（水利水电工程专业论文）梯级水电站长期优化调度研究.pdf

摘要 本文围绕梯级水电站的长期优化调瘦问题，以硕多岗河梯缀水电站为实例， 从理论、方法和实用上进行了全面深入的研究。主要研究成果如下： ( 1 ) 本论文首先阐述了梯级求电站水库长期优化调度研究的必要性，然后 综合评透了过去四、五十年中，国内纷在水库长期优化调度豹理论、方法和应用 的进展。特别是对于动态规划法在水库优化调度中的应用作了重点总结。研究了 各种理论方法的优点和不足，从_ 而指出了进一步研究的方向。 ( 2 ) 对中长期水文预报的国内外研究瑷袄和预报手段避彳亍了归纳。菇在魏 基础上，掇据流域的特性和现有水文资料状况确定了研究方法，即季节性水乎模 型和自回归模型a r ( p ) ，对小中甸的经流进行了中长期预测。 ( 3 ) 根据动态规划的最优性原理，络合水泡站对优化调度的要求，建立以 整令梯级水电站年发电量最大为目标避数，以每对段下泄流量必决策变量的水库 优化调度模型。 ( 4 ) 对小中旬水电站径流资料进行分析，选择适合的样本径流资料，对选 择的样本径瀛资料避行确定型优纯调度计算，取得了比较满意的结莱，发奄量吃 常规方法有盟显的提赢。 关键词：梯级水电站长期优化调度动态舰划径流序列中长潮水文预报 季节性水平模型 自强归模型( a r ( p ) ) l h a b s t r a c 罩 t a k i n gt h ec a s c a d e dh y d r o p o w e rs t a t i o n si ns h u o d u o g a n gr i v e ra sa ne x a m p l e ， t h i sp a p e ri sc o n c e m e dw i t ht h er e s e a r c ho nt h e o r y , m e t h o d s ，a n da p p l i c a t i o n so f l o n g - t e r mo p t i m a ld i s p a t c h i n go fc a s c a d e dh y d r o p o w e rs t a t i o n s 。t h em a j o rw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni so u t l i n e da sf o l l o w i n g ： ( 1 f i r s t l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep o s s i b i l i t yo ft h er e s e a r c ho nl o n g t e m a o p t i m a ld i s p a t c h i n go fc a s c a d e dh y d r o p o w e rs t a t i o n s s e c o n d l i tr e v i e w st h ep a s t a c h i e v e m e n t si nt h et h e o r y , m e t h o d sa n d a p p l i c a t i o n s o fl o n g - t e r m o p t i m a l d i s p a t c h i n g o fc a s c a d e d h y d r o p o w e rs t a t i o n s e s p e c i a l l y i n t r o d u c e sd y n a m i c p r o g r a m m i n ga sak e y t h i r d l y , i ta n a l y s e st h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo ft h e s e m e t h o d s a tl a s t ，i tt r i e st op r e d i c tp r o b a b l ed e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e 2 ) t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ep r e s e n tc o n d i t i o no ft h ed o m e s t i ca n d i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho ft h em i dm a dl o n gt e m lh y d r o l o g i c a lf o r e c a s ta n df o r e c a s t m e a n s b a s e do nt h i s ，i tp u t sf o r w a r dt h er e s e a r c hm e t h o d ( s e a s o n a ll e v e lm o d e la n d a u t o r e g r e s s i v em o d e l ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f t h ef i v e rb a s i na n dt h es t a t u s o f t h eh y d r o l o g i c a ld a t a t h e ni tf o r e c a s t st h ei n f l o wo f x i a o z h o n g d i a n ( 3 ) a c c o r d i n gt 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 ga n dc o m b i n e d w i t ht h er e q u i r e m e n to fl o n g t e r mo p t i m a ld i s p a t c h i n go fc a s c a d e dh y d r o p o w e r s t a t i o n s ，t h i sp a p e rc o n s t r u c t st h el o n g - t e r mo p t i m a ld i s p a t c h i n gm o d e lo fc a s c a d e d h y d r o p o w e rs t a t i o n s t h i sm o d e lp u r s u e st h em a x i m a le l e c t r i cp o w e ra n du s e st h e g e n e r a t i o np o w e rf l o wa st h ed e c i s i o n 。 ( 4 ) t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n f l o wd a t ao fx i a o z h o n g d i a na n ds e l e c t ss o l n e s a m p l eo fh y d r o l o g yd a t a ，t h e n u s e st h eh y a r o t o g yd a t ai nt h ea n n u a ld y n a m i c p r o g r a m m i n gm o d e lc o m p u t i n g t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tw ea t t a i n m o r ee l e c t r i c p o w e rt h a nc o n v e n t i o n a lm e t h o d k e yw o r d s ：c a s c a d e dh y d r o p o w e rs t a t i o n s ；l o n g * t e r mo p t i m a ld i s p a t c h i n g ； d y n a m i cp r o g r a m m i n g ；i n f l o ws e r i e s ；m i da n dl o n gt e r mh y d r o l o g i c a lf o r e c a s t ： s e a s o n a ll e v e lm o d e l ；a u t o r e g r e s s i v em o d e l 独创性声明 本人声明瓒塞交的学位论文是本人在导爆攒导下进雩亍的研究工作秘墩德的 研究成菜，除了文中特别加以标浚和致谢之处外论文中不包含其他人已经发表 袋撰写过的研究成果，也不包含为获得基凄盘壁或其仇教育枫构的学位或证 书而使用过的材料。与我一糯工俸的同志对本研究所做的任俺贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文俸者签名：挞囝拳签字秘麓：御晦年f 届参瞬 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完企了解基凄盘鲎有必保留、使用举位论文的规定。 特授权基鎏杰襞可以褥学垃论文的全部或郡分蠹容缡入骞关数摆痒避行检 索，并采用影印、缩印或扫描等艇制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 囊国家蠢关部f j 竣枧构送交论文粒复印件_ 鞠磁盘。 ( 像密的学位论文谯解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：丧羡f 霄鸯 导师签名： 杉敏 签字同期：冽琴年f 局手醚签字翳鹚：厶。，年月， = i 第一豢绪论 1 1 问题的提出 第一耄缝论 我国河流水能资源的瀛藏鳖是十分丰富的，属世界酋位，但人均资源量并i i 富裕，而且水资源时空分布不均匀，水力资源开发程度低，地区间开发差异大。 幽子我国水电的这些自身特点稿能源的短缺，我国加大了水电豹开发力度，截至 2 0 0 2 年庭，我蓬毫建藏各炎承痒8 5 2 8 8 痰，蕊库窑达蠲5 5 9 4 亿m 3 ，其中大型 水库4 8 7 座、中型水库2 9 5 5 座。这些水库在防洪、灌溉、发电、城乡供水、航 运和水产养殖等方面发挥了巨大的作用，敬得了显著的经济和社会效益。仅从 2 0 0 3 年水蓐防洪效盏看，念蘑各类承疼烂蓄滋承4 4 7 亿m 3 ，减免受灾人日i 。l 亿人，减免受灾面积3 5 5 万公顷，减兔藏缀以上城市避承4 4 5 个， 鬣接减灾效益 i 墨1 1 3 0 亿元【1 1 。 一个水瘁可以袁不同的运用方式，豳褥会带来不嬲的效益，特别是综合利用 熬零痒，存褒鬻藏洪与菇糕，舞兴裁部门之海在蠲塞上懿矛霞，要簸瑾鲟这些矛 艚，提高水库的综合效益，就要有科学地运用方式，这个办法就日q 水库调度【2 。 麒体指人们檄据水库所承担的水利水电经务的主次和规定的运用原则，凭借水库 的调藿能力，濮过农剩抠鳃豹器耪建筑甥及浚冬，按竣诗要求，在缳薅水蓐本襄 帮下游防护鹜标安全的前提下，对永瘁酌入席水量避稷进行有磊的遗调节，充分 发挥水库的综含利用效益，满足各兴利部门的需要，以达到除害兴利的目的的一一 种控制运用承艨技术 3 1 。根搬水库调度的工作特点，一般可分洪水调艨和电力( 兴 零j ) 调菠。洪承调度静基零经务跫在确稼工程安全黥翦疆下，霹谲浚裙兴帮懿露 容进行合理安摊，充分发撵水库的综合利用效益。电力( 兴利) 调度的任务，则 魁利用水库的鬻水调节能力，重新分配河流的天然来水使之符合发电( 兴利) 部 门豹用承要求。到嚣藏为止，隶疼调度方法河分j - , j3 粪： ( 1 ) 常规调度方法。国内辨一羹潘餍的常援永库调度方法是建立在水能学径 流调配调节理论基础上的时历法，即以历迎的实测资料为依据，以设计保证率为 搬则，选择典型柬水过程为代表年进行水能调节计算，墩其包络线绘制的水库调 爱强来指导承瞧蘑运幸亍。这糖菊菠法的优点莛 盖实溅资瓣为依舞，溪壤方法楚蕈 清晰，保证率概念明确，处理水库运行中备类相关因素亦较直观明了，但是调度 模式缺乏数学蠼优化理论蕊础，虽然考虑历史来水的可能分布，编制出上、下调 溅越线嚣善癸遐行医域，德寨麓操作的啦蔹据是鲞辩鹣痒承垃，不考虑嚣羲喇 段的短麓和中长辫径流预报，即使考虑率对段预报流爨，按某些承库调度判掰试 第一章绪论 运行所得结果，也仅是局部最优解，很呆板、不灵活，带有一定的盲目性，效果 不理想。其基本原因是利用的信息量不足，只是以相应时间库水位作为参数，不 能考虑与前后其他时段的相关关系，因此不具备追求水电发电效益最大的功能。 水库的调度作用得不到充分的发挥，水资源得不到充分的利用，而且不便于处理 复杂的水库调度问题。我国水电设科系统近年：彩提出了用判别系数和调度图相结 合的方法进行水电站群的径流补偿调节，此法比较简单实用，多用于水电站的规 划设计中，所得方案也不是最优方案。 f 2 ) 优化调度方法，即在已知系统结构类型，水电站及其水库、系统其它组 成单元的功能、任务、参数、特性等原始数据和各种信息的约束条件f ，为满足 国民经济各有关部门和社会的要求，按运行调度基本原则，以运筹学( 或称系统 工程学) 为理论基础，利用一定优化理论方法和技术，制定和实现对水资源的优 化利用和控制方式，即寻求系统和水电站及其水库的最优运行调度方式、最优策 略和最优决策，绘制最优调度图以指导水库运行。它是近5 0 年来得到较快发展 的一种水库调度方法。尤其对水电站水库。因为优化调度不需要增加额外的投资 就可取得相当大的效益。这类方法在理论和实用上都很成熟。畅建霞【4 】对于几种 常用的优化方法进行了分析比较，但是这类方法无法处理水库调度中存在的模糊 目标和模糊信息问题。 ( 3 ) 模糊优化调度方法。它以模糊集合论为基础，并与常规调度技术、优化 调度技术融为体，互相取长补短，进一步克服传统方法处理模糊信息及模糊现 象所遇到的困难，寻求满意的调度方式、调度方案和调度图，以指导水库运行。 由于水库优化调度可以在几乎不需要增加很大的额外投蜜的情况下增加巨 大的经济效益，因此，开展水库优化调度研究，提高水库控制运用水平，对于充 分利用我国的水资源具有重要的现实意义。在过去四十多年中，国内外许多学者 对其进行了广泛和深入的研究，把优化理论和方法引入到水库的优化调度研究 中。 水库群的优化调度是近些年来国内外研究十分，。泛的一个课题。研究主要面 临两个问题，一是如何建立水库优化调度数学模型：二是如何选择求解这种数学 模型的最优化方法。在过去几十年早，优化理论、方法及其在水资源工程领域中 的应用研究取得了很大的进展。国内外学者通过几十年的研究提出了许多富有成 效的方法。尤其是水电站群库群的发电优化阐度，更是文献浩繁，方法众多。常 见的有等微增率和协调方程法，线性规划法，非线性规划法，整数规划法，动态 规划法，网络技术，大系统分解协调法，混沌优化，遗传算法等。这些方法各有 优缺点，线性规划需要对目标函数甚至约束条件进行线性化处理，这会导致与原 问题的偏差；网络流模型计算速度较快，但对约束条件的结构要求较严：遗传算 第一章绪论 法是一种随机智能搜索算法，虽然在处理某些复杂目标函数时有独到的优势，侗 在处理众多约裳螽磐、收敛速瘦摹珏存赣爨方覆还存在诸多润题；鹣标殛数瓣玲蔽 可分性和维数要求也限带了动态规划的麻用：菲线性规划较符合实际问题，但 般计算爨很大 4 j 。出于影暖拳电姑水瘁癸长期调壤决策熬因素缀多，例妇天然寒 水的随机性，负荷预报的不确定性，各水库水电站的工糨条件限制，水库的综合 利用要求，以及魄力系统内永、火电站的联台运萼亍方式等。特别怒对于糖级承电 站群之间的优化调度，不仅存在着电力方面的联系，还存在着水力方面的联系， 约束条件比较多，曩标蘧数也比较复杂，导致了优化调度问题数学摸型秘计算方 法的复杂化，国内外学者对该问鼷至今矮来找到一套理论上严谨黼实用的数学模 型和计冀方法。因此，水库调度研究还不完善，理论与实际结合不紧密，难以达 到推广廒用的西的。可见研究水库优化鞲度问题的新途径或新方法是十分必要 的。 小中旬永库蹩硕多简溺一瘁多缀方案中的第一个梯级，也是梯级开发中静龙 头水库。它具有多年调节功能，投入运行后，对潋善下游各梯级电站丰、枯出力 爱纯惫豫，减少弃承，蹭麴系统承龟调晦效益酶佟用显著。本猱缀的主要特点蓬： ( 1 ) 上缴水库较大，下级规模较小，主要作为上一级的反调带电站；( 2 沩；缴 调度套发龟密繁凳圭，蘩鼷防洪、灌溉、瓣涉等综合翻爱。这释豹梯缀亳菇互补 性强，如果从电站群整体观念出发，并密切结合电力系统运行特点和要求，充分 发挥每个寇蘩戆特长，糕定塞合濮夔梯缀谲凄繁滔，不仪缝够躐辍梯缓鹜力受隧 总量，而且能够烂著减辙出力受阻对电力系统的影响，提商梯级水电站和电力系 统弱经漭效薤。戆善社会经济魏发晨，特裁是趣力体割麴教蕈，爨要求隶电蘩援 纽的综合管理、逡营模式、调度方式也鼹发生变革。近年来计算机技术、信息综 合譬理鼓术、畚媾( 包疆洪瘩) 预溪豫投技术、承 毽整枢缝安全豹综合控键援术、 水库优化运用调度技术都有长足的进展，通过应用最新的科技进展来研究水电站 戆拢纯运用郛调羧，预计每年可增发5 1 0 麴龟量。颈多巍褥务水电站媾于同 经济利益体( 磐电司) ，更有利于发挥吾梯级电站的互补作用，当各梯级电立占 郄建成蜃，通过优化调度预计可磺发5 千万至l 亿度的电最，总体效盏 分可观。 阉而，针对电力体制的改革的背聚，应用科学技术的最新进展，来提升水库和电 站群的综合运用、调度、管理水乎，提离经济效益稚枢缀运用的安垒性蹙 分必 镬的。本文研究此梯级的长期优化调度，以追求全年发电餐最大为目标，为短期 优化调度提供依据。 第一章绪论 1 2 国内外研究状况 1 2 1 水库优化调度的现状和趋势 解决水库调度问题，在5 0 年代以前，采用的都是常规调度图法和主观经验。 直至5 0 年代，m o r a n 提出水库蓄水的概率模型，b e l l m a n 提出动态规划原理，特 别是计算机技术的发展与应用，才使水库优化调度问题的研究有了进展。1 9 6 0 年美国学者霍华特( r a h o w a r d ) 的著作“动态规划与马尔柯夫过程”书问世 以后，为水库优化调度的发展提供了理论基础。到6 0 年代末，水库优化调度的 理论已比较成熟。应用马氏决策规划求解单一水库的优化运行策略，已没有多大 因难。从7 0 年代开始，随着现代系统工程理论和其他学科的发展，人们将研究 重点转移到水电站水库群的优化调度上。应用马氏决策规划求解水电站水库群的 优化调度问题，从理论上讲是可行的，但由于计算工作量和存储容量与状态数目 成指数增长，当水库数目较多时( 如超过3 库) ，即使用大型计算机也无法求得严 格的解。这就是所谓计算上的“维数灾”。为了克服“维数灾”，国内外研究者从7 0 年代开始至今，先后提出了许多有益的方法，如国内外普遍应用大系统分解或分 级优化理论求解水火电力系统经济运行及水库群联合优化调度；应用逐次逼近动 态规划、随机动态规划、增量动态规划和微分动态规划结合径流预报来结算水电 站长期经济调度方式等。其它如应用对策论、排队论、隐随机优化时间序列分析 决策、灰色预测与决策理论、多层次参数迭代法、模糊集理论、模糊决策分析、 模糊动态规划、凸动态规划、网络模矢法来编制水库( 群) 优化方案或调度 图等，但大多数方法是针对一些具体问题提出来的，都进行了一些前提假设和简 化，到目前为止还没有一种公认的普遍有效的方法。 水库优化调度方法在理论研究日渐成熟和完善的同时，更注重与生产实际相 结合，注重研究成果向生产实践的转化，以填补理论研究与实际应用的“鸿沟”。 许多研究成果从生产需要和具体问题着手，研究探讨适合某一具体河流或区域 的、简便实用并为生产管理者所接受的水库调度模型及应用方法，使产、学、研 在水调专业领域得到更加紧密的结合。 1 2 2 水库优化调度的国外研究状况 水库中长期调度问题最早可追溯到哈桑德水库径流调度计算累积曲线法利 a a 莫罗佐夫关于调配调节概念的水库调度图，随后由于对径流描述方法的小 同，则相继出现了随机性与确定性两类研究途径。最早把优化概念引入水库调度 的是m a s s e ( 1 9 4 6 年) 5 1 、l i t t l e ( 1 9 5 5 年) 6 1 等人，他们都使用随机动态规划万 第一章绪论 1 2 国内外研究状况 1 2 1 水库优化调度的现状和趋势 解决水库调度问题，在5 0 年代以前，采用的都屉常规调度图法和主观经验。： 直至5 0 年代，m o r a n 提出水库蓄水的概率模型，b e l l m a n 提出动态规划原理，特 别是训算机技术的发展与应用月使水库优化调度问题的研究有了进展。1 9 6 0 年美国学者霍华特( r ，a h o w a r d ) 的著作“动态规划与马尔柯夫过程”书问啦 以后，为水库优化调度的发展提供了理论基础。到6 0 年代东，水库优化调度的 理论已比较成熟。应用马氏决策规划求解单一水库的优化运行策略，已没有多大 因难。从7 0 年代开始随着现代系统工程理论和其他学科的发展，人们将研究 重点转移到水电站水库群的优化调度上。应用马氏决策娥划求解水电站水库群的 优化调度问题，从理论上讲是可行的，但由于计算工作量和存储容量与状态数目 成指数增长，当水库数目较多时f 如超过3 库) ，即使用大型计算机也无法求得严 格的解。这就是所谓计算上的“维数灾”。为了克服“维数灾”，国内外研究者从7 0 年代开始至今，先后提出了许多有益的方法，如国内外普遍应用大系统分解或分 级优化理论求解水火电力系统经挤运行及水库群联合优化调度：应用逐次逼近动 态规划、随机动态规划、增量动态规划和微分动态规划结合径流预报来结算水电 站长期经济调度方式等。其它如应用对策论，排队论、隐随机优化时问序列分析 决策、灰色预测与决策理论、多层次参数迭代法、模糊集理论、模糊决策分析、 模糊动态规划、凸动态规划、网络模矢法来编制水库( 群) 优化方案或调度 图等，但大多数方法是针对一些具体问题提出来的，都进彳亍了一些前提假设和简 化到目前为止还没有一种公认的普遍有效的方法。 水库优化调度方法在理论研究同渐成熟和完善的同时，更注重与生产实际朔 结合，注重研究成果向生产实践的转化，以填补理论研究与实际应用的“鸿沟”。 许多研究成果从生产需要和具体问题着手研究探讨适合某具体河流或区域 的、简便实用并为生产管理者所接受的水库调度模型及应用方法，使产、学、硼 在水调专业领域得到更加紧密的结合。 1 2 2 水库优化调度的国外研究状况 水库中长期调度问题最早可追溯到哈桑德水库径流调度计算累积曲线法刹 a a 奠罗佐夫关于调配调节概念的水库调度图，随后由于对径流描述方法的0 、 同，则相继出现了随机性与确定性两类研究途径。最早把优化概念引入水库调度 的是m a s s e ( 1 9 4 6 年) 5 1 、l i t t l e ( 1 9 5 5 年) 6 1 等人，他们都使用随机动奈规划万 的是m a s s e ( 1 9 4 6 年) 5 1 、l i t t l e ( 1 9 5 5 年) m 等人，他们都使用随机动奎规划万 第一章绪论 法研究水库优化调度，比确定性动态规划方法应用于水库优化调度差不多要早 1 0 年，这是因为随机方法在理论上更完美，更符合实际情况。它的难度就在于 径流的描述。澳大利亚人m o r a n ( 1 9 5 4 年) 【7 j 首次用相互独立随机变量序列描述 径流，并把m a r k o v 链用于水库的蓄放水问题，得到水库蓄水概率稳态模型。随 后，m o r a n ( 1 9 5 5 年) 8 1 考虑了水库泄放规则的改变问题或对一年内不同月份采 用不同的泄放规则，从而使得模型又适应于月份的变化。在显式地利用天然来水 分布型信息的水库随机优化调度模型方面，m a s s e ( 1 9 4 6 年) 【5j 最早关于水库调 度的研究是作为储存论问题处理的，使用的函数方程迭代法正是动态规划方法的 核心。l i t t l e ( 1 9 5 5 年) 【6 】的工作具有开创性，他指出水库发电问题的输入是随 机的，而其输出( 电力需求) 是确定的，此外水库发电具有在满库时单位发电耗 水要少这样的特性，因为此时水库的水头高。l i t t l e 在假定水库入流为m a r k o v 过程的情况下，开创性的建立了随机动态规划水库优化调度模型，并用此模型( 使 用离散动态规划方法) 制定了美国g r a n dc o o l e y 水电站的优化调度方案，效益 是明显的。1 9 6 0 年h o w a r d l 9 将m a r k o v 过程表示成概率转移矩阵，给出了水库 随机动态规划调度模型的典型方程( 面临时段水库入流未知) 。1 9 6 2 年，b e l l m a n 等人又给出了随机动态规划水库调度模型的基本方程式( 面临时段水库入流 已知：可通过短期预报得到) 。他们认为天然来水径流的随机过程可以看成是以 年为周期的平稳m a r k o v 过程。随后，谗多人对随机动态规划模型进行了卓有成 效的研究，b u t c h e r ( 1 9 7 1 年) 】研究了l i t t l e ( 1 9 5 5 年) 【6 】的模型，他指出，如 果最后的决策阶段是在将来足够远的时间，那么将有一个稳定策略，b u t c h e r 应 用随机动态规划方法为w a t a h e a m 水库制定了最优稳定策略。g e s s f o r d 和k a r l i n ( 1 9 5 8 年) 1 1 2 、r u s s e t ( 1 9 7 2 年) 、a r t m k u m a r ( 1 9 7 5 年、1 9 7 7 年) 1 “、 s o b e l ( 1 9 7 5 年) 1 1 6 1 等人对水库随机动态规划调度模型的策略结构特性进行了研 究，其研究结果对搜索最优镱略是十分有用的。d o r a n ( 1 9 7 5 年) f l 对应用离散 动态规划方法处理调度模型时可能出现的问题进行了研究。他指出用m a r k o v 链 描述水库存水可能给出不正确的或者无意义的结果。例如状态空间被分的过分 日 糙或者离散的不好，在计算概率分布密度以描述水库的存储状态时就会这样。 s c h w e i g 和c o l e ( 1 9 6 8 年) 应用l i t t l e ( 1 9 5 5 年) 的模型于耐水库问题，b u r a s ( 1 9 7 2 年) 【9 】也讨论了同一问题。s c h w e i g 和c o l e 使用v y m w y 和w a l e s 两库资 料计算了最优策略。尽管实际计算时，离散化很粗，但还是遇到了很大的困难。 两水库系统是目前报导的真正应用随机动态规划法求解的最大水库数目。 随机动态规划尽管在理论上比较完善，用来描述天然来水径流与实际情况相 吻合，也能够充分利用历史赘料，但是对于多维随机动态规划问题，维数灾问题 还没有解决。至目前为止，离散动态规划方法仍是解决随机动态规划模型的唯 第一章绪论 通用方法。但是所需计算机内存和c p u 均呈指数增加，甚至无法计算。y a k o w i t z ( 1 9 8 2 年) 、y e h ( 1 9 8 5 年、e s o g b u e ( 1 9 8 9 年) 和j o h n s o ne ta 1 ( 1 9 9 3 年) 都 对随机动态规划方法在水库群优化调度中的应用问题进行了评论。 对于确定来水情况下的水库优化调度，y o u n g 在h a l l 、r o e f s 等人研究的基 础上，应用动态规划方法研究了单一水库的最优控制问题。基于y o u n g 的研究 成果，硒r k ，j a c o b s o n 和m a y n e ，t a m u r a 和h a l k i n 等将极大值原理和微分动态 规划方法引入到水库优化调度方面。h a l l 的序列研究成果考虑了分期电价及更多 的因素，从而改进了所用的优化方法。 1 2 3 水库优化调度的国内研究状况 六十年代以来，我国学者在这方面的研究成果也见于公开报道。1 9 6 3 年， 张勇传主编的水电站水库调度1 2 0 】研究了水库随机动态规划调度模型的最优 解最优调度线( 面) 所满足的条件，给出了考虑径流的随机性时定制水电站 水库晟优调度线( 面) 的方法，深入研究了各种水库最优调度线( 丽) 的特性， 并分别进行了单个水电站和梯级水电站的实例计算。同年，谭维炎、黄守信等i 2 】 应用h o w a r d 的理论，建立了具有多年调节水库的水电站最优调度的随机动态规 划模型，并将它应用于四川龙溪河梯级水电站，研究了该梯级水电站与若干其他 水电站的径流电力补偿调节的情形，并通过概率验算计算出各种期望运行特性， 分析了不按调度图的指导运行时可能造成的经济损失。在这年，谭维炎、黄守 信等【2 2 1 还根据动态规划与m a r k o v 过程理论，建立了一个长期调节水电站水库的 优化调度模型。并在狮子滩水电站的优化调度中得到应用；1 9 7 9 年，张勇传、 熊斯毅等1 2 3 】在建立柘溪水电站水库优化调度模型时，用时空离散简单m a r k o v 过 程描述径流过程，将面临时段入流由短期预报提供，寻优方法采用可变方向探索 法。虽然绘制优化调度图仍用b e l l m a n 最优化原理，但由于引进了惩罚项。因而 提高了调度图的可靠性；差不多同一时期，董子敖等 2 4 1 提出了国民经济效益最 大的目标函数，在寻优技术方面，采用了满足保证率要求的改变约束法，以控制 破坏深度，用于研究刘家峡水电站水库优化调度；1 9 8 2 年，施熙灿、林翔岳等【2 “ 在研究枫树坝水电站优化调度时，提出了保证率约束下的m a r k o v 决策规划模型； 1 9 8 3 年，张勇传、傅昭阳等1 2 6 j 提出了建立在对策论基础上的水库优化调度图。 同年，鲁子林等应用增量动态规划，并结合短期洪水预报模型，实施了富春 江水电站的优化调度，获得了平均每年增发电能2 4 7 0 万千瓦时的效益；1 9 8 6 年， 李寿声、彭世彰等1 2 8 1 结合一些地区水库调度实际问题，拟订了一个非线性规划 模型和多维动态规划模型，用于解决满足多种水源分配的水库最优引水量问题。 同年，王厥谋等【2 9 】为对汉江中、下游洪水进行最优控制，建立了丹江【_ ： 水库翰 第一章绪论 洪优化调度模型，目标函数为各种控制目标的罚函数之和，鼹优策略的求解方法 采用线性规划法。1 9 8 6 年，张玉新、冯尚友【3 0 】建议了一个多维决策的多目标动 态规划模型，以多目标中某一目标为基本目标，而将其它非基本目标作为状态变 量处理，求解方法仍基于一般的动态规划原理，该法实质上是单目标动态规划法 在多目标问题中的应用，因此，随着维数的增加计算工作量必然增加较多。为 克服这一问题，张玉新、冯尚友p 又于1 9 8 8 年提出了一个称之为多目标动态规 划迭代法的求解方法，该法的核心是构造一个三级段函数，计算效率有所提高。 在研究以发电量和淤积量为目标的水沙联合优化调度中，用该法求出非劣解集后 再应用均衡规划法选出满意的调度方案。1 9 9 6 年，解建仓等 3 2 l 针对水电站水库 常用的调度规则所存在的问题，进行了维护性讨论，探索了一种对知识规则的更 新方法，以便于适应水库调度的实际要求。更新方法是以并行神经网络结构为基 础，由知识增长的追加学习算法组成。用于石泉、安康梯级水电站，经新增样本 3 3 6 个的仿真应用，检验了该方法的可行性。同年，徐鼎甲【33 应用马尔可夫决 策规划以及“分解和多级最优化”的降维方法，为东北电网的菜大型水电站梯级系 统制定了长期最优运行策略。求解的目标是在满足发电保证率的前提下，梯级系 统年发电量的期望值最大。与时历法相比，按该策略运行时梯级系统的年效益可 提高3 5 且发电保证率亦有提高。本文还对径流描述的现行作法进行了一些 分析，提出在水文计算中，c j c v 的取值应以经验频率点据与p 一型分布曲线 吻合最好为依据，并采用了计算机适配理论频率曲线的方法；找出了制定长期运 行策略时，梯级之间水量联系的随机描述方法。1 9 9 7 年，王黎和马光文口4 j 利用 二进制遗传算法对水电站优化调度进行了研究，其假定对象是主要以发电为主的 水电站，兼顾其他用途，但是在他们的计算中并末考虑到其他过多用途，仅是一 个个部分的主要约束作为基本约束条件，比如发电量或流量限制条件，但这是一1 种对水电站优化调度方法的新的尝试，同时王黎针对四川省某大型水利枢纽的调 度运行进行了具体的验证，得到了较好的计算效果。但是应当注意到，由于水电 站优化调度是多维问题，采用二进制数编码，染色体串非常长，扩大了算法的搜 索空间，从而使算法的搜索效率报低，而且，在每一次循环运算过程中需进行二： 进制数与十进制数之间的转换，增加了编程和计算的工作量。因此，在水资源中 应用的遗传算法一般采甩的是十进制编码，即浮点编码。1 9 9 8 年，龙子泉，卓 四清1 35 i 根据多年调节水库的水文特征，提出了水电站水库长期优化调度的非线 性规划模型，并提出了相应的求解方法。结果表明，模型正确，具有实用价值。 同年，傅巧薄等【3 6 】提出种水电站长期优化调度的神经元网络方法，理论推导 和实例分析都验证了该方法的可行性与有效性。同年，陈洋波( 3 讨论了水电站 水库优化调度的一般理论及其调度函数，提出了水库隐性随机优化调度的宵关计 第一章绪论 算方法。最后以陆水水库工程作为实例进行了计算。同年，倪二男等口踟提出 种基于l a g r a n g i a n 松弛技术的梯级水电系统优化调度算法，能够综合处理离散运 行区间，最小启停机时间等离散约束，水库闯的水力耦合网络约束以及水头影响， 基于实际系统数据的数值验证表明了本算法的有效性和实用性。2 0 0 0 年，牛筵 平等【3 叫通过对显含弃水变量的优化调度模型和水库基本交量关系的深入分析， 研究最优弃水规则并给出了其最优性结果。2 0 0 1 年，畅建霞等f 4 叫提出了基于累 积误差、动态调整网络参数的改进b p 网络方法，并用于求解西安供水水库群优 化调度函数。结果表明，与传统算法相比，改进b p 网络方法不仅可以全面反映 水库调度决策变量与影响因子的复杂非线性关系，而且可以反映出调度过程中水 库群间的相互关系，且应用简便。同年，李明等【4 q 介绍了人工神经网络基本原 理和常用的前馈式网络模型，并将该模型理论应用到水库优化调度之中。详细描 述了水库优化调度的神经网络模型的特点和优点，并以工程实例证明了此方法可 行性。同年，王大刚等【4 2 】用基于十进制编码的遗传算法研究水电站优化调度问 题，与通常采用的基于二进制编码的遗传算法相比，采用十进制编码，避免了由 于二进制编码串很长而造成的算法搜索效率低的缺陷。实例计算中，以动态规划 法求得的优化解为比较基础，采用十进制编码较之二进砖编码在相同进化内更接 近最优值，运行速度大大加快，提高了算法的运行效率。同年，畅建霞t 4 3 1 n 用 十进制的遗传算法对水电站水库进行了优化调度研究，另一方面，她将适应度函 数作了幂变换，使之更加离散，便于遗传操作，取得了良好的效果。2 0 0 2 年， 王金文等设计了一种直接搜索模式，其基本思想是，希望在可行域内的搜索过 程中，当达到约束条件的边界时还能沿着其边界进行搜索，该方法在迭代过程中 仅仅涉及目标函数值的计算而不涉及函数导数的解析性质，因而不要求目标函数 可导；与常规离散动态规划相比，它不需要对水库蓄水状态空间进行离散化，因 而可节省计算存储量，可用于求解仅有蓄水状态和出库流量约束但具有非线性目 标函数的水电站长期优化调度问题。对实际水库优化调度中的其他约束可通过建 立对偶问题，采用惩罚函数以及变量替代的方式进行处理。结合福建水电系统的 实际情况，并认为控制期内径流过程确定，给出了一个发电量最大模型的实际例 证。同年，吴建国等1 4 纠利用历史资料和现有气象预报条件，就能否建立降雨释 流之间确定性模型，利用中长期降雨预报资料来推求径流，再引用动态规划法计 算和制定长期调度计划，为水电厂适应“厂网分开，竟价上网”的形势需要，充分 发挥水库综合利用效益，试作分析和探讨。同年，王大刚【46 j 等也利用十进制的 遗传算法对水电站水库进行了优化调度研究，其将惩弱系数引入到适应度的计算 当中，可以较为准确的限制适应度的收敛范围，得到更好的结果。2 0 0 3 年，吴 爱华，陶东兵【4 1 等以清江隔河岩水电站为例，完整地介绍了一种由动态规划与 第一章绪论 马尔可夫夔橇决策过程理论发展形成豹隧枫动态规划水库优化发电调度豹理论 和方法：并用此方法建立了隔河岩水电站随机动态规划水库优化调度模型，通过 计算，编制了电站的优化发电调度图。同年，钟登华等【4 8 】针对标准遗传算法r s g a l 存在收敛性及个体适应度求解方颟的困难，在研究中，通过对s g a 中遗传葬子 改进，特别是x $ 选择算予的改进，提出了一种改进遗传算法( a g a ) ，并将它应用 于水库优化调度中。改变通常以水位变化序列为基础的遗传算法编码方案，通过 数组存储水障库窑状态，并以各库窑状态对应由譬数缀下标为綦础进行遗传算法编 码，通过实栩j ，表明a g a 对水瘴优化调度阔题具有嶷好的适应性，同时结台数 组存储理论的遗传算法编码方法简化了水库优化调度遗传算法的实现过程。 水电站水库优化调度作为项系统工程，一般总是触向未来时段的，因此往 往存在许多的不确定性因素，即模糊信息。恻鲡入库流蠢和出库流量。其中入库 流量既受环流形势和天气系统、地理位鬻和地形地貌等自然因素昀影响，又受人 类生产活动、预报人员分析水平和发布预报时的心理等社会因素的影响。所以， 得到的水库入库流量信息是其有模糊性的，即通常所说的“大雨”、“中雨”、“小 雨”或入库流燕“偏睾”、“编桔”、“正常”等都是模糊概念，没有瞬确翡夕 延。这种 模糊信息用普通优化调度方法难以处理。另夕 ，出库流量( 在优化调度方法中称 为决策变量) 客观上具有模糊性，也是受上述各因索影响产生的，不过，社会因 素大些。例如，菜综合利用水库以发电为主，在嘏麓和 汛麓的逡渡段中( 汛期 和非汛期是模糊概念) ，水库泄流量便受多方颥因素的影响。于是产生了用模凝 集理论为指导的模糊调度方法。模糊数学是1 9 6 5 年美豳控制沦专家z a d e h 创立 的。1 9 7 0 年r e b e l l m a n 和l a z a d e h 又共同提出了融经典动态规划技术与模 糊集合沦于一体豹模糊动态娥划法，为不确定性情况下的多阶羧决燕过程稳水库 优化调度开辟了一条新途径。1 9 8 4 年，张勇传，邴风山等f 4 9 】把模糊等价聚粪、 模糊映射和横糊决策等弓f 入水库优化调度的研究。1 9 8 8 年，陈守熳1 提出多目 标、多阶段模粝优选模型的基本原理和解法，把动态规翊和模糊优选有机结合起 来；同年，陈守煜、赵璜琪等【5 又提出了系统层次分丰斥模糊优选模型，这些研 究成果为水库模糊优化调度的深入研究奠定了理论蒸础。1 9 9 3 年，黄强1 5 2 ”】介 绍了模糊动态规划( f d p ) 原理，提出了在确定性入流条件下的水电站水库f d p 调 度模型及求勰方法，最后透过实例计葬褥到了满意的结果。它比s d p 法具有泫 算简便、占用计算机内存少、计髯速度快的优点。同年，李保明，李镊心降4 1 在 提出一种水电站水库优化调度准则的基础上，建立了考虑环境因素影响的水电站 水库模糊优化调度模型。实例研究表明，所建模墅是有效的、适用的。i 9 9 4 年， 王本德等提出了攒级水库群防洪系绕多目标洪水调度的模糊优选模型，熄八 级有调节能力的水库顺流向分为八个阶段，泄流过程为状态。调度方案出泄流设 第一章绪论 冬开启离度构成势定义为决策，对应藏蹬段不阉泄渡过程的褥萼亍方絮嶷为本除段 可行方案集，最后阶段的可行方案集为梯级7 k 库群的可行方案集，系统的阶段目 标德矩阵的阶段数，逐阶段增加，邂级传递下泄过程与记袋方案组合，计算鳗标 值，直至最后阶段，由阶段递推矩阵的合成。利用模糊优选原理与技术，实现方 案优选。该模型分别在丰满一岛山梯缀防洪系统和渊河一南城子一柴河串并联水 库消防洪系统的优化调度中得到应用。1 9 9 9 年，林焰等簪吣研究了蕊子模糊优选 的多目标遗传算法，是将遗传算法缝合模糊评判躺决多目标问题的种尝试。 2 0 0 1 年，农卫红 5 7 t 利蔫半缩构性决策系统模糊优选理论研究了青狮潭东露水资 源综合利用参目标规划问题，半结构性决策是指既商定量目标，又商难以量化的 定黩蘑标静多强拣决策。2 0 0 2 年，鳏避，搴承军潮j 在簧绞饶纯调整的蒸确上， 结合模糊数学理论，对三峡梯级优化调度的模糊求解方法进行了研究，很好的考 虑了灭痒径流、镣会鬟求等模颧信患，蠢考虑了撵缀逛站之润东帮电豹联系。鞴 年，沈军【5 9 】利用遗传算法研究了水资源模糊优化配霆模型，主要怒在适应废函 鼗瓣摇述审弓 入了凌悫变纯兹效益系数，黻既表示个对羧不溺熬嚣求，以达秘夔 时间而变的模糊效应，这种变化是利用遗传髀法解决非确定性规划问题的一种新 熬尝试。 随着水资源和水电的不断开发利用，水库群已成为最常见的水利水电系统。 隶瘁群垅豫调度星滋单一承痒健化援菠戆璎论巍方法爻基璇，惶瞧不凝毒撅懿方 法出现，我国在这方面的研究成果也比较丰富。研究开始于8 0 年代初，当时谭 维炎、划懿民等删在磅究靼川水电站求霹器优化调发墨襄计算方法时，撬蹬考 虑保证率约束的优化调度图的递推计算方法；1 9 8 1 年，张鹦传【6 i 】利用大系统分 鳃协谖的戏点，对鼹劳联水电站水库的联合优化调发阍题进行了研袋，先把两摩 联合问题变成两个水库的单库优化问磁，然厝在两水库单库最优策略的基础j = = 引 入偏伉损失最小作为尽标函数，对单库最优燕略进行协调，以求褪总体最优；1 9 8 2 年，熊新毅f 6 2 j 根据系统分祈思想，提出了以单库隧机优化调度圈为基确的承库 群优化调度的偏离损失系数判别法，采用马可夫模型描述径渡过程，偏离损失系 数怒遥遭逶时段求解最优邈推方程求得豹，因此能及殃面稻时段效蕊和余留期影 响，不仅形式简单，使用方便，而且理论上比较完替，该法在湖南糨溪风潍水 邀站永痒群戆最饶调度中褥戮了应髑；蔺年，许