基于遗传算法的水电站优化调度

基于遗传算法的水电站优化调度

刘福玉

(辽宁省白石水库管理局，辽宁 朝阳122000)

【摘要】水电站优化调度的主要目的是能够充分利用有限的水资源，使发电量更大，从而提高水电站的经济效益。由于遗传算法对求解的目标函数的连续、可导或单峰等性质不作约束，使其具有较好的全局最优求解能力。将遗传算法引入到本文研究的水电站优化调度问题当中，能够为水电站确定一个最优的调度方案。本文在给出电厂出力和各种约束条件的情况下，求解水电站通过调度闸门的开启来提高水电站的发电量，同时提高整个水电站电力系统的供电质量与运行的可靠性。

【关键词】优化调度；遗传算法；经济效益；节能优化

中图分类号：TV214

Hydropower station optimal scheduling based on genetic algorithm

LIU Fuyu

(LiaoningBaishiReservoirAdministration,Chaoyang122000,China)

Abstract:The main purpose of hydropower station optimal scheduling is to make full use of limited water resources and increasing power generation, thereby improving economic benefits of hydropower station. Since genetic algorithm does not limit solved objective function continuity, derivability or unimodal and other properties. It can achieve better global optimal solution ability. Genetic algorithm is introduced to hydropower station optimal scheduling studied in the paper. An optimal scheduling plan can be determined for hydropower station. In the paper, power plant output and various constraint conditions are given, the power generation of hydropower station can be improved through opening scheduling gate in the hydropower station under the above conditions. Meanwhile, the power supply quality and operation reliability of power system in the whole hydropower station can be improved.

Key words: optimal operation; genetic algorithm; economic benefit; energy saving optimization

湘祁水电站总装机容量80MW，安装了4台20MW灯泡贯流式水轮机组，其坝址控制流域面积27160km2，正常蓄水位75.5m，总库容3.89亿m3，是当地可供开发水力资源中较大的电源点。工程以发电为主，兼有航运、灌溉、交通、旅游、养殖及城镇开发等综合效益。水电站采用右岸厂房、左岸船闸、主河床布置闸坝的布置方案，属大型水利水电枢纽工程。

1问题的提出及方案设计

1.1问题的提出

湘祁电站作为湖南省永州市祁阳县和衡阳市祁东县交界地区重点开发的水利枢纽工程，水头低，弗劳德数低，单宽流量大，下游水位变动较大，来水随季节变化十分明显，消能不稳定，消能后水面波动较大。由于类似于该水电站的低水头水工建筑物一般位于河流中下游流域地势较为平缓的地区，对消能防冲往往不能引起足够的重视。当弗劳德数Fr<4.5时，消能效率约为20%～40%，由于消能工的消能效率较低，大量的能量被携带到建筑物下游，加剧了消能工下游水流的紊动，对河床冲刷严重。在实际工程中，往往由于消能问题不能够得到很好的解决，下泄水流具有较大的动能，导致河床形成冲坑，岸坡冲毁，下游水位降低，进一步恶化了消能防冲的水力条件，对低水头水工建筑物的安全威胁增大，甚至导致工程失事，这一点已为工程实践和模型试验所证实。因此，有效解决低水头、低弗劳德数水跃的消能防冲问题并在此基础上进行优化控制，使该水电站机组的泄洪方式最优，获得最大发电效益，具有非常重要的意义。

1.2方案设计

a.现场收集资料，包括水电站现有泄洪消能方式及在运行过程中某一段时间的泄洪方式运行资料。

b.根据现在运行的水电站泄洪消能方式资料进行理论计算和分析。

c.根据计算和分析的结果，在理论上提出相应的几种优化控制方案。

d.建立水电站现有泄洪消能方式数学模型，利用计算流体力学软件FLUENT分别对不同的优化方案的流场进行模拟，包括下游水流流态、流速分布、压力分布、消能效率等方面的对比研究。

e.建立水电站现有泄洪消能方式数学模型，通过试验、测试、数据处理等方法分别对几种优化方式进行对比研究，得出在不同控制方式下的水流流态、流速分布、压力分布、消能效率等。

f.通过数值模拟和物理试验的对比，以及结合在运行某一段时间内的泄洪方式运行资料，最终确定出一种可以提高消能效率且适应该项目的泄洪消能优化控制方式。

2模型的建立

正泄水闸的排水流量Q排计算公式如下：

(1)

式中b——泄水闸的孔口净宽，为14m；

n——指数，对于孔流取0.5，对于堰流取1.5；

μ——泄水闸过水能力综合系数；

e——闸门开启高度；

H——从堰顶算起的闸前水深。

加电站发电流量计算公式如下：

(2)

电站机组出力计算公式如下：

(3)

式中N——机组发电出力；

η——机组效率系数；

Q——机组发电流量；

H——机组运行水头；

Z上——库前水位；

Z尾——尾水位。

为了提高发电效益，合理调控19个泄水闸的开口大小和开口数量，现在暂时考虑8孔泄洪闸泄洪方案的优化。其中Q=Q来-Q排，发电流量等于上游来水减去泄水流量。通过对近几年的数据分析，电站发电出力受到上游来水和下游尾水位的影响[1-8]。

水库的泄水方式的最优条件为

等式约束条件为

3模型求解

由于水电站在实际运行过程中对闸门的开启分别为开启3m、开启6m以及全部开启。因此在计算过程中将闸门开启参数设置为了3、6、9三种情况，其中3代表闸门开启3m、6代表闸门开启6m、9代表闸门全部开启。不同来水量时的闸门开启情况见下表。

不同来水量时的闸门开启情况表

从上表可以看出，当来水流量在1230m3/s时，电站处于满发状态，因此在来水流量小于1230m3/s时不用开启闸门泄流。

通过计算得出的具体优化调度如下：

a.当Q来≤1230m3/s时，仅电站过流(满发)，溢流坝不泄洪。

b.当1230m3/s

c.当2530m3/s

d.当3600m3/s

e.当4100m3/s

f.当4800m3/s

g.当电站停机后，7530m3/s

4结果分析

根据水库闸门在不同的来水量时的开启情况，可以归纳出以下几点结论：

a.笔者通过对该水电站近年来数据进行的分析，发现水库的发电效率与尾水位存在一定的关系，因此将尾水位对发电效率的影响考虑在了模型当中。

b.尽量避免机组发电与泄洪同时进行，尽量减少水头损失，同时增加机组出力。

c.集中泄洪对库水位影响较大，降低水头，减少机组出力。

d.在泄洪不可避免的情况下，先抬高库水位再泄洪，机组出力大于先泄洪再抬高库水位。

5结语

本文提出的是一种基于遗传算法的水电站优化调度模型，通过控制水电站闸门的开启来减少成本，同时提高水电站的发电效率。通过对水电站泄洪方式的优化控制，可以使下泄水流的巨大动能在较短的距离内消耗掉，保护水电站建筑物安全，在与下游水流顺利安全地衔接后，避免直接作用于两岸护坡，减轻了对下游河床的冲刷。同时在保证水电站安全运行的前提下，优化控制泄洪方式还能够尽量少弃水、多发电，提高了水量利用率，从而提高了水电站的经济效益。

参考文献

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