（水利工程专业论文）石泉、喜河水电站联合优化调度研究.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文巾特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，不包含本人或他人已申请学位或其他用途使用过 的成果。与我一同工作的同忐对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表尔致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担切相关责任 论文作者签名：羽堕逮幺一二一；年尸月多日论文作者签名：兹迅二一；年夕月多日 保护知识产权声明 本人完全r 解西安理i ：大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期间，论文【：作的知识产权单位属西安理工大学。本人保证 毕业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为两安理工大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅或借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：趁选导师签名：箜亟耋删年7 月占日 摘要 石泉、喜河水电站联合优化调度研究 导师：奄长莓教授 魏竖友高工摘要 作者：渺起 答辩日期：2 0 0 3 9 石泉、喜河水电站位于汉江上游，均以发电为主，兼有防洪、灌溉、 航运、养殖等的综合水利工程。1 9 7 5 年建成的石泉水电站位于喜河水 电站上游4 2 k m ，是一座季调节水库，而喜河水电站于2 0 0 3 年动工兴建， 是日调节水库。为了提高两座电站的发电效益，论文对石泉、喜河两个 梯级电站进行联合优化调度研究。其主要研究成果如下： 1 本文根据大系统分解协调方法的基本原理，建立了水电站群优 化调度模型。对模型函数采用简化运用策略求得各电站的初始轨迹，通 过关联信息迭代并借助信息传递，最后得到各电站的相应最优运行轨 迹和相应出力过程。依据优化调度模型函数，以年为周期，将各年周期的 决策值及其相关的运行要素作为随机变量的观测值，逐时段做回归分 析，并将其回归方程作为指导水电站群联合运行的调度函数。 2 本论文对石泉、喜河水电站的联合优化调度采用大系统分解协调 法模型，此模型属确定性模型。在给出水电站群各水库入库径流系列的 条件下，可以利用该模型求得水电站联合调度的最优决策过程，作为确 定性优化的计算成果。 3 根据建立的水电站群优化调度分解协调模型、对石泉、喜河水电 站进行联合优化调度研究，以4 4 年实测径流系列资料进行长系列优化 调度模拟运行。结果表明，石泉、喜河水电站联合优化调度能获得更 大的发电效益。 关键词：水电站联合优化调度分解协调方法 运行规则 a b s t r a c t o p t i m a ls t u d y o nc o o p e r a t i n go p e r a t i o n f o rh y d r o p o w e rs t a t i o n so fs i q u a na n dx i h er i v e r s u b j e c t ：w a 打蚶列确吖h 吖学 削讲s o r 仁i n 垆 岣f n 咖 p r o f e s s o r s e n i o re n g i n e e r a b s t r a c t a u t h o r 功切 d a t e ：s 坼。，z 口6 弓 h y d r o p o w e rs t a t i o n so fs h i q u a na n dx i h er i v e tb o t h1 i eo i lt h eh a n j i a n g r i v e r 坤s t r e a ma n dw o r ki nm u l t i f u n c t i o no fi r r i g a t i o n ，f l o o dc o n t r o l ，w a t e r c a r r i a g e ，a q u i c u l t u r ee t c i na d d i t i o nt oe l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o n t h es h i q u a n h y d r o p o w e rs t a t i o n w h i c hw a sc o m p l e t e di n 1 9 7 5 i sas e a s o n a lr e g u l a t i n g h y d r o p o w e rs t a t i o n 4 2k i l o m e t e r st od o w n s t r e a l t lo fx t h er i v e rh y d r o p o w e r s t a t i o n b u tx t h er i v e rh y d r o p o w e rs t a t i o n 。w h i c hi st ob ec o m m e n c e di n2 0 0 3 i sad a yr e g u l a t i n gh y d r o p o w e rs t a t i o n i no r d e rt op r o m o t et h ei n t e g r a t e d e f f i c i e n c yo fe l e c t r i cp o w e rg e n e r a t i o no fb o t hs t a t i o n s t l l i st h e s i sd e m o n s t r a t e s t h es t u d yo nc o o p e r a t i n go p e r a t i o no ft h et w o ，h y d r o p o w e rs t a t i o n so fc a s c a d e t h em a i nr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： 1 a no p t i m a lo p e r a t i o nm o d e lf o rg r o u pf u n c t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n i ss e tu pb a s e do nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fd e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o nf o rb i g s y s t e m w eh a v ea d o p t e dt h es i m p l i f i e dm e t h o d o l o g yf o rp a t t e r nf u n c t i o nt o o b t a i nt h er e s u l t so ft h ei n i f i a lo r b i t so f e a c hh y d r o p o w e rs t a t i o n f u r t h e rm o r e ， t h ef i n a lr e s u l t so fb e s to p e r a t i o nt r a c ea n dc a p a c i t i e sp r o c e s sc o n c e r n i n ge a c h h y d r o p o w e rs t a t i o nh a v e b e e n o b t a i n e dt h r o u g ht h er e l e v a n ti n f o r m a t i o n i t e r a t i o na n di n f o m a a t i o nt r a n s m i s s i o n a sp e ro p t i m a lo p e r a t i o np a t t e r n f u n c t i o nw i t ha n n u a l sc y c l e ，e a c hd e c i s i o no fa n n u a lc y c l ea n dc o r r e s p o n d i n g o p e r a t i n gf a c t o r si nt h el i g h to fo b s e r v e dv a l u eo fr a n d o mv a r i a b l e ，r e g r e s s i o n a n a l y s i sa te a c ht i m e - i n t e r v a li sc a r r i e do u ta n dt h e nr e g r e s s i o ne q u a t i o nw i l lb e a st h eo p e r a t i o nf i m c t i o nt og u i d ec o o p e r a t i n go p e r a t i o nf o rg r o u ph y d r o p o w e r s t a t i o n 2 t h es t u d yo nt h eo p t i m a lc o o p e r a t i n go p e r a t i o no fh y d m p o w e rs t a t i o n s 垒! ! ! 竺! o fs h i q u a nt o l dx i h er i v e rh y d r o p o w e rs t a t i o na d o p t sb i gs y s t e mm o d e lo f d e c o m p o s f f i o n c o o r d i n a t i o nm e t h o d o l o g y , w h i c hi saq u a l i t a t i v em o d e l i nt h e c o n d i t i o no fb e i n gg i v e nr n n o 圩i n f l o ws e r i e so fv a r i o u sr e s e r v o i r s ，t h eo p t i m a l d e c i s i o n - m a l t i n gp r o c e s so fc o o p e r a t i n go p e r a t i o no f1 1 y d r o p o w e rs t a t i o n sc o u l d b eo b t a i n e dt h r o u g ht h i sm o d e l t h i sp r o c e s sc o u l db ew o r k e da sr e s u l t so f q u a l i t a t i v ec a l c u l a t i o n 3 a c c o r d i n gt ot h ee s t a b l i s h e dm o d e lo fd e c o m p o s i t i o n c o o r d i n a t i o nf o r g r o u ph y d r o p o w e rs t a t i o n ，t h eo p t i m a lc o o p e r a t i n go p e r a t i o ns t u d yi su t i l i z e dt o t h eh y d r o p o w e rs t a t i o n so fs h i q u a la n dx i h er i v e ns i m u l a t i v eo p e r a t i o no f o p t i m a lc o o p e r a t i o ni ns e r i e so f r t m o f fd a t am e a s n r e do f4 4y e a r si sp e r f o r m e d t h er e s u k ss h o wt h a tm eo p t i m a lc o o p e r a t i o no p e r a t i o nw i l lh a v e t h e h v d t o p o w e rs t a t i o no fs h i q n m la n dx i h er i v e rm m ee f f i c i e n c yo fe l e c t r i c p o w e rg e n e r a t i o n ： k e yw o r d s ：h y d r o p o w e r s t a t i o n c o o p e r a t i n go p t i m i z eo p e r a t i o n d e c o m p o s i t i o n - c o o r d i n a t i o nm e t h o d o l o g y o p e r a t i o n a lr e g u l a t i o n 1 绪论 1 1 研究目的和意义【1 卅 我国有丰富的水能资源，水能资源量位居世界第一位。据1 9 7 7 一 一1 9 8 0 年全国水能资源普查结果，水能理论蕴藏量为6 7 6 亿k w ，电 能5 9 2 万亿k w h ，实际可开发量为3 7 8 亿k w 。至1 9 9 4 年底，水电 站装机容量4 8 1 0 万k w ，开发利用了1 3 。截至1 9 9 8 年，全国已建成 水库8 4 9 万座，总库容4 9 2 4 亿i n 3 ，其中有大、中型水库3 0 5 6 座，总 库容4 3 3 3 亿i l l 3 ，建成水闸3 1 7 万座，其中大、中型3 2 6 3 座。这些水 电站和水库，无论在发电、防洪、灌溉、供水和航运等方面均发挥了 重要作用和取得了很大的效益。然而，如何使这些水库( 水库群) 、水 电站发挥最大的效益，力争做到“一库多用”、“一水多用”，是我们水 利工作者一直追寻的目标。 汉江是长江的一条最大的支流，发源于秦岭南麓的陕西省宁强县 境内，流域地跨陕西、四川、重庆、河南和湖北五省( 市) ，于汉口汇入 长江，汉江干流全长为1 5 6 7 k m ，流域面积为1 5 9 万k w ：，多年平均流 量1 7 1 0 m 3 s ，年径流量5 3 9 亿m 3 。在陕西省境内于流河长7 0 9 k m ，流 域面积5 9 万k m 2 ，自西向东贯穿陕西省南部，黄金峡至白河段全长 4 4 8 k m ，落差2 9 5 m 。 为全面开发汉江水利资源，治理汉江航道，自1 9 5 0 年以来，许多 单位先后对汉江干流上一些主要坝址进行过查勘和地质勘测，取得了 不少成果。1 9 8 5 - - 1 9 8 8 年，北京勘测设计研究院( 以下简称北京院) 又对规划河段作了大量的研究工作，提出了汉江上游干流综合利用 规划报告，1 9 9 0 年3 月陕西省计委会同原能源部、水利部、水利水 电舰划设计总院对该报告进行了审查并通过。 汉江上游( 陕西段) 规划按七级开发，从上至下七座梯级分别为 耍塞堡王盔鲎坐型- 王猩亟堂亟迨塞 黄金峡( 装机容量i o o m w ) ，石泉( 装机容量2 2 5 m w ) ，喜河( 装机容量 1 8 0 m w ) ，安康( 装机容量8 5 2 5 m w ) ，旬阳( 装机容量3 2 0 m w ) ，蜀河( 装 机容量2 7 0 m w ) 和白河( 装机容量2 7 0 m w ) ，总装机容量2 2 1 7 5 m w ，年 发电量约为7 0 亿k w h ，其中石泉和安康水电站分别于1 9 7 5 年和1 9 9 0 年投产发电。 研究汉江梯级水电站联合优化调度，充分合理地利用汉江水资源， 最大限度地发挥各电站的综合效益，刑陕西经济发展有着十分重要的 意义。 1 。2 国内外研究概况和发展趋势 1 2 1 水库调度目标的选取 水库澜度目标( 准则) 的选用对水库最佳运行策略的获得至关重 要，长期以束引起研究占的高度重况，并列此问题逊汀j 大量研究和 探索。一类是用货币指标表示的经济口标，如水库综合利用净效益最 大、运行费用晟小等；另一类是用某一物理量的数量表示的非经济目 标，如：年发电量最大、不蓄电能损失最小、电力系统煤耗最小、水 库弃水量最小、水电站调峰容量最大等。对水库调度理想的目标被公 认为是经济准则，如水库系统在运行周期内的国民经济总收益最大或 总运行费用最小等，但理想的经济目标往往在实际中难于用货币尺度 合理度量。因此，目前在水库调度中常用的是非经济目标，虽然非经 济目标不尽合理，但概念明确，计算简便，使用方便 5 1 。 上述介绍的仅是单目标的情况，单一目标的求解往往是相对简单 的，但在实际中，由于单水库或库群的目标不仅包括发电、防洪、 灌溉、供水，还包括航运、环保等。因此，单目标越来越难以满足个 人和群体决策的要求。多目标决策问题早在1 8 9 6 年由经济学家 v p a r e t o 提出，直到1 9 5 1 年h w k u h n 和a w t u c k e r 证明了向 量优化问题的非劣充分条件以后，才具有标志性的发展；其后6 0 年代 又迅速发展了多属性效用理论 6 1 。多目标决策技术一般可以分为三大 类：( 1 ) 非劣解的生成技术；( 2 ) 结合偏好的决策( 评价) 技术；( 3 ) 结合偏好的交互式决策技术。 1 2 2 水库调度数学模型及分类 水库优化调度的一般步骤是：根据具体问题的特点，建立相应的 水库优化调度数学模型，并采用适当的优化技术与方法，通过计算机 计算以求得水电站水库优化调度方案。根据其对径流的不同描述形式， 水电站水库优化调度数学模型可分为确定型模型和随机性模型两类； 根据系统的特性可分为：常规模型、模拟模型和优化模型；根据是否 考虑问题的时间因素可分为：静态模型和动态模型；根据模型中的线性 关系可分为线性模型和非线性模型。 1 2 3 水库调度方法及比较 水库调度在2 0 世纪2 0 年代4 0 年代时期主要应用判别式与求 极值的方法。在2 0 世纪4 0 年代m a s s e 就提出了水库优化调度的问题， 但直到五十年代，系统分析及优化模型的引入、计算机技术的发展才 使得水库调度理论和应用研究取得了长足的进展。1 9 5 1 年美国数学家 r b e l l m a n 等人提出了“最优化原理”，并研究了实际问题，从而创 建了解决最优化问题的新方法动态规划法。1 9 5 5 年j d c 李斯特 首先把动态规划思想应用于水电站的优化调度。1 9 6 0 年r a h o w a r d 提出动态规划与马尔科夫决策过程的研究，使这利，方法的应用范围进 一步扩大。 a 常规方法 水库调度的常规方法一般包括时历法和数理统计法。时历法又可 分为列表法及图解法。列表法是直接利用过去资料( 按设计保证率选 逝塞堡互盔堂盔型王崔亟堂鱼丝塞 择典型年) 以列表形式进行计算的方法。图解法是先根据资料过程线 ( 如流量过程线) 作出累积水量过程线，在累积曲线上进行图解计算 的方法。由于用时历法绘制水电站水库凋度图具有简易直观、概念清 晰，同时能把其他影响因素计入其内的优点。因此，在水电站水库调 节计算中被广泛地采用。但由于常规调度图所依据的实测水文资料代 表性不够，因此它指导的水库调度方案通常只是一个可行解或合理解， 而不是最优解。1 9 9 6 年黄益芬考虑了各种来水与水位组合，比较了各 种可供选择的决策判别组合方案，提出了水库优化调度图一一由二维 坐标的水库调度线扩展为三维的调度曲面，使水库调度决策的针对性 和灵活性大大增强 7 】。 数理统计法器对以律资料进行频率统计，做出频牢曲线，利用这 条| f 【线进行水库调度计算的方法。数理统计法多用于对多年调= 宵7 k 库 盼渊腰计算。 b 模拟方法 模拟方法是通过模拟真实系统实际情况来建立一个模型，作为实 际物理系统的缩体来预测一定条件下( 入流、调度规则等) 该系统的 响应( 调蓄水位、下泄流量等) 。在研究很多因素相互制约的大型复杂 水资源系统时，模拟技术常被认为是唯一可行的方法，然而，模拟技 术的缺点是不能对问题直接寻优。近年来人们开始追求模拟的优化功 能。1 9 8 9 年雷声隆等首先将自优化模拟技术应用到南水：调东线工程 中畔 ，1 9 9 6 年崔远来等人在分析了水库等调蓄工程状态域及自优化模 拟披术特征的基础上，建立了以防洪及兴利为p ：f 标的水库优化调度自 优化模拟模型嘲。2 0 0 0 年李会安等以黄河上游梯级为例，根据实施调 度中用水计划和径流预报的m l 段滚动修正特点，研究了自优化模拟技 术在水量实施调度中的应用，建立了黄河千流上游梯缴水量实施调度 的自优化模拟模型。 0 ，优化方法 水库优化调度方法与常规方法相比，考虑了当时来水流量变化的 特点，因此，优化调度的控制函数关系可表示为： = f ( z t ，q t ，t ) 即某一具体时刻t ，要确定面临时段的最优出力，不仅要知道时 段初的水库水位z t ，还要依据该时段的水库来水量q t 。 水电站水库优化调度方法目前常用的有：线性规划、非线性规划、 动态规划、大系统分解防调方法、模糊优化方法等。 ( 1 ) 线性规划方法【1 1 川】 线性规划方法是运筹学的一个重要分支。自1 9 4 7 年g b d a n t i g 提出了一般线性规划问题求解的方法单纯形法之后，线性规划在 理论上趋于成熟，在实际应用中日益广泛与深入。2 0 世纪6 0 年代起， 线性规划方法开始应用于水资源系统规划、设计、施工和管理等方面。 1 9 8 5 年王厥谋考虑河道洪水变形和区间补偿建立了一个线性规划模 型，1 9 9 0 年许自达给出了一个以线性规划求解四个水库并联的水库群 系统防洪优化联合调度的算例，1 9 9 8 年伍宏中建立了水电站群径流补 偿调节性规划模型，将非线性的目标函数和约束方程化为线性方程来 求解。 ( 2 ) 动态规划方法1 6 埘1 自1 9 5 1 年，美国数学家r e b e l i m a n 等人根据研究一类多阶段决 策问题，提出了作为动态规划的最优化原理以来，动态规划方法在许 多领域得到了广泛的应用。动态规划主要用于研究具有多阶段决策过 程的一类问题。由于动态规划方法有许多优点，如易于确定全局最优 解、能得到一组解，有利于分析结果。因此，这种方法很快得到应用， 然而它的最大缺点是存在“维数灾”的问题。在解决“维数灾”的问 题上，国内外学者提出了许多改进方法，如状态增量动态规划法、离 散微增量动态规划法、动态规划逐次逼近法、逐步优化算法等。 一 堕塞堡王盔堂壅型王焦堡主堂焦趁塞 1 9 7 6 年s c h u lt z 对某并联水库群建立了一个动态规划模型，以下 游削峰最大为目标，不需要洪水损失资料，但只适用于各支流洪水同 时发生的情况。1 9 9 8 年胡振鹏、冯尚友对汉江中下游建立了防洪系统 的实时调度动态规划模型，并利用向前卷动决策方法求解。1 9 9 3 年黄 强利用模糊动态规划法进行水库的优化调度，并与随机动态规划法比 较发现，模糊动态规划法比随机动态规划法具有计算简便，占用计算 机内存少，计算速度快的优点。1 9 9 7 年邱林、陈守煜将长期优化调度 的随机动态规划法和短期调度的逐步优化优化算法相结合，建立了实 时优化调度模型，同时考虑了径流的预报误差。1 9 9 8 年付湘、纪昌明 在讨论常用防洪系统聪合运行的动态规划模型的基j i i i j 上，阻考虑目标 鬲数合理易行和消除后效性影响为出发点，薄立了符合防洪系统宴际 特点的多维动态规划模型。1 9 9 9 年邵东国等人针对河北省洋河水库的 特点，建：娆了有投糊约柬条件的防洪优化蜩度张型，提心了食受动铡 函数胸离敞微分动态煳划法，给出1 校糊防洪库容计霄公式。 ( 3 ) 大系统分解协调理论【2 捌1 大系统分解出调理论最早是由d a n t z i g 和w o l f e 在1 9 6 0 年处理大 型线性规划问题时提出的。大系统分解协调方法的基本思想是：将大 系统分解成相对独立的若干个子系统，形成梯阶结构形式，以便应用 现有的优化方法实现各予系统的局部最优，然后再根据大系统的总目 标，使各子系统相互协调起来，以获得整个大系统的全部最优。 1 9 8 6 年萤增川将大系统分解原理应用到水库群优化调度中。l 9 9 4 年黄志m 1 、间之豪对澧水流域提出了水库群实施防洪调度的多目标决 策模型，以分解协调方法克服“维数灾”。2 0 0 0 年l 翰建霞、黄强、王 义民对单一水库在时间上进行分解，建立了二级分解融调结构。 ( 4 ) 模糊数学方法【2 5 瑚1 模糊数学是由美国控制论专家z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出的。在国 内陈守煜、王本德首先将模糊数学方法应用予水文水资源系统和水库 模糊优化调度中。 谢崇宝等人考虑到水库调度中入流的随机性和预测信息的模糊 性，提出了水库实时优化调度模糊随机模型及相应的求解方法。程春 田、王本德针对水库洪水调度的实际情况和特点，考虑到实际洪水网4 开始时难以拟定较好的方案，提出了建立启发式和人机交互相结合的 水库防洪模糊优化调度模型，针对各方案建立了多目标水库洪水调度 的模糊优选模型，有隶属度大小，对各方案进行优选排序。同时，程 春田等又从长江洪水系统的特点出发，将长江防洪系统分解为3 个目 标明确的子系统，以子系统2 为中心，建立了长江上中游防洪系统模 糊优化调度模型，并用几个典型洪水年对模型进行了模拟运算，结果 表明，采用多目标多阶段模糊动态规划及模糊优选模型，可以较好地 处理子系统多目标问、系统多目标问以及子系统和系统间的相互关系。 ( 5 ) 神经网络方法2 9 州】 人工神经网络( a r t i f i c i a ln e u t r a ln e t w o r k a n n ) 是一门新 兴的交叉学科，也是目前国际上研究异常活跃的前沿领域之一，它以 其大规模并行处理、分布式存储、白适应性、错综性、冗余性等许多 优良特性引起了众多领域科学家的广泛关注。自从1 9 8 6 年美国物理学 会在s n o w b i r d s 召开国际神经网络学术会议以来，各国对神经网络理 论和应用的研究迅速发展起来，神经网络理论的应用已渗透到各个领 域。人工神经网络是由大量简单的处理单元相互联接而成的自适应非 线性动力系统。它没有运算器、控制器和存储器，只有相同的处理单 元的组合，其信息的传播方式类似于人脑，是一种模拟人脑神经细胞 结构和功能的物理可实现系统，因而具有一般非线性动力系统的不可 预测性、吸引性、耗散性、非平衡性、不可逆转性、高维性、广泛的 联结性和适应性等。 胡铁松等基于h o p f i e l d 连续模型，建立了一般意义下的混联水库 群优化调度的神经网络模型，以水库群优化运行策略作为b p 网络的训 重窒堡工盔堂壅型：! ：型亟堂鱼迨塞 练样本，通过b p 网络对样本的学习得到水库群优化调度函数。结果说 明，水库群调度函数的b p 网络方法能较准确地反映出调度函数中因变 量和自变量之间的复杂的非线性关系。g a oh o n g 等人基于h o p f i e l d 连续模型建立了计算水电站补偿效益的模型，结果发现，把这个模型 应用到四个水电站中能获得满意的结果。傅巧萍等人建立了水电站最 优调度函数，确定了水库最优余留效益函数的神经元网络方法，运用 他们对江西万安水电站的长期优化凋度进行了实际计算，结果表明该 方法是可行的。畅建霞等人以b p 网络为基础，研究了氆安市供水水库 优化调度函数的神经网络计算过程，网络训练是采用累计误差校正算 法、动态调整学习串和惯。隧系数法，实现了调度函数的隐性表达，不 需耍建寺复杂系统的显式关系式。 ( 6 ) 遗传算法 3 5 3 6 遗f # 张法e m 、 a l 嗣r 1 m g a ) 是模拟迭尔文选择捌自然 淘汰的生物进化过程的计算模型，它是由美围m 1c j l i g a n 大学的 j - t f o l l a o d 教授于1 9 7 5 年首先提出的。遗传算法的计算步骤一般包 括：编码、初始群体的生成、适应度评估检测、选择、交叉操作和变 异等。 马光文、王黎、g a w a l t e r s 利用遗传算法对水库优化调度进行 了研究，提出了一种用浮点表示的遗传算法，该方法是从多个初始点 开始迭代计算，应用交叉和变异爽直，避免过早收敛到局部最优解， 可获得全局最优解。畅建霞等人为避免采用二进制编码是存在的编码 冗余问题，采用了基于十进制整数编码的改进遗传算法。 1 3 论文研究的主要内容 本论文主要根据大系统分解协调法原理，对石泉、喜河梯级水电 站联合优化调度进行初步研究，论文的主要研究内容为： 1 根据大系统分解协调技术的基本原理，建立石泉、喜河水电站联合 一8 - 优化调度模型； 2 推导联合优化调度模型函数的求解方法； 3 研究梯级水电站联合优化调度运行规则； 4 利用1 9 5 4 年1 9 9 8 年4 4 年实测径流系列成果，进行石泉、喜河水电 站联合优化调度的长系列模型计算，并分析调度计算结果。 西安理工大学水利工程硕士学位论文 2 汉江流域概况 3 7 4 0 2 1 自然情况 汉江发源于陕西省西部潘冢山自勉县以后，即进入地势开阔的汉 中盆地，河道宽浅，水流平缓，洪水时水面可宽达1 0 0 0 2 0 0 0 m ，出洋 县以后，河身骤窄，最窄处黄金峡仅5 6 m ，直至石泉、喜河坝址，均穿 行于深山峡谷之中，一般高水位水面宽为2 0 0 3 0 0 m ，整个流域为不对 称形状，左岸宽，右岸窄。喜河坝以上流域坝址控制流域面积2 5 2 0 7 k m ： 流域内层峦叠嶂，地形复杂，巍峨的秦岭山脉自西向东绵延于流域北部， 海拔高程2 5 0 0 m 以上，平均海拔高程15 0 0 2 0 0 0 m ，整个流域平均高程 为12 0 9 m 。 2 。1 。1 水文气象条件 喜河、石泉水电站以上流域属于副热带季风气候，夏季湿热多雨， 冬季干冷少阿，冬季各月平均气温都在0 。c 以上。坝址区的气象要素根 据距坝址约4 0 k m 的石泉气象站实测资料统计：多年平均降水量8 3 7 9 r a m ， 最大年降水链1 4 3 9 5 m m ，最少年降水量5 7 4 6 m m ( 1 9 9 6 年) ；多年平均风 速1 4 m s ，最大风速可达2 1 m s ( 1 9 7 8 年4 月3 0 日) ；多年平均蒸发量 为1 3 0 0 2 r a m ；多年平均地温为1 7 6 。c ；多年平均相对湿度为7 6 4 。 2 1 2 暴雨洪水特征 本流域洪水主要由暴雨形成，流域内最大洪水在3 1 0 月均可出现，但以7 、 8 、9 月居多。由于流域内暴雨量大，强度集中，加之山高坡陡。植被裢盏率低， 岩层透水性差，洪水长、落极快。因此，具有猛涨陡落，峰型尖瘦的特点。 次洪水过程为3 - 5 天，而洪量比较集中，最大2 4 小时洪量约占3 天洪量的一 半，整个汛期水量的变化极不稳定。根据石泉站1 9 5 4 年, 1 9 9 8 年的实测及还 一1 0 一一 堡坚! ! 篓型型 罨iii ； 匝 闵 凳 一 ； 攀 乡 言 旧 矗 ； 萎 l 羹 l q l 王 府 一1 1 - 西安理工大学水利工程烦士学位论文 原资料统计，年最大洪峰流量为1 6 6 0 0 m 3 s ( 1 9 9 8 年7 月8 日) ，最小洪 峰流量仅1 5 5 0 m 3 s ( 1 9 9 7 年7 月1 9 日) ，最大洪峰流量是最小洪峰流量 的1 1 倍。 2 2 汉江上游地区水文概况 2 2 1 流域概况 汉江是长江中游第一大支流，全长1 5 7 7 k m ，流域面积为1 5 9 0 0 0 k m 2 在白洵以上为上游区，自河之湖北省钟祥上游的直河口段位中游区，直 河i z l 以下至河口段为下游区。汉江上游区河长6 2 5 4 k m ，集水面积为 5 9 1 1 5 k i n 2 ，约占全流域面积的3 3 9 ，石泉水库位于汉江一h 游中部，流 域面积达2 3 4 0 0 k m 2 ：控制干流河长s ( 1 3 。4k m 。 汉江发源0 j 陕西省守强县潘家山，自西向东流经勉县、韩小、洋殳、 石泉、紫阳、安康，自白河进入湖：| 匕省境，至汉口注入艮匝。汉江h 游 ：1 e 依秦l 岭，南障巴山、米仓山，西与嘉陵江为邻。北、西、南山面环山， 向东一面开阔平坦，汉江干流横贯其中，其支流主要以南北流向相问住。 汉江上游区下垫面因素较复杂，对降水径流影响较大。汉中盆地梁系纵 横，是汉江上游区典型的低产流区。 2 2 2 气候条件 汉江上游在全国气候区划中属亚热带湿润气候区一一秦巴区。年平 均气温1 4 。c 1 6 。c ，极端最低气温一1 4 3 。c ，极端最高气温4 1 1 7 。e 。年 降雨量8 0 0 1 0 0 0 m m ，平均年蒸发量1 5 0 0 m m ，最大月蒸发量出现在6 月 或7 月，最小出现在1 2 月或1 月。多年平均无霜期2 1 2 2 5 4 天，年平 均风速1 o 2 i m s ，以西南风为主。 汉江流域概况 2 2 3 降雨特征 汉江上游受季风影响，形成降雨的暖湿气流主要来自于孟加拉湾和 西太平洋两方面。冬季基本受西北气流控制，降雨较少。 由于大气环流、纬度和地形的影响，降雨量南北差别较大。汉江北 岸以褒河为界、东边由南向北递增，年雨量9 0 0 1 0 0 0 m m ；西边由北向 南递增，在8 0 0 1 0 0 0 m m 之间。汉江以南年降雨量的高值区，年降雨量 可达1 7 0 0 m m ，居全省之冠。 2 2 4 河道特点 汉江上游支流众多，水系分布不对称；各支流分布大都呈羽状或近 似羽状，个别为平行状和扇状。石泉以上汉江北岸主要支流有沮水、褒 河、胥水、酉水、金水、子午河；南岸主要支流由玉带河、漾家河、冷 水河、南沙河、牧马河。 石泉以上干流的形态特征可分为四个阶段：( 1 ) 河源至勉县武侯镇， 河长约8 3 k m ，河谷狭窄，北岸缓和、南岸陡峭、其间形成了2 3 k m 的 小盆地大安盆地。( 2 ) 武侯镇至洋县的龙亭镇，河长1 1 6 k m 。河道 进入汉中盆地，河面与滩地宽阔，比降小、水流缓慢，河槽左右摆动不 定，冲淤变化显著。河床由沙卵石组成，多沙洲汉流，低水时有的河面 河段水面宽仅3 0 m 左右，洪水时间宽一般为4 0 0 7 0 0 m ，最宽可达1 2 k m 。 ( 3 ) 龙亭镇至洋县渭门，河长5 3 k m 时汉江上游峡谷段，其中小峡以黄 金峡最为著名。小峡由峡口至环珠庙长2 3 k m ，黄金峡由环珠庙门至渭门 长3 0 k m 。峡谷两岸山地高出河床3 0 0 4 0 0 m ，谷坡5 0 。c 7 0 。c 河面宽一 般不到2 0 0 m ，其中黄金峡下半部分( 长约1 9 k m ) 位于石泉库区内。( 4 ) 渭门至石泉，长约5 1 k m ，河道曲折，两岸陡峭。三花石至茶镇段河谷较 宽，茶镇以下进入河谷区，该段位于石泉库区。 西安理工大学水利工程硕一 ：学位论文 2 2 5 径流特征 径流地区分布不均是一显著特征。总的趋势为汉江南岸高于北岸。 南岸的径流模数在1 4 3 6 1 s k m 2 之间，北岸为9 1 6 1 s k m 2 ，分布 趋势与雨量一致。径流年内的时程变化明显。5 1 0 月径流量占全年的 7 8 ，其中7 9 月占5 0 多。月径流量最大值一般出现在9 月，7 月份径 流量小于9 月而大于8 月，最小值出现在2 月。最大年径流量与最小年 径流量的比，北岸支流一般在4 倍以上，南岸支流在4 倍以下，干流石 泉为3 9 倍。年径流在面上分却总趋势是上游大，p 游小，南岸人，北 岸小。 柏泉水库流域内水利没施较多，特别是汉中贫地及周围、库塘、柒 星罗棋布，流域内水库总容量超过2 亿m 3 ，这些水利设施对大溅水无 多犬影响，衄剩小洪水( 洪峰流量2 0 0 0 m 3 s ) ，特别是久旱后第。场洪 水作用加大，返点列水j 4 - 的运用带束) 一：利影响。 2 3 汉江流域梯级开发概况 汉江上游( 陕西段) 规划按七级开发，从上至下七座水电站分别为 黄金峡( 装机容量i o o m w ) ，石泉( 装机容量2 2 5 m w ) ，喜河( 装机容量 1 8 0 m w ) ，安康( 装机容量8 5 2 5 m w ) ，甸阳( 装机容量3 2 0 m w ) ，蜀河( 装机 容量2 7 0 m w ) 和自河( 装机容量2 7 0 m w ) ，总装机容量2 2 1 7 5 m w ，年发电 量约为7 0 亿k w h ，其中石泉和安康水电站分别于1 9 7 5 年和1 9 9 0 年投 产发电。 2 3 1 石泉水电站概况 石泉水电站水库正常蓄水位4 1 0 m ，死水位4 0 0 m ，水库总库容3 9 8 亿m 3 ，死库容i 6 亿m 3 ，电站装机容量1 3 5 m w ，保正出力3 2 m w ，多年平 均发电量6 3 4 亿k w h ，是目前陕西电网主要调峰电站之一，在系统调 幽型塑些 西安理工大学水利工程硕士学位论文 峰、调频和事故备用等方面发挥了重要作用。至1 9 9 2 年底，共发电1 0 8 亿k w h ，工业总产值8 5 亿元，取得了显著的经济效益。水库共安全泄 洪1 5 8 次，其中以1 9 8 3 年7 月3 1 日洪水最大，其入库洪峰流量达到了 1 6 1 0 0 m 3 s ，最大泄量1 5 4 0 0 m 3 s ，坝前最高洪水位4 0 7 3 3 m ，下游最高水 位3 7 8 3 m 。为充分利用水力资源，多发季节性电，石泉电厂于2 0 0 0 年扩 装了两台枫组，单机容量为4 5 m w ，石泉电站总装机容量达到2 2 5 m w 。 电站设计最大水头4 7 5 m ，平均水头4 2 o m ，设计水头3 9 o i i l ，一台机 组引用流量1 3 8 5 m 3 s ，最大引用流量6 9 2 。5 m ，s 。 a 枢纽布置及主要建筑物 石泉水电站为坝后式电站，大坝为混凝重力坝，坝顶高程4 1 6 瓯 最大坝高8 5 m ，坝项宽度垧n ；全长3 5 3 1 1 1 ，共有2 9 个坝段。 非溢流殴( 包括左、右非溢流坝段) 、厂房坝段及大、小底孑l 坝段均 为实体重力坝，7 和l i 坝段为大、小底孔坝段，均采用挑流消能。 b 水库 水库属于狭长的河道型水库，主要由汉江及牧马河支流河谷组成， 正常高水位4 1 0 m ，死水位4 0 0 m ，最低死水位3 9 3 m ，主汛期( 7 月9 月) 限制水位4 0 5 ma 水位4 1 0 m 时，设计库容4 7 亿m 3 ( 1 9 8 9 年复核，设计 库容3 9 8 亿m 3 ) 其中汉江库区占9 1 4 ，牧马河库区占8 ，子午河库区 占o 6 e 水面长约7 0 k m ，水面宽一般为2 0 0 3 0 0 m ，河床纵比降约为 8 9 。 水库每年安排低水位排沙2 3 次。水库淤积平衡年限约为2 5 年， 经过近2 0 年的运用，现存总库容( 1 9 9 2 年底实测) 为3 0 2 亿3 ，防洪 库容0 9 9 亿吖。加之汉江洪水峰商量大，暴涨暴落，水库只能调节一 般洪水，最大自然削峰率约为3 左右。当发生十年一迎的洪水时( 洪峰 流量1 3 7 0 0 m 3 s ) 除小袁孔外其它闸门全部开启泄洪，当发生二十年一 遇洪水时( 洪峰流量1 6 4 0 0 m 3 s ) ，所有闸门全开呈自由泄流状态。因此， 洪水调节的任务是确保枢纽安全。 汉江流城概孔 c 水电站运行方式 由于水库库容小，电站的年运行受汉江天然来水的控制，运行原则 是年发电量最大，并尽可能满足电网调峰及事故备用的要求。丰水期( 7 9 月) 汉江发生洪水时，电站带基荷运行，枯水期( 1 2 月至次年3 月) 一般担任电网调峰任务，其他月份担任电网腰荷或一台机组担任电网腰 荷，其余二台机组担任调峰任务。 2 3 2 喜河水电站概况 喜河水电站位于陕西省安康市石泉县与汉阴县交界处，紫( 阳) 石 ( 泉) 公路从坝址右岸通过，坝址距上游石泉县城公路里程为4 2 3 k m ， 距西安市公路里程为3 0 2 k m ，上、下游分别已建成的石泉水电站和安康 水电站，河道距离分别为4 0 k m 和1 4 5 k m ，阳( 平关) 安( 康) 铁路通过 石泉县城，石泉火车站距阳平关2 6 9 k m ，距安康8 8 k m ，对外交通较为便利。 喜河水电站位于石泉、安康水电站之间，距负荷中心西安市约 1 7 0 k m ，喜河水电站主要由碾压混凝土重力坝、河床式电站厂房等建筑物 组成，坝顶高程3 6 7 8 m ，最大坝高6 0 8 m ，坝顶长3 5 2 m ，水库正常蓄水 位3 6 2 m ，死水位3 6 0 m ，汛期限制水位3 5 7 m ，正常蓄水位以下库容1 6 7 0 6 万m 。( 天然，下同) ，调节库容2 1 9 4 万3 ，电站装机容量1 8 0 m w ，保证 出力2 1 8 m w ，多年平均发电量4 8 7 8 亿k w h 。 喜河水电站泄洪建筑物布置了5 个表孔，表孔堰面采用标准w e s 曲 线。堰顶高程3 4 0 o m 。孔口净宽1 4 m ，中墩厚度为5 m ，每个表孔设有弧 形工作闸门和平板检修门；布置了3 个8 5 1 5 0 的中孔。最大水头 3 2 5 m ，最小水头1 3 0 m ，加权平均水头2 5 0 6 m 。一台机组过流量为 z t o 6 0 m 3 s ，最大过水流量为8 1 1 m 3 s 。 喜河水电站建成后除担任电网调峰、调频及事故备用任务