水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行PPT課件

1、第二節(jié) 水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的“以電定水”模式一、優(yōu)化課題與準(zhǔn)則（一）優(yōu)化課題（二）優(yōu)化準(zhǔn)則二、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型三、數(shù)學(xué)模型求解方法第1頁/共40頁（一）優(yōu)化課題 “以電定水”模式的基本課題是：對(duì)于計(jì)劃期T（總時(shí)段數(shù)，時(shí)間范圍為t0tT），在已知水電站總負(fù)荷過程和預(yù)測(cè)入庫流量過程等條件下，尋求使所采用的優(yōu)化準(zhǔn)則達(dá)到極值的水電站各時(shí)段工作機(jī)組的最優(yōu)臺(tái)數(shù)、組合及有功負(fù)荷在工作機(jī)組間的最優(yōu)分配，以及相應(yīng)的水庫蓄泄?fàn)顟B(tài)變化過程和泄流設(shè)施控制過程。第2頁/共40頁（二）優(yōu)化準(zhǔn)則常用準(zhǔn)則包括：計(jì)劃期T內(nèi)的水電站輸入能Ein(T)最小計(jì)劃期T內(nèi)的水電站效率 最大計(jì)劃期T內(nèi)的水電站能量損失E(T)最小計(jì)劃期T內(nèi)的水

2、電站引用水量W(T)最小( )T第3頁/共40頁二、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型（一）目標(biāo)函數(shù)00( ),1( ,)()( )( )TTn tttininin ittjiL i jETPt dtPt dt0( ),1( , )9.81( )( )minTn ttfd iitjiL t jQt Ht dt式式1第4頁/共40頁離散形式為( )*,11( , )( )min9.81( )( )( )n tTinfd iihtji L t jETQt H tT t ( ),11( , )min9.81( )( )( )/3600n tTfd iitji L t jQt H tT t 第5頁/共40頁 為 時(shí)段水電站

3、總的輸入功率， ； 分別為 時(shí)段 號(hào)機(jī)組的輸入功率， ，發(fā)電流量， ，和機(jī)組（段）水頭， ； 表示 時(shí)段以秒為單位的時(shí)段長， ，為表述方便，用 表示 時(shí)段以小時(shí)為單位的時(shí)段長， 。( )inP ttkW,( )in iPt,( )fd iQt( )iH ttikW3/msm( )T tts( )hT tth第6頁/共40頁0( )( )TttW TQ t dt0( ),1( , )( )( )( )( )Tn ttfd iqd ikz itx itji L t jQtQtQtQt dt min式式2第7頁/共40頁離散形式為( ),11( ,)* ()m in( )( )( )( )( )nt

4、Tfd iq d ikz itx itjiLtjWTQtQtQtQtTt 為 時(shí)段水電站總的引用流量， ； 分別為 時(shí)段 號(hào)機(jī)組的工作流量、啟動(dòng)損失流量、空載流量及調(diào)相損失流量， 。( )Q tt3/ms,( )fd iQtti,( )qd iQt,( )kz iQt,( )tx iQt3/ms第8頁/共40頁式式3( )*,11( , )( )min( )( )n tTfd itji L t jWTQtT t 第9頁/共40頁（二）約束條件1、電力系統(tǒng)約束（產(chǎn)出型約束）2、水庫特性約束3、水電站特性約束4、綜合利用約束5、初始條件約束6、非負(fù)約束第10頁/共40頁1、電力系統(tǒng)約束( )1(

5、, )( )( )n tisji L t jP tP tt時(shí)段水電站總負(fù)荷（出力）第i號(hào)機(jī)組出力式式4第11頁/共40頁2、水庫特性約束（1）水庫水量平衡約束 令：( ),1( , )( )( )( )( )( )n tckfdqsfd iqsji L t jQtQtQtQtQt 則有(1)( )( )( )( )rkckV tV tQtQtT t( ),1( , )( )( )( )( )( )n trkfd iqsji L t jV tQtQtQtT tt時(shí)段末庫蓄水量t時(shí)段初庫蓄水量t時(shí)段平均入庫流量t時(shí)段平均出庫流量t時(shí)段棄水流量 式式5第12頁/共40頁（2）庫容曲線約束(1) (1

6、)shZVZtfV tt時(shí)段末水庫上游水位庫容曲線函數(shù)式式6第13頁/共40頁（3）庫水位或庫蓄水量約束：minmaxminmax(1)(1)(1)(1)(1)(1)shshshZtZtZtVtV tVtt時(shí)段末水庫上游允許最低水位t時(shí)段末水庫上游允許最高水位t時(shí)段末水庫上游允許最小蓄水量 t時(shí)段末水庫上游允許最大蓄水量式式7第14頁/共40頁（4）泄流設(shè)施泄流能力約束：,1( )( )(1)/ 2xieMqsjxie jshshjQtNfZtZt水庫泄洪設(shè)施個(gè)數(shù) 每種泄洪設(shè)施的孔數(shù)泄洪設(shè)施的最大泄洪流能力函數(shù)式式8第15頁/共40頁（5）下游水位流量關(guān)系約束( )( )xyZQckZtfQt

7、t時(shí)段下游平均水位下游水位流量關(guān)系函數(shù)式式9第16頁/共40頁3、水電站特性約束（1）機(jī)組（段）水頭：minmax,( )( )(1)( )( )( )2( )( )iiishshixyiiH ifd iHH tHZtZtH tZtH tH tfQt式式10第17頁/共40頁（2）機(jī)組預(yù)想出力限制：,( )( )yxiyxcl iiPtfH t式式11第18頁/共40頁（3）機(jī)組出力限制：minmax( )( )( )iiiPtP tPt 決定于機(jī)組運(yùn)行條件和電力線路限制等。 如果電網(wǎng)不給定上線，則取預(yù)想出力值。式式12第19頁/共40頁（4）機(jī)組耗流量特性：,( ) ( ),( )fd ii

8、iiQtQ P t H t若采用目標(biāo)函數(shù)式（頁7），則不需要該約束式。式式13第20頁/共40頁4、綜合利用約束（1）出庫流量限制：min( )( )ckxyQtQtt時(shí)段下游綜合利用要求的最小下泄流量式式14第21頁/共40頁（2）下游航運(yùn)約束，表示為：minmin( ),1max( ),1min( ),1xyxyxyxydayZt tTZZt tTZt tT航運(yùn)要求的水位允許最大日變幅，一般還有水位允許最大1小時(shí)變幅限制。式式15第22頁/共40頁5、初始條件約束0(1)sysyZZ計(jì)劃期初始庫水位式式16第23頁/共40頁6、非負(fù)約束 各種變量必須為非負(fù)值。 約束條件的類型和數(shù)量主要與水

9、電站的具體情況有關(guān)。除上述比較通用的約束外，對(duì)整個(gè)水電站還可能增加輸電線路過載能力及水利系統(tǒng)的其他要求等限制條件，為保證機(jī)組和整個(gè)水電站安全可靠工作，還可能對(duì)機(jī)組臺(tái)數(shù)、組合、啟停次序及機(jī)組連續(xù)工作時(shí)間和停機(jī)時(shí)間提出相應(yīng)的約束要求。第24頁/共40頁三、數(shù)學(xué)模型求解方法（一）模型變量分析 長中短期水電站水庫運(yùn)行調(diào)度優(yōu)化模型均具有相同的變量特點(diǎn)，為了選擇各種時(shí)間尺度模型求解中的狀態(tài)變量和決策變量，在介紹模型求解方法之前，這里首先討論一下模型變量關(guān)系，并確定關(guān)鍵性變量。第25頁/共40頁1、模型已知數(shù)據(jù)（1）水電站水庫基本特性： 庫容曲線 、下游水位流量關(guān)系(*)ZVf(*)ZQf 各機(jī)組水頭損失函

10、數(shù) 預(yù)想出力函數(shù),(*)H if,(*)yxcl if 耗流量特性函數(shù) 各泄流設(shè)施的最大泄流能力函數(shù) ( ),( )iiiQ P t H t,(*)xie jf第26頁/共40頁（2）實(shí)時(shí)（或預(yù)測(cè)）數(shù)據(jù)：各時(shí)段（t=1T）長 ，電網(wǎng)給的時(shí)段負(fù)荷 和入庫流量 ，時(shí)段末水庫上游允許最低和最高水位 、 ，各機(jī)組的最小和最大出力 、 ，下游綜合利用要求的最小下泄流量 ，航運(yùn)要求的下游最低水位 和允許最大日變幅 ，計(jì)劃期初始庫水位 。( )T t( )sP t( )rkQtmin(1)shZt max(1)shZt min( )iPtmax( )iPtmin( )xyQtminxyZday0syZ第27

11、頁/共40頁2、模型未知變量（1）水庫類變量：各時(shí)段 末水庫上游水位 和蓄水量 ，各時(shí)期段 水庫下游水位 、棄水流量（2）水電站機(jī)組類變量：各時(shí)段 各機(jī)組水頭損失 、水頭 、預(yù)想出力 、機(jī)組出力 及發(fā)電流量 1tT1tT(1)shZt (1)V t ( )xyZt( )qsQt1tT( )iH t( )iH t( )yxiPt( )iP t,( )fd iQt第28頁/共40頁3、模型關(guān)鍵性變量討論（1）時(shí)段末庫蓄水量。如果已知 ，查庫容曲線可以得到 ，根據(jù)水庫水量平衡方程式 可以反算總出庫流量 ，由總出庫流量 查下游水位流量關(guān)系曲線得下游水位 ，而棄水流量 和總發(fā)電流量 如何分配，則決定于水

12、電站運(yùn)行方式，即必須知道各機(jī)組出力 或發(fā)電流量 。 所以，水庫類關(guān)鍵變量是 或 。(1)( )( )( )( )rkckV tV tQtQtT t(1)V t (1)shZt ( )ckQt( )ckQt( )xyZt( )qsQt( )iP t,( )fd iQt(1)V t (1)shZt 第29頁/共40頁（2）時(shí)段機(jī)組發(fā)電出力或流量。如果已知各機(jī)組發(fā)電流量 ，可根據(jù)水庫類關(guān)鍵變量和式10計(jì)算水頭損失 和水頭 ， 由 再根據(jù)預(yù)想出力函數(shù)式(11) 計(jì)算 ，并根據(jù) 和 查機(jī)組耗流量特性式(13)得機(jī)組出力 。同樣如果知道 ，也可以迭代求解 和其他變量，所以，水電站類關(guān)鍵變量是機(jī)組出力 或機(jī)

13、組發(fā)電流量 。,( )fd iQt( )iH t( )iH t( )iH t( )yxiPt( )iH t,( )fd iQt( )iP t( )iP t,( )fd iQt( )iP t,( )fd iQt第30頁/共40頁 由此可見，水庫類和水電站類關(guān)鍵變量之間具有唯一的轉(zhuǎn)換關(guān)系，無論以哪個(gè)變量為決策變量，均可以計(jì)算其他系列變量。具體選用哪個(gè)變量為決策變量應(yīng)視模型時(shí)間尺度類型（中長期或短期）、給定負(fù)荷約束或用水量約束、以及計(jì)算的快捷方便程度而定。第31頁/共40頁（二）模型求解方法 由于式（3）不考慮機(jī)組啟停水量損失，則用水量最小模型就大為簡(jiǎn)化，因?yàn)椴槐乜紤]時(shí)段之間的關(guān)聯(lián)，可以將該模型分解

14、為T個(gè)獨(dú)立的實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，分別按照第二章介紹的方法進(jìn)行求解即可。( )*,11( , )( )min( )( )n tTfd itji L t jWTQtT t 第32頁/共40頁 運(yùn)用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解實(shí)時(shí)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型，可以得到任意機(jī)組組合或全廠的最優(yōu)動(dòng)力特性曲線 ，該曲線是以水頭H為參數(shù)的曲線簇。但由于計(jì)劃期內(nèi)負(fù)荷過程變動(dòng)或入庫流量過程變化較大時(shí)就會(huì)造成水庫水位或下游尾水位波動(dòng)較大，因此，各時(shí)段水頭可能差別較大，且在沒有確定出庫流量之前，無法計(jì)算水電站或機(jī)組（段）水頭，這就需要采用迭代法進(jìn)行逐時(shí)段計(jì)算，具體步驟如下：*( ,)QP H第33頁/共40頁（1）對(duì)于任一時(shí)段t（ ），假設(shè)出庫流

15、量 ，并令總發(fā)電流量 。（2）根據(jù)水庫水量平衡方程式（5）計(jì)算時(shí)段末庫蓄水量V（t+1），如果V（t+1） ，則令 、且 。由V（t+1）查庫容曲線可以得到 ，由 查下游水位流量關(guān)系曲線得下游水位 ，由式（10）可計(jì)算水電站或機(jī)組（段）水頭 。1tTckQ( )0fdQt max(1)Vt max (1)(1)/( )ckckQQV tVtT tmax(1)(1)V tVt(1)shZt ckQ( )xyZt( )H t第34頁/共40頁 （3）根據(jù) 和時(shí)段負(fù)荷 ，查事先編制好的全廠（或調(diào)用計(jì)算軟件制定的制定機(jī)組組合下的）最優(yōu)動(dòng)力特性曲線 ，可以得到該時(shí)段水電站應(yīng)投入的機(jī)組臺(tái)數(shù)、各機(jī)組編號(hào)（或

16、組合）、各機(jī)組所分配的負(fù)荷以及各機(jī)組發(fā)電流量和全廠發(fā)電流量 。( )H t( )P t*( ,)Q P H( )fdQt第35頁/共40頁 （4）如果 （ 為流量迭代允許誤差），則令 ，并調(diào)整 （應(yīng)注意不小于綜合利用最小下泄流量），重復(fù)（2）（3）直至收斂為止；否則，說明該時(shí)段迭代計(jì)算已經(jīng)收斂，可以進(jìn)入下個(gè)時(shí)段的優(yōu)化分配，直至所有時(shí)段計(jì)算完成。 由于實(shí)際情況非常復(fù)雜，各水電站特性可能差別較大，因此該模型的求解方法也會(huì)差別很大，有些情形比較簡(jiǎn)單，而有些情形則會(huì)造成該模型很難求解，所以需要技術(shù)人員結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在保證計(jì)算精度的前提下，進(jìn)行合理概化，并運(yùn)用科學(xué)的優(yōu)化方法進(jìn)行求解。主要難點(diǎn)表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面不同水電站采用不同的水頭損失計(jì)算方法；水電站機(jī)組類型多、機(jī)組臺(tái)數(shù)多。|( )( )|fdfdQQtQtQ( )( )fdfdQtQtckQ第36頁/共40頁第三節(jié) 水電站短期經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的“以水定電”模式一、優(yōu)化課題與準(zhǔn)則二、優(yōu)化數(shù)學(xué)模型三、數(shù)學(xué)模型求解