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摘要:提高电力系统的经济效益一定程度上决定于系统中水电站运行工况的优化和流域水电站的综合调度。本文对水电站厂内和梯级电站的经济运行方式和算法进行了深入研究和分析,再根据动态规划原理,确立了短期优化调度策略,建立并求解了耗水量最小优化模型,具有一定的可行性。
关键词:梯级水电站;数学模型;优化;调度
中图分类号:TV7文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0059-02
合理地利用水资源,提高电力系统的经济效益一定程度上决定于系统中水电站运行工况的优化和流域水电站的综合调度。水电站及其水库最优调度的目的就是根据水库的入流过程及综合利用要求,运用最优化方法,制订并实现水电站及其水库的最优运行调度方式,以获得尽可能大的运行效益。
一、水电站的优化运行
1、优化运行的目的、意义
指定水电站在电力系统中的运行方式,首先需要了解电力系统对水电站的要求,然后确定水电站在负荷图上的工作位置,根据不同的情况合理安排水电站的运行方式,发挥它们的最大效益。几种常见的水电站最优运行准则:
(1)国民经济效益最大或国民经济费用最小准则;
(2)电力系统支出费用最小准则;
(3)水电站经济运行效益最大准则;
(4)作为水电站优化运行的准则。因为它既满足了整个电力系统的经济运行要求,又能合理的利用水资源。本文中主要采用准则③来对水电经济运行进行分析。
2、 优化运行算法
水电系统优化运行问题是一个典型的约束优化问题,理论上可以采用数学上的优化方法对其求解。通过国内外学者几十年的研究与发展提出了许多富有成效的方法。可以概括为等微增率法、线性规划法阴、非线性规划法、动态规划法、模糊优化法等。此外,基于生物医学和进化理论的神经网络方法、遗传基因方法,还有混沌优化方法在近十几年得到了飞速发展,并且近几年在梯级短期优化运行这一领域有了应用。
二、优化模型与方法
实现厂内经济运行的关键是建立优化数学模型,其内容涉及有功、无功和随机负荷在机组间的最优分配,以及运行机组台数和启停机次序的确定。
1、 梯级水电站的优化运行
日负荷在日内用电是不均匀的,年负荷随季节的不同而不同,而水电站天然来水在一日内是均匀的,为解决这种矛盾,这就需要水电站利用、水库进行径流调节。水电站在电力系统中的最优运行方式,通常划分为三种方式,即长期运行方式,短期运行方式和厂内运行方式,它们构成科学的整体关系,如下图1所示。
图1运行方式整体关系
梯级水电站自动发电控制面临的任务是在满足梯级水电站运行中各项约束条件的前提下,实时、经济地将梯级总负荷分配到梯级中的各水电站,并控制各水电站机组的运行状态和出力。对于影响来水、负荷变化的随机因素和综合利用要求的变化,通常做如下考虑:制定日运行计划时,日运行方式的优化按确定性课题求解而在实际控制时,从分层控制角度看,梯级水电站包括厂间经济运行和厂内经济运行两个层次。厂间经济运行问题的复杂性在于梯级中各水电站之间除了电力联系外,还存在水力藕合关系。当前时刻梯级负荷的分配不仅要考虑现时刻各水电站的运行状况,还要考虑到对后续时段梯级运行的影响,尽可能实现水电站的最优运行。
2、动态规划原理和方法
动态规划的基本方法是把一个复杂的系统分析问题求解,形成一个多阶段的决策过程,并按一定顺序或时序,从第一阶段开始,逐次求出每段的最优决策,并经历各阶段,从而求得整个系统的最优决策。这个原理实际上是把一个复杂的“动态”过程的最优化决策问题,转化为一系列比较简单的极值问题。根据这个原理,可以把多阶段决策问题的求解过程看成是对若干个相互联系的子问题逐个求解的正向或反向递归过程。
令sk表示第k阶段系统的状态变量,d(s)表示第k阶段处于状态sk做的决策变量,d(s)所有可能值的全体构成决策集合为D(s),fk(sk,dk)表示第k阶段处于状态s按决策d(s)转变到另一个状态时,后面k个阶段(即余留阶段)的目标函数值的总和,dk*为fk(sk,dk)取得最优值时的决策。fk*(sk)为采用dk*决策时fk(dk*,sk)相应的最优值,即f*k(sk)=fk(d*k,sk)。vk(sk,dk(sk))表示在第k阶段处于状态s按决策s转移时,本阶段对目标函数值的贡献。
按照上述最优化原理及符号定义可得到如下的正向递归的动态规划函数基本方程:f(s)=0pt{v(s,d(s))+f(s)}d(s)∈D(s)(k=1,2,...n)f(s)=0其中,opt示“最优”,即代表“max”或“min”。
三、短期优化调度策略
水电站短期调度要服从于长期调度。根据一定时期对引用流量的要求,结合长期优化调度的结果确定初始状态,选定特定水文时期的某天作为研究对象,并给定水库及下游各电站初始时刻的库存水量,作为全梯级初始的蓄能状态,并按照相关水文资料模拟一日内的上游来流和区间入流,进行梯级水电站的短期优化调度计算。
1、给定负荷条件下优化调度
合理确定水电站的工作位置,就可提高水电站保证工作容量的数值,其调度的主要原则是要充分利用各种能源,要使整个系统运行经济,并尽量使各电站机组在高效率区域运行。对于梯级水电站,对应的就是在满足给定负荷要求下,如何制定具体的运行方案以实现最优运行的目的,针对电力系统给梯级水电站下达的特定发电任务对梯级水电站的具体运行策略进行了研究,以确定一日内(以枯水季节为代表,划分为 48 个时段)龙头水库的调节流量方案和下游各库的日调节方案,以实现充分利用有限水资源的目的。
2、 短期耗水最小优化模型
这里在调度周期内梯级水电站的出力一定条件下以梯级水电站发电耗水量最小为最优准则,考虑水量平衡、水库水位约束、电站出力约束以及梯级各电站之间的电力联系和水力联系等影响因素,建立了梯级水电站短期优化调度数学模型。
所建立的目标函数为:minW=(Q*□t)=[f(N,H)*□t]
其中:W 为全梯级发电用水量; Q为i电站在k 时段内的引用流量;H为i电站在k 时段内平均水头; f 为出力N和水头H对应引用流量的函数,由机组段特性曲线确定;N 为i电站的m号机组在k 时段内的出力; 为时段长度。约束条件:
对于对象水库: V=V+(q-Q-y)
对于下游梯级电站:V=V+(Q+y+U-Q-y)
水量限制条件:Q≤Q≤,V≤V≤
梯级电量平衡条件: N=p
电站出力限制条件: N≤N≤
3、模型求解和结论
参照电网对梯级水电站的不同出力要求给定常规负荷曲线,并以此对梯级水电站进行优化调度研究。针对常规负荷曲线,本节选定平水年五月份内某天作为研究对象,以下游各电站初始时刻的库存水量作为全梯级初始的蓄能状态进行优化计算。同时本节用微粒群算法对梯级水电站短期优化调度模型进行求解,得到的优化结果表明:梯级各站出力是比较平稳的,可以判断为机组运行正常,调度合理,同时也说明该算法在水电站优化调度模型的求解领域有很强的适用性。而且该梯级在枯水期承担调峰负荷是合理的,并且各库在接近多年平均流量的调节流量下均可运行平稳,全梯级同时送出电力可以较好满足电网的调峰要求。
参考文献:
[1]郭生练.水库调度综合自动化系统[M].武汉:水利电力大学出版社,2000.
[2]李钰心.水电站经济运行[M].北京:中国电力出版社,1999,(4).
[3]Mohammad Karamouz and Mar H• Houck. Annual and Monthy Reservoir operation Rules Generated by Deterministic Optimzation[J].Water Resources Research.1992,(5).
[4]罗予如.梯级水电厂群短期经济运行的探讨[J].水力发电,2000,(6).
[5]梅亚东,朱教新.黄河上游梯级水电站短期优化调度模型及迭代解法[J].水力发电学报,2000,(2).
关键词:梯级水电站;数学模型;优化;调度
中图分类号:TV7文献标识码:A文章编号:1009-0118(2010)-03-0059-02
合理地利用水资源,提高电力系统的经济效益一定程度上决定于系统中水电站运行工况的优化和流域水电站的综合调度。水电站及其水库最优调度的目的就是根据水库的入流过程及综合利用要求,运用最优化方法,制订并实现水电站及其水库的最优运行调度方式,以获得尽可能大的运行效益。
一、水电站的优化运行
1、优化运行的目的、意义
指定水电站在电力系统中的运行方式,首先需要了解电力系统对水电站的要求,然后确定水电站在负荷图上的工作位置,根据不同的情况合理安排水电站的运行方式,发挥它们的最大效益。几种常见的水电站最优运行准则:
(1)国民经济效益最大或国民经济费用最小准则;
(2)电力系统支出费用最小准则;
(3)水电站经济运行效益最大准则;
(4)作为水电站优化运行的准则。因为它既满足了整个电力系统的经济运行要求,又能合理的利用水资源。本文中主要采用准则③来对水电经济运行进行分析。
2、 优化运行算法
水电系统优化运行问题是一个典型的约束优化问题,理论上可以采用数学上的优化方法对其求解。通过国内外学者几十年的研究与发展提出了许多富有成效的方法。可以概括为等微增率法、线性规划法阴、非线性规划法、动态规划法、模糊优化法等。此外,基于生物医学和进化理论的神经网络方法、遗传基因方法,还有混沌优化方法在近十几年得到了飞速发展,并且近几年在梯级短期优化运行这一领域有了应用。
二、优化模型与方法
实现厂内经济运行的关键是建立优化数学模型,其内容涉及有功、无功和随机负荷在机组间的最优分配,以及运行机组台数和启停机次序的确定。
1、 梯级水电站的优化运行
日负荷在日内用电是不均匀的,年负荷随季节的不同而不同,而水电站天然来水在一日内是均匀的,为解决这种矛盾,这就需要水电站利用、水库进行径流调节。水电站在电力系统中的最优运行方式,通常划分为三种方式,即长期运行方式,短期运行方式和厂内运行方式,它们构成科学的整体关系,如下图1所示。
图1运行方式整体关系
梯级水电站自动发电控制面临的任务是在满足梯级水电站运行中各项约束条件的前提下,实时、经济地将梯级总负荷分配到梯级中的各水电站,并控制各水电站机组的运行状态和出力。对于影响来水、负荷变化的随机因素和综合利用要求的变化,通常做如下考虑:制定日运行计划时,日运行方式的优化按确定性课题求解而在实际控制时,从分层控制角度看,梯级水电站包括厂间经济运行和厂内经济运行两个层次。厂间经济运行问题的复杂性在于梯级中各水电站之间除了电力联系外,还存在水力藕合关系。当前时刻梯级负荷的分配不仅要考虑现时刻各水电站的运行状况,还要考虑到对后续时段梯级运行的影响,尽可能实现水电站的最优运行。
2、动态规划原理和方法
动态规划的基本方法是把一个复杂的系统分析问题求解,形成一个多阶段的决策过程,并按一定顺序或时序,从第一阶段开始,逐次求出每段的最优决策,并经历各阶段,从而求得整个系统的最优决策。这个原理实际上是把一个复杂的“动态”过程的最优化决策问题,转化为一系列比较简单的极值问题。根据这个原理,可以把多阶段决策问题的求解过程看成是对若干个相互联系的子问题逐个求解的正向或反向递归过程。
令sk表示第k阶段系统的状态变量,d(s)表示第k阶段处于状态sk做的决策变量,d(s)所有可能值的全体构成决策集合为D(s),fk(sk,dk)表示第k阶段处于状态s按决策d(s)转变到另一个状态时,后面k个阶段(即余留阶段)的目标函数值的总和,dk*为fk(sk,dk)取得最优值时的决策。fk*(sk)为采用dk*决策时fk(dk*,sk)相应的最优值,即f*k(sk)=fk(d*k,sk)。vk(sk,dk(sk))表示在第k阶段处于状态s按决策s转移时,本阶段对目标函数值的贡献。
按照上述最优化原理及符号定义可得到如下的正向递归的动态规划函数基本方程:f(s)=0pt{v(s,d(s))+f(s)}d(s)∈D(s)(k=1,2,...n)f(s)=0其中,opt示“最优”,即代表“max”或“min”。
三、短期优化调度策略
水电站短期调度要服从于长期调度。根据一定时期对引用流量的要求,结合长期优化调度的结果确定初始状态,选定特定水文时期的某天作为研究对象,并给定水库及下游各电站初始时刻的库存水量,作为全梯级初始的蓄能状态,并按照相关水文资料模拟一日内的上游来流和区间入流,进行梯级水电站的短期优化调度计算。
1、给定负荷条件下优化调度
合理确定水电站的工作位置,就可提高水电站保证工作容量的数值,其调度的主要原则是要充分利用各种能源,要使整个系统运行经济,并尽量使各电站机组在高效率区域运行。对于梯级水电站,对应的就是在满足给定负荷要求下,如何制定具体的运行方案以实现最优运行的目的,针对电力系统给梯级水电站下达的特定发电任务对梯级水电站的具体运行策略进行了研究,以确定一日内(以枯水季节为代表,划分为 48 个时段)龙头水库的调节流量方案和下游各库的日调节方案,以实现充分利用有限水资源的目的。
2、 短期耗水最小优化模型
这里在调度周期内梯级水电站的出力一定条件下以梯级水电站发电耗水量最小为最优准则,考虑水量平衡、水库水位约束、电站出力约束以及梯级各电站之间的电力联系和水力联系等影响因素,建立了梯级水电站短期优化调度数学模型。
所建立的目标函数为:minW=(Q*□t)=[f(N,H)*□t]
其中:W 为全梯级发电用水量; Q为i电站在k 时段内的引用流量;H为i电站在k 时段内平均水头; f 为出力N和水头H对应引用流量的函数,由机组段特性曲线确定;N 为i电站的m号机组在k 时段内的出力; 为时段长度。约束条件:
对于对象水库: V=V+(q-Q-y)
对于下游梯级电站:V=V+(Q+y+U-Q-y)
水量限制条件:Q≤Q≤,V≤V≤
梯级电量平衡条件: N=p
电站出力限制条件: N≤N≤
3、模型求解和结论
参照电网对梯级水电站的不同出力要求给定常规负荷曲线,并以此对梯级水电站进行优化调度研究。针对常规负荷曲线,本节选定平水年五月份内某天作为研究对象,以下游各电站初始时刻的库存水量作为全梯级初始的蓄能状态进行优化计算。同时本节用微粒群算法对梯级水电站短期优化调度模型进行求解,得到的优化结果表明:梯级各站出力是比较平稳的,可以判断为机组运行正常,调度合理,同时也说明该算法在水电站优化调度模型的求解领域有很强的适用性。而且该梯级在枯水期承担调峰负荷是合理的,并且各库在接近多年平均流量的调节流量下均可运行平稳,全梯级同时送出电力可以较好满足电网的调峰要求。
参考文献:
[1]郭生练.水库调度综合自动化系统[M].武汉:水利电力大学出版社,2000.
[2]李钰心.水电站经济运行[M].北京:中国电力出版社,1999,(4).
[3]Mohammad Karamouz and Mar H• Houck. Annual and Monthy Reservoir operation Rules Generated by Deterministic Optimzation[J].Water Resources Research.1992,(5).
[4]罗予如.梯级水电厂群短期经济运行的探讨[J].水力发电,2000,(6).
[5]梅亚东,朱教新.黄河上游梯级水电站短期优化调度模型及迭代解法[J].水力发电学报,2000,(2).