烏江梯級(jí)水電站短期優(yōu)化調(diào)度研究

曹 輝

(1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司,北京100038;2.三峽水利樞紐梯級(jí)調(diào)度通信中心,四川成都610041)

隨著廠網(wǎng)分開(kāi)、電力市場(chǎng)改革的不斷深入,水電站作為電力市場(chǎng)主體之一,其角色和經(jīng)營(yíng)目標(biāo)發(fā)生了明顯變化。如何調(diào)度梯級(jí)水電站,達(dá)到降低成本、優(yōu)化運(yùn)行的目的,是每個(gè)電力企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。水電站短期優(yōu)化調(diào)度是提高發(fā)電收益的重要手段[1-2]。短期優(yōu)化調(diào)度能在考慮電站水情、電力市場(chǎng)環(huán)境及電站特點(diǎn)等因素的情況下,制定優(yōu)化的競(jìng)價(jià)電量,為參與市場(chǎng)競(jìng)價(jià)提供重要的決策支持[1]。本文通過(guò)選擇梯級(jí)發(fā)電量最大模型對(duì)流域不同頻率來(lái)水情況下梯級(jí)電站的發(fā)電量進(jìn)行計(jì)算分析,進(jìn)而總結(jié)了烏江梯級(jí)電站短期優(yōu)化調(diào)度的發(fā)電規(guī)律,為梯級(jí)電站短期調(diào)度計(jì)劃的制定提供決策指導(dǎo)[3- 6]。

1 流域概況

烏江是長(zhǎng)江上游南岸最大的一條支流,全長(zhǎng)1 037 km,流域面積8.8 km2,多年平均水量534億m3。烏江流域?yàn)榻邓a(bǔ)給河流,降雨集中在5～10月,暴雨集中在6、7兩個(gè)月,洪水主要由暴雨形成。由于暴雨急驟,匯流迅速,洪水漲落快,峰形尖瘦,洪量集中。烏江流域天然落差大,落差達(dá)到2 124 m,水量充沛,水力資源豐富,是西部大開(kāi)發(fā)“西電東送”的主要電源點(diǎn)之一。目前,烏江干流已建和將建成的水庫(kù)群包括洪家渡、東風(fēng)、索風(fēng)營(yíng)、烏江渡、構(gòu)皮灘、思林和沙沱水庫(kù)。梯級(jí)各水庫(kù)的特征參數(shù)見(jiàn)表1。

2 烏江梯級(jí)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度模型

2.1 目標(biāo)函數(shù)

為了挖掘?yàn)踅菁?jí)水庫(kù)群優(yōu)化調(diào)度規(guī)律,本文建立梯級(jí)發(fā)電量最大模型,目標(biāo)函數(shù)見(jiàn)式(1),該模型在未來(lái)一個(gè)調(diào)度期水庫(kù)始、末水位及短期預(yù)報(bào)入庫(kù)徑流已知的情況下,考慮各水庫(kù)電站實(shí)際情況及電網(wǎng)綜合約束,尋求梯級(jí)各電站的某種短期聯(lián)合運(yùn)行方式,使調(diào)度期內(nèi)梯級(jí)電站的總發(fā)電量最大[7-9]。

表1 烏江梯級(jí)水庫(kù)群主要特征參數(shù)

(1)

式中,E為調(diào)度期內(nèi)梯級(jí)總發(fā)電量；N(i,t)為第i梯級(jí)水庫(kù)t時(shí)段平均出力；Δt為時(shí)段長(zhǎng)；N為梯級(jí)水電站數(shù)目；T為時(shí)段數(shù)目。

2.2 約束條件

水量平衡約束

V(m,t+1)=V(m,t)+(QI(m,t)-QO(m,t))×Δt

(2)

蓄水位限制

Zmin(m,t)≤Z(m,t)≤Zmax(m,t)

(3)

出庫(kù)流量約束

QOmin(m,t)≤QO(m,t)≤QOmax(m,t)

(4)

電站出力限制

Nmin(m,t)≤N(m,t)≤Nmax(m,t)

(5)

式中,QI(m,t)、QO(m,t)為第m級(jí)電站、第t時(shí)段入庫(kù)、出庫(kù)流量；V(m,t)、V(m,t+1)為第m級(jí)電站第t時(shí)段初、末庫(kù)容；Zmax(m,t)、Zmin(m,t)為第m級(jí)電站第t時(shí)段水位變化上、下限；QOmax(m,t)、QOmin(m,t)為第m級(jí)電站第t時(shí)段出庫(kù)流量約束上、下限值；Nmax(m,t)、Nmin(m,t)為第m級(jí)電站第t時(shí)段出力約束上、下限。

2.3 模型求解

本文研究采用關(guān)聯(lián)平衡協(xié)調(diào)和關(guān)聯(lián)預(yù)估協(xié)調(diào)所組成的混合法對(duì)原問(wèn)題進(jìn)行分解,選取的協(xié)調(diào)變量為拉格朗日乘子λit和水庫(kù)入庫(kù)流量Qrit,研究中將烏江梯級(jí)水電站群分解為7個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng),即洪家渡水庫(kù)、東風(fēng)水庫(kù)、索風(fēng)營(yíng)水庫(kù)、烏江渡水庫(kù)、構(gòu)皮灘水庫(kù)、思林水庫(kù)和沙陀水庫(kù)七個(gè)子系統(tǒng)。單庫(kù)優(yōu)化采用POA算法進(jìn)行求解(配合0.618法兩階段尋優(yōu)),然后通過(guò)二級(jí)協(xié)調(diào)器把各子系統(tǒng)連接在一起,并協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的最優(yōu)以達(dá)到大系統(tǒng)的整體最優(yōu),使之滿足協(xié)調(diào)約束,一旦滿足則各子系統(tǒng)的最優(yōu)解即為整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)解。在求解短期優(yōu)化調(diào)度時(shí)需要根據(jù)具體情況考慮水流時(shí)滯問(wèn)題,因此構(gòu)造原問(wèn)題的拉格朗日函數(shù)表示為

(6)

式中,uit、λit為拉格朗日乘子。由于不考慮梯級(jí)系統(tǒng)出力限制要求,構(gòu)造函數(shù)時(shí)不需要考慮相應(yīng)的庫(kù)恩-塔克乘子,只需進(jìn)行兩級(jí)遞接控制。

當(dāng)選取λit和Qrit作為協(xié)調(diào)變量時(shí),在協(xié)調(diào)級(jí)給定的情況下,對(duì)上述拉格朗日函數(shù)分解,則可表達(dá)成如下加性可分形式:

(7)

式中,cont為常數(shù)。

由此可將本次研究的大系統(tǒng)問(wèn)題分解為如下n個(gè)子問(wèn)題

(8)

分別對(duì)協(xié)調(diào)變量Qrit和λit求導(dǎo)可以得出考慮水流時(shí)滯的第二級(jí)協(xié)調(diào)器的計(jì)算公式為

(9)

(10)

式中,k為迭代次數(shù)；ηj為第j水庫(kù)的出力系數(shù)；Hjjt為第j水庫(kù)t時(shí)段的平均水頭。

3 梯級(jí)水電站發(fā)電量最大模型結(jié)果及分析

3.1 常規(guī)調(diào)度

選取不同頻率的來(lái)水(P=10%、25%、50%、75%、90%),調(diào)度期各庫(kù)的始末水位相同,分別取洪家渡始末水位1 120 m；東風(fēng)始末水位960 m；索風(fēng)營(yíng)始末水位830 m；烏江渡始末水位740 m；構(gòu)皮灘始末水位630 m；思林始末水位435 m；沙沱始末水位360 m。以梯級(jí)發(fā)電量最大為目標(biāo),采用等流量調(diào)節(jié)方法,計(jì)算烏江干流7庫(kù)96點(diǎn)日調(diào)度,結(jié)果如表2、3所示。以上常規(guī)調(diào)度結(jié)果可以看出：

表2 不同頻率來(lái)水的常規(guī)調(diào)度計(jì)算結(jié)果

表3 不同頻率來(lái)水的優(yōu)化調(diào)度梯級(jí)計(jì)算結(jié)果

(1)各庫(kù)發(fā)電量占梯級(jí)發(fā)電比重不同,隨來(lái)水改變呈現(xiàn)不同變化趨勢(shì)。構(gòu)皮灘占梯級(jí)發(fā)電比重最大,各頻率來(lái)水條件下均超過(guò)33.61%；而洪家渡最小,僅占5%左右。

(2)隨著來(lái)水的變化,各水庫(kù)發(fā)電量占梯級(jí)總發(fā)電量比重略有變化,其中洪家渡水庫(kù)所占比重隨來(lái)水減少而不斷減少,從來(lái)水頻率p=10%的5.62%減少到p=90%的4.82%,減少幅度為0.8%；而索風(fēng)營(yíng)、烏江渡水庫(kù)占梯級(jí)比重隨來(lái)水減少則不斷增加,其中索風(fēng)營(yíng)從來(lái)水頻率p=10%的6.04%增加到p=90%的6.29%,增加幅度為0.25%,烏江渡從來(lái)水頻率p=10%的13.56%增加到p=90%的14.46%,增加幅度為0.92%；構(gòu)皮灘水位變化略有波動(dòng),整體呈現(xiàn)減少趨勢(shì)；其余各庫(kù)中,東風(fēng)隨來(lái)水增加呈增加趨勢(shì),思林與沙沱水庫(kù)隨來(lái)水的變化波動(dòng),趨勢(shì)但并不明顯。

3.2 優(yōu)化調(diào)度

選取不同頻率的來(lái)水,各庫(kù)始末水位相同與常規(guī)調(diào)度一致,以梯級(jí)發(fā)電量最大為目標(biāo),采用大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)方法,計(jì)算烏江干流7庫(kù)96點(diǎn)日調(diào)度,結(jié)果如表3所示。從優(yōu)化調(diào)度結(jié)果可以看到出：

(1)構(gòu)皮灘仍然占梯級(jí)發(fā)電比重最大,而且比常規(guī)占梯級(jí)比重略微提高,各頻率來(lái)水條件下均超過(guò)34%；洪家渡仍舊最小,但是比重有所提高,均超過(guò)5.1%。與常規(guī)調(diào)度相比,東風(fēng)、索風(fēng)營(yíng)水庫(kù)發(fā)電量占梯級(jí)總量比重略有增加,烏江渡、沙沱有所減少,思林沒(méi)有太大變化。

(2)隨著來(lái)水的變化,優(yōu)化調(diào)度的各水庫(kù)發(fā)電量占梯級(jí)發(fā)電量比重略有變化,其中洪家渡水庫(kù)所占比重隨來(lái)水減少而不斷減少,從來(lái)水頻率p=10%的5.89%減少到p=90%的5.10%,減少幅度為0.79%,與常規(guī)調(diào)度相差不多；索風(fēng)營(yíng)、烏江渡水庫(kù)占梯級(jí)比重隨來(lái)水減少不斷增加,其中索風(fēng)營(yíng)從來(lái)水頻率p=10%的6.64%增加到p=90%的6.81%,增加幅度為0.17%,比常規(guī)調(diào)度增幅減少,烏江渡從來(lái)水頻率p=10%的12.86%增加到p=90%的13.88%,增加幅度為1.02%,增幅略高于常規(guī)調(diào)度；其余各庫(kù)中,東風(fēng)、思林隨來(lái)水增加呈增加趨勢(shì),沙沱呈減少趨勢(shì),構(gòu)皮灘水庫(kù)隨來(lái)水的變化波動(dòng),趨勢(shì)并不明顯。

3.3 優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度對(duì)比分析

優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度的結(jié)果無(wú)法直接用來(lái)比較,因?yàn)閮煞N方法的梯級(jí)總來(lái)水量是不同的,原因是因?yàn)槎唐谡{(diào)度考慮了水流時(shí)滯的影響。在烏江干流梯級(jí)水庫(kù)中,相鄰兩庫(kù)最大水流時(shí)滯時(shí)間為3小時(shí),最小也需要1小時(shí),因此水流時(shí)滯在烏江短期日優(yōu)化調(diào)度中是一個(gè)不容忽視的因素。水流時(shí)滯對(duì)短期日優(yōu)化調(diào)度的影響集中體現(xiàn)在水量平衡方面,具體地說(shuō)就是,由于水流滯時(shí)的影響,使得上級(jí)電站前一日最時(shí)間內(nèi)的流量參與下一級(jí)電站次日的水量平衡；同時(shí)本級(jí)電站當(dāng)日最后時(shí)間內(nèi)的流量參與下級(jí)電站次日的水量平衡。因此,上游電站的下泄流量、區(qū)間入流量以及進(jìn)入下游水庫(kù)的流量在一個(gè)時(shí)段甚至一日內(nèi),并不是平衡的。其中任一級(jí)電站的日發(fā)電水可視為兩部分組成。一部分為當(dāng)日水量,另一部分為前一日的水量。

但是為了能夠直觀的分析說(shuō)明優(yōu)化調(diào)度與常規(guī)調(diào)度的差異,做以下處理：①以梯級(jí)來(lái)水較少的優(yōu)化調(diào)度為基準(zhǔn),減少常規(guī)梯級(jí)來(lái)水到與優(yōu)化調(diào)度相同。②同倍比縮放常規(guī)調(diào)度除洪家渡以外其他各水庫(kù)的來(lái)水與發(fā)電量。

不同頻率來(lái)水的優(yōu)化調(diào)度下梯級(jí)發(fā)電量與經(jīng)過(guò)處理的不同頻率來(lái)水的常規(guī)調(diào)度下梯級(jí)發(fā)電量結(jié)果如表4所示。通過(guò)表4可以看出,隨著區(qū)間來(lái)水增大,發(fā)電量增加,但并不是來(lái)水越大,優(yōu)化的效果越明顯。當(dāng)區(qū)間來(lái)水頻率為50%的時(shí)候,優(yōu)化結(jié)果最為明顯,達(dá)到1.22%,區(qū)間來(lái)水頻率為10%的時(shí)候優(yōu)化效果最差,這是因?yàn)楫?dāng)來(lái)水較大的時(shí)候,水庫(kù)的水位變幅減小,優(yōu)化能力減弱。

表4 不同頻率區(qū)間來(lái)水的梯級(jí)常規(guī)與優(yōu)化調(diào)度發(fā)電量比較

以區(qū)間來(lái)水頻率為50%為例,詳細(xì)分析各水庫(kù)在梯級(jí)水庫(kù)發(fā)電所占比重和優(yōu)化效果，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看到,沙沱和烏江渡優(yōu)化效果最差,小于常規(guī)調(diào)度,其他電站均優(yōu)于常規(guī)調(diào)度,其中以索風(fēng)營(yíng)最為明顯,達(dá)到10.82%,其次為烏江渡8.04%,構(gòu)皮灘3.47%,思林不是很明顯只有1.03%,整個(gè)梯級(jí)發(fā)電量?jī)?yōu)化調(diào)度較常規(guī)優(yōu)化1.22%,從上面的優(yōu)化結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)兩個(gè)具有多年調(diào)節(jié)性能的水庫(kù)水位變化最小,洪家渡與構(gòu)皮灘水位變化只有0.03 m；調(diào)節(jié)性能較弱的水庫(kù)水位變化較大,其中以庫(kù)容最小的索風(fēng)營(yíng)水位變化最大,達(dá)到1.8 m,可以認(rèn)為水位變化幅度與庫(kù)容大小直接相關(guān)。

(2)從水位變化過(guò)程來(lái)看,具有日調(diào)節(jié)以上性能的水庫(kù),除了東風(fēng)在前期因?yàn)槭芎榧叶煞潘挠绊?水位略微抬升,其他3座水庫(kù)均前期降低水位,后期抬高水位,3座日調(diào)節(jié)性能水庫(kù)均采取前期蓄水后期放水原則。

表5 P=50%的常規(guī)與優(yōu)化調(diào)度比較

4 結(jié) 論

本文應(yīng)基于大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)算法對(duì)發(fā)電量最大模型進(jìn)行求解,其中洪家渡水庫(kù)所占比重隨來(lái)水減少而不斷減少,索風(fēng)營(yíng)、烏江渡水庫(kù)占梯級(jí)比重隨來(lái)水減少不斷增加,東風(fēng)、思林隨來(lái)水增加呈增加趨勢(shì),沙沱呈減少趨勢(shì),構(gòu)皮灘水庫(kù)隨來(lái)水的變化波動(dòng),趨勢(shì)并不明顯。并于不同頻率來(lái)水的常規(guī)算法進(jìn)行比較,當(dāng)區(qū)間來(lái)水頻率為50%的時(shí)候,優(yōu)化結(jié)果最為明顯,達(dá)到1.22%,區(qū)間來(lái)水頻率為10%的時(shí)候優(yōu)化效果最差。最后對(duì)50%頻率來(lái)水的發(fā)電過(guò)程進(jìn)行了分析,從水位變化過(guò)程來(lái)看,具有日調(diào)節(jié)以上性能的水庫(kù),除了東風(fēng)在前期因?yàn)槭芎榧叶煞潘挠绊?水位略微抬升,其他3座水庫(kù)均前期降低水位,后期抬高水位,3座日調(diào)節(jié)性能水庫(kù)均采取前期蓄水后期放水原則。

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