基于遺傳算法的水電站優化調度

基于遺傳算法的水電站優化調度

劉福玉

(遼寧省白石水庫管理局，遼寧 朝陽122000)

【摘要】水電站優化調度的主要目的是能夠充分利用有限的水資源，使發電量更大，從而提高水電站的經濟效益。由于遺傳算法對求解的目標函數的連續、可導或單峰等性質不作約束，使其具有較好的全局最優求解能力。將遺傳算法引入到本文研究的水電站優化調度問題當中，能夠為水電站確定一個最優的調度方案。本文在給出電廠出力和各種約束條件的情況下，求解水電站通過調度閘門的開啟來提高水電站的發電量，同時提高整個水電站電力系統的供電質量與運行的可靠性。

【關鍵詞】優化調度；遺傳算法；經濟效益；節能優化

中圖分類號：TV214

Hydropower station optimal scheduling based on genetic algorithm

LIU Fuyu

(LiaoningBaishiReservoirAdministration,Chaoyang122000,China)

Abstract:The main purpose of hydropower station optimal scheduling is to make full use of limited water resources and increasing power generation, thereby improving economic benefits of hydropower station. Since genetic algorithm does not limit solved objective function continuity, derivability or unimodal and other properties. It can achieve better global optimal solution ability. Genetic algorithm is introduced to hydropower station optimal scheduling studied in the paper. An optimal scheduling plan can be determined for hydropower station. In the paper, power plant output and various constraint conditions are given, the power generation of hydropower station can be improved through opening scheduling gate in the hydropower station under the above conditions. Meanwhile, the power supply quality and operation reliability of power system in the whole hydropower station can be improved.

Key words: optimal operation; genetic algorithm; economic benefit; energy saving optimization

湘祁水電站總裝機容量80MW，安裝了4臺20MW燈泡貫流式水輪機組，其壩址控制流域面積27160km2，正常蓄水位75.5m，總庫容3.89億m3，是當地可供開發水力資源中較大的電源點。工程以發電為主，兼有航運、灌溉、交通、旅游、養殖及城鎮開發等綜合效益。水電站采用右岸廠房、左岸船閘、主河床布置閘壩的布置方案，屬大型水利水電樞紐工程。

1問題的提出及方案設計

1.1問題的提出

湘祁電站作為湖南省永州市祁陽縣和衡陽市祁東縣交界地區重點開發的水利樞紐工程，水頭低，弗勞德數低，單寬流量大，下游水位變動較大，來水隨季節變化十分明顯，消能不穩定，消能后水面波動較大。由于類似于該水電站的低水頭水工建筑物一般位于河流中下游流域地勢較為平緩的地區，對消能防沖往往不能引起足夠的重視。當弗勞德數Fr<4.5時，消能效率約為20%～40%，由于消能工的消能效率較低，大量的能量被攜帶到建筑物下游，加劇了消能工下游水流的紊動，對河床沖刷嚴重。在實際工程中，往往由于消能問題不能夠得到很好的解決，下泄水流具有較大的動能，導致河床形成沖坑，岸坡沖毀，下游水位降低，進一步惡化了消能防沖的水力條件，對低水頭水工建筑物的安全威脅增大，甚至導致工程失事，這一點已為工程實踐和模型試驗所證實。因此，有效解決低水頭、低弗勞德數水躍的消能防沖問題并在此基礎上進行優化控制，使該水電站機組的泄洪方式最優，獲得最大發電效益，具有非常重要的意義。

1.2方案設計

a.現場收集資料，包括水電站現有泄洪消能方式及在運行過程中某一段時間的泄洪方式運行資料。

b.根據現在運行的水電站泄洪消能方式資料進行理論計算和分析。

c.根據計算和分析的結果，在理論上提出相應的幾種優化控制方案。

d.建立水電站現有泄洪消能方式數學模型，利用計算流體力學軟件FLUENT分別對不同的優化方案的流場進行模擬，包括下游水流流態、流速分布、壓力分布、消能效率等方面的對比研究。

e.建立水電站現有泄洪消能方式數學模型，通過試驗、測試、數據處理等方法分別對幾種優化方式進行對比研究，得出在不同控制方式下的水流流態、流速分布、壓力分布、消能效率等。

f.通過數值模擬和物理試驗的對比，以及結合在運行某一段時間內的泄洪方式運行資料，最終確定出一種可以提高消能效率且適應該項目的泄洪消能優化控制方式。

2模型的建立

正泄水閘的排水流量Q排計算公式如下：

(1)

式中b——泄水閘的孔口凈寬，為14m；

n——指數，對于孔流取0.5，對于堰流取1.5；

μ——泄水閘過水能力綜合系數；

e——閘門開啟高度；

H——從堰頂算起的閘前水深。

加電站發電流量計算公式如下：

(2)

電站機組出力計算公式如下：

(3)

式中N——機組發電出力；

η——機組效率系數；

Q——機組發電流量；

H——機組運行水頭；

Z上——庫前水位；

Z尾——尾水位。

為了提高發電效益，合理調控19個泄水閘的開口大小和開口數量，現在暫時考慮8孔泄洪閘泄洪方案的優化。其中Q=Q來-Q排，發電流量等于上游來水減去泄水流量。通過對近幾年的數據分析，電站發電出力受到上游來水和下游尾水位的影響[1-8]。

水庫的泄水方式的最優條件為

等式約束條件為

3模型求解

由于水電站在實際運行過程中對閘門的開啟分別為開啟3m、開啟6m以及全部開啟。因此在計算過程中將閘門開啟參數設置為了3、6、9三種情況，其中3代表閘門開啟3m、6代表閘門開啟6m、9代表閘門全部開啟。不同來水量時的閘門開啟情況見下表。

不同來水量時的閘門開啟情況表

從上表可以看出，當來水流量在1230m3/s時，電站處于滿發狀態，因此在來水流量小于1230m3/s時不用開啟閘門泄流。

通過計算得出的具體優化調度如下：

a.當Q來≤1230m3/s時，僅電站過流(滿發)，溢流壩不泄洪。

b.當1230m3/s

c.當2530m3/s

d.當3600m3/s

e.當4100m3/s

f.當4800m3/s

g.當電站停機后，7530m3/s

4結果分析

根據水庫閘門在不同的來水量時的開啟情況，可以歸納出以下幾點結論：

a.筆者通過對該水電站近年來數據進行的分析，發現水庫的發電效率與尾水位存在一定的關系，因此將尾水位對發電效率的影響考慮在了模型當中。

b.盡量避免機組發電與泄洪同時進行，盡量減少水頭損失，同時增加機組出力。

c.集中泄洪對庫水位影響較大，降低水頭，減少機組出力。

d.在泄洪不可避免的情況下，先抬高庫水位再泄洪，機組出力大于先泄洪再抬高庫水位。

5結語

本文提出的是一種基于遺傳算法的水電站優化調度模型，通過控制水電站閘門的開啟來減少成本，同時提高水電站的發電效率。通過對水電站泄洪方式的優化控制，可以使下泄水流的巨大動能在較短的距離內消耗掉，保護水電站建筑物安全，在與下游水流順利安全地銜接后，避免直接作用于兩岸護坡，減輕了對下游河床的沖刷。同時在保證水電站安全運行的前提下，優化控制泄洪方式還能夠盡量少棄水、多發電，提高了水量利用率，從而提高了水電站的經濟效益。

參考文獻

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