陳遠(yuǎn)松

(中國水電工程顧問集團(tuán)正安開發(fā)有限公司，貴州 貴陽 550000)

在環(huán)境、能源問題突出的環(huán)境背景下，我國開始調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，降低對石油能源的依賴。清潔能源是代替石油類不可再生能源的關(guān)鍵，利用風(fēng)能、水能進(jìn)行發(fā)電，是我國未來的能源發(fā)展目標(biāo)。世界上的水能資源較為豐富，儲備量較多，眾多的河流中蘊(yùn)藏著大量的水能，全部開發(fā)之后，能夠達(dá)到數(shù)以十萬億計(jì)的發(fā)電量，提升人們用電穩(wěn)定性。近些年來，水力發(fā)電以其成本低、規(guī)模大、調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的優(yōu)勢，成為代替化石能源的主要清潔能源，對于提升電力企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益具有重要作用。在水庫運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了水位、流速、流量等不可預(yù)知的變化，影響水庫發(fā)電質(zhì)量。為了更加高效地使用水電能源，研究人員設(shè)計(jì)了多種調(diào)度方法。其中，基于改進(jìn)遺傳算法的水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法，與基于改進(jìn)腎臟算法的水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法的應(yīng)用較為廣泛。

基于改進(jìn)遺傳算法的水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法，主要是利用改進(jìn)遺傳算法，對水庫調(diào)度進(jìn)行非線性調(diào)度規(guī)劃，避免了調(diào)度方法過早收斂，從而滿足水庫發(fā)電需求[1]。基于改進(jìn)腎臟算法的水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法，則是利用腎臟生理機(jī)制優(yōu)化目標(biāo)調(diào)度種群，該算法的參數(shù)較少，能夠更加快速地尋找到最優(yōu)調(diào)度目標(biāo)，從而提升調(diào)度效率[2]。以上2種方法均能夠進(jìn)行水庫發(fā)電調(diào)度，但是受到水庫實(shí)際環(huán)境的影響，調(diào)度過程中出現(xiàn)了水位消落，棄水量增加，發(fā)電調(diào)度經(jīng)濟(jì)效益增加的隱患[3]。因此，本文結(jié)合NSGA-Ⅱ算法的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法。

1 水庫長期發(fā)電多目標(biāo)NSGA-Ⅱ調(diào)度方法設(shè)計(jì)

1.1 提取水庫長期發(fā)電調(diào)峰負(fù)荷特征

水庫長期調(diào)度是一種發(fā)電協(xié)調(diào)、反饋的過程，長期調(diào)度與短期調(diào)度具有高度耦合，短期調(diào)度直接影響長期調(diào)度決策。因此，本文在進(jìn)行水路長期發(fā)電調(diào)度的過程中，將短期發(fā)電調(diào)峰收益作為基礎(chǔ)條件，根據(jù)短期調(diào)度決策長期調(diào)度模式[4]。水庫調(diào)節(jié)性能主要根據(jù)基荷、峰荷來判定，最小出庫流量約束產(chǎn)生的電力基荷服務(wù)，余下發(fā)電出力為調(diào)峰服務(wù)，由此對不確定時(shí)段的發(fā)電環(huán)境作出優(yōu)化，避免調(diào)度目標(biāo)受到負(fù)荷需求的影響[5]。水庫日發(fā)電量的最小出庫流量約束特征為：

pmin=3600·Rmin/φave

(1)

式中，pmin—水庫最小出力約束特征，MW；Rmin——最小出庫流量約束，m3/s；φave—調(diào)度時(shí)間段內(nèi)歷史平均發(fā)電耗水率，m3/(s·GW)。

在水庫調(diào)度的過程中，pmin是固定的，結(jié)合月度發(fā)電量情況，能夠得到調(diào)峰負(fù)荷特征，公式如下：

(2)

在最大出力約束條件下，發(fā)電利用率的能量調(diào)度均衡特征為：

(3)

式中，λt—發(fā)電利用率的能量調(diào)度均衡特征；pmax—最大出力約束，MW。

調(diào)峰優(yōu)化的目標(biāo)是減輕負(fù)荷中心調(diào)峰負(fù)擔(dān)，選擇剩余負(fù)荷作為調(diào)峰負(fù)荷特征，以此穩(wěn)定控制調(diào)度約束，確保水庫長期發(fā)電調(diào)度的負(fù)荷條件。

1.2 基于NSGA-Ⅱ算法構(gòu)建水庫長期發(fā)電調(diào)度模型

NSGA-Ⅱ算法具有運(yùn)行速度快、收斂性好、Pareto解集分布均勻等優(yōu)勢，隨機(jī)產(chǎn)生了一定規(guī)模的水庫長期發(fā)電調(diào)度目標(biāo)種群，在非支配排序之后，通過選擇、交叉、變異等遺傳操作得到第一代水庫發(fā)電調(diào)度目標(biāo)[6]。在第二代目標(biāo)調(diào)度開始時(shí)，將父代調(diào)度目標(biāo)與子代調(diào)度目標(biāo)合并，并作出快速的非支配排序，對調(diào)度個(gè)體目標(biāo)進(jìn)行擁擠度計(jì)算，從而取代新的父代目標(biāo)。通過遺傳操作產(chǎn)生新的調(diào)度目標(biāo)，適應(yīng)水庫發(fā)電調(diào)度的穩(wěn)定性[7]。NSGA-Ⅱ算法的核心就是優(yōu)化多個(gè)調(diào)度目標(biāo)的連接紐帶，通過不同調(diào)度時(shí)期的水位控制，確保調(diào)度的有效性。引入水庫水位控制矩陣，對長期發(fā)電的多個(gè)調(diào)度目標(biāo)進(jìn)行NSGA-Ⅱ編碼，公式如下：

Z=(Z1，…，Zy，…，ZY)

(4)

式中，Z—水庫水位控制矩陣；Z1、Zy、ZY—1、y、Y等調(diào)度目標(biāo)的浮點(diǎn)編碼。由此建立水庫長期發(fā)電調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)，表達(dá)式為：

(5)

式中，maxf1—水庫長期發(fā)電調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)；Ki—水庫發(fā)電目標(biāo)i的出力系數(shù)；Hi，t—水庫目標(biāo)i在時(shí)段t的水頭，m；Qi，t—水庫目標(biāo)i在時(shí)段t的發(fā)電引用流量，m3/s。

將發(fā)電期望與棄水期望以NSGA-Ⅱ支配關(guān)系來表示，如圖1所示。

圖1 NSGA-Ⅱ的支配關(guān)系示意圖

圖1中，圓點(diǎn)為多個(gè)調(diào)度目標(biāo)，A、B、C、D為NSGA-Ⅱ支配關(guān)系的解。在水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度的過程中，解A的值在解B的值之上，那么解A的調(diào)度效果優(yōu)于解B，則解A支配解B。在橫坐標(biāo)約束下，函數(shù)值越小，調(diào)度效果越佳。那么，解B能夠明顯地支配解C、解D[8]。由此可見，解C同時(shí)受到解A與解B的支配，則C作為多目標(biāo)調(diào)度的最小目標(biāo)約束，解A與解B就是水庫調(diào)度目標(biāo)的發(fā)電期望與棄水期望，確保整個(gè)目標(biāo)調(diào)度過程的有效性。

1.3 修正水庫發(fā)電調(diào)度消落棄水水位

為了確保電網(wǎng)的安全與水電的平穩(wěn)運(yùn)行，本文在調(diào)峰能力均衡的條件下，結(jié)合NSGA-Ⅱ調(diào)度模型，將水庫發(fā)電調(diào)度的消落水位作出平衡，以此控制水庫消落期的水位，確保最終的發(fā)電目標(biāo)調(diào)度效果。根據(jù)歷史記錄數(shù)據(jù)確定水路消落期的平均發(fā)電量，將其頻率分布記作D′，t′作為消落期的時(shí)段序號，由此計(jì)算消落期的總發(fā)電量為：

(6)

本文采用了均勻降水位的方法，修正水庫水位。水位修正公式如下：

(7)

在水庫消落期被動(dòng)蓄水時(shí)，超過蓄水上限就會(huì)產(chǎn)生棄水，本文在t′時(shí)段，對消落水位進(jìn)行修正，確定水庫內(nèi)的余留庫容，進(jìn)一步匹配發(fā)電量與電量需求，從而減少棄水量。

2 實(shí)例分析

2.1 水庫概況

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的水庫發(fā)電調(diào)度方法是否具有有效性，本文以X水庫為例，對上述方法進(jìn)行了實(shí)例分析。X水庫在X省境內(nèi)，與縣城的直線距離約為40km，與市區(qū)的直線距離約為120km，與省會(huì)公路的直線距離約為440km。水庫中水電站裝機(jī)容量為8×400MW，具有一定的年調(diào)節(jié)能力。在X水庫中，存在日常通航，通航時(shí)間為8∶00—18∶00，時(shí)間間隔為1h。上游水庫的初、末水位均設(shè)定為380.5m，上游入庫流量設(shè)定為5000m3/s。在水庫正常使用的條件下，水電站水庫的正常蓄水位約為381m，死水位約為371m，下游最高水位約為278.25m，下游最低水位約為266.80m，最小發(fā)電量約為1.80×106kW。根據(jù)水庫的實(shí)際情況，對水庫長期發(fā)電進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度流程如圖2所示。

圖2 調(diào)度流程圖

圖2中，n為水庫來水情境；E為水庫發(fā)電量；W為水庫發(fā)電的棄水量；E′為水庫調(diào)度之后的期望發(fā)電量；W′為水庫調(diào)度之后的期望棄水量；P為水庫的發(fā)電出力。通過水位控制矩陣、水電調(diào)度序列、適應(yīng)度函數(shù)f等指標(biāo)的約束，得到最終的發(fā)電期望與棄水期望，將此期望值作為規(guī)范調(diào)度指標(biāo)，滿足該指標(biāo)需求即可確保調(diào)度的有效性。在水庫發(fā)電調(diào)度的過程中，1—5、10—12月為非汛期，此時(shí)水庫水量不大，產(chǎn)生棄水的情況較少；6—9月為汛期，此時(shí)水庫水量較大，產(chǎn)生棄水的情況較大。本文根據(jù)水庫的實(shí)際情況，選擇上基本調(diào)度線與下基本調(diào)度線的方式，將水電站水庫發(fā)電進(jìn)行調(diào)度，調(diào)度情況如圖3所示。

圖3 水庫發(fā)電調(diào)度示意圖

圖3中，6—9月，利用水庫中的水進(jìn)行大量的發(fā)電，同時(shí)降低上、下基本調(diào)度線，增加水庫的發(fā)電出力，從而減少棄水。在1—5、10—12月，同時(shí)升高上、下基本調(diào)度線，水路蓄滿之后，降低調(diào)度線，進(jìn)一步增加水電站水庫的出力，從而增加發(fā)電效益。

2.2 應(yīng)用結(jié)果

在上述條件下，本文選取了1—12月的水庫調(diào)度情況，按照月平均發(fā)電量、出力保證率、月平均棄水量等指標(biāo)的實(shí)際情況，確定本文設(shè)計(jì)的基于NSGA-Ⅱ算法的水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法的有效性。將規(guī)定調(diào)度指標(biāo)與實(shí)際調(diào)度指標(biāo)進(jìn)行對比，能夠滿足規(guī)定調(diào)度需求，即可確保調(diào)度效果。應(yīng)用結(jié)果見表1。

表1 應(yīng)用結(jié)果

由表1可知，本文按照X水庫一年的發(fā)電情況進(jìn)行調(diào)度分析，將月平均發(fā)電量、出力保證率、平均棄水量作為調(diào)度分析指標(biāo)。其中，發(fā)電量越高、棄水量越低，越能夠確保水庫發(fā)電調(diào)度的有效性。在一年的調(diào)度時(shí)間內(nèi)，6—9月為汛期，水庫的水量較大，發(fā)電量隨之增加，此階段產(chǎn)生的棄水量越少，調(diào)度效果越佳。在水庫正常發(fā)電調(diào)度的情況，X水庫的月平均發(fā)電量約為1.532×108kW·h；出力保證率約為92.423%；月平均棄水量1.712×108m3。在實(shí)際調(diào)度環(huán)境中，X水庫的月平均發(fā)電量超過1.532×108kW·h，出力保證率超過92.423%；月平均棄水量低于1.712×108m3，即可確保調(diào)度的有效性。

使用本文設(shè)計(jì)的基于NSGA-Ⅱ算法的水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法之后，X水庫的月平均發(fā)電量、出力保證率等指標(biāo)，均高于平均規(guī)定調(diào)度指標(biāo)；月平均棄水量，則低于平均規(guī)定的調(diào)度指標(biāo)。同時(shí)，月平均發(fā)電量、出力保證率在1—12月中，均保持了超過規(guī)定調(diào)度指標(biāo)的情況，月平均棄水量均保持了低于規(guī)定調(diào)度指標(biāo)的情況。由此可見，使用本文設(shè)計(jì)的調(diào)度方法之后，調(diào)度效果更佳，棄水量較低、發(fā)電量較高，打破了稍高于規(guī)定的平均調(diào)度指標(biāo)的壁壘，使水庫整個(gè)長期發(fā)電調(diào)度的過程中，經(jīng)濟(jì)效益更高，滿足水庫發(fā)電的實(shí)際需求。

3 結(jié)語

為解決現(xiàn)有水庫長期發(fā)電調(diào)度方法存在棄水量高、發(fā)電量低的不足，本文結(jié)合NSGA-Ⅱ算法，設(shè)計(jì)了水庫長期發(fā)電多目標(biāo)調(diào)度方法。從負(fù)荷特征、調(diào)度模型、消落水位等方面，對水庫長期調(diào)度的目標(biāo)進(jìn)行分析。經(jīng)過實(shí)例分析驗(yàn)證了本文提出方法可以在提升調(diào)度效率的同時(shí)，降低調(diào)度棄水量，保證水電調(diào)度最大化的經(jīng)濟(jì)效益。水庫調(diào)度問題是一個(gè)非凸優(yōu)化問題，其解空間存在多個(gè)局部最優(yōu)解，需要全局搜索來找到全局最優(yōu)解，可能會(huì)增加本文方法的計(jì)算難度和時(shí)間成本。因此在接下來的研究中，將不斷完善本文方法，提高多目標(biāo)調(diào)度的工作效率，以期為水庫發(fā)電提供更好的技術(shù)支持。