深溪溝水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配

鐘 青 祥,李 佳,牟 時(shí) 宇,聞 昕,曾 宇 軒

(1.國家能源集團(tuán)大渡河流域生產(chǎn)指揮中心,四川 成都 610041; 2.河海大學(xué) 水利水電學(xué)院,江蘇 南京 210098)

0 引 言

大渡河流域是中國第五大水電基地,也是長江流域防洪安全的關(guān)鍵屏障。大渡河中游瀑布溝、深溪溝、枕頭壩一級(jí)水電站組成的“瀑-深-枕”梯級(jí)電站主力承擔(dān)四川省電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻任務(wù),受高強(qiáng)度調(diào)峰調(diào)頻要求、水庫庫容較小等不利因素的影響,深溪溝水電站長期面臨機(jī)組頻繁啟停、水位陡漲陡落等難題[1]。因此,通過實(shí)現(xiàn)深溪溝水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷高效優(yōu)化分配,在滿足決策時(shí)效性要求的前提下提高電站運(yùn)行效益、優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行工況,對(duì)于減輕調(diào)度人員壓力,提高調(diào)度決策科學(xué)化水平而言具有重要意義[2-4]。

為優(yōu)化水電站機(jī)組運(yùn)行工況,提高電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配開展了大量的研究。在站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配模型方面,路志宏等[5]提出了一種基于開關(guān)控制的站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配模型,較好地解決了機(jī)組限制運(yùn)行區(qū)等約束問題;孫昌佑等[6]建立了一種水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配的數(shù)學(xué)模型,該模型著重于機(jī)組啟停成本、規(guī)避機(jī)組振動(dòng)區(qū)運(yùn)行策略;李陽[7]建立了水電站機(jī)組組合規(guī)劃模型和機(jī)組啟停決策模型,有效降低了電站運(yùn)行成本,提高了運(yùn)行效益;郭富強(qiáng)等[8-10]以隔河巖水電站為研究對(duì)象,從空間和時(shí)間兩方面建立雙目標(biāo)的廠內(nèi)負(fù)荷實(shí)時(shí)分配模型,在時(shí)間優(yōu)化方面考慮了開停機(jī)、穿越振動(dòng)區(qū)等對(duì)優(yōu)化分配方式的影響,顯著降低了耗水及機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)。在求解算法方面,依俊楠等[11]構(gòu)建了水電站日優(yōu)化運(yùn)行的混合整數(shù)線性規(guī)劃[12-13]模型,顯著降低了電站發(fā)電耗水率;楊侃[14]提出了多重動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型用以求解大型水電站的廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題,獲得了電站各臺(tái)機(jī)組的最佳負(fù)荷分配方案[15-16]。近年來,隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,智能算法逐漸被應(yīng)用于水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的研究中,為水電站實(shí)時(shí)調(diào)度提供了更高效的計(jì)算方式。鐘煒等[17]基于機(jī)組負(fù)荷優(yōu)化分配及機(jī)組組合優(yōu)化的特點(diǎn)提出了一種雙層耦聯(lián)遺傳算法,該算法在實(shí)際工程中得到了較好的應(yīng)用。程春田等[18]分別采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法與粒子群算法[19]求解烏江渡水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題,并從計(jì)算結(jié)果和效率兩個(gè)方面對(duì)比分析兩種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。其他智能算法如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[20]、混沌優(yōu)化算法[21-22]等也在水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行中得到一定程度的應(yīng)用。

綜上可知,水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配方面的模型和算法種類繁多,且相關(guān)技術(shù)相對(duì)成熟,但在實(shí)際工程應(yīng)用中還存在如下不足:① 現(xiàn)有站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配研究的目標(biāo)函數(shù)多數(shù)為耗水量最小,未考慮到電站運(yùn)行的水位目標(biāo),在汛期容易導(dǎo)致大量棄水和閘門頻繁調(diào)整的問題。② 傳統(tǒng)優(yōu)化算法計(jì)算耗時(shí)長,難以滿足實(shí)時(shí)調(diào)度的時(shí)效性要求,智能優(yōu)化算法計(jì)算結(jié)果不穩(wěn)定,難以應(yīng)用于實(shí)際調(diào)度運(yùn)行。

因此,為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高效和經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷分配目標(biāo),本文以大渡河中游深溪溝水電站的實(shí)時(shí)調(diào)度運(yùn)行為背景,提出了一種可以同時(shí)適用于枯期調(diào)度和汛期調(diào)度的基于負(fù)荷分配總表的站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配方法。該方法通過組合的思想降低可行方案數(shù)量以克服構(gòu)建負(fù)荷總表過程中的維數(shù)災(zāi)問題,并設(shè)置耗水量最小和水位平穩(wěn)兩種可以切換的運(yùn)行模式,可以根據(jù)深溪溝水電站實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)快速生成電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配方案。

1 研究區(qū)概況

1.1 流域及電站概況

大渡河發(fā)源于青海省境內(nèi)的果洛山,是岷江的最大支流,其干流流經(jīng)金川、瀘定等縣至石棉折向東流,在樂山市注入岷江。大渡河干流全長1 062 km,全流域面積77 400 km2,年徑流量470億m3,天然落差4 175 m,水能資源豐富。目前大渡河形成了28個(gè)梯級(jí)的開發(fā)格局。其中,下爾呷、雙江口、瀑布溝為年調(diào)節(jié)水庫,其余多為日調(diào)節(jié)或徑流式電站,梯級(jí)之間多為首尾銜接,整體開發(fā)程度高。

深溪溝水電站為大渡河干流的第20級(jí)電站,其上游電站為瀑布溝電站,下游電站為枕頭壩一級(jí)電站。電站正常蓄水位660 m,死水位655 m,正常蓄水位以下庫容3 165萬m3,調(diào)節(jié)庫容848萬m3,為日調(diào)節(jié)電站。電站共有4臺(tái)軸流式機(jī)組,單機(jī)容量16.5萬kW,總裝機(jī)容量66萬kW。

總體而言,大渡河流域來水條件復(fù)雜多樣,流域中游瀑布溝、深溪溝、枕頭壩一級(jí)電站所形成的梯級(jí)電站群共同承擔(dān)電網(wǎng)高強(qiáng)度調(diào)峰調(diào)頻任務(wù),負(fù)荷指令波動(dòng)大。深溪溝水電站為日調(diào)節(jié)電站,水庫庫容較小,調(diào)節(jié)能力較弱,受梯級(jí)電站高強(qiáng)度調(diào)峰調(diào)頻要求的影響,長期存在機(jī)組頻繁操作、水位陡漲陡落等難題,調(diào)度運(yùn)行難度高、人力工作強(qiáng)度大。

1.2 數(shù) 據(jù)

模型所用數(shù)據(jù)主要來源于深溪溝水電站實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù),包含電網(wǎng)下達(dá)的負(fù)荷指令、電站機(jī)組實(shí)時(shí)監(jiān)測負(fù)荷值、入庫流量、實(shí)時(shí)水位等數(shù)據(jù)。

2 模型基本原理

電站實(shí)時(shí)調(diào)度需要根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷指令、電站機(jī)組狀態(tài)及上游來水情況,快速得到在滿足電站運(yùn)行約束條件的前提下,能夠匹配電站運(yùn)行目標(biāo)的站內(nèi)機(jī)組負(fù)荷分配方案。

2.1 目標(biāo)函數(shù)

實(shí)際運(yùn)行過程中,電站不同時(shí)期的調(diào)度往往面臨不同的運(yùn)行目標(biāo),如枯水期通常需要提高電站的用水效率,豐水期往往需要在減少棄水的前提下減小電站運(yùn)行水位的波動(dòng)。因此,本文針對(duì)不同的運(yùn)行需求分別構(gòu)建耗水量最小和水位平穩(wěn)兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

(1) 耗水量最小目標(biāo)函數(shù)。

(1)

式中:G1為耗水量最小目標(biāo)函數(shù);n為電站的機(jī)組臺(tái)數(shù);Q(Ni,t,Ht)為t時(shí)刻i號(hào)機(jī)組在Ni,t出力和Ht水頭下的流量Q;α和β為懲罰系數(shù);Qp1為穿越振動(dòng)區(qū)的懲罰流量;Qp2為開機(jī)或停機(jī)的懲罰流量。

(2) 水位平穩(wěn)目標(biāo)函數(shù)。

(2)

式中:G2為水位平穩(wěn)目標(biāo)函數(shù);Qg為維持水位平穩(wěn)所需要的發(fā)電流量。

Qg,t=It-qt+(V(Zt)-V(Zg,t))/T

(3)

式中:It為入庫流量;qt為泄洪流量;V(Zt)為水位為Zt時(shí)的庫容;V(Zg)為水位為Zg時(shí)的庫容;其中Zt為t時(shí)刻的水庫水位;Zg為水庫的水位目標(biāo);T為計(jì)算的時(shí)間間隔。

2.2 約束條件

(1) 電力平衡約束。

(4)

式中:Pt為t時(shí)刻的電站負(fù)荷指令;Pi,t為i號(hào)機(jī)組在t時(shí)刻的負(fù)荷。

(2) 電站負(fù)荷約束。

(5)

式中:Pmin為電站的負(fù)荷上限;Pmax為電站的負(fù)荷下限。

(3) 振動(dòng)區(qū)約束。

(6)

(4) 水量平衡約束。

Vt+1=Vt+(It-Qt)Δt

(7)

式中:Vt+1為水庫在t+1時(shí)刻的蓄水量;Vt為水庫在t時(shí)刻的蓄水量;It為水庫在t時(shí)刻的入庫流量;Qt為水庫在t時(shí)刻的出庫流量;Δt為時(shí)段時(shí)長。

(5) 水位約束。

Zmin≤Zt≤Zmax

(8)

式中:Zmin為水庫的死水位;Zt為水庫在t時(shí)刻的水位;Zmax為水庫的正常蓄水位。

(6) 流量平衡約束。

(9)

3 求解方法

3.1 負(fù)荷分配總表

水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配需要在滿足電站負(fù)荷、水位要求的前提下,盡可能減少機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)及啟停次數(shù),是一個(gè)多約束、非線性的復(fù)雜問題。采用傳統(tǒng)優(yōu)化算法計(jì)算站內(nèi)負(fù)荷分配方案的耗時(shí)較長,難以滿足實(shí)時(shí)調(diào)度的時(shí)效性要求。為高效求解站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配方案,本文構(gòu)建包含所有可行水頭、開機(jī)臺(tái)數(shù)以及負(fù)荷指令的負(fù)荷分配方案表,實(shí)際運(yùn)行過程中即可根據(jù)電站實(shí)時(shí)狀態(tài)及負(fù)荷指令直接從表中讀取并優(yōu)選負(fù)荷分配方案,用于快速指導(dǎo)電站運(yùn)行。

傳統(tǒng)的負(fù)荷分配方案表通?？煞譃樽顑?yōu)負(fù)荷分配方案表和負(fù)荷分配方案總表兩類。最優(yōu)負(fù)荷分配方案表記錄各水頭及機(jī)組組合下耗水量最少的電站運(yùn)行方案,其優(yōu)勢是精度相對(duì)較高、查表速度快,劣勢是只考慮耗水量最小這一單一目標(biāo),在電站具有其他運(yùn)行目標(biāo)時(shí)難以充分發(fā)揮機(jī)組的調(diào)節(jié)能力。負(fù)荷分配方案總表則記錄電站在各水頭、各機(jī)組組合下的所有可行機(jī)組運(yùn)行方案,其優(yōu)勢是能適應(yīng)電站的各種調(diào)度運(yùn)行目標(biāo),劣勢是方案數(shù)量繁多,提高表格精度時(shí)容易陷入維數(shù)災(zāi)。

為適應(yīng)深溪溝水電站汛期水位平穩(wěn)的運(yùn)行目標(biāo)并克服維數(shù)災(zāi)所導(dǎo)致的表格精度受限問題,本文運(yùn)用組合的思想構(gòu)建負(fù)荷分配總表,將傳統(tǒng)負(fù)荷表中的機(jī)組組合簡化為開機(jī)臺(tái)數(shù),即在構(gòu)建表格時(shí)削弱對(duì)于機(jī)組組合順序的考慮,轉(zhuǎn)而在搜索最優(yōu)方案的過程中以機(jī)組負(fù)荷少調(diào)為目標(biāo)確定機(jī)組組合方案。負(fù)荷分配方案總表示例如表1所列。

表1 負(fù)荷分配方案總表示例(水頭1)Tab.1 Example of load distribution table

3.2 站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配方案優(yōu)選

電網(wǎng)下達(dá)負(fù)荷指令后,可以根據(jù)電站的實(shí)時(shí)水頭、機(jī)組啟停狀態(tài)在負(fù)荷分配總表中快速搜索當(dāng)前時(shí)刻下的最優(yōu)負(fù)荷分配方案,具體流程如下。

(1) 根據(jù)電站當(dāng)前水頭值Ht及負(fù)荷指令值Nt在表格中搜索得到對(duì)應(yīng)的負(fù)荷分配方案集P1。

(2) 根據(jù)電站運(yùn)行的各項(xiàng)約束條件在P1中搜索得到能滿足各項(xiàng)約束條件的負(fù)荷分配方案集P2。

(3) 根據(jù)耗水量最小目標(biāo)或水位平穩(wěn)目標(biāo)優(yōu)選負(fù)荷分配方案集P2中能夠取得最優(yōu)目標(biāo)函數(shù)值的最優(yōu)負(fù)荷分配方案。

(4) 根據(jù)最優(yōu)負(fù)荷分配方案中的開機(jī)臺(tái)數(shù)S*和電站當(dāng)前的開機(jī)臺(tái)數(shù)S更新電站的機(jī)組啟停狀態(tài),具體可分為如下3類情況:① 若S*>S,則開啟當(dāng)前關(guān)機(jī)機(jī)組中關(guān)機(jī)時(shí)間最久的機(jī)組并更新電站機(jī)組啟停狀態(tài)和開機(jī)臺(tái)數(shù)。重復(fù)該操作直至S*=S;② 若S*

4 結(jié)果計(jì)算與分析

為評(píng)估深溪溝水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配模型的運(yùn)行效果,選取枯水期和豐水期兩個(gè)運(yùn)行場景測試模型。經(jīng)測試,每次模型優(yōu)化分配計(jì)算的平均用時(shí)約為0.37 s,滿足實(shí)時(shí)調(diào)度的時(shí)效性要求。

4.1 枯水期站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配

以2019年1月下旬的深溪溝水電站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例。實(shí)際運(yùn)行中,電站機(jī)組共計(jì)啟停27次,穿越振動(dòng)區(qū)54次。經(jīng)站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配模型計(jì)算后,啟停為21次,穿越振動(dòng)區(qū)為42次,降幅約為22.2%。該時(shí)段內(nèi)各機(jī)組的具體運(yùn)行情況如圖1所示。

圖1 2019年1月下旬深溪溝水電站機(jī)組出力對(duì)比Fig.1 Comparison of unit output of Shenxigou Hydropower Plant in late January,2019

該時(shí)段內(nèi)深溪溝水電站實(shí)際運(yùn)行的發(fā)電耗水量約為5.44億m3,模型優(yōu)化計(jì)算的發(fā)電耗水量約為5.43億m3,降幅約0.21%,節(jié)約耗水116.37萬m3;實(shí)際運(yùn)行的平均水位為657.71 m,模型優(yōu)化計(jì)算的平均水位為658.22 m,運(yùn)行水位提升0.51 m;實(shí)際運(yùn)行的耗水率為10.63 m3/(kW·h),模型優(yōu)化的耗水率為10.61 m3/(kW·h),降幅約0.19%,該時(shí)段內(nèi)各主要運(yùn)行參數(shù)如表2所列。

表2 2019年1月下旬深溪溝水電站運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.2 Comparison of operating parameters of Shenxigou Hydropower Plant in late January 2019

4.2 豐水期站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷分配

以2019年7月中旬的深溪溝水電站實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)為例。實(shí)際運(yùn)行中,電站機(jī)組共計(jì)啟停8次,穿越振動(dòng)區(qū)16次。經(jīng)站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配模型計(jì)算后,啟停為4次,穿越振動(dòng)區(qū)為8次,降幅為50%。為實(shí)現(xiàn)水位平穩(wěn)目標(biāo),機(jī)組的負(fù)荷調(diào)整相較于實(shí)際運(yùn)行情況更加頻繁,該時(shí)段內(nèi)各機(jī)組的具體運(yùn)行情況如圖2所示。

圖2 2019年7月中旬深溪溝水電站機(jī)組出力對(duì)比Fig.2 Comparison of unit output of Shenxigou Hydropower Plant in mid July 2019

該時(shí)段內(nèi)深溪溝水電站實(shí)際運(yùn)行的最高水位和最低水位分別為658.98 m和655.16 m,波動(dòng)范圍3.82 m,模型優(yōu)化計(jì)算的最高水位和最低水位分別為659.11 m和657.19 m,波動(dòng)范圍1.92 m,優(yōu)化后水位波動(dòng)范圍減小1.90 m,縮小幅度約為49.74%,該時(shí)段內(nèi)各主要運(yùn)行參數(shù)如表3所列。

表3 2019年7月中旬深溪溝水電站運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.3 Comparison of operating parameters of Shenxigou Hydropower Plant in mid July 2019

5 結(jié) 論

針對(duì)傳統(tǒng)優(yōu)化算法難以滿足深溪溝水電站實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)效性要求以及最優(yōu)負(fù)荷分配表難以適應(yīng)深溪溝水電站水位平穩(wěn)要求的難題,構(gòu)建了包含耗水量最小和水位平穩(wěn)兩種不同運(yùn)行模式的站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配模型,提出了基于組合思想改進(jìn)的負(fù)荷分配總表,實(shí)現(xiàn)了深溪溝水電站的實(shí)時(shí)運(yùn)行效益優(yōu)化。本文的主要結(jié)論如下:

(1) 根據(jù)深溪溝水電站的實(shí)時(shí)調(diào)度需求及機(jī)組運(yùn)行約束建立了深溪溝水電站站內(nèi)實(shí)時(shí)負(fù)荷優(yōu)化分配模型,構(gòu)建了負(fù)荷分配總表,可在0.4 s內(nèi)實(shí)現(xiàn)各運(yùn)行工況下站內(nèi)負(fù)荷優(yōu)化分配方案的快速生成,在完成電站運(yùn)行目標(biāo)的前提下,優(yōu)化電站機(jī)組運(yùn)行工況,可為深溪溝水電站的實(shí)時(shí)調(diào)度提供指導(dǎo)。

(2) 分別以2019年1月下旬和7月中旬為例,通過模型優(yōu)化深溪溝水電站的實(shí)時(shí)負(fù)荷分配方案。與實(shí)際運(yùn)行相比,2019年1月下旬的電站耗水量降低了0.21%,運(yùn)行水位提高了0.51m,穿越振動(dòng)區(qū)及啟停次數(shù)減少了22.2%;2019年7月中旬的電站水位波動(dòng)范圍縮小了49.74%,穿越振動(dòng)區(qū)及啟停次數(shù)減少了50%。