（水利水电工程专业论文）以礼河毛家村水库的长期优化调度研究.pdf

摘要 随着我国社会主义现代化事业的蓬勃发展，国民经济各部门用电要求日益增 加，投入电力系统运行的水电站愈来愈多，电力系统不断扩大。在这种形势下， 对水电站及整个电力系统实行科学管理，开展经济合理的运行调度，不断提高运 行管理水平，充分发挥运行效益，对国民经济和社会发展及人民生活水平的提高 有着重要的现实意义。优化技术是近4 0 年问在水资源领域内取得的最重要进步 之一。对水库进行优化调度，在几乎不需要增加很大的额外投资的情况下，可以 获得极大的经济效益。其中动态规划在水库优化调度中是运用最多而且也是效果 最为满意的方法之。 本文首先阐述了水电站水库优化调度研究的必要性和国内外水库优化调度 的主要成果及目前常用的水库调度方法。针对毛家村水库及电站的实际情况，根 据动态规划的最优性原理，建立了以水电站年平均发电量最大为目标函数，以各 时段水库的发电用水为决策变量的水库长期优化调度模型；并对径流资料进行分 析，建立了随机模型；对样本径流资料和模拟序列分别进行了长期优化调度计算， 求解水库的最优调度过程，最后对优化调度结果进行了总结。 论文所有程序运算采用面向对象编程技术的v i s u a lb a s i c6 0 开发环境引入 毛家村水库长期优化调度模型的编程求解中，本系统具有友好的用户界面和图形 生成能力，使得人机交互得到了很大改善。系统可以根据不同的水库起始水位、 天然来水量、负荷要求进行优化计算，并且能得到较为满意的优化结果，可以用 来指导实际运行。 关键词：优化技术 目标函数长期优化调度 随机模型 l o n g t e r mo p t i m i z a t i o nd i s p a t c ho fm a o j i a e u n r e s e r v o i rf o ry i1i h e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec auseo fs o c i a l is mm o d e r n iz a t i o ni no u r c o u n t r y ，t h ed e m a n df o re l e c t r i c i t yi s i n c r e a s i n gg r e a t l yi na 1 1k i n d s o fd e p a r t m e n t so ft h en a t i o n a le c o n o m y s om o r ea n dm o r ep o w e rp l a n t sa r e d u ti n t ou s ei nt h eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e ma n dt h ep o w e rs y s t e m i s e n l a r g e dc o n t i n u o u s l y u n d e rt h ec i r c u m s t a n c e s ，i m p l e m e n t i n gs c i e n t i f i c m a n a g e m e n t ， c a r r y i n go u te c o n o m i c a n dr e a s e n a b l eo p e r a t i o nd is p a t c h ， i m p r o v i n gt h el e v e lo fo p e r a t i o nm a n a g e m e n tc o n s t a n t l ya n de x e r t i n gt h e b e n e f i to ft h eo p e r a t i o nf u l l ya r es i g n i f i c a n tf o rn a t i o n a le c o n o m y ， s o c i a ld e v e l o p m e n ta n dt h eli v i n gs t a n d a r d i nr e c e n t 4 0y e a r s ，m u c h p r o g r e s sh a sb e e nm a d ei nt h eo p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e t h i si so n eo ft h e m o s ti m p o r t a n ta d v a n c e m e n t s i nw a t e rr e s o u r c e s r e s e r v o i ro p t i m a l d is d a t c hc a nb r i n gg r e a te c o n o m i cb e n e f i tw i t h o u ti n v e s t i n ge x t r af u n d d y n a m i cp r o g r a mi so n eo ft h em o s te f f i c i e n tm e t h o d sa n di ti so f t e nu s e d t os o l y et h ep r o b l e m se x i s t e di nr e s e r v o i r so p t i m a lo p e r a t i o n t h i sa r t i c l ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h ep o s s i b i l i t yo ft h er e s e a r c ha n d m a i na c c o m p l i s h m e n to fp o w e rp l a n t sl o n g t e r mo p t i m a lo p e r a t i o na n dt h e u s u a lm e t h o d a i m i n gt ot h ep r a c t i c eo ft h em a o j i a c u nr e s e r v o i r ，a c c o r d i n g t ot h eo p t i m a lp r i n c i p l eo fd y n a m i cp r o g r a m m i n g ，f i r s t l yc o n s t r u c t e dt h e m o d e lo fr e s e r v o i ro p e r a t i o nw h i c ho b j e c t i v ef u n c t i o nw a st op u r s u et h e g e n e r a t i o np o w e rf l o wo f e a c hs t a g e b e s i d e s ，a n a l y z e dt h es a m p l eo f h y d r o l o g yd a t aa n dm a d eu s e o fi tt os e tu ps t o c h a s t i cm o d e l ，t h e nc a r r i e d t h r o u g ht h el o n g t e r mo p ti m a ld i s p a t c h i n ga c c o u n t a n ds u m m a n 2 8 dt h e r e s u l tf i n a l l y b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s is ，t h e a u t h o rd e v e l o p e dap r o g r a mw h i c h c a nw e l ld e s c r i b e dm a o j i a c u nr e s e r v o i r sl o n g t e r mo p t i m a ld i s p a t c h i n g m o d e lb yu s i n gv i s u a lb a s i c6 0 i th a sf r i e n d l yu s e ri n t e r f a c ea n d p o w e r f u lc a p a b i l i t yo fc r e a t i n gg r a p h t h ei n t e r f a c eb e t w e e nu s e ra n d c o m p u t e rc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y t h i sp r o g r a ma l s o c a ns o l v eo p t i m a l o p e r a t i o na n dg a i n ss a t i s f a c t o r yr e s u l t ，w h i c hc a nb eu s e da st h eg u i d a n c e o ft h eo p e r a t i o n k e y w o r d s ：o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e o b j e c t i v ef u n c t i o n l o n g t e r mo p t i m i z a t i o nd i s p a t c h s t o c h a s t i cm o d e l 1 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声翡的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：罗竹伶 b期：弦口! 年 只3 - b 关于论文使用授权的说明 本人完金了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：磁砼丝堕垡论文作者签名：孥耸叠 一 茎二兰堡笙 1 1 水库调度的必要性 第一章绪论 水利是农业的命脉，也是一个国家经济与社会发展的重要基础产业。我国水 资源十分短缺，人均水资源占有量不到世界人均占有量的四分之一。而且分布很 不均匀。因此，水资源的开发利用与保护在实施科教兴国和可持续发展战略中具 有特别重要的地位。水资源的利用和保护密切关联着国民经济许多部门和社会 的方方面面。各部门和各方面对河流水域的治理、对水资源和水能资源利用和保 护的要求，与水资源满足的有限可能性之间有着种种矛盾。由于人口增长和农业、 工业生产的发展，用水量急剧增加。在我国，许多城市和地区出现了水资源危机： 共有4 0 0 多个城市缺水，其中1 0 0 多个严重缺水【2 】；在很多情况下，水源受到污 染，也减少了可用水资源量，加深了水的供求矛盾。恶化了生态与环境。今后十 年，以及可以预见的几十年内，水资源短缺和水环境保护问题将会更加突出【3 】。 另一方面，社会和经济发展使洪水灾害可能造成的后果更加严重。社会发展中日 趋尖锐的永问题、环境交迁中的水文问题以及世界新技术革命的靛潮，对水资源 的保护、利用提出了严峻的要求。因此采取工程措_ 6 暂修建水库是治理河漉、开发 利用水资源，解决矛盾的重要手段，也是实现水资源综合利用的重要措施。为实 现上述目的，水库调度是重要手段，合理的水库调度能定量地解决水库综合利用 中的矛盾保障水库安全，充分发挥水库综合效益的最重要的环节。水库调度工 作关系到国民经济的发展，调度得当，其增加的效益相当可观，如果调度失误， 将造成十分严重的后果。同时，水能是水资源的重要内容，由于水电站的生产必 须是生产和消费同时完成，而电能这种产品不能大量存储，因此水电站借助修建 的水库，存蓄水能，并利用水库调节水能，来代替储蓄电能，有利于电力系统电 力电能的供求平衡，提高供电的灵活性和经济性t 同时，利用水库调节水能，还 可以提高水能资源的利用程度，充分发挥水电的特点。在水利工作的重点已经转 移到管理上来的今天，加强水库调度工作具有特殊的意义。 昆明理工丈学硕士毕业论文 以 l 河毛家村水库的长期优化调度研究 1 2 水库调度概述 水电站水库调度是水电站长期经济运行的中心内容。是管理和控制水库安全 可靠运行，合理利用水资源、发挥水库综合效益的重要措施。它是在难以准确预 知未来径流的情况下，避兔工作上的差错，制定水库调度图或优化调度软侔作为 指导水电站水库运行的工具，以满足水电站工作可靠性和经济性的要求，达到最 大效益。由于在较长时期内气象和水文条件的剧烈变化，水电站的天然来水在时 间上分布极不均匀。借助水库对流量进行调节，蓄丰补枯，以适应发电及各部门 用水相对较为均匀的需要，提高水盈利用程度。增加发电及其他用水的经济效益。 从这个意义上说，水库调度计划即为水库蓄、供水计划。另方面，水库蓄水量 对应着水库上游水位，从而决定了水头的高低，同一流量在高水头下发出的电能 多，可以说水库调度是在提高水量利用程度和提高永头之间进行恰当的折衷，以 取得更大的发电效益。 在水电站承库调度中广泛采用的方法有两类，即水电站水库调度图调度和优 化调度。水库调度图调度以调度规则为依据，利用径流调节理论和水能计算方法 来确定水库既定任务的蓄泄过程，其概念清晰、操作简单、使用方便，但它没有 充分利用当时水库来水情况这一关键信息。因而只能说是合理和可行而不是最优， 而且其方法不便于处理复杂的水库优化调度问题。水库优化调度是根据水库具体 问题的特点，建立相应的水库优化调度数学模型，采用适当的优化技术与方法， 通过计算机以求得水电站水库优化调度方案。 水电站水库优化调度数学模型根据其难径流的不同描述形式常分为确定性 的数学模型和随机性的数学模型。前者是指在一定的时空范围内径流输入采用确 定过程，通过优化求解得到确定的效益值，其结构较简单，求得的最优效益是最 大可能的极限值。后者则是把入库径流作为随机过程处理，通过优化求解得到效 益指标的期望值，其模型一般复杂，在实际运行调度时，并不具有完全或有效的 指导意义1 4 j 。 按调度范围来看，水电站水库优化调度分单一水库和水库群联合调度两种。 根据国内电站运行经验，水库优化调度可获得增加水电站3 7 的发电量，经 济效益增长明显。因此研究水库优化调度对节约能源，实现从“工程水利”向“资 源水利”转变有重要现实意义。 从研究问题的时间范围来看，水库调度可划分为短期经济运行调度和长期经 2 第一章绪论 济运行调度。短期经济运行调度的主要任务是将长期经济运行所分配给本时段的 输入能在其中更短时段( 日、小时) 问合理分配，制定出各电站短期最优运行方 式，即确定出短期内各电站逐日、逐小时的负荷分配和运行状态。水电站及其水 库的长期优化运行调度主要研究比短期运行调度更长时期( 季、年、多年) 内的 最优运行调度方式的制定和实施问题。水电站水库的长期计划通常指年计划，也 有多年计划，并按时段进行安排 5 】。 水库入库径流资料的实测样本序列较短，而较短的实测序列用于水库长期优 化调度分析时存在一些难以解决的问题。因此需要对实溯径流序列进行随机模拟， 得到较长的径流序列，为水库的长期优化调度提供未来径流序列【6 1 。 1 3 水电站水库最优调度的物理基础 单一水电站或水电站群常以发电量多少作为衡量优化调度的准则。在已定来 水情况下，水电站的发电运行所以有优劣，发电量所以会有多有少，其物理依据， 可从发电出力的基本公式 n = 聊 e = n i a t 来分析。从上式可见，发电出力取决于三个因素：出力系数量、发电流量q 、 发电水头。在河川来水及调节库容已定的情况下，上面三个因素愈大，也 就愈大。所以这里有一个效率、水量和水头的最优利用问题。而水库调度的蓑眼 点，也应在这三方面。 五值大小，对一定的机型是与q 、日有关，对不同机型函数亦不同。此q 、 爿对出力系数足的综合影响最终寓于机组间的负荷分配情况。由于长期最优调度 通常以年、月或旬平均出力为单位，不是直接研究年、日负荷图在电站间的最优 分配，故虽然从严格概念讲，足、q 、目的最优利用应结合考虑，但鉴于机组效 率的最优利用，具有相对的独立性，故在实际工作中可以把它和q 、日的最优利 用分为两步来做。 水量q 的最优利用，主要反映在尽量防止或减少弃水。这一因素的作用大小， 视水库调节程度和当年来水丰枯情况而定。对于调节程度不高的水库，如不完全 年调节和季调节水库，流量的最优利用，除枯水年份外，一般较高水头利用的效 益为大，故也更重要。因此在研究最优调度时除了约束条件的满足是基本要求夕 ， 就应把流量利用作为第一位考虑的准则。 3 昆明理工大学硕士毕业论文以礼河毛家村水库的长期优化调度研究 水头h 的最优利用，主要反映在调节程度高的水库，这种水库弃水机会少， 水库水头一般也大，故水头利用的效益就可能更重要。不过在水库接近满蓄和来 水较丰的年，水量利用的效益可能仍同等重要7 1 。 1 4 水库优化调度模型的研究动态和现状 近4 0 年间，在水资源领域内取得的最重要进步之一，是在复杂的水资源系 统的规划、设计和运行管理方面发展并采用了优化技术。优化技术在水库研究， 尤其是在水库的规划中已经作出了很多成功的应用，在水资源系统的运行研究方 面也取得了可喜的进展。优化技术在我国水库调度中的应用研究，可谓紧跟国际 步伐的，特别是7 0 年代后期以来，高等院校及科研部门同生产单位合作，在水 库优化调度的理论研究和实际应用方面进行了大量工作，取得了显著的效果。目 前在实际应用的规模和效益方面已具有国际先进水平。 水库优化调度的一般方法在本世纪四十年代由国外首先提出，五十年代中 期创立了系统工程并在水库优化调度中得到广泛应用。水库优化调度一直是国内 外研究的热门课题，由于其实用价值较高而倍受关注。随着数学规划理论的日渐 完善和计算机技术的应用，优化调度方法更加丰富。几十年来，国内外所研究的 数学模型按模型的性质可分为如下几类。 1 4 1 动态规划数学模型 国外最早把动态( d p ) 应用于水库优化调度的是美国的j d c l i t t l e l 8 j ，1 9 5 5 年提出了径流为随机的水库优化调度随机数学模型。并对美国大古力电站做了实 例计算。r a h o w a r d 9 j 于1 9 6 0 年提出了动态规划与马尔柯夫过程理论( m d p ) ， 使水库优化调度从理论上得到进一步完善。它解决了以前模型很难达到多年期望 效益最大和满足水库系统可靠性要求的理论缺陷。r o s s m e n l 1 0 l 于1 9 7 9 年将 l a g r a n g e 乘子理论用于随机约束问题的动态规划解，使破坏的期望值被约束在一 个常数以下。t u r g e n o n a 【1 l 】于1 9 8 1 年运用随机动态规划模型和逼近法解决了并 联水库群水力发电系统的优化问题。 在国内，吴沧浦【1 2 1 于1 9 6 0 年首次提出了年度调节水库的最优运用d p 模型。 谭维炎3 】0 4 1 于1 9 6 3 年建立了个长期调节水电站m d p 模型，并于1 9 6 3 年用于 四川狮子滩水电站水库。张勇传于1 9 8 0 年建立了水电站水库有时段径流预报的 4 第一章绪论 无折扣模型，并以湖南柘溪水电站为实例进行了计算。施熙灿【”1 于1 9 8 2 年提出 无水文预报条件下用罚因子法考虑调度图可靠性模型，并对广东枫树坝、新丰江 水电站进行了实例计算。8 0 年代后，我国在这方面的研究有了很大的发展，取 得了不少成果。 动态规划模型是最优化技术中适用范围最广的基本数学方法。它可以用于 分析系统的多阶段决策过程以求得整个系统的最优决策方案。水库问题由于时间 上的季节性、周期性而具有多阶段决策的特点，故可采用动态规划模型。其模型 又可分为确定性模型和随机性模型两大类： 随机动态模型较好地反应了径流实际，它以年为愿期进行循环计算，可得 到稳定的运行策略和调度图。其特点是计算工作量太大，尤其是当水库数目增加 时往往产生无法避免的“维数灾”。所以它常用于单库优化调度中。对水库群目 前只限于两个水库。对梯级水库或并联水库，当其中一个调节能力较大时，可简 化为单库处理。 确定性模型结构比较简单，其求得的最优是最大可能的极限值，因此实际 往往难以达到。随机性模型一般结构复杂，其求得的效益，当入流只用多年频率 分布，结果用期望值表达时，因已具有多年“平均”的意义，故最优值可能偏小 ( 丰、平水年) ，也可能偏大( 枯水年) 。在实际运行调度时，便并不具有完全或 有效的指导意义。y o u n g g 。k 【1 6 1 于1 9 6 7 年研究了确定性来水条件下的水库d p 法。 在1 9 6 8 年h a l l w a 【 1 用确定性动态规划对加利福尼亚州s h a s t a 电站进行优化 计算，获得了较为满意的效果。r o o f s t g 和l d b o d i n l l 8 1 予1 9 7 0 年把基本水库 调度扩展到多库 对于确定性动态规划，虽然入库径流量是确定的，计算量小的多，但当考虑 的水库数目较多时，仍会遇到维数灾。因此近十多年来，各国学者致力于降维方 法，已提出多种有效改进的方法，使求解的水库可以达到数十个。m u r r y d 和 s y o k o w i t s 1 9 1 于1 9 7 0 年在微分动态规划的基础上发展了约束微分动态规划，并 以一个由1 0 个水库组成的水库群为例进行了验证。 1 4 2 线性规划模型 线性规划是最早的一种方法，于1 9 3 7 年提出，是运筹学的一个重要分支， 也是最简单、应用最广泛的一种方法，有成熟、通用的方法和程序。因此在水资 源系统规划、设计、施工和管理运行中都已得到了广泛应用。对于一些较简单的 5 昆明理工太学硕士毕业论文 以礼河毛家村水库韵长期优化调度研究 非线性规划问题经常进行线性化处理，大型线性规划可求解几百个变量。 1 4 3 非线性规划及网络模型 非线性规划产生于2 0 世纪5 0 年代，也是运筹学的一个重要分支，它用于研 究非线性或线性函数在线性或非线性约束条件下的最优化问题。它是应用最广 泛、最普通的数学规划方法之一能有效地处理许多其它数学方法不能处理的不 可分目标函数和非线性约束问题。因此在许多领域有越来越广泛的应用。但由 于它优化过程较慢且需要大量的计算机内存时，也比线性规划复杂，没有通用求 解方法和程序，使得它在水资源系统分析中的应用不如动态规划和线性规划那样 广泛。 针对水库群优化调度具有目标函数非线性及约束条件一般为线性集合的特 点，若将水库调度问题化为静态，把整个库群的时空关系展开为一张网络图，就 成了库群调度的非线性网络模型，可由线性网络技术及图论知识进行逐步逼近求 解，口w m a r t i n 2 0 1 曾用这个方法求解了2 l 座水库的联合调度问题。1 9 8 6 年，李 寿生、彭世章等结合一些地区的水库实际问题。拟定了一个非线性规划模型和多 维动态规划模型，用子解决满足多种水源分配的水库最优引水量问题。 1 4 4 模拟模型 模拟模型是用数学关系式描述系统参数和变量之间数学关系的模型以及利 用计算机反复逼真地再现系统模型程序总称。一旦提供必要的系统输入，程序就 可以生成系统对这些输入的响应，从而揭示系统的运行特性规律。模拟模型不象 数学分析方法可以直接求得最优解。 在水资源系统中，常由于变量过多及多目标酌关系过于复杂，使选用严格合 适的数学模型有很大困难，甚至无法解决。这时，以功能模拟为基础的数学模拟 技术就显得极为有力，成为水资源系统分析的一个重要技术手段。 最早的水资源系统模拟是1 9 5 3 年美国陆军工程师团在计算机上模拟了密西 西比河支流密苏里河上的6 座水库联合调度策略，模拟的目标是整个系统的发电 量最大，且能满足系统防洪、灌溉及航运在不同时期的要求“ 量最大，且能满足系统防洪、灌溉及航运在不同时期的要求1 2 “ 第一章绪论 1 4 5 多目标优化模型 凡用两个以上目标，、各目标反映的利益相互冲突、相互竞争都属于多目标。 其求解方法或通过权重系数或将多目标转化为单目标，或通过求出各目标利益水 平之间的转换关系，然后由决策者权衡各目标之重要性来选择最优方案。通常解 决此两类问题各自的处理方法有权重拢动法、约束拢动法和逐步逼近法及多目标 动态规划法。1 9 8 6 年，张玉新、冯尚友建立了一个多维决策的多目标动态规划 模型，以多目标中的某一个目标为基本目标，而将其它基本目标作为状态变量处 理，求解方法仍然基于一般的动态规划理论，该方法实质上是单目标动态规划方 法在多目标问题中的应用，因此随着维数的增加，计算工作量势必增加较多。为 克服这一问题，张玉新、冯尚友又于1 9 8 8 年提出了一个称之为多目标动态规划 的迭代法的求解方法，该方法的核心是构造一个三级段函数，计算效率有所提高。 目前，多目标规划的理论及方法尚不成熟，有待进一步发展与完善。 1 4 6 大系统分解协调模型 水资源系统是一种规模大、因素多、结构复杂、具有综合功能的系统，往往 含有很多变量和约束条件，所以企图应用一般的优化技术或单一的模型求解是有 困难的，也是不可取的。水资源具有多级谱系结构，使得分解协调技术分解成为 大规模复杂模型的有效途径之一。其做法是将复杂的大系统分解为若干简单的子 系统，首先实现子系统局部最优化，再根据大系统的总目标和总任务，使各子系统 相互协调配合，从而实现全局最优化。这种方法既是一种降维技术，即把一个具 有多功能变量、多维的大系统分解为多个变量较少和维数较少的子系统；又是一 种迭代技术，即备予系统通过各自优化得到的结果，还要反复迭代计算进行协调 修改，直到满足整个系统全局最优为止该法与一般的方法相比有简化复杂性、 减小工作量、避免维数灾的优点。它可直接利用现有不同模型以求解子系统，并 可用于静态和动态系统。其缺点是收敛性差，即使收敛也需较长的机时，对随机 入流的考虑也有困难。从整体上讲，它是一种有发展前途的大系统多目标决策技 术。 7 昆明理工大学硕士毕业论文以礼河毛家村水库的长期优化调度研究 1 4 7 遗传算法规划模型 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ) 是一种仿生优化算法，最先由h o l l a n d 在 1 9 7 5 年提出。它是通过模拟自然界生物进化过程与机制来求解极值问题的一类 自组织、自适应人工智能技术。遗传算法的一个优点在于它们独立于特定问题或 被分析系统，需要的只是系统性能的测度，而且这种测度可以是非线性、不可微、 甚至不连续的。它常和其他最优解搜索方法结合使用，可大大减小陷于局部最优 的可能性。在水库优化调度领域，遗传算法是一种较新且非常有前途的算法。 1 4 8 神经网络模型 国际著名神经网络专家h e c h t n i e l s o n 曾经给神经网络这样的定义：神经 网络( n e u r a ln e t w o r k ) 是一个以有向图为拓扑结构的动态系统，它通过对连续 或断续式的输入作响应而进行信息处理。 目前己提出了近6 0 种神经网络模型，按不同方面分为不同模型。按其拓扑 结构可分为反馈神经网络模型和前向神经网络模型；按性能可分为连续型与离散 型神经网络模型，确定型和箍机型神经网络模型；按学习方法可分为有教师学习 和无教师学习的神经网络模型；按连接突触性质可分为一阶线性和高阶非线性关 联神经网络模型。 1 4 9 其它模型 近几年来，对策论、存储论、灰色理论在水库调度中得到了应用，丰富了水 库优化理论。 模糊控制由美国控制专家l a z a d a n 于1 9 6 5 年提出。吴倍益于1 9 8 3 年提出 应用模糊数学进行水库群优化调度。之后谗多人在这方面进行了研究。 近年来有一种从确定性模型中提起决策规则的方法开始被重视ey o n g 于 1 9 8 0 年在函数形式上尝试了多项式的决策规则。这些方法虽然理论上缺乏严密 性，但仍具有一定的实用价值。 此外，应实际需要，多种优化方法的组合模型得到了较快的发展。c s r e v e l l 于1 9 6 9 年提出了机遇约束和线性规划相结合的模型。1 9 7 4 年以来，n e c k e r 和 第一章绪论 y e h 曾提出一种线性一动态规划模型。s s l o i m a n 于1 9 8 6 年综合了许多优化方 法，提出了离散变量空间的优化模型。刘肇玮于1 9 8 5 年提出了一个既考虑入流 自相关又考虑系统入流与灌区需水量之间互关联的多目标、条件机遇约束的非线 性规戈! i 随机模型。并提出了其求解方法一两级造代法。 比较上述各种优化模型的优缺点可以看出，动态模型在应用上受“维数”的 限制需借助其他方法进行降维。非线性问题常常转化为线性规划模型，但线性模 型的模拟与系统本身存在一些差异。多目标模型能较好地反映客观系统，但在理 论求解上仍需进一步的研究。大系统分解模型、模拟模型及遗传算法规划模型在 应用上很有特色，实用性也较强，具有良好的应用前景。同时，在实际问题中， 要重视多种优化方法的组合模型的研究。 1 5 本研究的意义 随着我国社会主义现代化事业的蓬勃发展，国民经济各部门用电要求日益增 加，投入电力系统运行的水电站愈来愈多，电力系统不断扩大。在这种形势下， 对水电站及整个电力系统实行科学管理，开展经济合理的运行调度，不断提高运 行管理水平，充分发挥运行效益，对国民经济和社会发展及人民生活水平韵提高 有着重要的现实意义，这是积极贯彻党和国家“坚持开发与节约并重，把节约放 在突出位置”的能源政策的重要途径，也是发挥工程和设备潜力，充分利用水能 资源的一项增产措施，又是减少能源消耗的一项节能措施，其经济效益相当显著。 为了提高供电的可靠性和节约备用发电容景，电力系统越来越趋向于大电 网联网运行。随着电网越来越复杂，受计算机容量和计算速度的限制，全电网的 经济运行就不可能考虑得面面俱到。因此，近些年来人们普便提出成立梯级水电 厂调度中心( 简称梯调) ，由梯调负责统一调度用水。梯调接收电网调度中心( 网 调) 给出的总发电功率要求运用最优化原则调度各水电厂的发电和用水1 2 ”。 因此从这一点上看单一水库调度的重要性或常遇程度，可以说不如库群调度。但 是从另一方法性的角度看，单库调度的研究仍有其特定的重要意义。这是因为； 单库是库群组成的基本单位，因此单库调度很大程度上是库群调度的基础；单库 调度由于相对地简单，因此容易进行深入的分析和数学处理，例如入流的描述。 需水要求的特性及优化调度方法等均较易细致考虑。 一定地区范围内电网的形成，已是目前电力供、输上的普遍和有效形式。 虽然单一水库的长期最优发电调度己不多，但在下列情况下单一水库的调度研究 9 昆明理工大学硕士毕业论文 以扎河毛家村水库的长期优化调度研究 仍有现实意义。 ( 1 ) 在河流开发初期，地区性电网尚未建成，水电站孤立运行时。这里 也包括虽有地区性电网，但水电站比重很大时。 ( 2 ) 系统中因工农业发展负荷增长迅速。系统缺电( 主要是缺电量) 较多 时。这在我国是常见的。 ( 3 ) 梯级水电站中上游为大库大电站，下游为一串日调节或无调节水电 站时，此时从长期最优调度而言，此梯级等于有附加水头的单一水电站。 ( 4 ) 在用系统分解原理研究水电站群，甚至复杂水利系统的联合最优运 行时，每一水电站作为一个子系统( 予电站) ，常要研究其“拟独立运行”的最 优方案，作为逐次协调修正的基础。 以礼河梯级电站毛家村水库就属于上述的第三种情况。 水库优化调度的理论研究在许多方面已十分成熟，但在具体实际应用方面 仍有大量工作要做。用于求解水库优化调度的方法也很多，然而针对具体水库却 没有一个统一的方法和软件。截至目前为止，尚未见到有对以礼河梯级和毛家村 水库长期优化调度研究的成果发表。 本研究意就毛家村水库的优化调度进行研究。同时毛家村水库自6 6 年蓄水 以来，其运行规则是否合理，其运行结果是否最优，还有没有发电潜力可挖，潜 力有多大，这些也是本研究的初衷。因此对毛家村水库长期优化调度进行研究是 具有现实意义的。 o 第二章毛家村水库基本数据分析 2 1 毛家村水库的基本情况 2 1 1 以牢l i - - 电厂及毛家村水库概况 以礼河流域属长江水系，以礼河位于云南省东北部的会泽县境内，是滇北高 原上典型的山区河流。河长1 2 2 k m ，流域面积2 5 8 8 平方公里。毛家村以上流域 面积8 6 8 k m 2 ，以礼河流域海拔高程绝大部分在7 0 0 3 5 0 0 米之间的山岳地带，流 域地形陡峻，河水湍急，上、下游河段坡降较大，中游稍平缓全河天然落差约 2 0 0 0 m ，其中可利用的落差为1 4 1 3 r a ，承戆资源丰富。以礼河发电厂是中国第一 座高水头、跨流域开发的梯级水电厂，总装机容量3 2 1 5 万k w 。是一个以发电 为主，兼有灌溉和防洪效益的大型梯级水电站【2 3 1 。采用“两库四站”与跨流域 的梯级开发方式，共分四个梯级：即毛家村电站( 一级) 装机容量1 6 万k w ： 水槽子电站( 二级) 装机容量1 7 5 万k w ；盐水沟电站( 三级) 装机1 4 4 万k ； 小江电站( 四级) 装机1 4 4 万j ( w 。其中毛家村为首级电站，其有多年调节能力。 水槽子原设计为周调节，但水库建成后因淤积十分严重，目前只能进行日调节。 三四级为跨流域引水式电站。以礼河梯级电站的主要技术经济指标见表2 1 。 表2 1以礼河梯缎电站的主要技术经济指标 项目一级二级三级四级总计单位 开发方式堤坝式混合式引水式引水式 正常蓄水位 2 2 2 7 02 1 0 0 02 0 1 8 01 3 8 3 om 有效库容4 7 2 0 0 2 1 6 1 28万一 流域面积 8 6 81 2 3 31 2 3 31 3 8 6k m 2 平均流量 1 5 z1 8 51 8 ，52 4 2 5隶| s 设计水头 5 87 7 55 8 95 8 91 3 1 3 5m 装机容量 1 6 1 7 5 1 4 41 4 43 2 1 5万k w 装机台数 2 2441 2 1 = 2 昆明理工大学硬士毕业论文敬礼河毛家村水库韵长期优化调度研究 以礼河梯级一级毛家村水库为多年调节水库，总库容5 2 0 4 2 亿立方米，具 有多年调节性能，主要任务是调节水量供下游各梯级电站发电，同时也承担下游 的防洪和灌溉任务。毛家村电站的主要技术经济指标如表2 2 所示。 表2 。2毛家树电站的其它技术经济指标 死水 机组最大多年平均年 装机容量装机台数 保证出力 位 过水流量发电量 2 1 8 0 m1 6 万k w 2 3 3 m 3 s 0 6 7 亿k w s0 6 1 万k v r 2 1 2 基本资料 1 、毛家村水库从5 3 9 2 年的年、月径流资料； 2 、毛家村水库的水位一库容关系表； 3 、流量一水头损失关系曲线； 4 、机组流量特性曲线( 水位为常数 5 、水库7 0 9 2 年的来水过程线； 6 、水轮发电机组的效率特性曲线； 水轮机效率曲线吼= 坪 发电机效率曲线r ，= 叩【) 7 、机组耗水率特性曲线： 8 、正常运行时水库水位控制( 水库调度运行规程2 0 0 1 0 6 o l 发布实施) ： 毛家村水库在改善行洪能力后，应逐步蓄至正常高水位2 2 2 7 m - ( 注：随汛、 枯期发电计划改变而改变) ，只有在特殊情况下，遇连续桔水年份才允许 降至削落水位2 2 1 8 7 m ( 随发电计划而变) ，死水位为2 1 8 0 m 。 9 、8 5 年和8 7 年的实际发电量及实际年初水位和年末水位。 l o 、其它有关实际运行概况：水库仅蓄满过两次，一次是在1 9 8 6 年，水位达 到2 2 2 7 5 9 米，另一次是在2 0 0 1 年，水位为2 2 2 7 2 9 米，曾泄洪过两次a 2 第二章毛家村水库基本数据分析 2 2 资料的分析处理 2 2 1 水库特性曲线 水库特性是指水库水位与水库面积及水库库容的关系。由于水库面积特性， 通常在计算蒸发量的时候用到，所以，在本研究中只关心水库容积特性曲线。 运用最小二乘法原理，通过对线性、多项式、指数函数、对数、幂函数等 不同形式的函数关系来拟合试验点，发现用一元三次多项式来拟合本研究对象的 库容曲线，误差较小，能得到较好的效果。因此对毛家村水库库容关系采用三次 多项式函数： z 。2 1 9 2 1 + 1 2 1 6 7 v 一1 3 7 8 4v2 + 0 0 8 1 1v 3 进行拟合。拟合出的库容曲线如图2 1 所示。 2 2 2 8f 2 2 2 6 2 2 2 4r 桨 v2 2 2 2o 趔 * 2 2 2 0l 2 2 1 8l 33 54 库容( 亿立方米) 图2 1 毛家村水库库容曲线 2 2 2 流量q 与水头损失h 关系曲线 对流量一水头损失曲线进行拟合发现，采用一元二次多项式拟合的效果最 好。其拟合公式为： h = 一o 0 0 1 1 + 0 0 0 0 1q + o 0 0 4 2q 2 拟合出来的曲线与原来曲线基本吻合，故采用一元二次多项式拟合是合理 1 3 昆明理工大学硕士毕业论文 以札河毛家村水库的长期优化调度研究 的。拟合曲线如图2 , 2 所示。 4 3 5 3 卷2 5 塞 2 粪1 5 1 0 5 0 38 2 2 3 其它特性曲线 引用流量( 立方米米) 图2 , 2 流量与水头损失关系曲线 水轮发电机组的效率曲线、耗水率特性曲线、流量特性曲线也利用最小二 乘法进行拟合，结果如下：水轮发电机组的效率曲线须进行分段拟合，用一元二 次多项式拟合低效率区部分，再用一元四次多项式拟合高效率区部分，通过分析 表明，该拟合方案所得的曲线与实际效率曲线吻合；耗水率特性曲线采用一元四 次多项式拟合能得到较满意的效果。而流量特性曲线是在死水位与正常蓄水位之 间作出的，并且各水位对应一根曲线，由流量特性曲线的原始资料可以看出，用 线性来拟合各水位对应的流量特性曲线效果较好。 2 2 4 水电站水头 水电站水头日又称净水头，等于上游与下游水位差再减去各种水头损失之和 y 矗。水电站从天然水能到生产电能的过程中不可避免地会引起各种损失。首 先水电站在集中河段落差时有落差损失埘，在水流经过引水建筑物及水电站各 种附属设备( 如拦污栅，阀门等) 时又有水头损失 ，所以水电站所能有效利用 的净水头为日= 日。一胡一 ，日l - 2 为毛水头，也就是水电站上下游水位差。上 游水位由水位一库容关系曲线查得，毛家村水库其下游园尾水明渠出口处有一小 1 4 第二章毛家村水库基本数据分析 支流汇入，同时受汛期泥石流的影响，测得的水位一流量关系不能准确反映实际 情况，因此下游水位采用固定值2 1 5 2 3 m 。 垦塑堡王大学硕士毕业论文以礼阿毛家村水库的长期优化调度研究 第三章毛家村水库入库径流的分析处理 3 ，1 建立隧枫水文序列模型的一般程序 水文序列的真正数学模型是不知道的，通过分析选用的模型只能看作是对 水文序列总体变化特性的一种近似，或简言之，是一种估计模型。同样，模型的 真正参数也是未知的，它们只有从观测资料和其它有限的信息来估计，所谓建立 模型，一般是指由相关资料和各种信息来推断模塑并估计其中的参数，建立模型 可按以下阶段进行。 ( 1 ) 模型类型的选择。模型类型的选择，就是在各种模型中选择一种合适 的模型，以表示研究的水文序列的总体变化特性。模型类型的选择涉及到许多 因素，但主要因素是水资源系统的特征，水文序列的物理和统计特性以及模型建 立者的知识和经验。 ( 2 ) 模型形式的识别。类型一经选定，便要确定模型的具体形式，即确定 模型的阶数。在对序列的物理和统计性质分析基础上，根据自相关图，方差谱密 度图以及其它的判别方法，可以较客观地选定阶数，当然建模者的经验也会在不 同程度影响阶数的确定。 ( 3 ) 模型参数的估计。模型的参数必须通过获得的各种信息估计，显然， 最重要的信息就是实测序列。 ( 4 ) 模型的检验。模型的形式和参数确定后，还必须加以检验。这种检验 的目的，主要是检查建立的模型是否符合有关假设， ( 5 ) 模型的不确定性评估。在建立模型时包含两种不同类型的不确定性， 一是模型的不确定性，二是参数的不确定性。为了估计模型的不确定性对模型实 际应用带来的影响，需要对这种不确定性预先作出评估。参数的不确定性由参数 的抽样分布来确定。 ( 6 ) 摸型的实用性分析。研究序列经过上述几个阶段后。嘬终可谔选出一 种模型。随机水文序列的统计特性极其复杂，简单的模型只能对主要的统计特性 作出概括，同时在模型识别和参数估计时，信息一般不充分，这就可能在某些情 况下，导致估计模型和真正的总体在统计特性上有显著差异。因此，对估计模型 第三章 毛家村水库入库径流的分析处理 还必须从实用观点作进一步检验。 3 2 年径流序列的随机模拟 3 2 1 年径流序列统计特性分析 一般而言，水文序列包括趋势成分、跳跃成分、相依成分和纯随机成分。对 年径流序列进行趋势成分、跳跃成分和周期成分检验。 趋势成分采用线性回归检验，线性趋势模型形式如下： x f = a + b l t + r f( 3 - 1 ) 其中a = i b i ； 8 b = ( f f 如，一习eo f ) 2 ； f r l，i - l 1 。为剩余项。 构成统计量t = b s ；( 3 - 2 ) 其中s l = s2 o f ) 2s ：杰口? 向一z ) t = l r lg ? = 芝( x 。一i ) 2 6 2 ( f f ) 2 t = l