徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)研發(fā)

肖　楊,鄺錄章

(五凌電力有限公司,湖南長沙410004)

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徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)研發(fā)

肖楊,鄺錄章

(五凌電力有限公司,湖南長沙410004)

摘要：為滿足水電廠實時調(diào)度需要,構(gòu)建了以發(fā)電量最大為目標(biāo)的徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度模型,采用離散動態(tài)規(guī)劃法逐步逼近尋優(yōu)計算,開發(fā)出徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。該系統(tǒng)可預(yù)報計算未來24 h的入庫流量過程,并可實時滾動計算滿足約束條件的未來24 h內(nèi)各時段最優(yōu)發(fā)電運行過程,從而量化指導(dǎo)水電廠實時優(yōu)化調(diào)度。通過對6座徑流式水電廠的應(yīng)用,入庫流量計算準(zhǔn)確率達(dá)98%以上,平均每年可優(yōu)化增加發(fā)電量4 500萬kW·h。

關(guān)鍵詞：徑流式水電廠；實時優(yōu)化調(diào)度；離散動態(tài)規(guī)劃法

1工程概況

由五凌電力有限公司(以下簡稱“五凌電力”)開發(fā)建設(shè)、運行管理的沅水、資江、湘江上12座水電站已全部接入遠(yuǎn)程集中控制運行,如何提高水能利用效率,創(chuàng)新水庫調(diào)度工作,創(chuàng)造最大的發(fā)電效益,成為水電廠運行管理及水庫調(diào)度研究的重點。目前,盡量抬升運行庫水位、降低發(fā)電耗水率的水庫運行思維已成為運行調(diào)度人員的共識,但如何具體量化調(diào)度期內(nèi)各時段的庫水位及出力值,使得發(fā)電效益最大,亟需在實際生產(chǎn)運行中深入研究。

水庫優(yōu)化調(diào)度理論研究已較為成熟,但須將理論成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)實踐[1]。本文結(jié)合以往理論研究[1-7],根據(jù)流域水庫生產(chǎn)運行實際,以調(diào)度期內(nèi)發(fā)電量最大為目標(biāo),在滿足約束條件下,采用離散動態(tài)規(guī)劃法,開發(fā)徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),以期計算來水過程,實時得出水庫最優(yōu)運行過程,為五凌電力集中控制運行的各徑流式水電廠提供量化的指導(dǎo)依據(jù)。五凌電力所屬徑流式水電廠設(shè)計運行參數(shù)見表1。

2模型構(gòu)建

2.1目標(biāo)函數(shù)

以日為調(diào)度周期,小時(或30min、15min)為計算時段,在已知水電站水庫入流過程的條件下,求水電站出力過程和相應(yīng)的水庫蓄泄?fàn)顟B(tài)變化過程,使調(diào)度周期內(nèi)的發(fā)電量最大(現(xiàn)已取消豐枯、峰谷電價)。其目標(biāo)函數(shù)為

(1)

表1各徑流式水電廠設(shè)計運行參數(shù)

水電廠正常蓄水位/m死水位/m總庫容/億m3調(diào)節(jié)庫容/億m3裝機容量/萬kW裝機臺數(shù)/臺單機容量/萬kW設(shè)計水頭/m掛治3223200.58590.0706153520.70凌津灘5149.16.340.4627938.50東坪96.5920.1950.0927.241.86.80株溪口87.586.50.50.0527.441.856.10馬跡塘55.753.71.030.10594.231.46.55近尾洲6665.14.60.2436.31832.1066.80

式中 ,E為水電站調(diào)度期內(nèi)的總發(fā)電量,kW·h；Ni為i時段電站的出力,kW；Δt為時段長度,s；T為調(diào)度期的總時段數(shù)；qi為第i時段的發(fā)電流量,m3/s；ρi為第i時段的平均耗水率,m3/kW·h。其中,ρi=f(Hi),Hi=Z上i-Z下i,Z下i= f(qi),Z上i=f(Vi),Vi=Vi-1+(Qi-qi)Δt。式中 ,Hi為第i時段的水頭,m；ρi=f(Hi)為由水頭查耗水率；Z上i為第i時段庫水位,m；Vi為第i時段庫容,m3；Z上i=f(Vi)為由庫容查庫水位；Z下i為第i時段尾水位,m；Z下i=f(qi)為由出庫流量查尾水位；Qi為第i時段入庫流量,m3/s。

2.2約束條件

(1)水量平衡約束：Vi=Vi-1+(Qi-qi)Δt

(2)

(2)機組出力約束：Nmin≤Ni≤Nmax

(3)

(3)發(fā)電流量約束：qmin≤qi≤qmax

(4)

(4)水位約束：Zmin≤Z上i≤Zmax

(5)

式中,Nmin為機組限制最小出力(各單機最小限制出力之和),kW；Nmax為機組限制最大出力(各單機最大限制出力之和),kW；qmin為最小發(fā)電流量,m3/s；qmax為最大發(fā)電流量,一般為各單機最大過流量之和,m3/s；Zmin為限制最低庫水位,一般取死水位,m；Zmax為限制最高庫水位,一般取正常蓄水位,m。

3計算方法

3.1目標(biāo)函數(shù)的求解方法

目標(biāo)函數(shù)的優(yōu)化求解采用離散動態(tài)規(guī)劃法[7- 8]逐步逼近尋優(yōu)計算,其計算分為兩個過程：

(1)初始調(diào)度線選取。首先初選步長ΔZ1,通過動態(tài)規(guī)劃法求得初始優(yōu)化調(diào)度線{Z0(0),Z1(0),…,ZT(0)}。

(2)優(yōu)化調(diào)度計算。在初始優(yōu)化調(diào)度線上各取若干個增量ΔZ2,形成一個庫水位廊道,除最初、最末時段外,其余各時段形成3條調(diào)度線。用動態(tài)規(guī)劃法求得該廊道內(nèi)的優(yōu)化調(diào)度線{Z0(1),Z1(1),…,ZT(1)}。如果該優(yōu)化調(diào)度線各點均落在廊道內(nèi)的非邊界點上,或者雖在邊界點上但卻是該時段末(初)所允許的最大(小)水位,則該調(diào)度線即為所求最優(yōu)解。否則,在{Z0(1),Z1(1),…,ZT(1)}上下各取若干個增量ΔZ2,形成新的廊道,再用動態(tài)規(guī)劃法在該廊道內(nèi)尋優(yōu),直至優(yōu)化調(diào)度線全部為非廊道邊界點和最大(小)庫水位點所組成為止[8-9]。

3.2單庫動態(tài)規(guī)劃計算過程

(6)

利用式(6)進行水庫調(diào)度需對狀態(tài)變量進行離散化。對調(diào)度期內(nèi),假設(shè)庫水位在正常蓄水位和死水位之間連續(xù)變化,則可將水位劃分為m-1個網(wǎng)格,共m個點,步長為ΔZ,如圖1所示。

圖1　動態(tài)規(guī)劃網(wǎng)格

運用動態(tài)規(guī)劃法計算：已知日調(diào)節(jié)水庫的死水位、正常蓄水位、水位-庫容關(guān)系、出庫流量-尾水位關(guān)系、初始水位Z0,以及預(yù)報的各時段入庫流量Qi,其求解計算流程如圖2所示。

初選步長ΔZ1=0.1m,依據(jù)上述動態(tài)規(guī)劃法計算流程求得初始優(yōu)化調(diào)度線(水位精度為0.1m)；而后選取若干個增量ΔZ2=0.01m,再用上述動態(tài)規(guī)劃法在廊道內(nèi)選優(yōu)。由于ΔZ2=0.01m,優(yōu)化計算的各時段庫水位離理論最優(yōu)過程不超過0.01m,而目前五凌電力水情測報的水位精度為0.01m,故求得的優(yōu)化過程為目前測報精度下的最優(yōu)過程。

采用VB6.0編程工具,開發(fā)實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。依托五凌電力辦公網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,讀取五凌電力梯級水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)oracle數(shù)據(jù)庫中日96點發(fā)電計劃、實時庫水位、尾水位等相關(guān)數(shù)據(jù),存入本地數(shù)據(jù)庫,從而進行實時優(yōu)化計算。

4參數(shù)及原始數(shù)據(jù)選取

系統(tǒng)優(yōu)化計算所需參數(shù)主要包括來流量、限制出力及水位、水頭-耗水率關(guān)系、水頭-單機限制出力關(guān)系、水位-庫容關(guān)系、出庫流量-尾水位關(guān)系等。其中,水頭-耗水率、出庫流量-尾水位采用最新的水庫實際運行數(shù)據(jù)進行擬合,圖3、4分別為凌津灘水電廠水頭-耗水率和出庫流量-尾水位的擬合關(guān)系；機組檢修、限制出力、限制水位等約束均根據(jù)運行中實際要求進行修改；期初庫水位、尾水位從五凌電力梯級水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)oracle數(shù)據(jù)庫中實時讀取,期末庫水位推薦為能蓄至的最高水位(上限為正常蓄水位)。

圖3　凌津灘水電廠水頭-耗水率關(guān)系擬合

圖4　凌津灘水電廠出庫流量-尾水位關(guān)系擬合

對于模型優(yōu)化計算,需準(zhǔn)確可靠的入庫流量過程。根據(jù)電網(wǎng)下達(dá)的上游水電廠日96點計劃(從五凌電力梯級水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)oracle數(shù)據(jù)庫中實時自動獲取),采用上游電廠“水頭-耗水率曲線”計算出發(fā)電流量過程,若上游電廠有棄水,讀取棄水流量,再加上區(qū)間流量,即得到24h小時的實時入庫流量過程[10]。

5實例計算及分析

5.1系統(tǒng)評價分析

選用6座徑流式水電廠2012年～2014年實際水情資料,各水電廠按預(yù)期控制水位運行,可算得各電廠預(yù)期增加效益(見表2),與實際運行相比,平均每年可增加發(fā)電量4 500萬kW·h。

表2徑流式水電廠預(yù)期年增加效益分析

電站實際年均發(fā)電量/億kW·h優(yōu)化年均發(fā)電量/億kW·h預(yù)期增加電量/億kW·h預(yù)期效益增加率/%掛治3.6413.7650.1243.4凌津灘11.77212.0140.2422.1東坪2.6722.6950.0230.9株溪口2.8192.8540.0351.3馬跡塘1.9751.9960.0211.1近尾洲3.3083.3150.0070.2

為進一步對比說明,選取2015年9月28日凌津灘水電廠實際運行情況與系統(tǒng)優(yōu)化計算進行比較(期末水位相同)：系統(tǒng)優(yōu)化電量363.02萬kW·h,實際發(fā)電量358.18萬kW·h,增發(fā)電量4.84萬kW·h,增發(fā)1.35%；優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)計算的日均入庫流量為1 784m3/s,而實際測報計算的日均入庫流量為1 774m3/s,僅相差0.56%(準(zhǔn)確率達(dá)99.44%)。圖5為系統(tǒng)優(yōu)化計算結(jié)果及過程與實際運行對比。

圖5　2015年9月28日凌津灘水電廠系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)果與實際運行過程比較

由圖5可知,在來流量增加前的入庫流量較小階段(3∶00～5∶00),應(yīng)適當(dāng)維持一定出力,一方面可在水頭較高情況下適當(dāng)發(fā)電；另一方面,可以適當(dāng)“騰庫”,在流量增加階段出力不必增加過快,避免明顯的抬高尾水位而降低發(fā)電水頭。在來流量持續(xù)增加階段(6∶00～10∶00),應(yīng)根據(jù)入庫流量情況適當(dāng)加大出力,由于之前的“騰庫”,所以該階段不必過大、過快加大出力,以便維持較高運行水頭；否則,該階段出力快速、大幅增加,抬高了尾水位,從而明顯降低了運行水頭,使得該部分較大出力時段的耗水率偏大,整體發(fā)電效益達(dá)不到最優(yōu)。在來流量較大且處于穩(wěn)定階段(18∶00～20∶00),盡量高水位運行,合理安排出力維持出入庫平衡。在來流量減小階段(20∶00～24∶00),應(yīng)根據(jù)入庫情況適當(dāng)逐步降低出力以維持高水位。

所以,水庫運行不能只關(guān)注高水位運行,應(yīng)根據(jù)來水情況優(yōu)化出力安排,降低整體耗水率,提高發(fā)電效益。通過該系統(tǒng),可快速計算得出各種入庫流量變化情況下整體發(fā)電效益最大的各時段出力安排與運行庫水位。

5.2實時優(yōu)化調(diào)度及分析

徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)以目前時刻為起點,進行未來24h的實時優(yōu)化計算,得出可視化的水庫最優(yōu)運行過程,指導(dǎo)水庫實時運行。以凌津灘水電廠為例進行計算說明。

現(xiàn)以當(dāng)前時刻(11月17日08∶15)凌津灘水電廠進行實時優(yōu)化調(diào)度計算：點擊“凌津灘水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)”,顯示各計算參數(shù),如五強溪日平均入庫流量、五凌區(qū)間流量、期末推薦庫水位、限制最高、最低庫水位等,各參數(shù)均可根據(jù)實際發(fā)生的情況進行修改；然后點擊“讀取參數(shù)”,各時段入庫流量、檢修臺數(shù)等亦可進行修改；最后點擊“開始”按鈕進行優(yōu)化計算,得到優(yōu)化計算結(jié)果界面如圖6所示。由于設(shè)置了“時間間隔”,故系統(tǒng)可在設(shè)定的時間間隔,自動重新以當(dāng)前時刻的參數(shù)、條件進行未來24h的優(yōu)化計算,從而實現(xiàn)實時滾動的優(yōu)化計算。

圖6　2015年11月17日08∶15凌津灘水電廠實時優(yōu)化調(diào)度計算結(jié)果

圖6中計算結(jié)果顯示了庫水位、出力、入庫流量、出庫流量、水頭等水庫運行關(guān)鍵過程,以及可發(fā)電量、實發(fā)電量、蓄能電量、耗水率等優(yōu)化計算值,其中：實發(fā)電量為由當(dāng)前時刻到期末推薦水位的調(diào)度期內(nèi)優(yōu)化計算發(fā)電量,蓄能電量為期末、期初庫容之差的水量按當(dāng)日平均發(fā)電耗水率計算的發(fā)電量,可發(fā)電量為實發(fā)電量與蓄能電量之和。

同時,水庫在運行過程中,若需指定時段的庫水位,則可在“讀取參數(shù)”步驟中,選擇所需的計算時段和設(shè)置其控制水位,然后開始計算便可得到該時間內(nèi)的最優(yōu)過程。即該系統(tǒng)可根據(jù)運行需要,選擇24h內(nèi)任意結(jié)束的計算時段、滿足庫水位、機組運行臺數(shù)等需要的最優(yōu)運行過程。

因為本系統(tǒng)采用離散動態(tài)規(guī)劃法逐步逼近尋優(yōu)求解步長為0.01m,優(yōu)化計算結(jié)果能達(dá)到目前水情測報精度(0.01m)下的最優(yōu)過程,且經(jīng)計算比較,與使用常規(guī)動態(tài)規(guī)劃法直接求解的結(jié)果相同；同時,當(dāng)計算時段長選為1h時,本系統(tǒng)計算時間只需0.250s(圖6),而使用動態(tài)規(guī)劃直接計算則需2.520s,若計算時段長選為30min或15min時,使用動態(tài)規(guī)劃法直接計算耗時會更長。所以本系統(tǒng)節(jié)省計算時間顯著且能達(dá)到最優(yōu)值。

6結(jié)語

開發(fā)的徑流式水電廠實時優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),可根據(jù)上游電廠發(fā)電計劃和水庫運行情況以及區(qū)間來水情況,較為準(zhǔn)確計算入庫流量過程,結(jié)合實際運行的條件和要求設(shè)定各參數(shù)值,能快速計算出最優(yōu)的水庫運行過程,并能按設(shè)定的時間間隔實時滾動向前更新計算,能很好地實時量化指導(dǎo)水電廠的負(fù)荷安排及申請,從而獲得較好的經(jīng)濟效益,使水庫優(yōu)化調(diào)度理論較好地應(yīng)用于實際生產(chǎn)運行。

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(責(zé)任編輯高瑜)

收稿日期：2015- 11- 19

作者簡介：肖楊(1986—),男,河南固始人,助理工程師,碩士,主要從事流域水資源優(yōu)化調(diào)度工作．

中圖分類號：TV697.1

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：0559- 9342(2016)04- 0097- 04

DevelopmentofReal-timeOptimizationDispatchingSystemforRun-offHydropowerStation

XIAOYang,KUANGLuzhang

(WulingPowerCorporation,Changsha410004,Hunan,China)

Abstract:In order to meet the requirements of hydropower station real-time scheduling, the real-time optimal scheduling model of run-off hydropower station is built with the goal of maximizing power generation. The discrete dynamic programming method is adopted in model calculation. The real-time optimal scheduling system can forecast the flow process of next 24 hours, and calculate the power generation process of next 24 hours which satisfies the requirements of constraint conditions in the ways of real-time and rolling. The system has been used in six run-off hydropower stations, and the results show that the accuracy rate of inflow calculation is more than 98% and the average annual power generation increases 45 million kW·h．

Key Words:run-off hydropower station; real-time optimization dispatching; discrete dynamic programming