水电站水库优化调度多目标决策教材(PPT 41页)

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
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Байду номын сангаас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 。
12
m axE 8.3730Q t(H t上 -H t下 -0.5) t1 水库上水游库平下均游水平位均水位
• 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
E E丰+E平+E枯 3
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 1.010-8 ，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：
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
6.变量非负约束
X 0
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。
约束条件
V ht V ht min 18.9 N t 108 Vt1 Vt (qt Qt ) 2.63 10 6 Vt,min Vt Vt,max
Qt,min Qt 1800
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。
模型：

T
m a x A Q t H t t

t1

V t 1 ( Q t ,入 Q t ,出 ) t V t

Q
t

Q
f

s
.t
.

Q N Q
t ,m in Q t m in A Q t Q航
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）。
（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。
Vht Vhtmin
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kW
1.水库的水量平衡约束
Vt1Vt(qtQt)Kt
2.水库的需蓄水量约束
Qt， minQtQt， max
3.水库的下泄流量约束 Vt， minVt Vt， max
4.水电站的出力约束
N t， mi nAtH Q t N t， max
5.变量边界约束
V(K， 1) V(K，n)
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。
Vt,minVt Vt,max
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。
Qt,minQt 1800
目标函数 12 m axE 8.3730Q t(H t上 -H t下 -0.5) t1

Z
t ,m
in

Zt

t 1 ， 2 ，
Q t,m ax tH t N
Z t,m ax
， T
m ax
欢迎批评指正！
i 1 ,ji,j( 1 i,j) ， i 1 ， 2 ， ...p ， j 1 ， 2 ， ...n
将混沌序列放大到决策变量取值空间：
x i ， j a i ( b i a i)i,j ， i 1 ， 2 ， ...p ， j 1 ， 2 ， ...n
6.编码（浮点码）
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）
目标函数
1.以发电量（或发电效益）最大为目标
T
maxE AQtHtMt t1
T
maFx AptQHtMt t1
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。
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
18.9Nt 108
水电站每月的出力，万kW
t时段末的水库蓄水量 t时段初的水库蓄水量
V t 1 V t (q t Q t) 2 .6 3 1 0 6 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。
t时段允许水库最小蓄水量
CGA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 ai，bi
2. 参数设定。确定变量的个数，确定遗传算法的M,T,
pc_m,apxc_m,ipnm_m,apxm_min 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：
2.以水电站出力最小的时段的出力尽可能大为目 标
m N a m P xm a A x itH n t O
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
N
miZnminR(tL)V(tL)
t1
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 。
目标
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
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。
• 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0.5m
年发电量 t时段的发电流量
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%。
水库生态环境需水量：水库生态系统发挥正常生态