張 競(jìng)

（青島世鴻達(dá)裝飾工程有限公司，山東 青島 266000）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，水電站也需求進(jìn)行相應(yīng)的升級(jí)與改造。現(xiàn)今，針對(duì)大型水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行很多學(xué)者提出了優(yōu)化的方法，傳統(tǒng)的方法包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、拉格朗日松弛法、分支界定法、優(yōu)先順序法等等，但是這些傳統(tǒng)方法都存在著一定的缺陷，例如動(dòng)態(tài)規(guī)劃法的運(yùn)算時(shí)間過長(zhǎng)，無(wú)法在合理的時(shí)間內(nèi)求出滿足要求的解；拉格朗日松弛法無(wú)法處理模型中多種約束條件的耦合；分支界定法運(yùn)算過程復(fù)雜，同時(shí)運(yùn)算的時(shí)間較慢，準(zhǔn)確度非常低；優(yōu)先順序法是在機(jī)組滿負(fù)荷耗水量的基礎(chǔ)下進(jìn)行排序的，這種情況與實(shí)際情況偏差較大。本文主要對(duì)大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型及其算法進(jìn)行研究[1]。

1 大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型構(gòu)建

該模型主要采用以電定水準(zhǔn)則，在用電日負(fù)荷量固定的前提下，滿足所有的約束條件，對(duì)水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行進(jìn)行合理的規(guī)劃，是水電站的總用水量達(dá)到最小，目標(biāo)函數(shù)表示為：

式中：minP 表示的是水電站在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)總耗水量，包括機(jī)組開、停機(jī)以及發(fā)電過程所產(chǎn)生的耗水量；T 表示的是水電站運(yùn)行的時(shí)間；S 表示的是水電站運(yùn)行的空間；Qi表示的是第i 臺(tái)機(jī)組的耗水量；表示的是在時(shí)段t 內(nèi)機(jī)組i 的狀態(tài)，主要分為兩種狀態(tài)：開機(jī)和關(guān)機(jī)，分為用1 和0 來表示。

本模型的約束條件主要分為旋轉(zhuǎn)備用約束、機(jī)組出力約束、負(fù)荷平衡約束、最小開停機(jī)時(shí)間約束，其表達(dá)式如下：

1.1 機(jī)組組合優(yōu)化

根據(jù)上述給定的目標(biāo)函數(shù)與約束條件，對(duì)機(jī)組組合進(jìn)行優(yōu)化，主要采用的是擴(kuò)展蟻群算法，其是對(duì)傳統(tǒng)蟻群算法的改進(jìn)[2]。

擴(kuò)展蟻群算法在傳統(tǒng)蟻群算法的基礎(chǔ)上，將蟻群數(shù)量進(jìn)行了擴(kuò)展，用M 表示，而每個(gè)蟻群有N 只螞蟻，與水電站中的機(jī)組數(shù)量對(duì)應(yīng)，1 和0 表示的是機(jī)組的開、關(guān)機(jī)狀態(tài)。在擴(kuò)展蟻群算法的每條路徑上包含螞蟻信息素，在算法的初始狀態(tài)下，每條路徑包含的信息素相同，在水電站運(yùn)行時(shí)段，每個(gè)蟻群內(nèi)的螞蟻會(huì)從不同起點(diǎn)在信息素的引導(dǎo)下構(gòu)建螞蟻路徑，直到水電站運(yùn)行時(shí)段結(jié)束，形成N 條螞蟻路徑[3]。這些路徑共同組成了水電站中機(jī)組的組合方式。制定穩(wěn)定最優(yōu)表進(jìn)行經(jīng)濟(jì)符合分配，計(jì)算總耗水量，找出M 個(gè)蟻群中的最優(yōu)解，輸出相應(yīng)的結(jié)果。

1.2 經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配

根據(jù)上述擴(kuò)展蟻群算法形成了M 個(gè)機(jī)組組合形式，制定相應(yīng)的穩(wěn)定最優(yōu)表，對(duì)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷進(jìn)行分配。

本文主要是采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法對(duì)穩(wěn)定最優(yōu)表進(jìn)行制定，設(shè)置階段變量為x，其表示的是機(jī)組工作的臺(tái)數(shù)；決策變量為Nx和狀態(tài)變量Nx1，其分別表示的是在階段內(nèi)工作的機(jī)組的出力值與所有機(jī)組的出力值總和，則公式為：

式中：f（Nx1）表示的是在x 階段內(nèi)所有機(jī)組的出力值產(chǎn)生的流量；w（Ni）表示的是機(jī)組i 的發(fā)電流量。

若是想要使產(chǎn)生的總流量達(dá)到最小值，令Nx=Ni，則有方程：

根據(jù)上述公式（3）與（4）制定了穩(wěn)定最優(yōu)表。然后根據(jù)穩(wěn)定最優(yōu)表進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的分配。最優(yōu)化原理指出對(duì)一個(gè)最優(yōu)策略來說，其下屬的決策順序不會(huì)影響策略的優(yōu)劣，因此，依據(jù)穩(wěn)定最優(yōu)表進(jìn)行經(jīng)濟(jì)負(fù)荷的分配完全合理。

經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配首先設(shè)定水電站的機(jī)組數(shù)為n，其負(fù)荷要求為N，當(dāng)一組機(jī)組開機(jī)的時(shí)候，其他機(jī)組要處于關(guān)機(jī)的狀態(tài)。

按順序從穩(wěn)定最優(yōu)表的第一行開始進(jìn)行搜索，計(jì)算每行相應(yīng)的每個(gè)機(jī)組的出力值與相應(yīng)的耗水量，直到搜索到穩(wěn)定最優(yōu)表的最后一行結(jié)束[4]。

根據(jù)上述的機(jī)組組合優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)負(fù)荷分配實(shí)現(xiàn)了水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型的運(yùn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了保證本文構(gòu)建的大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型的有效性，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)過程中，將水電站機(jī)組組合與經(jīng)濟(jì)符合作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)劇組組合以及經(jīng)濟(jì)符合進(jìn)行最優(yōu)分配。為了保證實(shí)驗(yàn)的有效性，使用傳統(tǒng)水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型與本文構(gòu)建的大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型進(jìn)行比較，觀察試驗(yàn)結(jié)果。

為了保證實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。由于本文采用的是兩種不同的模型對(duì)水電站機(jī)組以及經(jīng)濟(jì)符合進(jìn)行優(yōu)化，因此，為了最大限度的保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，對(duì)實(shí)驗(yàn)外環(huán)境參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)一的設(shè)置，這樣既可以保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，又方便實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。本文外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置結(jié)果見表1。

表1 外部環(huán)境參數(shù)設(shè)置結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，由于采用的水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型不同，因此，本文引用第三方軟件對(duì)其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄與分析。設(shè)置傳統(tǒng)水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型為對(duì)照組，本文構(gòu)建的大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型為實(shí)驗(yàn)組。本文以青島一大型水電站為研究對(duì)象，將一天分為六個(gè)時(shí)間段，并對(duì)他們的用電情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見表2。

表2 用電功率預(yù)測(cè)情況

由表 2 可知，一般在 16：00～20：00 為用電高峰期，用電功率最大，達(dá)到 1366.58 W,20：00～24：00 耗電量最低，用電功率僅為 301.54 W，是16：00～20：00 的四分之一。分析對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組預(yù)測(cè)功率，能夠明顯看出，實(shí)驗(yàn)組預(yù)測(cè)功率與實(shí)際數(shù)值基本吻合，對(duì)照組具有很大差別，是實(shí)驗(yàn)組的八十多倍。說明實(shí)驗(yàn)組模型能夠很好的預(yù)測(cè)大型水電站的作用。

采用傳統(tǒng)方法和本文方法對(duì)青島一大型水電站的運(yùn)行效率進(jìn)行計(jì)算，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

圖1 實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

分析圖1 可知，實(shí)驗(yàn)組的對(duì)照效率幅度變化不大，在50次之前，水電站的運(yùn)行效率一直緩慢上升，當(dāng)次數(shù)超過50次時(shí)出現(xiàn)輕微下降，超過70 次之后，出現(xiàn)一定波動(dòng)，運(yùn)行效率基本都在70%以上；對(duì)照組在前40 次實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)行效率持續(xù)下降，40 次到60 次時(shí)，運(yùn)行效率出現(xiàn)上漲并達(dá)到峰值60%，隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，運(yùn)行效率曲線上下波動(dòng)，一直沒有超過60%；對(duì)比實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組曲線可知，實(shí)驗(yàn)組的運(yùn)行效率明顯高于對(duì)照組的運(yùn)行效率，實(shí)驗(yàn)組的運(yùn)行效率最高可以達(dá)到85%，而對(duì)照組的運(yùn)行效率最高為60%，實(shí)驗(yàn)組的平均運(yùn)行效率比對(duì)照組的平均運(yùn)行效率高出了25%，說明構(gòu)建的大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型具備極高的有效性。

3 結(jié)語(yǔ)

大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型主要考慮兩個(gè)方面：（1）時(shí)間最優(yōu)化。對(duì)水電站中的機(jī)組組合進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)組組合在運(yùn)行中滿足約束條件，達(dá)到最小耗電量；（2）空間最優(yōu)化。對(duì)經(jīng)濟(jì)負(fù)荷進(jìn)行分配，使水電站的發(fā)電流量達(dá)到最小。大型水電站整體時(shí)空經(jīng)濟(jì)運(yùn)行模型很大程度上提升了水電站的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效率，值得推廣使用。