（水利水电工程专业论文）基于分时电价的水电站水库优化调度研究.pdf

摘要 摘要 随着电力市场的开放和分时电价制度的实施，水电站水库在电力系统中的作用日 益重要，以往对水电站水库优化调度单纯追求发电量最大的优化准则已经不能适应新 时期的发展要求。研究分时电价条件下水电站水库优化调度问题，对于充分利用水能 资源，提高发电厂的经济效益，具有重要的理论意义和实用价值。 本论文在总结以往相关领域研究成果的基础上，对分时电价理论进行了较深入的 探讨，把分时电价原理与确定性水库优化调度理论相结合，建立优化调度模型并求解。 为克月最确定性水库优化调度的缺陷，本文还研究了不同频率、起始水位、终止水位组 合的调度方案，使本论文研究的水库优化调度模型具有更强的实际操作性。论文的主 要内容包括： 1 综合分析我国水能资源开发现状，阐述开展基于分时电价的水电站水库优化 调度研究的必要性，并分析总结国内外水库优化调度研究的动态。 2 探讨了分时电价及水库优化调度的基本理论，并从实施需求侧管理( d s m ) 的根本目的出发，提出了合理可行的峰谷时段划分方法，在此基础上建立了分时电价 的数学模型。 3 分析了分时电价条件下水库优化调度的影响因素，把分时电价原理与确定性 水库优化调度理论相结合，建立常规的水电站水库优化调度模型和基于分时电价的水 电站水库优化调度模型，并对动态规划法在水库调度中的运用进行了较深入的研究， 给出了模型求解的流程图；最后，提出了水库优化调度的改进方案。 4 以马堵山水库为例，分别将常规水电站水库优化调度模型和分时电价条件下 水电站水库优化调度模型应用于水库发电调度中，采用动态规划前向递推方法对模型 进行求解，并对计算结果进行分析比较。最后，对马堵山水库进行不同频率、起始水 位、终止水位组合条件下优化调度，求解出可适用未来不同来水过程的情况。 5 对论文取得的主要成果进行总结，并指出今后开展进一步研究的方向。 关键词：水库优化调度；动态规划；目标函数；电力市场；分对电价 a b s t r a c t a b s 仃a c t a l o n g w i t h t h e t h e o p e n i n g o f p o w e r m a r k e t a n d t h e p r a c t i c e o f t i m e - v a r y i n g e l e e t r i c i t y p r i c e p o l i c y ，t h er o l e o f r e s e r v o i r si nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t ，o p t i m i z a t i o nc r i t e r i ao f m a x i m u m o f p o w e r o u t p u t i s n o t s o p r a c t i c a ln o w i n o r d e r t o f u l l y u t i l i z e w a t e rr e s o a f c , e 4 $ a n d p r o m o t e e c o n o m i c b e n e f i t s o f h y d r o e l e c t r i cp l a n t s ，i ti so f g r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a li m p o r t a n c et or e s e l l ho nr e s e r v o i ro p t i m a lo p e r a t i o n b a s e do l lt i m e - v a r y i n ge l e c t r i c i t yp r i c e b a s e do ns u m m a r i z i n gt h ee x i s t i n gs t u d yr e s u l t si nr e l a t e dd o m a i n ，d e e p l ya n a l y z i n gt h et h e o r i e so f t i m e - v a r y i n ge l e c t r i c i t yp r i c e i nt h i sp a p e r ，o p t i m i z a t i o nm o d e l s a l ee s t a b l i s h e da n dc a l c u l a t e do nt h eb a s i co f c o m b i n n i n gt h et h e o r i e so f t i m e - v a r y i n ge l e c t r i c i t yp r i c ea n dt h ed e t e r m i n i s t i co p t i m u mr e s e r v o i ro p e r a t i o n i n o r d e rt oo v e r 7 o m e 廿d e t e r m i n i s t i co p t i m u mr e s e r v o i ro p e r a t i o nl i m i t a t i o n , t h ep r o j e c t so f d i f f e r e u th y d m l o g y f r e q u e n c i e s 、y e a r - s t a r tl e v e l sa n dy e a r - e n dl e v e l sw e l lt a k e ni n t oa n a l y s i s ，m a k ei tm o l to p e r a t i o n a l 喇 c o n t e n ti sa sf o l l o w s ： f i r s t l y ，c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z i n gt h ee u r l i n ts i t u a t i o no f ，a t e rl l s o 嘲i no u rc o u n t r y ，w h i l et h e n o c e s s i t y o f l l s e a m h d i s p a t c h i n g o p t i m i z a t i o n o f r e s e r v o i r b a s e d o l l t i m e - v 甜y i n g e l e c t r i c i t y p r i c e i s p o i m o u t ，a n d r e s e a r c ht h el l l n di nt h er e s p e c to f d i s p a t c h i n go p t i m i z a a o no fr e s e r v o i ra th o m ea n da b r o a da l la n a l y z e dm a d s u n u n a r i z e d s e c o n d l y ，d i s c u s s i n gt h et h e o r i e so ft i m e - v a r y i n ge l e c t r i c i t yp r i c ea n dt h ed i s p a t c h i n go p t i m i z a t i o no f r e s e r v o i r ，w h i l e ，b a s e o n t h e m a i n p u r p o s e o f p r a c t i c i n g d s m ，ar e a s o n a b l e m e t h o d o f d i v i s i o n o f p e a k - v f l l e y t i m ep e r i o di sp u to u t ，a n dt h e nt h em o d e lo f t i m e - v a r y i n ge l e c t r i c i t yp r i c ei ss e tu p t h i r d l y ，r e s e a r c h i n g t h e f a c t o r o f t h e d i s p a t c h i n g o p t i m i z a t i o n o f r e s e r v o i r o n t i m e - v a r y i n g e l e e l f i c i t y 耐c e ， b a s eo nt h et h e o r i e s ，t h eg e n e t i cd i s p a 把h i n go p t i m i z a t i o no fr e s e r v o i rm o d e la n dt h em o d e lo fd i s l ) a 删崦 o p t i m i z a t i o no fr e s e r v o i rb a s e do nt i m e - v m y i n ge l e c t r i c i t y 州c ea r es e t 叩d e e p l ya n a l y z i n gt h ed y n a m i c p r o g r a m m i n gm 酣v q o di l s i n gi nt h ed i 邓同c | l i l 唱o p t i m i z a t i o no fr e s e r v o i r ，w h i l eap r o c 州u l lf l o wd a mo f m o d e l i n g i sp i 鹊e m e d ：f i n a l l y ，i m p m v e m a n t p r o g r a m s o f l l s e r v o i r d i s p a t c h i n g o p t i m i z a t i o n i s p u t o u t f o u r t h l y ，t a k i n g m a d u s h a nr e s e r v o i r a s a l l e x a m p l e ，u s e t h e t w o m o d e l s s t a r t o p e r a t i o n d i s p 砌l w h i c hi ss o l v e db y 心n gf o r w a r dr e c u r s i v em e l l l o do fd y n a m i cp r n g r a m m i n g , a n dt oa n a l y z ea n dc o m p a r e b e t w e e n d a e l l s u 虹o f t h e t w o m o d e l s a t l a s t ，t l l e p r o j e e t s o f d i f f e l i n t h y d r o l o g y f i , e q u a n d e s 、y m r - s t m - t l e v e l s a n d y e a r - e n d l e v e l s w e y e t a k e n i n t o a n a l y s i s t h er e s u l t s i s a d e q u a t e d f o r v a r i a t i o n o f c o m i n g f l o w f i n a l l y ，n 蛇m a j o ra c h i e v e m e n t s i n t h i sp a p e ra l es u m m e du p ，w h i l ep o i n t i n go u tt h e k e y w o r d s ：d i s p a t c h i n g o p t i m i z a t i o n o f r e s e r v o i r ；d y n a m i c a l p m g r a m m i i 唱；o b j e c t i v e f u n c t i o n ；p o w e r m a r k e t t t i m e - v a r y i n g e l e c t r i c i t yp r i c e “ 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：薯挫2 0 0 7 年月f 夕日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生 院办理。 论文作者( 签名) 一瓠一金警一2 0 0 7 忑月l 7 日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国水能资源开发现状 我国幅员辽阔，河流众多，河流水能蕴藏量非常丰富。据统计，河流总长度 达4 2 万多k m ；流域面积在l o o k m 2 以上的河流有5 0 0 0 0 余条，流域面积在1 0 0 0 k m 2 以上的河流有1 6 0 0 余条：水能资源蕴藏量为1 0 m w 以上的河流有3 0 0 0 余条f l 】。 据2 0 0 5 年1 1 月发布的全国永力资源复查成果，全国水力资源理论蕴藏为6 9 4 亿 k w ，年发电量为6 0 8 万亿k w h ；技术可开发装机容量5 4 2 亿k w ，年发电量2 4 7 万亿k w h i 2 1 。全国水力资源总量，包括理论蕴藏量、技术可开发年平均发电量和 经济可开发年平均发电量均居世界首位。另外，我国平原地区只占全国陆地总面 积的约1 6 ，其余8 4 的面积为山丘区，较适宜于发展水力发电工程f 3 】。 水能资源是无污染、可再生能源，在未来电力工业和社会经济可持续性发展 中具有重要优势，是未来电力工业的重要支柱。截至2 0 0 4 年底，我国水电总装机 容量达到1 0 5 亿k w ，占全国总装机容量的2 2 ，水电开发率仅为1 9 4 ，低于 世界平均水平( 2 2 ) ，远低于工业发达国家的开发水平( 5 0 1 0 0 ) 1 2 】，所以 我国的水电开发潜力巨大，前景广阔。随着国家经济建设的快速稳步增长和人民 生活水平的不断提高，人们的环境保护意识和可持续发展观念也日益增强，对电 力的需求也越来越大。这意味着未来一些年内，中国水电能源建设仍将保持高速 发展，优先发展水电己成为全社会的广泛共识。无论是从资源亟待开发的角度， 还是从电力市场前景的角度来看，水电发展任重道远、大有可为。 1 1 2 分时电价条件下水电站水库优化调度的妊要性 水库优化调度是项应用价值较高的实用技术，水电站的优化运行能充分利 用水能，挖掘水库的潜力，增加发电。根据国内外水库优化调度研究与实践经验， 开展水库长期优化调度对调节性能较好的水库，可提高水电站水库年发电量 5 哆“1 0 。通过开展水库优化调度，我国水电站年增发电量的价值将逾百亿元f 4 l 。 这将大大缓解我国目前用电的紧张局面，有力的支援国家的经济建设。随着我国 水电事业的发展，投入运行的水电站日益增多，特别是大中型流域梯级开发的增 基于分时电价的水电站水库优化调度研究 多，水电站水库优化调度技术己成为水利部门为实现水资源的综合利用，节约水 电能源的重要方法。 目前，我国经济正在高速增长，缺电现象非常严重，电力不足成为制约我国 国民经济发展的一个重要因素。随着社会经济的发展，生产规模的不断扩大，人 民生活水平的日益提高，工业、农业、居民和各种行业对电的需求只益增加，而 电力的供求发展速度还跟不上这些需求。这样，电力的供应和需求之问的矛盾就 日益突出，电力紧张已经成为限制和制约国民经济发展和改善人民生活水平的瓶 颈。分析当前面临的供需形势，发现现阶段出现的电力供不应求与以前的缺电局 面有本质不同，以前是电力电量都缺，而目前各地出现的缺电主要集中在用屯高 峰时段，普遍出现最大负荷增长速度大于电力增长速度，电网峰谷差拉大，负荷 率下降。但同时也应该看到，虽然在宏观上电力十分紧张，但在微观上仍有潜力 可挖。现在，一方面在用电高峰期电力部门依靠行政手段拉闸限电，以保证电力 系统的安全运行；另一方面在用电低谷时段仍有大批电能过剩。由于电力生产的 产、供、销同时进行，无法大规模廉价存贮的特点以及发电系统本身的技术原因， 低谷发电能力的过剩给电力系统正常运行造成一系列问题，而且造成水电比重较 大的电网常常在丰水期的低谷时段大量弃水【5 】f6 1 7 1 。 随着电力系统建设步伐的加快，我国电力工业正在形成投资、产权、利益主 体多元化的格局。如何建立高效的电力市场机制，优化网内资源分配，降低电网 运行成本，保证电力系统经济可靠性，提高水电站水库调度自动化程度，是各水 电厂、网局乃至国家电力公司普遍关注和亟待解决的重大课题。同时，随着经济 的发展，人们对电的依赖性越来越强，而现有的电价制度已经不适应市场经济的 发展。电力市场的改革促进了电价的改革，不少省网已经实施和即将推行分时上 网电价政策，实行丰枯、峰谷上网电价。可以预见，在市场运行机制下，有关水 电站厂内经济运行、水电站优化调度等不增加硬件投资就能产生效益的管理技术， 将有可能获得真正广泛的应用【8 】【9 】。 综上所述，开展水库优化调度技术研究，运用优化理论对水电生产作出科学 指导，可以增加电站发电效益，提高电站运行水平，改善电网安全，几乎在不增 加任何额外投资的条件下，便可获得显著的经济效益；同时有利于促进电力资源 的优化配置，有助于缓解系统峰荷电量紧张的压力。水电大发展使水库优化调度 的效益可观，技术进步使水电站优化调度技术可行，而电力市场改革要求水库优 2 第一章绪论 化调度从理论走向实用。过去经常使用的水库发电调度方法是以发电量最大为目 标，但电力市场下，随着发电侧电力市场的开放，以发电量最大为准则的情况己 不能适应水电站水库优化调度的要求，特别是在目前电力市场实行“厂网分开、 竞价上网”的背景下，研究制定水电站水库运行调度方案，也就显得具有更加重 要的现实意义。因此，本文以基于分时电价的水电站水库优化调度为研究对象。 1 2 国内外研究现状 水库优化调度一直是研究的热门课题，由于其实用价值较高而倍受关注，它 的一般研究方法在上世纪4 0 年代首先由国外提出，5 0 年代中期创立了系统工程 并在水库优化调度中得到广泛应用。随着数学规划理论的日渐完善和计算机技术 的应用，水库优化调度的理论和方法更加丰富。 1 2 1 单库优化调度 水库的优化调度研究在国外已有很长的历史。美国人马斯( m a s s e ) 于1 9 4 6 年 最早将优化概念引入水库优化调度研究中【m l 。西方国家的专业文献一般认为1 9 5 5 年美国哈佛大学的水资源大纲标志着系统分析及优化模型在水资源规划及管 理中应用研究的开端【”1 。1 9 5 5 年，美国的李特尔( l i t t l e ) 采用马氏过程原理建 立水库调度随机动态规划模型是水库优化调度开创性的研究成果，从而标志着用 系统科学的方法研究水库优化调度的开始。1 9 6 0 年霍华特( h o w a r d ) “动态规划与 马尔柯夫过程”一书的发表为马氏决策规划模型奠定了基础【”】。上世纪7 0 年代以 后，国外陆续发表的研究成果表明单一水库优化调度的马氏决策规划模型已日趋 完善。 我国开展单一水库优化调度的研究与应用始于上世纪6 0 年代。1 9 6 0 年9 月 由当时的中国科学院和水科院联合编译出版了运筹学在水文水利计算中的应用 一书，1 9 6 3 年中国水科院水文所根据r a h o w a r d 的动态规划马尔柯夫过程理论， 建立了一个长期调节水库水电站优化调度的数学模型。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 1 4 l 。从上世纪7 0 年代末到8 0 年 代中期，单库优化调度的理论研究和实际应用取得了较大的进展。1 9 7 9 年，张勇 传、熊斯毅等在建立柘溪水电站水库优化调度模型时，用时空离散简单m a r k o v 基于分时屯价的水电站水库优化调度研究 过程描述径流过程，同时目标函数引进了惩罚项，因而提高了调度图的可靠性。 同一时期，董子敖等人在研究刘家峡水电站水库优化调度时，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1 1 5 】。1 9 8 2 年，施熙灿、林翔岳等在研究枫树坝水电站优化调度时， 提出了保证率约束下的m a r k o v 决策规划模型【1 6 i 。1 9 8 3 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，获得很好的 效益【1 7 1 。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 i 引。同年，张玉新、冯尚友建立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。为了解决“维数灾”的问题，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，计算效率 有了很大的提高。 上述单一水库优化调度的研究和应用，是把入库水量过程视为确定性的，或 者视为随机性的，但事实上水文气象现象还具有一定的模糊性。如1 9 7 0 年b e l l m a n 和z a d e h 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，为水库优化调度开辟了一条新途径。在我国，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调度研究之中【1 1 1 。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 2 2 水库群优化调度 随着水资源和水电能源的不断开发利用，水库群已成为最常见的水利水电系 统。水库群一般有串联、并联和混联三种排列形式。水库群优化调度虽以单一水 库优化调度的理论和方法为基础，但也不断有新的方法出现。 国外关于水库群优化调度的研究大约在上世纪6 0 年代末起步。r o e f s 和b o d i n 于1 9 7 0 年把基本水库调度扩展到多库。d a v i s ( 1 9 7 0 ) 、t r o t t 和y e h ( 1 9 7 2 ) 分别 使用了动态规划逐次逼近法( d p s a ) 进行了库群优化调度研究。1 9 7 5 年c h o w 应 用离散微分动态规划( d d d p ) 研究了4 库联调问题，同年加拿大学者h r h o w s o n 和n g s a n c h o 提出逐步优化法用于求解多状态动态规划问题【1 9 1 。t u r g e o n 在1 9 8 0 年 用逐步聚合分解方法进行了6 个水电站组成的水库群的短期优化调度研究，计 4 第一章绪论 算中通过多次聚合将多维状态变量优化问题逐步转化为多个两维状态变量问题处 理，t u r g e o n 还分别提出了并联和串联水库的聚合计算方法【2 们。e a s t 和h a l i 在1 9 9 4 年将遗传算法应用于四库联调问题。1 9 9 7 年，r o d r i g oo l i v e i r a 将遗传算法应用于 水库群优化调度系统，取得了良好效果，在水资源系统优化调度中提供了一种新 解法。1 9 9 8 年，r o b i nw a r d l a w 和m o h ds h a r i f 研究了几种形式的遗传算法在水库调 度中的应用1 2 j 】。 我国关于水库群的优化调度则开始于上世纪8 0 年代初。当时谭维炎、刘健 民等人在研究四川水电站水库群优化调度图和计算方法时，提出了考虑保证率约 束的优化调度图的递推计算方法。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2 2 1 。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。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【2 3 1 。随着国民经济 的发展，许多地区和单位相应开展了水电站水库群补偿调节的研究，如“刘、盐、 八、青梯级水电站水库优化调度”、“枫树坝水电站水库优化调度”、“上犹江水电 站水库优化调度”、“丹江口水库综合利用优化调度”等。 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 得到了许多应用。如1 9 9 4 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 2 4 1 。 近年来，随着现代优化算法的兴起和现代优化算法在一些优化问题的成功运 用，许多学者也尝试将现代优化算法运用于水库优化调度问题。现代优化算法有 模拟退火、遗传算法、神经网络算法、蚁群算法等。随着研究的继续深入，对策 论、存贮论、灰色理论等方法在水库调度中也得到了应用，丰富了水库优化理论。 为适应实际需要，多种优化方法的组合模型也得到了较快的发展，并逐渐成为一 种主流方向。 综上所述，从国内外水电站水库优化调度的发展过程可以看出，国内外对于 水库优化调度问题的研究和实践取得了很大的成绩。研究范围从单一水电站到梯 级和跨流域水电站群，径流描述从确定性到随机性，各种优化理论和优化调度模 型也在不断发展中，形成了一些较为成熟的方法，在生产中也得到了一定的应用。 但是上述的水库优化调度研究主要集中在水库的水文气象和优化算法上，优化调 度的目标主要是“发电量最大”、“无益弃水量最小”、“单耗最小”、“国民经济收 基于分时电价的水电站水库优化调度研究 入最大”等，对于分时电价条件下水电站水库优化调度的研究还是最近2 0 年来才 逐渐兴起的。如在1 9 9 7 年，万永华在容量费用和电量费用合理分担的基础上，提 出了水电厂峰谷分时电价和丰枯分季电价的计算模型，通过实例演算和成果分析， 验证了该模型电价计算方法的可行性与正确性，为调峰水电厂制定分季、峰谷上 网电价提供了理论基础和实用方法【2 。1 9 9 9 年张玉惠和冯权龙提出了丰枯分时电 价条件下水电站水库长期优化调度的数学模型，并对宝珠寺水电站进行优化调度， 取得了明显的效益【2 6 1 。2 0 0 2 年马光文等提出了考虑丰枯，峰谷分时电价因子的多 用途水库水电站优化调度模型，并采用遗传算法求解，通过对四i l 省紫坪铺水库 的运用研究表明，分时电价条件下水电站水库优化调度模型可使电站可靠出力提 高，能够达到水资源合理利用，并能较好地协调发电与供水的矛盾【9 】。 总体上看，由于水电站水库系统的复杂性、多样性和综合性，仍需要根据实 际情况进行相应的研究。随着水库优化调度理论的不断发展和完善，电力市场改 革的深入发展，充分利用现有的理论和方法，对分时电价条件下的水电站水库优 化调度研究将是一种必然趋势。 水电站水库优化调度按水电站分布形式可分为单一水库优化调度、跨流域水 库群联合优化调度和梯级水电站群优化调度2 7 1 ：按调节周期的长短划分为日调节、 周调节、年调节和多年调节；按径流描述上划分为确定性和随机性；按采用的优 化方法划分为线性规划法、非线性规划法、动态规划法、网络分析法、大系统理 论法、遗传算法、神经网络法、蚁群算法等【2 8 】口鲥 3 0 l 。 近几年来，对策论、存贮论、灰色理论等方法在水库调度中也得到了应用， 丰富了水库优化理论。为适应实际需要，多种优化方法的组合模型也得到了较快 的发展，并逐渐成为一种主流方向。 1 3 本论文的主要研究内容 本论文在总结以往相关领域研究成果的基础上，从理论与应用相结合出发， 把分时电价原理与确定性水库优化调度理论相结合，建立分时电价条件下水电站 水库优化调度模型并求解。为克服确定性水库优化调度的缺陷，本文还研究了不 同频率、起始水位、终止水位组合的调度方案，使水库优化调度模型具有更强的 实际操作性，为调度人员做出科学决策提供依据。论文的主要内容包括： ( 1 ) 综合分析我国水能资源开发现状，阐述开展基于分时电价的水电站水 6 第一章绪论 库优化调度研究的必要性，并分析总结了国内外水库优化调度研究的动态。 ( 2 ) 探讨了分时电价及水库优化调度的基本理论，并从实施需求侧管理的 根本目的出发，提出了合理可行的峰谷时段划分方法，在此基础上建立了分时电 价的数学模型。 ( 3 ) 分析了分时电价条件下水库优化调度的影响因素，建立了常规的水电 站水库优化调度模型和基于分时电价条件下的水电站水库优化调度模型，并对动 态规划法在水库调度中的运用进行了较深入的研究，给出了模型求解的流程图； 最后，提出了水库优化调度的改进方案。 ( 4 ) 分别将常规水电站水库优化调度模型和分时电价条件下水电站水库优 化调度模型应用于马堵山水库发电调度中，采用动态规划前向递推方法对模型进 行求解，并对计算结果进行分析比较。对马堵山水库进行不同频率、起始水位、 终止水位组合条件下优化调度，求解出可适用未来不同来水过程的情况。 ( 5 ) 对论文取得的主要成果进行总结，并指出今后开展进一步研究的方向。 7 第二章分时电价及水库优化调度的基本理论 第二章分时电价及水库优化调度的基本理论 2 1 分时电价概述 影响用户每时刻用电量的因素有很多，一般来说，与此时刻的电价、天气情 况、生产状况、班制、经济政策、生活习惯等因素的关系比较密切。例如：夜间 休息时间，用电量很低，形成用电的低谷时段，此时电量充分剩余，即电能没有 被充分利用，而电能的不可贮存性表明此时多余的电能实际上是被浪费了；白天 上班时间，形成一个工业用电的高峰期；晚上大家都下班了，此时刻家用电器的 使用，又形成一个居民生活用电的高峰期，由于电能的不可贮存和瞬时平衡，决 定了此时刻必须提供比一般时刻多的电能，从而导致生产成本的增加。高温天气 如每年的夏季大家都开空调降温，低温天气如每年的冬季都会使用取暖设备，也 会导致同样的问题。 影响用户每时刻用电量的因素虽然很多，但是我们可控制和可操作的因素并 不多。天气情况根本无法控制，要改变大家的生活习惯是不切实际的，对生产班 制、生产状况的调整所需的费用可能远远高于调整后节约的电能费用，经济政策 的实行要考虑社会的各个方面。然而，电价却是可操作的并且是可行的控制对象。 因此，可以考虑通过价格信号，促使用户自觉调整其每时刻的用电负荷。在谷负 荷时段，让电价低于正常的电价，使用户自觉增加电能消费；在峰负荷时段，让 电价高于正常的电价，促使用户自觉减少电能消费。 随着电力市场的不断发展，电价制定的各种理论与方法逐渐涌现，比较著名 的是由美国麻省理工学院以斯威普为首的6 位学者提出的实时电价理论，理论依 据是边际成本原理。目前，大多数电价计算方法都以此为依据进行衍生与发展的。 实时电价是一个理想化的在空间展开的瞬时动态电价，它要求几乎瞬时( 5 1 0 m i n ) 在电网的各主要供电节点使电价与成本相匹配，包括系统事故情况。它更强调的 是电价的调节功能，以致于在它提出之初即与系统电压和频率的调节相联系。分 时电价一般更强调长期条件下电价与成本相匹配，以引导长期供求平衡，其事故 情况的影响用统计学方法计入，因而它更强调电价的维持和扩大电力的再生产的 功能。 当今世界包括中国在内的电力工业，需要有一个合理而又可行的定价方法， s 基于分时电价的水电站水库优化调度研究 也就是既要吸取实时电价理论与方法的科学性一面，又要考虑电力系统现实性的 一面，意在引向理想的实时电价的过程中，寻求科学性与可行性的一个较好的折 衷与统计，分时电价就是此方法实施手段之一，不同时段有着不同的电价，从而 促使用户自觉的调整各个时段的用电负荷。 分时电价是电力行业实施需求侧管理，为鼓励用户改变用电方式，避峰用电， 以达到削峰填谷、提高电力系统的负荷率和运行稳定而采取的经济手段。它提供 了一个在现行条件下比较合理的电价制度，它是电力公司根据电网负荷特性确定 峰谷时段，在用电高峰和低谷时期实行不同电价的电价制度。在高峰期提高电价 而在低谷时降低电价，从而刺激用户采取相应的措施，做出恰当的反应从而实现 移峰填谷的目的，缓解峰期用电紧张局面，发挥价格杠杆作用，提高电能的社会 效益。作为一种有效的需求侧管理手段，分时电价在国外得到了广泛的应用，在 国内，也有不少地方实行过分时电价。1 9 8 6 年我国华中电网在装机容量严重不足、 调峰调频能力极差的倩况下，对工业大户推行峰谷分时电价。目前，我国多数电 网实行了峰谷电价，并正在完善和推行峰谷分时电价【3 1 1 【3 2 1 。 峰谷分时电价制从经济学角度来讲符合边际成本价格形成理论，有利于实现 资源的合理配置，是实时电价的一种初级模式。理论上讲，实时电价最可能实现 社会效益最大化，但就目前来看，我国还不具备实行实时电价的条件。因此，首 先执行分时电价。为此，国家发展和改革委员会发出通知，决定全面推行峰谷分 时电价、丰枯电价、避峰电价等一系列电价制度，希望利用价格杠杆，促进用户 合理用电，缓解电力供需矛盾。 2 2 分时电价的制定 电能是一种商品，有着一般商品的共性。从微观经济学角度分析，其市场价 格同样受“看不见的手”的制约；同时，电能又是一种特殊的商品，其不可存储 性引起的电能供需的瞬时平衡以及电力工业生产的特点，导致高峰时刻的电能生 产成本高于一般时刻的生产成本，而低谷时刻的生产成本又受诸多因素的限制。 因此，应适当减少高峰时刻的用电量，增加低谷时刻的用电量，即“削峰填谷”， 也就是需求侧管理实施的目标之一【3 射。 影响用户每时刻用电量的因素很多，一般来说，与此时刻的电价、天气情况、 生产状况、班制、经济政策等因素的关系比较密切。但是，从实际可操作性和d s m 9 第二章分时电价及水库优化调度的基本理论 的角度出发，电价是较好的控制对象。d s m 实施的目的之一就是通过价格信号， 促进用户自觉调整其每一时刻的用电负荷。分时电价的主要基础之一就是适当的 划分峰谷时段，因为只有适当的峰谷时段划分才能有相应的合理的分时电价，才 能起到较好的削峰填谷的效果。以前峰谷时段的划分是根据日负荷曲线的特点大 概估计得到的，缺乏科学的理论根据，因此其划分方法有着明显的不合理之处。 电价是电力市场最有效的经济调节杠杆，分时电价是电价改革中逐步试点与 推广的一种新型电价制度，是根据不同时段发供电成本不同而制定的电价1 3 4 i 。分 时电价的确定主要内容包括两个方面：一是峰谷时段的划分，二是相应的峰谷电 价的确定。峰谷对段划分的恰当、电价确定的合理，才能保证分时电价的顺利实 行，达到预期的目的。峰谷时段的划分必须和负荷曲线的实际情况相一致，否则 分时电价就失去其应有的意义，甚至有可能误导用户的用电方式p 5 】【3 6 1 。峰谷电价 的制定必须符合客观的生产规律，同时也要考虑由于实施分时电价而可能引起的 一些问题，主要表现在以下两个方面： ( 1 ) 实施分时电价，应保证电力系统在谷时段的电价大于或等于电力系统 在该时段的边际运行成本，即谷时段售电所得必须不小于发电成本。 ( 2 )实施分时电价必须保证大电网供售电量不会出现负增长。 耗能大户般都是积极响应分时电价的实施，转移负荷的积极性也很高，因 为，电费支出是一笔很大的开支。这些企业除了重薪组织生产外，有条件的都在 高峰时段用小发电机组顶峰发电。小发电机组在高峰时刻项峰发电，对大电网而 言尽管可以降低高峰时段用电负荷，提高负荷率，但是大电网的供售电量也减少 了。 如果实行分时电价后，每个企业都积极创造条件，在高峰时段用小发电机组 顶峰发电，那么大电网的低谷负荷不会增加而高峰负荷却会相对大幅度下降，电 网的供售电量将会出现负增长。在目前大电网电量富余的情况下，如果实行分时 电价出现了这种情况，是不能允许的，也是与实行分时电价的本意相悖的。 因此，为限制小发电机组顶峰发电，分时电价的高峰电价不宜高于小发电机 组发电的成本价。只有这样，企业才没有必要使用小发电机组发电，否则，就会 产生用小发电机组发电的动力。 此外，在峰谷时段划分时，还必须考虑现有的技术条件和实际情况，主要是 每个时段的间隔不宜过小。假如每个时段的时间间隔为半小时，则电表的生产成 1 0 基于分时电价的水电站水库优化调度研究 本会增加，同时用户对半小时的时间间隔也不会太敏感，从而使分时电价失去其 应有的意义，甚至有可能会对分时电价的实施带来一些意想不到的障碍。 2 2 1 分时电价时段的划分 峰谷时段划分没有什么确切的数学含义，一般的数学方法无法适用，这里针 对日负荷曲线( 如图2 1 ) 的特点来进行分析。 2 4 时间 图2 - 1 典型目负荷曲线 图中a 点和c 点分别为负荷曲线上的最低谷点和最高峰点，b 点为双峰的另一 峰。可以看出，白天的用电量远远高于夜间的用电量；白天的上午、下午各出现 一次用电高峰，上午时间稍短，下午时间稍长；相应的用电低谷一般出现在夜间， 并且持续时间较长，因此日负荷曲线表现为典型的双峰性。在a 、b 、c 这3 个特 征点附近的点具有和它们相似的可能性的性质：a 点周围处于谷时段的可能性很 大，而处于峰时段的可能性很小；b 、c 点周围处于峰时段的可能性很大，而处于 谷时段的可能性很小。这显然是模糊数学中有关可能性的问题，即某点有多大的 可能性属于某个时段。因此，考虑引入模糊数学的概念来解决此问题。 2 2 2 峰谷时段的确定办法 2 2 2 1 模糊数学的应用 模糊数学【3 7 1 是使用数学方法研究和处理具有“模糊性”现象的数学。这里所 谓的模糊性，主要是指客观事物差异的中间过渡中的“不分明性”。因此，对模糊 性的描述是模糊数学解决问题的基础，而隶属函数则是描述模糊性的关键。 第二章分时电价及水库优化调度的基本理论 要确定负荷曲线上各点处于峰时段和谷时段的可能性的问题，则可以借助于 模糊数学中的隶属函数的方法来确定。如果要确定负荷曲线上各点处于谷h 寸段的 可能性，本文选用适用于偏小时的隶属函数；如果要确定负荷曲线上各点处于峰 时段的可能性，本文选用适用于偏大时的隶属函数。 2 2 2 2 谷峰时段的确定 d s m 实施的主要原因：就是用电负荷曲线有着明显的高峰低谷现象。因此， 本文针对负荷曲线的最高峰点和最低谷点进行讨论，确定负荷曲线上各点分别处 于峰时段和谷时段的可能性，从而为峰谷时段的划分提供一定的科学依据。首先 针对负荷曲线的最高峰点、最低谷点和峰谷时段之间的关系进行讨论，利用模糊 数学理论给出以下确定原则： ( 1 ) 负荷曲线上最高峰点c ( 如图2 1 ) 处于峰时段的可能性为1 0 0 ，最 低谷点a ( 如图2 1 ) 处于峰时段的可能性为0 。 ( 2 ) 负荷曲线上最低谷点a ( 如图2 1 ) 处于谷时段的可能性为1 0 0 ，最 高峰点c ( 如图2 1 ) 处于谷时段的可能性为0 。 ( 3 ) 负荷曲线上其余各点处于峰时段和谷时段的可能性采用半梯形隶属函 数来确定【3 引。 由于半梯形隶属函数只需确定负荷曲线上各点相对于最高峰点与最低谷点的 可比性，与其具体数值无关，所以为了便于计算，只采用了隶属函数的线性部分。 其中采用偏小型半梯形隶属函数来确定负荷曲线上各点处于谷时段的可能性，如 图2 2 ，其相应的计算公式如( 2 2 ) 式；采用偏大型半梯形隶属函数来确定各点 处于峰时段的可能性，如图2 3 所示，其相应的计算公式如( 2 3 ) 式( 只考虑中间 斜线部分，即x 轴的【a ，c 】区问) 。 a ( x ) 1 0 i t a ( x 1 图2 - 2 偏小型半梯形分布图2 - 3 偏大型半梯形分布 2 基于分时屯价的水电站水库优化调度研究 一( 曲：c - - x ( 2 2 ) a ( j ) ：兰竺 ( 2 3 ) c 一4c 一口 图中a 点c 点分别为负荷曲线上最低谷点和最高峰点。把最低谷点a 分别代 入公式( 2 - 2 ) 可得a ( x 卜l ，即：a 点处于谷时段的可能性为1 0 0 ，代入公式( 2 - 3 ) 可得a ( x ) = o ，即：a 点处于峰时段的可能性为0 ；同理，分别把最高峰点c 点代入 公式( 2 - 2 ) 和( 2 - 3 ) ，可推断出c 点处于峰时段的可能性为1 0 0 ，处于谷时段的 可能性为0 。显然，此结果和前面的( 2 ) ( 3 ) 两条原则相吻合。根据式( 2 - 2 ) 可 以计算负荷曲线上其余各点处于谷时段的可能性，式( 2 3 ) 可以计算出处于峰时 段的可能性。这样负荷曲线上各点都有了处于峰时段和谷时段的可能性，那就可 以根据一定的原则对日负荷曲线的时间轴即日2 4 小时进行初步的峰谷时段的划 分了。 我们依据此原则进行蜂谷时段的初步划分。这样，可以将1 日内的2 4 h 划分 为1 个谷时段、2 个峰时段，最多3 个平时段，总共最多6 个时段。 在实际应用时，为了实施的方便和技术上的可行性，不宜将每时段分得过小， 我们假设每时段应不小于2 h ( 如果此时段存在的话) 。 由于峰谷时段划分没有确切的数学意义，因此难以通过建立数学模型的方法 直接得到每日的峰谷时段。但是前面已经提到，峰谷时段的划分是为了用户自觉 的调整其用电方式，达到削峰填谷、影响负荷曲线形状的目的。因此可以确定合 适的峰谷电价，从而得到完