兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法技术

本发明专利技术涉及水电调度及电网运行领域，公开了一种兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法。电网调峰与河道通航需求间的矛盾是水电航运梯级调度时所面临的突出问题，区间回水的顶托作用加剧了问题的复杂性。本发明专利技术建立了考虑回水影响的梯级水电站群短期多目标优化调度的MILP模型，模型中以剩余负荷平均距与下游尾水位平均距最小为目标，将非线性约束通过函数聚合后，利用直六面体栅格化技术与SOS2约束方法实现约束线性化，最终应用NBI方法求解，得到多目标问题的Pareto解集。所提方法可以充分计及回水顶托影响，兼顾调峰与通航需求，高效求解多目标调度问题并获得较理想的结果，是一种切实有效的方法。是一种切实有效的方法。是一种切实有效的方法。

【技术实现步骤摘要】
兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法


[0001]本专利技术涉及水电调度及电网运行领域，特别涉及一种兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法。

技术介绍

[0002]我国大型流域梯级水库常承担多项综合利用任务以响应电站侧、电网侧、流域侧等不同利益主体的复杂调度需求，如发电、防洪、航运、生态、灌溉等，这些任务大多相互制约、相互矛盾。不同目标间如何协调冲突、联合调度，是充分发挥流域梯级综合效益的关键。水电由于启停迅速、响应及时等优点，多承担电网调峰任务。为灵活满足电网调峰需求，水电站势必引起下游河道流量、水位频繁波动。对于有通航需求的水库，若无有效调控措施，将严重影响船只正常通行，故常修建反调节电站以调控河道通航条件、缓解调峰与航运的矛盾，即水电航运梯级。然而反调节电站一般调节性能较弱且与上游电站存在敏感的水力耦合，尤其是区间回水对上游电站尾水位的顶托作用，若不考虑，将导致运行工况出现偏差甚至产生经济纠纷。因此，如何对水电航运梯级间的复杂水力联系精确建模、充分兼顾调峰与通航效益，实现梯级水电站群的多目标联合优化调度是亟待解决的问题。
[0003]本专利技术成果依托于国家自然科学基金(91547201)，针对水电航运梯级调峰与通航的调度需求，充分考虑反调节电站的回水顶托效应，构建梯级水电站群多目标优化调度的混合整数线性规划(MILP)模型并利用法线边界交叉(NBI)方法求解，最终获得了问题的Pareto最优解集，供决策者根据不同运行状态及调度需求择优选择。本专利技术方法可以充分计及回水顶托影响，发挥下游电站反调节作用，统筹电网调峰与河道通航的多目标需求，获得合理的梯级调度计划，具有很强的实用性和推广价值。

技术实现思路

[0004]本专利技术要解决的技术问题是提供一种兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法，以期统筹调峰与通航等多种效益，高效配置水资源，获得合理的梯级水电站群短期调度计划，实现多目标间的协同优化。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法，统筹了调峰与通航的多目标需求，考虑了下游反调节电站的回水顶托影响，可以获得均匀分布的Pareto解集，如图1所示，具体包括如下步骤：
[0007](1)构造调峰、通航需求的目标函数
[0008]如式(1)
‑
(2)所示，分别以电网剩余负荷平均距最小以及下游反调节水电站尾水位平均距最小作为调峰目标与通航目标：
[0009][0010][0011]式中，f1为电网剩余负荷平均距；t为时段编号；T为调度时段总数；n为电站编号；N为电站总数；D
t
、D
′
t
分别为t时段电网面临负荷及剩余负荷，MW；P
n,t
为电站n在t时段出力，MW；f2为下游水电站尾水位平均距；为t时段最后一级水电站的尾水位，m；为最后一级电站尾水位平均值，m。
[0012]上述目标函数中均包含绝对值符号，难以直接构造MILP模型求解，故分别引入非负辅助变量δ
t
、将目标函数转化为：
[0013][0014][0015](2)将非线性约束聚合为等效动力函数并对其线性化
[0016]根据式(5)水位库容关系、式(6)尾水位下泄流量关系、式(7)水头计算公式、式(8)出力特性曲线等非线性约束之间的联系，将其聚合为一个多元高次函数，即等效动力函数，如式(9)
‑
(10)所示；然后根据精度要求将其栅格化，从而形成数个直六面体栅格，利用栅格点权重λ
i,j,k
及法平面的SOS2约束线性化等效动力函数，如图2所示；
[0017][0018]式中，V
n,t
为t时段电站n的库容，m3；为电站n的水位库容关系曲线；Z
n,t
为t时段电站n的坝上水位，m。
[0019][0020]式中，为电站n的尾水位泄量关系曲线，当有回水顶托影响时，电站n的尾水位与出库流量及下游水库坝上水位有关；无回水顶托影响时，则只与出库流量有关。Q
n,t
为
电站n在t时段的出库流量，包括发电流量q
n,t
及弃水流量S
n,t
，m3/s；为t时段电站n的尾水位，m。
[0021][0022]式中，H
n,t
、分为t时段电站n的净水头及水头损失值，m。
[0023][0024]式中，为电站n的动力特性函数，即出力、发电流量及水头的三维关系曲线。
[0025][0026]由于实际调度中要尽量避免弃水，故本专利技术中弃水流量S
n,t
取为0，即Q
n,t
＝q
n,t
，则公式(9)的函数可表述为：
[0027][0028]式中，Γ
n
(q
n,t
,V
n,t
,V
n+1,t
)为一非线性函数，聚合了水位库容、考虑回水顶托影响的尾水位泄量、机组动力特性曲线等所有非线性项，在空间中以四维超曲面形式存在，约束着点(q
n,t
,V
n,t
,V
n+1,t
)。由此，只要已知任意时段t电站n的发电流量q
n,t
、库容V
n,t
及下游电站n+1的库容V
n+1,t
，就可通过函数Γ
n
(
·
)唯一确定出力P
n,t
，故称其为等效动力函数，上述约束(5)
‑
(8)也就转换为式(10)。
[0029](3)利用法线边界交叉(NBI)法转化目标函数
[0030]如图3所示，分别针对调峰f1(δ
t
)、通航单目标进行优化求解，得到仅考虑调峰目标时的优化结果及与之相应的通航目标和仅考虑通航目标时的优化结果及与之相应的调峰结果由此得到支付矩阵Φ；
[0031]将支付矩阵归一化，得到“乌托邦点”及“乌托邦线”。确定“乌托邦线”上点P的坐标(μ1,μ2)，将目标函数转换为最大化“乌托邦线”上的点P(μ1,μ2)与虚设Pareto前沿上的点O之间的距离d；
[0032](4)建立MILP模型并求解
[0033]将水量平衡约束、库容上下限约束、始末库容约束、发电流量上下限约束、出库流量上下限约束、电站出力上下限约束、出力爬坡约束等线性约束及线性化后的等效动力函数(10)加入模型中，构建MILP模型并利用求解器求解；
[0034](5)改变μ1、μ2取值，重复步骤(3)
‑
(4)，即可得到问题的Pareto解集。
[0035]本专利技术对比现有技术有如下有益效果：本专利技术一种兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法，可以充分计及回水顶托影响，最大程度发挥下游电站反调节作用，统筹电网调本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种兼顾调峰与通航的梯级水电站多目标调度的MILP方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)构造调峰、通航需求的目标函数如式(1)
‑
(2)所示，分别以电网剩余负荷平均距最小以及下游反调节水电站尾水位平均距最小作为调峰目标与通航目标：均距最小作为调峰目标与通航目标：式中，f1为电网剩余负荷平均距；t为时段编号；T为调度时段总数；n为电站编号；N为电站总数；D
t
、D
′
t
分别为t时段电网面临负荷及剩余负荷，MW；P
n,t
为电站n在t时段出力，MW；f2为下游水电站尾水位平均距；为t时段最后一级水电站的尾水位，m；为最后一级电站尾水位平均值，m；分别引入非负辅助变量δ
t
、将目标函数转化为：将目标函数转化为：(2)将非线性约束聚合为等效动力函数并对其线性化根据式(5)水位库容关系、式(6)尾水位下泄流量关系、式(7)水头计算公式、式(8)出力特性曲线等非线性约束之间的联系，将其聚合为一个多元高次函数，即等效动力函数，如式(9)
‑
(10)所示；然后根据精度要求将其栅格化，从而形成数个直六面体栅格，利用栅格点权重λ
i,j,k
及法平面的SOS2约束线性化等效动力函数：式中，V
n,t
为t时段电站n的库容，m3；为电站n的水位库容关系曲线；Z
n,t
为t时段电站n的坝上水位，m；
式中，为电站n的尾水位泄量关系曲线，当有回水顶托影响时，电站n的尾水位与出库流量及下游水库坝上水位有关；无回水顶托影响时，则只与出库流量有关；Q
n,t
为电站n在t时段的出库流量，包括发电流量q
n,t
及弃水流量S
n,t
，m3/s；为t时段电站n的尾水位，m；式中，H
nt
、分为t时段电站n的净水头及水头损失值，m；式中，为电站n的动力特性曲线，即出力、发电流量及水头的三维关系曲线；由于实际调度中要尽量避免弃水，故弃水流量S
n,t
取为0，即Q
n,t
＝q
n,t
，则公式(9)的表述为：式中，Γ
n
(q
n,t
,V
n,t
,V
n+1,t
)为一非线性函数，聚合了包括水位库容、考虑回水顶托影响的尾水位泄量、机组动力特性曲线的所有非线性项，在空间中以四维超曲面形式存在，约束着点(q
n,t
,V
n,t
,V
n+1,t
)；只要已知任意时段t电站n的发电流量q
n,t
、库容V
n,t
及下游电站n+1的库容V
n+1,t
，就可通过函数Γ
n
(
·
)唯一确定出力P
n,t
，故称为等效动力函数，约束(5)
‑
(8)也就转换为式(10)；(3)利用法线边界交叉法NBI转化目标函数分别针对调峰f1(δ
t
)、通航单目标进行优化求解，得到仅考虑调峰目标时的优化结果及与之相应的通航目标和仅考虑通航目标时的优化结果及与之相应的调峰结果由此得到支付矩阵Φ；将支付矩阵归一化，得到“乌托邦点”及“乌托邦线”；确定“...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴慧军，李树山，唐红兵，廖胜利，程春田，马翔宇，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：