一种考虑梯级水电站发电流量不匹配关系的优化调度方法与流程

1.本发明涉及水库优化调度计算的技术领域，更具体地，涉及一种考虑梯级水电站发电流量不匹配关系的优化调度方法。


背景技术：

2.水库优化调度中主要在汛期考虑弃水风险，这是由于汛期来水量大且来水流量不均匀，故容易产生弃水。在国内，有许多学者对汛期弃水风险问题进行了研究，他们主要通过在目标函数里考虑弃水风险来量化，并选择既保证电量完成又降低弃水风险的方案，以保证电站综合效益。目前对于弃水控制的研究主要集中在汛期，但是一方面，对于汛前弃水控制方式的研究不多，且一般是对出力进行惩罚来增大保证率，因此引入惩罚系数来减少汛前弃水量也是一种不错的方法；另一方面，在梯级水电站调度中，上游电站出库流量如何与下游电站最大满发流量进行合理匹配以获得梯级综合效益最大化，尤其是在汛期，有关的解决方案并不多见，为此，我们在充分考虑下游电站最大满发流量条件下利用上游电站调控能力进行梯级电站优化调度，以寻求上下游电站发电流量最佳的匹配关系。


技术实现要素：

3.本发明针对现有技术不足，提供一种考虑梯级水电站发电流量不匹配关系的优化调度方法，在充分考虑下游电站最大满发流量条件下利用上游电站调控能力进行梯级电站优化调度来寻求上下游出流最佳的匹配关系。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种考虑梯级水电站发电流量不匹配关系的优化调度方法，包括以下步骤：
5.步骤一，建立能够获得的水电站最大发电量的目标函数；所述目标函数为通过单位时间段的出力计算出发电量的函数；
6.步骤二，确认惩罚系数的值，建立常规约束条件和非常规约束条件；所述非常规约束条件为引入惩罚系数对下游电站弃水量的限制条件；
7.步骤三，确认水电站上下游关系，确定出上游水电站和下游水电站；
8.步骤四，获取上游水电站的机组满发流量和下游水电站的机组满发流量；
9.步骤五，获取上游水电站和下游水电站计算出力相关的变量；
10.步骤六，判断上游水电站的机组满发流量是否大于下游水电站的机组满发流量；若是，则在常规约束条件和非常规约束条件下对步骤五的变量进行排除；若不是，则在常规约束条件下对步骤五的变量进行排除；
11.步骤七，在步骤六的基础上，通过目标函数带入变量获取水电站最大发电量。
12.特别的，所述目标函数为
[0013][0014]
式中：e为计算得到的最大发电量；t为时段总数，t∈[1，t]；n
t
为第t时段的出力；k
为出力系数；为第t时段的发电流量；为第t时段的平均水头；δt为时段间隔长，以日为计算时段。
[0015]
特别的，所述常规约束条件包括水量平衡约束、水库水位约束、库容曲线约束、下游水位流量关系约束、水电站水头约束、水电站总出力约束、预想出力限制、发电流量限制约束、弃水流量限制约束、出库流量约束、初始水位与终止水位约束。
[0016]
特别的，所述常规约束条件还包括非负约束条件，所述非凡约束条件要求常规约束条件的所有变量必须为非负值。
[0017]
特别的，所述非常规约束条件为
[0018][0019]
式中：q
t
为t时段上游电站出库流量；qqj
t
为t时段下游电站区间流量，通过下游电站入库流量减去上游电站出库流量得到；a为惩罚系数；q
′
t
为惩罚后的t时段上游电站库流量；为下游电站机组t时段机组满发流量。
[0020]
特别的，所述确认惩罚系数的值包括以下步骤：
[0021]
(1)取不同的惩罚系数，根据上述步骤计算电站的总发电量和总弃水量；
[0022]
(2)比较不同惩罚系数下的总发电量和总弃水量结果；
[0023]
(3)取发电量尽可能大，弃水量尽可能小的情况下的惩罚系数值。
[0024]
特别的，步骤(5)中，出力相关的变量包括上游水电站和下游水电站的机组发电流量以及水头。
[0025]
本发明的有益效果如下所示：
[0026]
本发明通过引入惩罚系数，构建上下游出流量的联系，从而建立下游电站最大满发流量约束。通过选取合适的惩罚系数，可以通过优化调控上游电站出库流量，进而匹配上下游电站最大满发流量，最终满足下游电站的最大发电流量约束，减少梯级总弃水量，提高梯级总发电量。
附图说明
[0027]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]
图1为本发明实施例的方法流程图；
[0029]
图2为本发明实施例在不同惩罚系数下1～3月梯级总发电量和梯级总弃水量变化图；
[0030]
图3为本发明实施例在不同惩罚系数下4～5月梯级总发电量和梯级总弃水量变化图；
[0031]
图4为本发明实施例在考虑和不考虑下游电站约束下的各年1～3月总弃水量比较图；
[0032]
图5为本发明实施例在考虑和不考虑下游电站约束下的各年4～5月总弃水量比较
图。
具体实施方式
[0033]
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
[0034]
需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0035]
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0036]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
如图1所示，本实施例的一种考虑梯级水电站发电流量不匹配关系的优化调度方法，
[0038]
本实施例以西津电站、仙衣滩电站以及桂航电站作为实例，由于西津电站水位消落期4～5月入库流量较大，产生弃水较多，本实施例对1～3月和4～5月分开进行研究。
[0039]
步骤一，建立能够获得的水电站最大发电量的目标函数；
[0040]
目标函数为调度时段t内具有调控能力的水电站发电量最大，即：
[0041][0042]
式中：e为计算得到的最大发电量，t为时段总数，t∈[1，t]，n
t
为第t时段的出力；k为出力系数，为第t时段的发电流量，为第t时段的平均水头，δt为时段间隔长，以日为计算时段。
[0043]
步骤二，确认惩罚系数的值，建立常规约束条件和非常规约束条件。非常规约束条件为引入惩罚系数对下游电站弃水量的限制条件；
[0044]
确认惩罚系数的值包括以下步骤：
[0045]
(1)取不同的惩罚系数，根据上述步骤计算电站的总发电量和总弃水量；
[0046]
(2)比较不同惩罚系数下的总发电量和总弃水量结果；
[0047]
(3)取发电量尽可能大，弃水量尽可能小的情况下的惩罚系数值。
[0048]
常规约束条件为：
[0049]
(1)水量平衡约束条件，即：
[0050][0051]
式中：v
t-1
、v
t
分别为t时段初、末库容；分别为t时段平均入库、出库流量。
[0052]
(2)水库水位约束条件，即：
[0053][0054]
式中：为t时段末上游水位；分别为t时段末允许的最低、最高水位。
[0055]
(3)库容曲线约束条件，即：
[0056][0057]
式中：f
zv
(*)为上游水位与库容关系函数。
[0058]
(4)下游水位流量关系约束条件。即：
[0059][0060]
式中：为t时段平均尾水位；f
zq
(*)为尾水位与流量关系函数。
[0061]
(5)水电站水头约束条件，即：
[0062][0063]
式中：δh
t
、分别为t时段的水头损失、t时段初上游水位、t时段末上游水位；f
δh
(*)为水电站水头损失函数，为t时段发电引用流量，h
min
和h
max
为最小最大水头，为t时段的平均水头。
[0064]
(6)水电站总出力约束条件，即：
[0065][0066]
式中：分别为t时段出力上、下限；一般由水电站装机、机组额定出力、振动区及调峰要求等综合确定。
[0067]
(7)预想出力限制条件，即：
[0068][0069]
式中：f
yx
(*)为水头预想出力函数。
[0070]
(9)发电流量限制条件，即：
[0071][0072]
式中：为水电站机组t时段最大过流能力。
[0073]
(10)弃水流量限制条件，即：
[0074][0075]
式中：为t时段弃水流量，为最大弃水流量，f
xl
(*)为尾水位下泄能力函
数。
[0076]
(11)出库流量约束条件，即：
[0077][0078]
式中：为电站t时段最小出库流量，由下游综合利用(如灌溉、供水、航运、生态环境等)要求确定。
[0079]
(12)初始水位与终止水位约束条件，即：
[0080][0081]
式中：zc、zm分别为水库调度期初始水位、末水位。
[0082]
(13)非负约束条件，即上述(1)-(12)各约束条件中各变量必须为非负值。
[0083]
非常规约束条件为下式所示：
[0084][0085]
式中：q
t
为t时段上游电站出库流量，qqj
t
为t时段下游电站区间流量，通过下游电站入库流量减去上游电站出库流量得到，a为惩罚系数，q
′
t
为惩罚后的t时段上游电站库流量，为下游电站机组t时段机组满发流量。
[0086]
步骤三，确认水电站上下游关系，确定出上游水电站和下游水电站。本实施例中，从上到下依次为西津电站、仙衣滩电站、桂航电站，即西津电站在仙衣滩电站和桂航电站的上游，仙衣滩电站在桂航电站的上游。
[0087]
步骤四，获取上游水电站的机组满发流量和下游水电站的机组满发流量。
[0088]
步骤五，获取上游水电站和下游水电站计算出力相关的变量。
[0089]
步骤六，判断上游水电站的机组满发流量是否大于下游水电站的机组满发流量；若是，则在常规约束条件和非常规约束条件下对步骤五的变量进行排除；若不是，则在常规约束条件下对步骤五的变量进行排除。
[0090]
步骤七，在步骤六的基础上，通过目标函数带入变量获取水电站最大发电量。
[0091]
(1)对于1-3月：由于仙衣滩电站的机组满发流量大于桂航电站的机组满发流量，当仙衣滩电站产生弃水时，桂航电站必定会产生弃水，因此主要考虑桂航电站弃水对西津电站出库流量的惩罚，即：
[0092][0093]
(2)4-5月：此时西津电站来水较大，主要考虑仙衣滩尽量不产生弃水，桂航可以产生弃水的情况，因此该时期主要考虑仙衣滩电站弃水对西津电站出库流量的惩罚，即：
[0094][0095]
式(14)-(15)中：q为西津出库流量，qqj
xyt
和qqj
gh
为仙衣滩、桂航区间流量，分别通过入库流量减去上游电站出库流量得到，a为惩罚系数，q
′
为惩罚后的西津出库流量，714m3/s和1604m3/s分别为桂航和仙衣滩的机组满发流量。
[0096]
求解步骤
[0097]
本实例运用动态规划进行求解，通过顺序递推方程进行计算，包括以下步骤：
[0098]
(1)将死水位和正常蓄水位之间按0.1m间隔进行划分；
[0099]
(2)根据划分水位可以假设每个时段t初末库水位z
t
和z
t 1
；
[0100]
(3)根据入库流量q
t
、z
t
和z
t 1
可以计算出库流量q
t
，若排除该情况；
[0101]
(4)根据q
t
可以计算下游水位z
xy
，进而得到水头h
t
，若h
t
《h
min
，n＝0；若h
t
》h
max
，排除该情况；
[0102]
(5)根据仙衣滩和桂航约束条件可以计算惩罚后的西津出库流量q
′
t
；
[0103]
(6)根据h
t
，可以计算将q
′
t
与比较，若q
fd
＝q
′
t
；否则，；否则，
[0104]
(7)若排除该情况；
[0105]
(8)根据q
fd
，可以通过n
t
＝kq
fdht
算得发电量e
t
；
[0106]
(9)最后根据未排除情况计算累计发电量e，取累积发电量最大得到最优运行水位。
[0107]
惩罚系数的确定
[0108]
(1)1～3月惩罚系数的确定
[0109]
惩罚系数取0～1，间隔0.1，分别计算各个惩罚系数的优化调度结果，见图2。图2为不同惩罚系数下1～3月梯级总发电量和总弃水量变化图，为了使梯级总发电量尽可能大，总弃水量尽可能小，最终选取惩罚系数为0.5。
[0110]
(2)4～5月惩罚系数的确定
[0111]
同样地，可得到4～5月各个惩罚系数下的优化调度结果，见图3。图3为不同惩罚系数下4～5月梯级总发电量和总弃水量变化图，为了使梯级总发电量尽可能大，总弃水量尽可能小，最终选取惩罚系数为0.8。
[0112]
步骤七，在步骤六的基础上，通过带入变量获取水电站最大发电量。
[0113]
本实施例主要步骤如下所示：
[0114]
(1)将死水位和正常蓄水位之间按0.1m间隔进行划分；
[0115]
(2)根据划分水位可以假设每个时段t初末库水位z
t
和z
t 1
；
[0116]
(3)根据入库流量q
t
、z
t
和z
t 1
可以计算出库流量q
t
，若排除该情况；
[0117]
(4)根据q
t
可以计算下游水位z
xy
，进而得到水头h
t
，若h
t
《h
min
，n＝0；若h
t
》h
max
，排除该情况；
[0118]
(5)根据仙衣滩和桂航约束条件可以计算惩罚后的西津出库流量q
′
t；
[0119]
(6)根据h
t
，可以计算将q
′
t
与比较，若q
fd
＝q
′
t
；否则，；否则，
[0120]
(7)若排除该情况；
[0121]
(8)根据q
fd
，可以通过n
t
＝kq
fdht
算得发电量e
t
；
[0122]
(9)最后根据未排除情况计算累计发电量e，取累积发电量最大得到最优运行水位。
[0123]
最终效果如下所示:
[0124]
取2004～2020年1～3月和4～5月的西津实测初末水位作为计算初末水位，以西津电站发电量最大为目标，针对不同约束条件设置两种计算方案：
[0125]
(1)方案一：仅考虑西津电站的优化调度计算；
[0126]
(2)方案二：考虑西津电站和仙衣滩以及桂航电站发电流量匹配关系的的优化调度计算。
[0127]
最终计算的结果见表1、表2和图4、图5。发现计算期为1～3月时，考虑匹配关系后梯级总发电量增大0.81％，梯级总弃水量减少17.67％，仙衣滩电站和桂航电站在考虑匹配关系后发电量分别增大1.19％和4.61％，弃水量分别减小10.13％和24.08％；计算期为4～5月时，考虑匹配关系后梯级总发电量增大0.43％，梯级总弃水量减少3.51％，仙衣滩电站和桂航电站在考虑匹配关系后发电量分别增大1.96％和1.06％，弃水量减小12.54％和1.99％。因此该方法在减小下游电站弃水量，增大发电量方面效果较为显著。
[0128]
表1考虑装机流量匹配关系前后1～3月发电量和弃水量结果
[0129][0130]
表2考虑装机流量匹配关系前后4～5月发电量和弃水量结果
[0131][0132][0133]
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。