水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)用化方法研究

文 丹

（大連金州新區(qū)水利管理服務(wù)中心，遼寧大連116100）

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水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行實(shí)用化方法研究

文 丹

（大連金州新區(qū)水利管理服務(wù)中心，遼寧大連116100）

摘要：大容量巨型水電站普遍具有高壩、高水頭、高負(fù)荷的運(yùn)行特征，給電網(wǎng)安全帶來(lái)隱患。本文從調(diào)度工作出發(fā)，在滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行安全的前提下，探討一種實(shí)用化的水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)分配方法。分析結(jié)果表明，該方法能夠有效滿(mǎn)足調(diào)度人員工作需求，是一種切實(shí)可行的負(fù)荷分配方法。

關(guān)鍵詞：廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行；機(jī)組；安全；優(yōu)化調(diào)度

1　引言

伴隨電網(wǎng)的快速發(fā)展，我國(guó)已經(jīng)成為世界上電力裝機(jī)容量、發(fā)電量及電網(wǎng)規(guī)模最大的國(guó)家。據(jù)中電聯(lián)公布的2014年電力運(yùn)行簡(jiǎn)況［1］，截止2014年底，我國(guó)電網(wǎng)裝機(jī)已達(dá)到135973萬(wàn)kW，其中，火電占總裝機(jī)的絕大部分，大約67.3%，水電大約占總裝機(jī)的22.2%。水電已成為僅次于火電的第二大電源，同時(shí)也是最主要的可再生能源。水電以其蘊(yùn)藏規(guī)模大、開(kāi)發(fā)和運(yùn)行技術(shù)成熟、啟停靈活且響應(yīng)迅速等特點(diǎn)得到前所未有的快速發(fā)展，在電力供應(yīng)中發(fā)揮了不可替代的重要作用［2］。然而，水電系統(tǒng)規(guī)?？焖贁U(kuò)大帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也給電網(wǎng)調(diào)度帶來(lái)的新的挑戰(zhàn)，特別是近些年投產(chǎn)的大容量巨型電站，如紅水河的龍灘電站壩高216.5m，水頭150m左右，裝機(jī)49OOMW，瀾滄江的小灣電站壩高294.5m，水頭25Om左右，裝機(jī)420OMW等。這些電站普遍具有高壩、高水頭、高負(fù)荷的運(yùn)行特點(diǎn)，運(yùn)行平穩(wěn)性相對(duì)較差，給電站和電網(wǎng)安全帶來(lái)了嚴(yán)重的安全隱患。調(diào)度員在日常調(diào)度工作中，必須考慮電站的運(yùn)行安全，開(kāi)展實(shí)用化廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行方法具有重要意義。

水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［3］是指在優(yōu)先滿(mǎn)足安全、可靠的基本前提下，通過(guò)對(duì)電廠(chǎng)發(fā)電設(shè)備的合理安排，以期達(dá)到最優(yōu)的發(fā)電方案，合理配置資源，減少損失并獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。實(shí)際運(yùn)行中，即在已知電網(wǎng)調(diào)度給定的日負(fù)荷過(guò)程的前提下，尋求電站機(jī)組消耗水量最小的負(fù)荷分配方案。常見(jiàn)的求解方法有：動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、遺傳算法和等微增率法等［4-6］。

本文根據(jù)電站機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行特性，提出了一種實(shí)用化的水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)分配方法。該方法采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行求解，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)及Java編程語(yǔ)言編碼實(shí)現(xiàn)，在滿(mǎn)足機(jī)組運(yùn)行安全、電站各類(lèi)約束條件下，尋求最經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷分配方法。以國(guó)內(nèi)某大容量巨型電站某日96點(diǎn)負(fù)荷分配過(guò)程為例，仿真結(jié)果能有效滿(mǎn)足日常調(diào)度需求，驗(yàn)證了該方法的有效性和實(shí)用性。

2　算法簡(jiǎn)介

2.1 水電常用優(yōu)化準(zhǔn)則

（1）以水定電的優(yōu)化準(zhǔn)則。已知電站的發(fā)電流量或者入庫(kù)流量，目標(biāo)為電站機(jī)組出力最大，以獲得最大的發(fā)電量。

（2）以電定水的優(yōu)化準(zhǔn)則。此原則只針對(duì)有調(diào)節(jié)能力的水電站而言，是指已知電網(wǎng)調(diào)度部門(mén)給定的電站負(fù)荷，目標(biāo)為盡量減少消耗的發(fā)電水量，以獲得最經(jīng)濟(jì)的發(fā)電方式。

2.2 DP算法描述

動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法［7，8］（簡(jiǎn)稱(chēng)DP）是解決多階段決策過(guò)程最優(yōu)化問(wèn)題的常見(jiàn)方法之一，最早由美國(guó)數(shù)學(xué)家貝爾曼在1951年提出，并于1957年發(fā)表了該原理的著作。其核心思想是通過(guò)對(duì)復(fù)雜的多階段問(wèn)題進(jìn)行“離散”，將其細(xì)分為多個(gè)子階段，然后逐段求解，通過(guò)狀態(tài)的不斷變換，最終獲得最優(yōu)的決策序列。目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于許多科學(xué)領(lǐng)域，例如軍事、生物、工程、經(jīng)濟(jì)、管理等，取得了令人滿(mǎn)意的效果。一般地，動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法包含以下幾個(gè)步驟［9，10］：

（1）階段

將待求解的多階段決策問(wèn)題按照一定的原則劃分為多個(gè)子階段，劃分原則要根據(jù)實(shí)際求解問(wèn)題的性質(zhì)來(lái)確定，可以是空間特征，例如電站水位、發(fā)電流量等，也可以是時(shí)間順序。一般用k表示，即1，2，3，…，k，…，n。

（2）狀態(tài)

狀態(tài)是描述事物當(dāng)前特征的量，既可以是空間的某個(gè)位置，也可以是時(shí)間上的某個(gè)時(shí)刻。動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法設(shè)計(jì)中，狀態(tài)的選取必須要滿(mǎn)足“無(wú)后效性”。所謂的“無(wú)后效性”，又稱(chēng)馬爾柯夫性，是指后一階段事物的發(fā)展，僅于目前現(xiàn)階段的狀態(tài)和所做的決策有關(guān)，而與前階段或歷史階段的狀態(tài)和決策無(wú)關(guān)。常見(jiàn)的描述有狀態(tài)變量sk（statevariab1e）和狀態(tài)集合Sk（setofadmissib1estates）。

（3）決策

決策，顧名思義，就是所選擇的策略。當(dāng)某階段的狀態(tài)已經(jīng)確定，他下一階段狀態(tài)是未知的，存在多種選擇。此時(shí)，決策者選中某一選擇，那么事物將從當(dāng)前狀態(tài)，根據(jù)選擇的策略，演變到下一狀態(tài)。常見(jiàn)的描述有決策變量uk（sk）（decision variab1e）和決策集合Dk（sk）（setofadmissib1edecision）。

（4）策略

綜合各個(gè)階段的決策，形成一組有序的決策序列，即為策略。

（5）狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程

按照步驟2和3中所描述，假設(shè)系統(tǒng)目前處于k階段，此時(shí)的狀態(tài)記作Sk，假設(shè)下一階段，即K+1階段的狀態(tài)記作Sk+1。由于狀態(tài)選擇的無(wú)后效性，k階段到K+1階段狀態(tài)的演變（也稱(chēng)作轉(zhuǎn)移），僅由k階段的決策uk（sk）決定?？捎靡韵聰?shù)學(xué)公式表示：

（6）指標(biāo)函數(shù)

當(dāng)決策者做出某個(gè)決策之后，自然想知道該決策的效果或者優(yōu)劣程度，以選擇最優(yōu)的決策。指標(biāo)函數(shù)就是用來(lái)評(píng)價(jià)和衡量決策優(yōu)劣程度的一種確定性的數(shù)量函數(shù)。指標(biāo)函數(shù)的選擇需根據(jù)實(shí)際問(wèn)題的目標(biāo)而確定，例如耗水量、利潤(rùn)等。一般用vk（sk，uk）表示。

2.3 算法設(shè)計(jì)

（1）目標(biāo)函數(shù)

一般地，電站的機(jī)組臺(tái)數(shù)是固定的，不考慮機(jī)組動(dòng)態(tài)投產(chǎn)的影響，給定的電站負(fù)荷下，在已選定的固定機(jī)組之間的進(jìn)行負(fù)荷的最優(yōu)分配。設(shè)電廠(chǎng)總負(fù)荷為N，選定某n臺(tái)機(jī)組共同完成這一生產(chǎn)任務(wù)，那么如何在這n臺(tái)機(jī)組之間負(fù)荷分配N(xiāo)，以使全廠(chǎng)總工作流量最小，這是一個(gè)空間最優(yōu)化問(wèn)題。如果考慮電站某日實(shí)際負(fù)荷過(guò)程，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃進(jìn)行各個(gè)時(shí)段負(fù)荷分配，同時(shí)考慮各個(gè)時(shí)段時(shí)間的相互影響，即是一個(gè)時(shí)間最優(yōu)化問(wèn)題。

經(jīng)分析，其最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型為：

其中，為號(hào)機(jī)組當(dāng)出力為時(shí)的發(fā)電流量；為第k號(hào)機(jī)組的出力；為電站參加發(fā)電的機(jī)組臺(tái)數(shù)。

（2）約束條件

①水量平衡約束

式中：Vt為水電站在時(shí)段t的庫(kù)容，單位：m3；Qt=Qn，t+QT，t為水電站在時(shí)段t的入庫(kù)流量，單位：m3/s；Qn，t為水電站在時(shí)段t的區(qū)間流量，單位：m3/s；QT，t為考慮水流滯時(shí)后上游水電站流入該電站時(shí)段t的總流量，包括發(fā)電流量和棄水流量，單位：m3/s；Q1，t、qt分別表示水電站在時(shí)段t的棄水流量和發(fā)電流量，單位：m3/s；Δt為t時(shí)段小時(shí)數(shù)。

②出力上下限約束

為k號(hào)機(jī)組在時(shí)段t的出力下限，單位：MW。

③發(fā)電流量約束

④庫(kù)水位約束

式中：Zt為水電站在t時(shí)段水位，Zt、Z-t為其水位的其上下限，單位：m。

⑤出力爬坡限制

式中：Δk為機(jī)組k在相鄰時(shí)段間的最大的出力波動(dòng)值，單位：MW。

⑥開(kāi)停機(jī)最小持續(xù)時(shí)段數(shù)要求

式中：tgk為機(jī)組k最小開(kāi)機(jī)數(shù)，tsk為機(jī)組k的停機(jī)持續(xù)時(shí)段數(shù)。

⑦機(jī)組出力波動(dòng)控制約束

式中：tv為一輪出力升降過(guò)程中最高或最低點(diǎn)需持續(xù)的最少時(shí)段數(shù)。

⑧振動(dòng)區(qū)約束：

式中：Lk，t，j、L-k，t，j分別為機(jī)組k在t時(shí)段的第j個(gè)振動(dòng)區(qū)的上限與下限。

（3）算法編程

文中采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法求解上述的固定機(jī)組之間的負(fù)荷最優(yōu)化問(wèn)題，并以JAVA程序語(yǔ)言進(jìn)行編程，其順向遞推方程為：

程序中的變量說(shuō)明如下：

k—機(jī)組臺(tái)號(hào)及臺(tái)數(shù)，k =1，2，…，n；

N（k）—第k號(hào)機(jī)組容量；

Ns—電廠(chǎng)裝機(jī)容量；

Nk—1～k號(hào)機(jī)組的總?cè)萘浚?/p>

Nk1—1～k-1號(hào)機(jī)組的總?cè)萘浚?/p>

j—狀態(tài)變量，發(fā)電任務(wù)；

i—決策變量，k號(hào)機(jī)組的出力；

Q（k，i）—第k號(hào)機(jī)組決策變量為i，即出力為i時(shí)的發(fā)電流量；

Q1（j）—1～k號(hào)機(jī)組的總工作流量；

Q2（j）—1～k-1號(hào)機(jī)組的總工作流量；

X，Y—用于比較的中間變量；

I0—用于計(jì)算過(guò)程中存放相對(duì)交友決策i的中間單元；

N0（j，K）—存放優(yōu)化負(fù)荷分配結(jié)果。其含義是：當(dāng)電站所承擔(dān)的總負(fù)荷為J時(shí)，如果用k臺(tái)機(jī)組去分配，第k號(hào)機(jī)組所需要承擔(dān)的負(fù)荷。順向遞推方程組：

采用逆向求解，即可得到機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配表

綜上，利用上述順向遞推方程組和逆向求解機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配程序，即可獲得電站機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷分配表。需要注意的是，以上所討論的是固定機(jī)組之間的負(fù)荷優(yōu)化分配問(wèn)題，在實(shí)際工程中，往往已知的是電站的實(shí)際負(fù)荷，需要先選取機(jī)組臺(tái)數(shù)、臺(tái)號(hào)并在選定的機(jī)組之間優(yōu)化分配負(fù)荷。在編程時(shí)，認(rèn)為機(jī)組負(fù)荷為零時(shí)意味著機(jī)組停機(jī)，此時(shí)不消耗流量，在流量特性曲線(xiàn)中，需將出力為零時(shí)的流量設(shè)置為零。

3　工程應(yīng)用

為了驗(yàn)證文中所提方法的可行性與有效性，以國(guó)內(nèi)某典型的大容量巨型電站為例，已知其某日96點(diǎn)負(fù)荷過(guò)程，并在其包含的各機(jī)組之間進(jìn)行安全經(jīng)濟(jì)分配。

3.1 電站概況

該水電站屬于年調(diào)節(jié)水庫(kù)，壩址控制面積9.85萬(wàn)km2，壩址處多年平均流量1630m3/s，年徑流量514億m3。該電站正常高水位375m，死水位330m，正常高水位庫(kù)容162.1億m3，保證出力為1234MW。電站共有7臺(tái)機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組的銘牌出力都為700MW，最大過(guò)流能力為710m3/s。

3.2 電站機(jī)組流量特性曲線(xiàn)

水電站的NHQ信息以數(shù)據(jù)庫(kù)形式保存，在實(shí)際運(yùn)用中可根據(jù)這些信息，按實(shí)時(shí)時(shí)段的不同水位，插值得到不同水位下的NHQ信息。顯然，不同的水位下，有不同的機(jī)組運(yùn)行NHQ信息。不僅如此，不同水位下，機(jī)組可運(yùn)行的安全區(qū)域也是不同的。定義：

表1　電站汛期信息

機(jī)組的安全運(yùn)行區(qū)間為：{機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)} U{機(jī)組過(guò)渡區(qū)}；

機(jī)組的非安全運(yùn)行區(qū)為：{汽蝕與振動(dòng)區(qū)} U{機(jī)組渦帶區(qū)} U{機(jī)組粗糙運(yùn)行區(qū)}。

根據(jù)不同的電站水頭，機(jī)組的的安全運(yùn)行區(qū)和非安全運(yùn)行區(qū)數(shù)據(jù)如下表2中所示。該數(shù)值根據(jù)穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果及機(jī)組綜合特性曲線(xiàn)分析得到。

表2　機(jī)組在不同水位下的安全運(yùn)行區(qū)間

3.3 模型求解

按照以上描述的目標(biāo)及約束條件，本文采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法進(jìn)行求解所采取的基本思路如下。

（1）檢查基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是否完整，并校核數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；

（2）根據(jù)已知的電站機(jī)組流量特性NHQ信息，運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法求解出在不同機(jī)組組合、不同水位、不同負(fù)荷下的最優(yōu)工作流量和各個(gè)機(jī)組之間的最優(yōu)負(fù)荷分配，得到最優(yōu)負(fù)荷分配表，并將其存入orac1e數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（3）已知某日負(fù)荷過(guò)程如下圖1所示，即可得到不同時(shí)段負(fù)荷，根據(jù)這個(gè)負(fù)荷和對(duì)應(yīng)時(shí)段的水位，即可在最優(yōu)負(fù)荷分配表中插值得到最優(yōu)工作流量和最優(yōu)機(jī)組組合，以此類(lèi)推，得到全天所有時(shí)段的廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行結(jié)果。

4　結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法數(shù)學(xué)模型以及計(jì)算機(jī)求解進(jìn)行了研究和改進(jìn)。根據(jù)算法的基本原理和操作步驟，闡述了算法模型在水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并利用Java編程，結(jié)合orac1e數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)，編制了水電站廠(chǎng)內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的動(dòng)態(tài)規(guī)劃程序。將編制的程序應(yīng)用于國(guó)內(nèi)某大型水電站實(shí)際日負(fù)荷分配過(guò)程，結(jié)果表明該方法能夠得到最優(yōu)解，并滿(mǎn)足機(jī)組安全運(yùn)行要求，證明了該方法的有效性和實(shí)用性。但隨著機(jī)組臺(tái)數(shù)和算法離散份數(shù)的增加，計(jì)算時(shí)間將會(huì)大幅增加，如何提高求解效率是值得進(jìn)一步深入研究的。

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作者簡(jiǎn)介：文 丹（1981年—），女，工程師。

收稿日期：2015-10-16

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.030

中圖分類(lèi)號(hào)：TV737

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）03-0082-04