基于判別式法的大規(guī)模梯級水電站調(diào)度優(yōu)化調(diào)度

在水庫水庫優(yōu)化方案中，常用的模型求解方法包括動態(tài)規(guī)劃法、poa法、非線性規(guī)劃法、網(wǎng)絡(luò)流量法、遺產(chǎn)傳統(tǒng)法等。這些算法根據(jù)優(yōu)化理論建立目標(biāo)函數(shù)，以提高水組的發(fā)電效率。每個方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在線規(guī)劃需要對目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行線性化，這會導(dǎo)致與原問題的偏差。網(wǎng)絡(luò)流程圖的計(jì)算速度快，但對約束條件的結(jié)構(gòu)要求高。遺產(chǎn)傳統(tǒng)法獨(dú)特，復(fù)雜目標(biāo)函數(shù)的處理方法仍有爭議，但在處理許多約束條件和收斂速度方面仍然存在問題。目標(biāo)函數(shù)的級分布模式和維數(shù)要求也限制了動態(tài)規(guī)劃的應(yīng)用。在這項(xiàng)工作中，我們使用了與水庫規(guī)劃方法相結(jié)合的k判斷法來優(yōu)化和組織水平水庫的群體。1k審判法1.1水質(zhì)能量損失的計(jì)算在水電站梯級系統(tǒng)中,當(dāng)各水電站按天然流量出力不能滿足電力系統(tǒng)動力平衡要求時(shí),水電站就必須供水以增發(fā)這部分附加出力;若超過電力系統(tǒng)所需要的負(fù)荷,則需要蓄水以滿足系統(tǒng)的動力平衡要求.設(shè)在tj時(shí)刻這部分附加出力是由自上游起之第i級水庫單獨(dú)供水取得,則系統(tǒng)所得附加電能dθi,j=0.00272ηiFi,jdHi,j(Hi+Hi+1+…+Hn).設(shè)第i級水庫處自tj時(shí)刻開始到供水期末天然來水總量為Wtpi,上游各級水庫總供水量為Vei,則因第i級水庫水頭降低dHi,j引起梯級系統(tǒng)總能量損失Δθi,j=0.00272ηi(Wtpi+Vei)dHi,j.供發(fā)單位電能所引起的能量損失Ki,j=Δθi,j/dθi,j=(Wtpi+Vei)/[Fi,j(Hi,j+Hi+1,j+…+Hn,j)],式中:Ki,j表示i級水庫tj時(shí)刻判別式的表達(dá)式;Fi,j表示i水庫tj時(shí)刻水面面積;Hi,j表示i水庫tj時(shí)刻水頭;Vei相當(dāng)于tj時(shí)刻上游各級水庫有效蓄水量之和.若水庫處于蓄水狀態(tài),則單位增能表達(dá)式可表示為Ki,j=Δθi,j/dθi,j=(Wtpi-Vei)/[Fi,j(Hi,j+Hi+1,j+…+Hn,j)].用Win表示i庫自tj時(shí)刻到供水或蓄水期末實(shí)際總?cè)霂焖?則上述供水期和蓄水期判別表達(dá)式可表示為Ki,j=Win/[Fi,j(Hi,j+Hi+1,j+…+Hn,j)].在滿足系統(tǒng)用電要求的條件下,使梯級電站增發(fā)電能越多越好,因此在蓄水期,由K值大的水庫先蓄水有利.1.2k判別法調(diào)節(jié)水質(zhì)特征為實(shí)際操作中,當(dāng)系統(tǒng)各水庫K值相差懸殊時(shí),若完全按照K判別法安排電站供水或者蓄水,則往往發(fā)生供水或者蓄水過于集中,會影響到電站的綜合利用要求,因此在水電站群補(bǔ)償調(diào)節(jié)時(shí),應(yīng)用與水庫調(diào)度圖相結(jié)合的K判別法,以達(dá)到減少棄水,增加發(fā)電效益,滿足水庫綜合利用要求的目的.經(jīng)初步研究,擬訂如下控制策略:a.庫水位在降低出力區(qū)時(shí),電站按降低出力發(fā)電,滿足電站最小出力或者下游生態(tài)用水等綜合利用要求;b.庫水位在保證出力區(qū)時(shí),電站發(fā)電出力控制在降低出力和兩倍保證出力之間;c.庫水位在加大出力區(qū)時(shí),電站發(fā)電出力控制在保證出力和裝機(jī)容量之間.2水質(zhì)達(dá)標(biāo)及約束條件優(yōu)化問題可描述為:已知系統(tǒng)初始庫水位和入庫徑流過程,在滿足梯級電站各種約束條件下,求梯級系統(tǒng)各電站的出力過程,使梯級系統(tǒng)保證出力盡可能大的條件下發(fā)電量最大.目標(biāo)函數(shù)B*=maxB;E=maxΤ-1∑j=0Ν∑i=1pijΔtE=max∑j=0T?1∑i=1NpijΔt,式中:B表示水電站梯級系統(tǒng)總保證出力;N為水電站總數(shù);pij為i電站j時(shí)段出力;Δt表示時(shí)段小時(shí)數(shù).約束條件如下.a.水量平衡方程vi,j+1=vi,j+Ii,j+qi-1,j-qi,j,式中:vi,j+1表示i水庫j時(shí)段末水量;Ii,j表示區(qū)間入流;qi-1,j表示上游水庫出庫流量;qi,j為出庫流量.b.蓄水過程約束為vˉij≤vij≤ˉvij.cvˉij≤vij≤vˉij.c.出庫流量約束為qˉij≤qij≤ˉqij.d.電qˉij≤qij≤qˉij.d.電站出力限制為pˉij≤pij≤ˉpij.epˉij≤pij≤pˉij.e.水電站出力特性限制為pij≤fij(h,qij),fij(·)為電站出力特性函數(shù),它與電站水頭h和出庫流量qij有關(guān).f.水電站裝機(jī)容量限制pij≤pcici.g.系統(tǒng)總出力約束Ν∑i=1pij=Ρj.h.判別式K.3模型解決方案3.1模型求解方法在實(shí)際調(diào)度操作中,按判別式規(guī)則,在供水期,由K值小的先供水,當(dāng)與次小的K值相等時(shí),由兩庫同時(shí)供水,甚至需要更多的水庫參與供水.蓄水期則相反.因此,在模型求解時(shí),需要同時(shí)求解所有參與水庫的供(蓄)水量,使各電站在滿足約束條件下,K值在當(dāng)前時(shí)段末趨于一致.從K判別式的表達(dá)式不難看出,鑒于梯級電站本身水力聯(lián)系的復(fù)雜性,各電站K函數(shù)的自變量之間的耦合聯(lián)系,方程組求解是相當(dāng)困難的.采用坐標(biāo)輪換的思路,將多庫同時(shí)供、蓄決策轉(zhuǎn)換為單庫依序進(jìn)行,并最終求得最優(yōu)解.3.2按調(diào)度圖控制出力下面以供水情況為例,對迭代搜索過程予以說明,蓄水情況可做類似的分析.a.計(jì)算各水電站的判別K值,由小至大進(jìn)行排序并根據(jù)判別式規(guī)則,由K值最小的水庫供水,確定當(dāng)前供水水庫的編號為i;b.以發(fā)電流量為控制變量,按一定的步長,增加i水庫供水量;c.計(jì)算i電站出力,并檢查是否超過水庫調(diào)度圖規(guī)則確定的最大出力要求,若超過,則按水庫調(diào)度圖確定的最大出力控制,計(jì)算相應(yīng)的發(fā)電流量及電站出力;d.檢查梯級系統(tǒng)各電站出力是否滿足擬訂的調(diào)度圖規(guī)則和其他約束條件,若不滿足,則對其放水策略予以修正并計(jì)算梯級電站總出力,檢查與梯級電站總保證出力之差是否在精度之內(nèi),若滿足,則停止迭代,進(jìn)入下一階段;若不滿足,則逐一計(jì)算各水電站判別K值.此時(shí),各水庫V,H,F等因子值將部分改變或全部改變.e.比較各水庫K值大小,從a步開始重新迭代計(jì)算.4按常規(guī)調(diào)度運(yùn)行以烏江干流五座大型水電站為例,建立梯級調(diào)度模型并用與水電站水庫調(diào)度圖相結(jié)合的K判別式法進(jìn)行求解.此系統(tǒng)從上而下電站依次為:洪家渡、東風(fēng)、烏江渡、構(gòu)皮灘、彭水.五座電站的特征參數(shù)見表1.算例采用從1959年到2001年共42年的歷史徑流資料,以旬為控制時(shí)段.由于是中長期調(diào)節(jié),因此不考慮水流在電站之間的到達(dá)時(shí)間.為了比較,表2給出了烏江梯級系統(tǒng)按常規(guī)調(diào)度圖聯(lián)合運(yùn)行(方式1)與按判別式法(方式2)優(yōu)化運(yùn)行兩種方式計(jì)算所得各種性能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果.表中Hmax和Hmin分別表示最高和最低水頭;ˉW表示多年平均電能.從表2對照可以看出,本文采用判別式法,相較于常規(guī)調(diào)度,提高系統(tǒng)多年平均發(fā)電量3.0%左右,增加效益相當(dāng)可觀.需要指明的是,這是在系統(tǒng)總保證出力為2250MW·h并以保證率為100%的情況下的計(jì)算結(jié)果.而以方式1操作,系統(tǒng)各電站總保證出力為2066MW·h.從判別式法求得的結(jié)果中1959年5月～2001年4月系統(tǒng)各水庫水位過程可以看出,上游的洪家渡水庫總保持在較低水位運(yùn)行并且水位起伏相對較大;而其他四庫,都保持在相對