大型水電站整體時空經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）

隨著我國經濟的不斷發展，水電站也需求進行相應的升級與改造。現今，針對大型水電站的經濟運行很多學者提出了優化的方法，傳統的方法包括動態規劃法、拉格朗日松弛法、分支界定法、優先順序法等等，但是這些傳統方法都存在著一定的缺陷，例如動態規劃法的運算時間過長，無法在合理的時間內求出滿足要求的解；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；優先順序法是在機組滿負荷耗水量的基礎下進行排序的，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濟運行模型構建

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，對水電站的經濟運行進行合理的規劃，是水電站的總用水量達到最小，目標函數表示為：

式中：minP 表示的是水電站在運行時間內總耗水量，包括機組開、停機以及發電過程所產生的耗水量；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 內機組i 的狀態，主要分為兩種狀態：開機和關機，分為用1 和0 來表示。

本模型的約束條件主要分為旋轉備用約束、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 機組組合優化

根據上述給定的目標函數與約束條件，對機組組合進行優化，主要采用的是擴展蟻群算法，其是對傳統蟻群算法的改進[2]。

擴展蟻群算法在傳統蟻群算法的基礎上，將蟻群數量進行了擴展，用M 表示，而每個蟻群有N 只螞蟻，與水電站中的機組數量對應，1 和0 表示的是機組的開、關機狀態。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，每個蟻群內的螞蟻會從不同起點在信息素的引導下構建螞蟻路徑，直到水電站運行時段結束，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。制定穩定最優表進行經濟符合分配，計算總耗水量，找出M 個蟻群中的最優解，輸出相應的結果。

1.2 經濟負荷分配

根據上述擴展蟻群算法形成了M 個機組組合形式，制定相應的穩定最優表，對經濟負荷進行分配。

本文主要是采用動態規劃法對穩定最優表進行制定，設置階段變量為x，其表示的是機組工作的臺數；決策變量為Nx和狀態變量Nx1，其分別表示的是在階段內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 階段內所有機組的出力值產生的流量；w（Ni）表示的是機組i 的發電流量。

若是想要使產生的總流量達到最小值，令Nx=Ni，則有方程：

根據上述公式（3）與（4）制定了穩定最優表。然后根據穩定最優表進行經濟負荷的分配。最優化原理指出對一個最優策略來說，其下屬的決策順序不會影響策略的優劣，因此，依據穩定最優表進行經濟負荷的分配完全合理。

經濟負荷分配首先設定水電站的機組數為n，其負荷要求為N，當一組機組開機的時候，其他機組要處于關機的狀態。

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

根據上述的機組組合優化與經濟負荷分配實現了水電站整體時空經濟運行模型的運行。

2 實驗結果與分析

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

為了保證實驗過程與結果的準確性，對實驗過程中的參數進行設置。由于本文采用的是兩種不同的模型對水電站機組以及經濟符合進行優化，因此，為了最大限度的保證實驗結果的精確性，對實驗外環境參數進行統一的設置，這樣既可以保證實驗的準確性，又方便實驗的進行。本文外部環境參數設置結果見表1。

表1 外部環境參數設置結果

在實驗過程中，由于采用的水電站經濟運行模型不同，因此，本文引用第三方軟件對其實驗數據進行記錄與分析。設置傳統水電站經濟運行模型為對照組，本文構建的大型水電站整體時空經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，實驗結果見圖1。

圖1 實驗對比結果

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，當次數超過50次時出現輕微下降，超過70 次之后，出現一定波動，運行效率基本都在70%以上；對照組在前40 次實驗中，運行效率持續下降，40 次到60 次時，運行效率出現上漲并達到峰值60%，隨著實驗次數的增加，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%，說明構建的大型水電站整體時空經濟運行模型具備極高的有效性。

3 結語

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