（水利水电工程专业论文）水电站实时运行状态转换优化研究.pdf

摘要 随着发电竞争市场的发展，自动发电控锘j j ( a g c ) 已成为电力系统对发电厂的 一个基本要求，但a g c 只以频率、电压作为控制指标，忽视机组的具体特性及 当前的状态，造成长期处于禁止运行区运行、机组频繁启停、频繁穿越气蚀振动 区、相邻时段内机组出力波动剧烈等现象。另一方面，传统计划性的优化虽能充 分考虑机组的实际状态，却无法满足实时性要求。如何既全面又迅速地得出最优 负荷分配方案，是当前的重点及难点工作。为此本文提出水电站实时运行状态转 换优化理论，旨在提供一种参考思路，包括以下几个方面： ( 1 ) 实时运行状态转换理论的数学模型旨在优化时段间的机组调整方案，将 传统的以各个时段的总发电流量最小为目标转变为逐时段地求当前时段的发电 流量最小，这将保证各时段均可达到最优分配，消除了传统模型以总发电流量最 小为目标从而导致的局部不优。机组允许运行区不连续是建模的难点，为此引入 虚拟机组技术，以避免传统罚函数法造成的机组频繁穿越气蚀振动区的问题。 ( 2 ) 根据模型计算各种工况下的最优负荷分配，形成实时运行状态转换优化 数据库，介于水位对机组效率的影响，按不同的典型水位分别求解。状态转换主 要以机组启停优先顺序、尽量不启停、尽量不穿越、效率高的机组多出力等为原 则，归纳状态转换准则。基于数据库与状态转换准则，提出实时运行状态转换优 化的实现策略，无需神经网络等搜索算法，而直接以机组启停优先顺序和状态转 换准则为原则先后优化机组组合及负荷分配，形成调整方案。 ( 3 ) 以李家峡水电站为例，将状态转换优化结果与实际运行进行比较，发电 耗水量优化幅度达4 5 ，穿越气蚀振动区的次数优化幅度达5 0 ，机组启停优 化幅度达1 0 ，优化速度较快，且优化结果符合李家峡双排机电站的特性，为实 际运行的改进提供了建议，证明实时运行状态转换理论是可行并有效的。 关键词：水电站；厂内经济运行；实时运行；状态转换；李家峡 a b s t r a c t a l o n gw i t hd e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t ，a g ch a sb e c o m eab a s i cf u n c t i o nf o r p o w e rs t a t i o n s b u ta g co n l yt a k e sp o w e rs y s t e mf r e q u e n c ya n dv o l t a g ea sc o n t r o l i n d e x e s ，w h i l ei g n o r i n gc o n c r e t ep r o p e r t yo fu n i t sa n dc u r r e n to p e r a t i n gs t a t e ，s ot h e r e h a sh a p p e n e ds o m eb a dp h e n o m e n as u c ha s o p e r a t i n gi nf o r b i d d e na r e a su s u a l l y ， s t a r t s t o pf r e q u e n t l y , c r o s s i n gc a v i t a t i o na n dv i b r a t i o na r e a sf r e q u e n t l y , a n ds oo n o n t h eo t h e rh a n d ，c o n v e n t i o n a ls h o r t - t e r mo p t i m a ld i s p a t c h i n gw h i c ht a k e sa c t u a ls t a t e o fu n i t si n t oc o n s i d e r a t i o nh o w e v e rc a n te n s u r er e a l t i m e s oh o wt o g e tl o a d d i s t r i b u t i o ns c h e m eo v e r a l le f f e c t i v e l ya n dq u i c k l yb e c o m e sam o s ti m p o r t a n ta n d d i f f i c u l tp r o b l e ma tp r e s e n t t h e r e f o r et h i sp a p e rp r e s e n t sr e a l - t i m eo p e r a t i n gs t a t e t r a n s i t i o no p t i m i z a t i o nt h e o r y , i n t e n d st op r o v i d ead i f f e r e n ts o l v i n gm e t h o d m a i n c o n t e n t si n c l u d ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h en e wt h e o r yt r a n s f e r st h eo l dt a r g e to f m i n i m i z i n gt o t a ld i s c h a r g eo fa l li n t e r v a l st om i n i m i z i n gt h ed i s c h a r g eo fe v e r y t i m e - i n t e r v a l t h a tm a ye n s u r et og e to p t i m a ls o l u t i o ne v e r yt i m e - i n t e r v a l ，a v o i d i n g g l o b a lo p t i m a ly e tl o c a lu n s a t i s f a c t o r y f o rt h ed i f f i c u l tp o i n to fd i s c r e t ea c c e p t i v e o p e r a t i o n a la r e a s ，t h i sp a p e ru s e sv i r t u a lu n i tt e c h n i q u ei ns t e a do fc o n v e n t i o n a l p e n a l t yf u n c t i o na l g o r i t h m ( 2 ) o p t i m a ll o a dd i s t r i b u t i o no fe a c hw o r k i n gc o n d i t i o nc a nb ec a c u l a t e db a s e d o nt h em o d e l ，a n dt h er e s u l t sm a k eu pad a t a b a s e d i s t r i b u t i v er u l e sc a nb ec o n c l u d e d b a s e do np r i n c i p l e so fu n i tc o m m i t m e n tp r i o r i t y , m i n i m i z i n gt h et i m e so fs t a r t s t o p ， c r o s s i n gt h ef o r b i d d e na r e a sa sr a r ea sp o s s i b l e ，a n dt h ee f f i c i e n tu n i tg e n e r a t em o r e p o w e r ，e t c o nt h eb a s i so fd a t a b a s ea n dr u l e s ，a l li m p l e m e n t a t i o ns t r a t e g yi s p r e s e n t e d i tc a l lo b t a i no p t i m a ls o l u t i o n si m m e d i a t e l yt om a k eu s eo fu n i t c o m m i t m e n tp r i o r i t ya n do p t i m a ld i s t r i b u t i v er u l e si n s t e a do fs e a r c ha l g o r i t h ms u c ha s a n n ( 3 ) t a k el i ji a x i ap o w e rs t a t i o nf o ri n s t a n c e c o m p a r et h eo p t i m a ls o l u t i o n o b t a i n e db yt h en e wt h e o r yw i t hp r a c t i c em o t i o n ，d i s c h a r g e ，u n i tc o m m i t m e n t , a n dt h e f r e q u e n c yo fc r o s s i n gf o r b i d d e na r e a sh a v eb e e nd e c r e a s e db y4 5 ，5 0 。a n d1o s e p a r a t e l y t h ee x p e r i m e n tp r o v e st h a ti tc a na c h i e v es a t i s f i e dr e s u l t ；m e a n w h i l et h e w o r kt i m eo ft h i sm e t h o di sr e l a t i v e l ys h o r t t h en e wt h e o r yi sp r o v e dt ob ef e a s i b l e a n de f f e c t i v e ，a n dw o u l db eo fp r a c t i c a lv a l u ei no p e r a t i o ni m p r o v e m e n t k e yw o r d s ：h y d r o p o w e rs t a t i o n ；e c o n o m i c a lo p e r a t i o n ；r e a l t i m eo p e r a t i o n ； s t a t et r a n s i t i o n ；l i j i a x i a 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：石辱坐一 签字日期： 泅? 年6 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解垂生态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 镓迎 导师签名： 签字日期：矽7 年多月z 日 签字日期： 善电 广 年矽月乙 第一章绪论 1 1问题的提出 第一章绪论 水能资源以其可再生的、洁净的特点得到各水能资源较丰富国家的一致青睐 并优先发展，例如，挪威的水电比重高达9 8 9 ，日本、瑞典等国水电比重也在 5 0 9 上【l 】。基于目前环境、能源危机日益严峻及我国可持续发展的政策，水电 建设不应仅体现在生产数量上，更应着眼于其综合效益，因此水电运行管理对于 我国能源供需矛盾日渐突出的形势意义重大。 作为水电站运行管理的重要组成部分水电站厂内经济运行( e c o n o m i c a l o p e r a t i o no f h y d r o p o w e rs t a t i o n 。e o h s ) 能够增加水电站经济效益的1 3 1 2 j 。以 龙羊峡水库为例【3 】，仅2 0 0 1 年由于不合理调度造成的空耗水量为3 0 1 亿m 3 ，折 算电量为7 4 6 2 万k w h ，空耗水量占到该年出库水量1 6 2 9 6 亿m 3 的1 8 4 ，折 算电量占到当年实际发电量( 4 0 1 2 2 6 亿k w h ) 的1 8 6 ，按国家1 9 9 0 年颁布的西 北电网平均影子电价0 1 9 4 元k w h 计算，经济损失达1 4 4 8 万元。由此可见，若 调度得当，经济效益相当可观。 传统水电站优化调度按照周期长短可分为长期调度及短期调度、厂内调度。 其相互关系【3 】见图1 1 。长期调度主要制定电站调度方案，短期调度是产生水电 站的调度计划，而水电站的厂内经济运行实际是实现方案和计划的具体措施。厂 内经济运行的实现必须实现对机组特性、水库特性、负荷特性等信息的准确采集， 任一误差均可能对结果产生直接影响，技术要求非常高。 制定实旌 图1 1 水电站经济运行方式 第章绪论 在水电站内部可以调节的设备主要包括两个方面，一是发电设备，一是输电 设备。相应地，水电站厂内经济运行主要包括以下两点：一方面是通过调节水库 发电流量和电站内的发电生产设备以获得电能，即通过负荷分配实现水能利用的 效益最大化；另一方面是通过调节输电设备将所得电能送到电网，即通过无功电 压控制使母线电压在给定的范围内并使网络损耗最小。总而言之，水电站厂内经 济运行的主要内容包括：负荷分配及无功电压控制。 我国推进电力市场改革后，实行厂网分开，首先在发电环节引入竞争，发电 企业只有挖掘一切可以挖掘的潜力，降低运行成本，才能在竞争中处于有利地位。 水电由于成本低廉，清洁能源及综合效益显著等，相对于火电来说有更大的竞争 优势。但不可否认的是，水电受来水随机性的影响很大，各方面存在更大的风险， 并且综合运用各方面难以权衡，因此水电调度具有更大的难度，实际需求也比较 迫切。随着电力体制改革和市场化的推进，水电走向市场，按照“公平、公正、 公开”的原则参与竞价上网，将是水电发展的必然。电嗍和电力市场因素会对水 电站的电力送出和发电效益产生一定的制约，如单一送出母线潮流过载下的出力 受阻、各种备用容量、调峰调频的效益计算等。电力市场化进程加快，发电企业 成立竞争主体。电作为一种特殊的商品，其价格受市场供求关系的影响，而供求 关系在一定范围内具有随机性，从而电价也不确定，增加了水电参与竞价上网的 风险性，而我国补偿效益体系没有完善，使得只有提高实时变化能力，降低成本。 而水电站经济运行方案在不增加投资的前提下提高效益，相当于发掘电站自身潜 力降低成本，也可以降低水电站参与竞价上网的风险。在电力市场化新形势下， 水电站经济运行的研究面临新的机遇与挑战。 传统的短期优化调度，即已知未来一天的负荷曲线( 这条负荷曲线或是通过 短期负荷预测得到，或是通过统计典型年得到的统计性质的曲线) ，通过智能优 化算法得到同时满足荷载要求及各种复杂约束条件，并使目标函数达到最大( 如 发电量) 或最小( 如耗水量) 的机组组合和负荷分配方式。由于给定的这条负荷曲线 是由预测或是统计得来的，因此它必然存在着不可避免的误差；并且电力市场中 的负荷与供需、电价、天气因素、社会因素等众多复杂的因素相关，随时可能有 或大或小的波动使之偏离原先的预测曲线。基于这样的一条几乎只能显示负荷变 动趋势的曲线，得到机组及荷载的分配方式，这种传统调度方式所得到的调度结 果在新形势下的意义是微乎其微的，因为实际负荷几乎完全不按计划的负荷曲线 走，那么遵循计划负荷而得的运行方案也无疑足不符合实际的。所以，研究水电 站随着实际负荷的变动而实时调整机组组合及其荷载分配的问题既有十分重要 的现实意义，这也是本文选题的初衷。 第一章绪论 1 2 水电站厂内实时经济运行国内外研究现状 水电站实时发电控制是指对电网实时负荷指令做出快速响应，根据当前机 组状况以及水情条件，按照合理的准则安排机组发电以满足电力电量供需平衡， 包括机组组合和负荷分配等问题。2 0 世纪6 0 年代美国东北部大停电后，人们意 识到仅仅考虑负荷分配的经济性是远远不够的，同时也应考虑到整个电力系统的 安全性。加拿大自2 0 世纪9 0 年代将a g c ( 自动发电控制) 引入发电管理子系统 ( g e n e r a t i o nm a n a g e m e n ts u b s y s t e m ，g m s ) 中，a g c 至此成为水电站实时管理系 统的一个重要组成部分【4 】【5 】。2 0 世纪末期，雅典的水电系统实现了水电站参数的 在线监控，可根据水文资料、原始数据以及实际的参数情况，采用线性优化和非 线性优化的方法实现水电的整体优化【6 】。在国内，2 0 世纪8 0 年代末葛洲坝电厂 计算机监控系统研制成功【7 】，是我国首个计算机监控技术。随后，丹江口水电站 的计算机监控技术达到了更高的水平，首次采用分层分布式计算机监控系统及其 他许多新技术，系统包括了a g c 及a v c 功能，其中a g c 还涵盖了厂内经济运 行的自动分配功能【8 】，代表着我国自主技术的又一高峰。南瑞自控公司自1 9 9 0 年开始研制开放式系统，居全国领先地位，葛洲坝二江电厂的新计算机监控系统 即其首批开放式系统，其a g c 中包括经济运行功能p j 。 随着电力市场体制改革的不断推进，a g c 已成为电力系统对发电厂的一个 基本要求。水电机组和火电机组都要按系统要求参力n a g c 运行。与火电相比， 水电机组具有启动迅速、负荷调节灵活的特点，在电力系统中担任a g c 运行的 主角【l0 1 。在电力市场运营中，具有优良的调节品质的机组按实时调度指令增减 出力，对稳定电网电压和区域偏差控制起到了良好的作用。所以a g c 运行是电 网安全、经济运行的必备条件；水电厂应该服从电网管理，满足电网需要。随着 我国四大网和部分省网调度中心能量管理系统( e m s ) 的投用，自动发电控制已成 为这些电厂频率调整和功率调整的手段【l 。我国第一个投入实际应用的自动发 电控制系统是湖南电网s c a d a + a g c e d 系统。该系统自1 9 8 9 年投入使用，是在 国内投用最早，运行时间最长，投用率最高的系统网【1 引。四大网中的东北电网、 华东电网及云南电网、广东电网在自动发电控制应用方面取得了很好的经验。目 前，在我国许多地方，都实现了厂内的a g c ，极大的提高了电厂自动化水平。 为电力事业带来了极其辉煌的成绩。 从技术上来说，水电站厂内经济运行研究的目的主要包括两个方面：一是找 到合适的模型，更好地反映水电站发电的成本和效益状况及各种约束限制条件； 二是提出优秀的算法，使其具有更好的时间性及寻优结果，并满足更广泛的适用 性。 在模型研究方面，n i l l s o n 1 3 】提出在调度模型中考虑机组启停带来的成本损 第一章绪论 耗；针对水轮机使用寿命及运行中的安全和气蚀问题，权先璋等【1 4 】从经济的角 度，用惩罚函数法将机组的安全运行区以虚拟机组的形式加入a g c 的优化计算 中；电力市场的发展给厂内经济运行模型带来了新的问题【l 引，发电成本最小模 型及利润最大模型得到了发展l l6 l 。此外，人们还比较看重水电站的综合效益， 所以在有综合利用要求的水电站中，调度模型便反映了综合利用的需要，在厂内 经济运行数学模型中以水库下泄流量约束的形式表利1 。7 1 8 】。 在算法方面，最早使用的是等微增率法，该法数学理论严谨，在早期的水电 调度系统中发挥了很大的作用【l9 1 ，但其演算繁琐，条件较严，不适合实际操作； 动态规划法是水资源规划与管理中应用最广泛的优化方法，但建模较困难，且存 在无法解决的维数灾问题，现在已开发出改进算法以改进计算性能【2 旧1 】；。遗传 算法是目前最常用的方法，其运算具有并行性利于找到最优解，文献【2 2 】利用二 倍体遗传算法求解日优化问题，文献1 2 3 改进变异算子求解，文献f 2 4 】建立遗传模 拟退火算法求解，均增强了其求解性能；蚂蚁算法是比较新的随机优化算法，其 求解性能优秀且需时短【25 1 ，但对于大型系统实时性还是努力的方向。 马光文在文献1 2 6 j 中介绍了一种可同时考虑机组间效率差异、气蚀振动区、 机组可用性、机组启停成本及主接线方式等多约束的厂内经济运行的方法，利用 罚函数、动态修正出力流量关系来解优化模型，适用性较好。但是如果电站负 荷变化频繁或变化幅值较大时，罚函数法可能造成机组频繁通过气蚀振动区，而 虚拟机组技术可弥补这种缺陷【2 丌。减少开停机次数与降低电能损失是矛盾的， 关键是逐一考虑每台水轮发电机组的特性，以精确模拟相应水头条件下的机组效 率，计算启停过程中的电能损失，权衡启停成本与电能损失间的平衡【2 引。机组 效率曲线在水电站经济运行综合优化中至关重要，传统手绘外推法精度低、适应 性差，难以满足需要，对此有两种方法加以改进：一是在现场效率试验基础上， 训练神经网络模型，计算任意水头及导叶开度下的机组效率，有效指导水电机组 的经济运行1 2 9 二是跳过计算机组的效率，直接计算在某种情况下的机组耗流 量【3 1 1 。 目前，水电站厂内负荷分配的方法较多【2 】，但对于实时运行中考虑机组安全 稳定因素、实现机组出力连续控制的研究相对较少，计算时段较长( 多为1 5m i n ) ， 不能达到实时发电要求【3 2 3 5 】。郭富强、郭生练等在文献【3 6 】中提出了一种实时运 行负荷分配的方法，该文章研究了在机组自动控制模式下的同时满足耗水少及穿 越次数少两个目标函数的实时负荷分配。机组启停控制结合了机组优先权表与机 组启停规则，用动态规划法实现机组负荷的最优分配，并以隔河岩水电站为例， 机组耗水率与穿越气蚀振动区的次数分别降低了2 与1 7 9 7 ，取得了较好的效 果。但是由于未对机组启停设置约束控制，优化调度后的结果，机组启停次数增 4 第一章绪论 加了将近1 9 。英属哥伦比亚水利局应用到实时调度系统中的模型- d u c l 模 型，即动态机组启停与负荷分配模型。该模型可以适用于多种机组类型及复杂的 水力特征的系统。并且在这个模型中，机组启停损耗是关键损耗，被认为是必须 考虑的因素。主要贡献是创新性地将专家系统法、动态规划及网络系统结合起来， 发挥了三者各自的优势，获得了较优的结果和较短的计算时间 3 7 】。 从这些研究成果可以看出，厂内运行主要解决的两个问题：机组组合、负荷 分配，其中机组组合问题是首要的、更为复杂的，在确定了机组最佳组合之后， 负荷分配实际也就迎刃而解了，因此，人们更多地将注意力集中在机组组合的合 理分配上。在过去的2 5 年间，讨论机组启停的方法不断更新，从最初的穷举法、 优先表法【3 8 3 9 】、动态规划法【4 1 1 、整数规划法到之后的分支定界法【4 2 1 、可分规 划法、拉格朗日松弛法【4 3 。5 1 、网络流法【蚓、专家系统法【4 7 】等，进而又用人工神 经网络法【4 引、风险分析法、模拟退火法【4 9 1 、决策分析法、进化算法【5 肚5 2 1 等，模 型多样，约束条件复杂，仍然没有一个统一有效的解决方法。 1 。3 短期负荷预测的研究现状 短期负荷预测对于发电厂的发电计划及调度方式起着十分重要的作用。尤其 目前发电侧引入竞争，提高短期负荷预测水平有助于经济地安排机组启停，合理 制定机组检修计划，维持电网安全运行，降低发电成本，提高发电厂的市场竞争 力。对于水电厂的实时调度，负荷特性作为其动态因素，是必需的前提条件，这 里的短期负荷预测指的是，本时段预测下一时段的负荷值( 通常为1 5 m i n 以内， 如每5 m i n 预测一次) ，或波动范围。这与传统的负荷长期预测，即预测出未来一 天内2 4 小时逐时段的负荷变化曲线，是有根本区别的。传统的负荷长期预测由 于电力负荷的复杂性、突变性决定其本质上是无法达到较精确的数据，只能显示 大致趋势，作为制定调度政策的参考，对于实时调度来说并没有实际意义。而每 时段预测一次的短期负荷预测则由于时间短，各影响因素的掌握较为充分，往往 能得到比较精确的结果，是实时调度的前提。 短期负荷预测受多种因素和随机干扰的影响，预测模型较多，早期采用时间 序列分析1 5 3 】或回归分析m 】，由于模型简单，难以模拟复杂多变的电力负荷。8 0 年代中后期，专家系统【5 5 j 取得了一定成果，但其通用性差，没有学习能力。近 年来，随着人工智能的迅猛发展，人工神经网络【5 6 】及支撑向量机类方法1 5 7 】等在 负荷预测中得到了广泛的应用。由于单一预测模型的局限性，为了进一步提高预 测精度，减低预测风险，组合预测模型应运而生了。然而当前的组合预测模型过 于重视算法而忽视了样本，彭俊等1 5 驯提出了一种新的组合预测法提升方法，该 法以样本为基础，对总体中的样本赋予权值，根据权值抽样生成训练成本，建立 第一章绪论 预测模型，根据预测精确度修正某些权值，然后再次根据权值抽样生成训练样本， 建立新的预测模型。如此迭代多次，得到多个预测模型，利用多个预测模型得到 多个预测结果，再加权形成最后的预测结果，具有较高的精确度。 1 4 本文研究工作 在厂内经济运行的研究中，如何既发挥a g c 机组的稳定快速的优点，又考 虑到机组及电站本身的特殊性能，避免陷入机组损失自身的运行质量的困境，是 当前研究的重点和难点，问题解决的好坏直接影响着水电站在新形势下经济效益 的获取及电站乃至整个电网的安全。基于此，在总结前人的研究成果的基础上， 本文的工作及创新点如下： ( 1 ) 分析传统计划性的优化调度在当前形势下存在的问题，主要是无法满足 实时性的要求，总结各种模型，提出了水电站厂内经济运行实时运行状态转换优 化理论。该理论不同于以总发电流量最小为目标的计划性优化，丽是以时段间发 电流量最小、启停次数最少、穿越气蚀振动区次数最少为目标函数，考虑备用容 量、同一机组相邻时段出力波动等多种约束。 ( 2 ) 总结各种典型工况，用实时状态转换优化模型得到状态转换优化数据库； 同时分析数据，结合电站和机组的特性，从机组启停优先顺序、是否穿越、是否 启停等各角度归纳出负荷分配优化的规则。基于这两点，提出实时运行状态转换 优化的实现策略，将优化过程分为机组组合优化及负荷分配优化两部分，两者都 可以根据优化规则直接求得，而无需神经网络等搜索技术。 ( 3 ) 将水电站实时运行状态转换优化理论运用到李家峡水电站中。分析李家 峡水电站的各种性能及统计资料，总结出一系列工况，利用实时状态转换理论计 算出相应工况的最优机组组合及负荷分配，建立一个状态转换优化的数据库。并 分析各种工况的优化结果，结合水电站的运行特性，总结出状态转换的准则。为 实时运行状态转换优化快速决策建立资料。 ( 4 ) 截取李家峡水电站较典型的负荷出力双峰曲线及极端情况下负荷振荡剧 烈的负荷曲线，分别用实时状态转换理论进行计算，比较计算结果和实际运行情 况，验证实时状态转换理论的可行性和有效性。 6 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 2 1电力市场的发展及其对水电的影响 传统电力企业经营模式是生产拉动型，即企业根据调度下达的负荷曲线安排 生产，而售电价格是由电厂和供电部门签订长期售电合同所确定的不变价格。发、 输、配电一体化垄断经营，这就像是国有企业里的“大锅饭”一样，国家来负担企 业的盈亏，发电企业排斥竞争，管理水平低下，缺乏竞争意识和竞争力，导致电 力行业成本高、价格高、群体收入水平高、服务质量差及经营效率低的现象，造 成资源的浪费。 8 0 年代以后，英国、美国、加拿大、澳大利亚、日本等国纷纷开始电力市 场的改革 5 9 1 。经过长时间的摸索与尝试，建立了一些不同特色的成功的例子。 我国也在1 9 9 9 年提出“厂网分开、竞价上网”的改革方案，开始电力市场改革的 探索。 电力市场的发展模式1 6 0 】主要有： 垄断模式，从发电、输电、配电到用户手中是一体化的，由国家垄断经营， 是典型寡头垄断市场，是最不利于资源优化配置的一种方式。中国在十年前还处 于这种模式下，现在仍有许多落后国家采用这种模式。 发电竞争模式，发电领域引入竞争，而输电配电环节仍然垄断，设立独立的 电网运营管理机构代替国家负责所有电力交易和管理。这是一种不完全的市场 化，虽然在发电侧可有一定程度上的优化资源配置，但用户无自主选择权，电力 市场削峰填谷的能力不能实现，效率无法最大化。这是目前中国采用的模式。 输电网开放经营模式，将发电、输电、配电相互分离，大用户与配电公司可 以直接从发电企业购买低价电力，但一般众多小用户只能接受配电公司的分配， 无法自由选择。而输电网络和电力一样也成为交易载体，发电公司、输电公司和 大用户可自主选择输电网络。这种模式下，各公司的竞争已非常激烈，有效地激 励其经营效率的提高。但可以看出，这必须以严谨的法律和完善的市场发展基础 为后盾，由于电能无法存贮，即发即用的特点，该模式仍存在许多问题，例如小 用户无法自主选择避开高峰用电等，需要进一步的完善。目前大多发达国家均处 在该模式下，如日本，美国、英国等国也采用该模式，目前正积极向零售竞争模 式转变。 零售竞争经营模式，发电、输电、配电及各用户完全分离，各自独立存在于 市场，可自由选择买方或卖方，一切以市场供需均衡原理来调节，最大限度地缩 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 小了政府对电价的管制。该模式可以最大化资源优化配置，是电力市场发展的最 高阶段，是电力市场最终的发展趋势。 中国在2 0 0 2 年1 2 月2 9 日五大发电集团及两大电网公司的成立，标志着中 国进步到发电竞争模式，发电侧竞价上网，每个发电实体的生产模式转变为需求 拉动型，按规定时段向供电部门申报下一时段本企业的上网电价和上网容量，在 满足系统负荷要求和系统安全、可靠的前提下，安排最优的负荷分配方案，使生 产成本达到最小。而电价也是电这种特殊的商品在市场上形成的市场价格，由成 本、利润、税金三部分组成。对于发电商来说，如果想要在市场上具有更大的竞 争力，取得尽可能大的利润，必须设法降低成本。否则终将被市场所淘汰。引进 市场竞争之后，给电力市场的每个发电厂商提出了新的挑战，那就是如何优化运 行管理以降低成本，激发了企业积极性主动性。 我国发电侧市场主要由水电厂商和火电厂商组成，两者占总发电容量的9 0 以上。火电竞价上网研究已比较成熟，但涉及到水电就没有统一的严谨的模型。 水电竞价较火电复杂得多【6 1 1 ，其一，水电发电量受来流及综合利用要求的限制， 而火电可按照额定容量发电；其二，水电成本主要是固定成本，变动成本较小， 因此多发电量可降低单位成本，而火电变动成本与固定成本几乎相当；其三，水 电报价与发电量密切相关( 涉及到成本) ，而火电报价只是出力的函数；其四， 水电可用水量一定，发电量大小与水库消落方式有关，保持高水位运行可增发电 量；其五，水库的调节能力直接影响水电厂的竞争力，相同报价下，调节能力大 的水电厂更有优势。火电竞价的限制条件显然不如水电那么多，电价计算过程也 相对简单。但是我们开篇也提到了，水电较火电清洁、可再生，水电机组开停迅 速灵活，在煤、石油等能源逐渐短缺的今天，水电在未来发电市场的优势地位是 显而易见的，因此如何制订在电力市场下的水电站的优化调度模型具有很现实的 意义。 国内外专家学者在国内外学术会议都曾呼吁加快在电力市场下的水电站经 济运行方式的研究。b o r i c h e v s k yg 在2 0 0 2 年p o w e re n g i n e e r i n gs o c i e t ys u m m e r m e e t i n g 上的报告就提出了在市场条件下实现水电效率的竞价机制【6 2 】；国家电力 调度通信中心副主任王益民1 6 3 j 在2 0 0 2 年全国水电调度专业会议上做了开创水 电调度工作新局面的讲话，指出在电力体制改革的关键时刻要以高度的责任心 去对待，以改革为契机，重点研究电网水调自动化系统、电力市场下水电调度的 新模式、水库群特别是梯级电站联合优化调度的新模式等；国家电力调度通信中 心主任赵遵廉【删在中国电网调度近期发展方向一文中也将水电调度工作作 为重点研究课题，并强调将调度理论转化为实际生产力的研究。 通过近几年的研究，也取得了一些成果。a n t o n i oj c o n e j o 提出了基于联营 8 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 体的电力市场下水电发电商的自调度模型f 6 5 1 ，目标函数为同一河流上若干梯级 电站在日前交易市场利润最大，同时考虑机组启停损失，该文将水头、出力、流 量三者间的非线性非凹的三维关系离散成一系列与水库库容有关的非凹曲线，使 水头的不利影响在模型中表现出来，而且通过分段，使线性离散的近似值更为精 确，同时考虑机组启停也可以降低成本。加拿大的英属哥伦比亚大学建立了水电 短期优化调度决策支持系统脚】，改善了传统调度研究过于针对性、学术化，无 法适用实时决策的一些缺点，取得了较为满意的结果。为了提高水电调峰的积极 性，推行丰枯分时电价政策是未来全国性的趋势，通过合理的丰枯、峰谷上网电 价，促进资源优化配置，但这势必造成下泄水量变化较大，因此应结合考虑水库 综合利用要求，实现水资源利用效率最优。实行峰谷电价时，为保证下游航运条 件，也可利用反调节水库【67 | ，如葛洲坝即三峡的反调节水库。由于梯级上下游 水电站间的水流时滞的影响，提出将梯级日优化运行计划分为周期日优化运行计 划和过渡日优化运行计划1 6 引，取得较好的结果。 2 2 水电站实时运行状态转换优化理论的提出 传统的水电站短期调度是在事先给定一条未来一定时间内分时段的负荷变 化曲线的基础上，根据优化算法，求出满足各种复杂约束条件并使目标函数达到 指定要求的机组组合方式及负荷分配。从这个定义中不难看出，调度问题的研究 实际上是寻求一种输入负荷需求、约束等，能自动输出机组组合方式及负荷分配 的较优的机制。这个“较优”的概念就要求输出结果速度快，并且精度高，显而 易见这需要输入的准确与快捷。在水电站的自动控制中，水情、负荷这些输入是 靠搜集资料、统计规律、预测未来发展趋势得到的，本身也是一种近似，若作为 输入的预测结果出现较大误差，则要求输出的准确便是天方夜谈了。 水电系统渐渐趋向于市场化，负荷需求与电价不再是国家下达的计划，而是 与市场需求挂钩的随机变量，因此它不但具有一般随机变量的统计特点，更有许 多复杂的突变情况，因此无法得到准确的预测。这就使得原有的依靠下达的计划 负荷安排机组运行的调度方式失去了它的意义，原因就在于负荷不再仅仅是国家 的计划行为，而是一种市场行为了。 由于我国大部分区域网调度中心能量管理系统( e m s ) 的投运，自动发电控制 ( a g c ) 已成为这些电网频率调整和功率调整的手段。其基本控制目标1 1 2 有以下几 点： ( 1 ) 调整全电网发电出力与全电网负荷平衡； ( 2 ) 调整电网频率偏差到零，保持电网频率为额定值； ( 3 ) 在各控制区域内分配全网发电出力，使区域间联络线潮流与计划值相等； 9 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 ( 4 ) 在本区域发电厂之间分配发电出力，使区域运行成本最小。 实际上，a g c 的控制指标主要有两个：一是电网系统频率，用以控制有功 出力；二是母线电压，用以控制无功出力。实际操作的时候，先对资料进行分析， 作出负荷预测，根据预测结果求出负荷分配计划，在实际根据这个计划分配负荷 的时候，再根据实际负荷需求对原有的计划进行调整，调整的指标就是机组总出 力与实际负荷需求的偏差。在机组的实际出力偏离负荷总需求时，通常通过三次 调整来使控制偏差减d , n 零，首先，若实际负荷需求与机组的实际出力之间的偏 差特别小，可直接通过机组调速器进行调节，使偏差减小为零；若实际负荷需求 与机组的实际出力间的偏差超出了调速器能调节的范围，则通过a g c 进行调节， 使之达到实际负荷需求；若偏差大于一定的范围，如3 m w ，超出了a g c 机组 的可调范围，就必须通过调整机组组合来实现，称为三次调度或是经济调度。 所谓机组状态转换：记录机组每个运行时段的机组状态、荷载状态、转换状 态等作为数据资料，在已知t 1 时段的资料的情况下，能对t 时段的机组状态作 出快速决策。这个决策的基础是状态转换数据库，该数据库是在针对某一特定的 水电厂分析其机组特性、荷载特性、水库特性等静态特性，以及机组状态、荷载 状态、母线状态等动态特性的统计特点，总结出一定的规律的条件下，通过对各 种工况下的情况进行组合计算，得到的一系列的分配结果。数据库的实质是得到 一些规则，这些规则决定着在特定的输入下能得到最优的输出。 i i 磊丽- ：_ 一百磊1 图2 1水电站厂内经济运行实时系统结构 1 0 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 2 3 水电站实时状态转换优化理论模型 2 3 1 水电站实时状态转换的目标函数 实时状态转换是一个多目标问题，空间上要满足水电站耗水量少的经济性要 求，时间上又要符合机组启停次数及穿越机组气蚀振动区的次数最少的安全性要 求。因此需要对这两方面进行权衡，制定合理的负荷分配策略。 目标函数表达为： 目标函数1 ：m i n q i ， q f ，= ，“一。+ a p “，a h ) ( 2 - 1 ) i = l 目标函数2 ：m i n 呓山 ( 2 2 ) i = lt = l 目标函数3 ：m i n 筋山 ( 2 3 ) ，= it = l 式中：q 。一第i 台机组t 时段的发电流量( m 3 s ) ； p “一第i 台机组t 时段的出力( 万k w ) ； 卸，一第i 台机组转换到t 时段时的负荷变化量； m 一电站装机台数； 一总计算时段数； 缆- 1 j _ t 1 时段到t 时段间的机组启停次数； 截m _ t 1 时段到t 时段间的机组穿越气蚀振动区的次数。 该目标函数与传统短期调度的目标函数的差别就在于式( 2 1 ) 。由于体现的是 机组两个不同的运行状态之间的转换特性，因此这两个状态之间靠p ，来联系， 通过p ，的正负来判断负荷的趋势。而传统的短期调度模型中，相邻的两个状态 是给定的一条负荷曲线中两个相对独立的时段，它们各自的状态是由整体的负荷 分配过程决定的。从以上实时状态转换的目标函数，我们可以看出，在进行状态 转换时，由于整体负荷变化过程是未知的，也不知道这个过程会持续多久，而已 知的只是所求的这个时段的状态，以及与其相邻的两个时段间的状态。 2 3 2 约束条件 1 出力平衡约束： j l p = ( 几一l + 卸吖) ( 2 - 4 ) 2 水量平衡约束： ，肌、 l 卅= v t + i 科”一q f 。f | a t a t ( 2 - 5 ) i = l 3 机组出力约束： 只”p ，。- l + 4 妒“一( 2 6 ) 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 p f f 1 + a p “q 4 水库库水位约束： z “死z 一 5 下泄流量与尾水位关系约束： 厂r a、 d l i f - f i q f f l t = l 6 机组启停约束：机组遵循最小运行时间、最小停机时间规定。 7 最小备用约束： 丑，一- ( p “一。+ 卸“) ) r 岫 i = 1 8 无功需求约束： 芝乃，( 厂协，l ，) 衅d i = l 9 相邻两时段出力波动约束： l p “一l p “l 其中：d l i ，一第i 台机组t 时段的尾水位( m ) ； z 一一库水位上限( m ) ； z 一库水位下限( m ) ； 膨一电站装机台数； 尸一系统负荷要求( 万g w ) ； p 一一第i 台机组可行出力区间下限( 万k w ) ； p 一一第i 台机组可行出力区间上限( 万g w ) ； f 一第t 个时段的库- 容( 1 0 8 m 3 ) ； z ，一库水位( m ) ； p “一第i 台机组t 时段的出力( 万k w ) ； 万一水量与库容转换系数； q ”一机组启停一次耗流量； q ”一机组穿越气蚀振动区一次引起的耗流量； 元，一第i 台机组t 时段的运行状态，1 表示开机，0 表示停机； 尽 血一第i 台机组t 时段的最小备用要求； 硭l _ f 一1 时段到t 时段间的机组启停次数； 罐h _ t 1 时段到t 时段间的机组穿越气蚀振动区的次数； q 一水电站水轮机组的具体运行区域划分： 肥，一第t 个时段第i 台机组的无功功率( k v a r ) ； 肥4 一第t 个时段的无功功率需求( k v a r ) ； ，一励磁电流( a ) ； ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 - 1 0 ) ( 2 - 1 1 ) ( 2 1 2 ) 第二章水电站实时运行状态转换优化理论 p f , ，一第i 台机组t 时段的无功出力； 一相邻时段机组出力最大波动( 万k w ) 。 2 3 3 模型的求解 该模型是一个约束复杂的多目标优化问题，动态规划法、遗传算法、蚁群优 化以及进化算法等启发式寻优方法均能取得较好的结果。 模型求解过程中重点说明以下几点： 一、机组效率问题 水电站的水头是实时变化着的，一定水头下的机组出力通过下式计算： n = 9 8 1 r q h ( 2 1 3 ) q = 万n 丽( 2 - 1 4 ) 。 9 8 1 n 日 7 r = r 1 r 2 r