（电力系统及其自动化专业论文）梯级水电站多目标短期调度策略研究.pdf

i i h l l i l i f l fl i i i l l l l il l l l f f fl l r l f l l l l f f l l l u l y 17 3 8 7 9 2 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 多膨 学位论文使用授权说明 b d 年么月霸 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： o l i l j 时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者躲专影新躲 。o 年6 月) i q l 【。一 梯级水电站多目标短期调度策略研究 摘要 电力系统中的很多问题都具有多个设计目标，研究多目标优化的短期 调度策略，可以为电力系统的运行与控制提供多种可行方案，以期达到最 优利用效益。 本文首先介绍大型水电能源、水库运行和水电系统中物理现象的动态 规律及作用机理；其次，建立红水河梯级水电站群多效益指标的关联分析 模型，揭示发电水量、压咸补淡调水水量、具有多年调节、年调节和季节 调节能力的水电站对下游补偿水量、灌溉水量、向周边区域提供工业和生 活等用水的供水水量、调峰水量等在各个梯级水库及在整个红水河流域最 优分配原理，实现水量利用效益最大化；再次，探究和分析了梯级水电站 短期调度的多种策略，剖析各种短期调度准则的形成机理，并详细介绍了 多目标问题的概念和相应的解决方法以及多目标问题在梯级水电站短期调 度中的应用情况，在此基础上提出基于多目标规划方法的水能资源最优利 用的短期调度策略，构建出水电能源多目标优化模型对梯级水电站的发电 机制进行较为全面的分析，并应用实际算例进行论证其可行性和有效性； 最后，概述了红水河流域历史水文环境的研究和水能资源的开发概况，应 用多目标规划方法对短期调度效率模型进行转化求解，基于m a t l a b 软件的 红水河梯级水电站的实际算例与仿真充分考虑实际工程参量和具体约束条 件，对比分析不同拟合水体的算例，为进一步验证多目标短期优化策略、 实际工程建设和电网调度提供参考依据。 关键词：梯级水电站；多目标优化；短期调度：随机规划 m u l t i o b j e c t i v es h o r t - t e r m s c h e d u l i n gs t r a t e g i e sf o re l e c t r i c e n e r g yp r o d u c t i o no ft h ec a s c a d e d h y d r o e l e c t r i cp l a n t s a b s t r a c t t h em u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o np r o b l e mw i d e l ye x i s t si nt h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no ft h em u l t i o b j e c t i v ee v o l u t i o n a r ya l g o r i t h m si np o w e rs y s t e mc a np r o v i d e f e a s i b l es c h e m e st op o w e r s y s t e mo p e r a t i o na n di t sc o n t r 0 1 t h e r e f o r e ，t h ef i n a ld e c i s i o n c a nb em a d e a c c o r d i n gt of u f i l lt h em o s t e c o n o m i cb e n e f i t t h i sa r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h eh y d r o p o w e r , r e s e r v o i ro p e r a t i o na n dd y n a m i cr u l e a n dp r o c e s s i n gm e c h a n i s mo fh y d r o p o w e rs y s t e m sp h y s i c a lp h e n o m e n o n s e c o n d l y , b u i l t e dt h ea s s o c i a t i o na n a l y s i sm o d e lo fe f f i c i e n c yi n d i c a t o r sf o rh o n gr i v e rc a s c a d e d h y d r o p o w e rs t a t i o n s ，r e v e a l s t h eg e n e r a t ep o w e ro fw a t e r , w i t hm a n yy e a r so f a d j u s t m e n t , t h ea n n u a la d j u s t m e n ta n ds e a s o n a la d j u s t m e n ta b i l i t yo fh y d r o p o w e r s t a t i o n so nt h el o w e rr e a c h e so fc o m p e n s a t i o nw a t e r , i r r i g a t i o nw a t e r , t h es u r r o u n d i n g r e g i o n ss u c ha si n d u s t r i a la n dd o m e s t i cw a t e rs u p p l yw a t e r , p e a k i n gi nt h ew a t e r , e t c r e s e r v o i ra n dt h ev a r i o u ss t e p si nt h ew h o l eh o n gr i v e rb a s i no p t i m a la l l o c a t i o n p r i n c i p l e st oa c h i e v em a x i m u mw a t e ru s ee f f i c i e n c y t h i r d l y , e x p l o r ea n da n a l y z ea v a r i e t yo fc a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o ns c h e d u l i n gs t r a t e g y , a n a l y s i so fs h o r t t e r m s c h e d u l i n g r u l e so ft h ef o r m a t i o n m e c h a n i s m ，a n di n t r o d u c e s t h e c o n c e p t o f m u l t i - - o b j e c t i v ep r o b l e m sa n dc o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa n dm u l t i o b j e c t i v ep r o b l e mi n t h ec a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o n si nt h ea p p l i c a t i o no fs h o r t - t e r ms c h e d u l i n go nt h i s b a s i s ，t h ep r o p o s e dm e t h o db a s e do nm u l t i o b j e c t i v ep l a n n i n gt h eo p t i m a lu s eo fw a t e r r e s o u r c e si nt h es h o r t t e r ms c h e d u l i n gs t r a t e g y , b u i l dam u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n m o d e lo fh y d r o e l e c t r i ce n e r g y , c a s c a d eh y d r o p o w e rs t a t i o n sw e r eo nt h em e c h a n i s mo fa m o r ec o m p r e h e n s i v ea n a l y s i s ，a n da p p l i c a t i o no f p r a c t i c a le x a m p l e sa n dd e m o n s t r a t ei t s f e a s i b i l i t y a n de f f e c t i v e n e s s ；f i n a l l y , a no v e r v i e wo ft h eh i s t o r i c a l h y d r o l o g i c a l e n v i r o n m e n ti nr e dr i v e rb a s i nw a t e rr e s o u r c e sr e s e a r c ha n d e x p l o i t a t i o n ，t h e a p p l i c a t i o no fm u l t i - o b j e c t i v ep l a n n i n gf o rs h o r t - - t e r me f f i c i e n c yo ft h em o d e lt ot h e i l s o l u t i o no fs c h e d u l i n g ，b a s e do nm a t l a bs o f t w a r e ，r e dr i v e rc a s c a d eh y d r o p o w e r s t a t i o no fp r a c t i c a le x a m p l e sa n ds i m u l a t i o nt of u l l yc o n s i d e rt h ea c t u a le n g i n e e r i n g p a r a m e t e r sa n dt h es p e c i f i cc o n s t r a i n t s ，c o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n tw a t e rb o d i e s f i t t i n ge x a m p l ef o rf u r t h e rv e r i f i c a t i o na n dm o r et a r g e ts h o r t - t e r mo p t i m i z a t i o ns t r a t e g y , t h ea c t u a lc o n s t r u c t i o na n dp r o v i d ear e f e r e n c eg r i ds c h e d u l i n g k e yw o r d s ：c a s c a d eh y d r o p o w e r s t a t i o n s ；m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ； s h o r t - t e r ms c h e d u l i n g ；s t o c h a s t i c p r o g r a m m i n g i v 目录 摘要i 目录v 第一章绪论1 1 1 引一言1 1 2 国内外发展概况和研究现状2 1 2 1 水电站优化调度的发展概况2 1 2 2 水电站优化调度模型的发展4 1 2 3 优化调度算法的研究概况5 1 3 课题研究的目的和意义6 1 4 本文的主要工作和内容安排7 第二章水电系统能源总量8 2 1 引言8 2 2 水电系统能源总量模型8 2 2 1 库容径流水体拟合分析8 2 2 2 水体微元的物理分析1 0 2 4 电能模型的建立1 6 2 5 本章小结1 8 第三章多目标规划在梯级水电站发电调度中应用1 9 3 1 引言1 9 3 2 梯级水电站短期优化调度1 9 3 2 1 梯级水电站短期调度的研究思路1 9 3 2 2 梯级水电站短期调度的调度准则2 0 3 3 多目标规划2 l 3 3 1 梯级水电站短期调度中的多目标问题2 l 3 3 2 多目标规划方法2 1 3 4 多目标规划在梯级水电站短期调度中的应用2 3 3 8 本章小节2 4 第四章梯级水电站水能效率与优化模型2 5 4 1 引言2 5 v 4 2 水电站水能效率模型 4 3 多目标优化方法 4 4 实例计算 4 5 本章小结 第五章梯级水电站多目标随机调度 5 1 概述 5 2 机会约束条件下多目标规划 5 3 随机多目标优化模型3 6 5 3 1 多目标函数3 6 5 3 2 约束条件3 7 5 4 目标函数归一化4 3 5 5 实例计算与分析4 3 5 6 本章小结4 8 第六章红水河梯级水电站实例计算4 9 6 1 引言4 9 6 2 红水河水能资源概况4 9 4 9 5 0 ：5 1 5 2 5 5 5 6 5 6 5 6 5 7 6 4 6 5 梯级水电站多目标短：期- i h 度策略研究 第一章绪论 1 1 引言 1 6 4 0 年英国资产阶级革命的爆发以及随后完成的原始积累，触发了1 8 世纪6 0 年 代至1 9 世纪4 0 年代、人类文明历程中第一次工业革命的重大历史变革，其标志是以蒸 汽为主要动力的机械工具逐步取代了以往的手工劳动；1 8 3 1 年电磁感应现象发现后，以 发电机、电动机为基础的电力设备在工业生产中的广泛应用的第二次工业革命爆发。电 力，作为蒸汽动力的重要补充，逐渐成为经济工业发展的主要能源，这一时代称为电气 时代；2 0 世纪5 0 至7 0 年代以新能源、新材料等诸多领域的信息技术革命为标志的第三 次工业革命，使得人类社会经济、政治、军事各方面发生深刻变革和高速发展。从对人 类发展进程有着深远影响的三次工业革命不难发现一个贯穿始终的关键一能源。第一次 工业革命以水沸腾说产生的高温、高压蒸汽作为动力；第二次工业革命中电力的广泛应 用使得生产效率进一步提高；第三次工业革命中原子能等新兴能源开始成为热点。 能源，是蕴含光、热、动能等能量的载体。按能源形态可分为一次能源和二次能源 两种：以煤炭、石油、天然气等为代表的天然形成的能源称为一次能源；以电力、沼气 等为代表的人为) j h - v _ 转换形成的能源称为二次能源。一次能源中由长期地质变动、掩埋 而产生，人类纪年范围内无法再生的煤炭、石油、天然气等能源称为不可再生能源；蕴 含动能、势能等能量可以直接提供能量的河流、潮汐等能源称为可再生能源。能源问题 自工业革命以后逐渐成为国家结构的重要组成部分，是国民经济的重要命脉。然而，根 据研究学者的初步测算估计，到本世纪中叶，即2 0 5 0 年左右，煤炭、石油这两大主要 能源将基本枯竭，国际社会正面临严重的能源危机。 目前我国电力结构中，主要包括火电、水电、核电、风电、潮汐发电等，火电利用 煤炭、天然气等不可再生的一次能源转化为电能，无法应对能源枯竭状况下的挑战：核 电为新兴能源，具有生产成本低，发电效率高等优点，以后必将成为主流能源，然而当 前初始利用阶段存在诸多科技难题尚未得到完全解决，不能得到大规模的普遍应用；风 电、潮汐发电本身具有随机性，而供电负荷也是一个随机量，要完成对两个随机量进行 协调控制，目前的科技手段也仍然不够成熟：水电，较之其他电能来源，以其自身的清 洁、环保、高效、稳定、可远距离输送等诸多优点成为当今社会发展的主流基础能源。 随着“西电东送”、“厂网分开 、“竞价上网”的电力策略的实施，水电的优越性将进一 步体现，大力开发水电，对于实践可持续发展观、保证我国工业腾飞、经济高速发展和 梯级水电站多目标短期调度策略研究 实现中华民族的伟大复兴有着重要意义。 我国幅员辽阔，陆地领土面积达到9 6 0 万平方公里，居世界第三，水能资源尤其丰 富，总储量达2 8 万亿立方米，居世界第六，分布相对集中，多位于处于温带和亚热带 季风气候区的西南地区，例如金沙江、红水河、长江上游等水系水能资源尤为丰富。2 0 世纪末估测的我国水能中储量为6 7 6 亿千瓦时，其中可开发水能储量为3 7 8 亿千瓦时， 且我国水能资源分布相对集中，建立大规模梯级水电站进行联合开发、形成水电供应基 地将从根本上缓解我国的能源问题。 对水电资源进行梯级联合开发，要以安全、稳定、满足负荷为前提；以经济、高效 为条件；以使水能资源得到最大限度开发利用为目标，优化水能结构、调整调度原则， 整体提升水电系统的联合发电效益。我国电力发展历程中就出现过因区域电力网壁垒导 致资源严重浪费的深刻教训，于1 9 9 8 年开始投产的装机容量3 3 0 万千瓦的四川二滩水 电站投入使用之初，四川省内的电力供应情况因重庆市升为直辖市急转而下，重庆市仅 配额1 3 的电力供应额度给二滩水电站，使得设计之初就本为供给重庆市电力的年发电 能力可达1 7 0 亿度的二滩电站大部分机组处于停机状态，因水库无法无限制蓄水而不得 不泄洪弃水造成水资源流失价值6 0 0 0 万元。还有某些大型水电站长期低水位发电、盲 目发电等案例。电力是一种特殊的能源形式，必须即发即用，因而要求经济调度、统筹 规划，在电力市场新形势下保证电能质量的前提下避免造成资源浪费和经济损失。合理 的资源开发还能带来诸多社会效益，例如防洪抗旱、运输环保、带动相关产业提供更多 就业岗位，实现社会经济多方利益的双赢，这也符合构建和谐社会的基本思想。 梯级水电站群的调度是一个具有多约束、多决策的多目标问题，“牵一发而动全身” 可以形象的描述其严谨性，任何一个量的变化都会影响整体的运行状况，因而，制定科 学合理的经济调度策略是对水电资源联合开发、高效利用的重要保障。在以往的研究中， 多注重的是单一水电站的发电优化、水库调节等问题，对整个水电系统进行详尽的关联 分析研究不够深入，探讨大规模、大系统、多目标的梯级水电站优化原则和经济调度策 略，达到资源合理配置、生产能力重新整合，对解决新形势下的能源挑战和水电资源的 联合开发具有现实意义。 1 2 国内外发展概况和研究现状 1 2 1 水电站优化调度的发展概况 水电站优化调度是在电力理论和实际工程各约束条件下，应用优化算法对水电站运 行进行优化调配的一种长期策略，可分为单库和库群两种调度方式。优化准则一般为在 2 厂酉大掌硕士掌位论文 梯级水电站多目标短期调度策略研究 满足供电负荷的前提下，调整发电策略，使得能源转化率最高，获得最大发电效益。发 展最初使用的常规优化调度方法为时历法径流调节，按照历史长期统计的水文资料进行 假设，在满足发电需求和工程约束的条件下绘制出水库调度图，用以执行调度机制。这 种方法具有很大的历史局限性，不能因地制宜，且缺乏数学模型支撑，准确性不高，科 学严谨度低。在后来的改进中引入数学优化理论和动态规划等优化方法，对入库流量也 进行考虑，一定程度上提高了优化调度的效益水平。2 0 世纪中期，水电站优化调度理论 在世界范围内得到长足的发展。1 9 5 5 年，在m a s s e 提出水库优化调度理论之后，美国 学者l i t t l e 基于马氏模型在制定优化调度策略中应用动态规划方法，确立了优化调度 理论在以系统科学为指导下的新的研究方向。在第三次工业革命科学技术高速发展的背 景下，科学理论的研究成果开始全面应用于水电站优化调度领域，例如相对成熟的线性 规划法，针对大规模水库联合系统的非线性规划法，类似遗传算法、蚁群算法等诸多算 法，诸多理论方法的探讨与应用，逐步开拓出一个多元化、深层次的优化调度领域。 我国对水电站优化调度的研究始于2 0 世纪6 0 年代，1 9 6 3 年，谭维炎、黄守信心1 等提出基于动态规划理论的水电站优化调度模型，并在狮子滩水电站的优化调度中成功 应用，这也是我国首次提出水电站单一水库优化调度理论模型就得到成功应用。在随后 的研究中，国内学者在描述径流过程、引入惩罚项以提高调度图的准确性以及结合径流 预报等方面做了大量工作，单一水库优化调度理论逐渐发展成熟。 国内对多于两库以上的优化调度的研究较晚，梯级水电站群优化调度是在多重约束 条件下满足负荷需求，以期达到总体发电效益最优的调度策略，谭维炎、刘建民1 的考 虑保证率约束的递推关系法、董子敖h 3 的克服“维数灾 的多目标多层次优化法等，为 解决多库群梯级水电站优化调度提供了可行的理论方法。多年的研究在实际应用中也取 得了丰硕的成果，湖南电网由拓溪水电站优化调度研究丌始，在2 0 世纪末的2 0 年内， 总增加发电量7 5 2 9 5 亿千瓦时，其中，单库优化调度增加年发电量3 ，跨流域库群优 化调度增加年发电量1 5 一2 0 ，梯级水电站群优化调度增加年发电量6 ，不仅获得了 巨大的发电效益，调峰、调谷、保证电网可靠性和稳定性、防汛、泄洪等各方面综合效 益也非常显著。水电站优化调度本身就是一个高维数、非凸的、离散的、非线性的动态 优化问题聆1 ，在能源危机、电力市场化的新形势下，电力系统工作者在以往研究的基础 上创新思想、改革观念，引入联合决策、模糊控制等前沿理论，降低水耗量和设备投入、 实现综合效益最大化。 但是在熠熠辉煌中也存在着许多不足，在梯级水电站优化调度中，水、机、电耦合 关系、单个水电站的出力和整体水电站群的发电效益都需要综合深入研究探讨，有些调 度模型过于庞大复杂或者脱离现实工程数据，不能得以应用或者对实际调度工作作出正 g - 西大掌硕士掌位论文 梯级水电站多目标短期调度策略研究 确指导，与优化调度的初衷南辕北辙。 1 2 2 水电站优化调度模型的发展 梯级水电站短期优化调度是关于调配水电机组出力的一种制度策略，一般以一天为 单位、每个小时为时段。在满足运行负荷和已经制定的中长期水电发电目标情况下，短 期优化调度旨在优化发配电的运行标准。以往有很多文章介绍了很多应用于短期调度的 策略研究嫡1 训。国际上常规方法可将短期调度问题分解为两个子问题，其中第一个子问 题是在整体规划模型中一天中每个时段的机组出力，第二个子问题涉及估算水电机组在 第一个问题中建立的发电约束、运行约束下的最优出力水平，解决第二个子问题的求解 效率尤为关键，因为这也是大型实时系统中解决第一类子问题的关键。很多早期提出的 短期优化调度策略描述都忽略了实际的输变电系统或以过于简化的方式提出，例如将整 个输变电系统仅作为单一整体来研究，优化调度原则与现实偏离过远。在近期的优化调 度模型中，通过约束弃水量、水头流失量最小化和水电站机组发电最优等对水电站进行 优化，并在电网潮流的基础上，通过综合考虑负荷、运行约束进行调度，有效提高了整 体发电效益。 国内学者以往对水电站优化调度从发电量、水耗量、总蓄水能量这三方面入手，将 梯级水电站的多目标问题简化为单目标问题，应用动态规划或者随机规划的方法进行求 解，但是常会受到维数限制，不能考虑过多约束条件。胡国强提出以年发电量和以一级 水电站耗水量为优化目标的梯级水电站多目标优化调度模型n ，将多目标问题进行模糊 简化处理为单目标问题，尽管相对单目标优化调度理论还不够成熟，但是比以往的单目 标简化模型更加兼顾整体效益，有了长足的进步。梯级水电站的某单一电站效益达到最 高，但整体水电站群的发电效益不一定达到最优，因而，综合利用，全面考虑整体发电 效益成为当前电力工作者的研究热点。目前，梯级水电站优化调度有以梯级水电站群总 发电量最大n 2 1 建立调度模型，长期高效率运行，运行成本较高，不够经济；梯级水电站 群水耗量最小n 3 1 原则下的优化模型容易造成一级水库水资源浪费；梯级水电站群总蓄能 最大n4 j 、梯级水电站群发电收益最大n 朝的优化模型引入了本质的能量的概念和“竞价上 网的电力市场下的考虑，但是仍然存在一定缺陷。在基于优化调度准则的前提下，各 级电站的装机容量、机组数、库容、坝宽、水文条件均各有差异，在满足供电负荷的同 时，调配不同梯级水电站机组出力，研究机组联合出力情况，建立优化调度模型，这是 目前在优化调度准则下建立优化调度模型的常用方法。 4 广西大掌硕士掌位论文 梯级水电站多目标短期调压乘略研冗 1 2 3 优化调度算法的研究概况 梯级水电站经济调度问题作为一个庞大、复杂的优化目标，旨在满足负荷需求和小 于机组最大出力的前提下，使整体发电效益达到最优。这个问题本身存在多个等式约束 和不等式约束，是一个大型的非线性规划问题。在上一节中阐述了优化调度的模型发展 情况，对于提出的经济调度模型的求解算法也一直是电力工作者一直探求的一个重要方 面。 在对电力系统优化调度优化理论和方法的研究中，最早广泛应用的是3 0 年代提出 的等耗量微增律法，现阶段也仍然应用于实际电网调配优化。其基本思想是由于随着负 荷的变化，机组出力的能耗微增量也随之变化，按照各机组能耗微增量相等且最大的方 式调配负荷运行，实际是应用拉格朗日法求解优化调度问题。等耗量微增率法计算简便、 速度快，由实际机组特性拟合的二次曲线求导为一次函数处理方便，能够很好用数学理 念描述火电机组运行特性。我国在三峡梯级调度决策系统的研发工作中使用的算法就应 用拉格朗同乘子松弛分解计算的解法。基于三峡梯级水电站时段内的梯级水库群总蓄能 量最大为短期优化调度优化目标【l4 1 ，对水库模型进行应用拉格朗同乘子更新方式的分解 计算，仿真模拟了三峡梯级水电站和葛洲坝水电站的出力情况。但是这一方法也有很大 的局限性，在大系统、多机组条件下，各机组出力差异较大时，拉格朗日算子运算迭代 次数很高，计算精度会受到影响，并且由于其拟合机组特性二次函数导数大多适用于火 电机组，水电机组特性函数大多无法满足应用拉格朗日算法的要求，等能耗微增率法作 为相对成熟的实际计算方法在梯级水电站优化调度方面的应用受到很大限制。 发展中期研究的算法有线性规划澍1 6 】、非线性规划法【1 7 】、动态规划法、随机规划等 等。线性规划是解决目标函数和约束条件均为线性情况下，求目标函数值极大或者极小 时的最优解的方法。线性规划法在大范围、跨区域电力系统中的应用十分广泛，其克服 了不受变量和参数量个数约束的以往算法的缺点，三峡葛洲坝梯级水电站优化调度的 应用线性规划法进行了相关的研刭1 8 】，结合具体算例分析了线性规划法的特点和缺陷， 线性规划法解决复杂系统非线性问题时会产生严重偏差，某些研究l l9 】原有理论基础上进 行改进，进一步探讨了连续线性规划法在梯级水电站优化调度中的求解问题。非线性规 划来源于运筹学，始于2 0 世纪中期，是解决目标函数和非线性约束条件在等式和不等 式约束下的极大值、极小值的时最优解的一种数学方法，与线性规划不同的地方在于其 约束条件中存在至少有一个关于是未知量的函数。梯级水电站优化调度中存在的大多是 非线性问题，应用非线性规划进行处理非常理想，但是其计算复杂、计算周期长，这些 问题仍有待突破。动态规划是一种以运筹学为基础，以多个相互关联的阶段，每个阶段 需要根据各种因素要求作出相应合理的决策，使得整体达到最好的目标期望的一种阶段 梯级水电站多目标短期调度策略研究 性决策的优化求解算法，2 0 世纪中期美国学者r e b e l l m a n 在其著作中首次提出动态 规划的计算方法，将多阶段决策问题化为各单一阶段逐个求解的计算过程。动态 规划法在梯级水电站优化调度中有着很好的应用前景，例如考虑马尔科夫特性的 动态规划方法在三峡梯级水电站优化调度中的应用【2 0 1 ，同时引入了随机径流特性， 通过仿真模拟进而制定优化调度策略。随机规划法【2 1 】的应用以黄河上游梯级水电 站为例进行对优化模型的求解计算，编制分析了龙羊峡水库和刘家峡水库的调度 图，算例显示优化了黄河上游水库的防洪、灌溉、发电的综合效益，但是随机规 划在多库梯级水电站优化调度中会存在“维数灾 的缺陷。 当前，对电力系统经济调度算法的研究深入且广泛，人工智能算法异军突起。 1 9 7 5 年美国学者j h o l l a n d 教授提出的基于达尔文自然选择进化理论和生物学遗传 原理的遗传算法，应用于求解流域梯级水电站厂内经济调度【2 2 j 的双层耦联求解法、 对清江梯级水电站群进行宏观多目标优化1 2 3 1 、应用m a t l a b 工具箱的遗传算法1 2 4 】 使得遗传算法推广使用起来更加简洁方便。对于一些大型离散非线性多目标函数 能够较好的求解，遗传算法具有全局择优性、广泛适应性、自适应性等特点。以 及基于生物学中蚂蚁寻找食物原理的研究的蚁群算法( 25 1 ，基于生物学原理提出的 算法神经网络算法，基于物理学原理的退火算法等等。这些算法的研究和应用， 对梯级水电站多目标短期优化调度问题的研究方向和前景具有重要意义，提供了 新的求解工具。 1 3 课题研究的目的和意义 梯级水电站短期调度策略旨在通过水电站调度模型结合优化算法，作为能够有效提 高水电能源综合利用率的一种途径。在目前能源紧缺的危机下，大规模开发水电是解决 危机的重要途径。广西地处我国西南部，北临川陕、南面北部湾，与越南、泰国等国家 毗邻，东盟组织的形成使得广西称为我国与东盟1 0 国连接的纽带。广西地区水资源非常 丰富，开发建成的红水河梯级水电站已经形成了一定发电规模，通过基于红水河梯级水 电站的水文资料进行优化调度策略的研究，将有助于提升红水河梯级水电站的水能利用 率，进而整体提高综合发电效益，对我国能源发展有着深刻意义。 本文对于不同的水体能源结构，基于水体分级的思想，提出了梯级水电站短期调度 的多目标模型。天然水体作为一种可再生的一次能源，蕴含着丰富的能量，包括势能、 动能、压能等等，以微积分的思想提出水体分级的理念，将水体沿不同的水文结构进行 分级，将分级后的水体蕴含的总能量计算后求和，进而得到河流水体的水能总量，这一 思想是将水体能源细化求解的一个过程，精确度更高。本文提出的多目标优化调度模型 6 广西大掌硕士掌位论文梯级水电站多目标短期调度策略研究 是基于一种新的调度策略基础上建立的，即以最少的水耗量获得最高的的发电量这一标 准为调度准则，避免了以往的通过对基于红水河8 个梯级水电站的工程数据的仿真结 果进行分析，验证了水电站短期调度的多目标模型的合理性、正确性和可行性，为梯级 水电站短期优化调度提供理论参考。 1 4 本文的主要工作和内容安排 本文提出了一个基于水体分级思想的梯级水电站多目标短期调度模型，主要进行的 工作有： 绪论部分介绍了梯级水电站优化调度的发展概况以及对本课题研究的目的和意义。 论文主体部分随后介绍了水体分级思想下水电能源总量的原理推导和理论计算，应 用经典的微元法通过水体的形体分析和引水管入口处的力学分析，建立水电能源总量模 型，并研究分析在不同约束、不同库容、坝首宽度影响条件下的梯级水电站联合发电模 型。在此基础上，以最小水耗量获得最高发电量的调度准则对梯级水电站联合发电模型 进行优化，期间阐述了多目标问题及其优化方法，构建出梯级水电站短期调度多目标模 型，并在不同条件下进行分析。 最后以红水河梯级水电站的数据进行仿真计算，对仿真结果进行分析，验证调度模 型的正确性和合理性。 本论文共分为7 章： 第一章介绍了能源问题下电力工业的艰巨任务以及水电能源的突出地位，概述了梯 级水电站的发展情况，分析了课题研究的目的和意义，并介绍了论文的研究内容及安排； 第二章介绍了水体分级思想的提出，在水体分级思想下通过经典的微积分原理和物理定 律推导构建水电能源总量模型；第三章是梯级水电站联合发电模型的建立与分析；第四 章对梯级水电站联合发电模型的优化；第五章以红水河梯级水电站群为算例进行仿真计 算，对仿真结果进行了分析验证；第六章为结论与展望部分。 7 广西大掌硕士掌位论文梯级水电站多目标短期调度策略研究 第二章水电系统能源总量 2 1 引言 我国是世界上水电资源最丰富的国家，理论水能资源蕴藏量为7 亿千瓦，约占能源 总量的4 0 ，在未来很长一段时期内，水电将作为主要能源优先开发。水能，是一种可 再生的一次能源，探究水能本身蕴藏的势能、动能、水库能等能量形式对电能的转化， 构建水电系统能源总量的数学模型一直是电力工作者研究的热点【2 6 。目前，解决此类问 题的相似模型主要为水电能源系统熵优化理论【2 7 】，根据热力学熵【2 8 】的基本概念及熵概念 泛化的基本特性，提出了水电能源系统熵的定义，进而提出了水电能源系统优化规划模 型。但在以往这些对水电能源的研究中，对系统的优化算法方面研究较多，而水电能源 系统的数学模型单、不够完善且未能从水机电耦合方面进行深入研究，不能充分描述 水电能源转化机理。本章通过用曲线方程拟合径流水体底部曲线，基于微积分理论，进 行分层近似推导计算，构建水电系统能源总量模型。 2 2 水电系统能源总量模型 自然水资源蕴含着由流动产生的冲击动能、由水体分子作用力产生的压能、有水体 本身重力产生的势能等丰富的能量，而这些能量作用于发电机涡轮推动其旋转转化为机 械能，进而由电磁感应效应转化为电能输送至电网负荷。 本文不记及水体流动与河床、管道、机组涡轮等进行摩擦碰撞发生的内能损耗，对 拟合水体分析并进行能源总量的推导计算，通过两个不同曲面拟合出水体进行比较。 2 2 1 库容径流水体拟合分析 本文对库容径流水体水底部分进行不同曲线的拟合，如图2 1 和图2 2 所示。其中 h ，( l ，) 为库容径流蓄水水位的海拔高度，a ，为水电站，机组f 压力引水管管口截面积， z ，为拟合水体终点，x 。，为拟合水体假定重心位置，y ，为大坝宽度。 图2 1 中为，机组，压力管道处水体底部为二次抛物线，按照图中方式建立坐标系， 抛物线方程表示为z = x 2 。这样库容径流水体在径流方向上就拟合成为由一个抛物面截 取长方体而成的五面体，其方程为： 8 广西大掌硕士学位论文 梯级水电站多目标短期调度策略研究 其体积为： f z 2 ：x jx = 0 【y = 0 。= l p 挑 = j f c 。出f 。2 出虚妙 = 拉3 巧 图2 - 1 拟合库容径流抛物面水体 f i g 2 - 1p r a b o l o i df i t t i n gr u n o f fw a t e r 图2 2 中为，机组f 压力管道处水体底部为一次过原点直线，按照图中方式建立 系，抛物线方程表示为z = 2 x 。这样库容径流水体在径流方向上就拟合成为由一个 面截取长方体而成的五面体，其方程为： 其体积为： 1 z = 一x 2 x = 0 1 ，= 0 v = l p d y d z 矿 = 圭x 。， ，f ) 9 ( 2 - 1 ) 梯级水电站多目标短期调度策略研究 图2 - 2 拟合库容径流斜面水体 f i g 2 - 1f i t t i n gs l o p er u n o f fw a t e r 2 2 2 水体微元的物理分析 ； 首先对2 2 1 中拟合的两种库容径流水体的，机组i 压力管道处水体微元进行受力分 析，可知其受到库容水体的压力、重力，在其综合作用力下沿压力导管流动进而推动水 轮机发电。通过分析可以看出，蕴含于库容水体中的能量可以分为：由水体自身重力所 产生的重力势能，由水体流动产生的冲击动能，由水体压力产生的压能。 。先对压力管道处的水体进行分析。假设第，机组i 压力管道为圆柱形，则进水口处 一个在x 方向上微长度为d x 的截面水体微元的体积d 山为： 旷万f 誓 2 出= 万譬出= 丢蜮，出 c 2 嘲 其中d ，为水体微元进水口处压力道管的直径。 压力道管入口处截面面积为： 如一( 譬 2 _ 万孚= 丢碱， c 2 q ( 2 7 ) ( 2 - 4 ) 口处高程为h 。，那么在 厂四大字硕士掌位论叉 梯级水电站多目标短期调度策略研究 炳山( 一，q ) = 烈一( x ，) 一h i “】 ( 2 5 ) 在机组f 压力道管入口处截面水体微元受压强p ，沿压力道管方向的分量作用下所 做的功或者所具有的能量为： e 加= e 以，v w 。f2 ( q ( x ，) 一日i d , i ) p 。i 17 2 ，d x 1 = 云咧，( h 廖，) _ h i 山，) 出 ( 2 6 ) 道管入口处截面水体微元正上方侧面积 a w , j , t , x 粤d x ：丢d x ( 2 - 7 ) 道管入口处截面水体微元在x 方向上微长度为缸的重量为： m w 2p j = 音即磁d x( 2 8 ) 道管入口处截面水体微元沿压力道管方向上所形成的重量为： m w 工，= 垅w js i n 口 = 寺印d ；，s i n 口 d x ( 2 9 ) 压力道管进水口处重量为m w 的水体微元在压力道管入口处截面所形成的压力 为： p m 。， 眠三孵。出s i n ：鳖：互竺! 竺：兰! 钆 丢哦 = p s i n a j ，d x ( 2 - 1 0 ) 压力道管进水口处重量为m w ，的水体微元在压力道管入口处截面所形成的压力沿 压力道管方向的分量所做的功或者所具有的能量为： m l = ，山l = p s i n a j d x i 1 2 ，i d x = i 1 哗2 ，p s i n q d 2 x ( 2 - 1 1 ) 假设在水库蓄水位日( x ，) 上，重量为所w 、体积为1 ，。，的水体微元在压力道管进 水口入口处流动速度为v ，该水体微元所具有的动能为： t 2 瓦1 弓碱, d x v 和i 一壶碱晚s i 出( 2 - 1 3 ) 重量为m ，、体积为，的水体微元在压力道管进水口处所具有的势能为： ，j = m w 川s i n a - h ，加= 了1 巧哟2 ，h l 。，f s i n a j f d x ( 2 14 ) 再对下游水体微元进行分析。 若梯级水电站机组f 在水轮机出水口处的压强为p o ，则该压强对重量为m w 川、 体积为川的水体微元所做的功或者所具有的能量为： r _ j = p o f = 死，p o 小，出 ( 2 1 5 广。西大学硕士掌位论文梯级水电站多目标短期调度策略研究 重量为m w 的水体微元在水轮机出水口处截面所形成的压力沿压力道管方向的分 量所做的功或者所具有的能量为： m o , j j = m u ，= 峨n d 2 x 设重量为聊w j 、体积为山，的水体微元在水轮机出水口处的速度为v o _ ， 有的动能为： ( 2 - 1 6 ) 则其具 k o , i , i - 瓦