基于遺傳算法的水電站優(yōu)化調(diào)度

劉福玉

(遼寧省白石水庫(kù)管理局，遼寧 朝陽(yáng)122000)

【摘要】水電站優(yōu)化調(diào)度的主要目的是能夠充分利用有限的水資源，使發(fā)電量更大，從而提高水電站的經(jīng)濟(jì)效益。由于遺傳算法對(duì)求解的目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)、可導(dǎo)或單峰等性質(zhì)不作約束，使其具有較好的全局最優(yōu)求解能力。將遺傳算法引入到本文研究的水電站優(yōu)化調(diào)度問(wèn)題當(dāng)中，能夠?yàn)樗娬敬_定一個(gè)最優(yōu)的調(diào)度方案。本文在給出電廠出力和各種約束條件的情況下，求解水電站通過(guò)調(diào)度閘門(mén)的開(kāi)啟來(lái)提高水電站的發(fā)電量，同時(shí)提高整個(gè)水電站電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量與運(yùn)行的可靠性。

【關(guān)鍵詞】?jī)?yōu)化調(diào)度；遺傳算法；經(jīng)濟(jì)效益；節(jié)能優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：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

湘祁水電站總裝機(jī)容量80MW，安裝了4臺(tái)20MW燈泡貫流式水輪機(jī)組，其壩址控制流域面積27160km2，正常蓄水位75.5m，總庫(kù)容3.89億m3，是當(dāng)?shù)乜晒╅_(kāi)發(fā)水力資源中較大的電源點(diǎn)。工程以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉、交通、旅游、養(yǎng)殖及城鎮(zhèn)開(kāi)發(fā)等綜合效益。水電站采用右岸廠房、左岸船閘、主河床布置閘壩的布置方案，屬大型水利水電樞紐工程。

1問(wèn)題的提出及方案設(shè)計(jì)

1.1問(wèn)題的提出

湘祁電站作為湖南省永州市祁陽(yáng)縣和衡陽(yáng)市祁東縣交界地區(qū)重點(diǎn)開(kāi)發(fā)的水利樞紐工程，水頭低，弗勞德數(shù)低，單寬流量大，下游水位變動(dòng)較大，來(lái)水隨季節(jié)變化十分明顯，消能不穩(wěn)定，消能后水面波動(dòng)較大。由于類(lèi)似于該水電站的低水頭水工建筑物一般位于河流中下游流域地勢(shì)較為平緩的地區(qū)，對(duì)消能防沖往往不能引起足夠的重視。當(dāng)弗勞德數(shù)Fr<4.5時(shí)，消能效率約為20%～40%，由于消能工的消能效率較低，大量的能量被攜帶到建筑物下游，加劇了消能工下游水流的紊動(dòng)，對(duì)河床沖刷嚴(yán)重。在實(shí)際工程中，往往由于消能問(wèn)題不能夠得到很好的解決，下泄水流具有較大的動(dòng)能，導(dǎo)致河床形成沖坑，岸坡沖毀，下游水位降低，進(jìn)一步惡化了消能防沖的水力條件，對(duì)低水頭水工建筑物的安全威脅增大，甚至導(dǎo)致工程失事，這一點(diǎn)已為工程實(shí)踐和模型試驗(yàn)所證實(shí)。因此，有效解決低水頭、低弗勞德數(shù)水躍的消能防沖問(wèn)題并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化控制，使該水電站機(jī)組的泄洪方式最優(yōu)，獲得最大發(fā)電效益，具有非常重要的意義。

1.2方案設(shè)計(jì)

a.現(xiàn)場(chǎng)收集資料，包括水電站現(xiàn)有泄洪消能方式及在運(yùn)行過(guò)程中某一段時(shí)間的泄洪方式運(yùn)行資料。

b.根據(jù)現(xiàn)在運(yùn)行的水電站泄洪消能方式資料進(jìn)行理論計(jì)算和分析。

c.根據(jù)計(jì)算和分析的結(jié)果，在理論上提出相應(yīng)的幾種優(yōu)化控制方案。

d.建立水電站現(xiàn)有泄洪消能方式數(shù)學(xué)模型，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT分別對(duì)不同的優(yōu)化方案的流場(chǎng)進(jìn)行模擬，包括下游水流流態(tài)、流速分布、壓力分布、消能效率等方面的對(duì)比研究。

e.建立水電站現(xiàn)有泄洪消能方式數(shù)學(xué)模型，通過(guò)試驗(yàn)、測(cè)試、數(shù)據(jù)處理等方法分別對(duì)幾種優(yōu)化方式進(jìn)行對(duì)比研究，得出在不同控制方式下的水流流態(tài)、流速分布、壓力分布、消能效率等。

f.通過(guò)數(shù)值模擬和物理試驗(yàn)的對(duì)比，以及結(jié)合在運(yùn)行某一段時(shí)間內(nèi)的泄洪方式運(yùn)行資料，最終確定出一種可以提高消能效率且適應(yīng)該項(xiàng)目的泄洪消能優(yōu)化控制方式。

2模型的建立

正泄水閘的排水流量Q排計(jì)算公式如下：

(1)

式中b——泄水閘的孔口凈寬，為14m；

n——指數(shù)，對(duì)于孔流取0.5，對(duì)于堰流取1.5；

μ——泄水閘過(guò)水能力綜合系數(shù)；

e——閘門(mén)開(kāi)啟高度；

H——從堰頂算起的閘前水深。

加電站發(fā)電流量計(jì)算公式如下：

(2)

電站機(jī)組出力計(jì)算公式如下：

(3)

式中N——機(jī)組發(fā)電出力；

η——機(jī)組效率系數(shù)；

Q——機(jī)組發(fā)電流量；

H——機(jī)組運(yùn)行水頭；

Z上——庫(kù)前水位；

Z尾——尾水位。

為了提高發(fā)電效益，合理調(diào)控19個(gè)泄水閘的開(kāi)口大小和開(kāi)口數(shù)量，現(xiàn)在暫時(shí)考慮8孔泄洪閘泄洪方案的優(yōu)化。其中Q=Q來(lái)-Q排，發(fā)電流量等于上游來(lái)水減去泄水流量。通過(guò)對(duì)近幾年的數(shù)據(jù)分析，電站發(fā)電出力受到上游來(lái)水和下游尾水位的影響[1-8]。

水庫(kù)的泄水方式的最優(yōu)條件為

等式約束條件為

3模型求解

由于水電站在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中對(duì)閘門(mén)的開(kāi)啟分別為開(kāi)啟3m、開(kāi)啟6m以及全部開(kāi)啟。因此在計(jì)算過(guò)程中將閘門(mén)開(kāi)啟參數(shù)設(shè)置為了3、6、9三種情況，其中3代表閘門(mén)開(kāi)啟3m、6代表閘門(mén)開(kāi)啟6m、9代表閘門(mén)全部開(kāi)啟。不同來(lái)水量時(shí)的閘門(mén)開(kāi)啟情況見(jiàn)下表。

不同來(lái)水量時(shí)的閘門(mén)開(kāi)啟情況表

從上表可以看出，當(dāng)來(lái)水流量在1230m3/s時(shí)，電站處于滿(mǎn)發(fā)狀態(tài)，因此在來(lái)水流量小于1230m3/s時(shí)不用開(kāi)啟閘門(mén)泄流。

通過(guò)計(jì)算得出的具體優(yōu)化調(diào)度如下：

a.當(dāng)Q來(lái)≤1230m3/s時(shí)，僅電站過(guò)流(滿(mǎn)發(fā))，溢流壩不泄洪。

b.當(dāng)1230m3/s

c.當(dāng)2530m3/s

d.當(dāng)3600m3/s

e.當(dāng)4100m3/s

f.當(dāng)4800m3/s

g.當(dāng)電站停機(jī)后，7530m3/s

4結(jié)果分析

根據(jù)水庫(kù)閘門(mén)在不同的來(lái)水量時(shí)的開(kāi)啟情況，可以歸納出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.筆者通過(guò)對(duì)該水電站近年來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行的分析，發(fā)現(xiàn)水庫(kù)的發(fā)電效率與尾水位存在一定的關(guān)系，因此將尾水位對(duì)發(fā)電效率的影響考慮在了模型當(dāng)中。

b.盡量避免機(jī)組發(fā)電與泄洪同時(shí)進(jìn)行，盡量減少水頭損失，同時(shí)增加機(jī)組出力。

c.集中泄洪對(duì)庫(kù)水位影響較大，降低水頭，減少機(jī)組出力。

d.在泄洪不可避免的情況下，先抬高庫(kù)水位再泄洪，機(jī)組出力大于先泄洪再抬高庫(kù)水位。

5結(jié)語(yǔ)

本文提出的是一種基于遺傳算法的水電站優(yōu)化調(diào)度模型，通過(guò)控制水電站閘門(mén)的開(kāi)啟來(lái)減少成本，同時(shí)提高水電站的發(fā)電效率。通過(guò)對(duì)水電站泄洪方式的優(yōu)化控制，可以使下泄水流的巨大動(dòng)能在較短的距離內(nèi)消耗掉，保護(hù)水電站建筑物安全，在與下游水流順利安全地銜接后，避免直接作用于兩岸護(hù)坡，減輕了對(duì)下游河床的沖刷。同時(shí)在保證水電站安全運(yùn)行的前提下，優(yōu)化控制泄洪方式還能夠盡量少棄水、多發(fā)電，提高了水量利用率，從而提高了水電站的經(jīng)濟(jì)效益。

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