水库优化调度与算法0307.docx
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水库优化调度与算法0307
水库优化调度与算法
20130307
梯级水电站群的类型和特点
在河流的开发治理中，为了从全流域的角度研究防灾和兴利的双重目的，需要在河流干支流上布置一系列的水库，形成一定程度上能相互协作，共同调节径流，满足流域整体中各部门的多种需要。
这样一群共同工作的水库整体即称为水库群。
水库群具有与单一水库不同的两个基本特征：
一是其共同性，即共同调节径流，并共同为一些开发目标（如发电、防洪、灌溉等）服务；二是其联系性，组成库群的各水库间，常常存在着一定的水文、水力和水利上的相互联系，例如,干支流水文情势具有一定的相似性（常称为同步性），上下游水量水力因素的连续性（水力联系），以及为共同的水利目标服务所造成的相互协作补偿关系（水利联系）。
第一节、梯级水电站群的类型
按照各水库的相互位置和水力联系的有无，水库群的类型可以分为：
串联水库群、并联水库群及混联水库群三种。
串联水库群是指布置在同一条河流、如同阶梯的水库群，也就是我们通常所称的体积水库群。
梯级水库群各库的径流之间有着直接的上下联系，有时落差和水头也相互影响。
按照枯水入流和正常蓄水位时各库间回水的衔接与否，又分衔接梯级、重叠梯级和间断梯级三种情况。
并联水库群是指位于相邻的几条干支流或不同河流上的一排水库。
并联水库群有着各自的集水面积，故并无水力上的联系，仅当作为同一目标共同工作时，才有水利上的联系。
混联水库群是串联与并联混合的库群形式。
按其主要的开发目的和服务对象，水库群的类型又分为发电、防洪、灌溉等目的的梯级水库群。
由于目前大多数河流均具有综合利用目标，因此，多数情况下是综合利用的梯级水库群。
第二节、梯级水库群的工作特点
（1）库容大小和调节程度上的不同。
库容大、调节程度高的水库常可帮助调节性能相对较差的水库，发挥“库容补偿”调节德尔作用，提高总的开发效果或保证水量。
（2）水文情况的差别。
由于各库所处的河流在径流年内和年际变化的特性上存在差别，在相互联合运行时，可提高总的保证供水量或保证出力，起到“水文补偿”的作用。
（3）径流和水力上的联系。
梯级水库群径流和水力上的联系将影响到下库的入库水量，上库的落差等，使各库无论在参数（如正常蓄水位、死水位、装机容量、溢洪道尺寸等）的选择或控制运用时，均有极为密切的相互联系，往往需要统一研究来确定。
（4）水利和经济上的联系。
一个地区的水利任务，往往不是单一水库所能完全解决的，例如，河道下游的防洪要求、大面积的灌溉蓄水，以及大电网的电力供应等，往往需要由同一地区的各水库来共同解决，或共同解决能达到更好的效果，这就使组成梯级水库群的各库间具有了水利和经济上的一定联系。
第三节、梯级水库群的水力联系
梯级水库群最主要的特点是上下库间的水力联系，这种联系表现在以下四个方面：
（1）位于上游的、较高调节程度的水库对天然来水其调节作用，因而改变了下游水库的入库流量（包括洪水与枯水）在时间上的变化过程，即改变了年内分配，甚至年际分配。
（2）梯级水库群各库的天然入流（包括区间径流）往往同步性较好，因而上游水库枯水期调节而提高下泄流量，及洪水期通过水库之间削峰、错峰的办法减少的下泄流量，能有效减轻下游水库的调节任务。
但另一方面，梯级水库群的形成，使得各水库之间基本是首尾相接，上游水库的泄洪水量直接进入下游水库，不像原来少库时上游水库洪水要经过一定时间才能进入下游水库，使下游水库对洪水有一定的预见期和准备时间，遇特大洪水时上游水库万一溃坝可能引起“连锁反应”，因此库群的形成又给防洪提出了更高的要求。
（3）上游水库的蒸发损失和耗用水量（如灌溉、供水等）使下游水库的入库径流减少。
（4）如果梯级水库群为同一用水部门服务，例如共同为下游的灌溉、航运或防洪服务时，则它们的工作情况便有密切的、常常是互补的关系。
上游水库放水增加，就可相应减少下游水库的放水。
第四节、梯级水电站群的运行特点
与单水电站的运行相比，梯级水电站群的运行具有以下特点：
（1）发电水量的联系。
下游梯级水电站发电水量即为上游梯级水电站的下泄水量，或主要取决于上游水电站下泄水量，因此，下游水电站的发电量受上游水电站发电量影响明显。
此外，在汛期，若在准确进行洪水预报的基础上，实行上下游梯级水电站的联合运行，做到汛前适当提前降低水位，增加调节库容拦蓄小洪水；汛末及时拦蓄洪水尾巴，增大枯水期发电水量。
（2）发电水头的联系。
梯级水电站群间还存在水头的联系，下游水库若库水位过高，则抬高了上游水电站尾水位，降低上游水库发电水头，减少发电量；下游水库若库水位过低，则自身发电水头亦可能偏低，也导致发电收益减少。
（3）调频、调峰的联系。
梯级水电站群往往供电同一电力主网，且大多承担系统的调频、调峰任务，梯级水电站群通过联合运行，合理分配旋转备用，减少弃水量，同时还可以增大系统调峰容量，提高电网运行的安全稳定性。
流域梯级水电站群中长期联合优化运行
第一节、概述
水电站及其水库中长期运行调度是研究在较长的时期（季、年、多年）内的最优运行调度方式制定和实施的有关问题。
水电站及其水库中长期运行调度分为常规调度和最优调度。
常规调度是根据已有的实测水文资料，计算和编制水库调度图，以此作为水电站水库控制运用的工具。
这种常规调度图简单直观，能利用调度和决策人员的经验，对水库运行调度起到一定的指导作用。
但是，常规调度所利用的调度信息有限，理论上不够严密，所确定的运行调度策略和相应决策只能说相对合理，难以达到全局最优，更难以处理多目标、多维变量等复杂问题。
因此，为了能够利用所获得的各种调度信息，解决更复杂的水电站水库调度问题，就需要采用最优调度方法。
最优调度方法是指运用系统工程的理论和最优化技术，借助于电子计算机寻求最优准则达到极值的最优运行策略和相应决策。
通俗地说，就是根据水库入流过程和综合利用要求，考虑水轮机组的运转特性以及电价因子的作用，制定并实现水电站及其水库长期最优运行调度方式，以获得最大的经济效益。
中长期优化运行的特点
水电站及其水库中长期运行由于跨越的时间较长，其调度具有如下特点：
1、受天然来水剧烈变化和水库调节能力的影响显著水电站在长时期内所利用的天然来水变化剧烈，在时间（年内和年际间）上的分配极不均匀，与用电和用水方式的适应性较差。
为充分利用天然来水径流，更好地满足用电、用水要求，必须兴建具有较大调节能力的水库。
因此，多变的天然来水径流和水库的调节能力，对水电站及其水库的中长期运行方式有显著的影响。
2、原始信息的随机性和不确定性使中长期优化运行变得复杂困难水电站及其水库本身的工作条件就很复杂，再加上他们不但与电力系统和水利系统的其他组成单元和部门有着广泛而密切的联系，还与社会、经济、行政和生态环境等方面有种种联系和相互影响；而决定这些内外部条件、联系和影响的原始信息（特别是天然来水径流，以及电力负荷、系统结构组成、可用容量及其他部门的综合利用要求等）由于受很多随机因素和不确定因素的影响又不能准确预知，因而给预先制定水电站中长期运行方式带来极大困难。
3、分时上网电价政策对中长期优化运行提出了新的要求随着电力体制干戈的推进和发电侧电力市场的开放，我国不少省网已经实施和即将推行分时上网电价政策，即按实际情况上浮、下浮，峰、谷价差可是当拉大，高峰电价可为低估电价的2~4倍甚至更高。
丰、枯电价中，丰水的弃水期电价可比基准电价低30%~50%；枯水期的电价可比基准期电价高30%~50%。
分时电价的实施，使得在进行水电站中长期优化调度时，必须考虑电价因子的影响作用，以使发电公司获得最大的经济效益。
目前研究的途径主要是通过建立水库调度的数学模型进行的，可以从不同的角度对水库（或水利系统）模型进行分类，以有助于求解的探讨，目前主要有一下两种分类方式：
（一）按径流描述方法的详简分类
1、确定性模型水库和水利系统的确定性模型是把入流作为已知，或以可能的几种典型来水情况为已知，因此模型较为简单，严格求解亦较容易。
其求得的最优效益是最大可能的极限值，因此往往难以达到。
2、随机性模型把入流作为一个随机变量或作为一个随机序列（过程）来考虑。
模型一般结构复杂，其求得的效益，当入流值用多年频率分布，结果用期望值表达时，因已具多年“平均”的意义，故最优值可能偏小（丰、平水年），也可能偏大（枯水年）。
在实际运行调度时，两种模型的值都不具有完全优先的指导意义，所以最重要的问题在于尽量减少调度中的不确定性程度，即如何通过提高
预报功能来尽量增加来水的预知性，然后在此基础上进行有效的预报调度。
（二）按目标的选定情况分类
1、单目标最优：
选出一个主目标作为优化目标，其他的目标和要求作为约束条件。
2、多目标最优：
同时考虑几个优化目标（向量最优化问题）
三、中长期优化运行的准则
研究梯级水电站群优化调度时，首先要明确所谓最优是什么，是使什么东西最优。
这就是最优目标或最优准则的问题。
一般这一问题分数量和质量两方面，例如发电效益如何最大，如何供水供电质量最高。
水电站的运行质量，从供电角度看，主要体现在可靠性和稳定性两方面，以及与此相伴随的适应负荷变化、事故顶替的灵活性。
从系统整体运行而言则有周波和电压的稳定性两种质量指标。
从使经济效益最大的角度出发，根据着眼点的不同，在未实行电力市场化之前，主要有下列几种最优性指标或最优准则。
首先，对于单一水电站，最常用的就是使调节
周期内发电量最多
另外，在水利系统中，因各部门大多是通过水量来要求的，故也可以用满足各部门供水供电的要求下，使水利系统总耗水量最少为最优准则。
最后，在电力市场环境下，由于各发电公司产权独立，各发电公司必然以追求发电公司效益最大化为目标，这时就需要考虑电价的影响了。
第二节、单一水电站中长期优化运行
一、研究单一水电站水库调度的意义和应用条件
现代电力系统是由多个水电站、火电站以及其他能源电站联合运行，单一水电站水库的中长期最优发电调度已较少见，但是在下列情况下，仍具有现实意义：
（1）河流开发初期，地区性电网尚未建立，水电站孤立运行时，或虽有地区性电网，但水电比重很大时。
（2）梯级电站群中上游为大库水电站，下游为一串日调节或无调节水电站时，此时，从中长期最优调度而言，此梯级等价于有附加水头的单一电站。
（3）用大系统分解原理研究梯级水电站群，
甚至复杂水利系统的联合最优运行时，每一个水电站作为一个子电站，常要研究其“拟独立运行”的最优方案，作为逐次协调修正的基础。
二、水电站最优运行的物理基础
在已知来水情况下，水电站的发电运行所以有优劣，发电量所以有多少，收益所以有高低，其物理依据可以从发电公司收益的基本公式来分析：
（公式P129）
N二KQH
T
B八CiNi.it
y
从公式来看，发电公司的效益B主要取决于4个因素：
效率K,发电流量Q发点水头H,和电价因子G在河川来水及调节库容已定的情况下，上面4个因素（K、QHC）越大，B值就越大。
所以这里有一个效率、水量、水头和电价的最优利用问题。
K值的大小，对于一定机型是与QH有关的。
QH对效率的综合影响最终寓于机组间的负荷分配情况。
由于长期最优调度通常是以月或旬作为计算单位，不是直接研究年、日负荷图在水电站间的最有分配，一般来说，K、QH的最有利用应综合考虑。
但鉴于机组效率的最有利用具有相对的独立性，故在实际工作中可以把它和Q、H的最优利用分为两步来做：
即在研究中长期最优调度时，视K为常数，在求出逐月逐旬最优平均负荷分配后，再在此基础上考虑K=f1（Q，H）的关系。
研究日负荷的最优分配，也就是研究短期水电站的内经济运行问题。
水量Q的最优利用主要反映在尽量防止和减少弃水上。
这一因素的作用大小，视水库调节程度和当年来水丰枯情况而定。
对于调节程度不高的水库，如不完全年调节和季调节水库，流量的最优利用（除枯水年份外），一般远较水头利用的效益为大，故也更重要。
对于调节性能好的水库，则弃水机会少，水库水头一般也大，故水头利用效益就可能更重要，不过，在水库接近蓄满和涞水较丰的年份，水量利用的效益仍同等重要。
电价因子的影响主要是由于电力市场环境下实行分时电价所致。
虽然在电力市场环境下，电价每时每刻都在发生变化，但在做中长期调度时，一般只考虑丰、枯、平期电价，即将一年分为丰水期、平水期、枯水期三个时期，调度时只考虑丰平枯期电价的影响。
从而将丰水期的来水储存起来，供枯水期利用，从而保证水电站获得最大的收益。
三、单一水电站最优运行方式的制定根据径流描述方法的不同，可以讲水库优化调度模型分为确定性模型和随机性模型两类
（一）确定性来水条件下水电站水库的最优运行方式的制定确定性来水，即假定来水水已知的时间函数，对应于某一确定时间的流量是一个定值。
据此定义可知，过去已经发生过的实测径流过程是随着时间变化的确定性来水过程，人工生产的径流系列也是确定性来水过程。
在确定性来水条件下，水库蓄水量随时间变化的关系线V-t被称为水库调度线。
当水库调度线确定后，水库水位变化、发电流量变化、水电站的收益变化都随之唯一确定。
（二）单库发电调度的确定性模型问题以发电量最大准则相应的单库优化调度确定性模型方法，包括早期的变分法、多元函数极值法，以及近几十年发展起来的动态规划法（包括离散微分动态规划法）、动态解析法、网络模型法和模拟模型等方法。
由于动态规划法对于目标函数和约束条件限制较少，可以求得全调度期内的最优解，因而在水电站水库优化调度中得到了广泛的应用。
四、具有综合利用任务的水电站水库中长期运行调度
综合利用水库具有防洪、发电、灌溉、城市供水、航运、养殖等多种功能，其最优运行调度属于水资源系统多目标决策问题，对于单一的综合利用水库而言，往往将主要开发目标选作基本目标，而把其余目标作为约束条件处理。
从而将多目标规划问题简化为单目标问题研究。
通常的综合利用水库的开发目标可分为防洪和兴利两方面。
水库的防洪安全是首要的，在其调度运行期间，防洪要求常以水库水位或库容作为约束条件处理，即以“硬”约束予以保证。
而兴利方面的各个目标，根据目标的主次，可分为发电为主，和灌溉（或城市供水）为主的综合利用水库等类型。
1、数学模型
目标一：
水电站年内出力最小时段的出力最大，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，充分发挥水电的容量效益，以达到代替火电容量的目的。
NR=maxmin{AQtHt}（\Zt丘T）
式中NPt最大化最小出力，MW
A水电站出力系数；
Qt水电站第t时段发电流量，m3/s；
Ht――水电站第t时段平均发电净水头，mT年内计算总时段数（计算时段为旬，
T=36）。
目标二：
水电站年发电收益最大，即考虑电网丰平枯期上网电价的差异，通过水库调节，使水电站在尽可能增加枯水期发电收入的同时，尽可能增大丰平期的发电收益。
T
Ei=maxF二max'（AptQHMt）（iNN）
t=1
式中E,——水电站最大化第i年年发电收
益•，兀；
Mt第t时段小时数；
NN系列长度，年；
pt——电价因子
约束条件：
（1）水量平衡约束
（2）水库蓄水量约束
（3）水库下泄流量约束
（4）水电站出力约束
（5）非负条件约束
（P132可以专门列一下）
2、模型求解模型求解采用基于二进制编码的遗传算法，它由初始母体群的选取、构造评价函数以及杂交和变异运算等组成，计算时段取旬。
3、计算结果
第三节、梯级水电站群中长期联合优化运行
梯级水电站群中长期联合优化运行需要考虑到以下问题：
第一，要综合考虑梯级水电站群的总体情况，实行联合运行，以实现资源的优化配置。
梯级各水电站之间不仅存在着电力联系，而且存在着水力联系，即梯级中上一级水电站的发电和泄流影响着下一级或更下一级水电站的发电和泄流。
第二，必须考虑可能出现的弃水现象。
在一般情况下，应该尽量避免弃水。
如果由于洪水季节来水过多，或由于某时间系统容量不足，而上一级水电站最大出库流量超过下一级水电站最大出库流量而导致使上一级水电站加大出力不得不造成下一级水电站弃水等情况时，则属于例外。
第三，梯级水电站群的约束和限制条件比一般的水电站更加复杂。
一、梯级水电站间的水力联系
梯级水电站之间的水力联系的第一项内容是流量联系，即上游水电站的下泄流量成为下游水电站的部分来水。
采用计算河渠不稳定流的方法可以较为准确地计算出这种联系，但这种计算十分复杂而又影响调度方案的实时性。
目前公认的、比较合理的简化是：
上有水库蓄水时，上游水库的来水减去蓄入水库的水量，再加上上游水库与下游水库之间的区间来水，就得出下游水电站的来水量；当上游水库供水时，则由上游水电站的来水加上供水量，再加上上游水库与下游水库间的区间来水，即为下游水电站的来水。
qi+q」,i勺严口」—
dt
式中q」——第i-1个水库来水；
V丄第i-1个水库蓄水量；
q」i――第i-1个水库与第i个水库间的区间来水；
q——第i个水库来水；
Qi」第i-1个水库下泄流量。
梯级水电站之间水力联系的第二项内容为水头联系。
它决定于梯级水电站间的衔接情况，即分为重叠式、间断式和连接式。
重叠式是指下游水电站的上游水位即为上游水电站的下游水位；呈间断式衔接时，上游水电站的下游水位决定于其下泄流量；呈连接式衔接时，上游水电站的下游水位Z*d不仅与其下泄流量Q-有关，而且与下游水库存水量V有关。
Zi丄d二Zij,d（Qii,Vi）
二、考虑径流预测的梯级水电站群优化运行滚动决策方法
滚动决策方法是根据不断更新的径流预测信息来修正余留时段的水库最优运行策略，并据此确定水库面临时段所采取的运行决策的一种决策方法。
其实质是，对由计算时段tl,t2,…，tT组成的计算期，根据按一定优化准则和在计算期获得的初始调度信息所进行的优化计算结果,得出由最优决策值序列Xl,1,X12X1T，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X*即等于Xm
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，并据之得出面临时段的新的最优策略。
每次修正时视具体情况，调度信息的预报更新可对面临各时段进行，即做出面临长套中、中套短各种预报时段的预测，而面临时段以后到计算期末可取初始获得的预报信息；也可从面临时段起到计算期末进行，即每次做出相应时期各时段的修正预报。
但不管采用哪种预报方案，都必须根据修正预报的调度信息，逐次优化计算出面临时段到计算期末的新的最优策略及据之确定出面临时段的最优决策。
这样，逐次从面临时段之前所达到状态出发，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：
（矩阵）
在矩阵式中，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，随着面临逐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，由矩阵式主对角线相应的各时段决策构成的调度策略X，1,Xt,t即为最优策略。
三、梯级水电站群中长期优化运行模型
随着电力体制改革的推进和发电侧电力市场的开放，我国电力市场将实行分时上网电价政策，即丰水期上网电价适当降低，枯水期上网电价适当调高，形成具有一定季节点亮差价的上网电价结构，其目的是通过合理的丰枯、峰谷上网电价，调动水电调峰的积极性，从而促进电力资源的优化配置，缓解系统峰荷电量紧张的压力。
在这种情况下，梯级水电站群中长期优化调度必须考虑丰平枯期电价的差异。
（一）模型目标
目标一：
梯级水电站群年内出力最小的时段的处理尽可能的大，即“最大化最小出力”，该目标的效果是使水电站在枯水期为电网提供尽可能大的、均匀的可靠出力，充分发挥水电的容量效益，以达到代替火电的目的。
目标二：
梯级水电站群年发电收益最大，即考虑电网丰、平、枯期上网电价的差异，通过水库调节，是梯级水电站群在尽可能增加枯期发电收入的同时，尽可能增大丰平期发电收益。
电价因子参考某省的分时上网电价政策，枯水期电价在平水期电价基础上上浮50%丰水期电价在平水期电价基础上下浮25%平水期执行基准电价。
电网丰枯电价系数表
时间
枯水期（12~次年4月）
平水期（5、11月）
丰水期（6~10月）
电价因子
1.5
1
0.75
关于区间入流
若梯级水电站间无大的支流汇入，区间径流按流域面积成正比关系。
比如
水电站各级电站区间入流系数表
水电站
A
B
C
D
区间入流系数
1.00
0.03
0.02
0.03
倘若有支流汇入，该如何处理？
（二）约束条件
1、水量平衡约束
2、水库蓄水量约束
3、水库下泄流量约束
4、水电站出力约束
5、非负条件约束
第四节、梯级水电站群间调节效益的经济补偿
在河流水能资源的开发利用过程中，位于河流上游且具有良好调节性能的大型水电站对天然径流的调节，可使下游水电站的能量效益在不增加任何额外投入的情况下得到不同程度的提高。
第一，通过水库调节，对丰水季节超过发电需求的天然径流进行拦蓄，用于枯水季节甚至枯水年份发电，从而避免或减少弃水损失，提高流域的水能利用率；
第二，用户对电力的需求在一日中的不同时间差异很大，通过水库调节，是水电站可以再兼顾其他用水需求的前提下，根据电力负荷变化和电网的分时电价，调整其发电出力，从而提高水电站的经济效益。
第三，通过上游水库调节，将大大缓解下游洪水的威胁，改善河流的径流状况，形成防洪、灌溉、航运、供水、养殖、旅游等综合效益。
同时大库容良好调节能力的水电站投资一般较大，建设周期相对较长，但是其对电力系统的贡献，对下游梯级电站效益的增加并不能在其自身的发电量和售电收入中完全体现，客观上造成了调节水电站的上网电价较高，投资吸引力小。
加之上下游梯级水电站经常处于不同省份，归属不同利益主体，所以，研究梯级水电站间的调节效益的经济补偿问题具有重要的意义。
一、调节效益补偿原则
调节效益的补偿，实际上是发电效益的一种转移。
因为在梯级河流开发中，上游调节性能好的水电站的开发，可是河川丰枯径流更平稳，是梯级下游水电站获得额外的收益，而这部分收益的获得本质上所付出的成本体现在上游水库水电站的较高的建设投资上，所以，应适当调整下游受益水电站的部分增益给上游水库水电站。
在梯级河段中有多个调节水库水电站时，全体水电站的联合运行，还可充
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