基于棄水概率的優(yōu)化調(diào)度構(gòu)想研究

肖 燕(貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 水電站遠(yuǎn)程集控中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

基于棄水概率的優(yōu)化調(diào)度構(gòu)想研究

肖 燕(貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司 水電站遠(yuǎn)程集控中心，貴州 貴陽(yáng) 550002)

由于中長(zhǎng)期來(lái)水預(yù)測(cè)結(jié)果的不確定性很大，現(xiàn)有的確定性優(yōu)化調(diào)度在實(shí)際調(diào)度應(yīng)用中存在一定局限，因此從應(yīng)用出發(fā)，對(duì)優(yōu)化進(jìn)行了定義與分類。提出了在非棄水期絕對(duì)優(yōu)化狀態(tài)下，梯級(jí)電站最優(yōu)的能量轉(zhuǎn)換方式應(yīng)為所有電站持續(xù)保持最高水位運(yùn)行，進(jìn)而提出了基于棄水概率的以較優(yōu)水位組合作為調(diào)度控制依據(jù)的優(yōu)化調(diào)度構(gòu)想。對(duì)研究背景、優(yōu)化調(diào)度的作用及意義等作了介紹。

水庫(kù)調(diào)度;優(yōu)化調(diào)度;水位控制;棄水概率

1 研究背景

對(duì)現(xiàn)有的梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度研究通常是建立模型，采用確定性動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解一段時(shí)間內(nèi)滿足約束的最優(yōu)解，有發(fā)電量最大、兼顧保證出力的發(fā)電量最大、蓄能最大及最小出力最大等模型。在實(shí)際工作中，因難以預(yù)測(cè)中長(zhǎng)期來(lái)水，就致使以假定來(lái)水已知情況下求出的最優(yōu)解與實(shí)際相去甚遠(yuǎn)，極大地限制了求解結(jié)果的應(yīng)用。因此， 對(duì)“優(yōu)化成果”爭(zhēng)論不休已成為常態(tài)。

優(yōu)化成果是基于未來(lái)的來(lái)水量、已存在的或可能存在的約束條件而獲得的結(jié)果，由于來(lái)水量存在不確定性，約束條件多種多樣，因此優(yōu)化結(jié)果往往會(huì)隨著決策者的主觀喜好而變化，且缺少客觀的數(shù)據(jù)支持。這樣會(huì)導(dǎo)致“優(yōu)化的方案過(guò)于理想，不能滿足實(shí)際需要，無(wú)可操作性”；“不能總是以強(qiáng)調(diào)需求為理由不實(shí)行優(yōu)化調(diào)度，按目前的需求持續(xù)下去，會(huì)有一個(gè)更不優(yōu)化的結(jié)果”等。當(dāng)“理想狀態(tài)”與“可操作性”相互矛盾時(shí)，關(guān)鍵在于，能否在調(diào)度決策時(shí)盡可能地依據(jù)客觀數(shù)據(jù)來(lái)做出選擇判斷。

2 優(yōu)化含義與分類

為便于討論，先定義優(yōu)化含義。本文中的“優(yōu)化”是指綜合各方需求，統(tǒng)籌規(guī)劃，最終獲得綜合效益最大的具有可操作性方案的過(guò)程。

在調(diào)度中，通常是在確保安全的前提下滿足約束來(lái)追求發(fā)電量最大，也即通過(guò)優(yōu)化梯級(jí)的發(fā)電方式,充分利用水資源，同時(shí)又能滿足各種綜合用水的需求。

依據(jù)對(duì)發(fā)電量的影響,將優(yōu)化分為2類,即絕對(duì)優(yōu)化與相對(duì)優(yōu)化。

(1) 絕對(duì)優(yōu)化。凡是不影響安全、不影響綜合利用可以實(shí)施的，且可增加長(zhǎng)期發(fā)電量的一切措施與方法。比如優(yōu)化檢修安排減少對(duì)梯級(jí)運(yùn)行方式的限制,使電量增加;加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè),減少線路潮流對(duì)水電運(yùn)行方式的限制，使電量增加;提高水文預(yù)報(bào)水平,使發(fā)電量更大;壩前或尾水清淤以提升水頭,增加發(fā)電量;優(yōu)化發(fā)電方式，最大可能地利用洪水資源以使電量增加，并使長(zhǎng)期發(fā)電量最大等。

(2) 相對(duì)優(yōu)化。以犧牲最少的發(fā)電量為條件，滿足其他綜合利用的要求,最終使綜合效益最大的措施與方法。相對(duì)優(yōu)化又可分為主觀與客觀2類，客觀類是當(dāng)前暫時(shí)無(wú)法改變的。主觀類是當(dāng)前可以改變，但為了滿足某一綜合利用要求,人為主觀地改變運(yùn)行方式來(lái)減少電量,以滿足用水需求。如滿足當(dāng)前電網(wǎng)需求、某電站正在實(shí)施的工程施工要求、防洪要求、航運(yùn)、灌溉、線路檢修要求而進(jìn)行的發(fā)電方式調(diào)整。

實(shí)際工作中，2種類型的優(yōu)化同時(shí)存在，且多數(shù)相互制約;不過(guò)，總體而言,相對(duì)優(yōu)化占大多數(shù)。雖然均為優(yōu)化，但在優(yōu)先級(jí)、手段、取舍方面，兩者還是存在較大差別。

絕對(duì)優(yōu)化是首先要爭(zhēng)取的，其優(yōu)先級(jí)高于相對(duì)優(yōu)化，即在允許情況下,努力爭(zhēng)取發(fā)電量最大是永恒的優(yōu)化目標(biāo)。在制定優(yōu)化方案時(shí)，客觀存在的限制不得不在方案中加以考慮，但這種限制一旦可以取消,則應(yīng)在第一時(shí)間取消。

當(dāng)發(fā)電與其他需求相矛盾時(shí)，可以根據(jù)需要主觀判斷，人為選擇優(yōu)先級(jí)別，逐次滿足必須的綜合用水需求，以獲得發(fā)電量最大。亦即應(yīng)考慮現(xiàn)實(shí)需要和各方利益的需求，在制定發(fā)電調(diào)度計(jì)劃時(shí),應(yīng)以最小的電量損失去滿足必要的綜合利用要求或客觀存在的約束。

3 基于棄水概率的優(yōu)化調(diào)度方法

3.1 無(wú)附加約束條件

設(shè)想一種理想狀態(tài)，即梯級(jí)電站的每一級(jí)電站出力均可在零至裝機(jī)容量之間變化，且沒(méi)有任何附加約束。也就是說(shuō)，在絕對(duì)優(yōu)化的情況下，會(huì)是怎樣一種狀況。

3.1.1 無(wú)棄水條件

在無(wú)棄水條件下，最優(yōu)的運(yùn)行方式就是梯級(jí)電站所有水庫(kù)持續(xù)保持在最高允許水位運(yùn)行，按來(lái)水發(fā)電，即無(wú)棄水時(shí)，優(yōu)化準(zhǔn)則是保持高水位運(yùn)行。在這種情況下，整個(gè)梯級(jí)處于最優(yōu)能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)中，對(duì)應(yīng)的水位組合稱之為最優(yōu)水位組合，以這樣的方式發(fā)電，不會(huì)產(chǎn)生額外的能量損失，而且可以使長(zhǎng)期發(fā)電量最大。

3.1.2 可能產(chǎn)生棄水條件

若某區(qū)間來(lái)水量增大，則該級(jí)及以下的電站需要加大出力，直至達(dá)到額定出力，盡量減少棄水。若有可信度較高的預(yù)報(bào)，可以提前加大出力。最理想的加大出力發(fā)電的提前時(shí)間是電站在持續(xù)滿發(fā)的情況下，洪水消退至滿發(fā)需要的發(fā)電流量時(shí)，水位正好落在水庫(kù)允許的最高水位上。由于該方式與來(lái)水量相關(guān)，因此,實(shí)際上不大可能獲得確切時(shí)間來(lái)提前加大出力，且會(huì)使工作中的操作難度加大。

3.2 有附加約束條件

如果考慮增加約束的情況，那么所有的約束最終都可以轉(zhuǎn)換為不同時(shí)段的電站最大、最小出力約束。

隨著約束的增加，發(fā)現(xiàn)雖然梯級(jí)的最優(yōu)能量轉(zhuǎn)換狀態(tài)在表現(xiàn)形式上發(fā)生了變化，但本質(zhì)上,仍然是在無(wú)棄水時(shí)保持最高水位運(yùn)行，或有可能在棄水時(shí)適時(shí)提前加大出力，這2種方式并無(wú)改變。因此，在任一優(yōu)化過(guò)程中，非棄水期持續(xù)保持梯級(jí)高水位發(fā)電是永恒不變的優(yōu)化法則。增加約束，只是暫時(shí)為了滿足約束而使某水庫(kù)的水位下降;一旦約束解除，其內(nèi)在的優(yōu)化法則將會(huì)迅速要求抬升水位運(yùn)行。

如果說(shuō)絕對(duì)優(yōu)化對(duì)應(yīng)一組最優(yōu)的水位過(guò)程組合，則相對(duì)優(yōu)化表現(xiàn)為在最優(yōu)水位過(guò)程組合的附近運(yùn)行。因此，只要知道絕對(duì)優(yōu)化對(duì)應(yīng)的水位過(guò)程，就能夠獲知優(yōu)化調(diào)度的操作依據(jù)。

3.3 棄水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

中長(zhǎng)期來(lái)水量具有不確定性，就無(wú)法知道在未來(lái)確定的時(shí)間內(nèi)水庫(kù)是否會(huì)產(chǎn)生棄水。在進(jìn)行棄水風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，可以運(yùn)用長(zhǎng)系列水文數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算水庫(kù)某水位產(chǎn)生棄水的概率，以此概率代表其棄水的風(fēng)險(xiǎn);概率越大，棄水的可能性就越大。棄水概率只是評(píng)估棄水風(fēng)險(xiǎn)的方法之一，不論采用什么方法，只要能獲得代表?xiàng)壦L(fēng)險(xiǎn)的指標(biāo)，便可以作為優(yōu)化調(diào)度的控制值。

3.4 棄水概率的定義與計(jì)算

3.4.1 定 義

棄水概率是指水庫(kù)水位控制在某一水位時(shí)，在某一固定時(shí)段期末發(fā)生棄水的可能性。

棄水概率的計(jì)算沒(méi)有統(tǒng)一固定不變的方法，實(shí)際上，無(wú)論采用什么方法，計(jì)算出的棄水概率都應(yīng)確實(shí)能代表水庫(kù)的棄水可能性。就某一具體水庫(kù)而言，在特定時(shí)間段內(nèi)，一個(gè)庫(kù)水位將對(duì)應(yīng)一個(gè)棄水概率,水位高，則棄水概率大;水位低，則棄水概率小。對(duì)于梯級(jí)水庫(kù)而言，其中某庫(kù)的棄水概率與該庫(kù)及以上水庫(kù)的水位相關(guān)，根據(jù)其代表性與應(yīng)用需要，可以利用徑流頻率或洪水峰量頻率計(jì)算。

3.4.2 單一水庫(kù)的計(jì)算方法

采用徑流頻率的計(jì)算方法如下。

(1) 選取可靠性高的區(qū)間長(zhǎng)系列日徑流資料;

(2) 繪制1，3，5，7d的徑流頻率曲線，并進(jìn)行合理性分析;

(3) 根據(jù)選定的庫(kù)水位,求出該水位與在該時(shí)段最高允許水位之間的庫(kù)容差，并折算成相應(yīng)的流量;

(4) 該折算流量加上發(fā)電流量，即可獲得不棄水條件下的最大允許流量;

(5) 通過(guò)相應(yīng)的徑流頻率曲線,查出該最大允許流量所對(duì)應(yīng)的頻率,即為棄水概率。

采用洪水峰量頻率計(jì)算方法如下。

(1) 選取可靠性高的區(qū)間洪水峰量資料；

(2) 繪制分期的1、3、5、7d的洪量頻率曲線;

(3) 根據(jù)選定的庫(kù)水位,求出該水位與在該時(shí)段最高允許水位之間的庫(kù)容差;

(4) 該庫(kù)容差加上相應(yīng)的發(fā)電水量,即可獲得不棄水條件下的最大允許水量;

(5) 通過(guò)相應(yīng)的洪量頻率曲線,查出該最大允許水量所對(duì)應(yīng)的頻率,即為棄水概率。

3.4.3 梯級(jí)水庫(kù)的計(jì)算方法

梯級(jí)水庫(kù)的棄水概率計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，且越位于下游，其計(jì)算越困難。目前，還沒(méi)有成熟統(tǒng)一的方法，主要是難以量化上游來(lái)水，一般傾向于簡(jiǎn)化處理，認(rèn)為上游電站滿發(fā);或是將上游電站的棄水按期望值處理。不過(guò),這些方法在實(shí)際中的應(yīng)用效果還有待檢驗(yàn)。

4 棄水概率在優(yōu)化調(diào)度中的應(yīng)用

可以這樣認(rèn)為，在某一棄水概率(風(fēng)險(xiǎn))以下,該水庫(kù)在確定的時(shí)間內(nèi)不產(chǎn)生棄水，其對(duì)應(yīng)的水位則是不棄水狀態(tài)時(shí)絕對(duì)優(yōu)化方式下的最高控制水位。

短期來(lái)水預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性明顯高于長(zhǎng)期。將不棄水狀態(tài)時(shí)絕對(duì)優(yōu)化方式下的最高控制水位組合，作為梯級(jí)當(dāng)期調(diào)度控制的末水位組合，根據(jù)短期的來(lái)水預(yù)測(cè)進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，可以使梯級(jí)近似地處于不棄水狀態(tài)而保持高水位運(yùn)行，從而獲得基于棄水概率的最優(yōu)調(diào)度結(jié)果。根據(jù)情況變化不斷滾動(dòng)計(jì)算，最終可以獲得長(zhǎng)期最優(yōu)結(jié)果。這一優(yōu)化方法的意義在于以下幾個(gè)方面。

(1) 優(yōu)化原則貫穿始終，為尋求長(zhǎng)期最優(yōu)指明方向，即不棄水狀態(tài)下,盡量保持高水位運(yùn)行，而且與調(diào)度期、約束以及綜合用水需求均無(wú)關(guān)。

(2) 以適當(dāng)?shù)臈壦怕史从持虚L(zhǎng)期來(lái)水的不確定性影響,可以經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的數(shù)據(jù)積累與分析，為優(yōu)化調(diào)度提供可靠而客觀的科學(xué)依據(jù)。

(3) 根據(jù)精度較高的短期來(lái)水預(yù)測(cè)實(shí)施優(yōu)化計(jì)算，而且不斷地修正滾動(dòng)，以使優(yōu)化調(diào)度結(jié)果具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

棄水概率最關(guān)鍵之處是其具有較好的代表性，對(duì)于不同時(shí)期、不同調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)將會(huì)有所不同。

4.1 豐枯時(shí)期

(1) 枯期。因?yàn)閬?lái)水不確定而導(dǎo)致棄水的可能性小，日調(diào)節(jié)水庫(kù)保持在正常高水位附近運(yùn)行；有調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)應(yīng)結(jié)合電網(wǎng)消納能力，依據(jù)某一選定棄水風(fēng)險(xiǎn)確定水位的下降過(guò)程。

(2) 枯汛或汛枯交替期。發(fā)生大洪水的概率較小，可以按區(qū)間日徑流推算的棄水概率來(lái)控制水位。

(3) 主汛期。發(fā)生棄水的可能性大，可按洪量推算的棄水概率來(lái)控制水位。

4.2 長(zhǎng)、中、短期不同調(diào)度時(shí)段

(1) 長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度?？梢苑制?、分庫(kù)采取合適的棄水概率，以確定水庫(kù)各時(shí)段的最優(yōu)控制水位組合過(guò)程線;此時(shí)的長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度,主要是對(duì)電力電量平衡和不同來(lái)水情況下的發(fā)電量分析展開(kāi)評(píng)估。

(2) 中短期優(yōu)化調(diào)度。可以分庫(kù)采取合適的棄水概率,以獲得時(shí)段末水庫(kù)的最優(yōu)控制水位組合，并將其作為調(diào)度期末的控制目標(biāo);根據(jù)短期來(lái)水預(yù)測(cè)結(jié)果,按梯級(jí)水庫(kù)從上至下逐時(shí)段演算，使調(diào)度期內(nèi)各庫(kù)對(duì)應(yīng)的棄水概率的變化率盡快趨于一致，由此獲得中短期調(diào)度計(jì)劃。

4.3 某些情況下的棄水風(fēng)險(xiǎn)校核

在實(shí)時(shí)調(diào)度過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)當(dāng)前水位來(lái)評(píng)估棄水風(fēng)險(xiǎn)，并將水庫(kù)棄水風(fēng)險(xiǎn)控制在某一設(shè)定的范圍內(nèi)。

對(duì)于制定好的中短期調(diào)度方案，應(yīng)當(dāng)對(duì)調(diào)度期內(nèi)的水位過(guò)程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)校核評(píng)估，掌握梯級(jí)各庫(kù)的棄水風(fēng)險(xiǎn)變化狀況，防止因預(yù)報(bào)誤差或送出等因素產(chǎn)生棄水。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于棄水概率的優(yōu)化調(diào)度,是以水位控制作為調(diào)度依據(jù)和目標(biāo)，長(zhǎng)、中、短期控制水位目標(biāo)一致。根據(jù)不斷變化的實(shí)際情況，實(shí)施滾動(dòng)調(diào)度決策，可以有效避免現(xiàn)有中長(zhǎng)期來(lái)水不確性的調(diào)度影響，而且這也是對(duì)未來(lái)梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用研究的方向之一。

(編輯：趙秋云)

2015-04-09

肖 燕，女，貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司水電站遠(yuǎn)程集控中心，高級(jí)工程師.

1006-0081(2015)04-0022-03

TV697.11

A