耦合中長期預(yù)報方案的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)研究

余 豪，費(fèi)如君，黃錦原

(中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014)

0 引 言

隨著國家大力開展新能源建設(shè)，水能資源作為清潔能源具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。但由于優(yōu)化調(diào)度方案的不完善，造成了部分水能資源的浪費(fèi)。如何充分挖掘各水電站的發(fā)電潛力，增加水電站經(jīng)濟(jì)效益是急需研究的課題。針對資料豐富的水電站，國內(nèi)在中長期優(yōu)化調(diào)度方面的研究已取得較多的成果，主要采用方法有利用動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法、逐次動態(tài)規(guī)劃等優(yōu)化算法挖掘相應(yīng)的調(diào)度規(guī)則等。但部分新建電站由于歷史資料較少，制訂中長期發(fā)電調(diào)度方案較為困難的問題。本文以泗南江水電站為研究對象，針對其建成5年內(nèi)的入庫流量資料，研究一套中長期調(diào)度方案及系統(tǒng)，在不增加工程投資的情況下，挖掘水電潛力，增加經(jīng)濟(jì)效益。

1 工程背景

1.1 泗南江水電站基本情況

泗南江水電站位于云南省思茅地區(qū)墨江哈尼族自治縣那哈鄉(xiāng)、壩溜鄉(xiāng)和泗南江鄉(xiāng)境內(nèi)，廠區(qū)海拔553 m，采用跨流域、混合式開發(fā)，開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。

壩址集雨面積1 583 km2，水庫總庫容2.710×108m3；正常蓄水位900 m，相應(yīng)庫容2.468×108m3；死水位860 m，相應(yīng)庫容0.451×108m3；調(diào)節(jié)庫容2.017×108m3，調(diào)節(jié)特性為年調(diào)節(jié)(庫容系數(shù)0.15)。裝機(jī)容量201 MW，電站設(shè)計水頭約329 m，設(shè)計引用流量約75.7 m3/s，保證出力56.3 MW，年利用小時數(shù)4 575 h。

1.2 泗南江流域水文氣象特點(diǎn)

泗南江為阿墨江一級支流、李仙江二級支流，全流域面積為1 655 km2，壩址以上流域面積為1 583 km2，壩址多年平均流量為43.2 m3/s，多年平均年徑流量為13.624億m3。思茅區(qū)屬低緯高原南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，具有低緯、高溫、多雨、靜風(fēng)的特點(diǎn)，年均氣溫17.9 ℃，年均降雨量1 517.8 mm，該地區(qū)冬無嚴(yán)寒，夏無酷暑，四季如春，屬于半干旱氣候到濕潤氣候兩者相互交融組合的多種氣候類型。

2 水庫中長期優(yōu)化調(diào)度研究

2.1 動態(tài)規(guī)劃算法

針對單庫水電站，動態(tài)規(guī)劃算法可以在不產(chǎn)生維數(shù)災(zāi)的情況下有效模擬優(yōu)化調(diào)度過程。狀態(tài)變量以死水位至正常高水位進(jìn)行劃分，過程變量為時間節(jié)點(diǎn)，以“年最優(yōu)經(jīng)濟(jì)效益”為優(yōu)化目標(biāo)。

2.2 優(yōu)化調(diào)度模擬

鑒于2008年～2012年泗南江水電站來水情況基本可覆蓋豐平枯情況，選擇2008年5月～2012年4月的實(shí)際發(fā)電數(shù)據(jù)為研究對象，以旬為時間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度研究，驗證優(yōu)化調(diào)度算法在提高泗南江發(fā)電效益方面的空間。

根據(jù)電網(wǎng)要求，泗南江水電站上網(wǎng)電價采用豐平枯電價。泗南江水電站具體上網(wǎng)電價情況見表1。

表1 泗南江水電站豐平枯電價一覽 元/(kW·h)

2.3 以“旬”為階段的優(yōu)化調(diào)度

為充分驗證泗南江水電站發(fā)電效益的最大優(yōu)化空間，采用兩種不同出力約束進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度模擬。模擬結(jié)果表明：在電站運(yùn)行的4年時間內(nèi)，采用優(yōu)化調(diào)度算法時，可節(jié)約較多的水能資源，具有較大的優(yōu)化空間。如果應(yīng)用合理的優(yōu)化調(diào)度方案，可以增加1.98億～2.86億元的經(jīng)濟(jì)效益。

(1)出力約束為：N保證

(2) 出力約束為：0

優(yōu)化調(diào)度結(jié)果見圖1、2。

2.4 基于中長期預(yù)報的調(diào)度方案制訂

2.4.1中長期預(yù)報方法

時間序列是按時間順序的一組數(shù)字序列。一般反映三種實(shí)際變化規(guī)律：趨勢變化、周期性變化、隨機(jī)性變化。

表2 限制保證出力的優(yōu)化調(diào)度年發(fā)電量情況一覽

表3 限制保證出力的優(yōu)化調(diào)度年棄水量情況一覽

表4 未限制保證出力的優(yōu)化調(diào)度年發(fā)電量情況一覽

表5 未限制保證出力的優(yōu)化調(diào)度年棄水量情況一覽

取用資料系列的5項前期量且用距平值計算[1]， 預(yù)報方程為

(1)

式中，ΔQt+1為預(yù)報年的最大洪峰流量距平值；b1ΔQt、b2ΔQt-1、b3ΔQt-2、b4ΔQt-3、b5ΔQt-4分別為預(yù)報年的前1年、2年、…、5年的年最大流量距平值;b1、b2…、b5為預(yù)報系數(shù)。計算相關(guān)函數(shù)

(2)

圖1 年調(diào)度過程

利用數(shù)據(jù)可計算出：概率函數(shù)[3，4，5]，r(0)、r(1)、r(2)、r(3)、r(4)、r(5)。根據(jù)r(0)～r(5)的值可以建立如下預(yù)報系數(shù)的線性方程組

(3)

求解出b1、b2、b3、b4、b5。

(1)資料的合理性分析。時間序列方法需輸入較長的歷史資料才能更好地進(jìn)行預(yù)報。因歷史資料的欠缺，會對預(yù)報會造成較大的影響；因此需對已有資料進(jìn)行處理。泗南江水電站1979年～2008年的徑流資料為氣象臺提供的數(shù)據(jù)，但分析發(fā)現(xiàn)1979年～2008年的徑流資料與2008年后的實(shí)測資料以及設(shè)計多年平均徑流資料的一致性很差，不能直接使用。分析發(fā)現(xiàn)，各月徑流占全年徑流的趨勢與實(shí)測資料相似，考慮采用同倍比放大縮小的方式處理數(shù)據(jù)。處理后的多年平均徑流量為42.29 m3/s。

(2)預(yù)報成果。為了檢驗處理后資料的可用性，利用處理的資料對2008年～2012年進(jìn)行模擬預(yù)報，根據(jù)最近幾年的預(yù)報成果，對該方法的預(yù)報誤差進(jìn)行分析。

采用時間序列中長期預(yù)報方法，2012年～2013年平均流量預(yù)報結(jié)果為35.62 m3/s。對比調(diào)度過程，可選擇2009年～2010年的優(yōu)化調(diào)度過程作為指導(dǎo)方案，并進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。實(shí)測與預(yù)報的年平均流量情況見表6。

表6 實(shí)測與預(yù)報的年平均流量情況一覽

2.4.2方案檢驗

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)：優(yōu)化調(diào)度過程在不限制保證出力的情況時，調(diào)度末期會出現(xiàn)單個調(diào)度階段水位變化較大的情況(集中發(fā)電的情況)，根據(jù)電網(wǎng)公司和水電站實(shí)際運(yùn)行情況分析，應(yīng)盡量避免此情況出現(xiàn)。因此，本次方案模擬選擇旬優(yōu)化調(diào)度限制保證出力的方案進(jìn)行模擬檢驗。

為采用該優(yōu)化調(diào)度方案，模擬全年調(diào)度的成果(見表7)。直接采用實(shí)際入庫數(shù)據(jù)對2012年～2013年進(jìn)行動態(tài)規(guī)劃優(yōu)化調(diào)度檢驗，即最優(yōu)效果的情況，如表7所示。

表7 2012年～2013年年發(fā)電量情況

優(yōu)化方案調(diào)度結(jié)果見圖3、4。

圖3 優(yōu)化方案調(diào)度過程對比

圖4 優(yōu)化方案調(diào)度各旬出力對比

根據(jù)上述分析，采用耦合中長期的實(shí)時修正的優(yōu)化調(diào)度方案能使水庫的發(fā)電量增加，從而增加水庫的經(jīng)濟(jì)效益，但仍然存在一定的優(yōu)化空間。

3 中長期調(diào)度系統(tǒng)

3.1 選用技術(shù)

(1)RESTful服務(wù)。面向用戶開放的服務(wù)采用了RESTful風(fēng)格的服務(wù)，RESTful服務(wù)是一種URI形式的資源請求。RESTful服務(wù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：以HTTP為資源中心，規(guī)范了資源URI的格式，規(guī)范了HTTP請求動作(PUT，POST、DELETE等)的應(yīng)用。遵循REST規(guī)范的Web應(yīng)用具有以下優(yōu)點(diǎn)：URL具有較強(qiáng)的可閱讀性、自描述性；實(shí)現(xiàn)資源描述與視圖的松耦合性；便于第三方集成；提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性能[6]。

(2)JSON。計算結(jié)果以JSON格式(Java Script Object Notation)進(jìn)行規(guī)范化的輸出。JSON作為一種輕量級的數(shù)據(jù)交換形式，較XML具有更高的可讀性和可擴(kuò)展性，編碼和解碼過程難度更低、效率更高。例如表示時間2015- 01- 01 08∶00∶00，電站編碼SNJ00001的入庫流量為1000的JSON格式表達(dá)式如：{“stcd”:”60000001”，”TM”:”2015- 01- 01 08∶00∶00”， “INQ”:”1000”}。

3.2 人機(jī)交互設(shè)計

借助電站已經(jīng)總結(jié)的調(diào)度規(guī)律和調(diào)度作業(yè)人員的經(jīng)驗，對發(fā)電優(yōu)化調(diào)度方案進(jìn)行人工干預(yù)是非常必要的，可以使調(diào)度方案具有更高的實(shí)用性。調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計的人機(jī)交互功能可根據(jù)調(diào)度者的目標(biāo)動態(tài)調(diào)整調(diào)度方案，以圖、表形式給出每個方案的水庫水位變化過程、出力過程等，決策者可直觀的查看整個調(diào)度過程；系統(tǒng)也可以對中長期預(yù)報入庫徑流過程進(jìn)行人工置數(shù)和經(jīng)驗修正。

3.3 微服務(wù)開發(fā)方式

發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)是一直接面向調(diào)度者和決策者的系統(tǒng)，對不同電站，因作業(yè)人員具有不同的工作方式和工作目的，在系統(tǒng)界面功能和模型使用上都需要針對性的進(jìn)行調(diào)整和擴(kuò)充。鑒于此，本系統(tǒng)程序設(shè)計采用微服務(wù)的方式，將每一個功能模塊都開發(fā)成微服務(wù)，針對不同的用戶需求，可以選擇相應(yīng)的模塊和微服務(wù)。例如，泗南江水電站優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)管理、目標(biāo)函數(shù)設(shè)定、資料接入、圖像調(diào)整、圖表聯(lián)動等功能。每一個子功能均可以開發(fā)成微服務(wù)，采用組裝的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活擴(kuò)展。

3.4 軟件功能

(1)參數(shù)設(shè)置模塊。該模塊包括電站出力設(shè)置參數(shù)、水位邊界設(shè)置參數(shù)以及天然來水設(shè)置參數(shù)三個子模塊(見圖5)。電站出力參數(shù)子模塊：用戶可以根據(jù)電站運(yùn)行情況和實(shí)際電力生產(chǎn)需求，自由設(shè)置各時段的出力限制。利用水位邊界設(shè)置參數(shù)子模塊，用戶可以靈活地修改水庫各時段水位限制，從而更好地滿足防洪發(fā)電要求。利用天然來水設(shè)置參數(shù)子模塊，用戶可以根據(jù)該日具體的天氣情況，合理設(shè)置各時段(日、周、旬)的天然來水情況。

圖5 單庫中長期發(fā)電優(yōu)化參數(shù)設(shè)置界面

(2)優(yōu)化調(diào)度模塊。根據(jù)預(yù)報的氣象資料或徑流資料自由選擇作為來水情況，固定水庫的起調(diào)和結(jié)束水位，優(yōu)化計算得到短期發(fā)電安排(見圖6)。

圖6 單庫中長期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度計算界面

(3)人機(jī)交互模塊。可以對各時段的入庫流量、出庫流量、水位以及出力進(jìn)行人為修改，實(shí)現(xiàn)圖表聯(lián)動，可實(shí)現(xiàn)拖動圖形過程線，重新計算，生成相應(yīng)表格(見圖7)。

圖7 單庫中長期發(fā)電人機(jī)交互界面

(4)方案會商模塊。用戶可以選擇不同的調(diào)度目標(biāo)、調(diào)度算法(動態(tài)規(guī)劃、遺傳算法等)生成相應(yīng)的調(diào)度方案，最終對多個調(diào)度方案進(jìn)行方案會商，使得調(diào)度決策人員在一個界面中比較多種方案，通過相應(yīng)計算指標(biāo)進(jìn)行方案的選擇，提高決策支持。

(5)結(jié)果顯示。軟件可以自動制作出日、周、旬的等時段包括入庫流量、發(fā)電流量、壩上水位、棄水、出力、電量的圖表。用戶可以導(dǎo)出相應(yīng)圖表進(jìn)行報告編寫。

4 結(jié) 語

(1)中長期預(yù)報與動態(tài)規(guī)劃耦合的優(yōu)化調(diào)度方案，在新建電站的發(fā)電優(yōu)化調(diào)度中可以起到一定的指導(dǎo)作用，使電站在制訂調(diào)度計劃的過程中有據(jù)可尋。

(2)優(yōu)化調(diào)度方案對提高泗南江水電站發(fā)電效益方面發(fā)揮較大的作用，可增加其發(fā)電效益、減少棄水。

(3)中長期優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的開發(fā)運(yùn)用，可以使方案具有實(shí)時調(diào)整性；從而提高優(yōu)化調(diào)度方案的實(shí)用性。