（水文学及水资源专业论文）遗传算法在水电站群经济运行中的应用.pdf

河海人学颤r 论文 摘要 随着社会经济的发展和人民生活水平的提高，对电力的需求量急剧增加，凸现出 电力供需矛盾。水库优化调度作为一种增加发电量的非工程措施，越来越受到重视。 本文就水席群发电优化调度模型及其算法展丌研究。 提出针刘单库和库群发电优化模型的改进遗传算法，其根据发电优化模型自身特 点，针对初始种群生成方式、选择算予、变异算子各设计了两种模式，3 种算子的不同 模式相互组合，生成自身的模型库，通过优化计算搜寻适合单库和库群发电优化的遗 传算法模型。将初始、期术水位约束运用于编码方式和遗传算子的设计中，简化了算 法设计。库群编码中没i | 源汇关系编码方式。 提出评价遗传算法性能的4 种指标：离线性、寻优值、距平值和及计算时间，并 研究发电遗传算法的参数对算法性能的影响，在此基础上建立参数优化遗传算法模型。 通过模型求解最优的参数组合，采用最优参数组合对金溪流域的池潭水电站及梯级水 库分别进行了不一水位精度下单库遗传算法计算和库群遗传算法计算，得到较好的结 果。 关键词：水电站群、优化调度、经济运行、遗传算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i a le c o n o m i ca n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n g s t a n d a r d s ，e l e c t r i cp o w e rd e m a n d sa r ei n c r e a s i n ga n dt h ec o n f l i c tb e t w e e ne l e c t r i cp o w e r s u p p l ya n dd e m a n db e c o m e sm o r ea c u t e a san o n - e n g i n e e r i n gm e a s u r et h a tc a ng e n e r a t e e x t r ae l e c t r i c a le n e r g y ，o p t i m a lo p e r a t i o no fr e s e r v o i ri s b e i n gc o n c e r n e dm o r ew i d e l y ， o p t i m a lo p e r a t i o nm o d e la n da l g o r i t h mf o rh y d r o p o w e rs t a t i o no fm u l t i - r e s e r v o i rw a s a n a l y z e di nt h ed i s s e r t a t i o n i tp r o p o s e di m p r o v e dg e n e t i ca l g o r i t h ma i m e da to p t i m a lo p e r a t i o nm o d e lo f r e s e r v o i ra n d m u l t i r e s e r v o i r a c c o r d i n gt oi n i t i a lp o p u l a t i o np r o d u c i n gm e t h o d ，s e l e c to p e r a t o r ，v a r i a t i o n o p e r a t o r ，a n dt w ok i n d so fm o d e sw e r ed e s i g n e db a s e do nt h em o d e ls e l f - c h a r a c t e r i s t i c d i f f e r e n tm o d e so ft h r e eo p e r a t o r sc o m b i n e dw i t he a c ho t h e ra n db u i l ts e l fm o d e lb a s e t h r o u g ho p t i m a lc a l c u l a t i o n ，i ts e a r c h e df o rg e n e t i ca l g o r i t h mm o d e la d a p t e dt oo p t i m a l b y d r o p o w e rs t a t i o no fr e s e r v o i ra n dm u l t i r e s e r v o i r i n i t i a ls t a g ec o n s t r a i n ta n dt e r me n d s t a g ec o n s t r a i n tw e r ea p p l i e dt oc o d ea n dd e s i g no fg e n e t i co p e r a t o r ，w h i c hs i m p l i f i e dt h e a l g o r i t h md e s i g n r e l a t i o n s h i pc o d i n gm o d ew a sd e s i g n e di nt h em u h i r e s e r v o i rc o d i n g i tp r o p o s e df o u ri n d e x e st oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c eo fg e n e t i ca l g o r i t h m ，i n c l u d i n g o f t - l i n e a r ，o p t i m a lv a l u e ，a n da n o m a l yv a l u ea n dc a l c u l a t i o nt i m e ，i t a l s or e s e a r c h e dt h e i m p r e s s i o no fp a r a m e t e ro nt h ep e r f o m a a n c eo fg e n e t i ca l g o r i t h m ，w h i c hw a st h et b u n d a t i o n o fb u i l d i n gp a r a m e t e ro p t i m i z a t i o ng e n e t i ca l g o r i t t u n t h eo p t i m a lp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n w a ss o l v e db ye m p l o y i n gm o d e l ，w h i c hw a sa d o p t e dt oc a l c u l a t er e s e r v o i rg e n e t i ca l g o r i t h m a n dm u l t i r e s e r v o i rg e n e t i ca l g o r i t h ms e p a r a t e l yu n d e rt h ed i f f e r e n tw a t e rl e v e la c c u r a c yf o r c h i t a nh y d r a u l i cp o w e rs t a t i o n ta n ds t e p r e s e r v o i ri nj i n x ir i v e rb a s i n ，a n dr e c e i v e dab e t t e r r e s u l t k e yw o r d s ：a l g o r i t h m m u l t i h y d r o p o w e r - s t a t i o n 、o p t i m a lo p e r a t i o n 、e c o n o m i c a lo p e r a t i o n 、 g e n e t i ca l g o r i t h m 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 中不包含其它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) ：塑蒸7 年i 月尼1 3 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、缩印或其它复制手段保存论文。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) ：丕丞望乃矽年钥尼e t 第一帝绪论 1 1 问题提出 第1 章绪论 改革开放以来，我国的国民经济取得了举世瞩目的成就，无论是综合国力，还是 人民的生活水平，都有了很大程度的改善。但作为经济发展和人民生活最基本保障的 电力行业，却一度出现了电力供应紧张的矛盾，各地拉电限电的现象非常严重，这也 严重影响到了我国的社会主义现代化进程。 水能资源作为一种洁净的、可再生的资源，拥有着其他能源所不具备的优点，水 电站除具有发电效益外，同时还有或兼有防洪、灌溉航运、养殖等综合经济效益和社 会效益“1 。如何利用好水能资源、发挥其优势一时b j 成为了社会关注的热点。优先发 展水电事业、加大水电投资比重逐渐成为了我国加快电力现代化建设速度的首要任务。 我国幅员辽阔，河流众多，总长度达4 2 万多公里，流域面积在1 0 0 平方公里以上的 河流就有5 0 0 0 多条；水能蕴藏量极为丰富，仅河川水能资源，估算为6 7 6 亿k w ， 水电站装机容量可达3 7 8 5 2 力千瓦，居世界首位。至2 0 0 4 年底，全国水电装机容量已 达到1 0 8 亿千瓦，占全国发电总装机2 4 6 ，其中，单机在1 5 万千瓦以上的大机组 占7 0 。根据国家法改委能源局的规划，到2 0 2 0 年我国可再生能源在一次能源消费 能源结构中的比重将由目前的7 左右提高到1 5 ，其中作为重要清洁能源的水电将达 到总装机容量2 4 6 亿千瓦，占总装机的2 5 9 0 6 。 作为水能资源开发的主要工程建设项目，水电站水库在治理流域洪涝灾害和创造 经济效益方面都有着不可替代的作用，其一次性投入高、后期投入小和经济效益持久 的特点受到了大多数地区的青睐，其对区域地区经济的影响程度也日渐增大，特别是 对那些水电开发程度高的地区，水电站利用的好坏程度也直接影响着整个地区的经济 发展状况。因此，随着科学技术的不断发展，越来越多的国内外水利专家开始关注着 水电站群经济优化调度的研究。 水库调度是指根据水库所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 。实行水电站水库的优化调度，可提高水电站及电力系统的经济管 理水平，几乎在不增加任何其他投资的条件下，便可获得显著的经济效益，所以是挖 掘水电站潜力的有效手段。欧、美、前苏联等国的调度资料表明：长期经济运行可增 # 海人学硕i ：论文 加发电量2 o 5 5 ；短期经济运行可增加发电量1 5 5 o ；厂内经济运行可节 省燃料费0 5 3 o 。1 。在水库群调度中通过对各水库进行水文补偿和库容补偿调 节，可在单库的基础上增加额外的效益少则2 o 3 0 ，多则7 0 8 0 甚至1 0 0 以 上。 因此，开展水电站水库优化调度研究，提高水库控制运用水平，具有重要的研究 意义和实用价值。 1 2 国内外研究进展 1 2 1水库调度研究进展 水库调度，办称为水库控制应用“1 ，其研究经历了从常规调度到优化调度再到资 源决策支持系统“1 d s s ( d e c i s i o ns u p p o r ts y s t e m ) 三个阶段。 1 常规调度 常规调度是一种传统的调度方法，根据水库的开发和调度准则制定出调度曲线， 按一定的调节方法计算水库任一时刻的水位并表示成运行方式的函数。即以基本调度 线体现水电站的保证运行方式；以加大出力线体现多余水量的利用方式；以降低出力 线体现水量不足时的运行方式；以防洪调度线体现洪水调度方式。调度图调度具有简 单直观和一定可靠性的优点，但是，由于调度图带有定的经验性，因而调度结果一 般只是可行解而不是最优解。其次，由于调度图的绘制，往往不考虑短期或中长期预 报，或者即使按某些判别式进行调度，又考虑本时段的预报来水量，所得结果也只是 局部最优解而非全周期最优解。 2 优化调度 上世纪5 0 年代以来，由于现代应用数学、径流调节理论、电子计算机及其实时控 制技术的迅速发展，使得以最大经济效果为目标的水库优化调度理论得到了飞速发展， 特别以水电站和电力系统经济运行为目标的水库优化调度闩益完善，并在实际运用中 取得了初步效果”1 。经过几十年的研究与发展，水库( 群) 优化调度形成了出单库向 多库、单目标向多目标、确定性向随机性发展的趋势。 ( 1 )单库向库群 最早是由美国入 , t a a s s 于1 9 4 6 年将优化的概念引入水库优化调度。，李特尔1 9 5 5 年采用马氏过程原理建立水库调度随机动态规划模型是水库优化调度开创性的研究成 第章绪论 果。1 9 6 0 年h o w a r d “动态规划马尔柯夫过程一书的发表为马氏决策规划模型奠定 了基础。上世纪7 0 年代初期，国外陆续发表的研究成果表明单水库优化调度的马氏决 策规划模型已同趋完善。我国开展单一水库优化调度的研究与应用始于上世纪6 0 年 代。1 9 6 0 年由当时的中国科学院和水科院联合编译出版了运筹学在水文水利计算中 的应用一书。7 0 年代末到8 0 年代中期，单库优化调度的理论研究和实际应用取得 了较大的进展， 随着水资源和水电能源的不断开发利用，水库群已成为最常见的水利水电系统。 库群般分为串联、并联和混联三种形式。国外关于水库群优化调度的研究大约在上 世纪6 0 年代未起步，我国则开始于8 0 年代初。随着国民经济的发展，许多地区和 单位相应开展了水电站水库群补偿调节的研究，如“柘溪水电站水库优化调度”、“四 川电力系统水电站群水库优化调度”、“刘、赫、八、青梯级水电站水库优化调度”、“枫 树坝水电站水库优化调度”、“上犹江水电站水库优化调度”“、丹江口水库综合利用 优化调度”。研究证明通过库群优化调度不但可以提高全水库群的水量利用效益，而且 可以提高水头利用效益和供电质量，因此水库群电站的联合优化调度问题嘲1 倍受重视， 成为当自口研究的热点。 ( 2 ) 单目标向多目标 单目标反映最优准则的目标函数只有一个，通常将经济目标作为优化调度的目标， 如以净效益最大或其经济指标( 如益本比、内部回收率等) 作为衡量方案优劣的标准。 单目标规划是以往水资源优化规划中长期沿用的方法，是一种常用的评价规划方案的 基本方法。 随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，作为水库不仅是其到单一的作用， 而是综合利用开发。综合利用水库服务目标很多，如发电、防洪、灌溉、供水、环保 和旅游等。这样对水库优化调度的研究就不能再是单目标优化，而应该是各种目标同 时考虑的多目标优化问题。多目标优化是一个十分复杂的问题，其中各目标往往不能 采用同一的度量单位，各目标之间往往存在彼此矛盾、相互竞争的关系，有些目标甚 至还不能定量。因此建立水库优化调度模型时，多目标决策将反映优化调度方案的多 种准则。多目标规划是近年来许多学者致力的一种理论上更严谨的决策方法。1 9 8 8 年， 张玉新、冯尚友”1 运用逐步最优化原理，提出一种求解多目标动态规划方法的迭代算 法，为解决多维、多目标动态规划问题的维数障碍提供了途径。1 9 9 4 年胡铁松、万永 * 口海人学顾i 论文 华睇3 等以多目标决策的权重法为基础，将多目标决策和专家系统结合在一起，提出了 一种基于知识的交互式多目标动态规划决策方法，该方法利用权重将多目标规划问题 转换为单目标规划问题求解，通过知识库中的产生式规则，经模糊推理实现权重的修 正，有效克服了让决策者直接给出最佳权重向量的困难。同时节省了大量的内存和机 时。 ( 3 ) 确定性囱随机性 确定性模型”1 把入流作为已知，或作为可能的几种典型来水情况为已知，其模型 结构较简单，求得的最优效益是最大可能的极限值，实际中往往难以达到。 随机性模型是研究不确定性过程或不确定系统效益的最优化问题，随机水库调度 中最主要的因素是水文的不确定性，它把入流作为随机变量或作为一个随机序列来考 虑，因此它的最优准则不是个确定值，调度决策结果也不是唯一地确定，而是种 概率分布。因此评判决策优劣的准则是具有平均特性的可能效益的期望值。这是它的 局限性，但对一些决策中有一定保证率要求时，随机性模型将能发挥其优势。1 9 8 5 年 我国学者李爱玲采用随机优化调度模型。对黄河上游梯级水电站群的兴利优化调度问 题进行了研究，把入流作为随机过程，对入流的处理采用频率曲线来描述，对不同区 白j 的入流采用相关关系来分析，调度结果表明模型是合理可行的。 到目前为止，国内外针对水电站水库群优化调度已经完成了众多的模型研究，综 合归纳这些研究成果，如图1 - 1 。 图1 - 1 水资源系统优化分析模型图 3 水资源决策支持系统d s s 4 第一帝绪论 水资源系统分析的理论研究和实际应用存在差距，1 9 9 0 年在加拿大召开水资 源系统应用国际会议时也提出过这个问题，存在差距的主要原因如下：模型过于简 化偏离实际较远；模型使用不便；管理人员没有参与模型的开发，不知如何修改 模型：管理人员的经验和对实际系统的知识没有在模型开发中被考虑。针对这种问 题，一些专家学者提出把d d s 应用于各种模型，引入专家系统可把专家的经验及对系 统的知识吸取到模型中，并指出开发各种水资源规划或管理决策支持系统是有望克服 以上问题的。 水资源决策支持系统d s s ( d e c i s i o ns u p p o as y s t e m ) ，是以现代通讯设备所采集 的水资源基本数据为基础，应用决策科学、运筹学和水资源工程学等科学的有关理论 和方法，为水资源决策者提供各种决策信息，并允许水资源决策者直接干预和接受他 们的经验、直观判断或偏好的动态交互式计算机系统。 水资源系统d s s 的研究始于7 0 年代中期，到8 0 年代随着计算机的发展，d s s 才对水资源领域有了较大影响。8 0 年代美国在水资源管理d s s 方面的进展主要是采 用计算机和通讯技术的新成果，建立水资源系统管理d s s 。主控制站通过计算机、远 程终端联网，实时接收信息并发出指令或直接遥控。人机界面使用户方便地查询、修 j 下数据，随后，交互式图象技术和g i s 引入w r p m d s s 是d s s 的一个新进展。加拿 大的一批学者开发了水库分析i d s s r e z e s ，它包括一个由1 1 个水库分析模型组成的 模型库及应用图形技术于界面和成果演示。美国p a l m e r 等人建立一个基于知识的 d s s ，用于指导一个供水工程在干旱期的运行。 我国对d s s 的研究始于8 0 年代末，1 0 多年来，在防洪d s s 、水资源规划d s s 和水资源管理调度d s s 方面得到了一定的发展，其中在水资源管理调度d s s 方面的 研究相对很少。李惕先曾研究过水电站库群长、短期优化调度d s s 。1 9 9 3 年，问德福 等建成江西省水火电站实时优化调度d s s ，能制订水电站群的长、中、短期优化运行 计划并实时修正及对该系统的6 座水电站、1 l 座火电站的6 0 台机组每天进行逐小时 的负荷优化分配。解建仓等以跨流域水电站群中长期调度计划问题为研究主题，通过 大系统的分解协调“1 和决策者交互方式的补充，实现综合的决策支持算法，其充分考 虑了决策者对处理问题过程的参与，并针对西北电网中的3 大流域。8 个水电站进行 了分析计算，实验证明该算法可以提高跨流域水电站群间的补偿效益，使调度计划出 力过程相对平稳，符合了合理制定调度计划的应用要求。随着我国水电事业的发展， 自f 海人学硕i 论之 需要实施水电站群联合优化调度的工具。同时水电站又是与火电站一起在电力系统中 联合运行，研制水火电站优化调度d d s ，对于提高电力系统的经济效益和运行管理水 平都有现实意义。而且，我国已建成若干大型引水工程及许多区域性供水系统，管好 这类工程并充分发挥其效益需要一个统一管理凋度的机构和管理调度d s s 。 1 2 2 水库优化调度算法的研究概况 1 9 5 7 年b e ll m a n r 提出最优化原理，为动态规划奠定了基础。此后动态规划作为 一种研究多阶段决策过程的最优化方法得到极大的发展和应用，但对于水库调度这样 的复杂庞大的系统分析问题，常有若干个状态变量，状态变量数目的增加，使每个阶 段各状态的组合数呈指数关系增加，即为“维数灾”的问题。为了克服“维数灾”，研 究者又提出了一些基于d p 的改进方法，如增量动态规划( i d p ) 、离散微分动态规划 ( d d d p ) 和动态规划逐次渐近法( d p s a ) 。1 9 7 5 年加拿大学者h r h o w s o n 和 n g f s a n c h o 提出逐步优化方法( p o a ) 来求解动态规划问题。尽管研究者对动态规 划做出了众多改进，但是由于其方法的局限性，很难根本上克服“维数灾”，特别是在 水库群优化调度这样一个高维性、多目标、多关联的复杂系统问题。 近年来，随着数学与计算机技术的发展，许多新的算法被引入到水库优化调度领 域，例如对策论、存储论、灰色系统、神经网络和遗传算法等一系列方法。遗传算法 在水资源领域中的应用相对来说不是很多，起步也较晚，尤其是在水库调度领域中的 应用并不多见。 在国外，e a s t 和h a l l 在1 9 9 4 年将遗传算法应用于四库联调问题，目标函数是 满足水库库容约束及泄流约束前提下使发电和灌溉效益最大。他在比较对计算机性能 的要求之后，展现了遗传算法与动态规划相比降低计算费用上的优势。同年，f a l i n g 也 将遗传算法应用于单库调度，并比较了遗传算法和动态规划，证实遗传算法在流域大 系统规划设计上的潜力。1 9 9 7 年，l i v e r a 和l o u c k s 用遗传算法对多库运行的调度规 则进行了评价，说明遗传算法能用来校验调度规则，在规则的制定和评价中使用遗传 算法能得到显著效益。1 9 9 8 年r o b i nw a r d l a w 和m o h ds h a r i f 。m 1 研究了几种形式的遗 传算法在水库调度中的应用，并深入分析遗传算法选用不同方式及参数对计算结果影 响，分析较优的编码方式和遗传操作方式，最后计算一个十库联调问题验证了遗传算 法的鲁棒性。 遗传算法在国内水资源系统方面的研究虽然起步晚一些，但也取得了一些成果。 6 第一幸绪论 1 9 9 7 年，马光文、王黎将遗传算法用于求解水电站优化问题，从多个初始点开始 寻优，沿多路径搜索实现全局或准全局最优“1 ；1 9 9 9 年伍勇刚、王定一“7 1 将二倍体遗 传算法求解梯级水电站只优化调度问题，其算法采用了两条等长度的二进制码表示个 体，借助于基因显性机制，将个体基因码链与梯级系统同调度计划联系起来基因显性机 制采用一种简便的布尔函数关系实现杂交算子采用个体基因链交换与重组方式实现， 具有一致杂交算子的效果仿真计算结果验证了算法的有效性2 0 0 3 年，宋朝红等针对 水库群系统调度模型中目标函数的高度非线性特点，提出利用十进制编码的混合遗传 算法来进行求解”1 ，提出了初始种群有条件的随机生成方式以及非随机变异算子来处理 的策略，利用罚函数法来处理边界条件和其他非等式约束；同年，钟等华、熊开智”1 等 人，针对标准遗传算法( s g a ) 存在收敛性及个体适应度求解方面的困难，通过对s g a 中遗传算子改进，特别是对选择算子的改进，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 组存储水库库容状态，并以各库容状态对应的数组下标为基础进行遗传算法编码，通过 实例，表明a g a 对水库优化调度问题具有良好的适应性，同时结合数组存储理论的遗 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，随着国内研究者对遗传算 法在水电站经济运行中应用的深入研究，越来越多针对水电站经济模型特点设计的改 进的遗传算法出现，2 0 0 2 年徐琦、张勇传“”等针对基本遗传算法存在求解精度与收敛 速度问的矛盾，研究了一种新的改进自适应遗传算法( i a g a ) ，并用于求解梯级水电站r 优化调度问题。基于提出的评价种群“早熟”程度新指标，自适应调整遗传算法的交叉 概率和变异概率，同时依据当前最优个体解码所对应调度方案对约束条件的违反量，动 态调整相应的惩罚系数，使调度方案获得期望的约束程度，仿真结果验证了算法的有效 性和可靠性。2 0 0 5 年，冯逊、王金文根据水电站优化调度问题的实际特点“，用基于 十进制的遗传算法，加入最优保存和局部搜索两种收敛策略对问题进行了改进，并用五 强溪电站的实际例子进行了模拟计算，与未经改进的遗传算法进行了比较，取得了比较 满意的结果。2 0 0 6 年付洁廉、王金文“，提出了遗传算法与禁忌搜索算法相结合的混 合优化算法，采取禁忌搜索算法替换遗传算法变异算子的混合策略。以此算法对一个实 例进行了模拟计算和分析，也取得了满意的结果。同年杨敬涛、周建中等”，其根据 水电站经济运行提出了一种改进的遗传算法，在设计中建立了代沟函数和并行变异交 叉迁移率的概念。 洲海人学烦i 。论文 1 3 本文的研究内容 本文围绕水库群发电优化调度模型及其算法一遗传算法展丌具体、系统的研究。 根据生产中的实际情况，及发电模型的特性，建立适合发电优化调度的单库遗传算法 模型和库群遗传算法模型，并将研究成果运用于会溪流域池潭等4 座梯级水电站发电 优化调度中。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了遗传算法的产生和发展过程，阐述遗传算法的基本原理和计算步骤。 ( 2 ) 针对当前水电市场运营模式，提出以发电收入最大为目标函数的发电优化模 型。 ( 3 ) 建立单库发电遗传算法模型和库群发电遗传算法模型。在发电遗传算法模型 基础上，初始种群的生成、选择算子和变异算子，每种算子设计两种不同的模式，构 成发电遗传算法模型库。对算法中的种群大小、迭代终止代数、交叉率、变异率、罚 系数和最大进化代数等模型参数的改变对算法效率的影响进行了分析。创立反映遗传 算法性能的指标，创建参数优化遗传算法模型。 ( 4 ) 实例仿真计算。以沙溪流域梯级水库群为实例，分单库和库群分别进行参 数优化计算确定发电遗传算法模型最优参数。将单库和库群发电优化遗传算法模型运 用于沙溪流域梯级水库群中，分析计算结果。 第- 二章心用背景o t 程概况 第2 章应用背景与实例概况 2 1 遗传算法基本原理 2 1 1遗传算法的产生和发展 在大自然中生命在其中生存繁衍，在不同的环境中进化，显示出其优越的适应性。 受其启发人们致力于对生物各种生存特性的机理的研究和行为模拟，为人工适应系统 的设计和开发提供了广阔的前景。遗传算法( g e n e t i c a l g o r t h m s ，简称g a s ) 就是其中的 重要成果。基于对生物遗传和进化过程的计算机模拟，遗传算法使各种人工体统具有 良好的自适应性和优化性，其利用的就是生物的遗传和进化。 遗传算法是模拟生物在自然环境中的遗传和进化过程中形成的一种自适应全局优 化概率搜索算法。早在2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代，就有少数计算家专家独立开始进行 了所谓的“人工进化系统演技”，其出发点是进化的思想可以发展成为工程问题的优化 工具m 。早期的研究形成了遗传算法的雏形，但是由于缺乏一种通用的编码方案，早 期的算法收效甚微，直到2 0 世纪6 0 年代中期，j o h nh o l l a n d 提出位串编码技术成为 遗传算法的里程碑。这种编码即适合了变异操作，有适合于交叉操作，克服了以前编 码不能进行交叉操作的缺点，并且认为交叉操作是最主要的遗传操作。在1 9 7 5 年，其 开创性的著作“a d a p t a t i o ni nn a t u r a la n da r t i f i c i a ls y s t e m s ”，其后h o l l a n d 等将该算法 推广嘲，并为其正式命名为遗传算法，至此遗传算法正式产生。今天遗传算法能在优 化化问题上得到了广泛的利用，都必须归功于h o l l a n d 的学生d ej o n g ，通过他的归纳 总结，最终形成了遗传算法的最终框架。从8 0 年代开始的近2 0 年是遗传算法蓬勃 发展的2 0 年，随者计算机技术的发展和普及，遗传算法因为其通用性，在众多领域获 得了运用。9 0 年代，人们又从新开始重视遗传算法的基本问题“”。 2 1 2原理介绍 遗传算法从最优问题的可行解中生成仞始种群，种群中的每个个体部有对相关问 题的适应度，就如同自然界中，同一种群每个个生物个体对环境适应能力的高低，按 照优胜劣汰、适者生存自然竞争法则，适应度高的个子在繁殖中最大可能的将基因传 给下一代个体，一代一代反复，这样通过若干带进化，得到优秀的个体，从而得到问 9 自q 海人学颅f 。论文 题的最优解。 生物的进化过程主要通过染色体之问的交叉和染色体的变异来完成的“。与此相 对应的是，遗传算法中最优解的搜索过程也模仿这个过程，使用遗传算子完成遗传操 作，从而生成新的种群。女下是三种主要的遗传算子： 1 选择( s e l e c t i o n ) ：根据各个个体的适应度，按照一定的规则或者方法 从第t 代群体p ( t ) 中选则出一些优良的个体遗传到下一代种群p ( t + 1 ) 。 2 交叉( c l o s s o c e r ) ：将群体p ( t ) 内的各个个体随机搭配成对，对每一对个体， 以某个概率( 称为交叉概率) 交换它们之自j 的部分染色体“。 3 变异( m u t a t i o n ) ：对群体p ( t ) q a 的每个个体，以某一概率( 称为变异概率) 改 变某一个或某一些基因座上的基因值为其他的等位基因“。 由图3 1 可知上面三种算予主要运算过程如下： 步骤一：初始化。设置进化代数计数器t o ；设置最大进化代数t ；随机生成m 个个体作为初始群体p ( o ) 。 步骤二：个体评价。计算群体p ( t ) 中各个个体的适应度 步骤三：选择运算。将选择算子作用于群体 步骤四：交叉运算。将交叉算子作用于群体。 步骤五：变异算子。将变异算子作用于群体。群体p ( t ) 经过选择、交叉、变异运算 之后得到下一代群体p ( 什1 ) 。 步骤六：终止条件判断。若t t ，则：卜t + l ，转到步骤二；若t t ，则以进化过程 中所得到的具有最大适应度的个体作为最优解输出，终止计算“”。 0 第一帝应用背景o j t 程概况 图2 - 1 遗传算法运算示意图 传统的优化算法主要有三种：枚举法、启发算法和搜索算法，遗传算法不同于传 统的搜索算法和优化方法，主要的区别如下： 1 自组织、自适应和自学习性( 智能性) 。应用遗传算法求解问题时，在编码方 式、适应度函数及遗传算子确定后，算法将利用进化过程中获得信息自行组织搜索。 2 遗传算法的本质并行性。遗传算法按并行方式搜索一个种群数目的点，而不 是单点。 3 遗传算法不需要求导或者其他辅助知识，而只需要影响搜索方向的目标函数 和相应的适应度函数。 4 遗传算法强调概率转换规则，而不是确定的转换规则。 5 遗传算法可以更加直接地应用。 6 遗传算法对定问题，可以产生许多的潜在解，最终选择可以由使用者确定“”。 2 1 3基本遗传算法 基本遗传算法是由g o l d b e r g 总结的，它只适用选择算子、交叉算子和变异算子这 三种基本遗传算子，是所有的遗传算法的基础。其染色体编码方法采用的是固定长度 的二进制编码，同时遗传算法按个体适应度成正比的概率来决定当前群体中每个个体 i 海人学顾i 。论文 遗传到下一代群体中的机会多少。其遗传算子中选择运算使用比例选择算子，交叉运 算适用单点交叉算子，变异运算使用基本位变异算子或均匀变异算子。此算法的运行 参数包括m ( 群体大小) 、t ( 遗传算法的终止进化代数) 、p c ( 交叉概率) 、p m ( 变异概率) ， 这四个参数对遗传算法求解和求解效果都是有影响，但目前尚无合理选择它们的理论 依据“”。在实际运算中往往需要经过多次试算彳能确定出参数的合理取值和范围。 图2 - 2 基本遗传算法主要构造示意图 遗 守问 2 2 发电优化调度模型 随着社会主义市场经济发展和深化，电力市场运营模式将是电力工业发展的必然 趋势。在电力市场运营模式下如何搞好水库调度，确保水电站安全运行并不断提高效 益，将是水库调度工作中需要考虑的新问题。为了增强电厂在市场中的竞争能力，必 须加强电站的优化调度研究，提高电站的管理水平，在较少的投入下能显著提高发电 效益，降低单位运行成本。 第一章应用背景j t 程概况 2 2 1目标函数 在对水电站进行优化调度时，必须针对不同类型的要求指定不同的目标函数，常 见的最优准则有：水电系统的总发电量最大；水电系统的总发电效益最佳；满 足符合要求下的总耗水率最小；水电站群的总不蓄电能损失最小。 对于前两种目标函数来说，在电价一致时，它们的目标是一致的，当有分段电价 时，采用售电收入最多作为目标更为有利。 若代表整个系统的发电效益，可将系统的目标函数统一表达为： nr m a xe = 尾f ，( g 。，h 。) a t ( 2 1 ) i _ l t = r o 式中：盯水库数； 瓦调度期的起调时序；不同调度期根据起调时间确定； ，调度期时段数； 屏第i 电站第t 时段的电价； “g 。，q ，) 第f 座水电站第f 时段的发电出力；考虑水轮机组的效率及模型 的仿真效果，出力计算采用n h q 关系，而不利用出力公式。其中：q 。代表第i 座水电 站第t 时段的发电流量；h 。代表第f 座水电站第t 时段的平均水头，该水头应为净水头。 t 时段长，小时为单位，不同的调度期的时段长不同，对年调度计划，为 各月的小时数，对月调度计划为相应旬的小时数。 2 2 2约束条件 考虑以下约束条件： ( 1 ) 最小负荷约束； 考虑电力系统对电站最小负荷要求。 n i t m 式中：饥第i 电站第t 时段水库的计算出力； ( 2 2 ) * 湘人学硕i j 论文 m 第f 时段电网对电站的最小负荷要求。 ( 2 ) 水轮机的预想出力约束； 只有当水电站发电水头大于水轮机设计水头时，水轮机才能发出额定出力n m ， 当发电水头小于设计水头时，出力就会受到限制，只能发出低于n m 的预想出力n h ， n i l 称为机组的预想出力，是一个与发电水头有关的数值，可通过水轮机综合运转特 性曲线确定。 f f m i n ( n ( h ) ， 嘎) ( 2 3 ) 式中： n 旧。) 第i 电站第f 时段预想出力 】j 第i 电站装机容量。 ( 3 ) 各库的上、下限水位约束； z n sz 。szn (2-4) 式中： z 。第i 电站第f 时刻实际水位； z 。第f 电站第时刻允许下限水位定为各库的死水位。 j i 第f 电站第f 时刻允许上限水位，一般在汛期时，定为讯限水位，非 汛期为j 下常高水位。 ( 4 ) 各库流量约束； q qi , t q qi j q q i , f ( 2 5 ) 式中：q q “第f 电站第f 时段实际出库流量； q q 。第f 电站第f 时段允许最小出库流量； q q f 。第f 电站第时段允许最大出库流量。 ( 5 ) 各库的水量平衡约束； _ = _ j l + q “一q “一，“一s i j ( 2 - 6 ) 式中：吃、k 川第f 电站第，时段末、初水库蓄水量； q 1 ，第f 电站第时段入库径流量； 4 第一二幸j 避用背景。j t 程概况 第f 电站第f 时段之发电用水： 以。第f 电站第f 时段之弃水量； 既第f 电站篇，时段之水量损失。 ( 6 ) 调度期术水位控制； z 。= z ： 式中：z 。调度期术计算水位： z ：调度期术控制水位。 2 2 3 常用的求解算法一轮库迭代法 ( 2 7 ) 水电站群的优化调度的研究实际上也是以单个水电站为基本计算单元，因此，对 水电站群的优化调度数学模型的求解就可以考虑成，按照梯级电站的次序，逐级优化 单个水电站，同时考虑整个水电站群的且标函数最大化。 本算法对单个水电站采用增量动态规划法求解最优策略，通过轮库迭代法求解整 个水电站群的联合优化调度方案。 将增量动态规划法应用于单库的优化调度，主要步骤如下： ( 1 ) 给定水库的初始水位过程线和初始步长出； ( 2 ) 以初始调度线为中心，对各个时刻的水位分别向上和向下取口个步长构成廊 道： ( 3 ) 在廊道范围内采用常规动态规划递推方程寻优，求得第二条调度线，此时得 到的目标函数值更优： ( 4 ) 令第( 3 ) 步中得到的调度线为初始调度线，进行下一轮迭代寻优； ( 5 ) 当迭代次数疗2 ”一或步长出 s 时，停止迭代，此时得到的即为最优调度线， 如果不是，则取如2 d z n ，转至第( 2 ) 步继续进行迭代。 轮库迭代法的主要思路： ( 1 ) 给定梯级电站中的龙头水库的初始调度线及下游水电站的期未水位； ( 2 ) 固定下游各水电站的调度线，采用动态规划法优化龙头电站，此时的目标函 * 海人学颅l 。论空 数为整个水电站群的发电量或发电效益最大； ( 3 ) 固定龙头电站及第3 至第n 个电站的调度线，优化第2 个电站，此时。龙头 电站为优化后的调度线，其余电站为初始调度线； ( 4 ) 逐个对水电站进行优化，将优化后的调度线设为初始调度线，优化完第”个 电站为一个循环： ( 5 ) 返回第( 2 ) 步，继续逐个优化整个梯级电站，直至满足给定的收敛条件为 止。 轮库迭代法是水库群优化发电优化模型求解算法中在实际生产中应用的较成熟的 算法，它建立在改进的动态规划增量动态规划基础上，在满足精度要求的前提下， 大大缩短了计算时自j 。然而轮库迭代法毕竟还是一种改进的动态规划，随着库群中水 库群增加及计算精度的提高，计算量呈几何数增加，克服不了动态规划的“维数灾” 问题。 2 3 实例概况 2 3 1流域概况 图2 - 1 金溪流域图 金溪流域位于东经1 1 6 。3 0 “7 。5 6 ，北纬2 6 。2 4 2 7 。0 77 ，为闽江流 1 6 第一：市心用背景j t 程概况 域二级支流之一，全流域集水面积7 1 3 0 k m 2 ，流域属亚热带气候，雨量充沛，池 潭坝址以上每年平均降水量1 7 9 3 m m ，一年内3 6 月为雨季，约占全年降水量的6 2 ， 由于冷暖气团经常在金溪流域遭遇，同雨量可达1 0 0 r a m 以上，加上流域形状为椭园形， 洪水易于粗：集，经常酿成洪灾；7 9 月为台风季节，由于会溪距海己远，且东面有海 拔1 2 9 0 1 4 5 0 m m 的高山阻拦，因此一般台风暴雨对本流域影响较小。但强台风与其 它天气偶然组合时，亦可能发生灾害性洪水，在历史上，七月份亦有过大洪峰。 2 3 2电站工程概况 金溪流域至2 0 0 5 年共有泰宁池潭电站、泰宁良浅电站、将乐大言电站、将乐黄潭 电站、将乐孔头电站、将乐范厝电站、将乐高唐电站7 个梯级电站。会溪梯级电站总 装机容量7 处3 1 3 5 万千瓦，已建电站4 处2 1 1 5 万千瓦，在建电站2 处6 2 万千瓦， 未建电站1 处4 万千瓦。 图2 _ 2 金溪流域图 已建4 处电站中，泰宁池潭电站位于泰宁县开善乡池潭村，溯流距泰宁县城3 0 公 罩，是会溪流域梯级开发的第一级水电站，池潭水库的集雨面积为4 7 6 6 平方公单，年 均降雨量1 7 9 3 毫米，年均流量1 5 1 立方米秒，年径流总量4 7 亿立方米，地形、地质 条件优越。水库最大容量8 7 亿立方米，电站以发电为主，装有两台水轮发电机组，总 装机l o 5 万千瓦，年平均发电量5 亿千瓦时。池潭水力发电厂以发电为主，兼有防洪、 * 海人学硕l ：论z 航运、过木、养殖和旅游等综合效益。泰宁良浅电站位于泰宁县与将乐县交界的良浅 村，距池潭电站下游8 4 公里处，为低水头河床式电站，总装机容量为3 力千瓦，年利 用小时为4 l l o 小时，设计水头1 1 2 米，年发电量1 2 3 3 亿千瓦时，电站最大库容为1 9 9 5 力立方米，坝址以上流域面移14 8 0 0 平方公里。将乐孔头电站位于将乐县黄潭镇孔头村， 1 9 9 9 年4 月1 5 同，电站3 号机组投产并网发电。孔头水电站是余溪流域梯级开发的梯 级之一，为低水头河床式水电站，多年平均发电量1 7 l 亿千瓦时。设计装机容量为4 0 5 万千瓦，选用3 台轴流转桨式水轮发电机组。将乐范厝电站位于将乐县城金溪河段上 游6 公里处的范厝村，溯流距池潭水电厂6 0 公里，属低水头河床式径流电站。电站坝 址以上集雨面积5 8 1 9 平方公罩，总库容3 1 8 0 万立方米。该电站3 台机组分别于1 9 8 8 年3 月、1 9 8 9 年9 月、1