水库优化调度及应用20170509

水库优化调度及应用 四川大学水电学院 目录 水电站优化调度基本概念 1 水电站径流预测 2 水电站长期优化调度 3 水电站厂内经济运行 5 水电站短期优化调度 4 1 水电站优化调度基本概念 四川大学水利水电学院 水力发电的基本原理水力发电是利用天然水能生产电能的水利部门 将河段所蕴藏的分散的水能资源 集中起来 并尽量减少无益消耗 引取集中了水能的水流去转动水轮发电机组 在机组转动的过程中 将水能转变为电能 水体所含机械能 1 河川径流相对海平面 或某基准面 具有一定的势能 2 径流有一定的流速 因此具有一定的动能 水电站优化调度基本概念 四川大学水利水电学院 取0 0为基准面 按伯努利方程 流经1 1断面至2 2断面的单位重量水体所消耗的水能为其中 大气压强p1与p2近似相等 流速水头差值也相对微小 可忽略不计 于是 单位重量水体的水能可近似地用落差H1 2表示 e1 2 H1 2 z1 z2 水电站优化调度基本概念 四川大学水利水电学院 t秒内河段上消耗的水能为 E1 2 rQtH1 2 9807QtH1 2其中 r为水的单位重量 通常取9807N m3采用kw h 度 为单位时 T小时内河段消耗水能为 E1 2 9 81H1 2QT kw h 出力 电站发出的电力功率 可用河川水流出力表示水能资源 河流的水能资源蕴藏量计算 N1 2 E1 2 T 9 81QH1 2 kw 水电站优化调度基本概念 四川大学水利水电学院 河川水能资源蕴藏量的估算a 估算 沿河长分段计算水流出力 逐段累加求出全河总水流出力 分段时 应将流量以及河流纵比降有较大变化处划分为单独的计算河段 计算中 流量取首尾断面流量的平均值 根据多年平均流量计算所得的水流出力 称为水能资源蕴藏量 b 我国水能资源概况 我国河川水能资源蕴藏量为6 76亿kw 相应的年水能约为6万亿kw h 居世界首位 水能资源蕴藏量计算示例 水电站优化调度基本概念 四川大学水利水电学院 水电站优化调度基本概念 水电站优化调度基本概念 水利电力系统中水电站及其水库优化课题或问题可概括为 在已知系统结构类型 水电站及其水库 系统其它组成单元的功能 任务 参数 特性等原始依据和各种信息及约束条件下 为满足国民经济各有关部门和社会的要求 按前述运行调度基本原则 利用一定优化理论方法和技术 制定和实现对水能 水资源的最优利用和控制方式 即寻求系统和水电站及其水库的最优运行调度方式 最优策略和最优决策 水电站优化调度基本概念 1 1 水电站及其水库的地位 作用和运行调度的特点 水库和水电站既是水利系统的重要组成单元 又是电力系统的主要动力单元 水电站的主要作用 利用水能发电 其水库的主要作用 汇集和调节径流 抬高水位 集中落差形成水头 水电站优化调度基本概念 电力系统中各电站之间 电站与用户及其它动力单元之间有着密切的联系 因此 1水电站及其水库的运行调度方式不但会受到整个电力系统的制约 而且也影响其它电站的运行方式 2由于水资源是水能的载体 水电站及其水库是开发利用水资源的主要工具和单元 其运行调度方式不但会受到水利系统的制约 而且也影响其它水利单元的运行调度方式 水电站优化调度基本概念 水电站及其水库运行调度具有如下特点 1目标的综合性与效益的整体性2水资源及其它信息的随机性和水电站及其水库工作的风险性3运行的经济性4调度的机动灵活性5运行调度的复杂性和多学科性 水电站优化调度基本概念 1 2 各用水部门对水电站及其水库的要求 防洪要求 电力部门的发电要求 可靠性要求 发电设计保证率经济性要求 充分利用水能多发电 其它部门和方面的要求 农业 水运 工业与生活用水以及渔业 生态环境 排冲砂 旅游等 水电站优化调度基本概念 1 3 各类型电站的运行特点 电力系统中有各类发电厂在系统统一调度下共同工作 它们之间密切联系 相互影响 一 水电站的特点1水电站的入库径流随季节和年际而变化 决定了水电站运行情况的多变性和随机性 在丰水年份发电量较多 遇到特枯水年份 发电量不足 甚至正常工作遭到破坏 水电站优化调度基本概念 2水电站机组开停灵便 迅速 从停机状态到满负荷运行仅需1 2min时间 并能迅速改变出力的大小 以适应负荷的剧烈变化 从而保证系统频率的稳定 因此 水电站适宜担任系统的调峰 调频和事故备用等任务 3水能是再生性能源 水电站的年运行费用与所产生的电能无关 因此 在丰水期应尽量多发电 以节省系统燃料消耗 故单位电能成本比火电厂低 水电站优化调度基本概念 4一般水电站水库常具有综合利用任务 对于下游有航运 城市供水任务的水库 水电站需承担电力系统部分基荷 以便向下游经常泄放一定流量 兼有防洪和灌溉任务的水库 汛期和灌溉期内水电站发电量较多 但冬季发电受到限制 5水电站建设地点要受到水资源 地形 地质等条件的限制 水库淹没损失一般较大 移民安置工作比较复杂 水电站优化调度基本概念 二 火电站的特点1只要保证燃料供应 火电厂可以全年按额定出力工作 不像水电站那样受天然径流的制约 正常工作保证程度高 2火电厂机组启动比较费时 机组由冷却状态过渡到热状态 出力上升值不能增加过快 因此 机组从冷状态启动到满负荷运行约需2 3h 一般来说 火电厂适宜担任电力系统的基荷 以节省单位煤耗 水电站优化调度基本概念 3火力发电必须消耗大宗燃料 故单位发电成本比水电站高 火电厂的年运行费用与生产的电能成正比 4火电厂高温高压机组的技术最小出力约为额定出力的75 如果连续不断地在接近满负荷的情况下运行 则可获得最高的热效率和最小的煤耗 水电站优化调度基本概念 三 核电站的特点1机组快速升降负荷 特别在燃耗末期由于氙毒的变化 将导致反应堆轴向功率偏差控制困难 易产生堆芯局部热点 有造成堆芯烧毁的潜在风险 若频繁进行负荷跟踪 将产生大量的放射性废气 废液 对环境产生潜在威胁 故核电机组需要持续不断地以额定出力工作 所以在电力系统中总是承担基荷 2核电站的设备比较复杂 建设标准质量和安全措施要求日益提高 因此核电站的单位千瓦造价比燃煤火电站要高 但单位发电量所需的燃料费用则较低 因此核电站的单位发电成本有可能比火电站低一些或差不多 不易受到国际经济情势影响 发电成本较为稳定 水电站优化调度基本概念 四 抽水蓄能电站的特点1机组开停灵便 迅速 从停机状态到满负荷运行仅需1 2min时间 并能迅速改变出力的大小 以适应负荷的剧烈变化 从而保证系统频率的稳定 因此 水电站适宜担任系统的调峰 调频和事故备用等任务 2吸收系统负荷低谷时的多余电能进行抽水蓄能 使火电核电机组不必降低处理或临时停机 保持高效率下运行 达到单位电能煤耗最小 3抽水蓄能电站的综合效率为抽水工况和发电工况运行时的综合效率的乘积 常为0 75左右 水电站优化调度基本概念 五 燃气轮机电站的特点1燃气轮机组及其设备占地小 基建工期短 不需大量冷却水 单位千瓦投资较低 2油耗量较大 年运行费较高 发电成本高 3由启动至满负荷运行约需5 8分钟 当系统内缺乏水电容量时 可以把燃气轮机组当作电力系统的短时间调峰容量以及系统的事故备用容量 水电站优化调度基本概念 六 风力发电电站的特点1风能可以随大气循环再生 对人类及环境危害小 建造费用相对较低 2风力不稳定 风力和风向时常改变 能量无法集中 噪音较大 3风电土地不易获取 风机之间需保持一定的距离以增加发电的效能 如所有土地均需购买 成本很高 且土地的使用受许多法规限制困难重重 水电站优化调度基本概念 1 4 水电站及其水库运行调度的任务 原则 内容及分类 任务 合理利用水电站及其水库的工程和技术设施 对来水径流进行经济合理调度 确保工程和生产安全 充分利用水能资源和水资源 尽可能大地减免水害 增加发电和综合利用效益 为电力部门和其它有关部门提供有效服务 水电站优化调度基本概念 原则 在首先确保工程本身安全的前提下 分清发电与防洪及其它综合利用任务之间的主次关系 统一调度 使水库综合效益尽可能大 当工程安全与满足供电 上下游防洪及其它用水要求发生矛盾时 应当首先考虑工程安全 当供电的可靠性与经济性发生矛盾时 应当首先满足可靠性要求 水电站优化调度基本概念 主要工作内容 编制最优的或合理的运行调度方案 方式和计划 按所编制的方案 方式和计划根据面临的实际情况和信息进行实时调度和操作控制 尽可能实现最优调度 进行运行调度资料的记录 整理和分析总结 开展其它有关各项工作 开展水文气象预报 水电站优化调度基本概念 水电站优化调度的分类 从研究问题的范围分可分为 厂内经济运行厂间或电力系统经济运行从时间范围分可分为 长期经济运行短期经济运行瞬时 小时 经济运行 即实时调度 水电站优化调度基本概念 水电站调度的工作流程 丰枯电价 2 水电站径流预测 1 1研究的目的 水电径流预测 3 2 1 径流预测是水电厂防洪度汛的重要依据 径流预测的准确性将直接影响水电厂丰 平 枯期电量的安排和发电收益 径流预测作为水电站优化调度的基础 其预报结果的准确与否 将成为水电站的最优调度方式能否发挥作用的关键 国内外研究现状 国内外径流预测方法 物理成因方法 数理统计方法 智能水文预报方法 基于数值天气预报的综合预报方法 时间序列法 马尔科夫链 集对分析法 分形理论法 模糊数学法 人工神经网络法 小波分析法 灰色系统方法 混沌理论方法 3 水电站长期优化调度 1 1基本概念水电站长期运行调度研究较长时期 季 年及多年 内的最优运行调度方式制定和实施的有关问题 用来指导和控制长期运行调度 并用于编制电力系统和水利系统的有关长期计划 其中心内容和关键是水库调度 水电站长期优化调度 1 2水电站长期运行调度具有如下特点 天然来水的剧烈变化和水库调节能力影响更显著具有较大调节能力水库的长期调节水电站 可以对长时期 季 年及多年 内剧烈变化的天然来水径流起调节作用 将丰水期或丰水年份的多余水量蓄起来 在枯水期或枯水年份使用 以增加水电站的发电流量和其它部门用水 更好的适应电力负荷变化和满足综合利用要求 水电站长期运行调度 原始信息的随机性和不确定性使水电站及其水库长期运行调度更加复杂困难根据不确定性和随机性很大及精度较差的长期预报信息资料制定长期运行方式计划是一个极为困难复杂而又必须想方设法解决的问题 水电站长期运行调度 水电站长期运行调度方法 一 调度图 按以实测的径流时历特性资料为依据计算和编制的一组综合考虑各种可能来水 以水库水位Z 或蓄水V 为纵坐标 以时间t为横坐标的调度线组成的调度图 根据面临时刻水库实际蓄水在该图中的位置进行调度 决策水库和水电站及其它综合利用部门的工作 水电站长期运行调度 1 2 1 2 A D C B E 死水位 正常蓄水位 Z m t 月 水库基本调度图1 上基本调度线2 下基本调度线 水库基本调度图分为五个主要区域 A区 供水期出力保证区 B区 蓄水期出力保证区 C区 加大出力区 D区 供水期出力减小区 E区 蓄水期出力减小区 水电站长期运行调度 水库调度图 水库基本调度图 总之 当一个时段的来水高于调度范围时 前一个时段就要放水 低于调度范围时 前一时段就要蓄水 1 上基本调度线 2 下基本调度线 A区 供水期出力保证区 B区 蓄水期出力保证区 C区 加大出力区 D区 供水期出力减小区 E区 蓄水期出力减小区 水库水位在此区域内时 水电站应及早减小出力工作 一 加大出力调度线 运行至时 发现水库实际水位比该时刻水库调度线相应的水位高出 可用它来加大水电站出力 常见以下三种运行方式 加大出力和降低出力 1 立即加大出力 使水库水位在时段末ti 1就落在上调度线 上 2 后期集中加大出力 线 这种方式可使水电站较长时间处于较高水头下运行 对发电有利 但出力不均匀 3 均匀加大出力 线 使出力均匀 充分利用水能资源 1 上基本调度线 2 下基本调度线 二 降低出力调度线 经过一段时间至时 由于出现特枯水情况 水库供水的结果使水库水位处于下调度线以下 出现不足水量 常见以下三种运行方式 1 立即降低出力 线 使水库蓄水在ti 1时就回到下调度线上 2 前期保证出力 后期集中降低出力 线 调度方式简单 且系统正常工作破坏的持续时间较短 但破坏强度大 3 均匀降低出力 线 该方式使破坏时间长 但破坏强度最小 加大出力和降低出力 二 调度函数 为了能够根据所获得的多种调度信息对水电站水库进行调度 作为调度图的延拓 应当利用调度函数作为调度工具 以调度函数为工具的调度是间接利用优化技术的更概括的水库最优调度 实际上也可将调度图看作为一种最简单的调度函数 水电站长期运行调度 影响水电站水库时段决策的主要因素为本时段初的水库存水状态St 1 水位或库容 和本时段的入库径流It 决策变量ut 通常可取为时段末水位 库容 时段下泄流量或时段发电出力 是时段初的水库存水St 1和入库径流It的函数 由于任一光滑的非线性函数 在一定范围内 都可用线性函数 切线或切面 来近似 所以 我们假设调度函数是线性的 即假设 Ut aIt bSt 1 c其中a b c为回归系数 调度函数的形式设定后 余下的工作就是如何从历史资料中求出系数a b c 水电站长期运行调度 调度函数的制作方法 第一步 利用长系列年内逐旬径流资料 按水利年逐年对水库进行优化调度计算 得到水库长系列的逐年运行过程 计算过程中 水库始末水位均设为死水位 水利年起始时间从5月下旬开始 即5月20日为起算日期 同时 在计算过程中 考虑水库的防洪 供水等相关约束条件 第二步 采用人工神经网络模型 对水库长系列运行过程进行统计回归 得到水库调度函数 已知输入 面临时段初水位 预测入库流量 输出 面临时段发电出力 调度函数 计算流程 水库调度函数方法的优缺点 优点 包含水电站优化运行的规律性信息 仅需要对面临时段的来水流量做出预测 缺点 需要水库具有长系列历史径流资料 三 预报调度滚动决策方法按照电网调度要求 根据预知的入库 或区间 径流 采用优化算法 编制梯级电站中长期调度方案 并能根据径流预测的修正 进行调度方案的滚动计算 确定水库控制水位 电站年内各月发电量 发电收入 水电站长期运行调度 滚动决策采用逐时段向前滑动的 以不断修正的面临实时预报调度期发电量优化策略为控制的面临决策调度方法 每滑动一次的面临决策都是指其相应实时预报期第一时段 即面临时段 的决策 其实质是 对由计算时段t1 tT组成的计算期 根据按一定优化准则和在计算期初获得的初始调度信息所进行的优化计算结果得出最优决策值序列X1 1 X1 T 构成的初始最优策略 即初始的最优运行调度方式 且初始时段最优决策X1 即等于X1 1 水电站长期运行调度 运行中 随着对面临时段以后更精确调度信息的逐步获得和预报更新 主要是径流预报的更新 对初始最优策略 运行调度方式 相应作出不断修正 并据之得出新的面临时段的最优决策 这样 逐次从面临时段之前所达到的状态出发 根据不断更新的预报信息 优化计算结果 最终得到下列不断修正模式的矩阵 水电站长期运行调度 水电站长期运行调度 X1 1X1 2X1 3 X1 TX2 2X2 3 X2 TX3 3 X3 T XT T 其中 每一与面临时段决策及到计算期末的运行调度方式相应的一行是对上一行前一时段到计算期末运行调度方式的修正 这样 随着面临时段调度信息的不断更新预报 计算期的逐步缩短 矩阵中相应行的列数也不断减少 显然 由矩阵主对角线相应的各时段决策构成的调度策略X1 1 XT T即为最优策略 即实际采用的水电站及其水库的最优运行方式X1 XT 目标函数 选择下列两项目标 即 梯级电站年内出力最小的时段的出力尽可能大 即最大化最小出力 该目标的效果是为电网提供尽可能大的均匀的可靠出力 目标 式中 NP为整个梯级最大化的最小出力 MW Ai为第i个电站出力系数 Qit为第i个电站在第t时段发电流量 m s Hit为第i个电站在第t时段平均发电净水头 m T为年内计算总时段数 计算时段为月 12个月 N为梯级电站总数 梯级电站年发电量最大 目标 式中 E为电站最大化第k年年发电量 Mt为第t时段小时数 L为系列长度 年 其它符号意义同前 约束条件 水量平衡约束式中 为第i个电站第t时段末水库蓄水量 为第i个电站第t时段初水库蓄水量 为第i个电站第t时段入库流量 为第i个电站第t时段弃水流量 水库蓄水量约束 水库下泄流量约束 电站出力约束 非负条件约束上述所有变量均为非负变量 电站下泄流量约束 变量非负约束 水量平衡约束 水库蓄水量约束 电站出力约束 约束条件 约束条件 水库水位约束 水电站长期运行调度 综上所述 水库 电站 长期 年内逐旬 优化调度数学模型为 年初水位 年末水位 最高水位 最低水位 1 3 2 4 5 水库水位离散 动态规划 引言基本概念和应用动态规划模型的基本要素基本定理和基本方程适用条件基本思想动态规划算法的基本步骤数学理论模型 引言 由一个问题引出的算法 例1 最短路径问题现有一张地图 各结点代表城市 两结点间连线代表道路 线上数字表示城市间的距离 如图1所示 试找出从结点A到结点E的最短距离 动态规划的改进方法 微分动态规划法 DDP 状态增量动态规划法 SIDP 或简称增量动态规划法IDP 离散微分动态规划法 DDDP 逐次逼近动态规划法 DPSA 最短路径问题 年初水位 年末水位 最高水位 最低水位 1 3 2 4 5 水库水位离散 宝兴河梯级电站基本参数 径流资料2006年天然径流资料 期初水位2130米 期末水位2130米 枯期梯级最小出力限制318MW丰期梯级最小出力限制370MW 径流资料 期初水位 期末水位 出力限制 中长期优化调度实例计算 调度结果图示 注 电量 MW h 电量统计 电量结构 计算结果表明 经过优化计算后梯级总电量得到了提高 枯期电量比例较大 丰平枯期电量结构更合理 可以看出 通过水库调节 可以较好地实现 保证梯级电站年内最小出力尽可能大 和 梯级电站年发电量最大 等多项目标 成果分析 4 水电站短期优化调度 水电站短期优化调度 水电站短期经济运行是将其长期经济运行所分配给的一定较短时期 周 日 的输入能在其中各更短时段 日 小时 间合理分配 制定短期经济 或最优 运行方式 周经济运行是确定水电站在周内各日的最优发电量和相应的水库最优调度方式 日经济运行是确定水电站在日内各小时的发电量和相应的水库最优调度方式 水电站短期优化调度 问题 1 日前预发电计划的编制2 梯级的总发电量一定时 电量在各电站怎样分配目标 1 梯级日发电收益最大2 梯级耗水最小化方法 根据电网调度方式和梯级水电厂运行侧重点不同 分别建立数学模型 优化求解 梯级水电站群短期优化调度研究 以日为周期 考虑电网潮流分布 网内其他水火电站发电出力等因素 在由中长期优化调度方案确定的硗碛水库水位 以及预报径流 检修计划等条件下 以日发电收入最