基于双向搜索策略的梯级水电站调峰模型

张 俊，申建建，吴慧军

(1.国网浙江省电力公司，浙江杭州310007；2.大连理工大学，辽宁大连116024；3.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州510663)

基于双向搜索策略的梯级水电站调峰模型

张 俊1，申建建2，吴慧军3

(1.国网浙江省电力公司，浙江杭州310007；2.大连理工大学，辽宁大连116024；3.中国南方电网电力调度控制中心，广东广州510663)

针对华东地区梯级水电站调度运行管理中电网调峰和顶潮抗咸矛盾的问题，将顶潮需求描述为流量控制约束，建立了梯级水电站群调峰电量最大模型，提出一种正反向启发式搜索方法进行模型求解，采用罚函数和可行区间预测法处理复杂的电站约束和控制条件，以提高方法的搜索效率。通过仿真编制梯级水电站调度计划进行验证，结果表明模型和求解方法可满足下游顶潮抗咸和电网调峰需求，是一种切实可行有效的方法。

调峰；顶潮；水电；调度计划；优化

0 引 言

我国大江大河普遍面临发电和其他用水等综合利用要求[1-3]。对华东地区入海的江河而言，综合利用要求除了防洪、灌溉、通航、水产养殖等以外，为保证沿岸和下游城市饮用水源的质量，顶潮抗咸已经成为日益重要的刚性约束条件。水电站因其快速灵活的调节性能，一方面对电网调峰更加重要，一方面又要满足日益调高的综合利用要求，水电运行方式的合理性将对电网安全稳定运行和保障经济民生产生重要影响。电网峰谷差持续加大，调峰能力相对不足，调度计划安排面临越来越复杂的控制约束和需求，如何科学安排梯级水电站的发电运行方式，协调电网调峰与地方政府部门对水库的综合利用要求，需要切实有效的优化调度方法。

电网调度运行管理工作中的水电优化调度业务是复杂的大规模非线性优化问题，受限于梯级水电站时变和空间耦合的水力和电力联系，问题的建模及求解尤其复杂，长期以来一直受到国内外学者的普遍关注和深入研究[4- 6]，并逐步形成数学规划和人工智能两类建模求解方法[7]。

本文重点针对华东地区梯级水电站调峰和顶潮发电调度问题，建立了耦合顶潮流量要求的梯级水电站调峰电量最大模型，提出了高效的约束处理策略和正反向启发式搜索方法，实现了梯级水电站精细化调度与控制，给出了科学的电站运行计划。

1 数学模型

本文采用常用的调峰电量最大模型[9-10]对梯级水电站调度计划进行建模，目的是在满足下游顶潮等综合利用要求的条件下，通过优化梯级水电站日96时段发电出力过程，实现水能资源高效利用，同时尽可能满足电网的调峰要求。

1.1 目标函数

(1)

1.2 约束条件

水量平衡约束

(2)

发电流量约束

(3)

电站出力约束

(4)

库水位约束

(5)

末水位控制

(6)

式中，ZTm表示电站m给定末水位控制要求。

电站出力爬坡限制

(7)

电站开停机持续时间要求

(8)

式中，tgm、tsm分别表示电站m的最小开机与停机持续时间。

电站顶潮流量需求

(9)

电站出力波动控制约束

(10)

式中，tem为一轮出力升降过程中最高或最低点需持续的最少时段数，tem>1。

2 模型求解

2.1 约束处理方法

梯级水电站短期优化调度涉及到非常复杂的约束条件，统一求解面临很大困难，本文根据约束条件特点，设计了适合的处理方法和策略。

2.1.1 罚函数处理策略

采用罚函数方法处理水量平衡、电站出力限制、出库流量限制、库水位限制等约束条件，见下式。当约束之间相互矛盾时，通过罚函数强制满足优先级高的约束。

(11)

2.1.2 可行流量区间预测法

可行流量区间预测法是根据面临的约束和控制要求，估算面临时段发电流量的大致可行范围，主要包括：

(1)顶潮流量需求。本文通过控制水电站的出库流量下限描述顶潮流量需求，即电站各时段的出库流量必须满足顶潮所需的最小流量要求，记为Ω1。

(2)出力限制。根据最大最小出力边界约束，按照面临时段耗水率估算发电流量搜索范围，记为Ω2。

(3)出力爬坡与开停机持续约束。在以流量为变量寻优时，按照面临时段耗水率预估满足爬坡约束的流量范围，记为Ω3。

(4)出力波动约束。对于有末水位、日电量、日平均出库流量控制要求的电站，在局部搜索过程中以相邻时段总出库流量不变为控制条件，对其后面时段的出库流量应作等量反向变化，进而预估其水位，确定流量搜索范围，记为Ω4。

对上述得到多个流量区间取交集运算，确定出面临时段决策变量的可行搜索范围Ω为

Ω=Ω1∩Ω2∩Ω3∩Ω4

(12)

2.2 正反向启发式搜索方法

提出梯级水电站调度的正反向启发式搜索方法，该方法引入了两种搜索模式：①正向搜索模式即下游约束上游的搜索模式，通过下游电站的出力、水位、流量等条件限制上游调度过程，调整上游电站运行状态；②反向搜索模式即下游牵动上游的搜索模式，通过调整各上游电站出力改变下游各电站的运行状态。

由于电站间的复杂水力联系和差异较大的调节性能，在梯级负荷分配过程中，很难精确判断上游电站调度过程上对下游的影响，极易出现梯级弃水以及约束破坏等情况，因此需要正反向搜索模式相结合，以实现上下游电站真正的协调优化。以两个梯级水电站为例，给出了启发式搜索方法的求解流程：

(1)切断梯级电站之间的水力联系，将电站出力清零，而后以满足该电站控制方式为目标，按照负荷分配规则依次进行第一次出力分配。

(2)恢复电站A与B之间的上下游水力联系(A为下游，B为上游)。

(3)选择电站A作为当前计算电站。

(4)判断电站A是否存在弃水，若是，则按照负荷分配规则计算各时段的出力调整优先顺序，增加该电站出力，后采用反向搜索模式考虑电站B出力减小；否则，转至步骤(5)。

(5)判断电站A是否发生最小出力、最低库容及波动约束破坏，若是，采用反向搜索模式通过电站B的出力变化实现；否则，转至步骤(6)。

(6)判断电站A是否满足控制目标要求，若是，按照负荷分配规则计算权重系数最小的几个关联时段与权重系数最大的几个关联时段，按一定的步长分别减小出力与增大出力；否则确定出力增减方向，并按各时段相应顺序调整该电站出力，若仍无法满足，则通过反向搜索模式，在保证电站B的控制条件不破坏的前提下，使电站A尽可能接近控制目标要求。

(7)若步骤(4)～(6)的调整，造成电站B的控制目标偏离，则在不破坏电站A控制目标的前提下，采用反向搜索模式，即计算电站A各时段的出力调整优先顺序，依次调整电站A的出力并固定，牵动电站B的进行出力调整来满足其给定的控制目标。

(8)选择上游电站B作为当前计算电站。

(9)判断电站B的计算结果是否满足给定的控制目标精度要求，如果是，按照负荷分配规则计算权重系数最小的几个关联时段与权重系数最大的几个关联时段，按一定的步长分别减小出力与增大出力。否则，根据计算目标与给定目标的大小，确定变量的调节方向，如计算末水位小于控制末水位时，需要减小出力，权重系数最小的几个关联时段优先减小；如计算末水位大于控制末水位时，需要加大出力，权重系数最大的时段优先增大。

(10)对电站A采用定水位调节计算，确保其满足通航等特殊需求约束。

(11)计算两次目标函数值是否满足给定的精度要求，若是，计算结束；否则，转至步骤(3)。

3 实例分析

我国东部地区某流域上梯级水电站A(上游电站)和B(下游电站)，承担电网调峰和下游顶潮的重要任务，电站特征参数见表1。

表1 水电站基本参数

图1和图2分别给出了电站A和电站B的优化计算结果，其中电站A日均发电流量为311 m3/s，发电主要集中于8∶30～12∶00早高峰和18∶00～22∶00晚高峰时段，发挥了水电站调峰作用，由于水库具有多年调节能力，其日水位变幅很小；电站B日均出库流量为1 112 m3/s，最小为300 m3/s，满足了给定的顶潮流量精度范围，保证了下游城市的用水质量。

图1 电站A水位和出力过程

图3给出了梯级水电站的总出力过程，可以看出，梯级电站运行计划在满足给定的约束和控制条件下，其发电运行尽可能集中于用电高峰时段，最大调峰容量达到了1 080 MW，可以有效缓解电网日益严重的调峰压力，有利于电网安全、优质、经济运行。

图2 电站B水位和出力过程

图3 梯级水电站总出力过程

4 结 论

随着经济发展形势趋缓，华东地区供用电形势呈现总体平衡的特征，并有逐渐富余的趋势，同时，随着外部特高压通道受电规模逐步扩大和区域内风电和太阳能等新能源快速规模化发展，电网调峰困难问题日益突出。梯级水电站的调峰、调频与供水等综合用水之间的矛盾日渐凸显，如何协调电网调峰和地方部门的综合用水需求，是实现水资源综合高效利用和缓解日益严重的电网调峰压力面临的重要理论和实践难题。本文研究来源于上述实际工程，提出的考虑顶潮需求的发电调度方法可以在保证下游城市用水质量的前提下最大程度发挥梯级水电站的调峰能力，是一种切实可行高效的方法，可以为具有综合利用要求的大江大河流域工程运行借鉴与参考。

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[2] 唐海华, 陈森林, 赵宇. 三峡梯级电站短期优化调度模型及算法[J]. 水电能源科学, 2008, 26(3): 133- 136．

[3] 马超. 耦合航运要求的三峡-葛洲坝梯级水电站短期调度快速优化决策[J]. 系统工程理论与实践, 2013, 33(5): 1345- 1350．

[4] 程春田, 申建建, 武新宇, 等. 大规模复杂水电优化调度系统的实用化求解策略及方法[J]. 水利学报, 2012, 43(7), 85- 795．

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[10] 申建建. 大规模水电站群短期联合优化调度研究与应用[D]. 大连： 大连理工大学, 2011．

PeakModulationofCascadedHydropowerStationBasedonBi-directionSearchStrategy

ZHAGN Jun1, SHEN Jianjian2, WU Huijun3

(1. State Grid Zhejiang Electric Power Company, Hangzhou 310007, Zhejiang, China;2. Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning, China;3. Electric Power Dispatching Control Center of China Southern Power Grid, Guangzhou 510663, Guangdong, China)

Aiming at the contradiction of power grid system peak modulation and anti-tide in the operation and management of cascade hydropower stations in East China, the demand of anti-tide is converted to flow control restraint and the maximum electric quantity model of cascaded hydropower stations is established. A bi-direction search strategy is proposed to solve the model, in which, the penalty function and forecast method of feasible solution are used to deal with complex constraint and control conditions of power stations for improving searching efficiency. The simulation on scheduling plan of cascaded hydropower stations shows that the model and solution method can meet the requirements of grid system peak modulation and anti-tide regulation and is feasible and effective．

peak modulation; anti-tide; hydropower; dispatching plan; optimization

TM73

A

0559- 9342(2017)09- 0081- 04

2017- 04- 29

国网浙江省电力公司科技资助项目(5211JY5000C)；国家自然科学基金资助项目(51579029)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT16QY30)

张俊(1981—)，男，浙江杭州人，高级工程师，从事电网调度和水电管理工作．

(责任编辑高 瑜)