肖 劍，黃 波，陳永偉，田海平，俞榮厚

(1.國網湖南省公司電力科學研究院，湖南長沙410000； 2.大唐國際發(fā)電股份重慶分公司彭水水力發(fā)電廠，重慶409600)

彭水水電廠廠內經濟運行系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

肖 劍1，黃 波1，陳永偉2，田海平1，俞榮厚2

(1.國網湖南省公司電力科學研究院，湖南長沙410000； 2.大唐國際發(fā)電股份重慶分公司彭水水力發(fā)電廠，重慶409600)

針對重慶大唐彭水水電廠優(yōu)化運行管理的迫切需求，以雙層嵌套的混合粒子群優(yōu)化模型為基礎，提出了基于.NET Framework的彭水水電站廠內經濟運行系統(tǒng)解決方案。詳細論述了彭水水電廠廠內經濟運行系統(tǒng)架構及實現(xiàn)技術，根據彭水電廠實際需求設計了系統(tǒng)的功能結構。實際運行情況表明，該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、界面友好、交互性強，能夠有效提高水電站運行管理水平，具有良好的工程應用價值。

廠內經濟運行；雙層嵌套優(yōu)化； 混合粒子群算法；.NET Framework框架；彭水水電廠

0 引 言

隨著大用戶直購電和“競價上網”運營模式的實施和推廣，水電站逐步成為電力市場競爭的主體[1]。在生產、 運營的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)優(yōu)化管理，減少單位耗水量，降低運行成本，提高自身的競爭能力，是水電廠適應電力市場改革的重要途徑之一[2]。而水電站廠內經濟運行是水電能源經濟優(yōu)化調度得以執(zhí)行的重要環(huán)節(jié)，其主要任務是在是在滿足各種約束條件下，合理選擇水電機組臺數及組合，經濟分配系統(tǒng)負荷和旋轉備用容量，以期獲得最大的經濟效益[3]。因此，建立符合電力市場環(huán)境下的廠內經濟運行優(yōu)化系統(tǒng)，進一步加強運行管理能力，是提高水電站調度水平，實現(xiàn)經濟運行最優(yōu)化的有效手段[4]。目前常用的廠內經濟運行系統(tǒng)雖然在一定程度上滿足了經濟最優(yōu)化的需求，然而由于忽略了實際振動區(qū)變化問題[5-6]、限制運行區(qū)不連續(xù)問題[7]，難以滿足工程實際的需要，因此，本文通過在水電站廠內經濟運行原理的基礎上，完成了基于C#和.NET Framework的水電站廠內經濟運行系統(tǒng)的開發(fā)，并將其成功應用到彭水水電站，為水電站運行管理工作提供了重要的技術支撐。

1 廠內經濟運行原理

1.1 目標函數

以耗水量最小作為非實時負荷分配問題的目標函數，其數學模型描述如下

(1)

1.2 約束條件

機組出力平衡約束

(2)

式中，Nt是電站t時刻的總發(fā)電量；Ni(Q)是在Q流量內負荷要求下第臺機組承擔的負荷。

機組輸出功率約束

(3)

最小開停機時間約束

Ti,off≥Ti,down

(4)

Ti,on≥Ti,up

(5)

式中，Ti,down、Ti,up為機組的最小停機、開機運行時間；Ti,off和Ti,on為停機和開機運行狀態(tài)的持續(xù)時間。

各機組旋轉備用約束

(6)

1.3 模型求解

將彭水水電廠廠內經濟運行優(yōu)化問題分解為內層負荷分配和外層機組組合優(yōu)化兩個嵌套子問題進行求解。內層負荷分配是針對某一時段的給定出力，在滿足運行限制條件的基礎上，通過實測效率曲線，進行機組間負荷優(yōu)化分配。在內層負荷分配最優(yōu)的基礎上，考慮時段間負荷變化與啟停機影響，在整個調度期內進行機組組合優(yōu)化，保證整個時段內耗水率最小。針對兩層嵌套優(yōu)化問題，采用混合粒子群算法進行求解，對于內層負荷分配，將其各個單個機組的出力表示為粒子的位置，獲得當前水頭下的振動區(qū)限制條件，進行負荷分配計算，對于外層機組組合問題，將二進制粒子表征機組的開停機狀態(tài)，通過不同的機組組合和相應的內層負荷分配，以整個時段內的總耗水量最小為目標引導粒子群進行化，輸出全局最優(yōu)解作為所求結果。其詳細計算流程如下：

(1)設置粒子群規(guī)模M，并在解空間范圍內隨機初始化M個粒子，設置慣性權重w，學習因子c1、c2，最大飛行速度vmax，最大迭代次數K；輸入機組特性參數、初始啟停狀態(tài)、連續(xù)開停機時長及系統(tǒng)給定負荷。

(2)采用修補策略對每個粒子進行修補使其滿足最短開停機時長和系統(tǒng)旋轉備用容量要求，形成滿足機組組合約束的可行解；設定當前迭代次數k=1。機組最短開停機時間修補策略為：計算到當前時段t為止各機組連續(xù)開停機時間Tn,on、Tn,off，檢查機組開停機un狀態(tài)，若Tn,on

(3)對各粒子生成的機組組合狀態(tài)采用內層PSO進行各時段機組間的負荷最優(yōu)分配，同時使系統(tǒng)負荷達到平衡，并保證機組運行于穩(wěn)定區(qū)。對于內層負荷分配的連續(xù)粒子群，粒子位置按式(7)、(8)進行迭代更新

(7)

(8)

(4)計算各粒子的總耗水量，將每個粒子當前解與歷史自身最優(yōu)解作比較取最優(yōu)者為粒子自身局部最優(yōu)解，取所有粒子局部最優(yōu)解中的最小值對應的解作為全局最優(yōu)解。

(5)按式(9)計算下一代外層粒子飛行速度，并按式更新粒子位置。即

(9)

(6)判斷當前迭代次數是否達到最大值K，若未達到，k=k+1，轉至步驟(3)；反之，停止計算，輸出全局最優(yōu)解。

2 系統(tǒng)架構及關鍵技術

在上述水電站廠內經濟運行原理的基礎上，結合國家電力及軟件行業(yè)相關技術標準與彭水水電廠管理規(guī)范，運用最新的計算機網絡技術、 信息技術和數據庫技術，構建了基于.NET Framework架構的彭水水電站廠內經濟運行系統(tǒng)。系統(tǒng)以面向對象的方法進行了需求分析和功能建模，在Visual Studio開發(fā)平臺上，搭建彭水電廠廠內經濟運行系統(tǒng)。系統(tǒng)采用C#和.Net Framework框架，避免了傳統(tǒng)程序無法跨平臺的缺陷，優(yōu)化了數據訪問；定義了彭水水電廠廠內經濟運行系統(tǒng)的類設計方式，結構化系統(tǒng)中各類對象的設計，實現(xiàn)了彭水水電廠水情、電氣的高效實時顯示，提供各項電廠數據的結構化管理，提供了科學完備的廠內經濟運行指導功能和指標分析功能，為彭水水電廠科學調度提供一個快速高效的應用平臺。

系統(tǒng)采用客戶端/服務器的3層結構，即界面層、中間層和數據層，水電站廠內經濟運行系統(tǒng)通常由以下模塊構成。

(1)數據查詢模塊。數據查詢模塊主要用于查詢和管理電站相關的基礎信息，主要包括電站基本參數和機組動力特性曲線。電站基本參數模塊主要查詢和管理水位庫容曲線、水頭損失曲線、下游水位流量曲線等功能。動力特性曲線模塊主要查詢和管理振動區(qū)、流量出力特性曲線、效率出力特性曲線、耗水率特性曲線和出力等微增率特性曲線等功能，均可選擇機組進行查詢，并且可進行插值計算。

(2)歷史信息模塊。歷史信息模塊對彭水水電廠歷史日負荷、歷史發(fā)電數據、運行指標進行查詢和管理。

(3)負荷分配計算。在給定系統(tǒng)單個或負荷范圍的基礎上，計算水電站在某一水頭下運行最優(yōu)分配方案，并提供結果報告。

(4)廠內優(yōu)化模塊。讀取整個時段的負荷出力計劃，綜合振動區(qū)限制、啟停機限制、最小開停機時間和振動區(qū)穿越次數限制，獲得整個時段的廠內經濟運行調度圖。

(5) 系統(tǒng)管理模塊。實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的管理，包括用戶權限管理、登錄及退出系統(tǒng)。

根據水電站廠內經濟運行系統(tǒng)的特點，通過C#和.Net Framework框架，將廠內經濟運行的各個常用數據封裝為持久化對象，然后通過SQLSERVER建立廠內經濟運行數據庫，數據表分別對應經濟運行數據持久化的對象各個屬性，兩者通過ADO.net實現(xiàn)相互的聯(lián)系。同時調度負荷數據和實時水頭定時通過廠內經濟運行接口讀入，可實現(xiàn)與外部長期調度或監(jiān)控系統(tǒng)的通訊[10]。

3 廠內經濟運行系統(tǒng)在彭水水電廠的應用

彭水水電廠是烏江干流規(guī)劃的第十個梯級電站，電站裝機總容量為1750 MW，是目前重慶電網和大唐國際在役最大的水電廠。其開發(fā)任務是以發(fā)電為主，其次為航運、防洪及其他綜合利用。電站水庫正常蓄水位293 m，死水位278 m，防洪限制水位287 m，總庫容14.65億m3，壩址多年平均流量1 300 m3/s，多年平均年徑流量410億m3。電站多年平均發(fā)電量63.51億kW·h，年利用小時3 629 h。截至2015年5月，彭水電廠占重慶電網總裝機容量的15.53%，是重慶電網唯一具有不完全年調節(jié)能力、規(guī)模超過百萬千瓦的大型水電廠，承擔重慶電網的調峰、調頻和事故備用的重要任務。

3.1 廠內經濟優(yōu)化算例

本文采用了彭水水電廠某天運行數據進行對比計算。其全廠96 個時段的負荷值上網計劃如圖1所示。

圖1 彭水水電廠24 h內計劃出力過程

根據電站計劃負荷曲線、日平均水頭以及在線機組的耗用流量特性，通過系統(tǒng)計算機組經濟負荷分配，電站96時段的各機組出力過程分配結果如圖2所示，優(yōu)化出力過程和實際電站出力耗水量如圖3所示。

圖2 彭水水電廠各機組出力過程

圖3 彭水水電廠出力過程耗水量對比

由圖3可知，優(yōu)化結果1相比實際運行結果可以節(jié)約通過優(yōu)化后一天內減少耗水1.82×105m3，機組效率按照94%計算，減少的水量折算為電量為3.125萬kW·h?？梢娫跐M足電站負荷平衡與安全穩(wěn)定運行的前提下，通過實時負荷優(yōu)化分配，能夠有效降低電站耗水率，提高經濟運行水平。

3.2 系統(tǒng)運行效果

彭水水電站廠內經濟運行系統(tǒng)在電站中控室進行安裝部署，自投入使用以來，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，在彭水水電站生產運行工作中起到了重要作用。系統(tǒng)部分界面見圖4～6。

圖4 振動區(qū)查詢模塊

圖5 負荷分配計算模塊

圖6 彭水水電廠出力過程曲線

4 結 語

本文探討了彭水水電廠廠內經濟運行系統(tǒng)的設計和實現(xiàn)。建立了以發(fā)電耗水流量最小為目標的數學模型; 以兩層嵌套優(yōu)化的混合粒子群算法為基礎，開發(fā)了基于C#和.Net Framework的水電站廠內經濟運行的優(yōu)化系統(tǒng)，較好地解決了傳統(tǒng)軟件平臺兼容、移植性不好等缺點。從運行結果看，能較好地達到廠內經濟運行的要求。

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(責任編輯 高 瑜)

Design and Implementation of Economic Operation System for Pengshui Hydropower Plant

XIAO Jian1, HUANG Bo1, CHEN Yongwei2, TIAN Haiping2, YU Ronghou2

(1. Hunan Electric Power Science Research Institute, Changsha 410000, Hunan, China;2. Pengshui Hydropower Plant, Datang International Power Generation Co., Ltd., Chongqing 409600, China)

In order to meet the needs of Pengshui Hydropower Plant on efficient management and operation, the solution of plant economic operation system based on .NET Framework and double nesting hybrid particle swarm optimization model is proposed. The system architecture and achievement are illustrated herein in detail, which is designed according to practical demand of Pengshui Hydropower Plant. The actual application shows that the economic operation system has stable and reliable performance which can improve the operation management of Pengshui Hydropower Plant.

plant economic operation; double nest optimization; hybrid particle swarm optimization; .NET Framework; Pengshui Hydropower Plant

2016-07-07

肖劍(1986—)，男，新疆烏魯木齊人，工程師，博士，研究方向為水電站經濟與安全運行.

TM623.7

A

0559-9342(2016)12-0094-04