基于弃水概率的优化调度构想研究

2015-04-06贵州乌江水电开发有限责任公司水电站远程集控中心贵州贵阳550002

水利水电快报 2015年4期

肖燕(贵州乌江水电开发有限责任公司水电站远程集控中心，贵州贵阳 550002)

基于弃水概率的优化调度构想研究

肖燕(贵州乌江水电开发有限责任公司水电站远程集控中心，贵州贵阳 550002)

由于中长期来水预测结果的不确定性很大，现有的确定性优化调度在实际调度应用中存在一定局限，因此从应用出发，对优化进行了定义与分类。提出了在非弃水期绝对优化状态下，梯级电站最优的能量转换方式应为所有电站持续保持最高水位运行，进而提出了基于弃水概率的以较优水位组合作为调度控制依据的优化调度构想。对研究背景、优化调度的作用及意义等作了介绍。

水库调度;优化调度;水位控制;弃水概率

1 研究背景

对现有的梯级优化调度研究通常是建立模型，采用确定性动态规划求解一段时间内满足约束的最优解，有发电量最大、兼顾保证出力的发电量最大、蓄能最大及最小出力最大等模型。在实际工作中，因难以预测中长期来水，就致使以假定来水已知情况下求出的最优解与实际相去甚远，极大地限制了求解结果的应用。因此，对“优化成果”争论不休已成为常态。

优化成果是基于未来的来水量、已存在的或可能存在的约束条件而获得的结果，由于来水量存在不确定性，约束条件多种多样，因此优化结果往往会随着决策者的主观喜好而变化，且缺少客观的数据支持。这样会导致“优化的方案过于理想，不能满足实际需要，无可操作性”；“不能总是以强调需求为理由不实行优化调度，按目前的需求持续下去，会有一个更不优化的结果”等。当“理想状态”与“可操作性”相互矛盾时，关键在于，能否在调度决策时尽可能地依据客观数据来做出选择判断。

2 优化含义与分类

为便于讨论，先定义优化含义。本文中的“优化”是指综合各方需求，统筹规划，最终获得综合效益最大的具有可操作性方案的过程。

在调度中，通常是在确保安全的前提下满足约束来追求发电量最大，也即通过优化梯级的发电方式,充分利用水资源，同时又能满足各种综合用水的需求。

依据对发电量的影响,将优化分为2类,即绝对优化与相对优化。

(1) 绝对优化。凡是不影响安全、不影响综合利用可以实施的，且可增加长期发电量的一切措施与方法。比如优化检修安排减少对梯级运行方式的限制,使电量增加;加强电网建设,减少线路潮流对水电运行方式的限制，使电量增加;提高水文预报水平,使发电量更大;坝前或尾水清淤以提升水头,增加发电量;优化发电方式，最大可能地利用洪水资源以使电量增加，并使长期发电量最大等。

(2) 相对优化。以牺牲最少的发电量为条件，满足其他综合利用的要求,最终使综合效益最大的措施与方法。相对优化又可分为主观与客观2类，客观类是当前暂时无法改变的。主观类是当前可以改变，但为了满足某一综合利用要求,人为主观地改变运行方式来减少电量,以满足用水需求。如满足当前电网需求、某电站正在实施的工程施工要求、防洪要求、航运、灌溉、线路检修要求而进行的发电方式调整。

实际工作中，2种类型的优化同时存在，且多数相互制约;不过，总体而言,相对优化占大多数。虽然均为优化，但在优先级、手段、取舍方面，两者还是存在较大差别。

绝对优化是首先要争取的，其优先级高于相对优化，即在允许情况下,努力争取发电量最大是永恒的优化目标。在制定优化方案时，客观存在的限制不得不在方案中加以考虑，但这种限制一旦可以取消,则应在第一时间取消。

当发电与其他需求相矛盾时，可以根据需要主观判断，人为选择优先级别，逐次满足必须的综合用水需求，以获得发电量最大。亦即应考虑现实需要和各方利益的需求，在制定发电调度计划时,应以最小的电量损失去满足必要的综合利用要求或客观存在的约束。

3 基于弃水概率的优化调度方法

3.1 无附加约束条件

设想一种理想状态，即梯级电站的每一级电站出力均可在零至装机容量之间变化，且没有任何附加约束。也就是说，在绝对优化的情况下，会是怎样一种状况。

3.1.1 无弃水条件

在无弃水条件下，最优的运行方式就是梯级电站所有水库持续保持在最高允许水位运行，按来水发电，即无弃水时，优化准则是保持高水位运行。在这种情况下，整个梯级处于最优能量转换状态中，对应的水位组合称之为最优水位组合，以这样的方式发电，不会产生额外的能量损失，而且可以使长期发电量最大。

3.1.2 可能产生弃水条件

若某区间来水量增大，则该级及以下的电站需要加大出力，直至达到额定出力，尽量减少弃水。若有可信度较高的预报，可以提前加大出力。最理想的加大出力发电的提前时间是电站在持续满发的情况下，洪水消退至满发需要的发电流量时，水位正好落在水库允许的最高水位上。由于该方式与来水量相关，因此,实际上不大可能获得确切时间来提前加大出力，且会使工作中的操作难度加大。

3.2 有附加约束条件

如果考虑增加约束的情况，那么所有的约束最终都可以转换为不同时段的电站最大、最小出力约束。

随着约束的增加，发现虽然梯级的最优能量转换状态在表现形式上发生了变化，但本质上,仍然是在无弃水时保持最高水位运行，或有可能在弃水时适时提前加大出力，这2种方式并无改变。因此，在任一优化过程中，非弃水期持续保持梯级高水位发电是永恒不变的优化法则。增加约束，只是暂时为了满足约束而使某水库的水位下降;一旦约束解除，其内在的优化法则将会迅速要求抬升水位运行。

如果说绝对优化对应一组最优的水位过程组合，则相对优化表现为在最优水位过程组合的附近运行。因此，只要知道绝对优化对应的水位过程，就能够获知优化调度的操作依据。

3.3 弃水风险评估

中长期来水量具有不确定性，就无法知道在未来确定的时间内水库是否会产生弃水。在进行弃水风险评估时，可以运用长系列水文数据来计算水库某水位产生弃水的概率，以此概率代表其弃水的风险;概率越大，弃水的可能性就越大。弃水概率只是评估弃水风险的方法之一，不论采用什么方法，只要能获得代表弃水风险的指标，便可以作为优化调度的控制值。

3.4 弃水概率的定义与计算

3.4.1 定义

弃水概率是指水库水位控制在某一水位时，在某一固定时段期末发生弃水的可能性。

弃水概率的计算没有统一固定不变的方法，实际上，无论采用什么方法，计算出的弃水概率都应确实能代表水库的弃水可能性。就某一具体水库而言，在特定时间段内，一个库水位将对应一个弃水概率,水位高，则弃水概率大;水位低，则弃水概率小。对于梯级水库而言，其中某库的弃水概率与该库及以上水库的水位相关，根据其代表性与应用需要，可以利用径流频率或洪水峰量频率计算。

3.4.2 单一水库的计算方法

采用径流频率的计算方法如下。

(1) 选取可靠性高的区间长系列日径流资料;

(2) 绘制1，3，5，7d的径流频率曲线，并进行合理性分析;

(3) 根据选定的库水位,求出该水位与在该时段最高允许水位之间的库容差，并折算成相应的流量;

(4) 该折算流量加上发电流量，即可获得不弃水条件下的最大允许流量;

(5) 通过相应的径流频率曲线,查出该最大允许流量所对应的频率,即为弃水概率。

采用洪水峰量频率计算方法如下。

(1) 选取可靠性高的区间洪水峰量资料；

(2) 绘制分期的1、3、5、7d的洪量频率曲线;

(3) 根据选定的库水位,求出该水位与在该时段最高允许水位之间的库容差;

(4) 该库容差加上相应的发电水量,即可获得不弃水条件下的最大允许水量;

(5) 通过相应的洪量频率曲线,查出该最大允许水量所对应的频率,即为弃水概率。

3.4.3 梯级水库的计算方法

梯级水库的弃水概率计算相对复杂，且越位于下游，其计算越困难。目前，还没有成熟统一的方法，主要是难以量化上游来水，一般倾向于简化处理，认为上游电站满发;或是将上游电站的弃水按期望值处理。不过,这些方法在实际中的应用效果还有待检验。

4 弃水概率在优化调度中的应用

可以这样认为，在某一弃水概率(风险)以下,该水库在确定的时间内不产生弃水，其对应的水位则是不弃水状态时绝对优化方式下的最高控制水位。

短期来水预测的准确性明显高于长期。将不弃水状态时绝对优化方式下的最高控制水位组合，作为梯级当期调度控制的末水位组合，根据短期的来水预测进行优化计算，可以使梯级近似地处于不弃水状态而保持高水位运行，从而获得基于弃水概率的最优调度结果。根据情况变化不断滚动计算，最终可以获得长期最优结果。这一优化方法的意义在于以下几个方面。

(1) 优化原则贯穿始终，为寻求长期最优指明方向，即不弃水状态下,尽量保持高水位运行，而且与调度期、约束以及综合用水需求均无关。

(2) 以适当的弃水概率反映中长期来水的不确定性影响,可以经过长期的数据积累与分析，为优化调度提供可靠而客观的科学依据。

(3) 根据精度较高的短期来水预测实施优化计算，而且不断地修正滚动，以使优化调度结果具有较强的指导意义。

弃水概率最关键之处是其具有较好的代表性，对于不同时期、不同调节性能的水库将会有所不同。

4.1 丰枯时期

(1) 枯期。因为来水不确定而导致弃水的可能性小，日调节水库保持在正常高水位附近运行；有调节性能的水库应结合电网消纳能力，依据某一选定弃水风险确定水位的下降过程。

(2) 枯汛或汛枯交替期。发生大洪水的概率较小，可以按区间日径流推算的弃水概率来控制水位。

(3) 主汛期。发生弃水的可能性大，可按洪量推算的弃水概率来控制水位。

4.2 长、中、短期不同调度时段

(1) 长期优化调度。可以分期、分库采取合适的弃水概率，以确定水库各时段的最优控制水位组合过程线;此时的长期优化调度,主要是对电力电量平衡和不同来水情况下的发电量分析展开评估。

(2) 中短期优化调度。可以分库采取合适的弃水概率,以获得时段末水库的最优控制水位组合，并将其作为调度期末的控制目标;根据短期来水预测结果,按梯级水库从上至下逐时段演算，使调度期内各库对应的弃水概率的变化率尽快趋于一致，由此获得中短期调度计划。

4.3 某些情况下的弃水风险校核