非基于水情預(yù)報(bào)模型下的流域總負(fù)荷實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹 偉, 寧杰城, 左仁文

(四川華能涪江水電有限責(zé)任公司,四川成都 610041)

1 概 述

我國(guó)水能資源具有以下特點(diǎn):資源豐富,但其時(shí)空分布極不平衡,同時(shí)來(lái)水與需水也不相適應(yīng),因此對(duì)水資源利用進(jìn)行調(diào)節(jié)是必須的。目前,國(guó)內(nèi)可開(kāi)發(fā)的水電資源已經(jīng)面臨飽和,故如何高效利用已開(kāi)發(fā)的水資源,即對(duì)水資源的優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題必將成為將來(lái)需要重點(diǎn)研究的問(wèn)題。

從國(guó)內(nèi)外水資源優(yōu)化調(diào)度的發(fā)展歷史看,已有無(wú)數(shù)前行者對(duì)水資源的優(yōu)化進(jìn)行了非常有意義的探索。國(guó)外優(yōu)化調(diào)度采用的主要優(yōu)化方法有:線性規(guī)劃、動(dòng)態(tài)規(guī)劃、大系統(tǒng)分解協(xié)調(diào)、模擬技術(shù)以及遺傳算法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。但是,由于水資源利用系統(tǒng)的復(fù)雜性、多樣性和綜合性,各種優(yōu)化方法和數(shù)學(xué)模型往往存在“維數(shù)災(zāi)、組合爆炸”而難以求解,從而造成優(yōu)化理論與實(shí)際應(yīng)用之間仍然存在著較大的差距。

傳統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法難以滿足工程實(shí)踐的要求,既有方法本身帶來(lái)的求解難度,也與傳統(tǒng)方法必須是基于預(yù)報(bào)模型做來(lái)流預(yù)報(bào)有關(guān)。預(yù)報(bào)模型的精度本身極難把握,而且要做到實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度,其要求的預(yù)報(bào)精度和靈敏性更高,因此,現(xiàn)存的預(yù)報(bào)模型往往不具備這樣的要求。在我國(guó),近幾年是水電開(kāi)發(fā)的高峰期,很多開(kāi)發(fā)流域不是大江大河,流域上原存的水文資料本來(lái)就十分缺乏,有些甚至沒(méi)有。因此,在這樣的流域根本不可能建立起基于預(yù)報(bào)模型的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。同時(shí),由于過(guò)去受經(jīng)濟(jì)、科技發(fā)展水平的限制,水電站以單站、單庫(kù)分布為常態(tài),而今流域梯級(jí)開(kāi)發(fā)已成為常態(tài),且隨著自動(dòng)化程度的提高,國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)始對(duì) AGC實(shí)時(shí)調(diào)度進(jìn)行研究和實(shí)踐。因此,傳統(tǒng)的調(diào)度方法已經(jīng)很難滿足時(shí)代發(fā)展的要求。

華能涪江公司所屬的火溪河梯級(jí)電站共一庫(kù)四級(jí),于 2008年初開(kāi)始梯級(jí)總負(fù)荷調(diào)度,為研究流域梯級(jí)應(yīng)用型實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)提供了較好的條件。公司人員在這一基礎(chǔ)上進(jìn)行了深入研究,率先提出并構(gòu)建了非基于水情預(yù)報(bào)模型的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。筆者對(duì)該系統(tǒng)的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行了闡述和討論,以期能解決目前在梯級(jí)應(yīng)用型實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)中遇到的難題。

2 應(yīng)用型梯級(jí)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的研究目標(biāo)

應(yīng)用型實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的調(diào)度目標(biāo)是各梯級(jí)電站的負(fù)荷分配——即電調(diào)。但電調(diào)受制于流域不同站的可調(diào)水資源總量,因此,其實(shí)質(zhì)是調(diào)度梯級(jí)電站之間的水資源——即水調(diào)。分析電調(diào)和水調(diào)二者的關(guān)系可知:從長(zhǎng)期看,電調(diào)最終服從于水調(diào),這是因?yàn)榱饔蜷L(zhǎng)期的梯級(jí)總出力最終決定于流域來(lái)水情況;而從短期看,根據(jù)目前的電力系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制,水調(diào)則需首先滿足在流域梯級(jí)電站總負(fù)荷給定情況下的電調(diào)要求。由此我們可以看出:應(yīng)用型實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)要解決的一對(duì)主要矛盾就是:水調(diào)與電調(diào)在短期和長(zhǎng)期兩個(gè)目標(biāo)上相互制約的矛盾。如何做到既能在短期滿足實(shí)時(shí)電調(diào)要求,在長(zhǎng)期又能實(shí)現(xiàn)水資源的最優(yōu)利用就是該系統(tǒng)的研究目標(biāo)。

同時(shí),由于火溪河水文資料缺乏,難以構(gòu)建預(yù)報(bào)系統(tǒng),要實(shí)現(xiàn)流域水資源的最優(yōu)利用,還必須依靠非基于預(yù)報(bào)模型優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)來(lái)協(xié)調(diào)解決電調(diào)和水調(diào)的矛盾,才能保證該系統(tǒng)不僅僅具有理論研究意義,而且是實(shí)際可行的應(yīng)用型系統(tǒng)。

3 解決非基于預(yù)報(bào)模型下的來(lái)流預(yù)報(bào)問(wèn)題

對(duì)來(lái)流情況的掌握是梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)性條件,具有決定性的作用。若沒(méi)有準(zhǔn)確可靠的來(lái)流預(yù)測(cè),則優(yōu)化調(diào)度根本不可能實(shí)現(xiàn)。但正如前面所分析的那樣,很多流域不具備構(gòu)建高精度預(yù)報(bào)模型的條件,在這樣的流域中必須采用非基于預(yù)報(bào)模式下的流域來(lái)流預(yù)測(cè)。

根據(jù)我們對(duì)火溪河流域的研究,發(fā)現(xiàn)該流域植被良好,自然條件較為優(yōu)越,土壤蓄水情況較好。因此,該流域在枯水期和平水期以及汛期非洪水階段來(lái)流均較為穩(wěn)定,來(lái)流變化均成漸變趨勢(shì),突變情況較少。因此,我們考慮用前一時(shí)間周期的來(lái)流平均值代替下一時(shí)間周期的來(lái)流進(jìn)行水資源規(guī)劃具有可行性。若要獲得前一時(shí)間周期的來(lái)流,則可以通過(guò)對(duì)前一時(shí)間周期的發(fā)電、庫(kù)水位變化、機(jī)組特性曲線等進(jìn)行反算得出。為保證來(lái)流的精確性,我們降低了采樣的時(shí)間周期?；鹣恿饔?qū)崟r(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)以 5min為一個(gè)時(shí)間周期進(jìn)行滾動(dòng)演算。

但是,當(dāng)我們知道來(lái)流變化后,對(duì)來(lái)流利用的規(guī)劃也必須改變,否則不可能做到優(yōu)化調(diào)度。但頻繁的更換規(guī)劃模式會(huì)造成對(duì)流域各級(jí)電站機(jī)組進(jìn)行頻繁啟停調(diào)度,從而使系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差,而根本不可能實(shí)際應(yīng)用。因此,在實(shí)際應(yīng)用中,我們實(shí)際采用的是將長(zhǎng)周期來(lái)流平均值做來(lái)流利用規(guī)劃,這樣就能避免機(jī)組運(yùn)行模式的頻繁變更。

4 非基于預(yù)報(bào)模型下的來(lái)流預(yù)報(bào)精確性問(wèn)題

非基于預(yù)報(bào)模型下的優(yōu)化調(diào)度是以流量反算為基礎(chǔ)進(jìn)行調(diào)度的。因此,來(lái)流反算是否精確,則是保證系統(tǒng)構(gòu)建基礎(chǔ)正確的關(guān)鍵。在火溪河流域總負(fù)荷優(yōu)化系統(tǒng)中,我們構(gòu)建了虛擬梯級(jí)系統(tǒng)用以驗(yàn)證反算來(lái)流的精確性。

所謂虛擬梯級(jí)是指:當(dāng)人工將流域總負(fù)荷分配到站后,優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)根據(jù)人工分配到站的負(fù)荷對(duì)各站來(lái)流進(jìn)行反算,并根據(jù)反算結(jié)果繪制各站水庫(kù)水位變化曲線。同時(shí),實(shí)際各站的水位變化也有一條動(dòng)態(tài)曲線,這條曲線是由實(shí)際分配到各站的負(fù)荷和實(shí)際各站來(lái)流的變化情況決定。而決定虛擬梯級(jí)所繪制的庫(kù)水位變化曲線的變化因素則是由實(shí)際分配到各站的負(fù)荷和反算來(lái)流決定的。因此,當(dāng)這兩條曲線基本重合時(shí),則說(shuō)明反算來(lái)流和實(shí)際來(lái)流是一致的,由此就可以保證反算的來(lái)流能夠替代實(shí)際來(lái)流,從而驗(yàn)證其精確性。

5 非基于預(yù)報(bào)模型下的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的自動(dòng)更新

上述措施解決了非基于預(yù)報(bào)模型下的實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)所依據(jù)的來(lái)流問(wèn)題,并對(duì)來(lái)流可以利用虛擬梯級(jí)的方法進(jìn)行精度驗(yàn)證,但這種方法并不能消除反算來(lái)流與實(shí)際來(lái)流的差異。既然其不能消除差異,則使用反算來(lái)流進(jìn)行優(yōu)化調(diào)度持續(xù)時(shí)間一長(zhǎng)必然會(huì)出現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)異化、誤差擴(kuò)大,但反算流量總是滯后于實(shí)際流量的,因此絕不可能提前消除誤差。唯一可行的辦法是適時(shí)更新反算流量,因?yàn)樵撓到y(tǒng)設(shè)計(jì)的反算是滾動(dòng)更新的,故最近的反算流量與真實(shí)流量的差異是最小的,若能適時(shí)更新,則必然可以較為顯著降低誤差。

設(shè)計(jì)應(yīng)用型實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)需要適時(shí)更新的信息中的調(diào)度流量只是其中之一,筆者就如何自動(dòng)更新調(diào)度流量進(jìn)行介紹如下?；鹣恿饔蛱菁?jí)實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初,我們考慮選用反算來(lái)流與實(shí)際來(lái)流的誤差限度作為實(shí)時(shí)更新的條件,但在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn):流域內(nèi)各站水庫(kù)的調(diào)節(jié)性能不一樣,各站區(qū)間產(chǎn)流特性也不一樣,若以固定誤差限度作為重新掃描條件進(jìn)行負(fù)荷重規(guī)劃,則可能造成某些站調(diào)節(jié)性能利用不足,導(dǎo)致規(guī)劃策略頻繁更換,系統(tǒng)缺乏穩(wěn)定性,進(jìn)而破壞機(jī)組性能。但總負(fù)荷調(diào)度需要四級(jí)同時(shí)規(guī)劃,而不能分別設(shè)置誤差限度條件。若分站進(jìn)行誤差設(shè)置很難兼顧調(diào)節(jié)性能、產(chǎn)流條件、誤差限度之間的矛盾。

經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析后我們發(fā)現(xiàn):水位的變化涵蓋了流量的變化。無(wú)論流量如何變化,最終都會(huì)反映到水位的變化上,而水位控制是系統(tǒng)安全性的首要因素,因此,我們以水位變化的差異作為重新規(guī)劃的條件,使之既能滿足安全性,又能兼顧調(diào)節(jié)性和流量誤差。實(shí)際應(yīng)用中,火溪河流域?qū)崟r(shí)優(yōu)化系統(tǒng)采用水位誤差重掃描方法,確實(shí)較好的解決了這一矛盾。

6 解決 AGC實(shí)時(shí)調(diào)度與長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度相互兼容的方法

我們知道,AGC實(shí)時(shí)調(diào)度與長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度之間的目標(biāo)是完全不同的:AGC實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度只要能滿足電調(diào)的要求即可,即流域總出力滿足流域總負(fù)荷要求即可。長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度是尋求最優(yōu)利用流域水資源,因此,需要根據(jù)來(lái)水情況合理分配負(fù)荷,而不管電調(diào)的總負(fù)荷要求。如何解決這一對(duì)矛盾,就是我們所要尋求的兼容方法。

首先,我們已經(jīng)分析得出:短期水調(diào)必須滿足電調(diào),這是應(yīng)用型優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的必然要求。因此我們必須將對(duì)水資源的長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度化解為短期優(yōu)化調(diào)度,從而讓水調(diào)滿足電調(diào),由此我們可以將流域水資源長(zhǎng)期最優(yōu)調(diào)度值分解為:

式中 Qmax為 流域每天水資源最優(yōu)調(diào)度值;Q(t)max為每 15min流域水資源最優(yōu)調(diào)度值;t為將一天 24h,按每 15min為一個(gè)點(diǎn),共分為 96個(gè)點(diǎn)。

由式(1)可以看出,只要每 15min梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度最優(yōu),則可保證全天梯級(jí)最優(yōu)。同理,若每天調(diào)度最優(yōu),則可保證全年調(diào)度最優(yōu)。因此,將水資源長(zhǎng)期優(yōu)化調(diào)度化解為短期優(yōu)化調(diào)度是可行的。同時(shí),這種調(diào)度方法不需要建立在流量預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上,只要選擇合適的最優(yōu)化調(diào)度方法,從下到上逐級(jí)優(yōu)化調(diào)度各站,根據(jù)式(2)即可保證 Q(t)max最優(yōu)。

式中 q(i)max為第 i級(jí)電站水資源最優(yōu)利用值,火溪河梯級(jí)共四級(jí)。

7 非基于水情預(yù)報(bào)模型下的流域總負(fù)荷實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的構(gòu)建

筆者撰寫(xiě)此文的主要目的是解決非基于水情預(yù)報(bào)模型的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性問(wèn)題,即流量如何獲得,實(shí)時(shí)總負(fù)荷調(diào)度與長(zhǎng)期、全流域優(yōu)化性的兼容問(wèn)題。筆者未考慮全面介紹構(gòu)建應(yīng)用型實(shí)時(shí)優(yōu)化調(diào)度的所有問(wèn)題。根據(jù)筆者介紹的設(shè)計(jì)思想及基礎(chǔ)問(wèn)題的解決方法,即可以構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng),其程序模塊見(jiàn)圖 1。

圖 1 程序模塊圖

[1] 董子敖.水庫(kù)群調(diào)度與規(guī)劃的優(yōu)化理論和應(yīng)用[M].濟(jì)南:山東科技出版社,1989.

[2] 李鈺心 徐鼎甲.水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,1999.