多目标决策(水电站水库优化调度)

1.水库优化调度的内涵2.水库优化调度的准则3.水库优化调度数学模型的建立4.水库优化调度数学模型的求解水库调度：根据水库的功能和调蓄能力，在保证下游防洪安全和水工建筑物安全的前提下，对水库的来水过程进行径流调节，提高发电效益的一种水库运用控制技术。兴利调度水库调度防洪调度生态调度水库优化调度：以系统工程方法为基础，建立以水库效益最大为目标，以水量平衡、供水能力等为约束条件的优化调度模型。水库常规调度：根据水库的调度规则，利用径流调节理论和水能计算方法，确定满足水库既定任务的蓄泄过程。1.国民经济效益最大或经济费用最小最优准则2.满足水资源综合利用部门一定要求的条件下，使电力系统的总耗煤量最小3.满足电力系统和水资源综合利用部门一定要求的前提下，使水电站的发电量最大4.火电为主，水电为辅的电力系统中的调峰调频电站，使水电站供水期的最小出力最大（或保证电能最大）ttTttMHAQE1maxTttttMHApQF1max目标函数1.以发电量（或发电效益）最大为目标ttHAONPminmaxmaxNtttVLRLZ1)()(minmin2.以水电站出力最小的时段的出力尽可能大为目标3.以水库库区及下游河道生态环境需水量缺水量最小为目标生态环境：河流+水库河流生态环境需水量：满足河流生态系统设定生态功能与环境功能的需水量，包括生态需水与环境需水。水库生态环境需水量：水库生态系统发挥正常生态环境功能所需的水量，包括生态需水与环境需水。生态需水：水面蒸发量保持天然条件下河床和河岸稳定等维持非生物环境基本功能的河流基流量维持赖水生存的生物体自身消耗生产空间的河流生物需水量环境需水：包括维持河道水沙平衡、水盐平衡、水功能区划下一定水质标准、河道景观等基本用水需求所需水量。生态需水：水库库区生态需水（蒸发、渗漏损失水量，水生物生存所需水量，赖水生存的动植物耗水量）与维持下游基本生态功能所需要的水量（水生物正常生存繁殖所需水量）。环境用水：库区环境需水（满足水质要求和一定的水库景观水位所需水量）与下游环境需水（维持水沙平衡、水盐平衡、水质标准、河道景观等基本用水所需水量）。tttttKQqVV)(1maxmin，，tttVVV1.水库的水量平衡约束2.水库的需蓄水量约束3.水库的下泄流量约束maxmin，，tttQQQ4.水电站的出力约束5.变量边界约束6.变量非负约束)()1(nKKVV，，maxmin，，ttttNHAQN0X水库优化调度模型求解混沌是自然界的一种普遍现象，它看似混乱，却有着精致的内在结构，具有“随机性”，“遍历性”，“规律性”等特点。遍历性：在一定范围内能按其自身的规律不重复的遍历所有的状态。CGA:混沌优化的遍历性+遗传算法优化的反演性将混沌状态引入到优化变量中，并把混沌运动的遍历范围放大到优化变量的取值范围，然后把得到的混沌变量进行编码，表示成染色体，将他们置于问题的环境中，根据适者生存的原则，对其进行选择，复制，交叉，变异，然后对各个混沌变、量附加一混沌小扰动，通过一代代得不断进化，最后收敛到一个最适合环境的个体上，求得问题的最优解。iiba，min_max_min_max_,,,mmccppppCGA求解水电站水库优化调度步骤如下：1.划分调度期时段，确定决策变量及其取值空间2.参数设定。确定变量的个数，确定遗传算法的M,T,3.目标函数的处理(多目标→单目标)4.约束处理5.初始化种群Logistic映射为：将混沌序列放大到决策变量取值空间：1,,,(1)12...j12...ijijijipn，，，，，，,()12...12...ijiiiijxabaipjn，，，，，，，6.编码（浮点码）7.适应度函数值计算8.最优保留策略（最优的10%）9.选择、交叉和变异计算随机联赛选择、算数交叉、均匀变异10.混沌扰动算子11.初始最优解适应度函数值的最大值与与平均值的差值在允许范围内，或迭代次数达到设定最大值，则寻优结束，得初始最优解12.初始最优解加微小的混沌扰动13.细搜索优化实例研究某水利枢纽工程的任务是供水结合发电，同时亦兼有防洪、防凌等综合效益。水库的总库容为8.96亿m³，调节库容为4.45亿m³，水库最高蓄水位为980.00m，正常蓄水位为977.00m,电站设计保证率取90%。取水口设于大坝左岸边坡坝段，两条引水钢管单孔引水流量24m³/s，可满足枢纽年供水量14亿m³。枢纽水电站装机1080MW，多年平均发电量27.5亿kW·h。该水利枢纽作为跨流域调水工程的首部枢纽对减少引水的含沙量、改善引水水质、减轻水泵磨损、减少供水调节水库的淤积、增加引水时段、降低提水扬程、节省电能、降低引水成本等都有重要意义。枢纽电站对满足调峰需要，降低系统燃料消耗，改善火电机组运行条件，增加系统运行的稳定性，提高周波质量也起着很大的作用，同时，水库的滞洪和拦蓄上游来水，对下游防洪、防凌都是有利的。目标采用约束法将出力最小时段的出力尽可能大和生态环境需水缺水量最小两个目标转换为约束条件。水电站发电量最大出力最小时段的出力尽可能大生态环境蓄水缺水量最小•用一个水文年为周期，将调度期分为12个时段，每个时段的小时数为730•水电站综合出力系数为8.3•水头损失为0.5m121max8.3730(--0.5)ttttEQHH上下年发电量t时段的发电流量水库上游平均水位水库下游平均水位•目标函数中以各月初的水位作为决策变量，根据水电站的资料，确定各时段水位的上下限，得到：生态蓄水约束水电站的出力约束水量平衡约束蓄水量约束下泄流量约束（1）下游河道生态环境需水约束通过Tennant法和最小月径流法计算，取其较大值：（2）库区本身生态环境需水约束在任何时刻，水库的水位都应该在其最小生态环境库容对应的水位之上。minttVhVht时段水库最小生态环境库容对应的水库水位水电站的保证出力为18.5万kW，考虑到应该尽可能提高好的保证出力，取最小出力限制为18.9万kW，最大出力限制为装机容量108万kW18.9108tN水电站每月的出力，万kW61()2.6310ttttVVqQt时段末的水库蓄水量t时段初的水库蓄水量t时段的平均入库流量t时刻的发电流量水库蓄水量的上、下限可根据各时段水位的上、下限值查水库的水位库容曲线确定。,min,maxtttVVVt时段允许水库最小蓄水量t时段允许水库最大蓄水量水电站的最小下泄流量为下游生态环境需水流量，而最大下泄流量按6台机组同时下泄，最大下泄流量为1800m³/s。,min1800ttQQ目标函数约束条件121max8.3730(--0.5)ttttEQHH上下min61,min,max,min18.9108()2.63101800ttttttttttttVhVhNVVqQVVVQQ水电站的年发电量选择丰、平、枯三个代表年计算，求出三个代表年的发电量然后加以平均，求出水电站多年平均年发电量。++3EEEE丰平枯以平水年为例，对模型求解过程进行简要说明。模型的初始种群数取2000，最大、最小交叉概率分别取0.9和0.4，最大、最小变异概率分别取0.1和0.001，允许误差为，最大迭代次数为50，Logistic映射初值取为[0.51,0.74]利用Matlab7.1软件编程计算，将GCA优化程序重复运行10次，即优化运算10次，每次优化运算得到的最终年发电量如表：-81.010第9次优化运算详细过程数据及最优化结果优化调度后的最终结果：计算结果符合要求，优化调度后平水年平均年发电量为29.06亿kW·h。采用同样的模型和方法对丰水年和枯水年入库径流情况下的水库进行优化调度，进而得到考虑生态的水电站水库多年平均发电量：计算得到的多年平均发电量为28.41亿kW·h，常规调度时多年平均发电量是27.5亿kW·h，优化后年发电量增加0.91亿kW·h，提高3.3%。将DP、GA、CGA三种方法优化计算结果进行对比，可见CGA的结果最优。CGA算法综合了GA和COA算法的优越性，具有搜索效率高，收敛性能好，更逼近全局最优解等优点。但是，计算时间较长。同时讨论不考虑生态时的水电站水库调度问题，不考虑生态时发电量只增加了0.08亿kW·h，而对河流生态环境的负面影响是深远的。因此，考虑生态环境，牺牲一小部分发电效益而换来社会经济与生态环境的和谐发展是值得的，也是十分必要的。模型：11,,,min,maxminmax,min,maxmax()..12TttttttttftttttttttAQHtVQQtVQQQQQNAQHNstQQZZZtT入出航，　，　，欢迎批评指正！