[發明專利]一種基于嵌套降維算法的梯級水庫水沙聯合優化調度方法

有效

• 申請號: 201710619785.4
• 申請日: 2017-07-26
• 公開（公告）號: CN107491635B
• 公開（公告）日: 2020-12-18
• 發明（設計）人: 彭楊;于顯亮;吳志毅;張繼鵬
• 申請（專利權）人: 華北電力大學
• 主分類號: G06K9/62
• 分類號: G06K9/62;G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司 11246
• 代理人: 朱琨

1.一種基于嵌套降維算法的梯級水庫水沙聯合優化調度方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

步驟1：以梯級水庫一維泥沙沖淤計算為基礎，選取梯級水庫發電量最大、泥沙淤積量最小為目標，以水量平衡、泄流能力、蓄水能力、下游防洪安全以及水電站出力為約束，建立梯級水庫水沙多目標優化調度模型；

步驟2：分別以發電量最大和發電量最小為目標對梯級水庫進行單目標優化計算，采用逐次逼近動態規劃算法對其進行降維求解，得到梯級水庫聯合運行的發電量上限和下限；

步驟3：在求得的發電量上下限構成的發電區間內生成N個不同的發電運行方案，作為水沙優化調度計算的初始方案，采用嵌套結構的逐次逼近多目標動態規劃迭代算法對各初始方案逐步尋優計算，在求解過程中，將泥沙淤積量目標作為基本目標，發電目標作為約束目標，將長系列泥沙淤積的尋優問題分解為多個短系列逐次尋優，再采用多目標動態規劃迭代算法對各級水庫進行逐次尋優，在調度期內保持各方案發電量不變的情況下尋求泥沙淤積量最小；

所述嵌套結構的逐次逼近多目標動態規劃迭代算法的具體步驟為：

1)分別以發電量最大和發電量最小為目標對梯級水庫進行優化調度，針對梯級水庫單目標優化問題，采用逐次逼近動態規劃算法進行求解，獲得梯級水庫最大發電量TE_max和最小發電量TE_min，并確定梯級水庫多年平均發電量的取值范圍為[TE_min,TE_max]；

2)選取某一多年平均發電量TE^k∈[TE_min,TE_max]水平下的任一初始策略，k＝1,2,...,K，其中K為發電量離散值數目；

3)將長系列梯級水庫水沙優化調度計算劃分為N個短系列，每個短系列中含有T_n個計算時段，n＝1,2,…,N；

4)對第1個短系列進行梯級水庫水沙優化調度計算；

5)固定第2到最后一級水庫的運行策略，采用多目標動態規劃迭代算法對第1級水庫從時刻t-1開始進行尋優；

6)固定初始策略下的狀態變量TE_i,t-1和TE_i,t+2以及決策變量Z_i,t-1和Z_i,t+2，求解遞推方程，得到優化后的決策變量和以及相應階段的狀態變量和并更新優化后的決策變量以及水庫出庫流量、含沙量和懸沙級配；

7)判斷t＝T_n-2是否成立，若不成立，則令t＝t+1，返回步驟6)；若成立，則得到一組新的決策序列，決策變量以及相應的階段狀態變量且有

式中，F_i表示調度期末i水庫庫區泥沙淤積總量，為優化后的i水庫t時段泥沙量，VS_i,0為i水庫泥沙初始淤積量，為優化后的i水庫各時段壩前水位，VS_i,t為初始策略下i水庫t時段的淤積量，為初始策略下i水庫各時段的壩前水位，t為時段編號，T_n為總時段數；

8)根據公式(1)計算前后兩輪迭代的計算結果差值△，檢驗△是否滿足計算精度ε，其中ε為極小正數，若不滿足△≤ε，則將求得的新序列作為下一輪迭代計算的初始策略；若滿足△≤ε，則固定第一級、第三級直至最后一級水庫的調度水位過程，對第二級水庫進行優化計算，得到第二級水庫的運行策略，并更新優化后的決策變量以及水庫出庫流量、含沙率和懸沙級配；其中計算結果差值△可表示為：

式中，L表示計算迭代次數，L＝1,2,3,...，表示第L次迭代下i水庫t時段泥沙淤積量，表示第L-1次迭代下i水庫t時段泥沙淤積量，t為時段編號，T_n表示總時段數；

9)依次對第i級水庫進行優化,i＝3,4,...,M，M為梯級水庫或梯級電站總數，保持其余水庫的水位運行過程不變，得到第i級水庫運行策略；

10)重復步驟5)至步驟9)，進行第二輪、第三輪……迭代計算，直到收斂為止,若收斂，則此序列為第1個短系列相應多年平均發電量TE^k的最優運行策略；

11)重復步驟4)至步驟10)，依次對第n個短系列進行優化計算，n＝2,3,…,N；

12)檢驗所有可行的多年平均發電量TE^k，k＝1,2,…,K是否都完成了步驟2)-步驟11)，若未完成，取其他多年平均發電量TE^k重復步驟2)-步驟11)；若完成計算，即可得到梯級水庫水沙多目標問題發電與淤積量的非劣解集；

所述多目標動態規劃迭代算法為，以泥沙淤積量最小為基本目標，發電量為約束目標，即在調度期內保持發電量不變的情況下尋求泥沙淤積量最小，在每次三階段尋優計算泥沙淤積量時，采用順推法計算當前整個計算期內的泥沙淤積量，即在[t-1,t]、[t,t+1]、[t+1,t+2]三個時段內按照既定軌跡計算泥沙淤積量，以滿足無后效性要求；

在計算t+2時段末泥沙淤積量時需要從時刻t-1開始按照既定軌跡計算，直到t+2時段末為止，相應的三階段遞推方程為：

F(Z_t-1,Z_t+2,TE_t-1,TE_t+2)＝min VS(VS₀,Z₀,Z₁,Z₂...,Z_t-1,Z_t,Z_t+1,Z_t+2) (3)

相應的約束條件為：

式中，F(Z_t-1,Z_t+2,TE_t-1,TE_t+2)表示在[t-1,t]、[t,t+1]、[t+1,t+2]三個時段的泥沙淤積量，VS(VS₀,Z₀,Z₁,Z₂...,Z_t-1,Z_t,Z_t+1,Z_t+2)表示水庫泥沙淤積量，TE_t代表電站t時段累計發電量，VS₀代表水庫泥沙計算的初始淤積狀態，Z_t代表水庫t時段末的壩前水位；

步驟1中，所述梯級水庫水沙多目標優化調度模型為：

目標函數：

(1)計算時期內梯級水庫多年平均發電量最大，即

式中，TE代表梯級水庫多年平均發電量；E_i,t為i電站t時段的發電量；M為梯級水庫或梯級電站總數；i為水庫或電站編號；T為調度總時段；t為時段編號；A_i為i電站出力系數；Q_i,t和H_i,t分別為i電站t時段的發電流量和發電水頭；△t為計算時段；

(2)計算期末梯級水庫庫區泥沙淤積量最小，即

式中，F代表調度期末梯級水庫庫區泥沙淤積總量；VS_i,t為i水庫t時段的庫區泥沙淤積量；M為梯級水庫或梯級電站總數；i為水庫或電站編號；T為調度總時段；t為時段編號；

約束條件：

(1)水量平衡約束

(Q_i,in-Q_i,out)△t＝V_i,t-V_i,t-1＝△V_i (7)

式中，△t為計算時段；Q_i,in和Q_i,out分別為i水庫在計算時段△t的平均入庫流量和出庫流量；V_i,t和V_i,t-1分別為i水庫t時段初、末的蓄水量；△V_i為i水庫△t時段內的蓄水變化量；

(2)水庫泄流能力約束

q_i,t≤q(Z_i,t) (8)

式中，q_i,t為i水庫t時段的下泄流量；Z_i,t為i水庫t時段末的蓄水位；q(Z_i,t)為i水庫在水位Z_i,t時的最大泄流能力；

(3)水庫蓄水能力約束

V_i^min≤V_i,t≤V_i^max (9)

式中，V_i^min和V_i^max分別i水庫最小和最大允許蓄水量；V_i,t為i水庫t時段的蓄水量；

(4)下游防洪安全約束

q_控制點≤q_支 (10)

式中，q_控制點為通過防洪控制點的流量；q_支為控制點防洪安全流量；

(5)水電站出力約束

式中，分別為i電站t時段出力的上、下限；N_i,t為i電站t時段的出力。