大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型及其算法

張 競

（青島世鴻達裝飾工程有限公司，山東 青島 266000）

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，水電站也需求進行相應(yīng)的升級與改造。現(xiàn)今，針對大型水電站的經(jīng)濟運行很多學者提出了優(yōu)化的方法，傳統(tǒng)的方法包括動態(tài)規(guī)劃法、拉格朗日松弛法、分支界定法、優(yōu)先順序法等等，但是這些傳統(tǒng)方法都存在著一定的缺陷，例如動態(tài)規(guī)劃法的運算時間過長，無法在合理的時間內(nèi)求出滿足要求的解；拉格朗日松弛法無法處理模型中多種約束條件的耦合；分支界定法運算過程復雜，同時運算的時間較慢，準確度非常低；優(yōu)先順序法是在機組滿負荷耗水量的基礎(chǔ)下進行排序的，這種情況與實際情況偏差較大。本文主要對大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型及其算法進行研究[1]。

1 大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型構(gòu)建

該模型主要采用以電定水準則，在用電日負荷量固定的前提下，滿足所有的約束條件，對水電站的經(jīng)濟運行進行合理的規(guī)劃，是水電站的總用水量達到最小，目標函數(shù)表示為：

式中：minP 表示的是水電站在運行時間內(nèi)總耗水量，包括機組開、停機以及發(fā)電過程所產(chǎn)生的耗水量；T 表示的是水電站運行的時間；S 表示的是水電站運行的空間；Qi表示的是第i 臺機組的耗水量；表示的是在時段t 內(nèi)機組i 的狀態(tài)，主要分為兩種狀態(tài)：開機和關(guān)機，分為用1 和0 來表示。

本模型的約束條件主要分為旋轉(zhuǎn)備用約束、機組出力約束、負荷平衡約束、最小開停機時間約束，其表達式如下：

1.1 機組組合優(yōu)化

根據(jù)上述給定的目標函數(shù)與約束條件，對機組組合進行優(yōu)化，主要采用的是擴展蟻群算法，其是對傳統(tǒng)蟻群算法的改進[2]。

擴展蟻群算法在傳統(tǒng)蟻群算法的基礎(chǔ)上，將蟻群數(shù)量進行了擴展，用M 表示，而每個蟻群有N 只螞蟻，與水電站中的機組數(shù)量對應(yīng)，1 和0 表示的是機組的開、關(guān)機狀態(tài)。在擴展蟻群算法的每條路徑上包含螞蟻信息素，在算法的初始狀態(tài)下，每條路徑包含的信息素相同，在水電站運行時段，每個蟻群內(nèi)的螞蟻會從不同起點在信息素的引導下構(gòu)建螞蟻路徑，直到水電站運行時段結(jié)束，形成N 條螞蟻路徑[3]。這些路徑共同組成了水電站中機組的組合方式。制定穩(wěn)定最優(yōu)表進行經(jīng)濟符合分配，計算總耗水量，找出M 個蟻群中的最優(yōu)解，輸出相應(yīng)的結(jié)果。

1.2 經(jīng)濟負荷分配

根據(jù)上述擴展蟻群算法形成了M 個機組組合形式，制定相應(yīng)的穩(wěn)定最優(yōu)表，對經(jīng)濟負荷進行分配。

本文主要是采用動態(tài)規(guī)劃法對穩(wěn)定最優(yōu)表進行制定，設(shè)置階段變量為x，其表示的是機組工作的臺數(shù)；決策變量為Nx和狀態(tài)變量Nx1，其分別表示的是在階段內(nèi)工作的機組的出力值與所有機組的出力值總和，則公式為：

式中：f（Nx1）表示的是在x 階段內(nèi)所有機組的出力值產(chǎn)生的流量；w（Ni）表示的是機組i 的發(fā)電流量。

若是想要使產(chǎn)生的總流量達到最小值，令Nx=Ni，則有方程：

根據(jù)上述公式（3）與（4）制定了穩(wěn)定最優(yōu)表。然后根據(jù)穩(wěn)定最優(yōu)表進行經(jīng)濟負荷的分配。最優(yōu)化原理指出對一個最優(yōu)策略來說，其下屬的決策順序不會影響策略的優(yōu)劣，因此，依據(jù)穩(wěn)定最優(yōu)表進行經(jīng)濟負荷的分配完全合理。

經(jīng)濟負荷分配首先設(shè)定水電站的機組數(shù)為n，其負荷要求為N，當一組機組開機的時候，其他機組要處于關(guān)機的狀態(tài)。

按順序從穩(wěn)定最優(yōu)表的第一行開始進行搜索，計算每行相應(yīng)的每個機組的出力值與相應(yīng)的耗水量，直到搜索到穩(wěn)定最優(yōu)表的最后一行結(jié)束[4]。

根據(jù)上述的機組組合優(yōu)化與經(jīng)濟負荷分配實現(xiàn)了水電站整體時空經(jīng)濟運行模型的運行。

2 實驗結(jié)果與分析

為了保證本文構(gòu)建的大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型的有效性，設(shè)計實驗對其進行驗證。實驗過程中，將水電站機組組合與經(jīng)濟符合作為實驗對象，對劇組組合以及經(jīng)濟符合進行最優(yōu)分配。為了保證實驗的有效性，使用傳統(tǒng)水電站經(jīng)濟運行模型與本文構(gòu)建的大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型進行比較，觀察試驗結(jié)果。

為了保證實驗過程與結(jié)果的準確性，對實驗過程中的參數(shù)進行設(shè)置。由于本文采用的是兩種不同的模型對水電站機組以及經(jīng)濟符合進行優(yōu)化，因此，為了最大限度的保證實驗結(jié)果的精確性，對實驗外環(huán)境參數(shù)進行統(tǒng)一的設(shè)置，這樣既可以保證實驗的準確性，又方便實驗的進行。本文外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置結(jié)果見表1。

表1 外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置結(jié)果

在實驗過程中，由于采用的水電站經(jīng)濟運行模型不同，因此，本文引用第三方軟件對其實驗數(shù)據(jù)進行記錄與分析。設(shè)置傳統(tǒng)水電站經(jīng)濟運行模型為對照組，本文構(gòu)建的大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型為實驗組。本文以青島一大型水電站為研究對象，將一天分為六個時間段，并對他們的用電情況進行預測，結(jié)果見表2。

表2 用電功率預測情況

由表 2 可知，一般在 16：00～20：00 為用電高峰期，用電功率最大，達到 1366.58 W,20：00～24：00 耗電量最低，用電功率僅為 301.54 W，是16：00～20：00 的四分之一。分析對照組與實驗組預測功率，能夠明顯看出，實驗組預測功率與實際數(shù)值基本吻合，對照組具有很大差別，是實驗組的八十多倍。說明實驗組模型能夠很好的預測大型水電站的作用。

采用傳統(tǒng)方法和本文方法對青島一大型水電站的運行效率進行計算，實驗結(jié)果見圖1。

圖1 實驗對比結(jié)果

分析圖1 可知，實驗組的對照效率幅度變化不大，在50次之前，水電站的運行效率一直緩慢上升，當次數(shù)超過50次時出現(xiàn)輕微下降，超過70 次之后，出現(xiàn)一定波動，運行效率基本都在70%以上；對照組在前40 次實驗中，運行效率持續(xù)下降，40 次到60 次時，運行效率出現(xiàn)上漲并達到峰值60%，隨著實驗次數(shù)的增加，運行效率曲線上下波動，一直沒有超過60%；對比實驗組與對照組曲線可知，實驗組的運行效率明顯高于對照組的運行效率，實驗組的運行效率最高可以達到85%，而對照組的運行效率最高為60%，實驗組的平均運行效率比對照組的平均運行效率高出了25%，說明構(gòu)建的大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型具備極高的有效性。

3 結(jié)語

大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型主要考慮兩個方面：（1）時間最優(yōu)化。對水電站中的機組組合進行優(yōu)化，使機組組合在運行中滿足約束條件，達到最小耗電量；（2）空間最優(yōu)化。對經(jīng)濟負荷進行分配，使水電站的發(fā)電流量達到最小。大型水電站整體時空經(jīng)濟運行模型很大程度上提升了水電站的經(jīng)濟運行效率，值得推廣使用。