CN112581310A - 梯级水电站群发电指标分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及梯级水电站技术领域，具体地说，涉及一种梯级水电站群发电指标分配方法，其包括以下步骤：一、建立梯级水电站群发电指标分配模型；二、使用嵌套优化算法对模型进行求解，嵌套优化算法是将梯级总蓄能最大的优化目标作为外层，每次优化过程中嵌套一个短期优化计算模块作为内层，得到梯级水电站群发电指标最优分配。本发明通过嵌套优化算法计算得到了日内电量分配过程，发电过程满足各种约束，出力过程平稳，无不合理的弃水。

Description

梯级水电站群发电指标分配方法

技术领域

本发明涉及梯级水电站技术领域，具体地说，涉及一种梯级水电站群发电指标分配方法。

背景技术

水能是一种可再生能源，是一种很经济、很清洁的能源。我国水能理论蕴藏量为6.8亿千瓦，居世界首位。由于自然条件和技术上的原因，必须对河流进行分段开发。即，自河流的上游起，由上而下地拟定一个河段接一个河段的水利枢纽系列、呈阶梯状的分布形式，这样的开发方式称为梯级开发。通过梯级开发方式所建成的一连串的水电站，称为梯级式水电站。

在目前电力市场环境下，梯级水电站在市场竞争中获得中标的成交电量后，可以作为一个整体来进行调度运行，通过总电量的梯级水电站发电指标的优化分配，以提高梯级电站的水能利用效率，为后期市场竞争储备更多发电能力。梯级水电站群发电指标分配的关键在于以怎样的最优准则、什么样的方式在梯级电站间合理分配电量(或出力)，才能既确保电网安全，又能达到节约能耗，使有限的水资源达到充分利用也是大渡河下游梯级电站联合发电调度需要解决的重要问题之一。

发明内容

本发明的内容是提供一种梯级水电站群发电指标分配方法，其能够克服现有技术的某种或某些缺陷。

根据本发明的一种梯级水电站群发电指标分配方法，其包括以下步骤：

一、建立梯级水电站群发电指标分配模型；

二、使用嵌套优化算法对模型进行求解，嵌套优化算法是将梯级总蓄能最大的优化目标作为外层，每次优化过程中嵌套一个短期优化计算模块作为内层，得到梯级水电站群发电指标最优分配。

作为优选，梯级水电站群发电指标分配模型包括：

(1)目标函数：

梯级蓄能最大：Max V_T；

其中V_T为计算期末各梯级水库蓄水量之和；

(2)约束条件：

(2.1)动力(负荷)平衡：

其中P_i,t为第i电厂第t时段内的出力，P_t为系统在第t时段内对梯级总的出力要求；

(2.2)水量平衡：

其中q_i,t为第i个电站第t时段的天然径流量，V_i,t为第i个电站第t时段的库容；Q_i,t表示第i个电站第t时段的发电量流量，S_i,t表示第i个电站第t时段的弃水流量；

(2.3)电站出力约束：

P_i,tmin≤P_i,t≤P_i,tmax (i＝1,2,…,N)；

其中P_i,tmin和P_i,tmax为第i个电站的最小出力和最大出力；

(2.4)电站水量限制：

V_i,tmin≤V_i,t≤V_i,tmax (i＝1,2,…,N)；

其中V_i,tmin和V_i,tmax为第i个电站的最小库容和最大库容；

(2.5)梯级水电站水量联系约束：

式中Δt_i-1为第i-1电厂到第i电厂的水流滞时对应的时段数；I_i,t为第t时段第i-1电厂到第i电厂之间的区间平均入流；

(2.6)变量非负约束：

上述所有变量均为非负变量；

已知条件有：梯级总的负荷过程P_i，各水库的来水过程q_i,t。

作为优选，外层采用启发式负荷分配算法分配电量，设梯级要求日发电总量为EM，水库日调蓄水流量为Q_tiao，求解过程如下：

(1)水库不蓄不供，下游梯级各电站日末水位等于设定的目标水位，此时水库发电流量等于入库流量，通过内层嵌套的短期优化计算模块计算梯级发电量E_T；

(2)若E_T＜EM，水库供水，Q_tiao＜0；若E_T＞EM，水库蓄水，Q_tiao＞0；调节流量Q_tiao由EM-E_T及梯级各站总水头确定；

(3)通过内层嵌套的短期优化计算模块计算水库调蓄后的梯级发电量E_T，若在精度控制范围内E_T＝EM，负荷分配计算结束，否则返回(2)。

作为优选，短期优化计算模块根据外层输入的各水库日初末水位和入库流量区间流量资料，根据短期发电效益最大目标，采用POA逐步优化算法得到该水位控制方式下的日出力过程，并得到优化电量。

作为优选，短期优化计算模块计算时包括以下步骤：

(1)约束范围之内任取一组峰平出力比a_i,t∈(a,b)、谷平出力比c_i,t∈(c,d)，确定一个平段出力，初始时可取电站装机容量和最小出力的平均值，即 NP⁰＝(N_imax+N_imin)/2；

(2)通过平段出力及出力比可得峰段和谷段出力，则可得整个日内的出力过程N_i，t；

(3)根据初始水位Z_i,0、入库流量v和出力过程N_i,t进行水能计算，求出各时段末水位，并求得最后时段的末水位Z_i,96；

(4)比较最后时段的末水位Z_i,96与开始设定的日末水位Z_i,end，若Z_i,96＞Z_i,end，则应加大平段出力，可将平段出力取为上次平段出力与装机容量的平均值；若 Z_i,96＜Z_i,end，则应减小平段出力，可将平段出力取为上次平段出力与最小出力的平均值，后转入步骤(2)迭代计算；

(5)直到计算出的最后一个时段的末水位等于开始设定的日末水位，即 Z_i,96＝Z_i,end时，迭代结束，得到峰平出力比和平谷出力比一定的日出力过程。

本发明在给定电站日初水位及来水信息的基础上，通过嵌套优化算法计算得到了日内电量分配过程，发电过程满足各种约束，出力过程平稳，无不合理的弃水。

附图说明

图1为实施例1中一种梯级水电站群发电指标分配方法的流程图；

图2为实施例1中大岗山水库水位、出力日变化过程图；

图3为实施例1中瀑布沟水库水位、出力日变化过程图；

图4为实施例1中深溪沟水库水位、出力日变化过程图；

图5为实施例1中枕头坝一级水库水位、出力日变化过程图；

图6为实施例1中龚嘴水库水位、出力日变化过程图；

图7为实施例1中铜街子水库水位、出力日变化过程图。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。应当理解的是，实施例仅仅是对本发明进行解释而并非限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供了一种梯级水电站群发电指标分配方法，其包括以下步骤：

一、建立梯级水电站群发电指标分配模型；

二、使用嵌套优化算法对模型进行求解，嵌套优化算法是将梯级总蓄能最大的优化目标作为外层，每次优化过程中嵌套一个短期优化计算模块作为内层，在短期优化计算模块中考虑流达时间的影响，从而得到梯级水电站群发电指标最优分配。

本实施例中，梯级水电站群发电指标分配模型包括：

(1)目标函数：

梯级蓄能最大：Max V_T；

其中V_T为计算期末各梯级水库蓄水量之和；

(2)约束条件：

(2.1)动力(负荷)平衡：

其中P_i,t为第i电厂第t时段内的出力，P_t为系统在第t时段内对梯级总的出力要求；

(2.2)水量平衡：

其中q_i,t为第i个电站第t时段的天然径流量，V_i,t为第i个电站第t时段的库容；Q_i,t表示第i个电站第t时段的发电量流量，S_i,t表示第i个电站第t时段的弃水流量；

(2.3)电站出力约束：

P_i,tmin≤P_i,t≤P_i,tmax (i＝1,2,…,N)；

其中P_i,tmin和P_i,tmax为第i个电站的最小出力和最大出力；

(2.4)电站水量限制：

V_i,tmin≤V_i,t≤V_i,tmax (i＝1,2,…,N)；

其中V_i,tmin和V_i,tmax为第i个电站的最小库容和最大库容；

(2.5)梯级水电站水量联系约束：

式中Δt_i-1为第i-1电厂到第i电厂的水流滞时对应的时段数；I_i,t为第t时段第i-1电厂到第i电厂之间的区间平均入流；

(2.6)变量非负约束：

上述所有变量均为非负变量；

已知条件有：梯级总的负荷过程P_i，各水库的来水过程q_i,t。

本实施例中，外层采用启发式负荷分配算法分配电量，设梯级要求日发电总量为EM，水库日调蓄水流量为Q_tiao，求解过程如下：

(1)水库不蓄不供，下游梯级各电站日末水位等于设定的目标水位，此时水库发电流量等于入库流量，通过内层嵌套的短期优化计算模块计算梯级发电量E_T；

(2)若E_T＜EM，水库供水，Q_tiao＜0；若E_T＞EM，水库蓄水，Q_tiao＞0；调节流量Q_tiao由EM-E_T及梯级各站总水头确定；

(3)通过内层嵌套的短期优化计算模块计算水库调蓄后的梯级发电量E_T，若在精度控制范围内E_T＝EM，负荷分配计算结束，否则返回(2)。

本实施例中，短期优化计算模块根据外层输入的各水库日初末水位和入库流量区间流量资料，根据短期发电效益最大目标，采用POA逐步优化算法得到该水位控制方式下的日出力过程，并得到优化电量。

本实施例中，短期优化计算模块计算时包括以下步骤：

(1)约束范围之内任取一组峰平出力比a_i,t∈(a,b)、谷平出力比c_i,t∈(c,d)，确定一个平段出力，初始时可取电站装机容量和最小出力的平均值，即NP⁰＝(N_imax+N_imin)/2；

(2)通过平段出力及出力比可得峰段和谷段出力，则可得整个日内的出力过程N_i，t；

(3)根据初始水位Z_i,0、入库流量v和出力过程N_i,t进行水能计算，求出各时段末水位，并求得最后时段的末水位Z_i,96；

(4)比较最后时段的末水位Z_i,96与开始设定的日末水位Z_i,end，若Z_i,96＞Z_i,end，则应加大平段出力，可将平段出力取为上次平段出力与装机容量的平均值；若 Z_i,96＜Z_i,end，则应减小平段出力，可将平段出力取为上次平段出力与最小出力的平均值，后转入步骤(2)迭代计算；

(5)直到计算出的最后一个时段的末水位等于开始设定的日末水位，即 Z_i,96＝Z_i,end时，迭代结束，得到峰平出力比和平谷出力比一定的日出力过程。

模拟计算

以下大渡河下游大岗山及以下梯级水电站群发电指标分配模型进行了模拟计算。模型要求在给定一天的总发电量的前提下，合理确定大渡河瀑布沟及下游梯级各电站的发电过程，并满足水位、流量、出力等约束。考虑到除猴子岩、瀑布沟以外其他电站水库均是径流式或日调节性电站电站，在计算时间单位为一日的情况下，认为日调节电站经过一日的调度，其计算期末水位理应与日初水位保持一致。

优化追求的目标是计算期末各梯级水库蓄能之和最大。由于径流式电站的水库水位在一天内不变，日调节电站日初末水位变动过大不利于下一日发电运行，故目标转换为计算期末的猴子岩、瀑布沟水库水位最高，即计算期末的猴子岩、瀑布沟蓄水量尽可能大。

为验证模型的可行性，这里选取2016年4月7日为典型日，梯级水电站群日电量为4500万kWh，瀑布沟水库的起始水位设为803.12m，预计日末水位为 803.12m，大岗山、深溪沟、枕头坝一级、龚嘴、铜街子水库初始水位分别为1129.2m、658.05m、620.73m、526.94m、473.60m。大岗山天然来水426m³/s，大瀑区间来水10m³/s，瀑深区间来水10m³/s，深枕区间来水19m³/s，枕龚区间来水133m³/s，龚铜区间来水35m³/s。大、瀑、深、枕、龚、铜前一日出库流量分别为：368m³/s，378m³/s，388m³/s，413m³/s，482m³/s，487m³/s。利用前述方法，采用C#编程求解模型，梯级水电站群日电量分配结果见表1，日内96 点水位、出力过程见表2，流量过程见表3，逐时段电量、收入统计见表4。

表1

单位:(万kW·h，m，m³/s)

表2

单位:(m，MW)

表3

单位:(m3/s)

表4

单位:(MW·h，万元)

从上述计算结果和图2-7可以看出，大、瀑、深、枕、龚、铜六站日电量总和与电网下达梯级发电任务相符，在给定电站日初水位及来水信息的基础上，通过嵌套优化算法计算得到了日内电量分配过程，发电过程满足各种约束，出力过程平稳，无不合理的弃水。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.梯级水电站群发电指标分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、建立梯级水电站群发电指标分配模型；

二、使用嵌套优化算法对模型进行求解，嵌套优化算法是将梯级总蓄能最大的优化目标作为外层，每次优化过程中嵌套一个短期优化计算模块作为内层，得到梯级水电站群发电指标最优分配。

2.根据权利要求1所述的梯级水电站群发电指标分配方法，其特征在于：梯级水电站群发电指标分配模型包括：

(1)目标函数：

梯级蓄能最大：Max V_T；

其中V_T为计算期末各梯级水库蓄水量之和；

(2)约束条件：

(2.1)动力(负荷)平衡：

其中P_i,t为第i电厂第t时段内的出力，P_t为系统在第t时段内对梯级总的出力要求；

(2.2)水量平衡：

其中q_i,t为第i个电站第t时段的天然径流量，V_i,t为第i个电站第t时段的库容；Q_i,t表示第i个电站第t时段的发电量流量，S_i,t表示第i个电站第t时段的弃水流量；

(2.3)电站出力约束：

P_i,tmin≤P_i,t≤P_i,tmax (i＝1,2,…,N)；

其中P_i,tmin和P_i,tmax为第i个电站的最小出力和最大出力；

(2.4)电站水量限制：

V_i,tmin≤V_i,t≤V_i,tmax (i＝1,2,…,N)；

其中V_i,tmin和V_i,tmax为第i个电站的最小库容和最大库容；

(2.5)梯级水电站水量联系约束：

式中Δt_i-1为第i-1电厂到第i电厂的水流滞时对应的时段数；I_i,t为第t时段第i-1电厂到第i电厂之间的区间平均入流；

(2.6)变量非负约束：

所有变量均为非负变量；

已知条件有：梯级总的负荷过程P_i，各水库的来水过程q_i,t。

3.根据权利要求1所述的梯级水电站群发电指标分配方法，其特征在于：外层采用启发式负荷分配算法分配电量，设梯级要求日发电总量为EM，水库日调蓄水流量为Q_tiao，求解过程如下：

(1)水库不蓄不供，下游梯级各电站日末水位等于设定的目标水位，此时水库发电流量等于入库流量，通过内层嵌套的短期优化计算模块计算梯级发电量E_T；

(2)若E_T＜EM，水库供水，Q_tiao＜0；若E_T＞EM，水库蓄水，Q_tiao＞0；调节流量Q_tiao由EM-E_T及梯级各站总水头确定；

(3)通过内层嵌套的短期优化计算模块计算水库调蓄后的梯级发电量E_T，若在精度控制范围内E_T＝EM，负荷分配计算结束，否则返回(2)。

4.根据权利要求1所述的梯级水电站群发电指标分配方法，其特征在于：短期优化计算模块根据外层输入的各水库日初末水位和入库流量区间流量资料，根据短期发电效益最大目标，采用POA逐步优化算法得到该水位控制方式下的日出力过程，并得到优化电量。

5.根据权利要求4所述的梯级水电站群发电指标分配方法，其特征在于：短期优化计算模块计算时包括以下步骤：

(1)约束范围之内任取一组峰平出力比a_i,t∈(a,b)、谷平出力比c_i,t∈(c,d)，确定一个平段出力，初始时可取电站装机容量和最小出力的平均值，即NP⁰＝(N_imax+N_imin)/2；

(2)通过平段出力及出力比可得峰段和谷段出力，则可得整个日内的出力过程N_it；

(3)根据初始水位Z_i,0、入库流量v和出力过程N_i,t进行水能计算，求出各时段末水位，并求得最后时段的末水位Z_i,96；

(4)比较最后时段的末水位Z_i,96与开始设定的日末水位Z_i,end，若Z_i,96＞Z_i,end，则应加大平段出力，可将平段出力取为上次平段出力与装机容量的平均值；若Z_i,96＜Z_i,end，则应减小平段出力，可将平段出力取为上次平段出力与最小出力的平均值，后转入步骤(2)迭代计算；

(5)直到计算出的最后一个时段的末水位等于开始设定的日末水位，即Z_i,96＝Z_i,end时，迭代结束，得到峰平出力比和平谷出力比一定的日出力过程。

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