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1、华中科技大学硕士学位论文摘要围绕电力系统水电站群长期优化调度管理与控制问题，以“福建电网水电站群优化调度决策支持系统”为实例，在理论上和方法上对水电站群长期优化调度问题作了深入的探讨，并对该系统中数据库的设计过程作了详细介绍。主要研究成果如下：1 ) 阐述了水电站( 群) 优化调度的分类和意义zf 并对国内外水电站的优化调度的理论和方法进行了全面的评述，指出了进一步研究的方向。J ，2 ) 介绍了“福建电网水电站群优化调度决策支持系统”的模型结构，f 阐明了该研究的意义。，3 ) 以水电站群的长期发电量最大为目标，采用了一种新的求解方法一直接 搜索法求解该方法基于这样一种思想，即在可行域的搜索
2、过程中，当达到约束条件的边界时还能沿着其边界进行搜索。由于该方法在迭代过程中仅涉及目标函数值的计算而不涉及函数的解析性质，因而它不要求目标函数可导。虽然该方法只能处理蓄水状态和出库流量约束，但是，其它约束可通过建立对偶问题、采用惩罚函数以及变量替代的方式进行处理。y4 ) 以福建省的古田一级电站和沙溪口以上的电站群为实例，分别用该方法对单站和电站群系统进行求解，并将单站的优化结果与动态规划方法求得的优化结果进行了分析对比，对站群系统的优化结果也作了详细分析。5 ) 介绍了数据库设计的基本原理和结构。对“福建电网水电站群优化调度决策支持系统”中数据库的作用和特点作了深入分析，介绍了该数据库的逻辑
3、设计和物理设计过程，并就如何改善数据库的性能进行了探讨。，6 ) 对全文的工作进行了总结，并对有待进一步研究的问题进行了探讨。，71 L 0 ，向前搜索一次，得到新的点x o + 兄，比较x o 与z o + 旯两点的函数值，若f ( x o + A ) ，( x o )则搜索成功，下一步以x o + A 为新的出发点，把步长增加为届五( 例如取届= 2 ) 。继续向前搜索。若f ( x o + A ) 0 为事先给定的允许误差，当例 巴办( “)( 3 1 7 )这样，水电系统出力带宽下限约束引入L a g r a n g e 乘子可得对偶规划问题：L ( 九) = 巴取F ( v ) 一哥
4、九。( g 一i N = 0 r v 。i ) ( 3 - 1 8 )约束条件为：( 3 - 3 ) ( 3 5 ) 以及( 3 - 1 7 ) 。 这一优化问题可由直接搜索法求解。其中，蓄水调节对象仅选择调节性能较好水库进行( 以下同，并将不再说明) 。4 ) 对偶乘子更新按照对偶规划理论，为了减小对偶问题与原问题的偏差，J = m i n 三( 允)& z o采用梯度法可对该问题进行求解，迭代策略如下：“) ：。+ s t e p a Lf 2 ( k ) ) O A ,其中，s t e p 为步长，O L ( X ( ”) 觑= g 冲一二只。5 ) 策略可行化可进行如下寻优：( 3 1
5、 9 )( 3 2 0 )华中科技大学硕士学位论文首先根据径流的来水情况判断末水位约束( 3 1 2 ) 的条件是否取得不合理，并进行调整：一般来说，通过经验很容易就能获得对偶规划( 3 1 8 ) 的可行解。如果凭经验不能获得，则需解如下规划问题：m ，i ，n ：。f m a x ( O ，一g 埘2 + m a x ( O ，g 卜酗2 ( 3 - 2 1 )约束于：( 3 - 3 ) 、( 3 - 5 ) 。( 其中g ：。= m a x q ：，：, 7 ( h o ) )6 ) 减少弃出力局部调整由于目标函数的不连续性和部分区域的不光滑性，使得它存在较多“平台区”以致容易陷入局部最
6、优从而产生弃出力。因此在优化过程中对所得策略进行局部修正是必要的。首先，按从上游水电站到下游水电站的顺序逐一进行，对某一时段，在满足出库流量约束的前提下，调整该时段初或末水位以尽量避免由于水电站最大过水能力、装机容量和出力上限的限制而产生弃水。对某目标水电站，按如下步骤进行调整：( 1 ) 前向调整：首先调整该水库时段末水位，若仍然有弃水，再调整其上游长期可控水库该时段末水位，直到不能减少该目标水库该时段弃水为止；( 2 ) 后向调整：先调整该水库时段初水位，若仍然有弃水，再调整其上游可控水库该时段末水位，直到不能减少该目标水库该时段弃水为止；( 3 ) 前向调整：方法同第一步，但适当放松水库
7、控制期末水位( 这是允许的) 。模型的算法流程简图见图3 5 。C 至D图3 5 直接搜索法流程图华中科技大学硕士学位论文4 长期发电优化调度仿真计算本章以福建电网水电站群为例，对前一章所提出的水电站群长期优化调度的理论、模型、算法进行实例分析，其结果验证了本文方法的通用性和有效性。4 1 资料整理水电站水库长期优化调度模型求解需要的资料主要有特性资料和径流资料，为了求解的快速性，对各种资料需要作一些预处理。计算所需资料包括：1 ) 水库特性( v Z 。)库容上游水位关系曲线。采用折线拟合，离散点取5 0 个：库容等间距，并以之为横坐标。由于求解过程中由库容对水位插值较多，这种处理可提高插值
8、速度。2 ) 水库下游特性( Z d q )下泄流量下游水位关系曲线。采用折线拟合，离散点取5 0 个：流量等间距，并以之为横坐标。由于求解过程中由流量对水位插值较多，这种处理可提高插值速度。3 ) 电站出力特性资料长期优化调度研究对象是整个水库，而不需要求解单个机组的具体出力状况。因此电站的出力特性可直接采用所有机组的拟合特性，一般采用二次曲线拟合，其表达式为：f ( q ，h = c ) = a q 2 + b q + B式中：h 为水头。对于每一种机组组合情况，求出各种水头下的拟合曲线( 水头采用等差) 。由于求解过程中由流量和水头对电站出力插值较多，这种处理可提高插值速度。3 ) 历史
9、径流资料水库入库径流序列，时段以旬或月为单位。各时段的入库径流值由指定典型华中科技大学硕士学位论文年或指定概率生成。4 2 动态规划方法动态规划是解决多阶段决策过程最优化问题的一种方法。由于水库优化调度是一个典型的多阶段决策问题，因此，动态规划法在求解这类问题时十分有效。1 ) 阶段变量t把所给问题的过程，恰当地划分为若干个相互联系的阶段。这里将调度期按月( 或旬) 分成T 个时段，以t 为阶段变量，相应的时刻t 为面临时段，时刻t + 1 T 为余留时段。2 ) 状态变量矿状态表示在任一阶段所处的位置，通常一个阶段有若干个状态，描述过程状态的变量称为状态变量。这里选择各时段的水库蓄水量”为状
10、态变量。3 ) 决策变量吼在某一阶段，当状态给定后，可以作出不同的决定，从而确定下一阶段的状态，这些决定即称为决策。这里取水库出库流量或电站出力为决策变量，这里取出库流量4 ，。4 ) 状态转移方程状态转移方程是确定过程由一个状态到另一个状态的演变过程。若给定k 时段的状态变量值和决策变量值，则k + l 时段的状态就完全确定。在水库调度中，水量平衡方程即为状态转移方程，即K + l = l + ( Q f 一吼) a t 。式中：Q f 为t 时段入库流量。5 ) 递推方程递推方程的具体形式与递推顺序和阶段变量的编号有关，这里采用逆序递推，其表达式为：耳( K ) = m 繁( E ( K
11、，Q ，q ，) + 量二- ( 巧“) )华中科技大学硕士学位论文K + l = _ 4 - ( Q f g | ) f 。f = T ，T 一1 ，l取。= 0式中：E ( 杉，q 。) 为面临时段的发电量，E ( 巧+ ，) 为余留期( t + l T + 1 ) 的最大发电量。l输入状态空间离散 f 步长d ，令占；+ ( 巧+ ) = o k=T圈4 1 动态规划法求解流程图华中科技大学硕士学位论文6 ) 目标函数目标函数是用来衡量所实现过程优劣的一种数量指标。这里以整个调度期的发电量为目标函数，即式中：为初始蓄水量。用动态规划求解的流程图如图4 2 所示：为了加快求解速度，可以采用
12、状态增量动态规划法或离散微分动态规划法求解，前一种方法是根据问题求解的精度要求将状态变量由少到多；后一种方法是通过选择试验轨迹，并在试验轨迹的周围形成决策廊道，通过比较选择较优的策略。4 3 结果分析4 3 1 单电站长期发电量最大以福建省的古田一级水电站为实例。该电站水库控制流域面积1 3 2 5 平方公里，多年平均流量4 4 f 2 秒立米，总库容6 4 2 亿立米，具有多年调节能力，正常蓄水位和死水位分别为3 8 2 、3 5 4 米。电站装机容量6 6 万千瓦。设该电站水库莱一年的入库径流资料数据如表4 1 所示，初末水位分别为2 6 2 米、2 6 6 米，出力上下限分别为6 6 M
13、 W 、1 2 M W 。用动态规划方法和上一章介绍的方法求解的结果如表4 2 所示，水库水位变化如图4 2 所示。( 单位说明，上游水位Z 。：1 1 3 ，出库流量q ：m3 s ，出力P ：M W )表4 1 古田入库流量时间l234567891 01 11 2I 流量1 62 52 55 52 91 4 24 08 63 25 42 32 4华中科技大学硕士学位论文表4 2 计算结果直接优化法动态规划法时间出力水位出力水位11 23 6 2 01 23 6 2 021 23 5 4 01 33 5 4 031 23 5 7 11 3 23 5 6 541 23 6 0 31 2 13
14、5 9 051 23 6 7 81 43 6 6 064 83 6 9 85 l3 6 8 674 03 8 0 33 93 7 8 886 63 7 8 06 3 73 7 7 296 63 7 9 26 4 43 7 9 21 06 63 7 5 86 5 73 7 6 81 16 63 7 3 96 5 73 7 5 01 24 63 6 7 35 43 6 9 5汇总4 5 84 6 7 8末水位3 6 6 03 6 6 0图4 , 2 水位变化结果分析：动态规划法是一种很成熟的求解多阶段优化问题的优化方法，对于变量维数不是很多的优化闯题，该方法十分有效。在定的条件下，用动态规划法求得
15、的华中科技大学硕士学位论文结果是全局最优解，从上面的结果也可以看出，动态规划法求得的结果比直接搜索法求得的结果要好。求解过程表明，应用动态规划求得的优化结果和求解速度与状态变量的离散度密切相关。从图4 2 还可以看出，水库的水位在汛前下落到最低，一方面是为了满足电力平衡，另一方面是为汛期腾空水库；汛期来临时逐步提高水位并在一定时间内维持较高水位，以尽量用高水头发电：到汛期末又逐步利用水库的存水发电。4 3 2 水电站群长期发电量最大以福建电网的沙溪口以上电站组成的系统为实例，该水电站群系统包含安砂、贡川、竹溯、斑竹、沙县、高砂、池潭、良浅、孔头、范厝、沙溪口等电站。计算中只考虑高砂和池潭这两个
16、具有长期调节能力的水库，对其它不具有长期调节能力的水库，在计算其相应水电站的出力时采用平均发电效率而不考虑水头影响。该算例中以月为时段取控制期为一年，径流过程采用平水年典型径流过程，即按年平均来水指标统计的5 0 概率对应年份的径流过程，其径流数据如表4 3所示。取高砂初末水位分别为2 4 8 m 、2 5 l m ，池潭初末水位分别为2 5 4 m 、2 5 7 m 。表4 3 入库径流数据单位：立方米，秒1 月2 月3 月4 月5 月6 月7 月8 月9 月1 0 月1 1 月1 2 月安砂3 7 15 5 18 2 43 5 41 8 33 2 51 1 23 3 71 4 81 4 11 0 57 8 5贡川5 4 88 1 31 2 25 2 32 7 04 8 01 6 54 9 82 1 82 0 81 5 51
