一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配方法与流程

本发明属于水电站调度运行领域，涉及一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配方法。

技术背景

水电是我国大力发展的无污染的绿色能源，在过去的二十年里，尤其是最近的十年中，中国的水力发电发展速度非常迅速，且所占电力资源的比重越来越大，水电系统优化调度问题的研究显得越来越重要，因此在满足水电运行安全优质的前提下，科学合理地安排水电机组的运行，以期提高水电站水能利用率获得更大的经济效益。我国许多大型水电站利用坡降平缓的引水方式与天然水面形成急剧落差，建成长距离引水式电站以充分利用水头发电。由于受地质条件、开发方式及经济比选等影响，这类水电站一般采用“长距离引水+一洞多机”的复杂引水发电系统。“一洞多机”式水电站不但具有装机容量大、运行水头高、机组振动区复杂等特点，同时与常规的单洞单机模式相比，在短期负荷分配时面临更为复杂的问题。首先，一洞多机模式中多台机组共用同一引水隧洞(以下简称隧洞)，机组间水力联系相互干扰，负荷分配时需要考虑复杂的发电流量分配及开机方式；其次，当这些高水头机组进行调峰调频操作、快速响应系统负荷需求变化时，需要考虑如何避免频繁穿越振动区；再次，遭遇恶劣水力工况或电力系统故障时，机组负荷的剧烈波动将引起隧洞内发电流量的剧烈变化，造成大量水能损失，甚至对电站或电网安全运行造成较大的危害。因此，“一洞多机”水电站短期负荷分配既有水量平衡、流量关联等复杂的水力联系，又有电力约束、电量平衡等复杂的电力联系；既要考虑水位、流量、出力限制等单时段约束，又要考虑机组开停机持续时段数、振动区穿越等多时段关联约束，因此是离散、高维、非线性、非凸的数学规划问题，这些问题给“一洞多机”式水电站短期负荷分配优化建模及求解带来巨大的困难。目前国内相关研究成果和文献报道大多针对单洞单机短期负荷分配，常采用混合整数线性规划、动态规划及其改进算法等常规数学方法或遗传算法、蚁群算法、粒子群算法等智能算法进行求解，尚未见考虑“一洞多机”式水电站短期负荷分配求解方法。

本发明成果依托于国家自然科学基金(91547201)和国家自然科学基金-雅砻江联合基金资助项目(u1765103)，以“一洞多机”引水式水电站短期负荷分配问题为研究背景，以红水河干流天生桥二级“一洞双机”水电站为研究对象，提出了一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配两阶段建模求解方法。本发明方法可以实现一洞多机的引水式水电站耗水量最小的目标，具有很强实用性和广泛推广价值。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配方法，充分满足电网运行约束、水库运行工况、电站运行条件、机组运行要求等物理约束或设定条件，进而求出机组组合、开机状态以及机组出力，达到耗水量最小目标。

本发明的技术方案为：

一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配方法，通过两阶段建模实现，第一阶段建立考虑持续时间约束的水电机组开停机优化模型，并应用逐步优化算法结合启发式策略按照下述步骤(1)-(6)求得一洞多机的最优开机组合方式；以第一阶段得出的最优开机组合方式为基础，第二阶段建立以电定水准则的负荷分配模型，即耗水量最小模型，采用动态规划通过步骤(7)进行固定机组间的负荷最优分配；具体步骤如下：

(1)输入系统负荷需求，寻找电站各时段满足开机台数约束的所有机组组合集合s′＝(s1′,s2′,...,st′,...,st′)；时段t机组组合其中为机组全组合数；

(2)通过系统负荷约束对集合s′中元素进一步过滤得到可行域s″＝(s″1,s″2,...,s″t,...,s″t)；

(3)计算可行域s″中各时段各元素对应开机方式的组合振动区，判断系统负荷是否落入振动区，如果落入，则删除该元素，得到初始可行域s＝(s1,s2,...,st,...,st)；时段t的初始可行域其中un，t≤mn,t，un，t为隧洞n时段t实际开机数目，u(i)代表满足约束的开机组合集合，在s中每个时段找出一组机组组合，合成短期计算周期内的开机过程；

(4)通过启发式策略求解满足机组开停机持续时间约束的初始可行解s″′＝(s1″′,s2″′,...,st″′,...,st″′)；当前一时段开机方式确定后，后一时段的求解范围缩减；

(5)采用逐步优化算法对初始可行域s″′进一步求解，设置启发式策略获得的目标函数值为f1、f2；以st中第k个元素stk替换开机组合方式中时段t的元素获得新的开机方式，判断是否满足持续时间约束，是，求解目标函数值为f1′、f2′，当f1′<f1且f2′<f2，替换原开机方式，并令f1＝f1′、f2＝f2′；否，则替换st中下一个元素并对目标函数值进行求解、判断；

(6)逐时段对目标函数值进行求解、判断，获得开停机优化模型的最优开机组合方式s^*＝(s1^*,s2^*,...,st^*,...,st^*)；

(7)确定开停机优化模型机组开停机状态后，进行固定机组间最优负荷分配；以投入机组的编号i为阶段变量，i台机组总出力为状态变量，每台机组的出力pi,t为决策变量，工作流量qi(pi,t)为代价函数，以耗水量最小为目标函数，应用动态规划进行负荷分配。

本发明对比现有技术有如下有益效果：本发明在针对水量平衡、流量关联等复杂的水力联系和电力约束、电量平衡等复杂的电力联系下提出一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配方法。该方法采用两阶段建模，第一阶段建立考虑持续时间约束的水电机组开停机优化模型，并应用逐步优化算法结合启发式策略求解最优开机组合方式；以此为基础，第二阶段建立以电定水准则的负荷分配模型，采用动态规划进行固定机组间的负荷最优分配。对比现有技术，本发明充分考虑到不同引水隧洞时段间机组开机方式的衔接，在保证水电站负荷需求前提下，同时具有较强的实用性。

附图说明

图1是总体求解框架图。

图2是“一洞多机”高水头引水式水电站示意图。

图3是天二枯水期和汛期典型日负荷过程图。

图4是汛期#1～#6机组的负荷分配结果图。

图5是枯水期#1～#6机组的负荷分配结果图。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

本发明旨在根据给定水电站总体负荷需求过程，优化各机组的开机及出力，使总体用水量最少。然而“一洞多机”模式中，单一机组引水流量的变化直接影响到同一隧洞中其它机组的水头损失，求解过程极其复杂。本发明采用两阶段进行建模求解：第一阶段建立考虑持续时间约束的水电机组开停机优化模型，确定最优开机组合方式；第二阶段在第一阶段结果的基础上，通过以电定水准则确定各机组负荷分配结果。两个模型以机组开机方式和启停耗水量为纽带进行关联。

(i)第一阶段：开停机优化模型

启停耗水量最小目标函数：

其中

wn,i,t,on＝yn,i,t×(1-yn,i,t-1)×wn,i,on

wn,i,t,off＝yn,i,t-1×(1-yn,i,t)×wn,i,off

开机台数最小目标函数：

式中：n、n为隧洞编号和总数；t、t为调度时段编号和总数；i、mn为隧洞n中机组编号和机组数目；c为机组启停耗水量，m³；yn,i,t为隧洞n机组i在时段t的状态，0表示关机，1表示开机；wn,i,t,on、wn,i,t,off分别为隧洞n机组i在时段t中开机和停机过程的耗水量，m³；wn,i,on、wn,i,off分别为隧洞n机组i开机和停机过程的耗水量，为已知值，m³；m为调度周期内总开机台数，mt为时段t的开机台数。

本发明中，开停机优化模型涉及的约束条件表达式如下：

(a)开机台数约束

其中

式中：为时段t可用机组数目；nt为时段t可参与运行的隧洞数目；mn,t为隧洞n在时段t的可用机组数目。

(b)系统负荷约束

式中：dt为时段t的给定总负荷需求，mw；cn,i为隧洞n机组i的铭牌出力，mw。

(c)组合振动区约束

式中：pzt分别为时段t的开停机组合振动区上、下限，mw。

(d)机组开停机持续时间约束

式中：tn,i,t,up、tn,i,t,down分别为隧洞n机组i在时段t的最小开、停时间，h；tn,i,t,on、tn,i,t,off分别为隧洞n机组i在时段t的最小开、停机持续时间，为已知值，h。

(ii)第二阶段：耗水量最小模型：

目标函数：

其中

式中：δt为时段步长，s；ut为时段t的总出库流量，m³/s；qi,t为机组i在时段t的发电流量，m³/s。

本发明中，耗水量最小模型涉及的约束条件表达式如下：

(a)水量平衡约束

vt＝vt-1+(int-ut)×δt

式中：vt为时段t的库容，m³，int为时段t的入库流量，m³/s。

(b)负荷平衡约束

式中：pi,t为机组i在时段t的出力，mw。

(c)出力限制约束

式中：pi,t分别为机组i在时段t的出力上、下限，mw。

(d)库容限制约束

式中：v分别为库容上、下限，m³。

(e)发电流量约束

式中：qi分别为机组i发电流量上、下限，m³/s。

(f)初始水位约束

z0＝zbeg

式中：z0、zbeg分别为起始水位及给定的初始值，m。

(g)振动区约束

式中：psi,t分别为机组i在时段t的振动区上、下限，mw。

图1是短期负荷分配总体求解框架。根据上述方法，一种一洞多机的引水式水电站短期负荷分配方法，通过两阶段建模实现，第一阶段建立考虑持续时间约束的水电机组开停机优化模型，并应用逐步优化算法结合启发式策略按照下述步骤(1)-(6)求得一洞多机的最优开机组合方式。以第一阶段得出的最优开机组合方式为基础，第二阶段建立以电定水准则的负荷分配模型，即，耗水量最小模型，采用动态规划通过步骤(7)进行固定机组间的负荷最优分配：(1)输入系统负荷需求，寻找电站各时段满足开机台数约束的所有机组组合集合s′＝(s1′,s2′,...,st′,...,st′)。

(2)在步骤(1)的基础上，通过系统负荷约束对集合s′中元素进一步过滤得到可行域s″＝(s″1,s″2,...,s″t,...,s″t)。时段t机组组合其中为机组全组合数。

(3)在步骤(2)的基础上，计算可行域s″中各时段各元素对应开机方式的组合振动区，判断系统负荷是否落入振动区，如果落入，则删除该元素，得到初始可行域s＝(s1,s2,...,st,...,st)。时段t的初始可行域其中un，t≤mn,t，un，t为隧洞n时段t实际开机数目，u(i)代表满足约束的开机组合集合，在s中每个时段找出一组机组组合，合成短期计算周期内的开机过程；

(4)在步骤(3)的基础上，通过启发式策略求解满足机组开停机持续时间约束的初始可行解s″′＝(s1″′,s2″′,...,st″′,...,st″′)。当前一时段开机方式确定后，后一时段的求解范围大为缩减。

(5)在步骤(4)的基础上，采用逐步优化算法对初始可行解s″′进一步求解，设置启发式策略获得的目标函数值为f1、f2。以st中第k个元素stk替换开机组合方式中时段t的元素获得新的开机方式，判断是否满足持续时间约束，是，求解目标函数值为f1′、f2′，当f1′<f1且f2′<f2，替换原开机方式，并令f1＝f1′、f2＝f2′；否，则替换st中下一个元素并对目标函数值进行求解、判断。

(6)在步骤(5)的基础上，逐时段对目标函数值进行求解、判断，获得开停机优化模型的最优开机组合方式s^*＝(s1^*,s2^*,...,st^*,...,st^*)。

(7)确定开停机优化模型机组开停机状态后，合理的进行固定机组间最优负荷分配。以投入机组的编号i为阶段变量,i台机组总出力为状态变量，每台机组的出力pi,t为决策变量，工作流量qi(pi,t)为代价函数，以耗水量最小为目标函数，应用动态规划进行负荷分配。

现以红水河干流天生桥二级水电站汛枯期典型日负荷优化分配为计算实例对本发明方法进行验证，天生桥二级水电站位于南盘江下游天然落差最集中的河段，是“西电东送”的电源点，承担着重要的调峰调频任务，也是典型高水头、大流量、长距离隧洞电站，采用3组“一洞两机”模式，隧洞平均长9.77km，平均水头176m。

图2为“一洞多机”高水头引水式水电站示意图。电站主要特征参数和计算参数如表1所示。电站机组组合振动区如表2所示。已知汛枯期典型日负荷过程如图3所示，利用启发式策略结合逐步优化算法求解最优开机组合方式，所得汛枯期开停机状态组合结果如表3、表4所示，通过动态规划算法获得汛枯期#1～#6机组的负荷分配结果如图4、图5所示。

两种开机方式耗水量对比如表5所示，本发明给定时段(15min)实际负荷需求为615.1mw，当开机方式采用单洞单机时，分别开隧洞a的#2、隧洞b的#4和隧洞c的#6机组，总发电流量为355.5m³/s，对应耗水流量为3.1995×105m³，平均水头损失为3.8m；当开机方式采用单洞双机时，分别开隧洞a的#2、隧洞b的#3和#4机组，总发电流量为365.5m³/s，对应耗水量为3.2895×105m³，平均水头损失为6.4m。可以看出，单洞单机开机方式比单洞双机开机方式节水9×103m³，且平均水头损失降低了2.6m，因此单洞单机开机方式明显优于单洞双机开机方式。

表1电站主要特征参数和计算参数

表2电站机组组合振动区

表3汛期开停机状态组合结果

表4枯期开停机状态组合结果

表5两种开机方式耗水量对比