淺論中小流域水電梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度策略

摘要：隨著水電梯級(jí)研發(fā)建設(shè)逐步在中小流域不斷推廣，如何通過流域效益作為總體目標(biāo)，將水資源潛能真正展現(xiàn)出來顯得尤為關(guān)鍵。文章通過與中小流域梯級(jí)水電站的有利因素進(jìn)行融合，提出在各種狀況中優(yōu)化調(diào)度的優(yōu)勢所在。通過分析中小流域水電梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度，提出優(yōu)化調(diào)度的具體策略，并指出了未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：中小流域；水電梯級(jí)；優(yōu)化調(diào)度策略；水資源；水電站 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TV737 文章編號(hào)：1009-2374（2016）26-0112-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.054

水能資源存在流域的特征，通過聯(lián)合調(diào)度流域梯級(jí)電站，進(jìn)行統(tǒng)一化管理，對(duì)于完成水能資源的有效運(yùn)用十分有利，真正展現(xiàn)出梯級(jí)樞紐的綜合利用效益。流域梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度成為新型、效率較高的管理方式。

當(dāng)前，在中小流域水電梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度的管理方面，已經(jīng)在國外獲得較好的反響，所有相應(yīng)的技術(shù)也趨于成熟，有的流域水電站群執(zhí)行異地遠(yuǎn)程集中控制調(diào)度。依照國家的節(jié)能發(fā)電要求，不斷探尋中小流域梯級(jí)水電站的調(diào)度改革，把中小流域梯級(jí)水電站的調(diào)度權(quán)力交給流域水電研發(fā)公司進(jìn)行集中化管控，電網(wǎng)只傳達(dá)總負(fù)荷，依照河流梯級(jí)水電站的特征，執(zhí)行梯級(jí)水電站與機(jī)組之間的符合分配以及調(diào)度控制。

1 中小流域梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度的有利因素

1.1 國家節(jié)能發(fā)電調(diào)度政策的扶持

流域梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度管理方式的推動(dòng)符合了國家在節(jié)能發(fā)電調(diào)度政策方面的標(biāo)準(zhǔn)，其中明確指出了針對(duì)流域梯級(jí)水電站，需要不斷積極進(jìn)行水庫優(yōu)化調(diào)度乃至水庫群的優(yōu)化調(diào)度，有效使用水庫儲(chǔ)水。

1.2 已有梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度獲得的效益與經(jīng)驗(yàn)

流域梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度已經(jīng)在全球獲得了良好的成績。在法國的電力公司乃至我國湖北清江水電開發(fā)有限責(zé)任公司、貴州省的烏江水電開發(fā)有限責(zé)任公司等均在流域梯級(jí)水電站執(zhí)行了聯(lián)合調(diào)度。通過實(shí)踐可以發(fā)現(xiàn)，梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度通過上下游水庫填補(bǔ)調(diào)節(jié)作用顯著提升梯級(jí)電站確保出力、年均發(fā)電量、枯期電量，明顯增加了梯級(jí)電站的經(jīng)濟(jì)效益，提升了電能的品質(zhì)，并且良好的集控系統(tǒng)的運(yùn)用可以提升工作的效率以及調(diào)度指令運(yùn)行的正確率，能夠令電網(wǎng)更加穩(wěn)定地運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.3 裝機(jī)規(guī)模小，完成聯(lián)合調(diào)度較易

通常中小流域梯級(jí)水電站裝機(jī)規(guī)模較小，總體梯級(jí)聯(lián)合出力占電網(wǎng)總出力過低，調(diào)度較為靈活，系統(tǒng)在技術(shù)中較易執(zhí)行。對(duì)系統(tǒng)潮流的分布以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有較小的影響，有利于執(zhí)行梯級(jí)集中控制，對(duì)于梯級(jí)中優(yōu)化分配負(fù)荷，能夠透過梯級(jí)電站中出力分配協(xié)調(diào)提升電力輸出的品質(zhì)。

1.4 簡單研發(fā)主體對(duì)聯(lián)合調(diào)度執(zhí)行有利

通過水電方式進(jìn)行網(wǎng)上競價(jià)，不同業(yè)主梯級(jí)水電站屬于獨(dú)立參與市場競爭，在報(bào)價(jià)的內(nèi)容方面屬于商業(yè)機(jī)密，因此不可對(duì)外公開，從而下游水電站較難正確評(píng)估本身所有報(bào)價(jià)階段的發(fā)電能力。并且假如上游水電站在網(wǎng)上競價(jià)成功，而下游水電站無法成功，則下游水位已經(jīng)貼近正常儲(chǔ)水位的狀況，容易產(chǎn)生棄水，如此則違反了有效運(yùn)用水資源的原則。所以單一研發(fā)主體的狀況，將一切結(jié)合為一臺(tái)模擬報(bào)價(jià)機(jī)組，從而進(jìn)行網(wǎng)上競價(jià)，之后將競價(jià)成功的負(fù)荷過程依照相應(yīng)準(zhǔn)則進(jìn)行廠間、廠內(nèi)的有效分配。

1.5 自動(dòng)化系統(tǒng)為聯(lián)合調(diào)度給予了穩(wěn)定的技術(shù)保障

要完成中小流域水電梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度，需要具備現(xiàn)今的自動(dòng)化設(shè)備，梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度綜合了自動(dòng)化系統(tǒng)、水清測報(bào)系統(tǒng)、水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)以及通信系統(tǒng)，成為完成中小流域水電梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度的重要子系統(tǒng)。當(dāng)前全球在這方面的技術(shù)已經(jīng)十分先進(jìn)，為流域梯級(jí)水電站的運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)施給予了穩(wěn)定的技術(shù)力量。

2 中小流域梯級(jí)模型的簡化

對(duì)于研發(fā)的策略而言，需要與具體環(huán)境規(guī)劃相融合，將流域梯級(jí)水電研發(fā)建設(shè)規(guī)劃的工作做好。因?yàn)樾纬闪饔蛑兴娬镜囊?guī)模有別，并且在功能方面具有不同的側(cè)重點(diǎn)，所以依照理論而言，這一梯級(jí)優(yōu)化核算的形式，負(fù)荷全流域的水電站群。由于涵蓋的相應(yīng)條款具有較大的數(shù)目，所以需要融合不同流域的特征，依照不同的分組、分類來判斷流域中的水電站優(yōu)化目標(biāo)準(zhǔn)則以及參與優(yōu)化的形式，從而令求解規(guī)模降低，將優(yōu)化問題的目標(biāo)進(jìn)行分解。

第一，為了令參與優(yōu)化角度核算的電站數(shù)目降低，應(yīng)當(dāng)依照中小流域梯級(jí)水電系統(tǒng)的調(diào)節(jié)能力給予規(guī)劃。對(duì)于流域上游的大型水電站而言，通常具備龐大的調(diào)節(jié)能力。但大型水電站具有對(duì)下游徑流量給予調(diào)節(jié)的效果，從而提高梯級(jí)總體效益。因此，大型水電站的調(diào)度則成為優(yōu)化總體系統(tǒng)的重要所在。而出于來水的作用，日調(diào)節(jié)水電站梯級(jí)具備短期優(yōu)化調(diào)度的效益。

第二，為完成簡化系統(tǒng)模式的目的，需把規(guī)模大的梯級(jí)調(diào)度轉(zhuǎn)向小的梯級(jí)調(diào)度進(jìn)行分析，需采用功能差別、統(tǒng)一管理的方式。與本身的特征相融合，所有組對(duì)優(yōu)化形式給予選擇，且接受流域的統(tǒng)一管理。對(duì)一組水電站群水利關(guān)聯(lián)較密的，進(jìn)行中長期調(diào)度，可朝著一個(gè)總體轉(zhuǎn)化給予優(yōu)化。關(guān)于上游是大庫水電站的梯級(jí)水電的集群，處于下游無調(diào)節(jié)水電站的狀況中，可以執(zhí)行廠內(nèi)優(yōu)化的調(diào)度核算。

第三，為降低反復(fù)核算，可依照電網(wǎng)負(fù)荷因素改變與徑流來水，對(duì)調(diào)度核算給予簡化。對(duì)于來水與系統(tǒng)負(fù)荷不具備較大變化的狀態(tài)下，執(zhí)行短期優(yōu)化調(diào)度中，打造梯級(jí)水電站的調(diào)度方案，需參考前一段編排，選擇一些電站具備特殊地位的，乃至調(diào)節(jié)能力較強(qiáng)的電站，通過執(zhí)行局部調(diào)整的方式，可以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷來水的轉(zhuǎn)變，盡量令機(jī)組啟停頻率減少。通過使用不同方式，令中小流域梯級(jí)調(diào)度問題獲得良好的處理，完成大規(guī)模系統(tǒng)分解，對(duì)優(yōu)化核算十分有利。

3 梯級(jí)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法

對(duì)相對(duì)繁瑣的梯級(jí)水電系統(tǒng)，不論作為目標(biāo)函數(shù)還是束縛條件，簡化為有利于直接數(shù)學(xué)求解的數(shù)學(xué)模型的方式較為艱難，大部分并不能通過解析式的優(yōu)化形式，需要找出其他方式與用途。

對(duì)于梯級(jí)優(yōu)化算法的分析開始于20世紀(jì)40年代，通過長期分析，研究人員提出了龐大的梯級(jí)優(yōu)化算法。經(jīng)典的算法包含了線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)流與大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)的方式。為了處理維數(shù)災(zāi)的問題，衍生出了逐步優(yōu)化算法及動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次逼近方法。從20世紀(jì)90年代開始，由于啟發(fā)式算法的產(chǎn)生，令梯級(jí)優(yōu)化算法的選擇更為寬泛，但卻具有相應(yīng)的優(yōu)勢與劣勢，動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的核算速度較慢，較易發(fā)生維數(shù)災(zāi)的問題，POA算法對(duì)于電站數(shù)量過多時(shí)具有較慢的收斂速度，占據(jù)的內(nèi)存較大。遺傳算法局部搜索的能力較差，粒子群算法收斂速度較快，可是較易陷進(jìn)局部最優(yōu)解。對(duì)于中小流域優(yōu)化調(diào)度的實(shí)際運(yùn)用而言，通過方式的結(jié)合，取長補(bǔ)短，成為求解問題的有效方法。

3.1 動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次逼近的算法

動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次逼近算法的中心思想則為把m維的動(dòng)態(tài)規(guī)劃問題分解成m個(gè)子問題，把梯級(jí)尋優(yōu)分解成單庫尋優(yōu)，透過降低狀態(tài)數(shù)實(shí)現(xiàn)減少維的目的。核算中將其他電站的狀態(tài)變量進(jìn)行固定，僅優(yōu)化第i庫的決策變量次序，之后將這一變量次序進(jìn)行固定，將第i+1庫進(jìn)行優(yōu)化。不斷迭代之后，獲得梯度調(diào)節(jié)的最優(yōu)解。對(duì)于DPSA核算方法的基本體系中，還可以結(jié)合其他查找算法從而尋優(yōu)局部參數(shù)，對(duì)于不同的梯級(jí)特征準(zhǔn)確進(jìn)行結(jié)合。DPSA能夠確保收斂，可是初始值的設(shè)定對(duì)收斂的精確度乃至速度均具備較大的作用。

3.2 粒子群的核算方法

相較于DPSA的核算方法，粒子群的核算方式的優(yōu)點(diǎn)在于所需的參數(shù)較少，收斂的速度較為迅速。粒子群核算方式是仿照鳥類捕食群體的方式而產(chǎn)生的方法。算法先要隨機(jī)產(chǎn)生一群粒子，所有微粒體現(xiàn)著問題的一組可行解。在所有迭代內(nèi)，通過目標(biāo)函數(shù)核算粒子的適應(yīng)度判斷粒子的優(yōu)劣狀態(tài)，微粒持續(xù)尋求最佳粒子在解空間內(nèi)運(yùn)行，最終總體呈現(xiàn)最佳區(qū)域。飛行的方位以及速度需通過粒子目前位置以及目前整體極值與個(gè)體極值的距離。粒子群算法雖然在完成方面較為簡單，可是算法的穩(wěn)定性并不如DPSA的核算方式，在具體使用中需適時(shí)改變，以免過早進(jìn)入局部最優(yōu)解。對(duì)于粒子群的算法而言，也可以結(jié)合其他算法的理念，比如遺傳算法的融合變異等，以此令算法的性能獲得提升。

4 結(jié)語

綜上所述，中小流域梯級(jí)優(yōu)化面對(duì)的束縛以及求解任務(wù)十分繁瑣。文章通過不同方面對(duì)中小流域的梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度進(jìn)行探究。以梯級(jí)優(yōu)化規(guī)模的簡化、數(shù)學(xué)模型的建造、優(yōu)化核算等層面進(jìn)行著手，從不同方式融合求解中小流域梯級(jí)水電優(yōu)化的有效方法。中小流域水電的研發(fā)工作，雖然在規(guī)模上較小，卻具備了良好的綜合效益。為了科學(xué)有效地執(zhí)行流域梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度，需要將流域進(jìn)行統(tǒng)一，分期研發(fā)的電站依照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)劃、原則，打造全流域現(xiàn)代化的體系。創(chuàng)建一個(gè)有效的綜合信息化平臺(tái)，最大程度完成信息的共享，提升中小流域水電梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度的管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳鐵華.梯級(jí)水電站群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度策略綜述[J].水電能源科學(xué)，2010，（10）.

[2] 朱艷君，馬光文，江栓丑，等.中小流域水電聯(lián)合調(diào)度管理模式的研究[J].華東電力，2010，（4）.

[3] 李樹山，廖勝利，李剛，等.大規(guī)模小水電群一體化發(fā)電計(jì)劃編制方法[J].中國機(jī)電工程學(xué)報(bào)，2012，（13）.

作者簡介：張偉華（1970-），國網(wǎng)江西省電力公司柘林水電廠調(diào)度班長，工程師。

（責(zé)任編輯：小 燕）