CN110826805A - 一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水电站优化调度领域，涉及一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度方法。本发明针对低水头电站的发电能力受到入库流量和发电水头两方面限制的特点，首先拟合各电站、各月的日入库流量与最大发电出力之间的关系；而后，建立低水头梯级水电站中期优化调度模型，在模型中，电站各时段的发电能力由水头‑预想出力曲线，和入库流量‑最大出力曲线共同控制；最后，采用内嵌上下游联动计算的优化方法求解这一优化模型，并进行受阻出力的计算。该方法能够显著提高低水头电站优化调度的准确性，解决了不均匀来水、水头受阻双重因素造成的模型求解困难，提高了中期优化调度结果的实用性。

Description

一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度 方法

技术领域

本发明属于水电站优化调度领域，涉及一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度方法。

背景技术

我国水电规模巨大，除了调节能力强、水头高的水电站外，还存在大量的低水头、小库容梯级水电站。这些低水头梯级水电站调节能力差，同时汛期发电受阻严重，其优化调度问题非常复杂。特别是在以日为时段，以周、月为调度期的中期调度中，低水头电站的发电能力估算非常困难。一方面，由于各日内来水不均匀，以来水日均值进行计算的调度模型在发电水量、弃水量的计算上误差较大；另一方面，电站的受阻容量难以准确估算，以往以水头-预想出力曲线进行计算，由于未考虑来水不均匀性的影响，在部份电站的计算结果与实际相差很大。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度方法。本发明针对低水头电站的发电能力受到入库流量和发电水头两方面限制的特点，首先拟合各电站、各月的日入库流量与最大发电出力之间的关系；而后，建立低水头梯级水电站中期优化调度模型，在模型中，电站各时段的发电能力由水头-预想出力曲线，和入库流量-最大出力曲线共同控制；最后，采用内嵌上下游联动计算的优化方法求解这一优化模型，并进行受阻出力的计算。

本发明的技术方案：

一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度方法，具体步骤如下：

步骤1、日入库流量-最大出力关系曲线拟合

步骤1.1、记水电站群已投入运行N年，电站m在第i年、第j月的第k天的入库流量和平均发电出力分别为

和

其中入库流量为区间流量与上游出库流量之和，m＝1,2,…,M，j＝1～12。

步骤1.2、设j＝1。

步骤1.3、设m＝1。

步骤1.4、构建电站m第j月入库流量数据集合

和发电出力数据集合

其中K_i,j为第i年第j月的天数。

步骤1.5、利用

和

中的数据，作和

散点图的上包线，并将上包线拟合为分段线性函数，记为

和

表示电站m第j月的入库流量和发电出力上限。

步骤1.6、m＝m+1，若m≤M，转步骤3。

步骤1.7、j＝j+1，若j≤12，转步骤2。

步骤2、构建低水头梯级水电站中期优化调度模型

采用发电量最大作为目标函数：

其中，F为发电量目标函数，T为调度期时段数，M为水电站数目，

为电站m在t时段的平均出力，Δ^t为t时段小时数。

目标函数的约束条件包括流域水量平衡、水库库容限制、水电站出力限制、出库流量限制、发电引用流量限制、水电站群最小总出力限制等。

其中，水电站出力限制由预想出力曲线和入库流量-最大出力曲线共同构成，如式(2)和(3)。

其中，

为电站m在t时段的平均水头，为水电站m在t时段的平均下游水位，若水电站m无下游水电站，则为电站m在t时段平均出库流量，

为由出库流量插值得到下游水位的函数，若水电站m有下游水电站，则记为按照

得到下游水位和下游水电站t时段平均库水位的最大值；为m在t时段平均发电流量，

为电站m在t时段的水头损失；为电站m在水头

下的最大出力；L_m为电站m的下游电站编号。

其中，

为电站m在t时段的入库流量，j(t)为调度期第t个时段所处月份，

为电站m在t时段由入库流量决定的出力上限。

上述两种最大出力限制方式同时存在，对于调节能力较差的电站，在汛期主要由式(3)决定，在枯期主要由式(2)决定。

对于水量平衡、最小出库流量限制、水电站群最小总出力限制，在目标函数中引入惩罚项，则

其中，F'为考虑惩罚后的目标函数；为电站m在t时段的出力下限和出库流量下线，a、b、c为惩罚系数，c＞＞a，c＞＞b。

步骤3、求解低水头梯级水电站中期优化调度模型

采用逐步优化方法求解，将T个时段的优化问题分为T-1个两阶段问题，通过反复求解两阶段问题实现原问题的求解。在求解每个两阶段问题时，采用逐次逼近方法，即每次仅对一个电站的水位变量寻优而固定其它电站的库水位。(顶托处理)由于部分低水头电站的上下游电站联系紧密，下游水库蓄水对上游有顶托作用，因此，在某一水电站水位寻优时，应同时计算其直接上游电站及全部下游电站定水位调节下的出力变化。具体步骤如下：

步骤3.1、按照等流量调节设定各水库初始解，设初始搜索步长为ε_m，最小搜索步长为ε_m，m＝1,2,…,M。

步骤3.2、记当前各水库各时段水位为

t＝1,2,…,T，m＝1,2,…,M。

步骤3.3、设定时段编号t＝1。

步骤3.4、设定电站编号m＝1。

步骤3.5、将水电站m在t时段末的水位

在其当前值附近取三个离散点：

和

步骤3.6、设ii＝1。

步骤3.7、设

步骤3.8、设i＝m。

步骤3.9、若水电站i存在上游电站，记其直接上游电站的编号分别为D_i为水电站i直接上游电站数目；设k＝1，mm＝u_k。

步骤3.10、固定水电站mm在t和t+1时段的始末水位：

和

进行水电站mm在t和t+1时段的定水位调节计算，首先根据电站mm的入库流量设定t和t+1时段的最大出力为

和

再根据t时段始末水位

和入库流量

得到出库流量

根据t+1时段始末水位

和入库流量得到出库流量

进而得到

和根据下游水位

及

确定t和t+1时段的发电水头及

并采用

和

作为两个t和t+1时段的最大出力控制；最后，计算t和t+1时段的平均出力、发电流量和弃水流量。

步骤3.11、设k＝k+1，若k≤D_i，转步骤3.10。

步骤3.12、固定水电站i在t和t+1时段的始末水位：

和

进行水电站i在t和t+1时段的定水位调节计算，在计算中采用与步骤3.10相同的方法，以和

进行最大出力控制。

步骤3.13、设若i+1≤M且水电站i+1为水电站i的下游水电站，转步骤3.9。

步骤3.14、统计水电站群总发电量以及考虑约束条件惩罚项的总和F'，记v_ii＝F'。

步骤3.15、ii＝ii+1，若ii≤3，返回步骤3.7。

步骤3.16、取v_ii，ii＝1、2、3中的最大值最为当前最优值，并以其对应的z_ii更新

完成一步寻优。

步骤3.17、设m＝m+1，若m≤M，转步骤3.4。

步骤3.18、设t＝t+1，若t≤T-1，转步骤3.2。

步骤3.19、若

t＝1,2,…,T，m＝1,2,…,M，则设ε_m＝ε_m/2，若ε_m≥ε_m，转步骤3.1。

步骤3.20、结束。

本发明的有益效果：本发明的方法能够显著提高低水头电站优化调度的准确性，解决了不均匀来水、水头受阻双重因素造成的模型求解困难，提高了中期优化调度结果的实用性。

附图说明

图1是那吉电站周计划出力过程对比图；

图2是金鸡滩电站周计划出力过程对比图；

图3是叶茂电站周计划出力过程对比图；

图4是洛东电站周计划出力过程对比图；

图5是麻石电站周计划出力过程对比图；

图6是古顶电站周计划出力过程对比图；

图7是大埔电站周计划出力过程对比图；

图8是红花电站周计划出力过程对比；

图9是金牛坪电站周计划出力过程对比图；

图10是周计划总电量与实际总电量对比图；

图11是电站周计划逐日发电量与实际电量对比图。

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。

以低水头电站众多的广西电网的周计划制作为背景说明本发明的实施方式。广西电网统调水电装机容量约9000MW，其中中调调管水电站30余座，装机容量超过7000MW；地区小水电超过800座，装机容量超过1800MW。如何协调可调节水电之间、大小水电、水电与风电的调度方式，实现电网效益最大是极具挑战性的课题。中调调管水电厂中仅右江电站(装机容量540MW)具有年调节能力，网内装机容量最大的岩滩水电厂(装机容量1800MW)仅具有季调节性能，其余水电厂汛期等同于径流电站。特别是汛期各流域集中来水时，因水电整体调节能力不足，电网低谷调峰十分困难，弃水调峰困扰广西水电调度的重要问题。不同于南方电网其它水电大省动辄百米甚至二百米以上的高水头电站，广西水电发电水头普遍在50米以下，设计水头最高的右江电站不到90米。由于水头较低，汛期出现洪水时，水电发电受阻情况较为严重，常出现来水大幅增加，但水电发电能力反而下降的情况。实际运行中，如何需要根据来水情况扣减水头受阻容量，精细计算水电发电能力；以及如何减少受阻电量损失至关重要。红水河干流岩滩一下梯级水电站装机容量占统调水电装机容量的一半有余，但其来水受控于总调龙滩水电站，加之调节能力较差，为发挥其季节性负荷调节和日内调峰作用，必须与上游总调电站的计划协调，加大了发电调度难度。

以广西电网辖管的34座梯级水电站周计划制作为例，选取汛期7月某周，采用发电量最大模型进行周计划制作。广西电网郁江、柳江、桂江梯级水电站大部分为低水头电站，选取那吉、金鸡滩、叶茂、洛东、麻石、古顶、大浦、红花、金牛坪共9座低水头电站进行分析，计算结果如下：

图1-图9分别为上述九座电站考虑拟合曲线周计划过程、不考虑拟合曲线周计划过程和实际运行过程的对比图。图10为上述电站周计划逐日总电量与实际电量对比，图11为各点站周计划总电量与实际总电量对比。通过对各流域电站出力过程对比分析可得，计划制作过程中无论是否考虑拟合曲线，计划与实际运行过程均存在不同程度的偏差，产生偏差的主要原因是周计划通常在本周四制作下周计划，实际来水与预测来水可能具有很大偏差，同时电网负荷偏差及调度指令调整在实际运行过程中导致实际过程与前期计划存在很大的偏差。对比分析可得电站计划制作过程中拟合曲线与限制出力曲线同时考虑，较仅单一考虑限制出力曲线得到的发电计划更贴近于电站实际过程，计划的可执行性也相对更高。在不考虑入库流量-最大出力关系的时候，计划电量普遍较考虑这一约束的时候大。这些电站部份时段内采用水头-预想出力，以日平均流量计算时有一定出力受阻；同时由于来水日内的不均匀性，在汛期即使采用平均流量计算可以满发，如那吉、大铺等电站，实际上可用发电水量不足以支持满发，而本发明的方法可以体现出这种情况，因而得到的发电计划更加符合实际。

Claims (1)

1.一种考虑来水不均匀性的低水头梯级水电站中期优化调度方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤1、日入库流量-最大出力关系曲线拟合

步骤1.1、记水电站群已投入运行N年，电站m在第i年、第j月的第k天的入库流量和平均发电出力分别为

和

其中入库流量为区间流量与上游出库流量之和，m＝1,2,…,M，j＝1～12；

步骤1.2、设j＝1；

步骤1.3、设m＝1；

步骤1.4、构建电站m第j月入库流量数据集合

和发电出力数据集合

其中K_i,j为第i年第j月的天数；

步骤1.5、利用

和中的数据，作

和

散点图的上包线，并将上包线拟合为分段线性函数，记为

和

表示电站m第j月的入库流量和发电出力上限；

步骤1.6、m＝m+1，若m≤M，转步骤3；

步骤1.7、j＝j+1，若j≤12，转步骤2；

步骤2、构建低水头梯级水电站中期优化调度模型

采用发电量最大作为目标函数：

其中，F为发电量目标函数，T为调度期时段数，M为水电站数目，

为电站m在t时段的平均出力，Δ^t为t时段小时数；

目标函数的约束条件包括流域水量平衡、水库库容限制、水电站出力限制、出库流量限制、发电引用流量限制和水电站群最小总出力限制；

其中，水电站出力限制由预想出力曲线和入库流量-最大出力曲线共同构成，如式(2)和(3)；

其中，

为电站m在t时段的平均水头，

为水电站m在t时段的平均下游水位，若水电站m无下游水电站，则

为电站m在t时段平均出库流量，

为由出库流量插值得到下游水位的函数，若水电站m有下游水电站，则

记为按照

得到下游水位和下游水电站t时段平均库水位的最大值；

为m在t时段平均发电流量，

为电站m在t时段的水头损失；

为电站m在水头

下的最大出力；L_m为电站m的下游电站编号；

其中，

为电站m在t时段的入库流量，j(t)为调度期第t个时段所处月份，

为电站m在t时段由入库流量决定的出力上限；

对于水量平衡、最小出库流量限制、水电站群最小总出力限制，在目标函数中引入惩罚项，则

其中，F'为考虑惩罚后的目标函数；为电站m在t时段的出力下限和出库流量下线，a、b、c为惩罚系数，c＞＞a，c＞＞b；

步骤3、求解低水头梯级水电站中期优化调度模型

步骤3.1、按照等流量调节设定各水库初始解，设初始搜索步长为ε_m，最小搜索步长为ε _m，m＝1,2,…,M；

步骤3.2、记当前各水库各时段水位为

t＝1,2,…,T，m＝1,2,…,M；

步骤3.3、设定时段编号t＝1；

步骤3.4、设定电站编号m＝1；

步骤3.5、将水电站m在t时段末的水位

在其当前值附近取三个离散点：

和

步骤3.6、设ii＝1；

步骤3.7、设

步骤3.8、设i＝m；

步骤3.9、若水电站i存在上游电站，记其直接上游电站的编号分别为

D_i为水电站i直接上游电站数目；设k＝1，mm＝u_k；

步骤3.10、固定水电站mm在t和t+1时段的始末水位：

和

进行水电站mm在t和t+1时段的定水位调节计算，首先根据电站mm的入库流量设定t和t+1时段的最大出力为

和

再根据t时段始末水位

和入库流量

得到出库流量

根据t+1时段始末水位

和入库流量

得到出库流量

进而得到

和

根据下游水位

及

确定t和t+1时段的发电水头及

并采用

和

作为两个t和t+1时段的最大出力控制；最后，计算t和t+1时段的平均出力、发电流量和弃水流量；

步骤3.11、设k＝k+1，若k≤D_i，转步骤3.10；

步骤3.12、固定水电站i在t和t+1时段的始末水位：和

进行水电站i在t和t+1时段的定水位调节计算，在计算中采用与步骤3.10相同的方法，以和进行最大出力控制；

步骤3.13、设若i+1≤M且水电站i+1为水电站i的下游水电站，转步骤3.9；

步骤3.14、统计水电站群总发电量以及考虑约束条件惩罚项的总和F'，记v_ii＝F'；

步骤3.15、ii＝ii+1，若ii≤3，返回步骤3.7；

步骤3.16、取v_ii，ii＝1、2、3中的最大值最为当前最优值，并以其对应的z_ii更新

完成一步寻优；

步骤3.17、设m＝m+1，若m≤M，转步骤3.4；

步骤3.18、设t＝t+1，若t≤T-1，转步骤3.2；

步骤3.19、若

t＝1,2,…,T，m＝1,2,…,M，则设ε_m＝ε_m/2，若ε_m≥ε _m，转步骤3.1；

步骤3.20、结束。

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