一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法

摘要

本发明公开了一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法，具体按照以下步骤实施：步骤1，建立厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数；步骤2，对步骤1的厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数设定约束条件；步骤3，采用DRS‑DSA算法求解厂间经济运行目标函数。本发明方法解决了现有方法得到的结果不稳定、计算耗时长且有效性差的问题。

说明书

技术领域

本发明属于水电站经济调度技术领域，涉及一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法。

背景技术

梯级水电站经济调度问题具有庞大且复杂的约束条件集。复杂的约束条件使得可行解空间不连续，致使最优解的搜索难度大大增加。为解决此类梯级水电站经济调度问题，国内外学者开展了大量研究，提出了多种线性规划、动态规划类以及智能进化类算法。然而，遗传算法、粒子群算法等智能进化类算法在面对梯级水电站水力联系复杂、决策变量较多、约束条件繁杂等问题时，计算结果的稳定性、有效性难以保证；动态规划类算法随着决策变量离散精度、电站数量、时段数等因素的增加，计算耗时以及存储空间大规模增长，出现“维数灾”的问题。

在此背景下，“降维”成为国内外水电系统研究的热点之一。综合来看，降维策略可分为减少梯级水电站优化数量的空间降维，降维策略大幅降低了梯级水电站优化调度问题的计算复杂度，使计算结果的稳定性和有效性得到保证；同时提升了计算效率，避免出现“维数灾”的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法，解决了现有方法得到的结果不稳定、计算耗时长且有效性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法，

具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数；

步骤2，对步骤1的厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数设定约束条件；

步骤3，采用DRS-DSA算法求解厂间经济运行目标函数。

本发明的特征还在于，

厂间经济运行目标函数的表达式为：

式(1)中，F为梯级电站期末总蓄能；E

其中，

式(2)中，W(n)为电站n在调度期末死水位以上的蓄水量；W

厂内经济运行目标函数的表达式为：

式(3)中，Q为电站耗水量；Q

根据动态规划最优化原理，顺向递推公式(3)，则：

式(4)中，

约束条件包括：单一时段型约束，时段耦合型约束和水位协调型约束。

单一时段型约束包括：梯级水电站出力约束、水量平衡约束、水库库容约束、水库出库流量约束、电站旋转备用容量约束、水轮机水头限制约束、电站限制区约束；

(1)梯级水电站出力约束：

式(5)中，P

(2)水量平衡约束：

式(6)中，V

(3)水库库容约束：

V

式(7)中，V

(4)水库出库流量约束：

式(8)中，Q

(5)电站旋转备用容量约束：

P

式(9)中：P

(6)水轮机水头限制约束：

式(10)中，H

(7)电站限制区约束：

式(11)中，

时段耦合型约束包括：电站出力爬坡约束、机组最短开停机时间约束；

(1)电站出力爬坡约束：

|P

式(12)中，PC

(2)机组最短开停机时间约束：

式(13)中，

水位协调型约束：电站运行中设置有高限水位和低限水位，梯级水电站联合运行时，电站应在处于经济运行区或者同时高限水位区或者同时低限水位区；

其中，低限水位＜经济运行区＜高限水位。

步骤3具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，初值确定

设定n个电站的总出力P

步骤3.2，降维寻优

将总时段数T分为若干个阶段，则每个阶段中包含若干个时段，每个阶段中的时段数相等且阶段数能够被总时段数T整除，在每个时段内通过Box-Behnken Design方法对步骤3.1中的各个电站初始出力进行相同的增减操作，再按照步骤3.1中的计算过程，得到增减操作下的梯级电站期末总蓄能F，将增减操作下的梯级电站期末总蓄能F进行对比，选取其中最大的梯级电站期末总蓄能F为优化梯级电站期末总蓄能F；将优化梯级电站期末总蓄能F所对应的增减操作后的各个电站出力为各个电站优化出力；

步骤3.3，逐步寻优

对步骤3.2中的各个电站优化出力进行增减操作，增减操作的步长为5MW～10MW，再按照步骤3.1中的计算过程，得到寻优的梯级电站期末总蓄能F，将寻优的梯级电站期末总蓄能F进行对比，选取其中最大的梯级电站期末总蓄能F为最优梯级电站期末总蓄能F；将最优梯级电站期末总蓄能F所对应的各个电站出力为各个电站最优出力。

本发明的有益效果是，本发明采用DRS-DSA算法，通过三次降维，即初值确定、降维寻优、逐步寻优，得到最优的梯级水电站经济调度模型，即厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数，结果稳定且耗时段，有效性好且对约束条件有良好的适用性，从而为梯级电站的水电站经济调度提供可靠的方案及依据。

附图说明

图1是本发明一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法与DSA算法的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种适应复杂约束的梯级水电站经济调度逐次降维方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1，建立厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数；

在“以电定水”模式下，为了考虑水库蓄水量在不同电站上所产生的能量效应，采取梯级电站期末总蓄能最大为目标，则厂间经济运行目标函数的表达式为：

式(1)中，F为梯级电站期末总蓄能；E

其中，

式(2)中，W(n)为电站n在调度期末死水位以上的蓄水量，即调度期末电站所在水库库容V

厂内经济运行旨在解决各个时段全厂负荷一定时的机组出力分配问题，耗水量最小是厂内经济运行的主要目标，为提升求解速度，厂内经济运行的结果以不同机组组合下的离线经济运行表形式出现，以电站不同机组组合为分类，其内部为不同水头、不同出力时，耗水量最小目标下的各个机组出力与发电流量，则厂内经济运行目标函数的表达式为：

式(3)中，Q为电站耗水量；Q

根据动态规划最优化原理，顺向递推公式(3)，则：

式(4)中，

步骤2，对步骤1的厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数设定约束条件，约束条件包括：单一时段型约束，时段耦合型约束和水位协调型约束；

单一时段型约束包括：梯级水电站出力约束、水量平衡约束、水库库容约束、水库出库流量约束、电站旋转备用容量约束、水轮机水头限制约束、电站限制区约束；

(1)梯级水电站出力约束：

式(5)中，P

(2)水量平衡约束：

式(6)中，V

(3)水库库容约束：

V

式(7)中，V

(4)水库出库流量约束：

式(8)中，Q

(5)电站旋转备用容量约束：

P

式(9)中：P

(6)水轮机水头限制约束：

式(10)中，H

(7)电站限制区约束：

式(11)中，

时段耦合型约束包括：电站出力爬坡约束、机组最短开停机时间约束；

(1)电站出力爬坡约束：

|P

式(12)中，PC

(2)机组最短开停机时间约束：

式(13)中，

水位协调型约束：电站运行中设置有高限水位(不大于正常蓄水位)和低限水位，电站为预留充足“黑启动”(指整个系统因故障停运后，不依赖别的网络帮助，系统可自行恢复)、突发洪水等应急操作时间，电站运行中均会设置高限水位，为防止水库水位过低影响后续时段电站发电或当前时刻坝前水位过低影响水轮机组引水流量等因素，电站也会设置低限水位，电站运行中应避免在高限水位以上和低限水位以下长时间运行，梯级水电站联合运行时，电站应在处于经济运行区(低限水位＜经济运行区＜高限水位)或者同时高限水位区或者同时低限水位区，则梯级水电站所在水库水位不同组合方式下电站出力方式如下表所示：

梯级电站联合经济运行指两库水位同处经济运行区时，遵循厂间经济运行目标函数下的联合调度；

A电站和B电站为任意两座梯级水电站；

步骤3，采用DRS-DSA算法(Dimensionality-reduction strategy-based dynamicsearch algorithm，DRS-DSA)及传统动态搜索算法(DSA算法)求解厂间经济运行目标函数和厂内经济运行目标函数；

即以传统动态搜索算法(DSA算法)求解厂内经济运行目标函数，以DRS-DSA算法求解厂间经济运行目标函数；

具体按照以下步骤实施：

步骤3.1，初值确定

设定n个电站的总出力P

步骤3.2，降维寻优

将总时段数T分为若干个阶段，则每个阶段中包含若干个时段，每个阶段中的时段数相等且阶段数能够被总时段数T整除，在每个时段内通过Box-Behnken Design方法对步骤3.1中的各个电站初始出力进行相同的增减操作，再按照步骤3.1中的计算过程，得到增减操作下的梯级电站期末总蓄能F，将增减操作下的梯级电站期末总蓄能F进行对比，选取其中最大的梯级电站期末总蓄能F为优化梯级电站期末总蓄能F；将优化梯级电站期末总蓄能F所对应的增减操作后的各个电站出力为各个电站优化出力；

以电站执行每15分钟的日前计划为例，则一天24小时可划分总时段为96个时段，若执行每60分钟的日前计划，相应的计算总时段为24个时段；以96个时段分为3个阶段为例，则形成1-32时段、33-64时段、65-96时段三个阶段，每个阶段中包含32个时段；

步骤3.3，逐步寻优

对步骤3.2中的各个电站优化出力进行增减操作，增减操作的步长为5MW～10MW，再按照步骤3.1中的计算过程，得到寻优的梯级电站期末总蓄能F，将寻优的梯级电站期末总蓄能F进行对比，选取其中最大的梯级电站期末总蓄能F为最优梯级电站期末总蓄能F；将最优梯级电站期末总蓄能F所对应的各个电站出力为各个电站最优出力。

实施例

雅鲁藏布江中游藏木—加查梯级电站的装机容量分别为510MW、360MW，机组数量分别为6台与3台，制作藏木—加查梯级电站某两日计划，其中：两站间流量传播时间按15min计；除却传统单一时段约束外，时段耦合型约束主要考虑两电站时段间出力差小于60MW；水位协调型约束主要考虑两站水位分区协调控制，藏木水库高限与低限水位分别为3309m与3306m，[3306m,3309m]为水库经济运行区，加查水库高限与低限水位分别为3245m与3243m，[3243m,3245m]为水库经济运行区。

通过分析采用DRS-DSA与DSA算法得到的结果，可以得出，

(1)典型日1下，采用DRS-DSA与DSA算法得到的梯级电站期末蓄能值相差6.54万kW·h；典型日2下，DRS-DSA算法较DSA算法可实现电量增发效益8.37万kW·h，因此，采用DRS-DSA算法较DSA算法可实现上述电量增发效益；

(2)如图1所示，DRS-DSA算法停留在二次降维阶段(降维寻优)，则其所耗用时间将大大缩小，且均小于DSA算法，并取得更优的调度结果。