CN110912207B - 一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法及系统，包括以下步骤：根据水电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全厂负荷分配模型，采用动态规划求解全厂最优负荷分配表；根据分厂负荷分配约束建立分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配到各个分厂；结合全厂最优负荷分配表，建立机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组；逐时段循环，求解日内厂内经济运行方案。本发明通过将水电站厂内经济运行分为分厂、单机两个层次，采用最优负荷分配表结合实用化负荷调整策略，可在考虑电站分厂线路约束、最小开机台数约束、最小停机台数约束的前提下，快速实时稳定求解水电站厂内经济运行方案。

Description

一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法及系统

技术领域

本发明属于水电能源优化调度领域，更具体的，一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法及系统。

背景技术

随着水电能源开发的逐步完善，一大批具有多机组、多外送线路的巨型水电投入运行。为了便于安装及运行管理，巨型水电站往往分为多个分厂安装机组，不同分厂通过不同的外送线路向受电地区送电。为保证电站安全稳定运行，要求不同分厂的开停机台数，出力尽可能均匀；在节假日或者线路检修工况下，电网限制线路容量，电站需要根据外送线路约束调整分厂出力。

传统水电站厂内经济运行将整个水电站视为一个整体，未考虑多分厂、多外送断面约束，机组负荷分配结果不能满足电站实际运行需求。巨型水电站机组型号、台数众多，机组组合十分复杂，线性规划、动态规划等传统算法求解速度慢，无法满足机组实时负荷分配需求；粒子群、差分进化等智能算法易在求解过程中易陷入局部最优解，且存在求解结果不稳定的问题，尚无法运行于巨型电站实际厂内经济运行求解。

综上所述，提供一种考虑多分厂约束，求解迅速，结果稳定的水电站厂内经济运行方法是亟需解决的问题。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法及系统，旨在解决现有厂内经济运行未考虑多分厂约束、求解速度较慢，无法满足实际运行需求的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供了一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，将水电站全厂分为分厂、机组两个层次，根据时段负荷变化，将负荷变化量先分配到分厂，再分配到机组，具体包括以下步骤：

S1、根据水电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全厂机组负荷分配模型，采用动态规划求解全厂最优负荷分配表；

S2、根据分厂实时线路约束、机组开停机约束，建立分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配到各个分厂；

S3、结合全厂最优负荷分配表，建立机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组；

S4、逐时段循环S2至S3，求解日内厂内经济运行方案。

在步骤S1中，所有机组均参与负荷分配，考虑机组稳定运行区、水头、流量约束，电站耗水量最小模型如下：

其中，Q_total为全站发电引用流量；Q_k(H_k,N_k)为k号机组在H_k水头下、承担N_k负荷时耗流量；K为电站机组总台数；N^stat为电站出力。

根据精度需求，遍历电站可行水头区间

及在电站的可行出力区间

采用动态规划算法求解电站在不同水头、不同出力组合下的全站机组开停机组合及各机组承担负荷并存表。

在步骤S2中，将全厂负荷分配到各个分厂具体包括根据分厂可行出力区间，采用逐次切负荷方法，将时段负荷变化量分配到各个分厂。分厂逐次切负荷过程如下：设逐次切负荷精度为Δn，则当t+1时段负荷相对于t时段负荷变化为ΔN时，逐次切负荷的次数为n＝[ΔN/Δn]。单次切负荷方式如下：当t+1时段负荷增加时，计算各分厂t时段出力距离分厂出力上限的差值，找出差值最大的分厂，将该分厂负荷增加Δn，反之当t+1时段负荷减少时，计算各分厂t时段出力距离分厂出力上限的差值，找出差值最小的分厂，将该分厂负荷减少Δn。若所有分厂均已达到分厂出力上限值，则打破分厂最小停备机组台数约束，增加分厂出力上限；若所有分厂均已达到分厂出力下限值，则打破分厂最小开机机组台数约束，减小分厂出力下限值。分厂负荷分配模型不仅需要考虑全站出力及线路出容量约束，还需要考虑如下分厂最小开机台数、分厂最小停备台数约束：

其中，Uon_i,t为t时段i分厂开机台数；Uoff_i,t为t时段i分厂停机台数；

为t时段i分厂最小开机台数约束；

为t时段i分厂最小停机台数约束。

在步骤S3中，根据下一时段分厂负荷，确定需要开停机机组，当分厂负荷大于分厂开机机组预想出力和，即

时，关闭当前水头预想出力下效率最低的机组；当分厂负荷小于各机组稳定运行区下限和时，即

时，开启当前水头预想出力下的机组。

结合全厂最优负荷分配表与负荷调整策略，进行任意机组间负荷最优化分配，确定分厂当前开机机组及水头负荷下的各机组初始负荷。任意机组间负荷最优化分配原理如下：

根据动态规划的无后效性及最优化原理，可推出其子阶段决策仍为最优决策过程，故通过将全站最优负荷分配表中无法参与负荷分配的机组负荷置零，所得剩余机组负荷分配结果仍为最优负荷分配结果，从而确定机组初始负荷。

确定各机组初始负荷之后，采用复合修补策略对机组负荷进行修正。若分厂机组负荷增减方向不一致，则将采用逐次切负荷方法将负荷变化量分配到各个机组；若超出某机组负荷约束，即|N_k,t-N_k,t-1|≤ΔN_t，则将该组负荷设置为约束边界值，采用逐次切负荷方法将剩余负荷分配到各个机组。

按照本发明的另一方面，提供了一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行系统，包括：

全厂负荷分配模块，用于根据水电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全厂负荷分配模型，采用动态规划求解全厂最优负荷分配表；

分厂负荷分配模块，用于根据分厂负荷分配约束建立分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配到各个分厂；

机组负荷分配模块，用于结合全厂最优负荷分配表，建立机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组。

优选地，分厂负荷分配模块具体包括：

分厂可行出力区间获取单元，用于根据分厂负荷分配约束合成分厂可行出力区间；

分厂负荷分次分配单元，用于根据分厂可行出力区间，结合时段负荷差ΔN与切负荷精度Δn，在分厂可行出力区间内，分[ΔN/Δn]次将负荷分配到各个分厂。

优选地，机组负荷分配模块具体包括：

参与负荷分配机组确定单元，用于根据分厂负荷分配模块确定的下一时段分厂负荷确定参与负荷分配的机组，若分厂负荷小于当前开机机组的稳定运行区下限，则关闭效率最低的机组；若分厂负荷大于当前开机机组的预想出力和，则开启效率最高的机组；

机组负荷初步确定单元，用于确定参与负荷分配机组后，查询全厂最优负荷分配表，初步确定各机组负荷；

机组负荷分配修正单元，用于根据机组负荷分配约束，采用负荷修补策略，修正机组负荷分配结果。

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、本发明提供了一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，通过将多分厂电站分为分厂、单机两个层次，考虑电站分厂出力均匀、外送线路容量、开停机台数等约束，契合电站实际运行需求。

2、本发明通过预求解全站最优负荷分配表，结合任意机组间负荷最优化分配方法，将实时寻优转化为查表计算，提升求解效率，大大减少求解时间，满足电站实时负荷分配需求。

3、本发明采用最优负荷分配表查询与负荷修补策略相结合的负荷分配方法，可考虑全站、分厂、单机、线路多层次复杂水机电约束，且求解结果稳定，可指导电站厂内经济运行。

附图说明

图1是本发明提供的考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法的流程图；

图2是本发明分厂负荷分配流程图；

图3是本发明提供的考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行系统的结构框图；

图4是本发明实施例溪洛渡电站全站动力特性曲面示意图；

图5是本发明实施例实际调度和采用本发明所提供的方法进行厂内经济运行的电站发电流量过程对比图。

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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了实现上述目的，本发明提供了一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法。

如图1所示为本发明提供的考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法流程图，包括以下步骤：

具体的，所有机组均参与负荷分配，考虑机组稳定运行区、水头、流量约束，电站耗水量最小模型如下：

其中，Q_total为全站发电引用流量；Q_k(H_k,N_k)为k号机组在H_k水头下、承担N_k负荷时耗流量；K为电站机组总台数；N^stat为电站出力。

约束条件包括：

机组水头约束：

式中：H_k为k号机组水头；

为k号机组最低水头限制；

为k号机组最高水头限制。

机组过流量约束：

式中：Q_k为k号机组过流量；

为k号机组最高过流量限制。

机组稳定运行区约束：

式中：N_k为k号机组出力；

为k号机组在H_k水头下的稳定运行区出力下限；

为k号机组在H_k水头下的稳定运行区出力上限。

机组预想出力约束：

式中：N_k为k号机组出力；

为k号机组在H_k水头下的预想出力。

根据精度需求，遍历电站可行水头区间

及在电站的可行出力区间

采用动态规划算法求解电站在不同水头、不同出力组合下的全站机组开停机组合及各机组承担负荷并存表。

S1、根据电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全站机组负荷分配模型，采用动态规划求解电站全站最优负荷分配表；

具体的，根据动态规划最优化原理，可得以下正向递推关系式：

式中，

表示1～k号机组的总负荷，

表示电厂负荷为

时，在1～k号机组之间优化分配负荷时全厂总工作流量；Q_k(N_k)表示第k号机组负荷为N_k时的工作流量；

表示边界条件，即在起始阶段以前耗用的流量为零。

S2、根据分厂实时线路约束、机组开停机约束，建立电站分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配各个分厂，分厂负荷分配步骤如图2所示。

具体的，分厂负荷分配模型主要考虑分厂开停机台数，分厂外送线路容量，电站、分厂机组稳定运行区等约束。

电站出力约束：

其中：N_t为t时段电站出力；M为电站装机台数；u_i,t为t时段i号机组检修状态，0位检修，1为不检修；

为t时段i号机组在H_t水头下的最大出力。

外送线路容量约束：

其中：N_t为t时段电站出力；L为外送线路条数；

为t时段i号线路最大外送容量。

电站水位约束：

其中：Z_t为t时段电站水位；

为电站最低、最高水位约束。

分厂开机台数约束：

其中：Uon_i,t为t时段i分厂开机台数；Uoff_i,t为t时段i分厂停机台数；

为t时段i分厂最小开机台数约束；

为t时段i分厂最小停机台数约束。

S3、结合全站最优负荷分配表，建立分厂机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组；

具体的，分厂机组负荷分配模型根据各个分厂负荷、前一时段开机台数及机组开停机时间等约束，修正当前时段开机台数，保证机组在稳定运行区内运行。

在确定开停机组时，将机组检修、停备、旋转备用等视为硬约束，将机组最小开停机时间约束视为软约束，当分厂负荷超过当前分厂可行出力区时，可以打破最小开停机时间约束，增大分厂出力区间范围，满足电站调峰需求。

开停机时间约束如下：

X_i,jK≥T_i,jK 或X_i,jG≥T_i,jG

式中，X_i,jK是i电站第j台机组的开机时间，T_i,jK 是i电站第j台机组的开机时间下限，X_i,jG是i电站第j台机组的停机时间，T_i,jG 是i电站第j台机组的停机时间下限。

S4、逐时段循环S2、S3，求解日内厂内经济运行方案。

本发明还提供了一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行系统，如图3所示，包括：

全厂负荷分配模块，用于根据水电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全厂负荷分配模型，采用动态规划求解全厂最优负荷分配表；

分厂负荷分配模块，用于根据分厂负荷分配约束建立分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配到各个分厂；

机组负荷分配模块，用于结合全厂最优负荷分配表，建立机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组。

具体地，分厂负荷分配模块具体包括：

分厂可行出力区间获取单元，用于根据分厂负荷分配约束合成分厂可行出力区间；

分厂负荷分次分配单元，用于根据分厂可行出力区间，结合时段负荷差ΔN与切负荷精度Δn，在分厂可行出力区间内，分[ΔN/Δn]次将负荷分配到各个分厂。

具体地，机组负荷分配模块具体包括：

参与负荷分配机组确定单元，用于根据分厂负荷分配模块确定的下一时段分厂负荷确定参与负荷分配的机组，若分厂负荷小于当前开机机组的稳定运行区下限，则关闭效率最低的机组；若分厂负荷大于当前开机机组的预想出力和，则开启效率最高的机组；

机组负荷初步确定单元，用于确定参与负荷分配机组后，查询全厂最优负荷分配表，初步确定各机组负荷；

机组负荷分配修正单元，用于根据机组负荷分配约束，采用负荷修补策略，修正机组负荷分配结果。

以溪洛渡电站厂内经济运行为例，考虑电站左右岸两个分厂，采用考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，以15min为调度步长，求解一日96点负荷分配结果。首先，假定溪洛渡电站18台机组全开，以1m水头及1万Kw负荷离散精度，采用电站耗水量最小模型计算全站最优负荷分配表，图3是根据最优负荷分配表绘制的电站全动力曲面图。4月1日牛丛直流线路检修，右岸出力不超过100万kW，左右岸机组最小开机台数1台，最小停备台数1台。采用分厂负荷分配模型确定分厂负荷。确定分厂负荷之后，考虑机组检修，以4h为最小开停机时间约束，采用机组负荷分配模型确定机组组合及机组。逐时段循环上述步骤，确定各个时段机组组合及各机组承担负荷，图4为发电流量对比图。

4月1日右岸外送容量受限，分厂出力受限，出力不平衡，除个别负荷波动较大时段，模型计算发电流量均小于实际发电流量，经统计模型计算日耗水量较实际日耗水量减少6.28％。分厂负荷满足外送断面约束，电站左右岸机组最小开机台数、最小停备台数均满足约束要求，18台机组一日内共开机3次，停机2次，机组无频繁启停，运行平稳。

将计算程序部署在配置为Intel(R)Core(TM)i3-8145u@2.1GHz 8GB RAM的个人计算机上，分别计算溪洛渡汛期、枯水期、消落期、蓄水期内5日，每日96点的负荷分配过程，计算结果如表1所示。各个时期程序计算时间差异较小，平均计算时间0.5137s，可以满足实际运行需求。

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 (5)

1.一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据水电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全厂负荷分配模型，采用动态规划求解全厂最优负荷分配表；

S2、根据分厂负荷分配约束建立分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配到各个分厂；具体包括以下步骤：

S21、根据分厂负荷分配约束合成分厂可行出力区间；

S22、根据时段负荷差与切负荷精度，在分厂可行出力区间内，分次将负荷分配到各个分厂；

S23、若分厂负荷超出分厂可行出力区间，扩大分厂可行出力区间，重复S22；

S3、结合全厂最优负荷分配表，建立机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组；具体包括以下步骤：

S31、根据S2确定的下一时段分厂负荷，若分厂负荷小于当前开机机组的稳定运行区下限，则关闭效率最低的机组；若分厂负荷大于当前开机机组的预想出力和，则开启效率最高的机组，确定参与负荷分配的机组；

S32、确定参与负荷分配机组后，查询全厂最优负荷分配表，初步确定各机组负荷；

S33、根据机组负荷分配约束，采用负荷修补策略，修正机组负荷分配结果；

S4、逐时段循环S2至S3，得到日内厂内经济运行方案。

2.根据权利要求1所述的考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，其特征在于，将水电站全厂分为分厂、机组两个层次，根据时段负荷变化，将负荷先分配到分厂，再分配到机组。

3.根据权利要求1所述的考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，其特征在于，所述将全厂负荷分配到各个分厂具体包括根据分厂可行出力区间，采用逐次切负荷方法，将时段负荷变化量分配到各个分厂。

4.根据权利要求1所述的考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行方法，其特征在于，所述将分厂负荷分配到各个机组具体包括根据下一时段分厂负荷，确定需要开停机机组，然后结合全厂最优负荷分配表与负荷调整策略，确定机组负荷。

5.一种考虑多分厂约束的水电站厂内经济运行系统，其特征在于，包括：

全厂负荷分配模块，用于根据水电站各机组流量出力特性曲线，以耗水量最小为目标，建立全厂负荷分配模型，采用动态规划求解全厂最优负荷分配表；

分厂负荷分配模块，用于根据分厂负荷分配约束建立分厂负荷分配模型，将全厂负荷分配到各个分厂；所述分厂负荷分配模块具体包括：

分厂可行出力区间获取单元，用于根据分厂负荷分配约束合成分厂可行出力区间；

分厂负荷分次分配单元，用于根据分厂可行出力区间，结合时段负荷差ΔN与切负荷精度Δn，在分厂可行出力区间内，分[ΔN/Δn]次将负荷分配到各个分厂；

机组负荷分配模块，用于结合全厂最优负荷分配表，建立机组负荷分配模型，将分厂负荷分配到各个机组；所述机组负荷分配模块具体包括：

参与负荷分配机组确定单元，用于根据分厂负荷分配模块确定的下一时段分厂负荷确定参与负荷分配的机组，若分厂负荷小于当前开机机组的稳定运行区下限，则关闭效率最低的机组；若分厂负荷大于当前开机机组的预想出力和，则开启效率最高的机组；

机组负荷初步确定单元，用于确定参与负荷分配机组后，查询全厂最优负荷分配表，初步确定各机组负荷；

机组负荷分配修正单元，用于根据机组负荷分配约束，采用负荷修补策略，修正机组负荷分配结果。

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