基于水电动态库容经济调度方法

技术领域

本发明涉及经济调度领域，具体是基于水电动态库容经济调度方法。

背景技术

我国水电发展迅速，目前中国水电装机容量达370GW，相比于传统燃煤/燃油发电，水电具有清洁环保等优点，水电站肩负发电、防洪、灌溉等功能，是我国重要的资源。但水电站的发电能力并没有完全开发出来，尤其是在汛期，静态保守的汛限水位使得水库的库容被限制在较低水平，导致大量弃水。

但是，随着现在预测能力的提升，水库的汛限水位可以从原来的静态方式变为动态控制，汛期的水库库容得到扩展，可以为电力系统提供更多的灵活性。并且库容扩展使得弃水成本降低，带来了更大的经济效益。

目前，水力发电的库容在汛期大多都是采用静态保守的讯限水位，这会极大的损失水电的效益。

发明内容

本发明的目的是提供基于水电动态库容经济调度方法，包括以下步骤：

1)获取水库基本信息和水文预测信息。

所述输入水库基本信息包括死水位、汛限水位、正常蓄水位、防洪高水位。

所述水文预测信息包括洪水预见期、预测水库来水量。

2)建立水库动态控制模型。

建立水库动态控制模型的步骤包括：

2.1)计算t时段水库ξ库容的可变化量V

式中，V

2.2)建立水库动态控制模型。

水库动态控制模型的目标函数如下所示：

式中，V

水库动态控制模型的约束条件如下所示：

式中，

3)获取电气系统基础信息。

所述电气系统基本数据包括电力系统设备参数、水轮机装机容量、系统网络拓扑结构和负荷功率。

所述电力系统设备参数包括线路阻抗、线路对地电纳、线路传输功率约束条件、变压器阻抗、变压器对地导纳、变压器变比、变压器传输功率约束条件、电力系统节点对地导纳、电力系统节点连接负荷功率大小、发电机出力大小、发电机出力约束条件。

4)建立水能约束线性模型。

建立水能约束线性模型的步骤包括：

4.1)建立水力发电模型，即：

P′

式中，A为水电转换效率。P′

4.2)将水力发电模型线性化，得到水能约束线性模型，即：

P

式中，r

5)建立基于水库动态控制的经济调度模型

所述基于水库动态控制的经济调度模型的目标函数如下所示：

式中，F为总运行成本。Z为水库个数。Ns为水电机组个数。C

基于水库动态控制的经济调度模型的约束条件分别如公式(10)至公式(12)所示，即：

式中，P

式中，

6)求解基于水库动态控制的经济调度模型，得到水电动态库容经济调度方式。

求解基于水库动态控制的经济调度模型的工具包括Cplex求解器。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，本发明针对汛期水库弃水现象严重的问题，提供一种考虑水库动态控制的经济调度模型构建方法，该方法利用水文预测信息(来水量和洪水遇见期)，计算洪水有效预见期内水库的预泄量，然后用这部分预泄量来抬升汛期水库的上限，以此来提升水库汛期的蓄水能力。其特征在于，可以在保证安全的情况下挖掘水库的蓄水能力，提升水电的经济效益。

本发明利用动态库容的方法，提升汛期水库的水位上限，使得水库的灵活性大大提升，弃水减小，成本降低。本发明构建的水库动态的控制的经济调度模型极大开发了水库容量的潜力，结合预报信息，对汛限水位进行动态调整，使汛期水库容量的上限提升，以此给电网提供更大的灵活性，带来更多的经济效益。

附图说明

图1为电力系统结构图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

基于水电动态库容经济调度方法，包括以下步骤：

1)获取水库基本信息和水文预测信息。

所述输入水库基本信息包括死水位、汛限水位、正常蓄水位、防洪高水位。

所述水文预测信息包括洪水预见期、预测水库来水量。

2)建立水库动态控制模型。

建立水库动态控制模型的步骤包括：

2.1)计算t时段水库ξ库容的可变化量V

式中，V

2.2)建立水库动态控制模型。

水库动态控制模型的目标函数如下所示：

式中，V

水库动态控制模型的约束条件如下所示：

式中，

3)获取电气系统基础信息。

所述电气系统基本数据包括电力系统设备参数、水轮机装机容量、系统网络拓扑结构和负荷功率。

所述电力系统设备参数包括线路阻抗、线路对地电纳、线路传输功率约束条件、变压器阻抗、变压器对地导纳、变压器变比、变压器传输功率约束条件、电力系统节点对地导纳、电力系统节点连接负荷功率大小、发电机出力大小、发电机出力约束条件。

4)建立水能约束线性模型。

建立水能约束线性模型的步骤包括：

4.1)建立水力发电模型，即：

P′

式中，A为水电转换效率。P′

4.2)将水力发电模型线性化，得到水能约束线性模型，即：

P

式中，r

5)建立基于水库动态控制的经济调度模型

所述基于水库动态控制的经济调度模型的目标函数如下所示：

式中，F为总运行成本。Z为水库个数。Ns为水电机组个数。C

基于水库动态控制的经济调度模型的约束条件分别如公式(10)至公式(12)所示，即：

式中，P

式中，

6)求解基于水库动态控制的经济调度模型，得到水电动态库容经济调度方式。

求解基于水库动态控制的经济调度模型的工具包括Cplex求解器。

实施例2：

基于水电动态库容经济调度方法，包括以下步骤：

1)输入水库基本信息及水文预测信息。

1.1)输入水库基本信息：死水位(是水库在正常运用情况下，允许消落的最低水位)、汛限水位(是确保水库发挥防洪功能而设定的水位参数指标)、正常蓄水位(是水库在正常运行情况下所蓄到的最高水位)、防洪高水位(是水库遇到下游防洪保护对象的设计洪水时，在坝前达到的最高水位)。

1.2)输入水文预测信息：洪水预见期(预测的洪水来临时间)、来水量(预测的每个时刻水库的来水量)。

2)建立水库动态控制模型

为最大限度的利用水库库容，增加发电量并减小弃水，本发明提出基于水库动态控制的经济调度模型。水库动态控制模型的建模可分为以下三个步骤：计算动态调节容量、建立动态控制模型、建立考虑水库动态调整的经济调度模型。

2.1)计算动态调节容量

根据实时天气和来水情况，计算来水预测量和水库预泄能力，建立库容动态调整模型。

式中V

2.2)建立动态控制模型

式2是根据水库库容的变化量建立的一个动态库容控制模型，从初始时段计算到终止时段。式子3计算了t时段水库ξ的库容上限，式4-6为动态控制模型的约束条件。

式中V

3)输入系统基础信息

输入电气系统基本数据：电力系统设备参数(即线路的阻抗、对地电纳及其传输功率约束条件，变压器的阻抗、对地导纳、变比及其传输功率约束条件，电力系统节点的对地导纳及连接负荷功率大小，发电机出力大小及其出力约束条件)，水轮机装机容量(水库水力发电机组额定功率总和)，系统网络拓扑结构(即包括电力系统、天然气系统中各节点连接关系，以及各耦合元件的连接关系)，负荷功率。

4)建立水能约束线性模型

根据水力发电功能转换关系，建立水力发电模型如式(7)：

P

式中，A为水电转换效率，常取值为9.81；P

由于水电发电量是水头高度和发电流量的二元非线性函数，故采用二元线性拟合的办法将其线性化，线性化的结果如式(8)所示。

P

式中，r

5)建立基于水库动态控制的经济调度模型

根据经济调度需求，结合水库动态控制模型，建立了基于水库动态控制的经济调度模型。

5.1)经济调度目标函数

经济调度目标函数如式(9)所示，该式含义为：在满足负荷需求的情况下，为使得水电弃水成本最小。

式中，F为总运行成本，Z为水库个数，Ns为水电机组个数，C

5.2)经济调度等式约束条件。

式(10)为水电功率和负荷功率平衡方程。

式中，P

5.3)经济调度不等式约束条件

式中，

6)求解考虑水库动态控制的经济调度模型

基于以上步骤，本方法建立了考虑水库动态控制的经济调度模型，该模型可用Cplex求解器求解。

实施例3：

基于水电动态库容经济调度方法的验证试验，包括以下步骤：

1)输入水库基本信息及水文预测信息

输入包括水库的基本信息以及水文的预测信息(来水预测信息，洪水预见期，水库开关闸操作时间)，具体数据展示如表1和表2所示(水库1和水库2的水文预测信息一致)。

表1水库的基本信息

表2来水预测信息

2)输入系统基础信息

参见图1，IEEE30节点系统中共有6台发电机，其中G1-G3为水库1的水电机组，G4-G6为水库2的水电机组，以所有发电机的发电成本作为目标函数；针对IEEE30节点系统的所有节点可列写30个节点有功功率平衡方程作为等式约束，线路功率约束，发电机功率约束，发电流量等变量的不等式约束上下限如表3所示：

3)建立水库动态控制模型

本发明通过M0，M1两种最优潮流方法计算IEEE30系统，M0(基于静态库容的水电经济调度)的计算结果为传统调度方法结果，M1的计算结果通过与M0的计算结果进行对比可以验证其有效性。

M0：基于静态库容的水电经济调度。

M1：基于动态库容的水电经济调度(不考虑来水预测误差)。

4)建立水能约束线性模型

将水力发电二元非线性函数拟合为线性函数，全局最优水能转换系数如表4所示：

表3负荷参数如下

表4局最优水能转换系数

5)建立水库动态控制的经济调度模型

在考虑弃水成本的情况下，将弃水总成本的最小值作为模型的目标函数，其中约束条件为功率平衡，以及考虑线路潮流的上下限。

6)求解考虑水库动态控制的经济调度模型

采用Cplex求解器求解以上两种策略结果如表5所示：

表5不同方法的弃水总成本对比

从上述结果可看出：1)相比于方法M1，M0能够承受的负荷是最低的，只能达到输入的数据的0.65倍，M1是基于水库动态调整的调度方法，可承担的负荷能达到输入数据的1.25倍是方案中带负荷能力最强的。2)当发电机组所带负荷增加时，由于机组用水量增加，使得弃水减少从而使得弃水成本减小。

综上所述，本发明的目的提供一种考虑水库动态控制的经济调度模型构建方法。首先，将水库信息以及水文预测信息输入；其次，建立动态库容控制模型；最后，以弃水成本最小作为目标函数，结合直流潮流的模型建立水电动态库容的经济调度模型，并用Cplex商业求解器求该经济调度模型。通过求解结果可知，本发明提出的一种考虑水库动态控制的经济调度模型构建方法能有效增加汛期的水库库容，增加系统的经济效益。