一种基于边际效益的水电站确定性优化调度方法

1.本发明属于水利发电相关技术领域，更具体地，涉及一种基于边际效益的水电站确定性优化调度方法。


背景技术：

2.在水电站长期调度中，通常建立发电量最大模型，采用动态规划法及其改进算法进行求解，其改进算法主要包括逐步优化法、动态规划逐次逼近法、状态逐密动态规划法和增量动态规划法等。作为数学规划方法，动态规划通过穷举方法求得水库调度问题的最优解，所得的为问题的解而非一套规则，导致其所得方案可解释性不强，只解决了“如何调度”，却没有回答“为什么这样调度”的问题。


技术实现要素：

3.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于边际效益的水电站确定性优化调度方法，解决水电站用水量最优化的调度问题。
4.为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于边际效益的水电站确定性优化调度方法，该方法包括下列步骤：
5.s1将水电站的调度期划分为多个等时距的时段，设置水电站的调度期内的初始条件和约束条件，构建水电站长期优化调度发电量最大模型；
6.s2构建边际效益关于发电量最大模型的关系式，构建余留效益的计算方式，采用逆序递推的方式依次计算各个时段水位余留效益；
7.s3根据步骤s2中计算获得的余留效益，判断当前时段的边际效益和下一时段余留效益之间的大小，并以此构建当前用水量与各个库容、来流、最大下泄流量和最小出库流量之间的关系，利用该关系计算各个时段的用水量，实现水电站的调度。
8.进一步优选地，在步骤s2中，所述各个时段余留效益按照下列方式计算：
9.s21分别计算任意时刻t对应的边际效益f(v
t
,q
t
)和下时段余留效益f(v
t+1
)；
10.s22判断f(v
t
,q
t
)与f(v
t+1
)之间的大小，当f(v
t+1
)≥f(v
t
,q
t
)时，f(v
t
)＝f(v
t+1
)；否则，判断当前用水量q
t
与最大下泄流量的大小：
11.当时，f(v
t
)＝f(v
t
,q
t
)；
12.否则，更新当前用水量q
t
和时段末库容v
t+1
，返回步骤s22；
13.s23 t＝t-1，直至获得所有时段的余留效益。
14.进一步优选地，在步骤s23中，对于最后一个时段t，其下一个时段t+1时段对应末水位限制以下的余留效益f(v
t+1
)为m，m为任意大正数。
15.进一步优选地，在步骤s22中，更新所述当前用水量q
t
和时段末库容v
t+1
按照下列关系是更新：
16.q
t
＝q
t
+δq；
[0017]vt+1
＝v
t
+(i
t-q
t
)
×
δt
[0018]
其中，q
t
为该水电站在时刻t用水量；δq为单位水量；v
t+1
为t+1时刻库容；v
t
为t时刻库容；i
t
为t时刻来流；δt为时间间隔。
[0019]
进一步优选地，在步骤s3中，所述每个时段的用水量按照下列步骤计算获得：
[0020]
s31获取时段初蓄水状态v
t
和入库流量i
t
；
[0021]
s32判断本时段边际效益f(v
t
,q
t
)和下时段余留效益f(v
t+1
)之间的关系，当f(v
t
,q
t
)≤f(v
t+1
)时，当前用水量按照下列关系式进行：
[0022]
否则，更新当前用水量和和时段末库容v
t+1
，q
t
＝q
t
+δq，v
t+1
＝v
t
+(i
t-q
t
)
×
δt，更新计算本时段边际效益f(v
t
,q
t
)和下时段余留效益f(v
t+1
)，直至f(v
t
,q
t
)≤f(v
t+1
)，当前用水量按照下列关系式进行：
[0023]
s33 t＝t+1,返回步骤s31，直至获得每个时段的用水量。
[0024]
进一步优选地，在步骤s1中，所述约束条件为：
[0025]
(1)水位约束：z
t
和分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最低水位和最高水位限制；
[0026]
(2)库容约束：v
t
和分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最小库容和最大库容限制；
[0027]
(3)出力约束：n
t
和分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最小出力和最大出力限制；
[0028]
(4)出库流量约束：q
t
和分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最小出库流量和最大出库流量限制。
[0029]
进一步优选地，在步骤s1中，所述发电量最大模型按照下列关系式进行：
[0030][0031]
其中，e为调度期内总发电效益；a为水库出力；q
t
为时段t的用水量；h
t
为水库于时段t净水头。
[0032]
进一步优选地，所述边际效益关于所述发电量最大模型的关系式按照下列关系式进行：
[0033][0034]
其中，e为调度期内总发电效益；q
t
为时段t的用水量。
[0035]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0036]
1、将经济学中边际效益和水库调度规则融入方法本身，明确在多时段分配用水量时，发电水量不变的情况下，当前时段与未来时段对于水量具有竞争关系，依据边际效益进行蓄放水保证水在效益最大的时使用。方法本身易于调度人员理解掌握，在任意时刻可根
据水电站当前蓄水状态和来水状态作出相应决策，具有更强的可理解性和指导意义；
[0037]
2、本发明将经济学中边际效益理论与水库调度理论相结合，以边际效益作为指导展现每方水具有对应效益，实现发电效益最大；相比于数学规划方法而言，本方法将“何时用水”问题通过边际效益与时段余留效益直观展现出来，具有更强的可理解性；
[0038]
3、本发明得到的是调度规则而不仅仅是调度计划，以能够达到各时段最优效益水位为目标，任意时刻调度人员均可根据当前水位及来水作出最优决策，而不需要重新寻求发电计划，具有更强的指导意义。
附图说明
[0039]
图1是按照本发明的优选实施例所构建的基于边际效益的水电站确定性优化调度方法的流程图；
[0040]
图2是按照本发明的优选实施例所构建的各个时段的用水量的求解流程图。
具体实施方式
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0042]
优化调度问题的本质即为“何时用水”与“用水决策”两个本质问题，从本质问题入手，借助边际效益框架对优化调度问题进行经济性分析，明确在多时段分配用水时，发电水量不变情况下，当前时段与未来时段对于同等水量具有竞争关系。“何时用水”可通过本方水在当下时段或未来时段使用何时具有更大的效益进行决定。每时段边际效益f(v
t
,q
t
)可认为是本时段由本单位水带来的效益，即时段余留效益f(v
t
)指该方水位于该蓄水位为后续时段带来的效益。
[0043]
若已知水库各时段水位余留效益，结合水库本时段边际效益，可通过效益大小比较判断是否用水以及用多少水使得水库效益达到最大。
[0044]
图1为基于边际效益的水电站优化调度方法的流程图，具体包括以下步骤：
[0045]
步骤1设置调度期，将调度期(1年)均匀划分为t(t为正整数)个等间距时段；设置水电站调度期内的约束条件，其中，
[0046]
(1)水位约束：z
t
、分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最低水位和最高水位限制；
[0047]
(2)库容约束：v
t
、分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最小库容和最大库容限制；
[0048]
(3)出力约束：n
t
、分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最小出力和最大出力限制；
[0049]
(4)出库流量约束：q
t
、分别代表t(t＝1，2，
…
，t)时段最小出库流
量和最大出库流量限制；
[0050]
水量平衡方程：v
t+1
＝v
t
+(i
t-q
t
)
×
δt，i
t
表示t时段来流，δt表示一个时段的时间间隔；设置调度初始条件：水电站调度期初水位为z
ini
，调度期末水位为z
end
。
[0051]
步骤2根据水电站优化调度目标函数和所述约束条件，建立水电站长期优化调度发电量最大模型如下：
[0052][0053]
其中，e表示调度期内总发电量；a为水库出力；q
t
为时段泄流；h
t
为水库于时段t净水头。
[0054]
步骤3逆序递推确定各时段水位余留效益f(v
t
)。结合调度期内来水i，下时段余留效益f(v
t+1
)与本时段边际效益f(v
t
,q
t
)，确定水库各时段水位余留效益，具体包括以下子步骤：
[0055]
(3-1)明确定义：本时段边际效益f(v
t
,q
t
)是指蓄水位位于该水位时单位水量带来的发电量增量，可认为是本时段位于该水位时由本方水带来的效益，其效益大小受本时段水位、本时段用水影响；时段余留效益f(v
t
)指若蓄水量位于该水位所能后续时段带来的效益，可认为是本方水若留至下一阶段能获得的效益。
[0056]
(3-2)已知调度期内各时段来水i，调度期间约束条件，确定各时段水位余留效益f(v
t
)包括以下子步骤：
[0057]
(3-2-1)约束处理：由于水库末库容限制v
end
必须满足，认为其时段余留效益f(v
t
)＝m(m为任意大正数)；时段最小下泄流量q限制必须满足，故认为其时段边际效益f(v
t
,q
t
)＝m(m为任意大正数)；当水量超过最大库容上限时将弃水，弃水无法为本时段或后续时段使带来效益，故其时段边际效益f(v
t
,q
t
)与时段余留效益f(v
t
)均为0；
[0058]
(3-2-2)计算本时段边际效益f(v
t
,q
t
)，将在本时段多使用一方水能带来的效益认为是本方水边际效益，即
[0059]
通过比较本方水边际效益f(v
t
,q
t
)与下一时段余留效益f(v
t+1
)大小，通过判断本方水何时使用能带来更大效益从而确定本时段余留效益f(v
t
)。
[0060]
对于最后一个时刻而言，下一个时刻对应的水位限制以下余留效益是m，边际效益根据公式计算；
[0061]
若下时段余留效益f(v
t+1
)≥本时段边际效益f(v
t
,q
t
)，则说明该方水蓄水能够带来更大的效益，本方水用于蓄水；若下时段余留效益f(v
t+1
)＜本时段边际效益f(v
t
,q
t
)，则说明该方水本时段发电能够带来更大的收益，本方水用于发电；
[0062]
(3-2-3)结合时段来水i
t
，通过水量平衡方程
[0063]vt+1
＝v
t
+(i
t-q
t
)
×
δt
[0064]
确定本时段v
t
与v
t+1
，比较每方水本时段边际效益与下一时段余留效益，确定本方水如何使用能够带来更大效益，若时段初f(v
t+1
)≥f(v
t
,q
t
)，则说明该方水蓄水能够带来更大的效益，此时f(v
t
)＝f(v
t+1
)；若时段初f(v
t+1
)＜f(v
t
,q
t
)，说明本水量用于本时段发电能够取得更大效益，若用水量小于最大下泄流量修改q
t
＝q
t
+δq，更新v
t+1
再次判断f
(v
t+1
)与f(v
t
,q
t
)关系，直至f(v
t+1
)≥f(v
t
,q
t
)，此时f(v
t
)＝f(v
t+1
)。若此时本时段按照最大下泄进行发电，此时f(v
t
)＝f(v
t
,q
t
)。
[0065]
(3-2-4)按步骤(3-2-1)(3-2-2)(3-2-3)从调度期末递推至调度期初，得水库各时段水位余留效益f(v
t
)；
[0066]
步骤4根据本时段边际效益f(v
t
,q
t
)与下时段余留效益f(v
t+1
)，结合水电站时段初蓄水状态v
t
、入库流量i
t
、水库约束条件顺序递推探究当前时段用水量。
[0067]
如图2所示，假设各时段初始q
t
＝δq，时段初库容、时段来水已知，根据水量平衡方程计算时段末库容。根据水库时段初库容计算f(v
t
,q
t
)，结合时段末库容v
t+1
得f(v
t+1
)；若本时段边际效益f(v
t
,q
t
)≤下时段余留效益f(v
t+1
)，说明水量留至下一时段能够带来更大效益，此时水量用以蓄水能够得到更大效益，结合最小下泄q
t
，取q
t
＝max(0,q
t
)；若本时段边际效益f(v
t
,q
t
)＞下时段余留效益f(v
t+1
)，说明水量本时段使用能够带来更大效益，令q
t
＝q
t
+δq，更新v
t+1
，比较f(v
t
,q
t
)与f(v
t+1
)大小，直至f(v
t
,q
t
)≤f(v
t+1
)，此时结合最大下泄取
[0068]
根据所求q
t
，计算本时段最优末水位v
t+1
作为下一时段初水位，顺序递推直至调度期末。后续时段按上述方法确定相应用水量并运行，直至所述调度期末。
[0069]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。