面向?qū)ο蠹夹g(shù)在水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用

張俊,吳臻,廖勝利,程春田

(1.浙江電力調(diào)度通信中心,杭州市,310007;2.大連理工大學(xué)水電與水信息研究所,遼寧省大連市,116024)

0 引言

我國水電發(fā)展極其迅速,水電裝機(jī)從 2000年的79 GW發(fā)展到 2004年 9月突破100 GW,年水電發(fā)電量也從2000年的2 431億kW·h增加到2004年的3 280億 kW·h。截止 2008年,水電裝機(jī)容量達(dá)171.52 GW,并且在建和待建水電規(guī)模龐大,到 2020年水電裝機(jī)將達(dá)到300GW。到2005年底,我國已建成1 GW以上的大型水電站 21座,主要分布在全國十二大水電基地,與一些已投產(chǎn)的中小水電站共同構(gòu)成梯級(jí)關(guān)系復(fù)雜的大規(guī)模流域水電站群。這些水電站群具有規(guī)模龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水庫調(diào)節(jié)性能多樣、串并聯(lián)并存及不斷有新電站投產(chǎn)等特點(diǎn),依靠傳統(tǒng)的管理技術(shù)和經(jīng)驗(yàn),已經(jīng)無法勝任復(fù)雜水電站群調(diào)度運(yùn)行的需要。因此,如何利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)技術(shù),研發(fā)具有操作便捷、簡單實(shí)用、靈活性好及擴(kuò)展性強(qiáng)的水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)是電網(wǎng)公司目前迫切需要解決的問題。

1 面向?qū)ο蟮乃娬救簝?yōu)化調(diào)度系統(tǒng)

面向?qū)ο蠹夹g(shù)是一種全新的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法[1-5],該技術(shù)著眼于軟件開發(fā)對(duì)象,通過軟件對(duì)象來模擬現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際物理對(duì)象,對(duì)象把數(shù)據(jù)和過程結(jié)合在一起賦予數(shù)據(jù)以動(dòng)作。該技術(shù)的類、封裝性、繼承性、動(dòng)態(tài)連接、多態(tài)性、模塊化和實(shí)例化等概念和特性,使得對(duì)象一旦被創(chuàng)建即可被重用;也可以此為基礎(chǔ),通過繼承、修改或擴(kuò)充來創(chuàng)建新的對(duì)象;抽象類和接口類提供對(duì)不同對(duì)象間共性和個(gè)性的有效分離[5]。以這些類為基礎(chǔ)開發(fā)新的軟件就變得非常容易,特別便于軟件的維護(hù)、擴(kuò)展、重用和集成。

水電站群優(yōu)化調(diào)度就是綜合利用現(xiàn)代控制原理、經(jīng)濟(jì)分析理論、人工智能技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù),根據(jù)預(yù)測(cè)的水庫入流過程和綜合利用要求,考慮水輪機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)特性以及電價(jià)的影響,合理安排流域梯級(jí)水電站群的生產(chǎn)調(diào)度過程[6]。根據(jù)計(jì)算步長,水電站優(yōu)化調(diào)度分為:長期、中期和短期,長期優(yōu)化調(diào)度一般以月或旬為計(jì)算步長,中期以日而短期以1 h或30min為計(jì)算步長。3種調(diào)度模式以電量或水位為連接紐帶,相互滾動(dòng)套接,除了計(jì)算步長和一些細(xì)節(jié)差異外,在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、業(yè)務(wù)流程、計(jì)算流程和操作流程上有著許多相同的需求,都要求可以選擇不同的電站組合參與計(jì)算、準(zhǔn)確設(shè)置計(jì)算電站的各類約束、統(tǒng)計(jì)和發(fā)布計(jì)算結(jié)果以及生成各種所需報(bào)表等。正是由于此相似性,故可以采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),從通用模塊類構(gòu)造、界面抽象設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)流程抽象設(shè)計(jì)及算法擴(kuò)展性設(shè)計(jì)方面入手,將系統(tǒng)各模塊的共性特征實(shí)現(xiàn)有機(jī)組合,而將其個(gè)性特征通過繼承抽象類或?qū)崿F(xiàn)接口達(dá)到各種需求,這種設(shè)計(jì)可以使系統(tǒng)軟件具有良好的可維護(hù)性、可擴(kuò)展性和可重用性。

2 面向?qū)ο蟮乃娬救簝?yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 通用模塊類設(shè)計(jì)

水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中,各種調(diào)度模式下都需要功能相對(duì)獨(dú)立的模塊,系統(tǒng)將這些模塊單獨(dú)實(shí)現(xiàn),形成通用的模塊類,如圖 1所示。這些模塊類或者提供特定的功能,如基本數(shù)據(jù)類提供各電站的基礎(chǔ)屬性數(shù)據(jù)及其操作方法,常用算法類提供基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法等;或者提供具有類似功能的框架,如水調(diào)優(yōu)化計(jì)算類提供功能相似的計(jì)算框架,但是其中的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)根據(jù)不同的調(diào)度模式和電站的差異有所區(qū)別,其只是一些具有相似流程和框架的抽象類。

圖1 優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)通用模塊類Fig.1 Generalmodule classesof optimized scheduling system

通用模塊類實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)與方法的封裝,具有獨(dú)立性,易于調(diào)試,同時(shí)在需要的時(shí)候可以隨時(shí)組裝。每個(gè)類均完成某一特定的功能,可以保存特定的屬性數(shù)據(jù),對(duì)外有統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)的接口方法。如水位庫容關(guān)系曲線類,既提供水庫水位關(guān)系曲線,又可以提供給定水位查找?guī)烊莼蚪o定庫容反查水位的方法。通過大量標(biāo)準(zhǔn)模塊類構(gòu)建,形成了系統(tǒng)程序資源庫,這些資源庫經(jīng)過大量工程應(yīng)用,其算法、應(yīng)用功能的實(shí)用性和可靠性得到了反復(fù)檢驗(yàn),可確保系統(tǒng)高度可靠性,這對(duì)于調(diào)度系統(tǒng)和梯級(jí)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

2.2 基于合適粗細(xì)粒度對(duì)象的界面及流程設(shè)計(jì)

對(duì)象粒度是指系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)過程中采用的單元類,該單元類如果選擇得太小,沒有全面反映到目標(biāo)對(duì)象的共性,實(shí)現(xiàn)過程中就會(huì)出現(xiàn)大量重復(fù)定義,導(dǎo)致信息冗余;相反如果這個(gè)單元類選擇得太大,既包含了目標(biāo)對(duì)象的共性,也包含了某些對(duì)象的個(gè)性,而無法反映另一些對(duì)象的個(gè)性,實(shí)現(xiàn)過程將會(huì)出現(xiàn)解耦困難、定義混亂等現(xiàn)象。對(duì)于業(yè)務(wù)流程和數(shù)據(jù)流程特別復(fù)雜的大規(guī)模水電群的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng),如果能夠選擇合適的粗細(xì)粒度對(duì)象,抽象和規(guī)范有共同特征的業(yè)務(wù)流程,通過共性和個(gè)性化設(shè)計(jì)統(tǒng)一相同的功能并通過面向?qū)ο蠹夹g(shù)處理個(gè)性設(shè)計(jì),不但能統(tǒng)一系統(tǒng)風(fēng)格,簡化應(yīng)用系統(tǒng)操作及實(shí)現(xiàn),還可以有效地提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性、安全性和可靠性。

水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)中,長中短期優(yōu)化調(diào)度子模塊業(yè)務(wù)流程都包含了方案管理、電站選擇、條件及約束設(shè)置、調(diào)節(jié)計(jì)算、成果管理及比較分析等幾個(gè)部分,這些模塊的業(yè)務(wù)流程或其子流程在操作和功能上基本相同,尋找合適粗細(xì)粒度的對(duì)象對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抽象可以統(tǒng)一和簡化系統(tǒng)設(shè)計(jì),更好地滿足用戶操作習(xí)慣,盡量保證這些子模塊的數(shù)據(jù)流程及界面流程一致性。

在調(diào)度優(yōu)化過程中,各類調(diào)度約束都包括水電系統(tǒng)帶寬設(shè)置、電站區(qū)間流量設(shè)置、最大最小出力限制設(shè)置、最高最低水位限制設(shè)置、各時(shí)段電價(jià)設(shè)置等,這些具有共性的屬性可以單獨(dú)抽象出來,生成抽象類作為約束設(shè)置模塊中的粒度對(duì)象。不同步長的調(diào)度方式下,檢修類型、來源及操作方式是不同的。對(duì)于中長期調(diào)度,檢修來源于中長期檢修申請(qǐng)(年初、月初或者旬初申請(qǐng)的檢修紀(jì)錄),且時(shí)間單位僅精確到天;對(duì)于短期調(diào)度,檢修來源于短期申請(qǐng)(前1天或者當(dāng)天申請(qǐng)的檢修紀(jì)錄),且時(shí)間單位精確到min。再如對(duì)于短期調(diào)度,水量計(jì)算比較精細(xì),在約束設(shè)置過程中既要考慮梯級(jí)電站間的流量滯時(shí)關(guān)系,也要考慮水庫是否有通航要求等。這些個(gè)性就需要在共性的基礎(chǔ)上進(jìn)行單獨(dú)特殊處理,圖 2是各種不同調(diào)度方式約束設(shè)置的簡單抽象示意。

2.3 系統(tǒng)及方法抽象設(shè)計(jì)

抽象是從相似對(duì)象與流程找出共性方面,加以提煉和組合,形成具有共同特點(diǎn)的抽象類,一旦系統(tǒng)在這部分需求發(fā)生改變,只需在該抽象類中作出調(diào)整,即可完成所有具有該共性的對(duì)象的修改和維護(hù),同時(shí)不會(huì)影響到所有個(gè)性的功能及修改。水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)在界面設(shè)計(jì)、基本算法設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)流程及業(yè)務(wù)流程處理過程中都充分考慮通過抽象共性屬性,達(dá)到系統(tǒng)操作的高度一致性和維護(hù)的靈活性。

在水電站群優(yōu)化調(diào)度計(jì)算中,以水定電和以電定水是最常規(guī)的計(jì)算方式。已知初始水位及時(shí)段內(nèi)來水,以水定電是根據(jù)給定時(shí)段末水位或時(shí)段平均發(fā)電流量,計(jì)算當(dāng)前時(shí)段的平均出力過程;而以電定水是根據(jù)給定的時(shí)段內(nèi)平均出力反算時(shí)段末水位。在實(shí)際計(jì)算過程中,由于要考慮到電站的各類約束,如最高、最低水位限制,最大、最小出力限制等,這 2種不同的計(jì)算方式經(jīng)常要在邊界條件處理過程中互相調(diào)用,圖 3、4分別為這 2種計(jì)算過程的流程圖。

圖2 長中短期優(yōu)化調(diào)度條件及約束設(shè)置抽象設(shè)計(jì)Fig.2 Abstract design of constraint and settingm odule in optimized scheduling of long,m edium-and short-term

圖3 以水定電計(jì)算流程Fig.3 Flow chart of power generation calculation depending on water param eters

從圖 3、4可看出,這 2種計(jì)算過程要反復(fù)用到出力計(jì)算過程,水電站出力計(jì)算方式主要有:綜合出力系數(shù)、經(jīng)驗(yàn)耗水率公式和擬合的 NHQ曲線[7]。在實(shí)際計(jì)算過程中,各水電站根據(jù)資料的完整情況及計(jì)算步長的不同,選擇不同的計(jì)算方式,對(duì)于中長期優(yōu)化調(diào)度計(jì)算,其時(shí)間跨度較大,優(yōu)化結(jié)果相當(dāng)于電量平衡過程,不用考慮各時(shí)段間的電力銜接關(guān)系,因此計(jì)算較粗,采用綜合出力系數(shù)方式或經(jīng)驗(yàn)耗水率公式即可滿足要求。而對(duì)于短期優(yōu)化調(diào)度,整個(gè)調(diào)度結(jié)果相當(dāng)于電力平衡,除了需要考慮各相鄰時(shí)段電力銜接外,對(duì)于最小空轉(zhuǎn)流量限制、避免機(jī)組振動(dòng)區(qū)間等細(xì)節(jié)都要作出處理,計(jì)算過程較精細(xì),因此需要采用擬合NHQ曲線方式計(jì)算。而無論對(duì)于哪種出力計(jì)算方式,以水定電或以電定水的計(jì)算流程是相同的。

圖4 以電定水計(jì)算流程Fig.4 Flow chart of water parameters calculation according to power generation

首先定義以水定電的計(jì)算框架及流程,并將出力計(jì)算部分定義成抽象方法,對(duì)于不同的出力計(jì)算方式,只需要繼承該框架,并按各自的出力計(jì)算模式實(shí)現(xiàn)其中的出力計(jì)算方法。通過這種方式實(shí)現(xiàn)后,各類調(diào)度模式在調(diào)用以水定電模式時(shí)都具有相同的計(jì)算框架,便于系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)試、維護(hù)與擴(kuò)展。

2.4 可擴(kuò)展接口設(shè)計(jì)

水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn),無論是用戶界面設(shè)計(jì),還是優(yōu)化算法調(diào)試都具有規(guī)模龐大、邏輯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、邊界條件及異常處理麻煩等特點(diǎn)。如果將其統(tǒng)一考慮設(shè)計(jì),進(jìn)行混合編程實(shí)現(xiàn),將大量增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的工作量。但是如果將其進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì),同時(shí)通過接口通訊實(shí)現(xiàn)不同流程間的數(shù)據(jù)傳輸,則可以達(dá)到減少系統(tǒng)工作量,提高系統(tǒng)容錯(cuò)能力的目的。接口是耦合 2個(gè)過程間的規(guī)范,可以使 2個(gè)相關(guān)的過程通過這個(gè)規(guī)范進(jìn)行通訊,而不用知道對(duì)方的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。任何類只要實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口,便可以與調(diào)用該接口的類進(jìn)行通訊,因此采用接口通訊的方式可以使系統(tǒng)具有良好的擴(kuò)展性。通過接口使優(yōu)化方法與系統(tǒng)界面及業(yè)務(wù)流程相分離既便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn),又能滿足系統(tǒng)新加電站或添加優(yōu)化算法的要求,為系統(tǒng)算法擴(kuò)展提供保證。

隨著新水電站的不斷竣工投產(chǎn),流域的特性和調(diào)節(jié)性能會(huì)發(fā)生改變,系統(tǒng)原有的優(yōu)化算法可能不能滿足這種需求,這時(shí)需要對(duì)算法進(jìn)行改進(jìn)或添加新的優(yōu)化算法,系統(tǒng)可擴(kuò)展的算法接口設(shè)計(jì)為這一需求提供了條件。首先定義好優(yōu)化算法的接口,這個(gè)接口的功能是使算法程序和應(yīng)用程序相互分開。優(yōu)化算法如動(dòng)態(tài)規(guī)劃,逐次逼近優(yōu)化,遺傳算法等的實(shí)現(xiàn)都只要實(shí)現(xiàn)這些接口,便可以快速地接入系統(tǒng)。而應(yīng)用程序在調(diào)用這些優(yōu)化算法時(shí),只需調(diào)用這些接口,不用調(diào)用其中的細(xì)節(jié)。所以,在修改原有算法或添加新的算法過程中,原有系統(tǒng)的用戶界面、數(shù)據(jù)流程和業(yè)務(wù)流程不用作任何修改,保證了系統(tǒng)良好的穩(wěn)定性與擴(kuò)展性。采用應(yīng)用程序與算法程序分離的接口通訊技術(shù),使系統(tǒng)的維護(hù)、升級(jí)和改造變得更加直觀、簡單和快捷。

3 結(jié)語

電網(wǎng)水電站群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)是國內(nèi)外水電站優(yōu)化調(diào)度的重要發(fā)展方向,是國家電力調(diào)度通信中心對(duì)于各個(gè)省級(jí)電網(wǎng)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)的基本要求。同時(shí),簡單實(shí)用、操作性強(qiáng)、擴(kuò)展性好、切實(shí)可行的水電站群優(yōu)化調(diào)度軟件系統(tǒng)是我國水電飛速發(fā)展過程中復(fù)雜水電站群實(shí)際優(yōu)化調(diào)度中普遍關(guān)心的問題。

隨著面向?qū)ο蠹夹g(shù)的發(fā)展及其在水電站群優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的深入應(yīng)用,將越來越加速理論成果向?qū)嶋H應(yīng)用的轉(zhuǎn)化,對(duì)提高和改善我國規(guī)模龐大的庫群優(yōu)化調(diào)度的整體水平具有重要和深遠(yuǎn)的影響。

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