对于已给定总日负荷曲线的梯级小型水电站群的各水电站进行负荷最优分配ZD.doc

浅谈对已给定总日负荷曲线的梯级小型水电站群的各水电站制定日最优运行方式
摘要：从总负荷的最优分配和厂内优化方面，探讨提高小水电站经济效益的途径和方法。重视模型的建立和分析。构建计算机程序逻辑处理的过程并结合明星电力股份有限公司旗下的四座小型梯级水电站进行分析说明，为提高电站的经济效益提供可靠地依据。
关键词：总负荷的最优分配 厂内优化 数学模型 计算机程序逻辑处理过程 提高经济效益
问题的提出
根据电网需求制定总的日负荷曲线，但如何合理的制定梯级电站内各个小水电站的日负荷曲线，在满足总的发电负荷的前提下，又能使耗水率最小和储备水能最大，达到提高电站经济效益的目的，是我们研究的重点。
本文主要研究的对象为四川遂宁明星电力股份有限公司旗下的四座小型梯级水电站，上一级电站为日调节水库的过军渡水电站，与之并联并交汇的分别是小白塔水电站和龙凤峡水电站，这两座电站为径流式电站，在这三座小型水电站的交汇处为下一级电站，同样也是日调节水库的三星水电站。在实际运行中由于对各电站的负荷分配没有达到最优化，理论上造成了不同程度的能量损失，为加大能源利用率，提高电站的经济效益，本文主要研究了本梯级电站的最优日运行方式，内容包括：梯级电站间的日负荷优化分配；各级电站的场内经济运行。
梯级电站间日负荷分配的优化准则和方法
优化准则为，在梯级第一级水库的入库流量和两个径流电站的来流量以及一级和二级之间的区间来流量一致的情况下，梯级水电站按照系统给定的总负荷图运行，最优的运行方式为一个日调节周期内耗水量最小的运行方式，即实发电能和水库储存电能最大的运行方式。
由于一二级水库都为日调节水库，经过一个日调节周期，水库储存电能不会产生变化。因此研究产生的附加意义是在满足系统总日负荷图的最有运行状况下且会造成必然弃水的情况下，考虑在满足第二天安全运行的情况下保留合理的弃水，提高库水位。附加意义的实现是在对第二天来水预测准确地基础上。
在完成系统给定日负荷图的基础上，满足每个梯级电站耗水量最小且整个梯级电站的总耗水量最小的情况下，制定梯级水电站定复核运行的数学模型为：
目标函数：
（1—1）
约束条件：
负荷约束条件 （1—2）
出力约束条件 （1—3）
流量约束条件 （1—4）
式中：为梯级电站的总耗流量：为梯级电站编号，=1,2,3,4···n；为机组编号，=,2,3,4···m；N梯级电站承担系统的总负荷；为第i级电站第j台机组的耗水量；为第i级电站第j台机组的出力；为第i级电站第j台机组在当时机组段工作水头最大可能的过流量，工作水头较高时，受机组的额定容量限制，工作水头较低时，受水轮机过流能力限制；为第i级电站第j台机组在当时机组段工作水头最大可能的出力，工作水头较高时，受机组的额定容量限制，工作水头较低时，受水轮机过流能力限制。
由于这四座电站中跟第一级电站并列的两座小型电站为径流式电站，不具有调节能力，所以对他们应特殊处理，对这两座电站在已知来流量和区间来流量的前提下，重新制定数学模型。这两个电站发电量较小且不具有调节能力，发电时需要做的是在来流量一定的情况下多发电，因此数学模型为以水定电模型，即：
目标函数为：

约束条件：
出力约束
流量约束
流量平衡约束
式中：为单个径流电站的总发电量；为径流式电站的机组编号；为在水头为过流量为时第台机组的出力；为第i台机组在当时机组段工作水头最大可能的过流量；为第台机组在当时机组段工作水头最大可能的出力。
因为对两座径流式电站进行了单独的考虑，所以在做梯级电站日负荷分配时就需要用梯级电站的原定的总日负荷减去两座径流式电站通过机组间最优分配发电产生的负荷，即：。
对于每个时刻每个梯级电站间的负荷应该如何最优分配，下面我将用计算机程序的逻辑进行说明，因为不再考虑两个径流电站，现在需要考虑的只有过军渡和三星两个电站间剩余负荷的最有分配，具体逻辑过程1-1如下

开 始

输入当时 库水位及梯级总负荷 p

Y
N
重设一级电站负荷 N1
N=P
计算一、二级电站出力之和 N=N1+N2
由Q1+Q径流1+Q径流2 调用二级电站流量分配子程序求得最大出力 N2
调用第一级电站负荷分配子程序，求得最小引用流量Q1
假设第一级电站承担的负荷为 N1

显示一、二级电站所承担的负荷以及机组间的最优分配、梯级最小耗水量，结束

图1-1反映了在给定梯级电站系统总负荷P（已减去径流电站最优发电负荷）的情况下，首先假定第一级电站即过军渡电站承担的负荷为N1，通过定负荷方式下的厂内优化运行计算，求出第一级电站的最小耗水量Q1，扣除沿程损失水量再加上两个径流电站的下泄流量得到Q2,，用Q2作第二级电站即三星电站的工作流量，按求解定流量最大发电量的方法，进行第二级电站的厂内优化运行计算，求出对应于Q2时第二级电站的最大出力N2，取N=N1+N2。
如果N>P，说明假设的第一级电站负荷N1偏大，应减小N1，取N1=N1-ΔN重新计算。
如果N<P，说明假设的第一级电站负荷N1偏小，应增大N1，取N1=N1+ΔN重新计算。
如果|N-P|<ε，说明此时所假设的N1合适，第一级电站对应于N1以及第二级电站对应于Q2的运行方式均为最优运行方式。
厂内优化经济运行
场内经济运行一般分为两种方式：一种是在给定输出功率一定的情况下，电站耗用流量最小，即满足N=const且Q=min；另一种是在耗用流量给定的情况下，输出功率最大，即满足Q=const且N=max；以上两种方式都表达了水电站在进行电能生产的过程中，总的能量损失为最小的原则。
对于公司旗下的两座径流式电站需要考虑的是在流量一定的情况下，输出功率最大。而剩余的两座日调节水库电站，由于他们主要构成梯级电站的上下级，根据梯级负荷分配优化运行逻辑说明图可以看出两种场内优化运行方式都要考虑。
因为过军渡水电站拥有的是两台相同机组，三星水电站拥有三台相同的机组，在不考虑单台机组工作特性产生大的变化的前提下，过军渡的两台机组拥有相同的流量微增率曲线，同理三星水电站的三台机组也拥有相同的流量微增率曲线。根据等流量微增率原则，只需选择合理的开机台数，平均分配负荷即可。
接下来会对单一水库电站流量分配问题，以及单一水电站负荷分配问题的的计算机计算过程进行逻辑说明。这两个逻辑说明针对的都是一般情况，不仅适用于包含多种机型的两座径流式电站，也同样适用于其他两座电站。由于单台机组工作时间长短不同，工作的工况条件不同等原因，就算是相同的机组也会引起各自工作特性不同的改变,此时可以把工作特性改变程度不同的机组作为不同类型的机组进行处理，因此研究一般性很有必要。
单一水库电站流量分配问题逻辑处理过程1-2
调用一台机组运行的子程序求Nmax
输出运行结果并结束
Q>Qmax1+Qmax2
Q>Qmax1
调用电站尾水位流量关系曲线子程序
输入当时库水位及电站引用流量 Q
开 始

调用两台机组运行的子程序求组合中Nmax

图1-2反应的是安装有2台机组（根据实际情况机组台数可以更多，此处设定两台旨在简单说明），引水系统为联合供水的单一水库电站，按照定流量运行的情况为例，计算制定厂内最优运行方式。已知可用于电站发电的流量为Q，首先初步估算出电站可能的工作机组台数并求出组合。两台机组的最大过流能力Qmax1、Qmax2，按由小到大排列。
如果，初定只开一台机，并计算出只开一台机是的。
如果，初定开两台机，并求出所有组合中的最大值。
电站实际中可以为多台机组，在给定的流量Q下，多台机组按照不同的开机顺序和组合方式进行计算，计算出各种可能存在的流量匹配方案所对应的出力，从中选出出力最大的方案，该方案即为最有运行方案。在计算过程中，如果某台机组由于故障或正在检修等原因不能参与运行时，视其出力为零。

单一水电站负荷分配问题逻辑处理过程1-3
开 始

调两台机组运行子程序求得Nmax
调一台机组运行子程序求得Nmax
重设Q
P=Nmax
P>N单i+N单j
P>N单i
调电站尾水流量关系曲线子程序
初设电站最小引用流量Q
输入当时库水位以及经过优化计算得到的负荷 P

输出场内优化运行结果并结束

图1-3反应的是在给定负荷的条件下，为使电站的总耗水量最小，需要合理确定开机顺序和开机台数。当开机台数超过一台时 寻找机组间负荷的最佳匹配。例安装2台机组的电站，根据总负荷N和机组最大单机容量Nlimit，假定总引用流量Q，初定开机台数并求出组合（途中初始化Nmax=0）。
如果，初定开一台机并求出单机最大的Nmax，然后进行子程序判断：若Nmax=0，说明系统所要求的负荷大于所有机组的额定容量或限制出力，实际应开两台机，并计算；若Nmax>N,说明所设流量偏大，取，再计算；若Nmax<N,说明所设流量偏小，取，再计算。在计算过程中，如果Q达到了限制工况，仍有Ni<N,取限制工况出力Ni=0；若，说明此时流量Q有可能为电站承担系统负荷N时的最小流量，然后Q带入各种2台机组的组合情况，求最佳流量匹配，如果N2台max>N,说明实际应开两台；如果，说明只开一台机组的方案正确，出力为Nmax的机组为应开的机组。
如果，初定开2台机组，并求出各种组合中的Nmax。实际中可能有多台机组，假设有k台，那么两台的组合则有种组合，求出这些组合中的最大值Nmax。若Nmax>N,说明所设流量偏大，取，再计算；若Nmax<N,说明所设流量偏小，取，再计算，直到满足。然后Q带入各种3台机组的组合情况，求最佳流量匹配，如果N3台max>N,说明实际应开3台；如果，说明开2台机组的方案正确，出力为Nmax的机组为应开的机组。
当在实际中开机台数超过2台时，处理办法2台时的情况类似，不再赘述。
总结
本文提出了对梯级小型水电站总的日负荷在各个小型水电站的负荷优化分配方法，建立了数学模型，并结合实际构建了切实可行的的计算机程序逻辑处理流程图，同时充分考虑了厂内优化运行的重要辅助作用，建立了两种场内优化的数学模型以及两种厂内优化运行的计算机程序逻辑处理流程。
以上各数学模型和流程图的建立，为水电站的优化运行提供了可靠的理论依据和切实可行的计算机计算处理方案。目前电力供应严重不足，通过科学方法优化水电站的运行，减少能源浪费，提高电能生产水平，同时提高电站的经济效益，势在必行。