CN109948842B - 一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力发电调度领域，公开一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法。在以水库水位作为状态变量的动态规划方法中，引入表示水库水位升降状态及变化次数的整数变量，引入描述库水位升降的状态变化的状态转移方程，将升降状态最大改变次数作为约束条件，构建具有水库水位变动频率控制的动态规划模型；即以水电站水库的库水位、升降状态和已发生的状态改变次数作为状态变量，以水量平衡、库水位升降状态和升降次数变化为状态转移方程，对最小出力和弃水采用惩罚函数处理，采用动态规划反向递推方程求解。该方法能够有效解决水电站长期优化调度方案中，与调度实际情况不符的库水位频繁升降问题，提高优化调度结果的实用性。

Description

一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法

技术领域

本发明属于水力发电调度领域，涉及一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法。

背景技术

水电是我国乃至世界开发技术完备，规模庞大的可再生能源，水电站的优化调度对于提升水电站运行的效益具有重要作用。目前常用的水电站优化调度动态规划方法主要关注水电发电效益，其结果经常与实际调度习惯不符，特别是水库水位频繁波动，而实际调度中水库在一年中通常只有有限个蓄放过程。因此，亟需提出一种水电优化调度方法，以解决水电站长期优化调度方案中普遍存在的、与调度实际情况不符的库水位频繁升降问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法，其特点是能够在水电站长期优化调度模型中，进行水位升降次数的控制，并获得不同升降次数控制下的全局最优解，提高优化调度结果的可控性和实用性。

本发明的技术方案为：

一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法，在以水库水位作为状态变量的动态规划方法中，引入表示水库水位升降状态及变化次数的整数变量，引入描述库水位升降的状态变化的状态转移方程，将升降状态最大改变次数作为约束条件，构建具有水库水位变动频率控制的动态规划模型，具体为，以水电站水库的库水位、库水位升降状态和已发生的状态改变次数作为状态变量，以水量平衡、库水位升降状态和升降次数变化作为状态转移方程，并设定约束条件，对最小出力和弃水采用惩罚函数处理，采用动态规划反向递推方程求解目标函数。步骤如下：

步骤1、读取水电站数据，将水库t时段水位在最大、最小值之间均匀离散并得到M_t个水位离散点，以

表示t时段初第i个水位离散点的水位，t＝1～T+1，T为调度期时段数；t＝1表示调度起始时段初的水位中只有一个离散水位，即起始水位，水位离散点个数M₁＝1；t＝T+1表示调度终止时段末的水位中只有一个离散水位，即调度期末水位，水位离散点个数M_T+1＝1；其他时段M_t根据计算精度设置。

步骤2、定义水位由下降转为上升，或由上升转为下降为一次水位波动，设定库水位在调度期内最大波动次数为N；定义t时段，水位

下的水位升降状态为

表示

处于水位上升阶段，

表示

处于水位下降阶段；定义t时段，水位到达

时已发生的波动次数为

设定在状态

下的效益函数为

即在状态

下由时段t至调度期结束的最优效益；决策函数为

和

分别表示末水位决策离散位置标号、出力升降状态决策和已发生升降状态变化次数决策。

步骤3、设定时段t＝T；

步骤4、设定水位离散点为

i＝1；

步骤5、设定水位升降状态为

步骤6、设定水位发生的波动次数为

步骤7、设定时段末水位离散位置为j＝1；

步骤8、进行固定起始水位

和末水位

的定水位调节计算，得到时段平均出力

发电流量

和弃水流量为

如果，

在固定水位条件下得到出库流量为负值，则表示水量平衡约束无法满足，以

计算目标函数；其中，

和

分别为水量平衡、最小出力和弃水的惩罚项，

a、b和c为惩罚系数，其中a采用近似无穷大，b和c根据求解问题的特点自行设置。

步骤9、若

且

且

则更新

和

若

且

且

则更新

和

若

且

且

则更新

和

若

且

且

则更新

和

步骤10、令j＝j+1，若j≤M_t+1，转步骤8；否则转步骤11。

步骤11、令

若

转步骤7；否则转步骤12。

步骤12、若

设

转步骤6；否则转步骤13。

步骤13、令i＝i+1，若i≤M_t，转步骤5；否则转步骤14。

步骤14、令t＝t-1，若t≥1，转步骤4；否则转步骤15。

步骤15、设定当前时段为t＝1，在i＝1～M_t，

或1，

的组合中寻找

最大的决策，记为

和

进行由初始水位到

的定水位计算。

步骤16、令t＝t+1，若t≤T，获得t时段最优决策

和

进行

到

的定水位计算；若t＝T+1，转步骤17。

步骤17、输出计算结果，统计调度计算指标，获得水电站调度方案。

本发明的有益效果：对比现有技术，本发明能够有效解决水电站长期优化调度方案中普遍存在的，与调度实际情况不符的库水位频繁升降问题，兼顾水电站长期发电量最大目标和调度方案实用性。

附图说明

图1是规定库水位升降变化为一次的水位变化示意图；

图2是规定库水位升降变化为两次的水位变化示意图；

图3是规定库水位升降变化为三次的水位变化示意图；

图4是规定库水位升降变化为四次的水位变化示意图；

图5是规定库水位升降变化为五次的水位变化示意图；

图6是规定库水位升降变化为六次的水位变化示意图；

图7是规定库水位升降变化为七次的水位变化示意图；

图8是库水位升降状态变化示意图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明涉及一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法，求解的优化调度模型描述如下：

整个调度期的目标函数：

式中：E为发电量目标函数，p^t为电站t时段出力，Δ^t为t时段小时数。

约束条件：

水量平衡方程：S^t+1＝S^t+(In^t-q^t-w^t)Δ^t (2)

式中：S^t表示电站在t时段初的蓄水量，S^t+1表示电站在t时段末的蓄水量，In^t表示电站在时段t的入库流量，q^t为t时段发电流量，w^t为t时段弃水流量。

始末水位约束：z¹＝zs (3)

z^T+1＝ze (4)

出库流量约束：

库水位约束：

水电站出力限制：

式中：zs、ze为电站调度期的始末水位要求；Q^t为t时段出库流量，Q^t＝q^t+w^t；Q^t、

为水库出库下、上限；z^t、z ^t、

为t时段初水位，及初水位下、上限；p ^t、

为电站出力下、上限。

库水位升降次数约束：

式中：μ^t表示t时段始末库水位的升降状态是否较前一时段发生改变，发生改变μ^t＝1，否则μ^t＝0；N表示允许的库水位升降状态变化最高次数。

图8中，z为库水位状态，z0<z1<z2；γ为库水位升降状态，0表示库水位处于上升中，1表示库水位处于下降中；η为t时段前已发生库水位升降状态变化次数。

以云南省漫湾水电站为研究对象，漫湾水电站为季调节水电站。由于调节能力较差，按照传统发电量最大得到的结果中，其水位变化非常频繁。一方面，在库水位较低时，需要在满足最小下泄流量或最小出力约束的条件下，蓄水以提高发电水头；另一方面，在后期来水较大时，需要加大出力降低库水位以避免弃水。由于库容相对几下小，漫湾水库可在1-2月内完成由蓄满到放空，或由放空至蓄满的过程。而在制定长期发电计划时，过于频繁的水位蓄放意义不大，因为实际调度计划的执行还需要考虑到中-短期时间尺度的气象预报和电网负荷变化因素，这些都是长期计划制定中难以考虑的。调度实践中实际采用的长期调度计划一般只考虑汛前、汛期、汛后等几个时期的水位变化趋势，而不考虑为抬高水头或避免弃水而进行的短周期水位变化。但传统的发电量最大模型得到的结果经常不满足实际要求，而需要人工对优化结果进行调整。这一问题在我国季调节、不完全年调节水库的调度中具有普遍性。本申请的方法可以在优化计算中体现调度人员对库水位变化频率的要求，简化了长期发电计划制定的效率，提高了优化模型的实用性。

采用本发明内容的步骤求解漫湾水电站某年的优化调度方案。图1-7分别是将库水位升降状态变化次数限定在1-7次的最优调度方案。在不对库水位升降状态变化次数进行限制时，结果中水位升降状态变化了7次，即图7的结果同时为不限制升降状态变化次数的常规动态规划计算结果。库水位升降状态变化次数为1-6的方案兼顾了水电系统长期电量和水电站调度方案实用性。图1-6是限制了水位升降次数的调度过程的结果，将其与常规优化调度(图7)的发电过程对比，可见本发明所涉及算法制定的调度方案可以对水电系统水位调节起到灵活限制的作用，相比原有优化调度方案，水位调节次数得到了控制。表1和表2分别是库水位升降状态变化7次和1次的调度情况和各个调度期的发电量。从中可以看出减少水位升降波动次数，发电量最大降低比例为1.7％，主要电量降低时段为汛期。由于汛期来水多变，洪水资源通常难以完全利用，采用优化调度得到的效益一般难以完全实现，因而在长期调度中忽略由水位频繁波动带来的电量增幅更加符合实际情况。调度人员可以根据调度习惯和实际情况在不同水位升降状态变动次数的结果中选择实际采用的方案，为解决水电站长期优化调度方案中普遍存在的，与调度实际情况不符的库水位频繁升降问题提供了有效实用的技术手段。

表1.库水位升降状态变化7次结果表

表2.库水位升降状态变化1次结果表

Claims (1)

1.一种控制水库水位变动频率的水电站长期优化调度方法，其特征在于，以水电站水库的库水位、库水位升降状态和已发生的状态改变次数作为状态变量，以水量平衡、库水位升降状态和升降次数变化作为状态转移方程，并设定约束条件，构建具有水库水位变动频率控制的动态规划模型，对最小出力和弃水采用惩罚函数处理，采用动态规划反向递推方程求解目标函数；步骤如下：

步骤1、读取水电站数据，将水库t时段水位在最大、最小值之间均匀离散并得到M_t个水位离散点，以z_i ^t表示t时段初第i个水位离散点的水位，t＝1～T+1，T为调度期时段数；t＝1表示调度起始时段初的水位中只有一个离散水位，即起始水位，水位离散点个数M₁＝1；t＝T+1表示调度终止时段末的水位中只有一个离散水位，即调度期末水位，水位离散点个数M_T+1＝1；其他时段M_t根据计算精度设置；

步骤2、定义水位由下降转为上升，或由上升转为下降为一次水位波动，设定库水位在调度期内最大波动次数为N；定义t时段，水位

下的水位升降状态为

表示

处于水位上升阶段，

表示

处于水位下降阶段；定义t时段，水位到达

时已发生的波动次数为

设定在状态

下的效益函数为

即在状态

下由时段t至调度期结束的最优效益；决策函数为

和

分别表示末水位决策离散位置标号、出力升降状态决策和已发生升降状态变化次数决策；

步骤3、设定时段t＝T；

步骤4、设定水位离散点为

步骤5、设定水位升降状态为

步骤6、设定水位发生的波动次数为

步骤7、设定时段末水位离散位置为j＝1；

步骤8、进行固定起始水位

和末水位

的定水位调节计算，得到时段平均出力

发电流量

和弃水流量为

如果，

在固定水位条件下得到出库流量为负值，则表示水量平衡约束无法满足，以

计算目标函数；其中，

和

分别为水量平衡、最小出力和弃水的惩罚项，

a、b和c为惩罚系数；

步骤9、若

且

且

则更新

和

若

且

且

则更新

和

若

且

且

则更新

和

若

且

且

则更新

和

步骤10、令j＝j+1，若j≤M_t+1，转步骤8；否则转步骤11；

步骤11、令

若

转步骤7；否则转步骤12；

步骤12、若

设

转步骤6；否则转步骤13；

步骤13、令i＝i+1，若i≤M_t，转步骤5；否则转步骤14；

步骤14、令t＝t-1，若t≥1，转步骤4；否则转步骤15；

步骤15、设定当前时段为t＝1，在i＝1～M_t，

或1，

的组合中寻找

最大的决策，记为

和

进行由初始水位到

的定水位计算；

步骤16、令t＝t+1，若t≤T，获得t时段最优决策

和

进行

到

的定水位计算；若t＝T+1，转步骤17；

步骤17、输出计算结果，统计调度计算指标，获得水电站调度方案；

所述的目标函数和约束条件如下：

整个调度期的目标函数：

式中：E为发电量目标函数，p^t为电站t时段出力，Δ^t为t时段小时数；

约束条件：

水量平衡方程：S^t+1＝S^t+(In^t-q^t-w^t)Δ^t (2)

式中：S^t表示电站在t时段初的蓄水量，S^t+1表示电站在t时段末的蓄水量，In^t表示电站在时段t的入库流量，q^t为t时段发电流量，w^t为t时段弃水流量；

始末水位约束：z¹＝zs (3)

z^T+1＝ze(4)

出库流量约束：

库水位约束：

水电站出力限制：

式中：zs、ze为电站调度期的始末水位要求；Q^t为t时段出库流量，Q^t＝q^t+w^t；Q^t、

为水库出库下、上限；z^t、z ^t、

为t时段初水位，及初水位下、上限；p ^t、

为电站出力下、上限；

库水位升降次数约束：

式中：μ^t表示t时段始末库水位的升降状态是否较前一时段发生改变，发生改变μ^t＝1，否则μ^t＝0；N表示允许的库水位升降状态变化最高次数。

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