CN112232659A - 一种梯级水库发电调度方法及系统 - Google Patents

一种梯级水库发电调度方法及系统 Download PDF

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CN112232659A CN202011100894.3A CN202011100894A CN112232659A CN 112232659 A CN112232659 A CN 112232659A CN 202011100894 A CN202011100894 A CN 202011100894A CN 112232659 A CN112232659 A CN 112232659A
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陈潇
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李力
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Abstract

本发明公开了一种梯级水库发电调度方法及系统，属于水库优化调度领域。方法具体包括：利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位‑库容曲线，推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；利用梯级水库调度期初水位、末水位、水库的发电流量和约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；采用确定性优化调度方法求解发电调度模型，并筛选出梯级水库最优运行方式。本发明通过将流域调度期梯级水库预留防洪库容转换为调度期末水位约束，在保障防洪安全前提下最大化梯级水库发电效益，兼顾防洪效益和发电效益。

Description

一种梯级水库发电调度方法及系统
技术领域
本发明属于水库优化调度领域，更具体地，涉及一种梯级水库发电调度方法及系统。
背景技术
水库是我国重要基础设施，承担着保障流域防洪安全、供水安全、能源安全、粮食安全等重要功能，在防洪、供水、发电、航运和生态等方面发挥着重要作用。大中型水库一般具有防洪、发电等多重功能，如何在确保流域防洪安全的条件下，最大限度地实现水库水资源最大综合效益是一项重要的工作。
目前，梯级水库优化调度模型在综合考虑流域防洪效益和梯级电站防洪效益时，多以水库下泄流量最大值最小为第一目标，梯级发电量最大为第二目标，建立梯级水库群防洪优化调度模型。该模型将梯级水库作为一个整体考虑，忽视了梯级水库自身的调节性能等基本特性。其次，汛期水情复杂，变化迅速，在统筹保障流域上下游防洪安全的条件下，需要对梯级水库的预留库容制定具体的分配方案，才能最大限度地提高梯级电站发电效益。
因此，现有的梯级水库优化调度模型存在以下缺陷：一方面仅在联合防洪优化调度中考虑梯级水库预留防洪库容分配问题，无法保证最大限度地提高梯级电站发电效益；另一方面将梯级水库作为整体考虑发电效益，未充分考虑梯级水库间防洪库容分配组合问题，梯级水库水位组合不合理，容易导致某些水库在来水较丰时不能满发。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种梯级水库发电调度方法及系统，旨在解决现有梯级水库发电调度方法未综合考虑梯级水库库容分配和发电效益的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种梯级水库发电调度方法，具体包括如下步骤：
(1)根据水库水位数据获取梯级水库调度期初水位；
(2)根据水库实际运行需求，确定梯级水库运行需满足的约束条件；
具体地，梯级水库运行需满足的约束条件包括：水量平衡约束、水位约束、水位变幅约束、流量约束、出力约束和梯级水量平衡约束，公式表达式如下：
水量平衡约束：
Vi(t+1)＝Vi(t)+(Qi,rk(t)-Qi,fd(t)-Qi,qs(t))ΔT(t)
其中，Vi(t)和Vi(t+1)分别为i水库t时段初的预留防洪库容和t时段末的预留防洪库容；Qi,rk(t)、Qi,fd(t)和Qi,qs(t)分别为i电站t时段水库的入库流量、发电流量和弃水流量；ΔT(t)为t时段的时段长；
水位约束：
Figure BDA0002725316940000021
其中，Zi(t)、
Figure BDA0002725316940000022
和
Figure BDA0002725316940000023
分别为i电站t时段初的平均坝前水位、最低水位和最高水位；
水位变幅约束：
|Zmax(t)-Zmin(t)|≤ΔZi(t)
其中，ΔZi(t)为i电站t时段坝前水位变幅；
流量约束：
Figure BDA0002725316940000024
其中，Qi,ck(t)、
Figure BDA0002725316940000025
和
Figure BDA0002725316940000026
分别为i电站t时段的平均出库流量、最小出库流量和最大出库流量；
出力约束：
Pi min(t)≤P(t)≤Pi max(t)
其中，P(t)、Pi min(t)和Pi max(t)分别为i电站t时段的平均出力、最小出力和最大出力；
梯级水量平衡约束：
Qi,rk(t)＝Qi-1,ck(t)+Qi,qj(t)
其中，Qi,rk(t)为i电站t时段的下游水库的平均入库流量；Qi-1,ck(t)为i电站t时段的上游水库平均出库流量；Qi,qj(t)为i电站t时段的下游水库的区间入流。
(3)根据流域防洪需求和梯级水库防洪任务，确定梯级水库调度期末预留库容大小；
(4)利用梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集；
具体地，利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；
根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位-库容曲线推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；
推求公式为：Z(t+1)＝fZV(V(t+1))
其中，Z(t+1)为水库t时段末水位大小；fZV(·)表示水库水位-库容曲线函数；V(t+1)为水库t时段末的预留防洪库容。
(5)以梯级水库调度期初、末水位和水库的发电流量为模型输入，结合约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；
具体地，以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型为：
Figure BDA0002725316940000031
其中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t(t)和Ni,t(t)分别为i电站t时段的水头和平均出力；ΔT(t)为时段长度；Qi,fd(t)为i电站t时段水库的发电流量；
水头Hi,t(t)可由以下公式计算得到：
Figure BDA0002725316940000032
其中，Zi(t)、Zi(t+1)分别为i水库t时段初水位大小、末水位大小。
(6)采用确定性优化调度方法求解发电调度模型，获取以发电量最大为目标的不同梯级水库调度期初水位和末水位组合的梯级水库运行方式；
并根据梯级发电量大小，筛选出梯级水库最优运行方式。
具体地，基于梯级电站上、下游顶托的条件，采用动态规划方法(DP)，获取以梯级电站发电量最大为目标的各水库初始调度线；
基于各水库初始调度线，利用逐步逼近方法(DPSA)和逐步优化方法(POA)，以梯级电站发电量最大为目标，对发电调度模型进行寻优，获取梯级水库最优运行方式。
需提出，上述采用确定性优化调度方法求解发电调度模型，避免了模型求解结果随机性。其中，确定性优化调度方法包括动态规划方法和逐步优化方法。
基于上述提供的梯级水库发电调度方法，本发明提供了相应的系统，包括调度期初水位采集模块、调度期末水位采集模块、模型建立模块、计算模块和筛选模块；
模型建立模块的输入端连接调度期初水位采集模块和调度期末水位采集模块的输出端；其以梯级水库调度期初、末水位和水库的发电流量为模型输入，结合约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；
调度期末水位采集模块用于利用梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集；
计算模块用于采用确定性优化调度方法求解发电调度模型；
筛选模块用于根据梯级发电量大小，筛选出梯级水库最优运行方式。
优选地，调度期末水位采集模块包括分配单元和调度期末水位计算模块；
分配单元用于利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；
调度期末水位计算模块用于根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位-库容曲线推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；
其中，推求公式为：Z(t+1)＝fZV(V(t+1))；Z(t+1)为水库t时段末水位大小；fZV(·)表示水位-库容曲线函数；V(t+1)为水库t时段末的预留防洪库容。
优选地，模型建立模块获取的发电调度模型为：
Figure BDA0002725316940000051
其中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t(t)和Ni,t(t)分别i电站t时段的水头和平均出力；ΔT(t)为时段长度；Qi,fd(t)为i电站t时段水库的发电流量；水头Hi,t(t)为：
Figure BDA0002725316940000052
其中，Zi(t)、Zi(t+1)分别为i水库t时段初水位大小、末水位大小。
本发明提供的梯级水库发电调度方法也可采用计算机可读存储介质上存储计算机程序来实现。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
本发明通过将流域调度期梯级水库预留防洪库容转换为调度期末水位约束，在保障防洪安全前提下最大化梯级水库发电效益，统筹兼顾了防洪效益和发电效益。
附图说明
图1是本发明提供的梯级水库发电调度方法的流程图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由于实际中汛期水情复杂，变化迅速，因此，在统筹考虑保障流域上下游防洪安全的条件下，需对梯级水库的预留库容制定具体的方法，同时获取最大化梯级水库发电效益。
基于上述原因，本发明提供了一种梯级水库发电调度方法，如图1所示，具体包括如下步骤：
根据水库水位数据，获取梯级水库调度期初水位；
根据水库实际运行需求，确定梯级水库运行需满足的约束条件；
根据流域防洪需求和梯级水库防洪任务，确定梯级水库调度期末预留库容大小；
利用梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集；
以梯级水库调度期初水位、末水位和水库的发电流量为输入，结合约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；
采用确定性优化调度方法求解发电调度模型，获取以发电量最大为目标的不同梯级水库调度期初水位和末水位组合的梯级水库运行方式；
并根据梯级发电量大小，筛选出梯级水库最优运行方式。
优选地，梯级水库运行需满足的约束条件包括：水量平衡约束、水位约束、水位变幅约束、流量约束、出力约束和梯级水量平衡约束，公式表达式如下：
水量平衡约束：
Vi(t+1)＝Vi(t)+(Qi,rk(t)-Qi,fd(t)-Qi,qs(t))ΔT(t)
其中，Vi(t)和Vi(t+1)分别为i水库t时段初的库蓄水量和t时段末的库蓄水量；Qi,rk(t)、Qi,fd(t)和Qi,qs(t)分别为i电站t时段水库的入库流量、发电流量和弃水流量；ΔT(t)为t时段的时段长；
水位约束：
Figure BDA0002725316940000061
其中，Zi(t)、
Figure BDA0002725316940000062
和
Figure BDA0002725316940000063
分别为i电站t时段初的平均坝前水位、最低水位和最高水位；
水位变幅约束：
|Zmax(t)-Zmin(t)|≤ΔZi(t)
其中，ΔZi(t)为i电站t时段坝前水位变幅；
流量约束：
Figure BDA0002725316940000071
其中，Qi,ck(t)、
Figure BDA0002725316940000072
和
Figure BDA0002725316940000073
分别为i电站t时段的平均出库流量、最小出库流量和最大出库流量；
出力约束：
Pi min(t)≤P(t)≤Pi max(t)
其中，P(t)、Pi min(t)和Pi max(t)分别为i电站t时段的平均出力、最小出力和最大出力；
梯级水量平衡约束：
Qi,rk(t)＝Qi-1,ck(t)+Qi,qj(t)
其中，Qi,rk(t)为i电站t时段的下游水库的平均入库流量；Qi-1,ck(t)为i电站t时段的上游水库平均出库流量；Qi,qj(t)为i电站t时段的下游水库的区间入流。
优选地，梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集的方法为：
利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；
根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位-库容曲线推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；
推求公式为：Z(t+1)＝fZV(V(t+1))
其中，Z(t+1)为t时段末水位大小；fZV(·)表示水库水位-库容曲线函数；V(t+1)为t时段末的预留防洪库容。
以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型为：
Figure BDA0002725316940000074
其中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t(t)和Ni,t(t)分别为i电站t时段的水头和平均出力；ΔT(t)为时段长度；Qi,fd(t)为i电站t时段水库的发电流量；实际应用中将实际径流数据作为水库的入库流量，根据水库的入库流量可以获取水库的发点流量；水头Hi,t(t)为：
Figure BDA0002725316940000081
其中，Zi(t)、Zi(t+1)分别为i水库t时段初水位大小、t时段末水位大小。
采用确定性优化调度方法求解发电调度模型，筛选出梯级水库最优运行方式的方法为：
基于梯级电站上、下游顶托的条件，采用动态规划方法(DP)，获取以梯级电站发电量最大为目标的各水库初始调度线；
基于各水库初始调度线，利用逐步逼近方法(DPSA)和逐步优化方法(POA)，以梯级电站发电量最大为目标，对发电调度模型进行寻优，获取梯级水库最优运行方式。
上述采用确定性优化调度方法求解发电调度模型，避免了模型求解结果随机性。其中，确定性优化调度方法包括动态规划方法和逐步优化方法。
基于上述提供的梯级水库发电调度方法，本发明提供了相应的系统，包括调度期初水位采集模块、调度期末水位采集模块、模型建立模块、计算模块和筛选模块；
模型建立模块的输入端连接调度期初水位采集模块和调度期末水位采集模块的输出端；其以梯级水库调度期初、末水位和水库的发电流量为输入，结合约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；
调度期末水位采集模块用于利用梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集；
计算模块用于采用确定性优化调度方法求解发电调度模型；
筛选模块用于根据梯级发电量大小，筛选出梯级水库最优运行方式。
优选地，调度期末水位采集模块包括分配单元和调度期末水位计算模块；
分配单元用于利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；
调度期末水位计算模块用于根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位-库容曲线推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；
其中，推求公式为：Z(t+1)＝fZV(V(t+1))；Z(t+1)为水库t时段末水位大小；fZV(·)表示水库水位-库容曲线函数；V(t+1)为水库t时段末的预留防洪库容。
优选地，模型建立模块获取的发电调度模型为：
Figure BDA0002725316940000091
其中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t(t)和Ni,t(t)分别为i电站t时段的水头和平均出力；ΔT(t)为时段长度；Qi,fd(t)为i电站t时段水库的发电流量；水头Hi,t(t)为：
Figure BDA0002725316940000092
其中，Zi(t)、Zi(t+1)分别为i水库t时段初水位大小、末水位大小。
本发明提供的梯级水库发电调度方法也可采用计算机可读存储介质上存储计算机程序来实现。
实施例
现选取长江上游溪洛渡梯级水库和向家坝梯级水库，调度期为2020年7月17日至2020年7月21日，根据上下游防洪形势，调度期末梯级水库预留防洪库容35亿m3，以迎接未来可能发生的下一场次洪水。根据梯级水库预留防洪库容方式，通过各水库水位-库容曲线推求调度期梯级水库末水位集，见表1。
表1
Figure BDA0002725316940000093
Figure BDA0002725316940000101
综合考虑调度期梯级水库初水位、末水位和调度运行约束条件，得到不同末水位下梯级水库总发电量，见表2。由表2可知，梯级水库预留防洪库容35亿m3时，调度期随着向家坝末水位升高，溪洛渡末水位逐渐升高，梯级水库总发电量也逐渐升高。溪洛渡和向家坝水库末水位分别为572.8m和378m时，梯级水库总发电量最大，为20.11亿m3。
表2
Figure BDA0002725316940000102
本发明通过将流域调度期梯级水库预留防洪库容转换为调度期末水位约束，在保障防洪安全前提下最大化梯级水库发电效益，统筹兼顾了防洪效益和发电效益。
综上所述，本发明通过将流域调度期梯级水库预留防洪库容转换为调度期末水位约束，在保障防洪安全前提下最大化梯级水库发电效益，统筹兼顾了防洪效益和发电效益。
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 (9)

1.一种梯级水库发电调度方法，其特征在于，包括：
利用梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集；
以梯级水库调度期初水位、梯级水库调度期末水位和水库的发电流量为输入，结合约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；
采用确定性优化调度方法求解发电调度模型后，根据梯级发电量大小，筛选出梯级水库最优运行方式。
2.根据权利要求1所述的梯级水库发电调度方法，其特征在于，所述约束条件包括水量平衡约束、水位约束、水位变幅约束、流量约束、出力约束和梯级水量平衡约束。
3.根据权利要求1或2所述的梯级水库发电调度方法，其特征在于，推求梯级水库调度期末水位集的方法为：
利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；
根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位-库容曲线推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；
其中，推求公式为：Z(t+1)＝fZV(V(t+1))；Z(t+1)为t时段末水位大小；fZV(·)表示水库水位-库容曲线函数；V(t+1)为t时段末的预留防洪库容。
4.根据权利要求3所述的梯级水库发电调度方法，其特征在于，所述以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型为：
Figure FDA0002725316930000011
其中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t(t)和Ni,t(t)分别为i电站t时段的水头和平均出力；ΔT(t)为时段长度；Qi,fd(t)为i电站t时段水库的发电流量。
5.根据权利要求1所述的梯级水库发电调度方法，其特征在于，所述筛选梯级水库最优运行方式的方法为：
基于梯级电站上、下游顶托的条件，采用动态规划方法，获取各水库初始调度线；
基于各水库初始调度线，利用逐步逼近方法和逐步优化方法，以梯级电站发电量最大为目标，获取梯级水库最优运行方式。
6.一种基于权利要求1所述的梯级水库发电调度方法的系统，其特征在于，包括：调度期初水位采集模块、调度期末水位采集模块、模型建立模块、计算模块和筛选模块；
模型建立模块的输入端连接调度期初水位采集模块和调度期末水位采集模块的输出端；其以梯级水库调度期初、末水位和水库的发电流量为输入，结合约束条件，建立以梯级水电站发电量最大为目标的发电调度模型；
调度期末水位采集模块用于利用梯级水库调度期末预留库容大小，推求梯级水库调度期末水位集；
计算模块用于采用确定性优化调度方法求解发电调度模型；
筛选模块用于根据梯级发电量大小，筛选出梯级水库最优运行方式。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，调度期末水位采集模块包括分配单元和调度期末水位计算模块；
分配单元用于利用梯级水库调度期末预留库容大小，确定梯级水库预留防洪库容分配方法集；
调度期末水位计算模块用于根据各水库分配的预留防洪库容，通过水库水位-库容曲线推求预留防洪库容对应的调度期末水位大小，形成梯级水库调度期末水位集；
其中，推求公式为：Z(t+1)＝fZV(V(t+1))；Z(t+1)为水库t时段末水位大小；fZV(·)表示水库水位-库容曲线函数；V(t+1)为水库t时段末的预留防洪库容。
8.根据权利要求6或7所述的系统，其特征在于，模型建立模块获取的发电调度模型为：
Figure FDA0002725316930000031
其中，E为调度期梯级电站总发电量；N为梯级电站数；T为调度总时段数；Ki为i电站的出力系数；Hi,t(t)和Ni,t(t)分别为i电站t时段的水头和平均出力；ΔT(t)为时段长度；Qi,fd(t)为i电站t时段水库的发电流量。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算程序被处理器执行权利要求1至权利要求5所述的梯级水库发电调度方法。
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