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基于機(jī)組運行安全的水布埡水電站機(jī)組負(fù)荷分配研究

文檔作者：史世平吳晉青鄭姣文檔來源： 1．中水北方勘測設(shè)計研究有限公司 2．四川省都江堰東風(fēng)渠管理處		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月06日
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第4O卷第3期
2014年3月 水力發(fā)電
基于譏組遣仟安全的水布埡水電玷
祝組負(fù)荷分配研究
史世平 ，吳晉青 ，鄭 姣
(1．中水北方勘測設(shè)計研究有限公司，天津300222；
2．四川省都江堰東風(fēng)渠管理處。四川成都610072)
摘耍：針對水布埡水電站機(jī)組運行安全問題，建立了基于機(jī)組運行安全的水布埡水電站機(jī)組負(fù)荷分配模型，并采
用改進(jìn)遺傳算法進(jìn)行求解。水布埡水電站三種水頭下不同量級的負(fù)荷分配結(jié)果表明：傳統(tǒng)算法雖有時求得的電站耗
流量較小，但無法保證水電站所有機(jī)組均處于穩(wěn)定運行區(qū)中運行；改進(jìn)算法能確保機(jī)組始終在穩(wěn)定運行區(qū)中運行，
從長遠(yuǎn)來看基于機(jī)組運行安全的改進(jìn)算法較傳統(tǒng)算法更經(jīng)濟(jì)且更有實用價值。
關(guān)鍵詞：穩(wěn)定運行區(qū)；機(jī)組負(fù)荷分配；遺傳算法；水布埡水電站
Research on Unit Load Distribution of Shnibuya Hydropower Station Based on Operation Safety
SHI Shiping ．WU Jinqing ．ZHENG Jiao
(1．China Water Resource Beifang Investigation,Design&amp;amp;Research Co．，Ltd．，Tianjin 300222，China；
2．Sichuan Dujiangyan Dongfengqu Management Department,Chengdu 610072，Sichuan，China)
Abstract：For meeting the requirements on unit operational safety of Shuibuya Hydropower Station, the unit load distribution
model is established based on the safe operation of units，and the improved genetic algorithm is used to solve the mode1．The
results of load distribution under three water heads of Shuibuya Hydropower Station show that：(a)the traditional algorithm cannot
guarantee all units being operated in stable operation zone，although it can obtain less water consumption；and(b)the improved
algorithm can ensure all units being always operated in stable zone，and will be more economic and practical than traditional
algorithm inalongterm．
Key W ords：stable operation area；unit load allocation；genetic algorithm；Shuibuya Hydropower Station
中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：0559-9342(2014)03-0067-05
O 引言
水電站機(jī)組負(fù)荷分配能通過減小機(jī)組運作損耗
實現(xiàn)降低機(jī)組維護(hù)成本的目的， 通過減少發(fā)電引用
水量達(dá)到降低運營成本的目的。傳統(tǒng)的機(jī)組最優(yōu)負(fù)
荷分配模型常常只考慮水電機(jī)組最小和最大技術(shù)出
力限制． 而未考慮機(jī)組振動等嚴(yán)重影響水輪機(jī)效率
和使用壽命的限制問題?；跈C(jī)組運行安全的水電
站機(jī)組負(fù)荷分配不僅可省水發(fā)電，還可保持機(jī)組穩(wěn)
定， 減輕水輪機(jī)磨損。李家峽水電站曾由于機(jī)組長
期在強(qiáng)振區(qū)運行， 多次發(fā)生轉(zhuǎn)輪葉片開裂和定子鐵
芯脫落事故，嚴(yán)重影響該電站的安全穩(wěn)定運行_11。俄
羅斯薩彥舒申斯克水電站也曾因1臺發(fā)電機(jī)組劇烈
振動導(dǎo)致密封螺栓和密封板撕裂，進(jìn)而造成的冒水
和抬機(jī)導(dǎo)致廠房被沖毀．全廠水輪發(fā)電機(jī)組全部受
損[21。周冉等在動態(tài)規(guī)劃法求解水電站機(jī)組最優(yōu)負(fù)荷
分配中引入懲罰因子變換振動區(qū)的流量特性曲線。
提出了基于機(jī)組運行安全的動態(tài)規(guī)劃求解算法[31。采
用動態(tài)規(guī)劃法求解時效性高的水電站機(jī)組負(fù)荷分配
問題易產(chǎn)生“維數(shù)災(zāi)” 問題， 故動態(tài)規(guī)劃法在求解
水電站機(jī)組負(fù)荷分配問題中有其局限性。
遺傳算法(genetic algorithm，GA)作為模擬生
收稿日期：2013—08—12
作者簡介：史世平(1970一)， 男， 山東煙臺人，高級工程師
主要從事水文水資源工作．
Water Power Vo1．40 No．3 囫

L r-'寸： 里 J '17 b組世1 J X 土口 ／．I＼]IJ~．1E／3＼ 三‘u1=『b皇 1oj J1甘 ⅧT7
種群全部落在可行解范圍內(nèi)。采用該法生成的個體
能同時滿足負(fù)荷平衡約束、機(jī)組出力約束并保證機(jī)
組安全穩(wěn)定運行。
機(jī)組累積出力編碼
~,i-1- +Int[Rnd，×( 一 )] (7)
Popdt Pore Popdt
式中， 為第n個個體第 一1臺機(jī)組的累積出力編
碼；Ⅳ 和～ 分別為對應(yīng)累積出力的上下限；
P opdt為控制的精度即出力離散的步長：Rnd 為一個
[0，1]的均勻隨機(jī)數(shù)；Int為取整函數(shù)。
在電站所有機(jī)組均投入運行時． 由負(fù)荷平衡約
束，有 =Ⅳ，則第m臺機(jī)組的累積出力編碼為
．
= N／p (8)
累積出力遞減關(guān)系
Σ =ΣⅣ一 (9)
根據(jù)式(9)和機(jī)組運行工況區(qū)約束式(6)可得
ΣⅣmini≤Σ ≤ΣNm (10)
ΣⅣ- ≤Σ ≤ΣⅣ_ (11)
故式(7)中的Ⅳ，m
?
和Ⅳ ，Ⅲ
?
可表示為
1-1 、．1
N m
? ，=max{ ， 一Ⅳm } (12)
1 、
Ⅳ
一，=min{二Nm 二 一Ⅳn1-n } (13)
第n臺機(jī)組的累積出力編碼已由式(8)求得，其
他機(jī)組編碼可由式(12)、 (13)和式(7)逐逆序遞推
求得。按這種模式生成的初始種群能同時滿足模型
中各種約束并有效避開振動區(qū)。
2．2 適應(yīng)度函數(shù)和選擇運算
適應(yīng)度作為評價個體優(yōu)劣的依據(jù)，其設(shè)計原則
要求取值非負(fù)且值越大個體越優(yōu)。鑒于水電站機(jī)組
負(fù)荷分配目標(biāo)函數(shù)為費用最小化問題和計算機(jī)存儲
變量的字節(jié)限制。GA適應(yīng)度函數(shù)計算公式設(shè)計為
?
= M／(Q+O．001) (14)
式中， 為一個較大的常數(shù)。
傳統(tǒng)GA 在求解水電站機(jī)組負(fù)荷分配問題時常
采用定量懲罰滿足約束． 此時解的質(zhì)量嚴(yán)重依賴于
懲罰系數(shù)的大小。懲罰系數(shù)的取值難以控制。懲罰
系數(shù)過小，算法可能收斂于不可行解；懲罰系數(shù)過
大， 則易導(dǎo)致算法收斂于局部最優(yōu)解 。與進(jìn)化代
數(shù)有關(guān)的變量懲罰亦無法保證適應(yīng)度函數(shù)的非負(fù)性。
文獻(xiàn)[5]在適應(yīng)度函數(shù)懲罰時加入模擬退火的思想，
取得了一定效果，本研究通過生成可行的初始解來
確保機(jī)組運行安全， 避免適應(yīng)度函數(shù)中懲罰處理。
由于設(shè)計的適應(yīng)度函數(shù)滿足非負(fù)要求，所以傳
統(tǒng)的選擇算子均可運用在求解廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行的GA
中。本研究采用GA 中最常用的基于比例適應(yīng)度選
擇的輪盤賭選擇算子，該法利用各個個體適應(yīng)度所
占比例的大小決定其子孫保留的可能性。
2．3 交叉運算和變異運算
算術(shù)交叉
P = ‘ +(1-a)‘ (15)
P =(1-a)‘ ， + ‘ ， (16)
式中，n 、n 為參與交叉運算的兩個個體，n、n+1
為交叉得到的新個體； 為權(quán)值。算術(shù)交叉是在兩
個解個體之間進(jìn)行線性搜索，基因加權(quán)相加仍能滿
足負(fù)荷平衡約束， 當(dāng)隨機(jī)權(quán)值 ∈[0，1]時， 出力工
況約束也能滿足。
由于是機(jī)組累積出力編碼，故n處編碼發(fā)生變異
將同時影響第 機(jī)組和第i+1機(jī)組的出力大小。且變
異生成的個體又需要有效避開振動區(qū)。故應(yīng)用攝動
變異算子， 具體示意見圖2。
?
一
● l
ZN 一"t
圈 一
網(wǎng)·囟 回
圖2 搬動變異不恿
受第i機(jī)組運行工況約束影響，n點變異的位置
不得低于A點 + 也不得高于B點 Ⅳ + ；
受i+l機(jī)組運行工況約束影響， 點變異的位置不得低
于c點 一^ ，D也不得高于D
t~=N"t-Nm ，其
中 ．為交叉后的第 機(jī)組出力。
Ⅳ 一
?
和 ?
．．
為累積出力變異的上下限，于是可
由下式求得
一、●1
_n =max{ +Ⅳ ， 一Ⅳ ) (17)
、．1 、．1
一
． =min{ A + ，二 一 ．} (1 8)
因此基于機(jī)組運行安全的攝動變異算子可表示
為
Water Power Vo1．40 No．3固
=
[Rn
p叩
P
一
Pop,~ Popdt
)]Rnd<~p ”
(19)
Rnd>p
式中，Rnd”~[IRnd均為[0，1]的隨機(jī)數(shù)，P 為變異概
率， 和P” 為變異前后個體。
3 基于機(jī)組運行安全的水布埡水電站機(jī)組負(fù)
荷分配研究
水布埡水電站作為清江梯級開發(fā)的龍頭電站，
其開發(fā)任務(wù)以發(fā)電、防洪和航運為主。電站具有4
臺裝機(jī)容量均為40萬kW 的機(jī)組， 總裝機(jī)容量為
160萬kW ， 水布埡水電站是清江梯級開發(fā)中庫容、
裝機(jī)、發(fā)電量均最大的電站． 電站最大水頭203 131，
最小水頭147 m，額定水頭170 lqq，平均水頭186．6
m， 保證出力(P=90％)310 MW， 多年平均發(fā)電量
39．2億kW ·h，裝機(jī)利用小時數(shù)2520 h。水布埡水
電站的建成能明顯改善華中電網(wǎng)豐水期調(diào)峰能力不
足的狀況，減少三峽梯級被迫調(diào)峰產(chǎn)生的棄水。開
展基于運行安全的水布埡水電站機(jī)組負(fù)荷分配研究
意義重大，能夠在保證安全基礎(chǔ)上有效減少能源消耗。
研究將水布埡水電站4臺機(jī)組依次編號， 以
160、180、200 m 三種水頭下不同量級的負(fù)荷分配
為例．對比傳統(tǒng)算法和基于機(jī)組運行安全的改進(jìn)算
法兩種算法下的計算結(jié)果。為模擬實際的水電站廠
內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行負(fù)荷分配研究，考慮了水布埡機(jī)組的空
載耗流量，并出力1萬kW 作為機(jī)組負(fù)荷分配的計
算精度。水布埡水電站機(jī)組運行區(qū)域圖見圖1所示，
機(jī)組振動區(qū)如圖1所示為[0，81萬kW 和『15，3ol萬
kW 兩個區(qū)間。160、180、200 m 3種水頭下水布埡
機(jī)組的NHQ 曲線見圖3所示。
圖3 3種水頭下水布埡機(jī)組的NHQ 曲線
為更好的比較傳統(tǒng)算法和基于機(jī)組運行安全的
改進(jìn)算法的負(fù)荷分配結(jié)果，進(jìn)行了給定水頭下大小
兩種量級的負(fù)荷優(yōu)化分配研究。鑒于GA 是基于隨
機(jī)理論模擬生物在自然環(huán)境中遺傳和進(jìn)化的算法，
因此研究對兩種算法優(yōu)化兩種不同量級負(fù)荷分配的
過程進(jìn)行5次模擬．并取最好的一次作為該算法的
最終優(yōu)化結(jié)果。同時，兩種算法的遺傳參數(shù)取值如
下： 交叉概率均取為0．8、變異概率均取為0．01、
網(wǎng) mer er oz． DNo．3
GA種群大小均取為100、GA最大進(jìn)化代數(shù)均取為
500。兩種算法在3種水頭下不同量級的負(fù)荷分配結(jié)
果對比見圖4～9。兩種算法求解的水布埡水電站機(jī)
組負(fù)荷分配結(jié)果對比見表1。
蓮 s
：
O
≥
k
糙
機(jī)組編號
圖4 160m水頭下50萬kW 負(fù)荷分配結(jié)果
l 2 3 4
機(jī)組編號
圖5 160 fl'l水頭下125萬kW 負(fù)荷分配結(jié)果
35
3O
25
薰20
曩 5
lO
5
0
圖6
≥
癱
1 2 3 4
機(jī)組編號
180 m 水頭下5O萬kW 負(fù)荷分配結(jié)果
■■傳統(tǒng)算法
口改進(jìn)算法
∞ 如 加 加 0 ∞
正L 。 ， 習(xí)=：茁丁1=『b紺 1J又土口 ，J＼1lJJ．'-LE／J＼ 如，l=I b紺 1口J ，J’甘L1口T7
機(jī)組編號
圖8 200 m 水頭下50萬kW 負(fù)荷分配結(jié)果
≥
涎
_ 傳統(tǒng)算法
r--1改進(jìn)算法
機(jī)組編號
圖9 200 m水頭下125萬kW 負(fù)荷分配結(jié)果
表1 兩種算法求解的水布埡水電站機(jī)組負(fù)荷分配結(jié)果對比
組處于振動區(qū)中運行； 180 m 水頭下分配5O萬kW
負(fù)荷時， 水布埡水電站2號和4號機(jī)組處于振動區(qū)
中運行：180 m 水頭下分配125萬kW 負(fù)荷時，水
布埡水電站1、2和3號機(jī)組處于振動區(qū)中運行；
200 m水頭下分配50萬kW 負(fù)荷時， 水布埡水電站
1號和2號機(jī)組處于振動區(qū)中運行；200 m 水頭下分
配125萬kW 負(fù)荷時，水布埡水電站1號和2號機(jī)
組處于振動區(qū)中運行。然而，在160 m水頭下分配
50萬kW 負(fù)荷、160 m 水頭下分配125萬kW 負(fù)荷、
180 m 水頭下分配50萬kW 負(fù)荷、180 m 水頭下分
配125萬kW 負(fù)荷、200 m水頭下分配50萬kW 負(fù)
荷和200 m水頭下分配125萬kW 負(fù)荷4種情況下，
基于機(jī)組運行安全的改進(jìn)算法負(fù)荷分配結(jié)果表明水
布埡水電站的所有機(jī)組均在穩(wěn)定運行區(qū)運行。
從表2可以看出， 改進(jìn)算法有時能夠找到比傳
統(tǒng)算法更加經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷分配方案， 從而達(dá)到節(jié)約
耗流量的目的。基于機(jī)組運行安全的改進(jìn)算法通過
將機(jī)組運行區(qū)限制在穩(wěn)定運行區(qū)的來縮小搜索空
間， 提高搜索效率， 以利于找尋最優(yōu)解。200 m水
頭下分配50萬kW 負(fù)荷時， 之所以改進(jìn)算法求得
的負(fù)荷分配方案耗流量比傳統(tǒng)算法高出3萬m3／s，是
因為此時要保住機(jī)組安全穩(wěn)定運行就必須犧牲一
部分機(jī)組耗流量。就實際的水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行的
子問題負(fù)荷分配來說，傳統(tǒng)算法那種犧牲機(jī)組運行
安全換取水量節(jié)約的做法是不可取的， 易導(dǎo)致機(jī)
組運作損耗和機(jī)組維護(hù)成本的增加， 故基于機(jī)組運
行安全的改進(jìn)算法較傳統(tǒng)算法更經(jīng)濟(jì)、且更有實用
價值。
4 結(jié)語
水布埡水電站作為清江梯級水電站群中庫容、
裝機(jī)和發(fā)電量均最大的電站． 開展基于機(jī)組運行安
全的該電站機(jī)組負(fù)荷分配研究意義重大。基于機(jī)組
運行安全的水布埡機(jī)組負(fù)荷分配通過確保機(jī)組穩(wěn)定
運行達(dá)到降低了機(jī)組運作損耗和機(jī)組維護(hù)成本的目
的，從長遠(yuǎn)角度來看，基于機(jī)組運行安全的負(fù)荷分
配更經(jīng)濟(jì)、且更有實用價值。
同時． 水布埡水電站機(jī)組負(fù)荷分配作為該電站
廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行的子問題之一， 還解決了給定水頭下
電站負(fù)荷如何在機(jī)組之間進(jìn)行最優(yōu)分配的問題。但
實際的水布埡水電站廠內(nèi)經(jīng)濟(jì)運行中還存在著機(jī)組
開停機(jī)和自動發(fā)電控制等問題有待進(jìn)一步研究。
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(責(zé)任編輯高 瑜)

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