（电力系统及其自动化专业论文）抽水蓄能电站水库优化运行研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a e t t h ep u m p e d s t o r a g ep l a n th a v eb e e nav e r yi m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h em o d e m p o w e rs y s t e m t h a tc a l lt a k et h e p e a k l o a da n d p u m p w a t e rw i t l le n l a r g i n go f p o w e r s y s t e m a n dd i v e r s i f i c a t i o no fl o a ds t r u c t u r e t o a d e q u a t e l y e x e r t a d j u s t m e n tf u n c t i o n a n d i m p r o v eb e n e f i t s o fi t s e l f , t h er e s e a r c hf o rr e s e r v o i ro p t i m i z e d d i s p a t c l l i n g o ft h e p u m p e d s t o r a g ep l a n t i sm u c h s i g n i f i c a n t a c c o r d i n gt o t h es t a t u si nq u oo fr e s e r v o i ro p e r a t i o na n dt h ec h a r a c t e r i s t i co fa c e r t a i np u m p e ds t o r a g e ，t h em o d e li se s t a b l i s h e dw i t ha i ma tt h em a x i m u mi n c o m eo f g e n e r a t i n gi nad i s p a t c h i n gp e r i o d 邪ay e a rb ya n a l y s i so f t h ee x i t i n gm e t h o d sa n dt h e d a t ao f t h ep u m p e d s t o r a g ep l a n t n l es c h e m eo f r e s e r v o i r - o p t i m i z e do p e r a t i o ni sm a p p e d o u tw i t ht h ep r o p e rc h o i c eo fr u n o f f d e s c r i p t i o nm e t h o da n dt h eo p t i m i z i n gm e t h o d t h e s o f t w a r eu s e di nw i n d o w so si sd e v e l o p e di nd e l p h is o f t w a r ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t b yo o pp r o g r a m m i n g m e t h o d t h es o f t w a r ei su s e r - f r i e n d l ya n d e a s ye x p a n d e d t h a tc a n u p d a t eo r i g i n a ld a t a a n d q u e r y c a l c u l a t i o nr e s u l t sc o n v e n i e n t l y i nc o m p a r i s o nw i t ha c t u a lo p e r a t i o nf r o mj u n e2 0 0 1t om a y 2 0 0 2 ，t h ei n c o m eo f t h e p u m p e ds t o r a g ep l a n ti n c r e a s e sb y3 5 m e e t i n gt h er e q u e s to f t h ep o w e r s y s t e m a l li n a l l ，t h ep r o b l e mo fp u m p e ds t o r a g e sr e s e r v o i ro p e r a t i o ni sr e s o l v e de f f e c t i v e l y 皿e r e s e a r c hi st h ef i r s ti nt h ef i e l do ft h e r e s e r v o i r - o p t i m i z e do p e r a t i o n o ft h e p u m p e d - s t o r a g ep l a n t t h a ti ss i g n i f i c a n tf o r p u m p e d - s t o r a g ep l a n t s k e y w o r d ：o p t i m i z e do p e r a t i o n r e s e r v o i r p u m p e d s t o r a g ep l a n t l i 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = # = = = = = = = = = = = = = = = 1 概述 1 1 引言 我国具有以燃煤为主的能源结构，需要有相当规模的水力发电容量来承担电网 的负荷调节作用。有的电力系统虽然水电比重高一些，但某些大型水电站需要担负 基荷发电，而且受季节性径流的影响，没有很多调节能力，有时水电站需大量弃水 后才能使其参与电网的调峰卧【3 1 。我国的电力建设经过几十年的努力，现在已基本 上达到电量充足，限制用电的情况已大体消除。但很多电力系统的调峰能力还很差， 有几个系统蜂谷差大大超过了水电机组的容量，同时峰谷差的增长速度超过了负荷 的增长速度( 如湖北电网) 。为此，很多火电厂被迫使用中型热力机组来调峰，这样 做既耗费燃料又损伤设备。 然而，抽水蓄能电站和常规水力发电站一样，在担当调峰、调频、事故备用、 旋转备用等方面都有明显的功效【4 卜嘲，另外它还有一独特功能，就是可以吸收电力 系统中负荷低谷时段的多余电能，可以解除大型火力发电机组压低出力运行的困难。 因此，在电力系统中建设一定比例的抽水蓄能电站有很重要的实际意义，它不仅有 助于提高供电质量，而且有助于提高电力系统本身的经济性。 为了满足电力系统调蜂填谷的调度要求，即电力系统负荷处于高峰时，上水库 有充足的调峰库容，下水库有存放调峰库容的能力，电力系统负荷处于低谷时，下 水库有充足的填谷库容，上水库有存放填谷库容的能力。减少调峰的弃水量和填谷 容量的不足，改善火电运行工况，提高火电机组发电利用小时数，使电网中水、火 电机组处于安全经济运行，从而大大提高抽水蓄能电站的静态效益和动态效益。因 此，为了提高抽水蓄能电站的运行水平和科学管理水平，充公发挥抽水蓄能电站调 峰填谷和旋转备用的作用，研究抽水蓄能电站水库优化运行具有十分重要的意义。 华中科技大学硕士学位论文 i 2 抽水蓄能电站概述 1 2 1 国外发展概况 世界上第一座抽水蓄能电站的诞生已有1 0 0 多年的历史了研。最早的抽水蓄能 电站在1 8 8 2 年建立于瑞士的苏黎世，装机容量为5 1 5k w 。在1 9 0 9 年瑞士又建成 了斯夫汉森抽水蓄能电站。此后，抽水蓄能电站的分布逐步向欧洲、北美、南美、 澳洲和亚洲各国发展。截至1 9 6 0 年，世界抽水蓄能电站总装机容量已达3 4 8 万k w 。 尤其是6 0 年代以后到1 9 8 9 年，已有3 6 个国家和地区建成抽水蓄能电站2 9 4 座，总 装机容量达到7 7 3 6 万k w ，约占世界水电装机容量的1 2 。2 9 年增长了2 2 2 倍， 年均增长率为1 1 3 。其中以美国和日本的增长速度最快，而在英、德等水资源贫 乏的国家，抽水蓄能电站的装机早已超过常规水电的装机容量。7 0 年代中期以来， 抽水蓄能电站朝着大机组、高水头、大容量、高比速方向发展。抽水蓄能电站在世 界各国，特别是工业发达国家各受青睐。 1 2 2 国内发展概况 在国内，随着生产发展和人民生活水平不断提高，电力系统不断扩大，大容量 燃煤火电机组与核电机组的投入，要求系统具有更大的调节能力和灵活性。另一方 面，用电结构发生了很大变化，市政用电比重逐年上升，系统负荷的峰谷差也日益 加大，高峰时电力不足，低谷时又电力过剩。因此，主要用于承担电力系统调峰、 填谷和旋转备用任务的抽水蓄能电站已经成为现代大型电力系统构成中不可缺少的 一个组成部分。 我国抽水蓄能电站建设虽然起步较晚，但有以往大规模常规水电建设所积累的 经研究，加上近2 0 年来引进的国外先进技术和管理经验，单个电站规模已居世界前 列，如广州抽水蓄能电站( 装机2 4 0 0 m w ) 为目前世界上最大的抽水蓄能电站。 1 2 3 抽水蓄能电站分类 根据抽水蓄能电站与径流发电的关系，可分为混合式抽水蓄能电站和纯抽水蓄 能电站，前者既有电网调节作用又有径流发电作用，后者专为电网调节而修建，与 2 华中科技大学硕士学位论文 径流发电无关。 1 2 4 抽水蓄能电站在电力系统中的作用 抽水蓄能电站可以按照计划发电，在电网中承担峰荷或腰荷，而其更大的作用 是在电网中担负不定时的调峰和调频唧。 抽水蓄能机组是水电机组，起动快速，适用负荷范围广，在电力系统中能很好 地替代火力机组担任调峰作用；作为水电机组，抽水蓄能机组有很强的负荷跟随能 力，在电网中可起调频作用。另外，抽水蓄能机组也可以担负调相任务。在事故备 用( 包括旋转备用) 方面更具有优势。抽水蓄能机组是同步电机，不但在发电或抽 水以外的时间可以做调相运行，在发电或抽水的同时也可以向电网供给无功电力。 抽水机组的利用小时数不高，随时可以作为系统的备用机组，同时还可以作旋转备 用，也就是在并列状况下在发电方向空转，必要时能更快地带上负荷，可以在很短 的时间转换为发电，其短时间调节能力为装机容量的两倍。 将抽水蓄能机组与燃煤机组及核电机组配合运行，可使这些热力机组在额定或 较高出力下稳定运行，大大降低了电力系统的燃料消耗和运行消耗，同时提高了火 电设备的利用率；抽水蓄能机组所代替的热力机组中有一部分是燃油的蒸汽或燃气 轮机组，而抽水蓄能的动力来自燃煤，使用抽水蓄能以后就起到了以煤代油的作用， 从而对改变能源结构有重要作用。 抽水蓄能电站可以利用常规水电站的弃水负荷来抽水蓄能，达到充分利用水能 的目的；如果遇到电网严重故障或全网解列，抽水蓄能电站可以在无厂用电的情况 下启动机组作发电运行( 上水库应留有一定的紧急备用库容) ；同时，抽水蓄能电站 具有缓解发电与灌溉的用水矛盾和调节长距离输送的电力的作用。 抽水蓄能电站运行的作用与经济效益评价，在国外尤其是西方经济发达国家， 已有成熟经验和完整的体系。发达国家的抽水蓄能电站的经济效益是以电网的总体 安全性、经济性和运行可靠性核算，一般不以电站的实际发电量多少而定，电站的收 入主要取决于其运行使电网的成本下降所带来的效益大小。这是我们迸行抽水蓄能 电站水库优化运行研究时应借鉴的经验。 抽水蓄能电站机组是水力机组，在发电工况下，将水的位能转化为电能，与常 3 华中科技大学硕士学位论文 规水电站有着相同的特点。因此，常规水电站水库运行研究成果对抽水蓄能电站水 库运行研究有着重要的指导意义。 1 3 水库优化运行发展概况 水库调度是根据水库所承担水利水电任务的主次和规定及相应的运用原则，凭 借水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下，对水库的入库水量过程进行调节， 确保大坝及下游防洪安全，多发电能，提高综合利用效益的一种控制运用水库技术 【9 】【1 0 1 。如果缺乏科学的调度原则，使得水电站偏离正常的运行状态，水头与流量严 重损失，就会造成电能大量损失甚至破坏正常的供电。因此，开展水库调度研究， 提高水库控制运用水平，具有重要意义。 水库调度通常分为常规调度和优化调度两类。并且随着水库优化运行研究的深 入，在单一水库优化运行理论和方法研究的发展基础上，进一步转向水库群优化调 度的研究，并不断出现新的理论和新的方法。下面分别予以介绍。 1 3 1 常规调度和优化调度 常规调度以调度规则为依据，利用径流调节理论和水能计算方法来确定满足水 库既定任务的蓄泄过程。在5 0 年代以前，都采用常规调度图和主观经验来指导水库 运行。常规调度图是基于时历调度线的基础上绘制的，这种方法概念明确，绘制简 单，使用方便。但其有以下缺点： 由于从实测径流序列中选取的典型年( 代表序列) 很难具有足够完全的代表性， 因而从控制论的观点看，作为控制对象的径流，其数学描述与实际情况相差较远； 由于对径流的不同季内分配调度线采用包线法处理，未能与争取发电效益最大 的调度准则联系起来，因而不能确切体现运行经济性的要求； 由于在运行过程中可以不断的提供径流预报，在当时的入库径流确切已知的情 况下，面临的较短时期内径流是可以相当准确的预报，而其后较长时期的径流估计 有时在大致范围意义上亦有一定的参考价值。常规调度中这些信息未能用来参与制 定后续运行计划，因而与电站运行调度的实际情况不符，使制定的调度方案缺乏针 4 华中科技大学硕士学位论文 对性与灵活性。 优化调度则是一种建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，拟订其应满 足的约束条件，然后用最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方程组， 使目标函数取得极值的水库控制运用方式。它综合运用现代控制论、运筹学、决策 理论和系统工程等优化理论，采用以数学规划论为基础的动态规划或随机动态规划 法，通过择优计算编制出的水库优化运行方案。优化调度图把原来常规调度图只考 虑二维坐标( 时间、库水位) 的调度线，扩展为三维坐标( 时间、库水位、入库流 量) 的调度曲面，使水库调度决策的针对性、灵活性和实用性增强。优化调度方案 编制中综合考虑了水电站各种来水和水位，利用计算机比较了各种可供选择的决策 判别组合方案( 多达数万种) 并从中进行选择，得出优化调度图，克服了常规调度 法的重大缺陷，经济效益明显提高。 1 3 2 单一水库优化运行 国外早在上个世纪中期就出现了单一水库优化运行的概念1 1 1 】。1 9 4 6 年美国人 m a s e s 最早把优化概念引入单一水库调度，随后m o r a n 提出水库蓄水的概率模型， b e l l m a n 提出动态规划原理，并随着计算机技术的发展与应用，使水库优化运行问 题的研究取得了了进展。而1 9 6 0 年美国学者霍华特( r a h o w a r d ) 的著作“动 态规划与马尔柯夫过程”一书的问世，为水库优化运行的发展提供了理论基础。 我国从6 0 年代开始展开单一水库优化运行的研究与应用，在长期的研究工作中 取得了大量的成果，并不断应用于国家的生产建设中。1 9 6 3 年，谭维炎、黄守信等 根据动态规划与m a r k o v 过程理论，建立了一个长期调节水电站水库的优化调度模 型，并在狮子滩水电站的优化调度中得到应用。1 9 7 9 年，张勇传、熊斯毅等在建立 拓溪水电站水库优化运行模型时，用时空离散简单m a r k o v 过程描述径流过程，面 临时段入流则由短期预报提供，寻优方法采用可变方向探索法，绘制优化调度图时 引进了惩罚项，大大提高了调度图的可靠性。差不多同一时期，董子敖等人在研究 刘家峡水电站水库优化运行时，提出了国民经济效益最大的目标函数，在寻优技术 方面，采用了满足保证率要求的改变约束法，以控制破坏深度。 进入8 0 年代后，我国单一水库优化运行研究高速发展【1 2 j 1 1 们。1 9 8 3 年张勇传、 5 华中科技大学硕士学位论文 傅昭阳等人提出了建立在对策论基础上的水库优化运行方案。同年，鲁子林等应用 增量动态规划，并结合短期洪水预报模型，实施了富春江水电站的优化调度，获得 了平均每年增发电能2 4 7 0 万k w h 的效益。1 9 8 6 年，李寿声、彭世彰等结合一些 地区水库调度实际问题，拟订了一个非线性规划模型和多维动态规划模型，用于解 决满足多种水源分配的水库最优引水量问题。同年，王厥谋等为对汉江中、干游洪 水进行最优控制，建立了丹江口水库防洪优化调度模型，目标函数为各种控制且标 的罚函数之和，最优策略的求解方法采用线性规划法。1 9 8 6 年，张王新、冯尚友建 议了一个多维决策的多目标动态规划模型，以多目标中某一目标为基本目标，而将 其它非基本目标作为状态变量处理，求解方法仍基于一般的动态规划原理。该法实 质上是单目标动态规划法在多目标问题中的应用，因此，随着维数的增加，计算工 作量必增加较多。为克服这问题，张玉新、冯尚友又于1 9 8 8 年提出了一个称之为多 目标动态规划迭代法的求解方法，该法的核心是构造一个三级段函数，计算效率有 所提高。在研究以发电量和淤沙量为目标的水沙联合优化调度中，用该法求出非劣 解集后再应用均衡规划法选出满意的调度方案。 上述国内外单一水库优化运行的研究和应用，把入库水量过程或者视作确定性 的，或者视作随机性的【1 8 卜【2 们，但事实上水文气象现象还具有一定的模糊性。在 1 9 6 5 年美国控制论专家z a d e h 创建了不确定数学新分支模糊数学后，1 9 7 0 年 b e l l m a n 和z a d e h 又共同提出了融经典动态规划技术与模糊集合论于一体的模糊动 态规划法，为水库优化运行开辟了一条新途径。1 9 8 4 年，张勇传、邴风山等把模糊 等价聚类、模糊映射和模糊决策等引入水库优化运行的研究。1 9 8 8 年，陈守煜提出 多目标、多阶段模糊优选模型的基本原理和解法，把动态规划和模糊优选有机结合 起来。同年，陈守煜、赵瑛琪提出了系统层次分析模糊优选模型，这些研究成果为 水库模糊优化调度的深入研究奠定了理论基础。 1 3 3 水库群优化调度发展概况 随着现代系统工程理论和其他学科的发展，从7 0 年代开始人们将研究重点转移 到水电站水库群的优化调度上。水库群优化调度以单一水库优化运行的理论和方法 为基础不断发展，出现了许多新的方法【2 1 卜【2 5 1 。 华中科技大学硕士学位论文 我国对水库群优化调度的研究开始于8 0 年代初1 2 6 】【2 8 l 。1 9 8 1 年，张勇传利用大 系统分解协调的观点，对两并联水电站水库的联合优化调度问题进行了研究，先把 两库联合问题变成两个水库的单库优化问题，然后在两水库单库最优策略的基础上 引入偏优损失最小作为目标函数，对单库最优策略进行协调，以求得总体最优。1 9 8 2 年，熊斯毅、邴风山根据系统分析思想，提出了水库群优化调度的偏离损失系数法。 该法采用m a r k o v 模型描述径流过程，偏离损失系数是通过逐时段求解最优递推方 程求得的，因此能反映面临时段效益和余留期影响，不仅形式简单，使用方便，而 且理论上比较完善，该法在湖南柘溪风滩水电站水库群的最优调度中得到了应 用。1 9 8 2 年，叶秉如等提出了并联水电站水库群年最优调度的动态解析法，该法以 古典优化法为基础，结合递推增优计算，在闽北水电站水库群优化调度的模拟计算 中该法可增加发电量6 6 。1 9 8 3 年，鲁子林将网络分析中最小费用算法，用于水 电站水库群的优化调度。1 9 8 6 年，董子敖等提出了计入径流时空相关关系的多目标 多层次优化法，克服了“维数灾”障碍。1 9 8 8 年，叶秉如等提出了一种空间分解算 法，应用于研究红水河梯级水电站水库群的优化调度问题。同年，胡振鹏、冯尚友 提出了动态大系统多目标递阶分析的分解一聚合方法，解决了跨流域供水水库群联 合运行中多库、多目标、多层次、调节周期长和计算时段多等复杂情况，在丹江口 水库防洪与兴利的优化调度中得到了应用。 模糊优化调度理论的发展历史虽然不长，但在水电站水库群的优化调度中也得 到了应用。1 9 9 4 年，王本德等提出了梯级水库群防洪系统多目标洪水调度的模糊优 选模型，该模型分别应用于丰满白山梯级防洪系统和清河一南城子柴河 串并联水库群防洪系统的优化调度中。 1 3 4 抽水蓄能电站水库优化运行 迄今为止，水库优化运行的研究取得了丰硕的成果，但在现有的水库优化运行 研究中并不存在对所有水资源系统都通用的理论、方法和数学模型。对不同的水库 系统，应根据水库系统的特点，可用的数据( 多年水文资料、水库参数等) 以及目 标函数和约束条件选取适当的理论、数学模型和计算方法。 抽水蓄能电站水库优化运行可以借鉴常规水电站水库优化运行的某些研究成 华中科技大学硕士学位论文 果，如径流描述方法和优选计算方法，但它也有自身的特点。 1 、抽水蓄能电站作为电力系统的重要调节手段，只有在满足电网调节要求的前 提下，才能考虑电站自身的利益。 2 、抽水蓄能电站的水库优化运行与常规水电站水库优化运行相比，要考虑其特 有的工况转换特性。 3 、抽水蓄能电站水库优化运行不仅要考虑自身的水库调节，而且还要根据实际 情况考虑到下游流量特性。但和常规水库群调度相比又有所不同。 1 4 主要研究内容 本文针对省级电网中某抽水蓄能电站的水库运行的现状，经过反复调研，在分 析常规水电站水库优化运行研究的理论和方法的基础上，根据此抽水蓄能电站自身 的特点，建立其水库优化运行数学模型，通过选择合理的径流描述方法并应用变向 探索法进行寻优计算，求解抽水蓄能电站水库优化运行方案。同时在d e l p h i 软件开 发环境下，设计开发w i n d o w s 应用环境下的抽水蓄能电站水库优化运行软件，并将 优化计算方案与抽水蓄能电站水库实际运行情况进行对比，验证优化计算方案的实 际效果。 8 华中科技大学硕士学位论文 2 抽水蕾能电站水库优化运行数学模型的建立 在抽水蓄能电站水库优化运行研究中，建立合理的数学模型是至关重要的。在 满足电网调度要求的前提下，抽水蓄能电站水库优化运行数学模型的建立必须考虑 其水库系统的具体特点。下面根据所研究的抽水蓄能电站的具体情况建立其水库优 化运行数学模型。并在分析水库优化运行的基础上，推导了最优调度图，进而给出 了优选计算方法。 2 1 所研究的抽水蓄能电站概况 在建立水库优化运行数学模型之前首先分析本文所研究的抽水蓄能电站的具体 特点。该抽水蓄能电站所在流域的流域面积约4 3 7 b n 2 ，全长约6 0 6 b n ，其上水库 为已建成的某梯级电站的一级水库，一级电站在抽水蓄能电站建成投产后已基本停 止运行，下水库为其二级水库，抽水蓄能电站与二级电站以及下游各级电站之间发 电用水的协调分配将通过对二级水库2 9 4 万朋3 日调节库容的调度来实现。抽水蓄能 电站与下游各级电站地理位置示意图，见图2 - i 。 围2 】抽水譬能电站与下游梯级电站地理位置示意图 根据所在省电力系统的特点与需求，抽水蓄能电站在电力系统中的般运行准 则为：调峰、填谷及承担系统旋转备用。基于这一运行准则，抽水蓄能电站主要的 具体运行方式口研叫列为：全年各月份的每个运行周期( 日) 内抽水蓄能电站的全部 容量主要用于系统调峰、填谷，仅在不进行调峰或填谷运行的时间内承担系统备用。 9 华中科技大学硕士学位论文 抽水蓄能电站工程特性见表2 - i 。 表2 - l 抽水蓄能电站工程特性表 序号项目单位数量备注 水文 ( 一) 上水库已建一级水库 1流域面积砌22 2 0 2多年平均年径流量万m 31 8 9 0 0 3 多年平均流量 m 3fs5 9 8 ( 二) 下水库已建二级水库 l流域面积 o n 22 6 0 含上水库坝址以上 2多年平均年径流量万m 32 4 4 9 5 3多年平均流量m 3 s7 7 5 水库 ( 一) 上水库已建一级水库 l水库水位 正常蓄水位 m2 9 6 0 0 死水位 ，” 2 8 6 0 0 防洪限制水位 ，竹2 9 6 o o 2水库面积 o n 2 6 7 3 正常蓄水位下 3水库容积 正常蓄水位下库容万m 3 1 0 8 7 0 死水位下库容万册3 5 4 7 9 4调节特性 年调节 下水库一律一奶水廑 l水库水位 正常蓄水位 j 竹2 4 8 0 0 死水位 聊2 4 4 o o 防洪限制水位m2 4 8 ，0 0 2水库面积o n 2 o 8 2 正常蓄水位下 1 0 华中科技大学硕士学位论文 3水库容积 正常蓄水位下库容万m 3 1 0 5 5 死水位下库容万m 3 2 9 1 有效库容万m 3 2 9 4 4调节特性日调节 动能指标 1装机容量删3 5 2 包括利用天然来水 2日抽水用电量万k w h4 3 8 2 发电 3日发电量万k w h3 4 2 6 4日抽水小时h6 o 5日发电小时h5 0 6年抽水用电量万k w h1 5 9 9 6 7年发电量 万k j h1 2 5 0 6 8年抽水利用小时h2 1 8 8 9年发电利用小时厅 1 8 2 0 1 0 综合效率0 6 9 四水泵水轮机 1台数 厶 2 2 水轮机额定出力m w3 6 1 5 3 水泵最大入力删3 6 5 5 4 额定转速r r a i n1 2 5 5 水轮机净水头( 最大，最小) m 5 2 ，3 8 6 水轮机额定水头m4 3 7 每台机组过流能力脚3 j9 4 5 l 8 水泵净扬程( 最大，最小) m l 5 4 饵2 正常情况下，二级电站及下游各级电站按保证出力安排发电。此条件下上水库通 过抽水蓄能电站发电下泄至二级水库的日水量中，需约2 6 万m 3 日水量用于二级电站 的发电( 可满发4 h ) 。 二级电站的一般发电运行方式如下：抽水蓄能电站抽水运行时，二级电站一般 一一_ 1 1 华中科技大学硕士学位论文 不安排发电运行；在抽水蓄能电站抽水运行结束后与抽水蓄能电站发电运行开始之 前的一段时间，二级电站可根据区间来水情况适当安排发电计划，利用部分区间来 水量，使二级水库在抽水蓄能电站发电运行时有足够的库容调蓄抽水蓄能电站的下 泄水量而不致发生弃水；二级电站的主要发电时间与抽水蓄能电站的发电运行时间 基本保持一致，以增加二级电站的发电水头，提高二级电站的发电效益；在抽水蓄 能电站发电结束后至抽水运行的一段时间内，二级电站一般不安排发电，尽量使二 级水库维持在高水位，以满足抽水水量，有利于抽水蓄能电站的抽水运行。 上水库2 8 6 o o m 2 9 0 0 0 m 2 9 6 o o m 之间的调节库容，主要用于梯级电站的 发电，没有其他方面的用水要求和任务。到目前为止，主要以满足梯级发电补偿要 求为总原则，按照研究确定的水库调度图来安排上水库调节库容运用计划。 2 2 关于抽水蓄能电站水库优化运行研究的说明 关于抽水蓄能电站水库优化运行的研究，是水库优化运行研究中的一个新课题， 在国内，本文作者尚未查阅到相关文献资料。 抽水蓄能电站机组是水力机组，具有与常规水电站相同的特性，发电过程都是 将水的位能通过水轮机转化为机械能，然后通过发电机将机械能转化为电能的过程。 本文所研究的抽水蓄能电站同样由天然径流来满足发电的用水需求。因此，在抽水 蓄能电站水库优化运行研究中，可借鉴常规水电站水库优化运行研究的理论和方法。 在电力系统中，抽水蓄能电站主要起着调峰填谷的调节作用，因此，与常规水 电站水库优化运行不同的是，没有保证出力的约束，抽水蓄能电站出力和入力约束 由电力系统功率平衡这一条件所决定。 本文所研究的抽水蓄能电站具有日调节能力。正常情况下，在每天的负荷低谷 时段安排抽水蓄能电站抽水，在每天的负荷高峰时段安排抽水蓄能电站发电。 相对一级水库的有效库容而言，二级水库的有效库容很小，将二级水库的有效 库容抽到上库，一级水库水位仅升高o 7 m 左右。正常运行情况下二级水库日调节 库容运用过程如下：在抽水蓄能电站抽水运行结束后二级水库水位下降至死水位 2 4 4 o o m 附近：在抽水蓄能电站抽水运行结束后与抽水蓄能电站发电运行开始之前 1 2 华中科技大学硕士学位论文 的一段时间内，二级水库的水位在死水位2 4 4 o m 附近，入库水量仅有区间来水量； 在抽水蓄能电站发电结束后二级水位升至正常蓄水位2 4 8 o o m 附近；在抽水蓄能电 站发电结束后至开始抽水运行的一段时间内，二级水库一般维持在正常蓄水位 2 4 8 0 0 m 左右。 由上述可知，当抽水蓄能电站发电运行时二级水库水位由2 4 4 m 左右变化到 2 4 8 m 左右结束，抽水运行时二级水库水位由2 4 8 m 左右变化到2 4 4 m 左右结束，因 此，本文所研究的抽水蓄能电站水库优化运行问题可归结为单库优化调度问题，仅 寻求上水库( 即一级水库) 的最优调度方案。 抽水蓄能电站在电力系统中调峰填谷的调节作用及其下游特性决定了其水库优 化运行问题有其自身的特殊性。抽水蓄能电站的发电抽水运行是由电力系统调度部 门同一调度的，因此为了满足电力系统调度要求且充分发挥一级水库的龙头作用， 在本文研究中，选择二级电站发电下泄水量作为控制量，寻求一级水库的最优调度 方案。 本文所研究的抽水蓄能电站下游有梯级电站，抽水蓄能电站的运行在满足电力 系统调峰填谷的前提下，同时要考虑下游梯级电站的发电要求，因此，在本文研究 中，考虑了下游梯级电站发电流量的约束。 在本文的抽水蓄能电站水库优化运行研究中，根据所研究的抽水蓄能电站的系 统调度要求，同时考虑其下游特性，建立抽水蓄能电站水库优化运行的数学模型。 通过分析常规水电站水库优化运行研究中采用的径流描述方法和常规水电站单库优 化调度研究中采用的优选计算方法，结合所研究的抽水蓄能电站的原始资料的整理 结果，选择合理的径流描述方法和优选计算方法，寻求一级水库的优化调度方案。 2 3 抽水蓄能电站水库优化运行数学模型的建立 本文所研究的抽水蓄能电站的装机容量在所在省电力系统中所占的比重很小， 主要承担“调峰填谷”的作用，具有日调节能力。由于抽水蓄能电站上水库具有年 调节能力，且下水库为下游二级电站水库，因此在满足电力系统“调峰填谷调度 要求的前提下，考虑径流预报，同时考虑机组的安全性和经济性，以满足梯级发电 1 3 华中科技大学硕士学位论文 补偿为总原则，将二级电站发电下泄水量作为控制量，确定抽水蓄能电站在总的调 度周期( 一年) 内总收益最大为优化调度准则鲫【3 6 】，目标函数的表达式为： m a x v = ( c 1 e 1 - c 2 。e 2 ) ( 2 - 1 ) n l 式中：c 1 表示时段n 抽水蓄能电站发出电力的电价；c 2 。表示时段n 抽水蓄能 电站抽水消耗电力的电价；e 1 。表示时段月抽水蓄能电站的发电量；e 2 。表示时段n 抽水蓄能电站抽水消耗的电量；为总的调度周期( 一年) 内所包含的时段数。 约束条件： ( 1 ) 出力约束 1 。i 。s 1 | 。，n = 1 , 2 ，n( 2 - 2 ) ( 2 ) 入力约束 n 2 。i 。n 2 n 2 。一，n = 1 ，2 ，n ( 2 - 3 ) ( 3 ) 上水库和下水库库容或水位约束 v i 。，m i 。sv 1 。sv i ，m “或z l 。i t i j 。sz i z 1 。吣，万= 1 , 2 ，n ( 2 - 4 ) v 2 。，m i 。v 2 。s v 2 。，。吡或z 2 m i 。z 2 。z 2 。，n = l ，2 ，n( 2 - 5 ) ( 4 ) 上水库下泄流量和抽水蓄能电站发电流量约束 9 1 ，蝴。q l 。9 1 。， 再= l ，2 ，n ( 2 - 6 ) q 1 。i 。q d l sq o l 。，n = 1 ，2 ，n ( 2 7 ) ( 5 ) 下水库下泄流量和二级电站发电流量约束 q 2 ，“。sq 2 。s9 2 ，。， r l = 1 , 2 ， ( 2 8 ) q 2 m r a i ns q 0 2 。g d 2 一， = 1 , 2 ，n ( 2 - 9 ) ( 6 ) 弃水流量约束 矧。= r q 。d lq n l , 驯 q d l 。= 删，2 ， ( 2 - o ) 一 1 4 华中科技大学硕士学位论文 犯。= 严一q d 0 一q 2 2 ：荔：五， p g g 乙2 1。g d 2 。 “一一u 1 v ( 7 ) 水量平衡方程 q 2 a t = ( y l 。+ i - v 1 。) + ( 矿2 。+ l v 2 。) + ( q i 。+ q 2 。) a t n = 1 , 2 ，一，n ( 2 1 2 ) 其中n 1 。和n 2 。分别为抽水蓄能电站的在时段n 的平均出力和平均入力；f 。 为抽水蓄能电站的装机容量：l 。| n 、2 。；。和2 。一分别为抽水蓄能电站在时段 r 的最4 , , 4 4 力限制、最小入力限制和最大入力限制；v 1 。、v 2 、z 1 。和z 2 。分别为 抽水蓄能电站上水库和下水库在n 时段初的蓄水库容和蓄水位；z 1 。i n 、z 1 。一、 矿l 。i n 、矿l 。、z 2 。护z 2 。一、v 2 。i 。和矿2 。，一分别为抽水蓄能电站上水库和 下水库在n 时段初的最小、最大蓄水位和最小、最大蓄水库容；q l 。和9 2 。分别为 抽水蓄能电站上水库和下水库在时段，l 的平均下泄流量；q d 。和g d 2 。分别为抽水 蓄能电站和二级电站在第n 时段内的平均发电流量：q q l 。和钾2 。分别为抽水蓄能电 站上水库和下水库在时段n 的平均弃水流量；q l 删。、q 1 ，一、9 2 。i 。和9 2 。，m 。分别 为抽水蓄能电站上水库和下水库在时段，l 的最小和最大平均下泄流量；g d l 和 q d 2 。为抽水蓄能电站和二级电站的最大平均发电流量；q 1 。和q 2 。为抽水蓄能电 站在时段n 上水库天然来水的平均流量和下水库区间来水的平均流量；a t 。y 埘s t n 所包含的秒数：v 1 。和矿2 川为抽水蓄能电站上水库和下水库在n + 1 时段初( 即n 时 段末) 的蓄水库容。 2 4 水库优化运行的递推计算 把水库运行总的调度周期( 一年) 分为个时段，每一个时段作为一个阶段， 这样，水库运行便可以看做为一个多阶段的决策过程，可应用贝尔曼1 9 5 7 年提出的 1 5 华中科技大学硕士学位论文 最优化原理( 即动态规划原理) 【3 琊8 1 进行递推计算。 l 、状态。抽水蓄能电站运行状态有时段初水库水位( 把水库水位划分为有限状 态，1 ，2 ，z ，共z 种) 和面临时段的天然来水( 将每一时段的径流划分为有限的 状态，l ，2 ，m ，共m 种) 组成的向量表示，每一时段共m z 个状态。 2 、决策。每一时段初，为了决定该时段抽水蓄能电站的运行情况，需要根据当 时电站所处的运行状态决定时段末的水库水位，称之为决策。供作选择的水位共有z 个，这z 个水位组成决策集。 3 、状态转移。若n + 1 时段初电站处于状态i = ( f ，k ) ，当选择某一时段末水位决 策z ，则电站的运行状态将发生转移，转移到状态，= u d 的概率，称为状态转移 概率，可表示为只+ 。，且只。= 只。 4 、收益函数。由决策导致的伴随着电站运行状态由h + 1 时段初的状态，j 叫n 时 段初的状态，的转移，抽水蓄能电站经二级电站下泄水量所带来的发电收益g 。 5 、目标函数。随着水库状态的不断转移将产生一个收益序列，而作为m a r k o v 过程的径流决定了水库的状态转移，由此可知收益是随机变量，是受径流过程的概 率关系控制的，以在总的调度周期( 一年) 内抽水蓄能电站运行状态的转移过程中， 经二级电站下泄水量所带来的发电量总收益的期望值最大为目标。 为了确定最优调度方案，应用最优化原理可得出其递推方程如下： l + 。= m p ( g 。j + 只。，) n = o ，1 ，2 ，n - i 1 。 i 月= 0 w ，( 2 - 1 3 ) 式中，圪。为水库在n + l 时段初处于第f 种水位、第膏种来水的状态时，时段开+ 1 至 时段l 诸时段均采用最优决策时总收益的最大期望值；g 。* ，为水库在n + l 时段初 处于第f 种水位、第七种来水的状态，时段末为第，种水位时的时段收益；只。， ， 为月+ 1 时段末为第_ ，种水位时余留时期收益的期望值。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 把总的调度周期( 一年) 内逐时段递推计算优选的结果看做为以一年为单位整 个调度图的优选结果。当计算达到定年数时，计算结果将趋于稳定，即对同一年 初状态而言，经二级电站下泄水量所带来的发电量总收益期望值增加量为常数g ， 即g 为稳定状态下一年经二级电站下泄水量所带来的发电量总收益期望值。 2 5 优选计算方法 在水库优化运行方案的计算中，大量的计算工作是进行时段末水位的优选 1 3 9 】【枷，在本文研究中采用变向探索方法，下面给出变向探索方法的基本思路。 当7 - i - l 时段初水位和时段来水一定时， ( 1 ) 选取步长为e ，即分别计算出当时段末水位为第1 个、第l + e 个、 第z 个时的时段收益和时段，+ 1 至时段1 的总收益； ( 2 ) 选出其中收益最大的决策水位方案作为初选的最优决策水位。 ( 3 ) 比较初选的时段末最优水位与防洪限制水位的大小关系，并由此决定探索 方向。当初选的时段末最优水位小于防洪限制水位时，在初选水库时段末最优水位 附近作向上一步的水位变化探索，当初选水库时段末最优水位等于防洪限制水位时， 在初选的时段末最优水位附近作向下一步的水位变化探索。 ( 4 ) 探索方向确定后，时段末水位在初选的时段末最优水位的基础上向探索方 向前进一步，计算经二级电站下泄水量及其所带来的发电量，并进行水位、下泄水 量和发电量检查，如果超出了约束条件允许的范围，则要考虑是否要改变方向重新 探索，如果检查通过，即可进行收益计算。 ( 5 ) 将计算出的总收益与当时最优决策方案对比，如果比当时最优决策方案好， 则以新方案取代当时最优决策方案，继续重复进行计算。 ( 6 ) 如果新算出的总收益小于当时最优决策方案总收益，则要考虑是否要改变 方向重新探索。要改变方向则必须同时满足以下三个条件：原探索方向是向上的； 现最优决策水位大于最小限制水位；现最优决策水位和初定最优水位相同。否则， 结束优选计算，当前最优决策水位即为时段末最优决策水位。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 3 径流描述 3 1 引言 对于要研究的某抽水蓄能电站来说，它的水库来水是一个以年为周期的连续随 机过程q ( f ) 1 4 h 。它有两个基本特点：第一、由于事先无法精确地预报出水库的径流， 水库来水在固定时刻进行观察是一个随机变量：第二、对一个水库来水的具体实现， 它表现为随时间变化的函数。因此，如果我们观察的时间足够长，则在流量变化的 整个范围内，各种流量值全部能够出现，也就是说，这个径流过程是遍历的或者说 是各态历经的。 为了便于研究，同时考虑到该抽水蓄能电站水库调度计划本身是生产计划的一 部分，是以时段为单位安排的，因此，可把作为连续随机过程的径流在时间上离散 化，也就是把连续时间划分为若干个时段，每一个时段的入库流量由该时段入库流 量的平均值来表示。若时段编号为l ，2 ，n ，则相应的入库流量表示为： 9 ，幺，绋 其中时段编号是逆时序的。将所得到该抽水蓄能电站s 年这样的观测资料依时 间次序排列起来，则构成一组时间序列( 随机过程) ，这组时间序列可以视为径流随 机过程的一个具体实现。因此从有限的观测资料中总结出径流的规律，对于该抽水 蓄能电站的优化计算及调度规则的制定来说都是十分重要的。本文在讨论该抽水蓄 能电站的径流描述问题【4 2 】时，考虑了两种常见的模型独立随机过程和简单 m a r k o v 过程。 3 2 独立随机过程模型 对于上述该抽水蓄能电站入库流量所构成的离散随机过程 q ，n = 1 , 2 ，n ) ， 若满足条件 1 8 华中科技大学硕士学位论文 p ( q i 级。q 。) = p ( q ) ( 3 1 ) 则称随机过程q 为独立随机过程。 在水文学中，时段径流的概率分布，多采用r 簇分布曲线，更多用的是其中的p e a r s o n i i i 型分布。其密度函数为： 砸) ： 禹e 叫脚( 3 2 ) 【0 z 占 式中r 够) = r x p - t e - x d x 。 直接计算，可得其数学期望、方差及三阶中心矩为： 睨】= 鲁+ 万( 3 - 3 )口 d 【q 】= 研包研幺】j 22 参(3-4) 可见一e q 1 1 3 = 等( 3 - 5 )口。 当掌握该抽水蓄能电站一定数量( 如s 年) 的实际观测资料时，可根据数理统 计原理，采用矩法，估计出参数口、口和万。 西= 丢壹甜 ui - 1 = 击孝( 钟一酚2 ( 3 6 ) ( 3 7 ) 坞。_ l s - 3 , - i 吲“一药3 ( 3 8 ) 其中酬。表示第f 年该抽水蓄能电站实际观测资料在时段n 的径流值，则 盯2 鲁，= 等小西等 p ， 但所掌握