一種梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法。本發(fā)明提出一種全新的適用于梯級水電短期調(diào)度棄能消納的“平土”算法。本發(fā)明采用梯級和廠內(nèi)兩級協(xié)調(diào)控制的技術(shù)：對梯級各個水電站進(jìn)行計(jì)算得到各水庫的出庫流量和發(fā)電水頭；再以此為基礎(chǔ)，利用混合整數(shù)規(guī)劃，分別確定各個電廠的最優(yōu)開停機(jī)計(jì)劃；進(jìn)而采用動態(tài)規(guī)劃按照給定水量使發(fā)電量最大的目標(biāo)對機(jī)組群進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化分配。同時，得到各水電站的發(fā)電流量過程之后，又可以將結(jié)果反饋給梯級系統(tǒng)，梯級系統(tǒng)以此為約束條件繼續(xù)重復(fù)利用“平土”算法進(jìn)行迭代計(jì)算。本發(fā)明可以顯著緩解大規(guī)模水電系統(tǒng)的棄能矛盾，并能提高廠內(nèi)機(jī)組運(yùn)行與調(diào)度水平。
【專利說明】一種梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于水文學(xué)與運(yùn)籌學(xué)的交叉【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地，涉及一種梯級水電站短 期優(yōu)化調(diào)度方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 水電系統(tǒng)短期優(yōu)化調(diào)度可以認(rèn)為是一個確定性優(yōu)化問題，求解短期調(diào)度問題有傳 統(tǒng)的數(shù)學(xué)規(guī)劃方法和智能算法。智能算法在求解該問題時存在最優(yōu)解不穩(wěn)定的不足。目前， 尚無利用智能算法成功解決大規(guī)模水電系統(tǒng)短期優(yōu)化的調(diào)度問題的實(shí)例。因此，當(dāng)前短期 水電調(diào)度問題主要應(yīng)用傳統(tǒng)的線性規(guī)劃或者動態(tài)規(guī)劃等方法求解。然而，利用傳統(tǒng)方法求 解需要對約束條件進(jìn)行線性化處理，致使與原問題有所偏差，對于凸規(guī)劃的問題，多采用分 段線性規(guī)劃的處理以減小誤差。然而這些方法在水庫群優(yōu)化調(diào)度尋找最優(yōu)解的過程中，容 易過早的陷入局部最優(yōu)解，導(dǎo)致不能找到理想的最優(yōu)解。
[0003] 此外，在廠內(nèi)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中，等微增率和動態(tài)規(guī)劃被廣泛用于機(jī)組群的負(fù)荷分 配，但兩種方法都未能考慮開、停機(jī)的時間耦合約束，應(yīng)用受到很大限制。國外有報道采用 開、停機(jī)水量損失來限制頻繁開停機(jī)運(yùn)行，但這種水量損失往往難于估算，更為普遍和實(shí)用 的做法是通過約束開停機(jī)持續(xù)時間和次數(shù)來提高機(jī)組運(yùn)行的安全和穩(wěn)定性。即便如此，由 于問題的離散、非凸和非線性特征，對于規(guī)模稍大的水電機(jī)組群的聯(lián)合開停機(jī)和負(fù)荷優(yōu)化 問題，求解起來也非常困難。
[0004] 從目前國內(nèi)外研究的發(fā)展趨勢看，如何考慮時間和空間約束的耦合，協(xié)調(diào)控制梯 級水電站調(diào)度和廠內(nèi)機(jī)組群負(fù)荷與開停機(jī)優(yōu)化、并將其納入到一體化調(diào)度和控制體系中， 是進(jìn)一步亟待解決的難題。
[0005] 從報道情況看，發(fā)達(dá)國家更為關(guān)注梯級水電調(diào)度涉及生態(tài)、環(huán)境、社會的影響，對 水電棄能消納技術(shù)的研究鮮有報道。在國內(nèi)，各大電力、電網(wǎng)公司都相繼開展了梯級水電調(diào) 度高級應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)，但由于問題復(fù)雜、涉及面廣，實(shí)際上所開發(fā)的系統(tǒng)在生產(chǎn)實(shí)用上還 有相當(dāng)大差距。從目前研究情況看，無論是國內(nèi)還是國外，梯級水電和廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行一般都 采用逐級控制的方式，還達(dá)到兩級一體化協(xié)調(diào)控制的水平。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明以水電棄能消納為導(dǎo)向，模擬來回 推拉平整土地，研究出了一種全新的"平土"算法，為水庫水電站群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度跳出局部 最優(yōu)或者可行化修正提供一條簡單、實(shí)用且高效的局部修正算法。采用梯級和廠內(nèi)兩級協(xié) 調(diào)控制技術(shù)，同時結(jié)合混合整數(shù)規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃，克服大規(guī)模水電機(jī)組群開停機(jī)和負(fù)荷優(yōu) 化的維數(shù)難題，最終獲得水電調(diào)度梯級和廠內(nèi)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行一體化的發(fā)電計(jì)劃。
[0007] 本發(fā)明提供一種梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法，其總體思路是：對水電梯級和廠 內(nèi)機(jī)組群分為兩級協(xié)調(diào)控制，包括以下步驟：
[0008] 步驟1根據(jù)徑流資料以及梯級水電站的參數(shù)，建立所述梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度 的多目標(biāo)優(yōu)化模型；
[0009] 步驟2求解所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的最優(yōu)解，獲得多個水庫的出庫流量和發(fā)電水頭 過程；
[0010] 步驟3將獲得的所述出庫流量和所述發(fā)電水頭過程作為廠內(nèi)水電機(jī)組群的計(jì)算 邊界條件，建立混合整數(shù)規(guī)劃模型，獲得所述廠內(nèi)水電機(jī)組群的最優(yōu)開停機(jī)計(jì)劃；
[0011] 步驟4采用動態(tài)規(guī)劃按照給定水量發(fā)電量最大化的目標(biāo)對所述廠內(nèi)水電機(jī)組群 進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化分配；
[0012] 步驟5根據(jù)獲得的所述廠內(nèi)水電機(jī)組群優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果更新整個水電站的發(fā)電流 量上下限，反饋給上級系統(tǒng)，梯級水電調(diào)度以此為約束條件，再執(zhí)行所述步驟2,如此反復(fù)迭 代直到整個梯級水電站的棄水減小到最小和廠內(nèi)發(fā)電效益最大，獲得一體化梯級和廠內(nèi)最 優(yōu)發(fā)電計(jì)劃。
[0013] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效 果：
[0014] 1、本發(fā)明基于成熟的數(shù)學(xué)規(guī)劃理論，不同于現(xiàn)有水電調(diào)度技術(shù)多以經(jīng)驗(yàn)調(diào)度為 主，可以應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)調(diào)度中，同時克服了現(xiàn)有的諸多智能算法的調(diào)度方案生成的最優(yōu) 解不穩(wěn)定、只停留在理論層面無法應(yīng)用到實(shí)際調(diào)度生產(chǎn)中的問題，具有實(shí)用性；
[0015] 2、本發(fā)明提出了一種全新的"平土"算法，為水電站優(yōu)化調(diào)度避免陷入局部最優(yōu)解 陷阱提供了一條全新的途徑，為當(dāng)前水電站實(shí)際調(diào)度提供理論支撐和技術(shù)支撐，提高水電 站經(jīng)濟(jì)效益；
[0016] 3、本發(fā)明采用梯級與電廠兩級調(diào)度、電廠內(nèi)開停機(jī)和機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化的兩階段優(yōu) 化，以及混合整數(shù)規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃的應(yīng)用，克服了大規(guī)模水電調(diào)度的維數(shù)災(zāi)問題。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法的流程圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明梯級水電棄能"平土"消納示意圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明梯級水庫"平土"算法"前推"步驟流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0020] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0021] 圖1所示為本發(fā)明梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法的流程圖，其總體思路是：對水 電梯級和廠內(nèi)機(jī)組群分為兩級協(xié)調(diào)控制。
[0022] 步驟1根據(jù)徑流資料以及梯級水電站的參數(shù)，建立梯級電站短期優(yōu)化調(diào)度的數(shù)學(xué) 模型；
[0023] 步驟2進(jìn)行梯級水電棄能消納的計(jì)算，獲得各水庫的出庫流量過程和發(fā)電水頭過 程，在本發(fā)明實(shí)施例中，利用"平土"算法進(jìn)行梯級水電棄能消納的計(jì)算；
[0024] 步驟3將所獲得的出庫流量過程和發(fā)電水頭過程作為廠內(nèi)水電機(jī)組群的計(jì)算邊 界條件，建立混合整數(shù)規(guī)劃模型，獲得機(jī)組最優(yōu)開停機(jī)計(jì)劃；
[0025] 步驟4采用動態(tài)規(guī)劃按照給定水量發(fā)電量最大化的目標(biāo)對機(jī)組群進(jìn)行負(fù)荷優(yōu)化 分配；
[0026] 步驟5廠內(nèi)機(jī)組群優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果可更新整個水電站的發(fā)電流量上下限，反饋給上 級系統(tǒng)，梯級水電調(diào)度以此為約束條件，再執(zhí)行步驟2,如此反復(fù)迭代，直到整個梯級水電站 的棄水減小到最小，從而獲得一體化梯級和廠內(nèi)最優(yōu)發(fā)電計(jì)劃，即梯級各水電廠蓄放水計(jì) 劃、機(jī)組開停機(jī)計(jì)劃及機(jī)組出力過程，流程結(jié)束。
[0027] 圖2所示為本發(fā)明梯級水電棄能"平土"消納示意圖，圖2將結(jié)合圖1進(jìn)行描述。 本發(fā)明梯級水電棄能消納控制可分為"前推"、"后拉"、再"前推"三步進(jìn)行。前、后向修正時 需要同時優(yōu)化調(diào)節(jié)多個水庫的時段末或初蓄水，目標(biāo)是以偏離每個優(yōu)化時段的初始蓄水過 程盡可能小的方式使該時段棄水/棄能最小。當(dāng)考慮水庫間的水流滯時情況時，將上、下游 水庫的調(diào)節(jié)時段之差設(shè)定為水庫間水流滯時長，消除了出庫流量對下階段調(diào)節(jié)的影響。在 本發(fā)明實(shí)施例中，水庫結(jié)構(gòu)如圖2右側(cè)所示，水庫1與水庫2為并聯(lián)的第一級水庫，水庫3、 4依次為串聯(lián)的第二、三級水庫。在本發(fā)明實(shí)施例中，以由4個串并聯(lián)水庫組成的梯級水電 站為例進(jìn)行說明，但不以此為限。
[0028] 在上述步驟1中，將調(diào)度期內(nèi)的時間長度分為T個時段，根據(jù)調(diào)度期棄水最小和迭 代量與原始解偏差最小的原則，建立梯級水庫短期調(diào)度多目標(biāo)優(yōu)化模型如下：
[0029]

【權(quán)利要求】
1. 一種梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1根據(jù)徑流資料以及梯級水電站的參數(shù)，建立所述梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度的多 目標(biāo)優(yōu)化模型； 步驟2求解所述多目標(biāo)優(yōu)化模型的最優(yōu)解，獲得多個水庫的出庫流量和發(fā)電水頭過 程； 步驟3將獲得的所述出庫流量和所述發(fā)電水頭過程作為廠內(nèi)水電機(jī)組群的計(jì)算邊界 條件，建立混合整數(shù)規(guī)劃模型，獲得所述廠內(nèi)水電機(jī)組群的最優(yōu)開停機(jī)計(jì)劃； 步驟4采用動態(tài)規(guī)劃按照給定水量發(fā)電量最大化的目標(biāo)對所述廠內(nèi)水電機(jī)組群進(jìn)行 負(fù)荷優(yōu)化分配； 步驟5根據(jù)獲得的所述廠內(nèi)水電機(jī)組群優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果更新整個水電站的發(fā)電流量上 下限，反饋給上級系統(tǒng)，梯級水電調(diào)度以此為約束條件，再執(zhí)行所述步驟2,如此反復(fù)迭代直 到整個梯級水電站的棄水減小到最小和廠內(nèi)發(fā)電效益最大，最終獲得一體化梯級和廠內(nèi)最 優(yōu)發(fā)電計(jì)劃。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟1將調(diào)度期內(nèi)的時間長度分為T個 時段，根據(jù)調(diào)度期棄水最小和迭代量與原始解偏差最小的原則，建立所述多目標(biāo)優(yōu)化模型 如下：
其中，i，t分別表示第i個水庫和第t個時間段數(shù)；N，T分別表示所述調(diào)度期內(nèi)的水庫 數(shù)量和時段數(shù)；split表示所述第i個水庫在所述第t個時間段的棄水流量；vit表示所述第 i個水庫在所述時段t初的庫容；vf表示所述第i個水庫在所述時段t初的庫容初始解； β表示與庫容相關(guān)的系數(shù)，是水庫興利庫容與多年平均來水量之比。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述多目標(biāo)優(yōu)化模型需滿足以下約束條件： 庫容約束：vfSv, 出庫流量限制：(Τ4 0^(ΤΧ 發(fā)電流量限制：(4 )<I W (Λ") 水量平衡方程
其中，ν it表示時段t初水庫i的庫容，初始庫容以=if，為所述水庫i在所述調(diào) 度期起始時間觀察到的水庫庫容；f分別表示所述時段t初水庫i的庫容最大和最 小值；Qit為所述水庫i在所述時段t內(nèi)的實(shí)際下泄流量，Qit = qit+split，0廣、βΤ分別表 示所述水庫i在所述時段t內(nèi)的最小和最大下泄流量值；qit表示所述水庫i在所述時段t 的發(fā)電流量；分別表示所述水庫i在固定水頭下最小和最大發(fā)電流量， 是關(guān)于水頭的函數(shù)；hit表示所述水庫i在所述時段t的平均水頭；Ω (i)表示與所述水庫i 直接相連的水庫集合；τ k表示水庫k的水流到達(dá)與其直接相連的下一個水庫的水流時間； Iit表示所述水庫i在所述時段t的當(dāng)?shù)厝肓髁浚沪?t表示時段t的間隔時長。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟2中利用"平土"算法求解所述多 目標(biāo)優(yōu)化模型的最優(yōu)解，其中，所述"平土"算法具體包括以下子步驟： (2-1) "前推"過程，在T = 1，. . .，T-1+ τ _各時間段分別對梯級水庫進(jìn)行向前修正， 其中= ，u⑴是第i個水庫水流到達(dá)最后一個水庫的流達(dá)時間，時段t- u⑴ 末水庫i的庫容由初始化，然后通過迭代不斷更新t- u (i)時段末水庫i的 庫容，當(dāng)?shù)弥禎M足J時，則將得到最優(yōu)庫容其中δ為預(yù)先 設(shè)定的正值，可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定迭代后與迭代初的偏差值S。求解最優(yōu)庫容<"(_的線性規(guī) 劃問題表達(dá)為以下數(shù)學(xué)模型：
其中，時段t- u (i)的水庫初庫容表示為：;時段t滿足 u (i)彡t彡T+u (i) ; α為與偏差相關(guān)的權(quán)重系數(shù)，根據(jù)水庫調(diào)節(jié)性能取值，范圍為〇? 1. 0之間，水庫調(diào)節(jié)性能越大取值越大；I/., 和1 是水庫i在時段t初與目標(biāo)庫容 的正負(fù)偏差值； 得到t-u (i)時段末水庫的庫容值之后，時段t-u (i)的各水庫的下泄流量 ?2^ i j v{ j j 通過水量平衡方程求出，再根據(jù)公式
， 求出水庫在時段t- U Q)的水頭& ，其中，時段t- U (i)的庫容為： 9 ^/,Ι-υ?Ι)
?式中的m 在時段t-1計(jì)算得到； (2-2) "回拉"過程，在各時段Τ+τ_、Τ-1+τ_，…，2向后修正，根據(jù)已知的時段 t_ υ⑴末的庫容值，對時段t- u⑴初的庫容進(jìn)行優(yōu)化，其中u (i)彡t彡Τ+ u (i); (2-3)重復(fù)所述步驟（2-1)的"前推"過程，在各時段t = 0,1，…，T-1+τ _向前修 正，在t = T+u (i)時段需要修正所述調(diào)度期末的庫容值以減少棄水。
5. 如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述步驟（2-1)中求解所述最優(yōu)庫容 丨1的約束條件為： 目標(biāo)庫容的偏差約束和最大最小值約束：
出庫流量限制：β=( 發(fā)電流量限制
水量平衡方程
其中，At表不時段t的間隔時長。
6. 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟3中所述廠內(nèi)水電機(jī)組群的最優(yōu)開 停機(jī)計(jì)劃即為求以下數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解：
其約束條件為：
以及最小開停機(jī)持續(xù)時間和最多開停機(jī)次數(shù)限制， 其中，-if1為0-1變量，表示j機(jī)組在t時段是否運(yùn)行在k運(yùn)行區(qū)，運(yùn)行在k區(qū)則為1否 則為〇 ;τ為控制期離散時刻數(shù)；splt為所述t時段i水庫的棄水流量；α為權(quán)重系數(shù)，根據(jù) 水庫調(diào)節(jié)性能取值，范圍為〇?1. 〇之間，水庫調(diào)節(jié)性能越大取值越大；為〇-1變量， 表示j機(jī)組在所述t時段是否運(yùn)行在效率最高運(yùn)行區(qū)，運(yùn)行在效率最高區(qū)則為1，否則為0 ; M(i)為i水庫的機(jī)組數(shù)；q#為j機(jī)組在所述t時段的發(fā)電流量；Q#為第i個水庫的出庫流 量；K為第i個水庫水電站的機(jī)組總數(shù)；和分別表示j機(jī)組在t時段k運(yùn)行區(qū) 的發(fā)電流量上、下限。
7. 如權(quán)利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述步驟4對所述廠內(nèi)水電機(jī)組群進(jìn)行 負(fù)荷優(yōu)化即為求以下數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解：
其約束條件為：
其中，為表示j機(jī)組在t時段最優(yōu)開機(jī)計(jì)劃；p#為j機(jī)組在t時段的分配負(fù)荷。
【文檔編號】G06Q50/06GK104123589SQ201410289145
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】王金文, 劉雙全, 陳誠, 康傳雄 申請人:華中科技大學(xué), 云南電力調(diào)度控制中心