基于雙向搜索策略的梯級水電站調(diào)峰模型

張 俊，申建建，吳慧軍

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州310007；2.大連理工大學，遼寧大連116024；3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510663)

基于雙向搜索策略的梯級水電站調(diào)峰模型

張 俊1，申建建2，吳慧軍3

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司，浙江杭州310007；2.大連理工大學，遼寧大連116024；3.中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東廣州510663)

針對華東地區(qū)梯級水電站調(diào)度運行管理中電網(wǎng)調(diào)峰和頂潮抗咸矛盾的問題，將頂潮需求描述為流量控制約束，建立了梯級水電站群調(diào)峰電量最大模型，提出一種正反向啟發(fā)式搜索方法進行模型求解，采用罰函數(shù)和可行區(qū)間預(yù)測法處理復雜的電站約束和控制條件，以提高方法的搜索效率。通過仿真編制梯級水電站調(diào)度計劃進行驗證，結(jié)果表明模型和求解方法可滿足下游頂潮抗咸和電網(wǎng)調(diào)峰需求，是一種切實可行有效的方法。

調(diào)峰；頂潮；水電；調(diào)度計劃；優(yōu)化

0 引 言

我國大江大河普遍面臨發(fā)電和其他用水等綜合利用要求[1-3]。對華東地區(qū)入海的江河而言，綜合利用要求除了防洪、灌溉、通航、水產(chǎn)養(yǎng)殖等以外，為保證沿岸和下游城市飲用水源的質(zhì)量，頂潮抗咸已經(jīng)成為日益重要的剛性約束條件。水電站因其快速靈活的調(diào)節(jié)性能，一方面對電網(wǎng)調(diào)峰更加重要，一方面又要滿足日益調(diào)高的綜合利用要求，水電運行方式的合理性將對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行和保障經(jīng)濟民生產(chǎn)生重要影響。電網(wǎng)峰谷差持續(xù)加大，調(diào)峰能力相對不足，調(diào)度計劃安排面臨越來越復雜的控制約束和需求，如何科學安排梯級水電站的發(fā)電運行方式，協(xié)調(diào)電網(wǎng)調(diào)峰與地方政府部門對水庫的綜合利用要求，需要切實有效的優(yōu)化調(diào)度方法。

電網(wǎng)調(diào)度運行管理工作中的水電優(yōu)化調(diào)度業(yè)務(wù)是復雜的大規(guī)模非線性優(yōu)化問題，受限于梯級水電站時變和空間耦合的水力和電力聯(lián)系，問題的建模及求解尤其復雜，長期以來一直受到國內(nèi)外學者的普遍關(guān)注和深入研究[4- 6]，并逐步形成數(shù)學規(guī)劃和人工智能兩類建模求解方法[7]。

本文重點針對華東地區(qū)梯級水電站調(diào)峰和頂潮發(fā)電調(diào)度問題，建立了耦合頂潮流量要求的梯級水電站調(diào)峰電量最大模型，提出了高效的約束處理策略和正反向啟發(fā)式搜索方法，實現(xiàn)了梯級水電站精細化調(diào)度與控制，給出了科學的電站運行計劃。

1 數(shù)學模型

本文采用常用的調(diào)峰電量最大模型[9-10]對梯級水電站調(diào)度計劃進行建模，目的是在滿足下游頂潮等綜合利用要求的條件下，通過優(yōu)化梯級水電站日96時段發(fā)電出力過程，實現(xiàn)水能資源高效利用，同時盡可能滿足電網(wǎng)的調(diào)峰要求。

1.1 目標函數(shù)

(1)

1.2 約束條件

水量平衡約束

(2)

發(fā)電流量約束

(3)

電站出力約束

(4)

庫水位約束

(5)

末水位控制

(6)

式中，ZTm表示電站m給定末水位控制要求。

電站出力爬坡限制

(7)

電站開停機持續(xù)時間要求

(8)

式中，tgm、tsm分別表示電站m的最小開機與停機持續(xù)時間。

電站頂潮流量需求

(9)

電站出力波動控制約束

(10)

式中，tem為一輪出力升降過程中最高或最低點需持續(xù)的最少時段數(shù)，tem>1。

2 模型求解

2.1 約束處理方法

梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度涉及到非常復雜的約束條件，統(tǒng)一求解面臨很大困難，本文根據(jù)約束條件特點，設(shè)計了適合的處理方法和策略。

2.1.1 罰函數(shù)處理策略

采用罰函數(shù)方法處理水量平衡、電站出力限制、出庫流量限制、庫水位限制等約束條件，見下式。當約束之間相互矛盾時，通過罰函數(shù)強制滿足優(yōu)先級高的約束。

(11)

2.1.2 可行流量區(qū)間預(yù)測法

可行流量區(qū)間預(yù)測法是根據(jù)面臨的約束和控制要求，估算面臨時段發(fā)電流量的大致可行范圍，主要包括：

(1)頂潮流量需求。本文通過控制水電站的出庫流量下限描述頂潮流量需求，即電站各時段的出庫流量必須滿足頂潮所需的最小流量要求，記為Ω1。

(2)出力限制。根據(jù)最大最小出力邊界約束，按照面臨時段耗水率估算發(fā)電流量搜索范圍，記為Ω2。

(3)出力爬坡與開停機持續(xù)約束。在以流量為變量尋優(yōu)時，按照面臨時段耗水率預(yù)估滿足爬坡約束的流量范圍，記為Ω3。

(4)出力波動約束。對于有末水位、日電量、日平均出庫流量控制要求的電站，在局部搜索過程中以相鄰時段總出庫流量不變?yōu)榭刂茥l件，對其后面時段的出庫流量應(yīng)作等量反向變化，進而預(yù)估其水位，確定流量搜索范圍，記為Ω4。

對上述得到多個流量區(qū)間取交集運算，確定出面臨時段決策變量的可行搜索范圍Ω為

Ω=Ω1∩Ω2∩Ω3∩Ω4

(12)

2.2 正反向啟發(fā)式搜索方法

提出梯級水電站調(diào)度的正反向啟發(fā)式搜索方法，該方法引入了兩種搜索模式：①正向搜索模式即下游約束上游的搜索模式，通過下游電站的出力、水位、流量等條件限制上游調(diào)度過程，調(diào)整上游電站運行狀態(tài)；②反向搜索模式即下游牽動上游的搜索模式，通過調(diào)整各上游電站出力改變下游各電站的運行狀態(tài)。

由于電站間的復雜水力聯(lián)系和差異較大的調(diào)節(jié)性能，在梯級負荷分配過程中，很難精確判斷上游電站調(diào)度過程上對下游的影響，極易出現(xiàn)梯級棄水以及約束破壞等情況，因此需要正反向搜索模式相結(jié)合，以實現(xiàn)上下游電站真正的協(xié)調(diào)優(yōu)化。以兩個梯級水電站為例，給出了啟發(fā)式搜索方法的求解流程：

(1)切斷梯級電站之間的水力聯(lián)系，將電站出力清零，而后以滿足該電站控制方式為目標，按照負荷分配規(guī)則依次進行第一次出力分配。

(2)恢復電站A與B之間的上下游水力聯(lián)系(A為下游，B為上游)。

(3)選擇電站A作為當前計算電站。

(4)判斷電站A是否存在棄水，若是，則按照負荷分配規(guī)則計算各時段的出力調(diào)整優(yōu)先順序，增加該電站出力，后采用反向搜索模式考慮電站B出力減??；否則，轉(zhuǎn)至步驟(5)。

(5)判斷電站A是否發(fā)生最小出力、最低庫容及波動約束破壞，若是，采用反向搜索模式通過電站B的出力變化實現(xiàn)；否則，轉(zhuǎn)至步驟(6)。

(6)判斷電站A是否滿足控制目標要求，若是，按照負荷分配規(guī)則計算權(quán)重系數(shù)最小的幾個關(guān)聯(lián)時段與權(quán)重系數(shù)最大的幾個關(guān)聯(lián)時段，按一定的步長分別減小出力與增大出力；否則確定出力增減方向，并按各時段相應(yīng)順序調(diào)整該電站出力，若仍無法滿足，則通過反向搜索模式，在保證電站B的控制條件不破壞的前提下，使電站A盡可能接近控制目標要求。

(7)若步驟(4)～(6)的調(diào)整，造成電站B的控制目標偏離，則在不破壞電站A控制目標的前提下，采用反向搜索模式，即計算電站A各時段的出力調(diào)整優(yōu)先順序，依次調(diào)整電站A的出力并固定，牽動電站B的進行出力調(diào)整來滿足其給定的控制目標。

(8)選擇上游電站B作為當前計算電站。

(9)判斷電站B的計算結(jié)果是否滿足給定的控制目標精度要求，如果是，按照負荷分配規(guī)則計算權(quán)重系數(shù)最小的幾個關(guān)聯(lián)時段與權(quán)重系數(shù)最大的幾個關(guān)聯(lián)時段，按一定的步長分別減小出力與增大出力。否則，根據(jù)計算目標與給定目標的大小，確定變量的調(diào)節(jié)方向，如計算末水位小于控制末水位時，需要減小出力，權(quán)重系數(shù)最小的幾個關(guān)聯(lián)時段優(yōu)先減小；如計算末水位大于控制末水位時，需要加大出力，權(quán)重系數(shù)最大的時段優(yōu)先增大。

(10)對電站A采用定水位調(diào)節(jié)計算，確保其滿足通航等特殊需求約束。

(11)計算兩次目標函數(shù)值是否滿足給定的精度要求，若是，計算結(jié)束；否則，轉(zhuǎn)至步驟(3)。

3 實例分析

我國東部地區(qū)某流域上梯級水電站A(上游電站)和B(下游電站)，承擔電網(wǎng)調(diào)峰和下游頂潮的重要任務(wù)，電站特征參數(shù)見表1。

表1 水電站基本參數(shù)

圖1和圖2分別給出了電站A和電站B的優(yōu)化計算結(jié)果，其中電站A日均發(fā)電流量為311 m3/s，發(fā)電主要集中于8∶30～12∶00早高峰和18∶00～22∶00晚高峰時段，發(fā)揮了水電站調(diào)峰作用，由于水庫具有多年調(diào)節(jié)能力，其日水位變幅很??；電站B日均出庫流量為1 112 m3/s，最小為300 m3/s，滿足了給定的頂潮流量精度范圍，保證了下游城市的用水質(zhì)量。

圖1 電站A水位和出力過程

圖3給出了梯級水電站的總出力過程，可以看出，梯級電站運行計劃在滿足給定的約束和控制條件下，其發(fā)電運行盡可能集中于用電高峰時段，最大調(diào)峰容量達到了1 080 MW，可以有效緩解電網(wǎng)日益嚴重的調(diào)峰壓力，有利于電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行。

圖2 電站B水位和出力過程

圖3 梯級水電站總出力過程

4 結(jié) 論

隨著經(jīng)濟發(fā)展形勢趨緩，華東地區(qū)供用電形勢呈現(xiàn)總體平衡的特征，并有逐漸富余的趨勢，同時，隨著外部特高壓通道受電規(guī)模逐步擴大和區(qū)域內(nèi)風電和太陽能等新能源快速規(guī)模化發(fā)展，電網(wǎng)調(diào)峰困難問題日益突出。梯級水電站的調(diào)峰、調(diào)頻與供水等綜合用水之間的矛盾日漸凸顯，如何協(xié)調(diào)電網(wǎng)調(diào)峰和地方部門的綜合用水需求，是實現(xiàn)水資源綜合高效利用和緩解日益嚴重的電網(wǎng)調(diào)峰壓力面臨的重要理論和實踐難題。本文研究來源于上述實際工程，提出的考慮頂潮需求的發(fā)電調(diào)度方法可以在保證下游城市用水質(zhì)量的前提下最大程度發(fā)揮梯級水電站的調(diào)峰能力，是一種切實可行高效的方法，可以為具有綜合利用要求的大江大河流域工程運行借鑒與參考。

[1] 鄒進, 張勇傳. 三峽梯級電站短期優(yōu)化調(diào)度的模糊多目標動態(tài)規(guī)劃[J]. 水利學報, 2005, 36(8): 925- 931．

[2] 唐海華, 陳森林, 趙宇. 三峽梯級電站短期優(yōu)化調(diào)度模型及算法[J]. 水電能源科學, 2008, 26(3): 133- 136．

[3] 馬超. 耦合航運要求的三峽-葛洲壩梯級水電站短期調(diào)度快速優(yōu)化決策[J]. 系統(tǒng)工程理論與實踐, 2013, 33(5): 1345- 1350．

[4] 程春田, 申建建, 武新宇, 等. 大規(guī)模復雜水電優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的實用化求解策略及方法[J]. 水利學報, 2012, 43(7), 85- 795．

[5] 程春田, 武新宇, 申建建, 等. 大規(guī)模水電站群短期優(yōu)化調(diào)度的實用化方法I: 總體概述[J]. 水利學報, 2011, 42(9): 1017- 1024．

[6] BARROS M T L, TSAI F T-C, YANG S L, et al. Optimization of large-scale hydropower system operations[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 2003, 129(3): 178- 188．

[7] LABADIE J W. Optimal operation of multireservoir systems: State-of-the-art review[J]. Journal of Water Resources Planning and Management, 2004, 130(2): 93- 111．

[8] YEH W W-G. Reservoir management and operations models: a state-of-the-art review[J]. Water Resources Research, 1985, 21(12): 1797- 1818．

[9] 武新宇, 程春田, 申建建, 等. 大規(guī)模水電站群短期優(yōu)化調(diào)度方法Ⅲ: 多電網(wǎng)調(diào)峰問題[J]. 水利學報, 2012, 43(1): 31- 42．

[10] 申建建. 大規(guī)模水電站群短期聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究與應(yīng)用[D]. 大連： 大連理工大學, 2011．

PeakModulationofCascadedHydropowerStationBasedonBi-directionSearchStrategy

ZHAGN Jun1, SHEN Jianjian2, WU Huijun3

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, Zhejiang, China;2. Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;3. Electric Power Dispatching Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou 510663, Guangdong, China)

Aiming at the contradiction of power grid system peak modulation and anti-tide in the operation and management of cascade hydropower stations in East China, the demand of anti-tide is converted to flow control restraint and the maximum electric quantity model of cascaded hydropower stations is established. A bi-direction search strategy is proposed to solve the model, in which, the penalty function and forecast method of feasible solution are used to deal with complex constraint and control conditions of power stations for improving searching efficiency. The simulation on scheduling plan of cascaded hydropower stations shows that the model and solution method can meet the requirements of grid system peak modulation and anti-tide regulation and is feasible and effective．

peak modulation; anti-tide; hydropower; dispatching plan; optimization

TM73

A

0559- 9342(2017)09- 0081- 04

2017- 04- 29

國網(wǎng)浙江省電力公司科技資助項目(5211JY5000C)；國家自然科學基金資助項目(51579029)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DUT16QY30)

張俊(1981—)，男，浙江杭州人，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度和水電管理工作．

(責任編輯高 瑜)