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面向省级电网的跨流域水电群优化建模与应用研究

作　者: 廖胜利
导　师: 程春田
学　校: 大连理工大学
专　业: 水文学及水资源
关键词: 跨流域优化调度混合求解算法三段调峰时空解析
分类号: TV737
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
下　载: 409次
引　用: 4次
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内容摘要

水电群规模不断扩大为复杂的梯级联合调度带来了严峻的挑战,优化计算过程呈现出高维数、强约束、非线性、多阶段等特征给可靠实用的库群优化调度模型建立提出了越来越高的要求。智能算法由于模型结构复杂、参数选择困难、计算结果具有随机性等固有缺点使其实际应用受限,而理论成熟、原理清晰、实现容易且广泛应用的传统优化算法由于计算变量的增加存在维数灾问题,因此在分析传统方法特点的基础上,构建整合多种传统算法的实用最优化模型,用于求解大规模库群优化问题是亟待解决的问题。分别作为库群优化调度的前提条件及优化结果的合理检验方式,电网机组检修优化与电力电量平衡计算同样面临高维次、非凸性、离散性等特点,依靠传统的计算模式与经验已经无法满足实际计算需求。本文以云南电网、福建电网及贵州电网优化运行为背景,主要从跨流域库群联合优化调度建模、应用及其紧密相关问题进行深入研究,旨在结合计算机技术和优化理论为省级电网的库群优化调度及实际运行优化提供可靠实用的技术支持。主要内容概括如下:(1)针对电网备用不足时机组检修安排不合理可能产生大量缺电的情况,提出了基于启发式搜索和逐次逼近优化的机组检修缺电量最小模型,以等备用原则为基础,在系统存在缺电时以缺电量最小为目标,尽量使检修安排后的等效负荷曲线在系统装机容量以下,保证系统安全运行。模型求解过程中,充分结合启发式搜索与逐次逼近算法的优点,以启发式搜索获得的结果作为逐次逼近算法的初始可行解,通过不断迭代逐次寻优,获得满足各类约束的最优解。通过云南电网175台次机组检修优化安排结果表明,模型具有更好的实际应用效果。(2)针对规模库群的复杂调度要求,结合逐次逼近动态规划(DPSA)可以减少每次参与计算的电站数目,增量动态规划(DDDP)减少离散状态数目,而逐步优化算法(POA)减少计算时段数目等特点,以满足系统上下限带宽的发电量最大为目标,提出耦合DPSA,DDDP及POA的混合求解算法来建立梯级长期优化调度模型。模型以有向图技术描述复杂的梯级结构,并通过深度优先搜索技术从图中自动获得上下游的电站计算顺序,提高优化计算效率。以福建电网44座大型水电站为应用实例的计算结果表明,有向图描述的混合求解算法可以有效地克服维数灾问题和复杂约束条件问题,得到高性能的优化调度结果。(3)随着我国用电负荷的不断增加,相邻日之间平均负荷差不断扩大,导致两天之内火电开机方式的差异越来越大,给电网计划制作与实际调度带来一定的困难及不必要的经济损耗,针对这种情况提出了基于切负荷方式的库群中期发电优化调度调峰出力最大模型:在给定时间段内,为了让遗留给火电站的日电量尽量均匀,保证火电机组相邻日内的开机方式不变或者变化最少,以此减少火电机组启停期间的额外燃料消耗及磨损,节约发电成本,而使水电机组适应各日间的电量变化,达到中期负荷调峰的目的。模型求解过程中先根据电站调节性能及其在梯级中的位置进行分类,采用逐次切负荷方式确定电站的最优调峰位置,并通过以电定水对梯级水量进行平衡计算,对存在弃水的情况根据系统负荷特性进行修正,以获得接近最优结果的库群初始调度过程。最后以这一过程为基础,通过混合求解算法进行寻优求解。通过福建电网19座具有中期调节性能电站丰枯水期的计算结果显示调峰效果明显。(4)针对汛期电力系统中,水电在尽量减少或避免弃水的情况下调峰能力不够时,火电参与调峰,但各个时段出力不均匀,提出了基于负荷控制的三段调峰及递级调峰算法,以逐次切负荷法为基础,采用负荷控制的办法,避免了常规算法中对火电站计算结果进行逐个限制的复杂过程。该算法在尽可能减少火电站出力过程中连续开停机及连续升降的情况下,既能保证火电站相邻时段出力差满足爬坡速度要求,又保证了火电站全天各个时段出力尽量均匀,减少火电机组频繁启停或爬坡带来的额外燃料消耗及磨损,节约发电成本。通过云南电网实际运行检验,改进的调峰方式计算结果更为合理,更能满足实际电网的调峰要求。(5)以多个省级电网跨流域水电群发电优化调度系统为背景,从工程实用性出发,在分析国内外现有库群发电优化调度技术基础之上,运用计算机科学、人工智能技术,提出了能够求解复杂跨流域梯级水电站群发电优化调度系统的时空解析技术,主要包括描述梯级电站拓扑结构的有向图技术,条件约束自动设置的智能记忆方式及脚本控制技术,可扩展的优化算法接口设计及基于共享Model的MVC模式图表联动及梯级联调技术,开发了包括中长期径流预报、长中短期发电优化和实时调度的跨流域水电站群发电优化调度系统,并在福建、云南、贵州三个省级电网得到成功应用。最后对全文进行了总结,并对有待进一步研究的问题进行了展望。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-28
  1.1 选题背景和研究意义  13-15
    1.1.1 我国水电及省级电网的发展  13
    1.1.2 省级电网跨流域水电群优化调度的研究意义  13-15
    1.1.3 研究的工程背景  15
  1.2 长期计划检修的研究现状  15-16
  1.3 库群优化调度研究综述  16-25
    1.3.1 传统优化调度方法  17-21
    1.3.2 现代智能优化调度方法  21-25
  1.4 本文的研究内容及框架  25-28
2 基于启发式搜索和逐次逼近优化的机组检修缺电量最小模型  28-47
  2.1 引言  28-30
  2.2 传统检修优化可靠性模型  30-31
    2.2.1 等备用容量(率)模型  30
    2.2.2 等风险度模型  30-31
  2.3 缺电量最小检修优化模型  31-33
    2.3.1 模型原理及描述  31
    2.3.2 数学符号定义  31-32
    2.3.3 目标函数  32
    2.3.4 约束条件  32-33
  2.4 模型求解  33-40
    2.4.1 总体求解思路  33
    2.4.2 约束的分类及不等式集合处理方式  33-34
    2.4.3 组合机组处理"一库多级"式梯级约束  34-35
    2.4.4 启发式搜索算法及计算流程  35-36
    2.4.5 逐次逼近优化算法  36-38
    2.4.6 结合启发式搜索的逐次逼近算法及求解  38-40
  2.5 应用实例  40-46
    2.5.1 基本资料  40-42
    2.5.2 计算结果分析及比较  42-46
  2.6 本章小结  46-47
3 有向图描述的库群长期发电优化调度混合求解算法  47-71
  3.1 引言  47-48
  3.2 长期调度发电量最大模型  48-50
    3.2.1 模型原理及描述  48
    3.2.2 数学符号定义  48-49
    3.2.3 目标函数  49
    3.2.4 约束条件  49-50
  3.3 常用的降维动态规划  50-53
    3.3.1 逐次逼近动态规划(DPSA)  50
    3.3.2 增量动态规划(DDDP)  50-51
    3.3.3 状态逐密动态规划  51
    3.3.4 逐步优化算法(POA)  51-53
  3.4 有向图描述梯级拓扑结构及计算顺序的确定  53-57
    3.4.1 基于有向图描述的梯级拓扑结构  53-55
    3.4.2 深度优先搜索(DFS)确定计算顺序  55-56
    3.4.3 确定梯级计算顺序的其它方式  56-57
  3.5 耦合DPSA,DDDP及POA的混合求解算法  57-63
    3.5.1 算法总体设计思路  57-59
    3.5.2 两步等流量方式获得初始解  59
    3.5.3 惩罚函数的选择  59-60
    3.5.4 电站分组及计算顺序的确定  60
    3.5.5 混合求解算法的计算步骤及流程  60-63
  3.6 应用实例  63-70
    3.6.1 基本资料情况  63-64
    3.6.2 计算条件设置  64-65
    3.6.3 计算结果及分析  65-70
  3.7 本章小结  70-71
4 基于切负荷方式的库群中期发电优化调度调峰出力最大模型  71-86
  4.1 引言  71-72
  4.2 中期调峰出力最大模型  72-73
    4.2.1 模型原理及描述  72
    4.2.2 数学符号定义  72
    4.2.3 目标函数  72-73
    4.2.4 约束条件  73
  4.3 数据准备及前期处理  73-74
    4.3.1 区间入库流量的计算  73
    4.3.2 水电系统带宽的确定  73
    4.3.3 各时段检修容量的处理  73-74
  4.4 模型求解  74-79
    4.4.1 总体求解思路  74-75
    4.4.2 各类电站可调电量的确定  75
    4.4.3 切负荷方式确定初始调度过程  75-76
    4.4.4 以电定水水量平衡  76-77
    4.4.5 结合负荷特征的弃水调整策略  77-78
    4.4.6 混合求解算法寻优  78-79
  4.5 应用实例  79-85
    4.5.1 基本资料情况  79
    4.5.2 丰枯水期的计算条件设置  79-81
    4.5.3 应用结果及比较分析  81-85
  4.6 本章小结  85-86
5 基于负荷控制的三段调峰和递级调峰算法  86-105
  5.1 引言  86
  5.2 常规电力电量平衡算法  86-94
    5.2.1 基于日电能累计曲线的作图法  87-88
    5.2.2 余荷逐次后移法  88-90
    5.2.3 最优排位法  90-91
    5.2.4 逐次切负荷法  91-92
    5.2.5 改进的逐次切负荷法  92-94
  5.3 常规算法在调峰计算中的缺陷  94-95
  5.4 改进的调峰方式  95-98
    5.4.1 三段调峰算法  96-97
    5.4.2 递级调峰算法  97-98
  5.5 方法的应用  98-104
    5.5.1 算例资料背景  98-99
    5.5.2 计算结果分析及比较  99-104
  5.6 本章小结  104-105
6 面向省级电网库群发电优化调度系统的关键技术实现  105-123
  6.1 引言  105-106
  6.2 面向对象的库群优化调度系统分析  106
  6.3 面向对象的库群优化调度系统设计  106-111
    6.3.1 通用模块类分类及设计  107-108
    6.3.2 基于合适粗细粒度对象的界面及流程设计  108-109
    6.3.3 抽象系统设计及方法实现  109-111
  6.4 库群优化调度系统设计与实现采用的关键技术  111-118
    6.4.1 有向图技术描述梯级电站拓扑结构  111-114
    6.4.2 条件约束自动设置的智能记忆方式及脚本控制技术  114-115
    6.4.3 可扩展的优化算法接口设计  115-116
    6.4.4 基于共享Model的MVC模式图表联动及梯级联调技术  116-118
  6.5 技术在系统中的应用及界面展示  118-122
  6.6 本章小结  122-123
结论  123-125
参考文献  125-133
创新点摘要  133-134
攻读博士学位期间参加课题及获奖情况  134-135
攻读博士学位期间发表学术论文情况  135-137
致谢  137-138
作者简介  138-139

面向省级电网的跨流域水电群优化建模与应用研究

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