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1、水库群优化调度Multi-reservoir Optimization Dispatching,M Sep.2013,2,Resevoir Dispatching,水库特征水位,死水位,汛限水位,正常高水位,校核洪水位,防洪高水位,调节库容,防洪库容,死库容,正常蓄水位与兴利库容。水库在正常运用情况下,为满足兴利要求在开始供水时应蓄到的水位，称正常蓄水位,又称正常高水位、兴利水位，或设计蓄水位。正常蓄水位至死水位之间的水库容积称为兴利库容,即以调节库容。用以调节径流,提供水库的供水量。,死水位与死库容。水库在正常运用情况下，允许消落到的最低水位，称死水位，又称设计低水位。死水位以下的库容称为死
2、库容，也叫垫底库容。死库容的水量除遇到特殊的情况外(如特大干旱年)，它不直接用于调节径流。,防洪限制水位与重叠库容。水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位,也是水库在汛期防洪运用时的起调水位，称防洪限制水位。防洪限制水位的拟定，关系到防洪和兴利的结合问题，要兼顾两方面的需要。如汛期内不同时段的洪水特征有明显差别时，可考虑分期采用不同的防洪限制水位。正常蓄水位至防洪限制水位之间的水库容积称为重叠库容,也叫共用库容。此库容在汛期腾空,作为防洪库容或调洪库容的一部分。,防洪高水位与防洪库容。水库遇到下游防护对象的设计标准洪水时,在坝前达到的最高水位,称防洪高水位。只有当水库承担下游防洪任务时,才需确定这一
3、水位。防洪高水位至防洪限制水位之间的水库容积称为防洪库容。它用以控制洪水，满足水库下游防护对象的防洪要求。,设计洪水位。水库遇到大坝的设计洪水时，在坝前达到的最高水位,称设计洪水位。它是水库在正常运用情况下允许达到的最高洪水位。,设计洪水位,校核洪水位与调洪库容。水库遇到大坝的校核洪水时,在坝前达到的最高水位，称校核洪水位。它是水库在非常运用情况下，允许临时达到的最高洪水位，是确定大坝顶高及进行大坝安全校核的主要依据。校核洪水位至防洪限制水位之间的水库容积称为调洪库容。它用以拦蓄洪水，在满足水库下游防洪要求的前提下保证大坝安全。校核洪水位以下的水库容积称为总库容。,调洪库容,总库容,3,Res
4、evoir Dispatching,库容调节系数等于本级电站调节库容除以本级水库多年平均年径流量；日调节水库（发电调节库容系数在1%以下）旬、月调节水库（发电调节库容系数在3%左右）季、年调节水库（发电调节库容系数在10%左右）多年调节水库（发电调节库容系数在30%左右）,4,Resevoir Dispatching,水库调度即水库控制运用，是对已建水利水电枢纽合理可靠的控制运用，达到充分发挥防洪、兴利效益的一种技术措施，属于非工程措施。水库调度的基本任务有如下三项：一是确保大坝安全，并承担水库下游的防洪任务；二是保证满足电力系统正常用电和其他有关部门的正常用水要求；三是在保证各用水部门正常用
5、水的基础上力争尽可能充分利用河流水能多发电，使供电更经济。（优化调度）,5,水库调度必须遵守的原则是：在确保水电站水库大坝工程安全的前提下，分清发电与防洪及其综合利用任务之间的主次关系，统一调度，使水库综合效益尽可能最大；当大坝工程安全与满足供电、防洪及其他用水要求矛盾时，应首先满足大坝安全要求；当供电的可靠性与经济性矛盾时，应首先满足可靠性要求。,Resevoir Dispatching,6,Resevoir Dispatching,按调度目标：防洪调度、兴利（发电）调度、综合利用调度（灌溉、航运、旅游、调水调沙等等）按调度周期：长期调度（月）、中期调度（旬）、短期调度（日）、厂内经济运行。
6、按水库数量：单库调度、水库群调度（并联、串联/梯级、混合）按调度方式：常规调度、优化调度,7,Resevoir Dispatching,死水位,汛限水位,正常蓄水位,防洪高水位,死库容,兴利库容,防洪库容,校核洪水位,年调节水库调度图,按照调度图进行水库控制，仅需要掌握当前水库水位，不考虑来水预报。有可能造成水资源的浪费,8,Resevoir Dispatching,开展水电站水库的优化调度工作，提高水电站及电力系统的经济管理水平，挖掘潜力，几乎在不增加任何额外投资的条件下，便可获得显著的经济效益。欧、美、前苏联等国家的调度资料表明：长期经济运行可增加发电量2.0%-5.5%；短期经济运行可增
7、加发电量1.5%-5.0%；厂内经济运行可增加发电量0.3%-0.5%。四川大学马文光教授研究认为通过梯级水电站联合优化调度可提高流域水资源利用率，增发水电电量2%7%。途径：1、提高调度期发电水头；2、充分利用水量；3、减少机组空耗。,9,Resevoir Dispatching,水库水位过程线,发电流量过程线,发电量过程线,10,Resevoir Dispatching,是否水位越高越好？1、一味追求高水位，会失去机组负荷优化调整空间。2、由于来水的不确定性，高水位运行加大了弃水风险。因此，实际运行中，要留出发电负荷波动区间，同时为防洪留有余地。,11,Resevoir Dispatchi
8、ng,出力,效率,由于机组效率特性不同，在电网中承担的任务应有所区别。1号类型机组适合带基荷。2号类型机组适合做备用调峰。运行中尽量减少机组空转。,12,Resevoir Dispatching,洪水资源化，减少弃水。1、洪前预泄、拦截洪尾。利用气象、水文预报成果，在洪前，提前加大发电，降低水库水位；洪水末期，及时关闭泄洪闸门，拦截洪尾，减少弃水。2、汛限水位动态控制。不但可以提高汛期水库运行水位，而且可以减少弃水，提高水量利用率。,13,Resevoir Dispatching,根据三峡梯调研究,14,Resevoir OptimizationDispatching,概念 按一定的最优准则，
9、通过建立数学模型，采用优化方法（系统工程），求解水库调度问题。优化模型 确定性模型：qt为确定过程（实测），确定值 随机性模型：为随机过程，期望值 隐随机模型：为人工生成系列，确定值优化方法 传统的数学规划法：线形规划法、混合整数规划法、非线性规划法、网络流规划法、动态规划法、递推优选法、拉格朗日松弛法等 现代启发式智能算法：禁忌搜索算法、人工神经网络、模拟退火算法、遗传算法、免疫算法、粒子群算法、蚁群算法、浑沌优化算法等。,15,Resevoir Dispatching,水库优化调度是一个多阶段决策过程的最优化问题,是在常规调度和系统工程的一些优化理论及其技术的基础上发展起来的。其基本内容可
10、描述为:根据水库的入流过程,遵照优化调度准则,运用最优化方法,寻求比较理想的水库调度方案,使发电、防洪、灌溉、供水等各部门在整个分析期内的总效益最大。,16,Resevoir Dispatching,单库调度（防洪、供水、发电等调度）梯级和联合调度（多水库、水库群调度）流域统一调度（水库作为流域水资源调度的重要环节参与流域统一管理）生态调度（以满足流域水资源调度和河流生态健康为目标的调度，正在开展相关研究）（调度的最新阶段）,17,Resevoir Dispatching,18,Resevoir Dispatching,水电站：将水的势能转换为电能。N=KQH N-出力 K-综合出力系数 Q-
11、发电流量 H-发电水头,19,Resevoir Dispatching,综合出力系数K,K与水轮机效率，发电机效率及机组传动效率有关。大型水电站（装机容量大于25万kw），K：8.5中型水电站（装机容量在2.5万25万kw），K：88.5小型水电站（装机容量小于2.5万kw），K：6.08.0效率曲线（机组效率-出力-水头形成的一组曲线）,20,Resevoir Dispatching,机组效率曲线,21,Resevoir Dispatching,22,Resevoir Dispatching,H=Z上-Z下-H损上游水位 Q入-Q出下游水位 f（Q出）.多年调节水库上游水位变幅大，下游水位对
12、水头影响小，低水头电站受下游水位影响较大。H损水头损失 f（H,Q）受引水管长度、大小有关、拦污栅压差、毛水头、引用流量等等影响。,23,Resevoir Dispatching,计算原理：水量平衡W入-W出=V末-V初（入库水量-出库水量=时段末库容-时段初库容）W出=f（N,H,T,Q弃）V末=f（Z上末）V初=f（Z上初）H=Z上-Z下Q弃=f（Z上,k）,24,Resevoir Dispatching,库容,水位,25,充分利用水电能源产生电能，提高水电系统的经济效益是水电站水库群发电优化调度的总目标。根据水电系统在电力系统中的作用，水电站群优化调度研究有着不同的优化准则，也将产生不同
13、的优化结果。常用的优化准则有以下几种：梯级水电站发电量最大准则、梯级水电站总耗水量最小准则梯级水电站总蓄能最大准则梯级水电站发电效益最大准则等。,Resevoir Optimization Dispatching,26,研究梯级水电站优化运行方式，从数学模型上讲，水电站是该系统的基本组成单元，所以首先要掌握水电站的综合特性。电站收益由各时段发电量及相应的电价共同决定。电站基本参数及参数间的关系 出力 N=KQH水位与水头上游水位下游水位水头入库流量水流时滞：在短期优化分析中考虑，可根据实际运行数据分析得出 电价：分时电价、丰枯电价,Resevoir Optimization Dispatchi
14、ng,27,Resevoir Optimization Dispatching,水位与水头上游水位：上游水位和库容的关系可根据实测的水位库容关系曲线获得 下游水位：不仅与面临时段的下泄流量有关，而且与之前的下泄流量有关。当下游水库对上游水库有回水影响时，下游水位同时与下游水库水位有关。水头：取时段平均水头进行计算 入库流量：入库流量受上游水库出库流量及区间流量影响，若考虑水流水流过程中的坦化变形，则应加入坦化系数。,28,Resevoir Optimization Dispatching,发电量最大模型：,耗水量最小模型,发电效益最大模型,水电站(群)发电优化调度的模型主要有：调度期内发电量最
15、大模型、蓄能最大模型、耗水量最小模型及调峰电量最大模型等。,29,Resevoir Optimization Dispatching,梯级水电站优化运行所涉及的约束条件较多，有的也非常复杂，而且对于不同的调度任务(运行目标)，约束也不尽相同。某些调度任务也可以作为另外优化目标的约束条件出现。水电站下泄流量约束 水电站出力约束 水库蓄水量约束 水量平衡约束 非负条件约束 在水库优化调度中，不存在对所有水资源系统都通用的理论、方法和数学模型。对于不同的水库系统，应该根据水库自身的特点、可用的数据（多年水文资料、水库参数等以及目标函数和约束条件）来选取适当的理论、数学模型和方法。,30,Resevo
16、ir Optimization Dispatching,水电站水库群发电优化调度是一种与时间过程有关的典型动态多阶段决策过程。而动态规划法是解决多阶段决策过程最优化问题的一种数学方法，故常用动态规划法求解水库群优化调度问题。用动态规划法求解水库优化调度问题，具有以下优点：(1)易于确定最优解；(2)能得到子过程的每一组解，有利于结果分析；(3)能利用经验，提高求解的效率。但动态规划法也存在不足之处，在进行数值求解时，随着所求解水库数目的增多，所需的内存成指数增长，进而造成“维数灾”。其他算法：遗传算法、人工神经网络等等,31,Resevoir Optimization Dispatching,
17、确定性动态规划法 动态规划问题常采用网格法求解，在以纵坐标为水库蓄水量、横坐标为时间的图上，将调节库容分为m等分，时间分为T段，从格点上取值求解递推方程，从中选优，就能得到目标函数的最优解。,32,Resevoir OptimizationDispatching,增量动态规划是一种改进的动态规划法，由于在不发生弃水情况下，水头的最优利用反映为水库水位越高越好，随之出力越大。因此可以大致估出最优调度线的近似位置，然后在此近似线上下各取个水位增量(向上算正增量，向下算负增量)，形成一个策略廊道，并在此廊道中求得最优调度线。,33,Resevoir Optimization Dispatching,
18、逐次逼近算法的基本思想是把带有若干个决策变量的问题分解成仅仅带有一个决策变量的若干子问题，使这些子问题的优化序列收敛于原问题的解。每个子问题比原来的总问题具有较少的状态变量，从而节省了计算工作量，便于计算机求解。,34,Resevoir Optimization Dispatching,求解过程如下：假定各库的初始策略和状态序列。先对第一个水库进行优化，其余n-1个水库的运行策略和状态变量序列暂时保持不变，相当于对n维决策向量加n-1个约束条件。这样，该子问题只含有一个状态变量和一个决策变量，就可以用一维的优化算法求解，从而可得第一个水库的运行策略。再对第二个水库进行优化，除第一个水库保持新的
19、运行策略外，其余水库仍保持初始策略，用优化算法求解第二个水库的最优运行策略。用同样的方法对剩下的水库分别进行优化，得到各个水库的新的运行策略。再从第一个水库开始，重复上述步骤，进行第二轮、第三轮迭代计算，直到目标函数不再有改善或前后两轮迭代目标函数值满足收敛要求为止。,35,Resevoir Optimization Dispatching,联合调度的基本原则。对以防洪为主的水库群，应采用补偿方式调度，一般以梯级水库的上游水库或距防洪保护区较远的并联水库先行补偿，使控制洪水比重较大 对洪水的调节能力较高 距下游防洪保护区较近的水库最后控制泄量;对以灌溉及供水为主的水库群，以总弃水量最小拟定各个
20、水库的蓄放水次序，梯级水库上游水库应先蓄水后供水，库群中如有调节能力高 汛期结束较早的水库应先蓄水，在供水期按总供水要求进行补偿调节;对于以发电为主的水库群，在满足系统正常供电要求的前提下，以总发电量最大拟定各个水库的蓄放水次序，梯级水库上游水库一般应先蓄水后供水;对并联水库则需采用一些方法(如判别式法、库容效率指数法)，根据各库具体情况判别来确定最佳的蓄放水次序。,36,Resevoir Optimization Dispatching,水库群优化调度的发展前景方向：1、新的优化技术的发展以及多种优化理论的耦合。由于水库群的联合调度具有高度复杂性和不确定性，因此多种理论的耦合研究应用价值高。
21、2、基于巨型计算机、并行分布式计算技术以及网格技术的优化方法，克服“维数灾”问题。3、基于规则的优化调度方法研究。基于规则提取的模型主要是利用模糊系统、神经网络、遗传算法等对大量确定和非确定性数据进行聚类分析、非线性映射关系分析以及逻辑关联分析，寻找有用的只是规则。水库群调度的决策过程实践性、实时性很强，从大量历史信息中提取专家的知识和经验，抽象概化成具有实际意义的指导规则。4、基于空间数据的决策支持系统。遥测、遥感、GIS等空间数据为决策者提供高效的信息处理工具和技术，空间决策支持系统有大量的信息支持，不仅有空间数据，还有更多经济、社会、文化等各种各样的数据支持。,37,Resevoir O
22、ptimization Dispatching,在我国大规模开发水电系统的环境下，形成了许多梯级水库群，甚至混联梯级水库群 更由于竞价上网的政策，如何充分发挥混联水库群强大的水文补偿电力补偿优势，针对整个混联水库群提出整体的调度规则指导库群运行势在必行。例：以10座具有季调节以上调节性能的水库组成的混联水库群作为研究对象，建立库群总调度函数模型、时段总决策在水库间的分配模型，以隐随机优化调度结果为基础，制作库群总调度函数，并将得到的调度函数指导库群进行长系列模拟运行。,38,Resevoir Optimization Dispatching,混联水库群长期优化调度以调度期内兼顾保证出力要求的发
23、电量最大为优化准则，采用逐次优化逐次逼近(POA-DPSA)法进行模型求解，得到长系列各水库优化运行过程;进而据此优化调度过程得到库群总调度函数。对于库群调度决策变量可以是时段出力、时段出能或者时段末蓄能，为了调度函数直观简单，通常选时段出力作为决策变量。在回归拟合计算中，初选相关因子至关重要。一般地，回归因子可被分为时间因子、空间因子和能量因子。,39,Resevoir Optimization Dispatching,把水库的时间因子和空间因子整体聚合成了能量因子，所以不考虑时间因子和空间因子的选择。时段初库群总蓄能和本时段库群总入能是影响出力决策大小最重要的两个因子。初步选定影响决策变量
24、的回归因子有:面临时段初的水库群总蓄能、面临时段和未来各时段的入能、余留效益以及它们的交互项。,40,Resevoir Optimization Dispatching,调度函数模型：由于当前中长期径流预报水平和管理技术条件所限，一般只考虑时段初蓄能和时段入能，对应库群就是总蓄能和总入能。因此最终对聚合水库来说，选定的回归因子有时段初水库蓄能本时段入能以及它们的交互项。具体模型如下：,41,Resevoir Optimization Dispatching,回归因子计算：用Vt，j，Vt+1，j 分别表示第j 个水库t时段初末的蓄水容积;Qt，j 表示第j 个水库t时段水库平均入库流量;qt，
25、j 表示第j 个水库t 时段水库平均出库流量;N为库群总数则j 水库t 时段入库流量Qt，j 的电当量为:电站i 在t 时段的平均水头,42,Resevoir Optimization Dispatching,回归因子计算：取值规则如下：,43,Resevoir Optimization Dispatching,回归因子计算：j 水库t 时段初需水量Vt，j 的电当量为:电站i 在t 时段初蓄状态具有的平均水头为,44,Resevoir Optimization Dispatching,回归因子计算：汇总各个水库的电当量我们可以得到库群t 时段的总蓄能和总入能，具体表达式如下:经上述分析，可以
26、看出时段初总蓄能代表了该时段混联水库群所有水库需水量所能提供的势能；而时段总入能则代表在该时段的入流条件下混联水库群中各电站来流所能提供的总能量。,45,Resevoir Optimization Dispatching,总出力分解模型：库群总调度函数是对优化调度后的水库群运行过程的拟合，应用库群调度函数只能得到库群总出力，因而需要将库群总出力在各水库水电站之间进行分配 为了保持和调度函数的一致性，出力分配模型选择为满足总出力要求下的时段末库群总蓄能最大作为目标函数：式中:st+1 为时段末蓄能,46,Resevoir Optimization Dispatching,总出力分解模型：约束条件
27、：(1)总出力约束:(2)水量平衡约束:,47,Resevoir Optimization Dispatching,总出力分解模型：约束条件：(3)上下游水库之间水力联系:(4)水库水位限制:,48,Resevoir OptimizationDispatching,总出力分解模型：约束条件：(5)水库出库流量限制:(6)电站出力限制:,49,Resevoir Optimization Dispatching,应用调度函数指导混联水库群模拟运行：（1）在优化调度结果的基础上，采用聚合的思想计算混联水库群时段初总蓄能时段总蓄能以及入能蓄能交互项 针对建立的调度函数模型，采用逐步回归分析计算回归系数
28、，即可得到库群总调度函数。（2）根据混联水库群各水库时段初蓄水、时段来水、水库特性即可计算本时段库群时段初总蓄能、时段总蓄能以及入能蓄能交互项。应用库群总调度函数得到时段库群总出力。,50,Resevoir Optimization Dispatching,应用调度函数指导混联水库群模拟运行：（3）采用遗传算法计算出力分配模型，得到本时段各水库水电站出力 在时段初蓄水已知时段来水已知的条件下，根据水电站出力，计算时段末(下一时段初)的蓄水 直至计算到最后一个时段。,51,Resevoir Optimization Dispatching,实例应用：以金沙江上的虎跳峡、乌东德、白鹤滩和溪洛渡，雅
29、砻江上的锦屏一级和二滩以及大渡河上的下尔呷、双江口、猴子岩和瀑布沟组成的10座具有季调节以上调节性能的混联梯级水库群为研究对象。首先采用POA-DPSA对其19591989年的来水资料进行长系列优化调度;然后对优化结果采用逐步回归分析计算混联水库群总调度函数 混联水库群空间关系如图1所示，部分月份调度函数如表1所示。,52,Resevoir Optimization Dispatching,53,Resevoir Optimization Dispatching,表1 部分月份调度函数,54,Resevoir Optimization Dispatching,在满足综合利用要求水库自身约束的前
30、提下，用调度函数指导库群长系列模拟运行 应用GA对时段总决策进行分配时，考虑到有十个水电站，因此GA优化变量为十个，选取200个种群进行计算，收敛速度快，结果较优，因此应用GA进行决策分配具有良好的可操作性 各电站出力如表2所示。优化调度混联水库群总年平均发电量为249109GWh，模拟运行结果为6929GWh，两者相差12180GWh，占年均总发电量的4.89%，可见调度函数模拟运行发电损失较小，模拟效果良好;且模拟运行的历时保证率达到90%以上，较优化调度的保证率98%有所下降，但能满足保证率的要求。,55,Resevoir Optimization Dispatching,表2 电站出力
31、,56,Resevoir Optimization Dispatching,进一步分析金沙江大渡河下游水库，即溪洛渡和瀑布沟模拟运行与优化调度的水库运行过程，以水库蓄水位作为指标，水位过程线如图2和图3所示。由图2可以看出溪洛渡和瀑布沟的模拟运行的水位变化趋势与优化调度基本一致，在汛末水库蓄满率高，而在枯水期末水库降至较低水位，充分发挥了水库的调节性能。,57,Resevoir Optimization Dispatching,58,Resevoir Optimization Dispatching,以能量的形式将混联水库群聚合成一个等效水库，在隐随机优化调度的基础上，建立了等效水库调度函数模型及其相应的决策分解模型。在综合考虑库群各水电站自身约束和库群间电力水力联系以及综合利用要求的基础上，运用调度函数和决策分解模型指导库群长系列模拟运行，对比模拟运行和优化调度结果，在发电量水库运行过程保证率等各方面，模拟运行都基本上与优化调度保持一致，而库群总调度函数的制定方便了水电系统作为一个整体参与电力系统的竞争。因此库群总调度函数的制定，并依据其指导水库运行操作方便灵活快捷，为指导水库群调度运行提供了重要的技术支撑。,
