一种基于水位控制的日调节水电站发电优化调度方法

摘要

本发明介绍了一种基于水位控制的日调节水电站发电优化调度方法，包括如下步骤：（1）确定调度对象与调度模型；（2）确定出库水流量；（3）依据最大过流能力调整出库水流量；（4）依据最小下泄水流量要求调整出库水流量；（5）依据出库水流量允许变幅调整出库水流量；（6）预留库容；（7）超量放水；（8）计算出发电出力估值。该方法有如下优点：1）设计合理，操作简单，优化效果直观；2）获得的发电方案高度符合水库发电调度的实际工程要求；3）可选择关注期，并可对关注期内的既定步骤加以调整。调整结果可方便快捷地反馈给决策者，为决策提供有力的支持。

主权项

1.一种基于水位控制的日调节水电站发电优化调度方法，该方法为如下具体步骤：（1）确定调度对象与调度模型，选择参数：（1.1）使用常规方法，在梯级水库群中位于龙头水电站下游的日调节类型水电站中择一具有反调节能力的日调节水电站作为调度对象；（1.2）通过水文预测获取步骤（1.1）所确定的作为调度对象的日调节水电站与上述上游龙头水电站区间的水流量和上游龙头水电站的出库水流量，以所获取的该二个水流量之和作为所述日调节水电站的入库水流量；（1.3）使用常规方法，建立所述日调节水电站的发电量最大调度模型，该模型的目标函数为：$\left\{\begin{array}{c}\max E=\underset{t=1}{\overset{T}{\Sigma }}P\left(t\right)·\mathrm{\Delta t}\\ \min f=\max \left(Z\left(t\right)\right)-\min \left(Z\left(t\right)\right),t=\mathrm{1,2},L,T\end{array}\right.$上述二式中，E为发电量，单位MWh；T表示最末时段；t表示第t个时段；P为出力，P(t)为第t个时段出力，单位MW；Δt为相连时段的时段小时数，单位h；f为水位变幅目标值；Z为水库坝前水位，Z(t)为第t个时段水库坝前水位；t＝1,2，...,T表示从第1个时段开始到最末时段T；（1.4）确定步骤（1.3）所建调度模型的约束条件集合：水量平衡方程:v(t+1)=v(t)-u(t)+w(t)式中，v为库容，t表示第t个时段，v(t+1)表示第t个时段的时段末库容，v(t)是第t个时段的初始时刻库容；u为使用水量，u(t)是第t个时段的使用水量；w为入库水量，w(t)是第t个时段的入库水量；时段水位变幅:$|Z\left(t\right)-Z(t+1)|\le {\bar{Z}}_{\mathrm{hour}}$日水位变幅:$\max \left(Z\left(t\right)\right)-\min \left(Z\left(t\right)\right)\le {\bar{Z}}_{\mathrm{day}}$以上二式中，其中Z为水库坝前水位，t为第t个时段，Z(t)为第t个时段水库坝前水位，Z(t+1)为末端水库坝前水位，|Z(t)-Z(t+1)|为各个时段的初、末水位差值，为时段水位变幅值；为日水位变幅值，max(Z(t))-min(Z(t))为日发电计划中水位变幅值；水电站时段出力限制:式中，P为出力，单位MW，P表示第t个时段出力的下限值，P(t)为第t个时段出力，表示第t个时段出力的上限值；水轮机最大过流能力:Q(t)≤Q_max式中，Q为水电站出库流量,Q(t)为水电站在第t个时段出库流量值,Q_max为水电站最大过流能力值；水库时段库容限制:式中，v为库容，v为库容的下限值，v(t)是第t个时段的初始时刻库容；为库容上限值；水库时段下泄流量变幅限制:|Q(t+1)-Q(t)|≤ΔQ_max式中，Q为水电站出库流量,Q（t+1）是第t个时段的时段末水电站出库流量,Q(t)为水电站在第t个时段出库流量值,|Q(t+1)-Q(t)|为水电站出库流量相连时段差值，ΔQ_max为水库下泄流量变幅限制值；水库时段水位限制:式中，z为水库库容，z为水库库容下限值z，z(t)为第t个时段水库库容，为水库库容上限值；水库初始水位，调度期末控制水位限制:v₀=v_init,v_T=v_last该二式中，v为库容，v₀表示初始时段的库容，v_init为所述v₀的给定值；v_T表示调度期末时段的库容，v_last为所述v_T的给定值；（1.5）确定步骤（1.3）所建调度模型的阶段变量、状态变量及决策变量：（1.5.1）确定步骤（1.3）所建调度模型的阶段变量：调度时间以24小时为一个调度期，一个调度期分为96个时段，一个时段为15分钟，所述96个时段依序编号：t＝1,2，...,T式中，t为时段，T为最末时段；（1.5.2）确定步骤（1.3）所建调度模型的状态变量：以所述日调节水电站的下泄流量Q(t)作为状态变量，可行的状态空间为给定的每个时段最小下泄流量Q_min(t)约束与最大下泄流量Q_max(t)约束之间的下泄流量，以及相连时段流量变幅的上限Q(t)+ΔQ和相连时段流量变幅的下限Q(t)-ΔQ；（1.5.3）确定步骤（1.3）所建调度模型的决策变量：以所述日调节水电站的上游水位Z(t)与时段出力P(t)作为决策变量，其中Z(t)表示t时段的初始上游水位，Z(t+1)表示t+1时段的初始上游水位；Z(t)变量限制空间为给定的每个时段最小水位约束与最大水位约束之间的上游水位；P(t)变量限制空间为给定的每个时段最小出力和最大出力；（1.6）确定步骤（1.3）所建调度模型的状态转移方程：在给定时段t的初始状态即上游水位Z(t)后，如果做出下泄水流量Q(t)的决策，则时段的初始状态演变为时段的结束状态即上游水位Z(t+1)，该时段的结束状态也就成为下一时段的初始状态；对求解水位变幅最小模型来说，状态转移方程即为水流量平衡方程：$\left\{\begin{array}{c}v(t+1)=v\left(t\right)+(I\left(t\right)-Q\left(t\right))·\mathrm{\Delta t}\\ z\left(t\right)=g\left(v\left(t\right)\right)\end{array}\right.$以上二式中：v为库容，t为时段，v(t+1)为末库容，v(t)为时段t初库容；I为入库水流量，I(t)为第t个时段水电站的入库水流量；Q为下泄流量，Q(t)为第t个时段水电站的下泄流量；Δt为相连时段的时段小时数，单位h；z为水位，t为时段，z(t)为第t个时段初始时刻水位；g为水位-库容数值对应关系；（2）从发电方案起始时刻开始，逐时段取日调节水电站出库水流量等于入库水流量，保持本时段水库的初水位与末水位不变；若所有时段，日调节水电站的出库水流量符合不大于水库的最大允许下泄水流量，同时不小于最小下泄水流量的要求，且相邻时段出库水流量的差值不大于日调节水电站出库水流量允许变幅，则直接转向实施步骤（8）；否则，记录当前调整时段即t_mark时段，下转实施步骤（3）；（3）依据日调节水电站最大过流能力调整出库水流量：若在步骤（2）记录之t_mark时段日调节水电站出库水流量大于最大允许下泄水流量要求，则令t₀=t_mark，将大于日调节水电站最大允许下泄水流量的出库水流量全部推移到步骤（2）记录的t_mark时段之前的时段，$W_0^1=\underset{t_0}{\overset{t_1}{\Sigma }}[Q\left(t\right)-Q_{\max }]·\mathrm{\Delta t}$式中，W为下泄流量累积值，为从t₀到t₁逐时段水电站的下泄流量累积值，t为时段，Q为下泄流量，Q(t)为从t₀到t₁逐时段水电站的下泄流量，Q_max为水电站该时段最大过流能力，Δt为相连时段的时段小时数，单位h；而调整后的出库水流量为$W_1^1=\underset{{t^{\prime }}_0}{\overset{t_0}{\Sigma }}[Q_{\max }-Q\left(t\right)]·\mathrm{\Delta t}$式中，W为下泄流量累积值，为从t′₀到t₀逐时段水电站的下泄流量累积值，t为时段，Q为下泄流量，Q(t)为从t′₀到t₀逐时段水电站的下泄流量，Q_max为水电站该时段最大过流能力，Δt为相连时段的时段小时数，单位h；上述调整前的出库水流量与调整后的出库水流量应满足水流量平衡要求，即否则下转实施步骤（4）；本步骤采用逆时序对时段t即t₀到t₁之间的任意时段，使用常规方法，依次调整水流量：（3.1）比较所述从t₀到t₁之间的任意时段的出库水流量Q(t)与最大允许下泄水流量要求Q_max，获得该时段调整水流量ΔQ=Q(t)-Q_max；以最大允许下泄水流量作为该时段出库水流量，即Q(t)=Q_max，然后向前推移一个时段t＝t-1，下转实施步骤（3.2）；（3.2）若步骤（3.1）中所述的Q(t)≤Q_max，则将步骤（3.1）所述的调整水流量ΔQ转移到本时段，同时满足水流量上限Q_max，即本时段调整为：Q'(t)=min{Q(t)+ΔQ，Q_max}式中，Q'(t)为调整后的出库水流量；Q(t)为从t₀到t₁逐个时段出库水流量，ΔQ为调整水流量，Q_max为水电站该时段最大过流能力，min{，}表示取两者中的较小值；减小水流量至：ΔQ=ΔQ-(Q'(t)-Q(t))，若ΔQ＝0，t_mark=t_mark+1，上转实施步骤（2），否则t=t-1，继续实施步骤（3.2），直至ΔQ＝0为止；若调整至t＝0即当日发电方案起始时段，仍然不能实现水流量平衡，则表示当日发电方案失败；（4）依据日调节水电站最小下泄水流量要求调整出库水流量：若在步骤（2）记录之t_mark时段日调节水电站出库水流量小于最小下泄水流量要求，则令t₀=t_mark，将小于最小允许下泄水流量的出库水流量全部向后推移到与步骤（2）记录的t_mark时段相对应的时段直至满足水流量调整要求，$W_0^2=\underset{t_0}{\overset{t_1}{\Sigma }}[Q_{\min }-Q\left(t\right)]·\mathrm{\Delta t}$式中，W为下泄流量累积值，为从t₀到t₁逐时段水电站的下泄流量累积值，t为时段，Q为下泄流量，Q(t)为从t₀到t₁逐时段水电站的下泄流量，Q_min为水电站该时段最小过流能力，Δt为相连时段的时段小时数，单位h；而调整后的出库水流量为$W_1^2=\underset{{t^{\prime }}_0}{\overset{t_0}{\Sigma }}\left[{Q\left(t\right)-Q}_{\min }\right]·\mathrm{\Delta t}$式中，W为下泄流量累积值，为从t′₀到t₀逐时段水电站的下泄流量累积值，t为时段，Q为下泄流量，Q(t)为从t′₀到t₀逐时段水电站的下泄流量，Q_min为水电站该时段最小过流能力，Δt为相连时段的时段小时数，单位h；调整前的出库水流量与调整后的出库水流量应满足水流量平衡要求，即否则下转实施步骤（5）；本步骤采用顺时序对时段t从t₀到t₁之间的任意时段，使用常规方法，依次调整水流量：（4.1）比较所述从t₀到t₁之间的任意时段的出库水流量Q(t)与最小下泄水流量要求Q_min，获得该时段调整水流量ΔQ=Q_min-Q(t)；以最小允许下泄水流量作为该时段出库水流量，即Q(t)=Q_min，然后向后推移一个时段t=t+1，下转实施步骤（4.2）；（4.2）若步骤（4.1）中所述的Q(t)≥Q_min，则将步骤（4.1）所述的调整水流量ΔQ转移到本时段，同时满足水流量下限Q_min，即本时段调整为：Q'(t)=max{Q(t)-ΔQ，Q_min}式中，Q'(t)为调整后的出库水流量，Q(t)为从t₀到t₁逐个时段出库水流量，ΔQ为调整水流量，Q_min为水电站该时段最小下泄流量限制，max{，}表示取两者中的较大值；减小水流量至：ΔQ=ΔQ-(Q(t)-Q'(t))，若ΔQ=0，t_mark=t_mark+1，上转实施步骤（2），否则t＝t+1，继续实施步骤（4.2），直至ΔQ=0为止；若调整至t＝T即当日发电方案起始时段，仍然不能实现水流量平衡，则表示当日发电方案失败；（5）依据日调节水电站水库出库水流量允许变幅调整出库水流量，若日调节水电站水库出库水流量的时段差超出流量变幅限制，该日调节水电站水库出库水流量，在t₀时刻水流量上升，t₁时刻水流量下降，在此t₀至t₁水流量变化时段，使用常规方法调整出库水流量变幅以控制水位，然后按照顺时序对各时段水流量依序进行比较：（5.1）比较本时段出库水流量Q(t)与相邻的下一时段出库水流量Q(t+1)，下转实施步骤（5.2），直至t＝T为止；（5.2）依据步骤（5.1）所作本时段出库水流量Q(t)与相邻的下一时段出库水流量Q(t+1)的比较，如果步骤（5.1）所作的比较显示Q(t+1)≤Q(t)+ΔQ，下转实施步骤（5.3），否则，下一时段的出库水流量调整为q(t)=Q(t)+ΔQ，式中t＝t+1，下转实施步骤（5.3）；（5.3）如果步骤（5.1）所作的比较显示Q(t+1)>Q(t)-ΔQ，t＝t+1，上转实施步骤（5.1），否则，下一时段的出库水流量调整为q(t)=Q(t)-ΔQ，式中t＝t+1，上转实施步骤（5.1）；直至t₀至t₁′水流量变化时段，实现相连时段的水流量变幅要求与水流量变幅ΔQ约束；（6）在水流量上升时段之前预留库容以消纳出库水流量上升期间的调节水流量，维持水库水位在变幅范围内变化，为出库水流量上升期的多余水量；为水流量上升时段之前预留库容以消纳出库水流量上升期间的调节水量，从t′₀到t₀时段，使用常规方法，依次调整水流量；（6.1）由t₀作为起点起算，以t₀的水流量Q(t₀)为基准值，各时段依次减少水流量值ΔQ，Q(t-1)=Q(t)-ΔQ，计算停止条件为Q(t)≤Q_min，得水流量限制线2；（6.2）依据上述出库水流量上升期的水量差确定预留库容起始时段t′₀，即由出库水流量上升期的起点逐时段前推，确定水流量调整期间的起点t′₀，任意时段作为水流量调整期间的起点t′₀，t′₀<t₀，由t′₀至t₀试算，以t′₀的水流量为基准值，各时段依次减少水流量值ΔQ，得水流量限制线1；逐时段比较水流量限制线1和水流量限制线2以及最小下泄水流量Q_min限制，取其最大值作为各时段的水流量下限值，形成t′₀至t₀期间出库水流量的下限限制线，累计水流量调整期间的水量差如果则向后推移一个时段，即以t′₀＝t′₀+1作为水流量调整期间的起点，获得新的调整水量若则t′₀＝t′₀+1，继续执行本步骤，直到实现停止试算，以t′₀=t′₀-1作为计算起点；否则t′₀向前推一个时段，得到新的调整水量重复本步骤，直至实现以t′₀作为试算起点；（6.3）从t′₀至t₀时段内，用0.618黄金分割法在Q(t)与Q_min之间确定出库水流量Q₁(t)，使与相等；（7）在水流量下降之后继续超量放水以消耗出库水流量下降期间的调节水量，恢复水库水位，控制水库水位在变幅范围内变化，为出库水流量下降期的超耗水量，即上述步骤（5）中出库水流量下降期间的调节水量差所得；为流量下降时段之后继续超量放水以消耗出库水流量下降期间的调节水量，从t₁到t₁′时段，使用常规方法，依次调整水流量；（7.1）由t₁作为起点起算，以t₁的流量Q(t₁)为基准值，各时段依次减少水流量值ΔQ，Q(t+1)=Q(t)-ΔQ，计算停止条件为Q(t)=Q_min，得水流量限制线1；（7.2）依据上述出库水流量上升期的水量差确定调整期的结束时段t₁′，即以水流量下降时段的终点作为水流量调整期间的起点逐时段后推，确定水流量调整期间的终点t₁′，任意时段作为水流量调整期间的终点t₁′，t₁′＞t₁,由t₁′至t₁试算，以t₁′的流量为基准值，各时段依次减少流量值ΔQ，得到图5中的水流量限制线2；逐时段比较水流量限制线1和水流量限制线2以及最小下泄水流量Q_min限制，取其最小值作为各时段的水流量下限值，形成t₁至t₁′期间出库水流量的下限限制线，累计水流量调整期间的水量差如果则以t₁′=t₁′-1，继续执行本步骤，否则，t₁′向后推一个时段，重复本步骤，获得新的调整水量直到实现以t₁′=t₁′+1作为试算起点；如果则以t₁′=t₁′+1，继续上述试算，得到新的调整水量直到实现以t₁′作为时段起点；（7.3）从t₁到t₁′时段内，用0.618黄金分割法在Q(t)与Q_min之间确定出库水流量Q₁(t)，使得与相等；（8）依据步骤（2）所获出库水流量或步骤（7.3）所获出库水流量，使用常规方法，计算出日调节水电站的发电出力估值。