非基于水情預報模型下的流域總負荷實時優化調度系統設計

曹 偉, 寧杰城, 左仁文

(四川華能涪江水電有限責任公司,四川成都 610041)

1 概 述

我國水能資源具有以下特點:資源豐富,但其時空分布極不平衡,同時來水與需水也不相適應,因此對水資源利用進行調節是必須的。目前,國內可開發的水電資源已經面臨飽和,故如何高效利用已開發的水資源,即對水資源的優化調度問題必將成為將來需要重點研究的問題。

從國內外水資源優化調度的發展歷史看,已有無數前行者對水資源的優化進行了非常有意義的探索。國外優化調度采用的主要優化方法有:線性規劃、動態規劃、大系統分解協調、模擬技術以及遺傳算法和人工神經網絡模型等。但是,由于水資源利用系統的復雜性、多樣性和綜合性,各種優化方法和數學模型往往存在“維數災、組合爆炸”而難以求解,從而造成優化理論與實際應用之間仍然存在著較大的差距。

傳統優化調度方法難以滿足工程實踐的要求,既有方法本身帶來的求解難度,也與傳統方法必須是基于預報模型做來流預報有關。預報模型的精度本身極難把握,而且要做到實時優化調度,其要求的預報精度和靈敏性更高,因此,現存的預報模型往往不具備這樣的要求。在我國,近幾年是水電開發的高峰期,很多開發流域不是大江大河,流域上原存的水文資料本來就十分缺乏,有些甚至沒有。因此,在這樣的流域根本不可能建立起基于預報模型的優化調度系統。同時,由于過去受經濟、科技發展水平的限制,水電站以單站、單庫分布為常態,而今流域梯級開發已成為常態,且隨著自動化程度的提高,國內已經開始對 AGC實時調度進行研究和實踐。因此,傳統的調度方法已經很難滿足時代發展的要求。

華能涪江公司所屬的火溪河梯級電站共一庫四級,于 2008年初開始梯級總負荷調度,為研究流域梯級應用型實時優化調度系統提供了較好的條件。公司人員在這一基礎上進行了深入研究,率先提出并構建了非基于水情預報模型的實時優化調度系統。筆者對該系統的幾個關鍵問題進行了闡述和討論,以期能解決目前在梯級應用型實時優化調度系統開發和設計中遇到的難題。

2 應用型梯級實時優化調度系統的研究目標

應用型實時優化調度系統的調度目標是各梯級電站的負荷分配——即電調。但電調受制于流域不同站的可調水資源總量,因此,其實質是調度梯級電站之間的水資源——即水調。分析電調和水調二者的關系可知:從長期看,電調最終服從于水調,這是因為流域長期的梯級總出力最終決定于流域來水情況;而從短期看,根據目前的電力系統運行機制,水調則需首先滿足在流域梯級電站總負荷給定情況下的電調要求。由此我們可以看出:應用型實時優化調度系統要解決的一對主要矛盾就是:水調與電調在短期和長期兩個目標上相互制約的矛盾。如何做到既能在短期滿足實時電調要求,在長期又能實現水資源的最優利用就是該系統的研究目標。

同時,由于火溪河水文資料缺乏,難以構建預報系統,要實現流域水資源的最優利用,還必須依靠非基于預報模型優化調度系統來協調解決電調和水調的矛盾,才能保證該系統不僅僅具有理論研究意義,而且是實際可行的應用型系統。

3 解決非基于預報模型下的來流預報問題

對來流情況的掌握是梯級優化調度的基礎性條件,具有決定性的作用。若沒有準確可靠的來流預測,則優化調度根本不可能實現。但正如前面所分析的那樣,很多流域不具備構建高精度預報模型的條件,在這樣的流域中必須采用非基于預報模式下的流域來流預測。

根據我們對火溪河流域的研究,發現該流域植被良好,自然條件較為優越,土壤蓄水情況較好。因此,該流域在枯水期和平水期以及汛期非洪水階段來流均較為穩定,來流變化均成漸變趨勢,突變情況較少。因此,我們考慮用前一時間周期的來流平均值代替下一時間周期的來流進行水資源規劃具有可行性。若要獲得前一時間周期的來流,則可以通過對前一時間周期的發電、庫水位變化、機組特性曲線等進行反算得出。為保證來流的精確性,我們降低了采樣的時間周期。火溪河流域實時優化調度系統以 5min為一個時間周期進行滾動演算。

但是,當我們知道來流變化后,對來流利用的規劃也必須改變,否則不可能做到優化調度。但頻繁的更換規劃模式會造成對流域各級電站機組進行頻繁啟停調度,從而使系統的穩定性變差,而根本不可能實際應用。因此,在實際應用中,我們實際采用的是將長周期來流平均值做來流利用規劃,這樣就能避免機組運行模式的頻繁變更。

4 非基于預報模型下的來流預報精確性問題

非基于預報模型下的優化調度是以流量反算為基礎進行調度的。因此,來流反算是否精確,則是保證系統構建基礎正確的關鍵。在火溪河流域總負荷優化系統中,我們構建了虛擬梯級系統用以驗證反算來流的精確性。

所謂虛擬梯級是指:當人工將流域總負荷分配到站后,優化調度系統根據人工分配到站的負荷對各站來流進行反算,并根據反算結果繪制各站水庫水位變化曲線。同時,實際各站的水位變化也有一條動態曲線,這條曲線是由實際分配到各站的負荷和實際各站來流的變化情況決定。而決定虛擬梯級所繪制的庫水位變化曲線的變化因素則是由實際分配到各站的負荷和反算來流決定的。因此,當這兩條曲線基本重合時,則說明反算來流和實際來流是一致的,由此就可以保證反算的來流能夠替代實際來流,從而驗證其精確性。

5 非基于預報模型下的實時優化調度系統的自動更新

上述措施解決了非基于預報模型下的實時優化調度系統所依據的來流問題,并對來流可以利用虛擬梯級的方法進行精度驗證,但這種方法并不能消除反算來流與實際來流的差異。既然其不能消除差異,則使用反算來流進行優化調度持續時間一長必然會出現優化調度的基礎異化、誤差擴大,但反算流量總是滯后于實際流量的,因此絕不可能提前消除誤差。唯一可行的辦法是適時更新反算流量,因為該系統設計的反算是滾動更新的,故最近的反算流量與真實流量的差異是最小的,若能適時更新,則必然可以較為顯著降低誤差。

設計應用型實時優化調度系統需要適時更新的信息中的調度流量只是其中之一,筆者就如何自動更新調度流量進行介紹如下。火溪河流域梯級實時優化調度系統設計之初,我們考慮選用反算來流與實際來流的誤差限度作為實時更新的條件,但在實施過程中發現:流域內各站水庫的調節性能不一樣,各站區間產流特性也不一樣,若以固定誤差限度作為重新掃描條件進行負荷重規劃,則可能造成某些站調節性能利用不足,導致規劃策略頻繁更換,系統缺乏穩定性,進而破壞機組性能。但總負荷調度需要四級同時規劃,而不能分別設置誤差限度條件。若分站進行誤差設置很難兼顧調節性能、產流條件、誤差限度之間的矛盾。

經過仔細分析后我們發現:水位的變化涵蓋了流量的變化。無論流量如何變化,最終都會反映到水位的變化上,而水位控制是系統安全性的首要因素,因此,我們以水位變化的差異作為重新規劃的條件,使之既能滿足安全性,又能兼顧調節性和流量誤差。實際應用中,火溪河流域實時優化系統采用水位誤差重掃描方法,確實較好的解決了這一矛盾。

6 解決 AGC實時調度與長期優化調度相互兼容的方法

我們知道,AGC實時調度與長期優化調度之間的目標是完全不同的:AGC實時優化調度只要能滿足電調的要求即可,即流域總出力滿足流域總負荷要求即可。長期優化調度是尋求最優利用流域水資源,因此,需要根據來水情況合理分配負荷,而不管電調的總負荷要求。如何解決這一對矛盾,就是我們所要尋求的兼容方法。

首先,我們已經分析得出:短期水調必須滿足電調,這是應用型優化調度系統的必然要求。因此我們必須將對水資源的長期優化調度化解為短期優化調度,從而讓水調滿足電調,由此我們可以將流域水資源長期最優調度值分解為:

式中 Qmax為 流域每天水資源最優調度值;Q(t)max為每 15min流域水資源最優調度值;t為將一天 24h,按每 15min為一個點,共分為 96個點。

由式(1)可以看出,只要每 15min梯級優化調度最優,則可保證全天梯級最優。同理,若每天調度最優,則可保證全年調度最優。因此,將水資源長期優化調度化解為短期優化調度是可行的。同時,這種調度方法不需要建立在流量預測的基礎上,只要選擇合適的最優化調度方法,從下到上逐級優化調度各站,根據式(2)即可保證 Q(t)max最優。

式中 q(i)max為第 i級電站水資源最優利用值,火溪河梯級共四級。

7 非基于水情預報模型下的流域總負荷實時優化調度系統的構建

筆者撰寫此文的主要目的是解決非基于水情預報模型的優化調度系統設計的基礎性問題,即流量如何獲得,實時總負荷調度與長期、全流域優化性的兼容問題。筆者未考慮全面介紹構建應用型實時優化調度的所有問題。根據筆者介紹的設計思想及基礎問題的解決方法,即可以構建整個系統,其程序模塊見圖 1。

圖 1 程序模塊圖

[1] 董子敖.水庫群調度與規劃的優化理論和應用[M].濟南:山東科技出版社,1989.

[2] 李鈺心 徐鼎甲.水電站經濟運行[M].北京:中國水利水電出版社,1999.