CN109802445A - 一种考虑输电区段容量限制的多机组协调调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统调度自动化技术领域，尤其涉及一种考虑输电区段容量限制的多机组协调调度方法，包括：以输电断面TTC限制下的发电量最大为目标，建立梯级水电站协调优化调度模型，并基于复杂的溢水电模型，引入传输段传输容量约束的大中型水电站运行约束条件；将水电转换关系和水位‑容量关系进行线性化，模型中非线性约束转换为线性约束，将基于INLP问题的原模型转换为ILP模型，并输出计算结果。本发明充分考虑了输电容量对水电吸收的限制，利用大中型水电站调整蓄水量有效提高水电吸收率；可以提高干旱期大型水电对小水电的补偿效益从而增加总发电量；可以用于梯级水电发电规划的制定，为输电线路扩展的效益分析提供指导。

Description

一种考虑输电区段容量限制的多机组协调调度方法

技术领域

本发明属于电力系统调度自动化技术领域，尤其涉及一种考虑输电区段容量限制的多机组协调调度方法。

背景技术

随着我国水电规模的不断扩大，水电站在电力系统中的运行环境越来越复杂。如何合理安排水电调度方案，避免弃水、弃电等现象的发生，保证电站发电、发电、使用。这是我国水电企业迫切需要解决的一个理论和实践问题，尤其是在短期调度和实时调度问题上。梯级水电站实时发电方案的编制涉及到许多复杂的因素。需要考虑电网、水库、机组等的复杂约束，在考虑发电计划的同时，尽量减少弃水，增加系统储能。目前国内外梯级水电站实时优化调度研究主要集中在三种模式上:实时调度系统运行模式、实时协调模型和负荷快速分配算法。同时，近年来,高扬程、大容量mega-units西南地区已经投入运营的进一步加剧了快速、可靠的复杂性和紧迫性避免禁区的单位,特别是在短期和实时调度，所以研究实用和高效的实时调度方法和策略是非常重要的。随着我国水电装机容量和东西向输电能力的不断扩大，跨省电网在输电条件下的优化调度已成为西南地区水电站运行管理中的一个重要问题。在这样的背景下，水电站群的调度方案是为了满足自身的需要，同时满足电网火电联合调度的需要，充分考虑复杂的电力系统约束和跨省电网的输电问题。西南地区已形成大型梯级水电站和区域性小水电群。在电网能源消耗有限、输水受限的情况下，汛期水电站挤满了输水通道，造成协调困难，造成了严重的水电弃用。将输电断面约束引入大型跨流域水电站群优化调度模型已成为必然要求。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提出一种考虑输电区段容量限制的多机组协调调度方法，包括：

步骤A：以输电断面TTC限制下的发电量最大为目标，建立梯级水电站协调优化调度模型，并基于复杂的溢水电模型，引入传输段传输容量约束的大中型水电站运行约束条件；

步骤B：将水电转换关系和水位-容量关系进行线性化，模型中非线性约束转换为线性约束，将基于INLP问题的原模型转换为ILP模型，并输出计算结果。

所述大中型水电站运行约束条件包括：

水量平衡约束、水位约束、初始水位和末水位控制约束、发电流量约束、水电站出力约束、水位-容量转换约束、水电转换关系约束、出库流量约束、同一断面下国、分、省三级水电上网比例限制。

所述水电转换关系的线性化包括：采用线性功率拟合方法得到水电机组发电量与不同蓄水量下发电量的函数关系。

所述ILP模型通过在MATLAB中调用商业优化软件包CPLEX来计算，输出水库水位，出水流量，单位输出。

本发明的有益效果：

本发明提出的协调优化调度模型充分考虑了输电容量对水电吸收的限制，利用大中型水电站调整蓄水量，有效提高水电吸收率。通过与传统的最大发电模型比较，协调模型可以提高干旱期大型水电对小水电的补偿效益，从而增加总发电量。可以应用于梯级水电系统发电规划的制定，为输电线路扩展的效益分析提供指导。

附图说明

图1为本发明考虑输电区段容量限制和目标发电的梯级水电站协调优化调度模型研究方法流程图。

图2为发电功率曲线图。

图3为断面水流域主要水电厂拓扑图。

图4为平水年发电量对比图。

图5为平水年调节性能电站水库水位变化图。

具体实施方式

下面结合附图，对实施例作详细说明。

一种考虑输电区段容量限制和目标发电的梯级水电站协调优化调度模型研究方法，如图1所示，包括以下步骤：

步骤A.针对输电部分TTC和目标发电的约束，提出了一种梯级水电站协调优化调度模型。基于复杂的溢水电模型，引入了传输段的传输容量约束，以确保传输通道的安全稳定运行。同时，包括目标发电约束以确保发电高于下限。

步骤A1：以大、小水电总消纳电量即考虑断面TTC限制下的发电量最大为目标，则目标函数为：

式中：t、T为调度时段号及其总数；m、M为大中型水电编号和总数；Δ_t为第t时段的时长。即为第t时段不考虑弃水出力情况下大、小水电总发电能力，为第t时段所有分区的弃水出力之和，即全部断面TTC限制造成的弃水出力之和。本模型对大中型水电的区间流量和小水电的发电能力均采用确定性描述。

步骤A2：大中型水电站运行约束条件如下

水量平衡约束

V_m,t+1＝V_m,t+3600(I_m,t-Q_m,t-d_m,t) (2)

式中：V_m,t是水库m在t时刻的库容量；I_m,t是水库m在t时刻的进水量；Q_m,t是水库m在t时刻的发电水流量；d_m,t是水库m在t时刻的弃水流量。

水位约束

Z_min,m≤Z_m,t≤Z_max,m (3)

式中：Z_m,t,Z_max,m,Z_min,m分别为电站m第t时段的初始水位及其上下限。

初始水位和末水位控制约束

Z_m,0＝Z_m,begin (4)

Z_m,T＝Z_m,end (5)

式中：Z_m,begin,Z_m,end是调度期开始时水库i的水位和调度期结束时的目标控制水位。

发电流量约束

Q_min,m,t≤Q_m,t≤Q_max,m,t (6)

式中：Q_min,m,t,Q_max,m,t是t时段发电站m的发电流量的上限和下限。

水电站出力约束

P_min,m≤P_m,t≤P_max,m (7)

式中：P_min,m,P_max,m是水电站m的出力上下限。

水位-容量转换约束

V_imt＝f_m,zv(Z_m,t) (8)

式中：f_m,zv(·)是水库的水位-容量关系函数。

水电转换关系约束

P_m,t＝f_m,pqh(Q_m,t,V_m,t) (9)

式中：f_m,pqh(·)是水电站m的出力与发电流量和库容之间的二元关系函数。

出库流量约束

S_min,m,t≤S_m,t≤S_max,m,t (10)

式中：S_m,t＝Q_m,t+d_m,t,S_min,m,t,S_max,m,t是第t个时段的发电站i的出库流量及其上限和下限。

同一断面下国、分、省三级水电上网比例限制

考虑国、分、省三级直调电厂的上网电量比例下限，保证各级水电协调上网。

P_G/P_T≥α,P_F/P_T≥β,P_S/P_T≥γ (11)

式中：P_G,P_F,P_S,P_T分别为国调直调电厂、分调直调电厂、省调直调电厂以及总发电量，α,β,γ为各电厂上网比例

步骤B.基于步骤A考虑输电截面容量限制和目标发电的梯级水电站协调优化调度模型是典型的多变量，高维，多复合约束整数非线性规划(INLP)问题。将水电转换关系和水库-水位关系进行线性变化，模型中的非线性约束转换为线性约束，原始INLP模型转换为ILP模型。

步骤B1：水电转换关系的线性化。水电机组的输出与水库容量和发电流量有关。如图2所示，根据实际数据，采用线性功率拟合方法得到水电机组发电量与不同蓄水量下发电量的函数关系，可表示为：

P_i,m,t＝e_i,m,rq_i,m,t+f_i,m,r,V_i,r-1≤V_i,t≤V_i,r (12)

P_i,m,t≥0。 (13)

式中，e_i,m,r,f_i,m,r为水电站m单元r段发电线性函数的参数。i,r,为发电函数中存储容量的段数，总段数r∈R,V_i,r是发电曲线的第r次容量，并且设置V_i,r＝0。

为了实现线性化建模，将每个发电曲线分为两个部分，并引入相关的状态变量。因此，由等式(12)和(13)表示的非线性水电转换关系可以转换为：

q_i,m,t,r＝q_1,i,m,t,r+q_2,i,m,t,r (16)

q_2,i,m,t,r/q_max,i,m≤n_1,i,m,t,r≤N·q_2,i,m,t,r (17)

q_1,i,m,t,r＝-n_1,i,m,t,r(f_i,m,r/e_i,m,r) (18)

n_i,m,t,rq_min,i,m≤q_i,m,t,r≤n_i,m,t,rq_max,i,m (19)

式中，N代表一个足够大的正数，V_i,r是r部分的储存容量，q_i,m,t,r是t期间r段存储下水电发电机组的发电流量，分为两部分：q_1,i,m,t,r和q_2,i,m,t,r,且取值范围为：[0,-f_i,m,r/e_i,m,r]，[0,max(0,q_i,m,t,r+f_i,m,r/e_i,m,r)]。n_1,i,m,t,r是一个0/1变量，当发电流量大于发电曲线与水平轴交叉点的横坐标时，该值为1，否则为0。n_1,i,m,t,r也是一个0/1变量，当V_i,r-1≤V_i,t≤V_i,r时取值为1，否则为0。

步骤B2：水位-容量关系线性化。水库容量是大坝前水位的非线性函数。因此，水位-储层关系需要线性化。将水库大坝前的水位i分散为N个区间，表示为：

式中，V_i ⁿ是储层i的第n个水位插值点及其相应的储存容量。

那么t时段内水库的水位可以表示为:

式中，是指标变量，当储层i在t期间处于坝前的第n个水位区间时，否则

在此期间储层的储存容量可表示

步骤B3：通过上述线性化策略与步骤，构建标准ILP模型，然后在MATLAB中调用商业优化软件包CPLEX来解决问题，输出水库水位，出水流量，单位输出等。

为使本领域技术人员更好地理解本发明以及了解本发明相对现有技术的优点，申请人结合具体实施例进行进一步的阐释。

实施例子

以云南电网为例，以四川攀西断面下大中型水电站为例，图3显示了大型水电站的流域拓扑图。

(1)5典型的年度调度分析

给出典型年份的模型调度方案，并与最大发电量(MPG)模型调度方案进行了比较。

表1典型年下的发电量

表2典型年下的弃水电量

表3典型年下的消纳电量

从表1表3可以看出，中长期水电优化调度模型显着提高了水电的总消纳电量，并减少了汛期的溢水电量。与传统的最大发电模型相比，五个典型年份的水电消纳量分别增加了2.8％，6.1％，5.3％，3.6％和1.5％，平均增幅为3.86％。弃水电量分别下降13.7％，30％，36.4％，35.8％及22.6％，平均下降27.7％。该模型提出的模型考虑了汛期有限输电空间下的水电协调，利用水电蓄水量大小的差异来转移相关电力，减少汛期的电阻堵塞。最大的发电模式，不考虑协调，增加了汛期的产量，增加了汛期输电堵塞的风险。

(2)平水年度调度分析

以平水量年为代表，分析了丰水和枯水季节水电站发电，弃水电量和消纳电量三个方面。

表4平水年发电量

从表4以及图4可以看出，与最大的发电模型相比，该模型有效地实现了汛期和枯水期的电力转移，降低了洪水输出在汛期，相应地减少了汛期的洪水功率3.45TMWh，避免了汛期的输电段堵塞。减少汛期水淹的风险。同时，枯水发电量增加，枯水期相应增加2.52TMWh，提高了枯水期输电通道的利用率。虽然汛期和枯水期的输电方式会在一定程度上影响大中型水电站的发电效率，导致整体水电发电量略有下降，可有效减少不必要的水电量，提高水电利用效率。

从电站运行情况来看(图5)：1)多年调节水库如L1，所提模型与发电量最大模型相比，在汛前迅速降低水位，汛期尽可能蓄水以减少发电，为小水电送出腾出通道，实现大小水电间库容的有机补偿；2)年调节水库和季调节水库如S2和N2等，与发电量最大模型具有类似的结果，经分析，主要原因在于装机容量较小，来水集中时电力无法有效调节，此外还受梯级水调的影响。综上可以看出，具有调节能力好、装机容量大等特点的大中型水电站能更好的协调小水电，实现水电电力的有效消纳。

在分区放水的情况下，从表5可以看出，该模型的弃水电量总量为6.65TWh，比最大的发电模型少3.81TWh，主要是集中在汛期，证明提出的模型可以有效减少汛期的弃水电量。

表5平水年弃水电量

通过对各分区弃水电量结果的比较，MS减少弃水电量的效果最为明显。减少的弃水时间为3.68TWh，减少了53.7％。主要原因是MS分区包含两个大中型水电站，具有多年的调节和季节性调节性能。他们可以充分利用调整能力的差异，实现水电站之间蓄水量的补偿，减少汛期的弃水量，防止输电部分堵塞。此外，D2区的弃水电量变化不明显。主要原因是分区本身的弃水量很小，而分区内的D1，D2和D3水电站没有调节能力。虽然LJ，NL的调节能力较好，但装机量小。可以得出结论，分区水电的协调不仅受到大中型水电站的调节性能的影响，而且还与电站的装机容量和来水有关。

表6平水年的消纳电量

在消纳方面，从表7可以看出，提出的考虑断面约束的中长期水电优化调度模型的总消纳电量为56.88TWh，比最大的发电模型高出2.88TWh，增幅为5.3％，对提高水电消纳效果明显。此外，从汛期和枯水期的电力吸收比较来看，几乎所有增加的消纳电量都来自枯水期。经过分析，主要原因是输电断面传输容量有限。在汛期，两种模型都达到了最大的消纳电量。本发明通过输电断面约束和弃水目标实现汛期和枯水期的电量转移，实现汛期剩余电量。向枯水期的转移提高了枯水期水电通道的利用率，增加了电量的总消纳量。

通过以上的仿真分析可以看出，本发明提出的协调优化调度模型充分考虑了输电容量对水电吸收的限制，利用大中型水电站调整蓄水量，有效提高水电吸收率。通过与传统的最大发电模型比较，协调模型可以提高干旱期大型水电对小水电的补偿效益，从而增加总发电量。可以应用于梯级水电系统发电规划的制定，为输电线路扩展的效益分析提供指导。

此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种考虑输电区段容量限制的多机组协调调度方法，其特征在于，包括：

步骤A：以输电断面TTC限制下的发电量最大为目标，建立梯级水电站协调优化调度模型，并基于复杂的溢水电模型，引入传输段传输容量约束的大中型水电站运行约束条件；

步骤B：将水电转换关系和水位-容量关系进行线性化，模型中非线性约束转换为线性约束，将基于INLP问题的原模型转换为ILP模型，并输出计算结果。

2.根据权利要求1所述多机组协调调度方法，其特征在于，所述大中型水电站运行约束条件包括：

水量平衡约束、水位约束、初始水位和末水位控制约束、发电流量约束、水电站出力约束、水位-容量转换约束、水电转换关系约束、出库流量约束、同一断面下国、分、省三级水电上网比例限制。

3.根据权利要求1所述多机组协调调度方法，其特征在于，所述水电转换关系的线性化包括：采用线性功率拟合方法得到水电机组发电量与不同蓄水量下发电量的函数关系。

4.根据权利要求1～3任一所述多机组协调调度方法，其特征在于，所述ILP模型通过在MATLAB中调用商业优化软件包CPLEX来计算，输出水库水位，出水流量，单位输出。