耦合中长期预报方案的优化调度系统研究

余 豪，费如君，黄锦原

(中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014)

0 引 言

随着国家大力开展新能源建设，水能资源作为清洁能源具有得天独厚的优势。但由于优化调度方案的不完善，造成了部分水能资源的浪费。如何充分挖掘各水电站的发电潜力，增加水电站经济效益是急需研究的课题。针对资料丰富的水电站，国内在中长期优化调度方面的研究已取得较多的成果，主要采用方法有利用动态规划、遗传算法、逐次动态规划等优化算法挖掘相应的调度规则等。但部分新建电站由于历史资料较少，制订中长期发电调度方案较为困难的问题。本文以泗南江水电站为研究对象，针对其建成5年内的入库流量资料，研究一套中长期调度方案及系统，在不增加工程投资的情况下，挖掘水电潜力，增加经济效益。

1 工程背景

1.1 泗南江水电站基本情况

泗南江水电站位于云南省思茅地区墨江哈尼族自治县那哈乡、坝溜乡和泗南江乡境内，厂区海拔553 m，采用跨流域、混合式开发，开发任务以发电为主。

坝址集雨面积1 583 km2，水库总库容2.710×108m3；正常蓄水位900 m，相应库容2.468×108m3；死水位860 m，相应库容0.451×108m3；调节库容2.017×108m3，调节特性为年调节(库容系数0.15)。装机容量201 MW，电站设计水头约329 m，设计引用流量约75.7 m3/s，保证出力56.3 MW，年利用小时数4 575 h。

1.2 泗南江流域水文气象特点

泗南江为阿墨江一级支流、李仙江二级支流，全流域面积为1 655 km2，坝址以上流域面积为1 583 km2，坝址多年平均流量为43.2 m3/s，多年平均年径流量为13.624亿m3。思茅区属低纬高原南亚热带季风气候区，具有低纬、高温、多雨、静风的特点，年均气温17.9 ℃，年均降雨量1 517.8 mm，该地区冬无严寒，夏无酷暑，四季如春，属于半干旱气候到湿润气候两者相互交融组合的多种气候类型。

2 水库中长期优化调度研究

2.1 动态规划算法

针对单库水电站，动态规划算法可以在不产生维数灾的情况下有效模拟优化调度过程。状态变量以死水位至正常高水位进行划分，过程变量为时间节点，以“年最优经济效益”为优化目标。

2.2 优化调度模拟

鉴于2008年～2012年泗南江水电站来水情况基本可覆盖丰平枯情况，选择2008年5月～2012年4月的实际发电数据为研究对象，以旬为时间节点进行优化调度研究，验证优化调度算法在提高泗南江发电效益方面的空间。

根据电网要求，泗南江水电站上网电价采用丰平枯电价。泗南江水电站具体上网电价情况见表1。

表1 泗南江水电站丰平枯电价一览 元/(kW·h)

2.3 以“旬”为阶段的优化调度

为充分验证泗南江水电站发电效益的最大优化空间，采用两种不同出力约束进行优化调度模拟。模拟结果表明：在电站运行的4年时间内，采用优化调度算法时，可节约较多的水能资源，具有较大的优化空间。如果应用合理的优化调度方案，可以增加1.98亿～2.86亿元的经济效益。

(1)出力约束为：N保证

(2) 出力约束为：0

优化调度结果见图1、2。

2.4 基于中长期预报的调度方案制订

2.4.1中长期预报方法

时间序列是按时间顺序的一组数字序列。一般反映三种实际变化规律：趋势变化、周期性变化、随机性变化。

表2 限制保证出力的优化调度年发电量情况一览

表3 限制保证出力的优化调度年弃水量情况一览

表4 未限制保证出力的优化调度年发电量情况一览

表5 未限制保证出力的优化调度年弃水量情况一览

取用资料系列的5项前期量且用距平值计算[1]， 预报方程为

(1)

式中，ΔQt+1为预报年的最大洪峰流量距平值；b1ΔQt、b2ΔQt-1、b3ΔQt-2、b4ΔQt-3、b5ΔQt-4分别为预报年的前1年、2年、…、5年的年最大流量距平值;b1、b2…、b5为预报系数。计算相关函数

(2)

图1 年调度过程

利用数据可计算出：概率函数[3，4，5]，r(0)、r(1)、r(2)、r(3)、r(4)、r(5)。根据r(0)～r(5)的值可以建立如下预报系数的线性方程组

(3)

求解出b1、b2、b3、b4、b5。

(1)资料的合理性分析。时间序列方法需输入较长的历史资料才能更好地进行预报。因历史资料的欠缺，会对预报会造成较大的影响；因此需对已有资料进行处理。泗南江水电站1979年～2008年的径流资料为气象台提供的数据，但分析发现1979年～2008年的径流资料与2008年后的实测资料以及设计多年平均径流资料的一致性很差，不能直接使用。分析发现，各月径流占全年径流的趋势与实测资料相似，考虑采用同倍比放大缩小的方式处理数据。处理后的多年平均径流量为42.29 m3/s。

(2)预报成果。为了检验处理后资料的可用性，利用处理的资料对2008年～2012年进行模拟预报，根据最近几年的预报成果，对该方法的预报误差进行分析。

采用时间序列中长期预报方法，2012年～2013年平均流量预报结果为35.62 m3/s。对比调度过程，可选择2009年～2010年的优化调度过程作为指导方案，并进行实时调整。实测与预报的年平均流量情况见表6。

表6 实测与预报的年平均流量情况一览

2.4.2方案检验

根据研究发现：优化调度过程在不限制保证出力的情况时，调度末期会出现单个调度阶段水位变化较大的情况(集中发电的情况)，根据电网公司和水电站实际运行情况分析，应尽量避免此情况出现。因此，本次方案模拟选择旬优化调度限制保证出力的方案进行模拟检验。

为采用该优化调度方案，模拟全年调度的成果(见表7)。直接采用实际入库数据对2012年～2013年进行动态规划优化调度检验，即最优效果的情况，如表7所示。

表7 2012年～2013年年发电量情况

优化方案调度结果见图3、4。

图3 优化方案调度过程对比

图4 优化方案调度各旬出力对比

根据上述分析，采用耦合中长期的实时修正的优化调度方案能使水库的发电量增加，从而增加水库的经济效益，但仍然存在一定的优化空间。

3 中长期调度系统

3.1 选用技术

(1)RESTful服务。面向用户开放的服务采用了RESTful风格的服务，RESTful服务是一种URI形式的资源请求。RESTful服务具有以下优点：以HTTP为资源中心，规范了资源URI的格式，规范了HTTP请求动作(PUT，POST、DELETE等)的应用。遵循REST规范的Web应用具有以下优点：URL具有较强的可阅读性、自描述性；实现资源描述与视图的松耦合性；便于第三方集成；提高系统的扩展性能[6]。

(2)JSON。计算结果以JSON格式(Java Script Object Notation)进行规范化的输出。JSON作为一种轻量级的数据交换形式，较XML具有更高的可读性和可扩展性，编码和解码过程难度更低、效率更高。例如表示时间2015- 01- 01 08∶00∶00，电站编码SNJ00001的入库流量为1000的JSON格式表达式如：{“stcd”:”60000001”，”TM”:”2015- 01- 01 08∶00∶00”， “INQ”:”1000”}。

3.2 人机交互设计

借助电站已经总结的调度规律和调度作业人员的经验，对发电优化调度方案进行人工干预是非常必要的，可以使调度方案具有更高的实用性。调度系统设计的人机交互功能可根据调度者的目标动态调整调度方案，以图、表形式给出每个方案的水库水位变化过程、出力过程等，决策者可直观的查看整个调度过程；系统也可以对中长期预报入库径流过程进行人工置数和经验修正。

3.3 微服务开发方式

发电调度系统是一直接面向调度者和决策者的系统，对不同电站，因作业人员具有不同的工作方式和工作目的，在系统界面功能和模型使用上都需要针对性的进行调整和扩充。鉴于此，本系统程序设计采用微服务的方式，将每一个功能模块都开发成微服务，针对不同的用户需求，可以选择相应的模块和微服务。例如，泗南江水电站优化调度系统包括数据管理、目标函数设定、资料接入、图像调整、图表联动等功能。每一个子功能均可以开发成微服务，采用组装的方式实现系统的灵活扩展。

3.4 软件功能

(1)参数设置模块。该模块包括电站出力设置参数、水位边界设置参数以及天然来水设置参数三个子模块(见图5)。电站出力参数子模块：用户可以根据电站运行情况和实际电力生产需求，自由设置各时段的出力限制。利用水位边界设置参数子模块，用户可以灵活地修改水库各时段水位限制，从而更好地满足防洪发电要求。利用天然来水设置参数子模块，用户可以根据该日具体的天气情况，合理设置各时段(日、周、旬)的天然来水情况。

图5 单库中长期发电优化参数设置界面

(2)优化调度模块。根据预报的气象资料或径流资料自由选择作为来水情况，固定水库的起调和结束水位，优化计算得到短期发电安排(见图6)。

图6 单库中长期发电优化调度计算界面

(3)人机交互模块。可以对各时段的入库流量、出库流量、水位以及出力进行人为修改，实现图表联动，可实现拖动图形过程线，重新计算，生成相应表格(见图7)。

图7 单库中长期发电人机交互界面

(4)方案会商模块。用户可以选择不同的调度目标、调度算法(动态规划、遗传算法等)生成相应的调度方案，最终对多个调度方案进行方案会商，使得调度决策人员在一个界面中比较多种方案，通过相应计算指标进行方案的选择，提高决策支持。

(5)结果显示。软件可以自动制作出日、周、旬的等时段包括入库流量、发电流量、坝上水位、弃水、出力、电量的图表。用户可以导出相应图表进行报告编写。

4 结 语

(1)中长期预报与动态规划耦合的优化调度方案，在新建电站的发电优化调度中可以起到一定的指导作用，使电站在制订调度计划的过程中有据可寻。

(2)优化调度方案对提高泗南江水电站发电效益方面发挥较大的作用，可增加其发电效益、减少弃水。

(3)中长期优化调度系统的开发运用，可以使方案具有实时调整性；从而提高优化调度方案的实用性。