃水调整策略有效，但调整之后天二调峰深度为0(这是由于天二已经达到满发)，整个梯级的调峰容量从564MW(占装机容量的22.4％)降低到205MW(占装机容量的8.1％)。故弃水和调峰之间存在矛盾，当梯级承担较大调峰任务时，会增加弃水的可能性。此外，经弃水调整，天二与天一电站的发电量比例由1.41变成1.75，梯级期末蓄能增加496×10⁴KWh，约为梯级日发电量的9.96％。

枯期计算结果：枯期日总发电量要求为2,879.5×10⁴kWh，仅占日最大发电能力6,048×10⁴KWh的48％，因此枯期计划具有较大的灵活性，加之枯期来水较少，使得枯期电站承担较重的调峰任务。表5提供了枯期优化计算结果与实际计划结果的对比：(1)在调峰容量上，优化计算结果略低于实际计划过程，但通过图6可以看出，实际计划过程仅对午峰进行了调节，而本发明的优化计算结果同时调节了午峰及晚峰，调峰时段更长；(2)在梯级蓄能上，优化后的梯级期末蓄能值为270,594.9×10⁴KWh，大于实际计划的期末蓄能值269,140.4×10⁴KWh，增加的期末蓄能值约占梯级日发电量的50％，提高了水资源的利用率；(3)在水位变化上，通过图7可以看出，优化计算结果水位变化过程比实际计划的水位变化过程更加平稳，提高了调度的安全性。

调峰能力仿真分析结果：风光等多种间歇性清洁电源大力发展，其出力的反调峰性进一步拉大了电网负荷峰谷差，此时，若能充分挖掘水电的调峰能力，可进一步加大清洁能源的消纳，减少弃风弃光的发生。为验证一库多级式梯级水电站群联合调峰能力及本发明提出算法的有效性，对各电站的典型负荷率进行调整，在给定梯级电量且不发生弃水的情况下，加大峰时段出力，降低谷时段出力。仍以天生桥梯级库群枯期为例进行调整峰平谷时段的出力比，直至达到梯级不发生弃水的边界，梯级日发电量仍设为28,795MWh。其调整结果如图8所示，天生桥梯级调峰容量达2,037MW，占梯级总装机的80.9％，天二和天一发电量比例为1.55，弃水量为0，梯级期末总蓄能为270,565×10⁴KWh，平缓系统负荷的同时为风光等其它新能源的消纳提供空间。

表1天生桥一库多级式梯级水电站群特性表

表2初始条件设置

表3汛枯期峰平谷时段划分

表4汛期计算结果

表5枯期计算结果

Claims (2)

1.一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法，其特征在于，首先，依据电网负荷曲线分布特征采用模糊半梯级隶属度函数划分峰谷时段，调节电站峰、平、谷比例确定电站典型调峰曲线；然后，采用粒子群算法求解厂间电量分配的过程；最后，计算过程中为减少弃水的发生采用弃水调整策略对各电站出力过程进行修正，最大限度减少弃水；具体步骤如下：

(1)基于模糊半梯级隶属度函数的峰谷时段识别

基于水电出力与系统负荷峰谷趋势一致实现水电对系统负荷的削峰填谷，采用模糊半梯级隶属度函数描述日负荷各时段处于峰、谷时段的可能性；将一天分为96时段，时段集合记为T＝{1,…,…,96}，对应的负荷值为P＝{p₁,…,p_t…,p₉₆}；采用偏大型半梯形隶属度函数确定负荷曲线上各时段负荷处于峰时段的可能性A(p_t)；采用偏小型半梯形隶属度函数确定负荷曲线上各时段负荷处于谷时段的可能性B(p_t)，数学表达如式(12)-(13)：

A(p_t)＝(p_t-p_min)/(p_max-p_min) (12)

B(p_t)＝(p_max-p_t)/(p_max-p_min) (13)

式中：p_t为t时段对应的负荷值；p_max为负荷曲线上的最大值；p_min为负荷曲线上的最小值；

模糊半梯级隶属度函数法进行峰谷时段划分需要选定隶属度特征阈值λ，λ∈[0,1]；设峰、谷时段隶属度特征阈值为λ₁和λ₂；将峰、平、谷时段分别记为集合

则

设λ₁对应峰时段的时段数为n₁，λ₂对应谷时段的时段数为n₂，则平时段的时段数为96-n₁-n₂；

(2)基于峰谷时段划分的典型调峰曲线的确定

A.确定电站的峰、平、谷出力比，包括平峰出力比θ₁和谷峰出力比θ₂，其中θ₁,θ₂∈(0,1)，峰、平、谷出力比初始采用实际调度统计的平均值或根据调度经验确定或根据调度要求设定；

B.根据电网典型电力负荷过程确定峰、平、谷时段，作为电站出力的峰、平、谷时段；

C.峰时段出力设定为1，平时段及谷时段出力则为θ₁及θ₂；得到各电站的典型调峰曲线α＝{α₁,...,α_t,...,α_T}；其中

(3)基于粒子群算法PSO的厂间电量分配

以调度期末梯级总蓄能最大为适应度函数，以梯级水电站群各电站的日总电量为决策变量，即把电站的日总电量决策过程看成是粒子在I维空间内的飞行轨迹，粒子位置代表各电站的日总出力，I表示梯级水电站总数；应用PSO求解厂间电量分配的迭代过程为：

式中：i表示粒子编号，k表示迭代次数，ω是惯性权重系数，c₁,c₂为学习因子，r₁,r₂为[0,1]之间的随机数；x_i(k)为粒子的位置，v_i(k)表示粒子的飞行速度；p_i(k)表示粒子个体极值，p_g(k)表示全局极值；

对每一个粒子计算适应度时，根据来水，采用定出力、流量试算法进行调节计算；惩罚函数法处理不满足任一约束条件的情况；

(4)启发式弃水调整策略

A.当前最上游弃水电站记为m，最后一个弃水时段记为t；

B.对m电站以步长Δζ上调t时段出力，重新调节计算，更新t；

C.对m电站向前(t-1，t-2)以步长Δζ上调出力，重新调节计算，更新t；

D.对m-1电站t时段以步长Δζ下调出力，重新调节计算；若上下游滞时不可忽略则提前τ_i进行调整，更新t；

E.对m-1电站向前(t-1，t-2)下调出力，重新调节计算更新t；

步骤(4)中的A-D是一组上下游水库的循环调整；对梯级电站自上游到下游，重复上述子步骤A-D操作，直至所有电站不发生弃水或弃水不再减少。

2.根据权利要求1所述的一种承担调峰任务的一库多级式梯级库群短期计划制定方法，其特征在于，一库多级式梯级库群短期计划的目标为期末蓄能最大，满足梯级日总电量需求的前提下，实现最大限度减小龙头电站的发电流量，充分利用下游电站高水头发电，通过典型调峰曲线实现梯级调峰目的；

目标函数如下：

单个水电站的蓄能值计算公式如下：

梯级蓄能计算公式如下：

式中：i表示电站自上游至下游编号，i＝1,2,...,I；t表示时段编号，t＝1,2,...,T；S_i,t表示电站i在t时段末的蓄能值；W_i,t表示电站i在t时段末的可用水量，等于当前水位及死水位之间的库容；γ_i,t表示电站i在t时段末的平均耗水率，采用该水电站当前水位对应的耗水率与死水位对应的耗水率的平均值；

为梯级水电站群在t时段末的总蓄能值；从而得出梯级水电站群期末蓄能最大模型的目标函数为：

需满足如下约束条件：

A.梯级日总电量约束：

式中：α_i,t为电站i在时段t的出力与最大出力的比值，

其中p_i,t为电站i在时段t的出力，单位MW；

为电站i的日最大出力；Δt为时段间隔，单位小时；E为梯级日总电量，单位MWh；

B.水量平衡约束：

式中：v_i,t表示电站i在时段t的库容，I_i,t表示电站i在时段t的区间入流，u_i,t表示电站i在时段t的出库流量，包括发电流量q_it及弃水流量

τ_i表示一库多级梯级库群上游i-1电站到电站i的滞时；

C.电站出力约束：

式中：p _i,t、

分别为电站i在时段t的出力下限及上限；

D.发电流量约束：

式中：

q _i,t为电站i在时段t的发电流量上、下限约束；

E.出库流量约束：

式中：

u _i,t为电站i在时段t的出库流量上、下限；

F.水位约束：

式中：

为电站i在t时段初的坝上水位，

为其上、下限；

G.日调节及以下电站末水位约束：

式中：

为调度期末水位控制值，控制在一库多级式梯级水电站群下游日调节以下的电站，采用高水位控制期末水位，以维持下游电站高水头运行；

H.出力曲线：

p_i,t＝f_i(q_i,t,h_i,t) (12)

式中：f_i(*)表示电站动力特性曲线，即出力、发电流量及水头的三维关系曲线；

I.水头计算：

式中：Δh_i,t表示电站i在时段t的水头损失，水头损失一日内取定值；

J.坝下水位计算：

式中：f_i ^D(*)表示电站尾水位曲线，即尾水位、出库流量及下游电站坝上水位的三维关系。

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