（水利水电工程专业论文）跨流域引水水电站水库系统优化调度研究.pdf

摘要我国是水资源相对缺乏的国家之一，不仅水资源总量不足，而且在时间和空| h j 分布上也很不均匀。为此，水资源不仅需要在同一流域、同一地区进行调控，以弥补时间上的不平衡问题，而且，在不同流域不同地区之间也需要进行水资源合理的调度和优化分配，以充分利用水资源。随着我国跨流域调水工程的不断兴建，具有跨流域调水工程的水电站水库群也会越来越多，因此，对跨流域引水水电站水库系统优化调度问题进行研究，具有特殊的意义。本文首先介绍单一水电站水库以及水电站水库群优化调度的国内外研究进展，初步阐述跨流域水资源优化配置的方法。在研究跨流域引水水电站水库系统特性的基础上，根据系统分析的理论和方法，建立具有跨流域引水工程的水电站水库系统优化调度模型。依据大系统理论，对模型进行分层优化，并按照不同优化问题的特点，分别采用不同的系统优化方法：对第一层跨流域引水水电站水库系统年引水量的优化分配选择遗传算法；对第二层跨流域引水水电站水库系统水电站水库优化调度选择随机动态规划方法。同时，在分析研究跨流域引水水电站水库系统优化调度的基础上，本文还采用了面向对象的可视化编程工具v b ，编制了适应于具有跨流域引水工程的两水电站水库群优化调度程序，使程序具有良好的用户界面，方便使用。软件具有单一水电站水库优化调度和跨流域引水水电站水库系统优化调度两种功能。本文还以大岩坑牛头山跨流域引水水电站水库系统为例应用本文提出的模型和方法，进行了实例分析。结果表明，采用优化调度可以使系统综合发电效益增加1 0 以上，提高了水资源的利用率。关键词：跨流域引水水电站水库系统优化调度随机动态规划遗传算法v ba b s t r a e tt h eg r o s sa m o u n to fw a t e rr e s o u r c ei sd e f i c i e n ti no a rc o u n t r y , a n dt h es p a t i o t e m p o r a ld i s t r i b u t i o ni sd i s p r o p o r t i o ni na d d i t i o n f o rt h i sr e a s o n ，i ti sn e c e s s a r yt oa d o p tm e a s u r e st or e a l l o c a t et h ew a t e rr e s o u r c en o to n l yi na r e a ，b u ta l s oi nt i m e ，i no r d e rt ou t i l i z et h ew a t e rr e s o u r c ef u l l y a l o n gw i t ht h et r a n s b a s i nw a t e rd i v e r s i o np r o j e c tb e i n gc o n s t r u c t e di no u rc o u n t r y , i ti sv e r yi m p o r t a n tt oc a r r yo u to p t i m a lo p e r a t i o nr e s e a r c ho fh y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i rs y s t e mw i t ht r a n s b a s i nw a t e rd i v e r s i o n t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e st h ea d v a n c ei nh y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i rs y s t e mo p t i m a lo p e r a t i o ni nc h i n aa n da b r o a d t h ep a p e rd e a lw i t hc h a r a c t e r i s t i co fh y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i rs y s t e mw i t ht r a n s b a s i n - w a t e r - d i v e r s i o np r o j e c t ，a n dt h e n ，am o d e lf o ro p t i m a lo p e r a t i o no ft h es y s t e mi se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fl a r g es c a l es y s t e r n t h em c t h o dt os o l v et h i sm o d e li ss t u d i e d t h eg e n e t i ca l g o r i t h mi su s e df o ro p t i m i z a t i o no ft h ed i v e r s i o nw a t e rv o l u m e ，a n ds t o c h a s t i cd y n a m i cp r o g r a m m i n gi su s e df o rr e s e r v o i ro p t i m i z a t i o no f h y d r o p o w e rs t a t i o n s b e s i d e ，t h i sp a 口e ru s e sv bt od e v e l o ps o f t w a r ew h i c hc a nb eu s e di no p t i m i z a t i o no fr e s e r v o i ro p e r a t i o no ft h eh y d r o p o w e rs t a t i o n sw i t ht r a n s b a s i nw a t e rd i v e r s i o n g o o di n t e r f a c em a k e si tm o r ee a s yt ou s ea n ds p r e a d a t1 a s t ，t h i sp a p c r西v e sa ne x a m p l eo fd nt r a n s b a s i n - w a t e r - d i v e r s i o nh y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i rs y s t e m ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h es y s t e mo p e r a t i o no p t i m i z a t i o nc a r tb r i n ga l li n c r e a s eo f1 0 i ne l e c t r i ce n e r g y i ti si n d i c a t e dt h a ti ti sv e r ys i g n i f i c a n ta n dn e c e s s a r yt or e s e a r c ho p t i m a lo p e r a t i o no fh y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i rs y s t e mw i t ht r a n s b a s i nw a t e rd i v e r s i o np r o j e c t k e yw o r d ：t r a n s b a s i nw a t e rd i v e r s i o nh y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i rs y s t e mo p t i m a lo p e r a t i o ns t o c h a s t i cd y n a m i cp r o g r a m m i n gg e n e t i ca l g o r i t h mv b学位论文独创性声明：本人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，除了文中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。与我一同工作的同事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示了谢意。如不实，本人负全部责任。论文作者( 签名) ：垂垒多缈厂年亍月日学位论文使用授权说明河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。论文作者( 签名) ：，主热皇姗f 年午月日河海人学硕士论文第一章绪论1 1 本文研究的目的和意义我国是世界上水资源相对缺乏的国家之一，水资源形势十分严峻。洪、涝、旱灾害频繁发生，水资源供需失衡，水生态环境日盏恶化，成为制约社会经济发展的三大主要问题，这些问题将直接影响我国的社会经济发展。我国的水资源总量为2 8 1 0 0 亿m 3 ，根据1 9 9 7 年人口、耕地计算，人均水资源占有量只有2 2 0 0 m 3 ，仅相当于世界人均占有量的1 4 ，每公顷耕地平均水资源量2 8 5 0 0m 3 ，相当于世界水平的4 5 。预计到2 0 3 0 年我国人口达到1 6 亿峰值时，人均水资源占有量将下降为1 7 6 0 m 3 ，接近世界公认的缺水警戒线。我国水资源不仅总量不足，而且在时间和空间分布上也很不均匀。在时间分配上，是水资源年内分布不均，二是水资源总量年际变化大。其主要原因是降水量在时间分布上的不均衡性。就年内分布而言，南方各省汛期4 个月( 5月份8 月份) 降水量占全年总降水量的5 0 6 0 ；北方各省汛期( 6 月份9 月份) 降水量占全年的7 0 - - 8 0 ，造成河流丰、枯期相差悬殊。从年降水量分布来看，历年最大降水量和最小降水量比值以西北地区最大，可超过8 ，华北为4 6 ，东北为3 4 ，南方地区一般为2 3 ，这就给水资源开发利用增加了一定的难度，也是造成我国水早灾害频繁、农业生产不稳的原因。我国水资源空间分布不均的主要表现是：南方水多地少，北方水少地多。全国水资源有8 0 4 分布在长江流域及其以南地区，而该地区的人口占全国的5 3 5 ，耕地占3 5 2 ，g d p 占全国的5 4 8 ，人均水资源量3 4 8 0m 3 ，每公顷耕地平均水资源量6 4 5 0 0m 3 ，属于人多、地少、经济发达、水资源相对丰富的地区。而长江流域以北的广大地区，人口占全国的4 4 4 ，耕地占全国的5 9 2 ，g d p 占全国的4 3 4 ，水资源仅占全国的1 4 1 7 ，人均水资源量7 4 7m 3 ，每公顷耕地平均水资源7 6 0 5m 3 ，属于人多、地多、经济相对不发达、水资源短缺的地区。由于我国水资源时空分布不均，地区间的经济、社会和环境发展也很不均衡。为此，不仅需要在同一流域、同一地区对水资源进行调控，以弥补时问上第一章绪论的不平衡问题，而且，在不同流域不同地区之间也需要进行水资源合理调控和优化分配，以充分利用水资源。根据研究对象的不同，可将水资源优化分配问题的研究分为两种类型：一是主要以充分利用水量资源为目的，以生活、生产、生态用水等为研究对象，通过合理调配，使水资源在不同部门或不同地区产生的总体效益最大，即水量优化配置：二是主要以充分利用水能资源为目的，以水电站的发电用水为研究对象，通过合理调度，使水电站在一定的天然来水情况下综合发电效益撮大，即水电站的优化调度。水电站水库优化调度一般分单一水电站水库优化调度和水电站水库群优化调度两类，水库群优化调度又根据水库地理位置和水力联系的不同分为有水力联系的串联水电站水库群、无水力联系的并联水电站水库群以及既有串联水电站，又有并联水电站的混联水电站水库群三种优化调度问题。迄今为止，有关水电站水库优化调度问题的研究大多数是针对这几种水库群类型的。跨流域引水水电站水库系统是一种较为特殊的水电站水库群形式，水库群之间的联系不同于一般的并联或串联水电站水库群，其在地理位置的特征方面，与并联水库群相似，水电站水库位于不同的河流上；但是通过引水工程，水库间又存在着密切的水量联系，而这种联系与一般的串联水电站水库群之间的水力联系又是有所区别的：一般的串联水电站水库群之间的水力联系主要表现在梯级水电站问的水头、尾水位、发电流量、入库流量等的相互制约，上一级水电站的下泄流量成为下一级水电站水库的入库流量；而跨流域引水水电站水库系统之间没有上下游梯级水库之间的径流联系，其水力联系主要是通过引水渠道使各电站的径流条件建立联系，一般地，每一座水电站的入库流量不等于其上游天然来水，但各水电站的入库流量之和等于各水电站的上游天然来水流量之和。由此可见，跨流域引水水电站水库系统在物理模型和数学模型上均具有一定的独特性。跨流域引水水电站水库系统优化调度问题涉及不同流域地区间的水量分配和水电站水库优化调度两个方亟。对于地区间的水量分配问题，一般是以水量在不同地区间的分配达到平衡为研究内容，而对于本文研究的跨流域引水水电站水库系统优化调度问题仅以水量在不同水电站水库之间的分配为主要研究河海大学硕j ：论文内容，而地区间的水量平衡采用约束条件的形式加以考虑，即以引水量为对象，通过合理分配，使在引水条件下，水电站水库群的综合发电效益最大。随着我国跨流域调水工程的不断兴建，具有跨流域调水工程的水电站水库群也会越来越多，因此，对跨流域引水水电站水库系统的优化调度问题进行研究，具有特殊的意义。1 2 本文研究的内容对于跨流域引水水电站水库系统优化调度问题主要是研究确定引水量和各电站的调度方案，本文拟用系统工程的观点和系统分析的方法，研究确定最优引水量和各电站的优化调度方案，也就是要根据跨流域引水水电站水库系统的工程特性，建立水库系统优化调度数学模型，并采用适当的优化方法对模型进行求解，最后确定最优引水量和水电站水库最优调度方案。具体内容有：】、分析水库优化调度的国内外研究现状，初步阐述跨流域水资源优化配置的方法；2 、在研究跨流域引水水电站水库系统特性的基础上，建立具有跨流域引水工程的水电站水库系统优化调度模型；3 、利用遗传算法与随机动态规划方法对模型进行求解。在此过程中，对第一层跨流域引水水电站水库系统引水流量的优化，采用遗传算法；对第二层跨流域引水水电站水库系统水电站优化调度采用随机动态规划方法。4 、对所建的系统优化模型及其求解方法的实现途径进行初步探讨，分析研带 j s h 关的系统优化软件。5 、结合工程实例( 大岩坑水电站牛头山水电站) ，应用本文提出的系统优化模型及其求解方法进行案例分析，并对计算结果进行分析。第二章水电站水库优化调度研究进展第二章水电站水库优化调度研究进展2 。1 概述水电站水库调度是根据水库承担的水利水电任务的主次和规定的运用原则，凭借水库的调蓄能力，在保证大坝安全的酊提下，对水库的入库流量过程进行调节，确保大坝及下游防洪安全、多发电能、提高综合利用效益的一种控制运用水库技术”1 1 。根据水电站水库调度方案编制中采用的分析计算方法的不同，通常把水电站水库调度分为常规调度和优化调度两类”“1 。前者是建立在水能学径流调节理论基础上的时历法，即采用历史水文资料，选择典型来水过程为代表年进行水能调节计算，取其包络线绘制的水库调度图来指导水电站运行，原则上不考虑面临时段的径流预报。这种调度方法虽然简单清晰，保证率概念明确，处理水库运行中各类相关因素亦较直观明了，但是这样不能考虑多种水库水头和来水流量的组合，缺少灵活性，且往往不能保证水电站的效益达到最优化。水电站水库优化调度是综合运用现代控制论、运筹学、决策理论和系统工程等优化理论，以数学规划论为基础的调度算法，通过择优计算编制出的水电站水库优化调度图，由原来常规调度图只考虑二维坐标( 时间、库水位) 的调度线，扩展为三维坐标( 时间、库水位、入库流量) 的调度曲面，使水库调度决策的针对性、灵活性和实用性增加。由于优化调度方案编制中考虑了水电站各种来水与水位的组合，利用计算机比较了各种可供选择的决策判别组合方案( 多达数万种) 并进行优选，得出新编优化调度图，克服了常规调度法的重大缺陷，从而使水电站的经济效益得到显著提高“3 。优化调度的技术路线是建立以水库为中心的水利水电系统的目标函数，以及其应满足的约束条件，然后用最优化方法求解由目标函数和约束条件组成的系统方程组，使目标函数取得极值。因此，进行水库优化调度研究主要是要解决两个问题，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。按新编水库调度图和优化运行方式来安排水电站的发电出力不仅依据当时河海大学硕j 二论文的库水位，还考虑了面临时段径流的条件概率分布特点以及水库来水预报，使调度决策更贴近实际，并适应电力系统运行对水电站的电力、电量平衡需求，加上调度措施有力，就一定能挖掘水库潜力，获取最大的效益期望值；同时可提高运行可靠性和安全稳定性，改善水电生产和电网运行的能量指标。2 2 国内外研究现状2 2 1 单一水电站水库优化调度最早把优化概念引入单一水电站水库调度的是美国人m a s e s ( 1 9 4 6 ) 。我国开展单一水电站水库优化调度研究与应用是上世纪六十年代。在众多的优化方法中，动态规划是比较常用的一种方法。在1 9 6 3 年，谭维炎、黄守信等根据动态规划与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”3 。水电站水库优化调度动态规划模型的建立主要考虑：将水库调度过程抽象为一个多阶段的决策过程，根据每个时段初水库所处的状态做出相应的决策。而动态规划方法就是从庞大的状态和决策的组合中找出一个最优的决策组合，即一个最优策略( 调度方案) “。动态规划方法在单一水电站水库优化调度中的主要概念包括：( 1 ) 阶段：将水库调度图按月( 或者旬) 划分成n 个相互关联的阶段( 时段) ，以便求解，即阶段变量k = 1 , 2 n 。( 2 ) 状态：一个阶段的过程在开始时所面临的状况，称为这个阶段过程的状态。一个阶段的水库运行状态就是时段初的库水位和面临时段的径流量，状态变量完整地描绘系统在各阶段所有可能的状态，其必须满足无后效性的要求( 3 ) 决策：在阶段状态确定后，从该状态演变到下一阶段的某一状态的一种选择称为决策。一般的，采用面临时段的发电流量或者出力做为水电站水库优化调度的决策变量。( 4 ) 状态转移方程：作为在第k 阶段某状态下所作出决策的结果，过程由状态x “转移到状念x 。，描述这种变化关系的方程称为状态转移方程。它是联系阶段变量、状态变量和决策变量三者相互关联的方程式，单一水电站水库调度模型中的状态转移方程为：第一章水电站水库优化调度研究进展一，= k + ( q f 一q ；) a t式中：q 。水电站发电流量，m 3 s ；q f 。水电站入库流量，m s ；( 2 1 )k k 时段初水库蓄水量，m 3 ；t 时段长度。( j ) 目标函数或效益函数：由于水库进行了状态转移，伴随着产生了效益函数。如采用保证出力最大，或者发电量最大等。按逆序递推法，定义晟( f ) 为水库从时刻，。处于状态i 出发，未来各时段均采用最优决策运行时从f 。起至水库运行终止这一时期内所获得的最优效益。根据动态规划最优化原理得到递推公式。e 。( f ) = 。( _ ，q 。) a t + e 。( j ) ( 2 2 )式中：n 。( 圪，g ) 面临时段在时段初水库蓄水量k 和该时段发电流量幺时的出力；e 。( ) 未来时期( 从k + l 时段到第n 时段) 最优发电量；b ( f ) 从时段初水库蓄水位k 出发，从时段k 到时段1 1 的最优发电量；g 水电站发电引水流量，m 3 s ；k 时段初水库蓄水量，m 3 ；( 6 ) 约束条件：在求解水电站水库优化调度目标函数极大值的过程中，应根据工程具体情况，考虑必要的约束条件。通常考虑的约束条件主要有：发电流量约束：幺。幺s 幺。( 2 3 )出力约束：n k 。n k n 。( 2 4 )库容约束：km ms k 。( 2 5 )式中：一，k 。水库允许最小、最大蓄水量，m 3 ；g 仃m ，g 水电站允许最小、最大发电流量，m a s ；河海人学硕j 论文。，眠。水电站允许的最小、最大出力，k w 。在水电站优化调度中，水电站的运行策略一般用发电引用流量序列( q ，q ：，q 。) 来表示，而发电引用流量序列又可转换为水位变化序列( z ，z ：，z ) 。在实际利用动态规划来求解水电站经济运行策略时，先将水库的有效库容分为m 分，形成一张水库优化调度的线路图，然后在图中进行最优线路的搜索。图2 1 动态规划线路图总结起来，动态规划基本原理主要是：最优化决策序列，只要从当前的状态出发，使面临时段的效益和余留期的效益之和最大；最优决策序列只与当前的状态及目标有关，与过去的历史无关。由于动态规划是一个多阶段决策过程，其分析计算的工作量随着状态变量、决策变量的增加而增加，给求解问题带来了复杂性。所以为了避免出现“维数灾”的问题，使得动态规划算法能够更快地找到问题的最优解，研究人员根据不同的要求和水库的具体情况，提出了很多新的动态规划方法逐步优化法( p o a ) 、增量动态规划法( d d d p ) 、状态逐密动态规划、动态规划逐次逼近法( d p s a ) 。逐步优化法是1 9 7 5 年加拿大学者h r h o w s o n 和n g s a n c h o 提出的用于求解多状态动态规划问题的优化算法“。根据别尔蔓最优原理：“对于最优策略过程中的任一状态而言，无论其过去的状态和决策如何，其余下的诸决策必构成一个最优子策略。”，“”逐步优化算法将多阶段问题分解为多个两阶段问题，每次都只对多阶段决策中的两个阶段的决策进行优化调整，将上次优化结果作为下次优化的初始条件，如此逐时段进行，反复循环，直至收敛。此算法的主要优点就是算法本身收敛，能够获得总体的最优解。第二章水电站水库优化调度硎宄进展增量动态规划法是用逐次逼近的方法( 迭代法) 寻优，每次寻优只在某个状态序列附近的小范围内用动态规划进行计算。一般根据经验和分析判断或者用其它的方法定出一条尽可能接近最优的决策序列，并可求得相应于该初始决策序列的初始状态序列。在该初始状态序列的上下变动一个小范围，这个变动范围成为增量，选增量形成廊道，在廊道范围内用常规的动态规划法寻优，反复迭代直至收敛”“。1 9 8 3 年，鲁子林等应用增量动态规划，并结合短期洪水预报模型，实现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k w h 的效益“。状态逐密动态规划是在状态空间内选以较低的精度要求，取较少的状态数目，在较稀的网格内选优，选出后再在该精度较低的优化状态上一定范围内，加密状态以提高精度再一次选优，这样逐步加密状态，多次选优，直到精度满足要求”“。动态规划逐次逼近法的基本思想是把带有若干决策变量的问题分解成仅仅带有一个决策变量的若干个子问题，每个子问题比原来的总问题具有较少的状态变量。从而节省计算工作量，便于计算机求解。在决策变量和状态变量相等的情况下，每个子问题只有1 个状态变量“。在实际的水电站水库调度问题中，有许多影响调度决策的因素( 例如入库流量) 常常伴有随机性，为使数学模型更加接近实际问题的真实情况，需要用随机模型来处理。吴爱华、周建中等人在隔河岩水库优化调度中，提出把水库天然入库径流作为独立随机序列来描述。将时间分成若干时段，并认为各时段的径流相互独立“3 。以水电站发电效益期望值之和达到最大为目标函数，其递推方程为：删2 端悸弓( d k ( f ) h ( ) + g 一廿汜6 )式中，b ( 以( ! ) ) k 时段初水库处于状态i 采用决策d 。( i ) 后在时段末处于状态j 的概率；d 为决策空间；r ，j ( d 。( 啪本时段采用d 。( i ) 决策后所获得的本时段效益；g 。( i ，) 未来时期( t 。至终止时期) 的期望效益。蛳海人学硕士论文逆向递推时，先计算第n 时段( f 。，f 。) ，对f 。时刻水库的不同状态i ，按式( 2 6 ) 分别算出最优决策d 。( i ) 及期望总效益g ，( f ) 。d ( i ) 就是第n 时段的优化调度线，g 。( i ) 为递推线，在计算第n 一1 时段时要用到它。但在计算第n 时段时，g 。( i ) 的值需要假定。此外，董子敖、闰建生等在研究刘家峡水电站水库优化调度时，提出了国民经济效益最大的目标函数，在寻优技术方面，采用满足保证率要求的改变约束法，以控制破坏程度”。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，以多目标中的个目标为基本目标，将其它非基本目标作为状态变量处理，求解方法还是按照一般的动态规划方法。它实际上是单目标的动态规划在多目标问题中的应用3 。龙子泉、卓四清根据湖北省某水库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nlp 模型，并采用多变量直接搜索法复形法( b o x c o m p l e xm e t h o l d ) 求解该模型。”。模糊数学的理论与方法也在水库优化调度中得到了广泛的应用。1 9 8 8 年陈守煜提出多目标、多阶段模糊优化模型的基本理论和解法，把动态规划和模糊优选有机结合起来，建立了新的水库调度的优化方法。”。遗传算法在实现水库优化调度中，是以水库调度一个周期内的发电流量序列为决策变量，建立数学模型和约束条件，通过目标函数评价其优劣，评价值低的被抛弃，只有评价值高的有机会将其特征遗传至下一轮解，根据选定的遗传概率，经过选择、交叉、变异产生第二代，再次进行评价，反复进行上述遗传计算，直到满足评价标准，得到最优解。2 2 2 水库群的优化调度聚合分解法和合成水库法是水库群优化调度中常用的方法。聚合分解法的基本思想是将所研究水库群中全部p 座水库化为一座原有水库与一座聚合成的虚拟水库，通过求解p ( 或p 1 ) 个两库系统，而求得原问题的近似解。也就是把原来p 库p 个状态变量问题转化为求解p ( 或p 1 ) 个两库两状态变量问题。这样就可以用各种方法进行求解“。合成水库法在优化过程中，把分布在许多第一二章水电站水库优化调度研究进展河流上的水库和水电站群全部聚合成一座虚拟的等价水库和水电站模型”“。用动态规划方法解决水库群优化调度的基本思想是：先对第一库优化，这时把第二库至第p 库固定；然后对第二库优化，这时第一库( 采用优化结果)和第三库至第p 库固定；这样继续对第三库至第p 库进行依次优化。完成一个循环，再进行第二循环优化。反复进行，直到两次循环所得结果满足精度要求为止。应用动态规划逐次逼近法求解水库群优化调度时，若水库群为并联则可用上述方法直接求解，若为串联则宜从上游第一库开始逐个向下游顺序优化：若为混联水库群，则先从调节能力差、库容小的梯级开始，逐条河流逐个水库进行优化”。2 ”“1 。曾军干、熊信艮在锦江梯级电站优化调度中以动态规划原理来解决梯级水库调度问题，把梯级各水库的蓄水量( 或水位) 作为状态，时段径流量为参量，出力作为决策变量。应用动态规划法使多维函数求极值的问题，化简为多个求解一维极值的问题。“。梯级电站中最上一级电站具有长期调节性能的水库，而其它各级均为径流式电站，根据动态规划最优化原理，可以建立满足目标函数以及约束条件要求的递推方程：厂b ( f ) = m a x le p 。( f ) + ”e l ( 圳( 2 7 )l，j式中，e 。( i ) 表示k 时段初状态为i 时的梯级水电站效益之和。e p 。( f ) 表示k 时段初状态为i 的梯级水电站当前效益之和。e ，( ，) 表示梯级水电站未来效益之和。假设第一级至第m s 一1 级水电站之间的区间面积很小，区间流量可以忽略不计，因此在计算中将水头取为前m s l 级水电站水头总和，能效系数取为前m s l级水电站出力系数加权平均值。但是，第1 i l s i 级至第m s 水电站之间的区间面积较大，区间流量不能忽略不计，则引入各梯级水电站的时段入流为同步的假定，将梯级水电站作为一个水电站处理。孙新德采用马尔可夫过程来描述径流，同时考虑时间相关和空间相关，以充分利用来水信息，同时提出联合补偿优化调度思想，即首先对“小”水库进行单一水库优化调度，以发电量最大为目标；然后“大”库对其进行总体补偿7 日海夫学硕士论文优化调度，以满足联合保证出力和联合发电保证率，同时将综合利用要求作为约束条件，以发电保证率、保证出力以及最小出力要求用罚因子方法来保证。另外，他还提出了联合补偿优化调度的思想，运用马尔可夫决策规划，在状态选择的同时，考虑时间相关与空间相关年内逆推动态规划法和年间逐次逼近法，结合时段内廊道法寻优的思想求解”。任德记、陈详波根据黄河干流调节性能较好的龙羊峡、刘家峡水库预报调度规律，采用隐随机优化调度方法，即从水库调度过程无限时间系列中截耿一段有限时间系列，运用确定性优化方法确定出最优调度过程样本，然后对该样本进行统计分析，运用完全多项式和广义线性多项式优化出最优决策规律，从而制定优化调度策略指导水库运行”。刘鑫卿、钟琦在进行发电水库群优化调度中，采用随机统计迭代算法，通过计算最优余留效益函数，从而得出最优调度规则函数，其最优性与随机动态规划方法相同。为保证迭代的绝对收敛，陈森林等提出了定界迭代法求解水库调度方程组o “。1 9 8 2 年，熊斯毅、邴风山根据系统分析的方法，提出水库群优化调度的偏离损失系数法。该法采用马尔可夫模型描述径流过程，偏离损失系数是通过逐时段求解最优递推方程求得的，因此能反映面临时段效益和余留期影响“”。1 9 8 6 年，董子敖等人提出了计入径流时空相关关系的多目标多层次优化方法，其基本思想为：采用分区推求条件频率曲线和隐相关相结合的方法计入径流的时空相关关系。把一维动态规划逐步逼近法用于二维状态，并采用参数迭代法实现降维求单目标最优解，以克服维数灾的障碍o ”第二级( 上级)第一级( 下级)图2 2 分解涛调示意图。大系统分解概念最早是由d a n t z i g 和w o l f e ( 1 9 6 0 年) 在处理大型线性规划问题时提出的。上世纪七十年代初，m e s a r o v i c 提出了大系统递阶控制理论，其第二章水也站水库优化调度研究进展基本思路是将复杂的大系统分解为若干个简单的子系统，以实现子系统局部最优化”0 3 。大系统理论所要研究的就是，按照整个系统的最优指标与各子系统之阳j 的关系，最优地分配各子系统的指标，并以此控制各子系统，使整个系统达到最优化。“分解一协调”算法是大系统设计和优化中一种很自然也是很有效的方法，其中最常用的两级结构( 如图2 - 2 ) 所示。第一级是下级子系统，解决各子问题的优化；第二级是上级协调器，解决各予系统的相互耦合，实现大系统的优化。刘鑫卿、钟琦在黄河干流水库联合调度中，在探讨了调度目标选取、流达时间考虑、多年调节水库调度特点等有关问题的基础上，建立了水库优化调度的多目标多模型系统；应用大系统分解协调原理，提出了目标、模型组合问题及相应的分解协调算法。也可对各水库选不同的目标。此方法在进行水库优化调度中充分发挥了各水库作用，体现其担负的主要任务，并寻求到了联合调度的满意运行策略。黄益芬提出在求解并联水库群优化调度问题时，采用系统分析方法论，提出了偏优损失系数法。将水库群视为一大系统，其中各水库视为既相互独立又相互制约的子系统。整个系统的优化分为两步来完成：首先将系统进行分解，对各子系统进行优化，然后在子系统优化的基础上，在子系统间建立某种联系，按照总的要求进行协调，最后求得系统最优解o 。1 9 8 8 年，胡振鹏、冯尚友提出了动态大系统多目标递阶分析的分解一聚合方法，将水库群多年运行的整体优化问题分解为按时间划分的一系列运行子系统，在各个子系统优化的基础上，将各水库提供的年运行策略集合到上一系统，并由聚合模型描述和确定水库群的多年运行过程和策略，该方法为解决跨流域供水水库群联合运行中多水库、多目标、多层次、调节周期长和计算时段多等复杂的问题提供了有效方法o ”。涮海大学硕士论文第三章跨流域引水水电站水库系统优化调度模型跨流域引水水电站水库系统的优化调度问题涉及水量优化分配和水电站水库优化调度两个方面，它是一个复杂的系统。本文采用系统分析的方法对问题进行分析和建模，同时，采用大系统理论对模型进行分层优化。3 1 跨流域引水水电站水库群特性跨流域引水水电站水库群不同于通常所讲的并联水电站水库群。一般的并联水库群不存在直接的水力联系。而跨流域引水水电站水库群之问通过引水工程，建立了水力联系，改变了运行条件和状态，在总体调度中，主要考虑水量在不同流域的水电站水库之间的再次分配，重新计算入库流量，由此影响各个水电站的水库调度。跨流域引水水电站水库群之间的水力联系又区别于一般的串联水电站水库群：一般的串联水库群之间的水力联系主要表现在梯级水电站间的水头、尾水位、发电流量、入库流量等的相互制约，上一级水电站水库的下泄流量成为下一级水电站水库的入库流量。而跨流域引水水电站水库群之间的水力联系主要通过建立引水堰、引水渠道( 或管道) 等工程措施，进行各个水电站之间的天然来水量的再次分配，使各个水电站的入库流量发生变化，从而改变各水电站的原有的运行方案。参见图3 1 。b并联水库群串联水库群跨流域引水水库群幽3 - 1水库群示意图第兰章跨流域引水水电站水库系统优化调度模型由此可见，跨流域引水水电站水库群是一种特殊的水库群类型。它具有这样的特性：地理位置上，其水库群位于不同的河流上；其水库群之间通过引水措施建立水力联系，进行天然来水在水库群之间的二次分配。3 2 优化调度数学模型近年柬，对跨流域引水工程运行优化问题的研究主要是根据不同流域内的用水要求，用水优先性，以及单位用水量产值等的差异，进行水量在不同流域之间的分配，以达到最优或次优。所以在模型建立上主要考虑将各流域内的效益之和作为优化目标，将各流域的水量分配作为决策，考虑各流域之间以及各用水部门之间的用水要求的差异等因素，建立相应的约束条件。本文要研究的跨流域引水水电站水库群优化调度与上面所述的优化问题有所不同。根据跨流域引水水电站水库群的工程特性，不难看出优化的目标是寻求两个结果：一是水电站之间引水量的优化分配方案：二是基于水量的再次分配，寻求各水电站的水库优化调度方案。由此，可根据系统分析的理论和方法以及大系统理论，对跨流域水电站水库群优化调度问题进行分析，建立优化模型。模型结构如图3 2 所示。图3 _ 2 跨流域引水水电站水库系统优化调度模型结构这里将跨流域引水水电站群视为一个大系统，而每一个水电站又是这个系统中的子系统，予系统之间的联系通过跨流域引水量建立。该模型包含了两个层次的优化问题：一是对各水电站间引水水量进行优化配置，即根据引水工程上游天然来水量，咀及各电站的工程特性，优化确定合理的引水量，以达到系河海大学钡j 一论文统整体的综合发电效益虽优；二是基于第一层次的引水方案，确定各水电站水库优化调度方案。综上所述，对跨流域引水水电站水库系统优化调度，可建立以下的以水电站群综合发电效益最大为目标的数学模型。目标函数：e = ( 。q t n ，瓯，) a t( 3 1 )约束条件：1 、弓1 水量约束：考虑引水堰址下游基本的生活、生产、生态用水以及引水工程规模大小的影响，第一层优化的决策变量，即引水流量正，应满足以下约束条件：1 ) 、当引水堰址上游天然来水量小于下游最低用水标准q x 。，。时，不允许引水：9 女- 0q “董缈m n( 3 2 )l q y t 9 i q x 删。q t t q x 。2 ) 、任何时刻，跨流域引水流量都不能超过引水工程的最大引水能力 一：皓髓苏警：。，2 、库容约束：巧。巧，。( 3 4 )3 、发电流量约束：9 。兰级sq 。( 3 5 )4 、出力约束：7 ms n * n ，。( 3 6 )5 、总流量约束：9 。= q 。( 3 7 )式中：l l 水库群中水库数目；l 2 流域个数；n 计算时段总数；9 。第k 时段的引水量，m a s ；第三章跨流域引水水电站水库系统优化调度模型9 。1 水库第k 时段的入库流量，m 3 s ；q 。1 水库第k 时段的发电流量，m 3 s ；q 1 河流第k 时段坝址断面的天然来水流量，i i l 3 $ ；l 水库第k 时段初的蓄水量，m 3 ：j 。1 电站第k 时段的出力，它是水电站发电流量和水头的函数，k w_ ，k 一1 水库允许最小、最大蓄水量，m 3 ；q ，q 。l 水电站允许最小、最大发电流量，m 3 s ；m 一，。1 水电站允许的最小、最大出力，k w ；at 计算时段长度。3 3 优化调度模型分析跨流域引水水电站水库优化调度问题涉及不同流域地区间的水量分配和水电站水库优化调度两个方面。根据大系统理论，在建立数学模型中，考虑将模型分为两个层次：第一层是水量优化分配模型，第二层是水电站水库优化调度模型。水电站水库群优化调度的研究以引水量作为调节对象，以整个跨流域水电站水库系统的综合效益最大为目标。其优化计算线路见图3 3 。这两个层次的优化并不是独立进行的，它们之间相互制约，相互影响，存在着紧密的联系。3 3 1 引水量优化分析引水量是跨流域引水水电站水库系统优化调度模型中第一层次的决策变量，也是系统优化的协调要素，关系到下一层次水电站水库优化调度方案的制定。通常，地区间水量分配是以水量在不同地区间的分配达到平衡为研究内容，而对于本文研究的跨流域引水水电站水库优化调度问题，水量分配仅以水量在不同水电站水库之间的分配为主要研究内容，而地区间的水量平衡采用约束条件的形式加以考虑，这样就使模型简化。优化模型的目标是水电站群的综合发电效益最大，是以充分利用水能资源为目的，所以地区间水量的分配也是为充河海大学硕j j 论立分利用这部分水量的水能资源。在确定优化引水量时，采用年引水量作为决策变量，水电站群多年平均年发电量作为目标函数：e = m a x e ，( )( 3 8 )i = 1约束条件：跏 q 忉。、式中：e ，1 水电站多年平均年发电量，k w h ；q ”年引水量，m 3 ；q h 。引水工程年最大引水量限制，m 3 。i 第一层拟定m 组初始引水流量序列，乡二二引水量优化，、l计算各个水电站水库的入库流量i，j 录圣地仟引i 确定各个水电站水库优化调度方案jl、-江计算水电站水库系统综合发电效益i9 f f - - - f 昙i 水电站水库优1 j，7 + 真否满直、否 最优引水方案，最优水电站运行方案图3 - 3 优化计算线路图第二章跨流域0 l 水水电站水库系统优化调度模型当年引水量给定以后，各月平均引水量可按照一定的比例进行分配。在本模型中，选取引水堰上游天然来水的月平均流量之比作为各月引水量的分配比例：勿。： ? l( 3 9 )q t 。k = l式中： 。k 时段的引水量，m 3 ；q f 。引水堰址上游k 时段的平均天然来水流量，m 3 s ；需要说明的是，本文之所以采用年引水量做为决策变量是因为在实际工程的运行操作中一般是以年内引水总量作为主要控制对象，二是因为如果采用月平均引水量最为决策变量，即使年引水量相同，月和月之间的流量组合就有很多种，这给运算带来了复杂性。综合起来，本文采用简化了的方法，即以年引水量作为决策变量，并按一定比例分配到各月。3 3 2 水电站水库优化调度分析径流资料是水电站水库优化调度的基本依据，根据对径流资料的描述和处理方法的不同，可将水电站水库优化调度分为两种类型，一种是确定型优化调度，一种是随机型优化调度。前者主要是把水电站水库径流过程看作是确定的和已知的，这类优化调度需要有可靠的径流资料及较准确的径流预报体系。但限于目前科技水平，准确的长期径流预报资料很难获得。随机型优化调度，则是把径流过程作为随机过程来处理，对水电站水库优化调度进行求解，这类优化调度可以充分考虑各种来水情况，使优化结果更加合理。采用随机型优化调度时，通常以水电站的期望发电量最大作为优化调度模型的目标函数。对于随机型优化调度，根据随机动态规划的方法，通常将时间分成若干时段，将入库流l q r , 作为独立随机序列来描述，并认为各时段的径流相互独立。以迓时段径流资料为基础，计算各月多年平均径流量，以及c v ，c s c v 统计参数，采用p i i i 型分布，从而得到了代表各时段径流“全过程”统计分布的1 2条频率曲线。河海大学硕 ：论文在此基础上，状态变量为当前时刻的库水位及水库入库流量，决策变量为水电站出力。将年作为一个调度周期，以1 2 个月为计算时段，可建立第二层次水电站水库优化调度的优化模型：一( 扣熘陋( e ，) t + e ( e ，) “j= m n l a x c d 等弓c 。c 功kc ；c 们+ e 。c ， )1 式中：e ( e ，) 。面临时段k 的期望效益值；e ( e ，) 。未来时期的期望效益值；p ，j ( n 。( f ) ) k 时段初水库处于状态i 采用决策出力n + ( f ) 后在时段末处于状态j 的概率；d 为决策空间：0 ( m ( f ) ) 本时段采用机( f ) 决策出力后所获得的时段效益；最( f ) 水库从时刻f 。处于状态i 出发，未来各时段均采用最优决策运行时，从t 。起至水库运行终止这一时期内所获得的最优期望效益。水电站优化运行方案的制定主要取决于面临时段水库所处的状态，即库水位和入库流量。在跨流域引水水电站水库系统优化调度模型中，由于存在引水量的分配，使得每一座水电站的入库流量不等于其上游天然来水，但各水电站的入库流量之和等于各水电站所在河流上游天然来水流量之和。实际上，各水库的入库流量受到上一层次中引水量的影响。所以对入库流量的描述就有所不同。对引水水电站水库，入库流量为：g n = q t + 女( 3 1 1 )对被引水水电站水库，入库流量为：q r , = q t t q y ( 3 1 2 )钞必须满足引水量约束条件( 3 2 ) 和( 3 3 ) 。根据式( 3 1 1 ) 和( 3 1 2 ) 重新计算入库流量之后，仍可按照前面所述方法对其进行随机性分析。锦州章优化模型求解方法第四章优化模型求解方法4 1 概述在确定跨流域水库调水的引水方案时，工程实践中通常采用有限方案比较法。基本思路是：在初步分析