基于改进粒子群算法在尤溪流域水电站发电量最大短期优化调度的研究

,

(福建水口发电集团有限公司，福建 福州 350000)

1 引言

从目前我国各水电站调度的实质性问题中不难发现，当前最主要的问题就是解决水电站调度与实际运行所存在的矛盾，解决该矛盾体最客观直接的方式就是通过建立优化调度模型，通过模型的转化来破解水电站调度难题。不过由于梯级水电站优化调度问题具有高维、非线性的特点，且现有的优化算法计算精度还不能较好的满足实际运行要求。为了更好的解决这些问题，充分发挥和利用梯级水电站的运行特点，更好的支持为电力系统的平稳发展，需要对梯级水电站优化调度进行更为广泛且深刻的分析探讨。

2 改进后粒子群优化算法介绍

(1)引入压缩因子χ

相较于权惯系数w而言，当其所处的环境有所改变时，会影响到算法迭代次数的比例关系，同时造成线性关系存在不可转变的状态，存在不同比例的失效情况，因此要及时做出修正。所以，对此我们可以引入压缩因子来阐明调控w,c1,c2值得方式，保证粒子算法的收敛性[11]。一旦采取科学的手段将其加以有效的控制，算法就不必只将vi,j的范围拘泥于[-vmax,vmax]之中。

改进的运动方程式如下：

vi(k+1)=χ(vi(k)+c1r1(pi-xi(k))+c2r2(pg-xi(k)))

(1)

xi(k+1)=xi(k)+vi(k+1)

(2)

(3)

其中：χ为压缩因子，χ∈[0,1]；

φ=c1+c2,φ>4。

大多数研究者将φ设为4.1(即有c1=c2=2.05)，设k=1，χ≈0.729。这在数学上等同于使用了权惯系数的方法。在本文中，各参数的最佳取值为：

c1=2.8,c2=1.3,φ=c1+c2，粒子群规模大小N=30。

3 尤溪流域梯级水电站概况

目前，尤溪流域现已建成由街面、水东、雍口等三大水电站所组成的尤溪串联梯级水电站。其中，坂面电站处于规划建设中，汶潭电站正在建设中。

表1 梯级电站特征指标

4 发电量最大短期优化调度的数学模型

给定水能条件下所能供给电量最大的梯级水电站短期优化调度模型，即“以水定电”模型，它是指在一定的用水量的条件下，合理配置梯级各电站用水量的时间，将梯级水电站水量充分的利用起来，同时满足一天内的其他时段对水量和电量的约束。在优化水电站调度模型时应该综合各串联水库的库存量、水流量、水位调控、水站进出量以及约束条件等各项指标。所以，在单位调度周期内，根据水库库存量的波动，及时更新水电参数，并在此基础上构建梯级水电站短期优化调度模型：

(4)

式中：E为所有调度对象电站的总发电量；

N为梯级水电站总个数；

T为调度时段数；

Pi,t为i电站t时段的平均出力；

Δt为时t段的时段小时数。

约束条件方程：

(1)水位约束

Zi,min≤Zi,t≤Zi,max

(5)

式中：Zi,t、Zi,min、Zi,max分别为i水库t时段水位、允许最低水位和最高水位。

(2)出力约束

Pi,min≤Pi,t≤Pi,max

(6)

式中：Pi,t、Pi,min、Pi,max分别为i电站t时段的出力均值，及i(N为参与调度电站的数量)调度出力最小值与最大值。

(3)流量约束

Qi,min≤Qi,t≤Qi,max

(7)

式中：Qi,t、Qi,min、Qi,max分别为i水库t时段出库流量、允许最小出库和最大出库流量。

(4)水位边界条件约束

Zi,T=Zci

(8)

式中：Zi,T、Zci分别为i水库调度时段T的水位和调度期末控制水位。

(5)水量平衡约束

Wi,t+1=Wi,t+(Qini,t-Qouti,t-ΔQi,t)×Δt

(9)

Qini,t=Qouti-1,t+Qqi,t

(10)

式中：Wi,t+1、Wi,t依次代表分i水库周期始末库存量；

Qini,t、Qouti,t、ΔQi,t、Qqi,t依次代表i水库时段t进库、出库、水能损耗以及区间局部供给水。

发电量最大为目标的梯级水电站短期优化调度算法流程图如图1所示。

5 模型求解结果及分析

5.1 发电量最大优化调度模型求解

算例采用尤溪流域梯级电站某一日的数据进行计算对比，计算中，以一天为调度期，一个小时为一个调度时段，共24个时段，然后利用改进的粒子群算法以发电量最大为目标函数对尤溪流域梯级电站进行优化调度，算法采用C语言实现，粒子数为30个。

短期调度优化前后日发电量计算结果及对比如表2所示。

表2 短期优化前后日发电量对比

图1 算法流程图

优化前后梯级水电站耗水量如表3所示。

表3 短期调度优化前后梯级水电站耗水量对比

从表3中可以看出，梯级水电站优化后发电量有所增加，优化后梯级各电站发电的总耗水量略有增加，发电效率有所提高。从结果中分析，街面电站作为龙头电站，优化后通过增加发电流量从而增加发电量，也提高了下游电站的可调节来水量，因此街面电站耗水量略有增加；水东电站由于是周调节水电站，调节能力较弱，当街面电站放水后，水东电站能够储水的调节量较少，大部分直接用于发电，经优化后的发电量和耗水量与优化前基本持平；雍口电站有区间来水，并有一定调节能力，也是整个已建的梯级电站的下游，优化效果较为明显，优化后在耗水量基本一致时，发电量有所增加。在整个梯级水电站的优化过程中，街面电站体现出了龙头电站对整个梯级流域的控制作用，使整个梯级电站在增加发电量的同时，发电效率也略有提高。

尤溪流域梯各级电站短期调度出力优化前后对比图如图2～图4所示。从图中可以看出优化后梯级水电站出力建议曲线波动增加。在电力负荷的高峰期，梯级电站的出力波动明显增大，在该时段梯级水电站发挥至关重要的作用，多发电，而电网中其他能源的电厂少发电，从而提高水力资源的利用率，也体现出了梯级水电站在整个电力系统调频调峰以及担当事故备用的作用。

图2 街面电站短期调度出力优化前后对比

图3 水东电站短期调度出力优化前后对比

图4 雍口电站短期调度出力优化前后对比

图5 尤溪流域短期调度出力优化前后对比

6 结论

本片文章主要建立了发电量最大(“以水定电”模型)为目标的短期优化调度模型，采用改进粒子群算法，以尤溪流域梯级水电站为研究对象进行计算，并分析结果。其结果表明梯级水电站优化后发电量有所增加，但总耗水量略有增加，发电效率有所提高。本模型以单一目标为优化模型，在模型的约束条件中，还可以更加丰富，如考虑电网峰谷电价，机组AGC投入状态等。接下来的工作，作者将考虑以耗水量最小(“以电定水”模型)为目标的短期优化调度模型，以及多目标调度优化模型的研究。

[1] 王金文，石琦.水电系统长期发电优化调度模型及其求解[J].电力系统自动化,2002，22(6):26-24.

[2] 孙晓懿，黄强.梯级水电站中长期负荷分配研究[J].西安理工大学学报，2005，(11)：109-114.

[3] 邹建国，芮钧.梯级水电站群优化调度控制研究及解决方案[J].电力自动化设备，2007,27(2)：27-10.

[4] 谢新民.混联水电站水库群系统优化调度问题的研究[J].水电能源科学,1992，10(2)：86-93.

[5] 陈森林，万俊.流域水电站群短期优化调度的均匀用水最小模型[J].水电能源科学,1999,17(3)：9-12.

[6] 王华春.梯级水电站短期优化调度研究-华电福建梯级电站日优化调度[D].南京航空航天大学,2008(3).

[7] 陈尧，马光文.水电站综合耗水率参数在水库优化调度中的应用[J].水力发电,2009(4):22-28.

[8] 张英贵.电力系统中水电厂群日优化运行[M].华中理工大学出版社,1994,1-194.

[9] 刘鑫卿，张士军.梯级水电站流量滞后性影响研究[J].华中理工大学学报,1999,5(27):46-48.

[10] 李义.梯级水电站短期优化调度的研究与应用[D].2004，武汉：华中科技大学.

[11] 李崇浩，纪昌明.基于粒子群算法的梯级水电厂短期优化调度研究[J].水力发电学报,2006,25(2):94-98.