[發明專利]面向河道生態環境安全的梯級水庫群高效調控方法和系統

在審

• 申請號: 202010576313.7
• 申請日: 2020-06-22
• 公開（公告）號: CN111833204A
• 公開（公告）日: 2020-10-27
• 發明（設計）人: 牛文靜;馮仲愷;劉帥
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G06Q50/06
• 分類號: G06Q50/06;G06Q10/04;G06Q10/06;G06N3/00;G06N20/00
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智

本發明公開了面向河道生態環境安全的梯級水庫群高效調控方法與系統，屬于梯級水庫群生態調度領域。本發明引入自適應參數調整策略，即在每次迭代過程中，自適應調整和聲搜索算法中的音調微調概率和音調微調帶寬，能夠擴大種群搜索范圍從而有效避免了種群個體陷入局部最優，改善了種群多樣性；引入精英學習策略，即從每代種群中選取最優的若干個體位置構成精英檔案集，提升了全局探索和局部開發能力，促進個體之間的信息交流。本發明方法搜索精度高、收斂速度快，具有良好的全局尋優能力，能夠在保護河流生態健康方面產生較其他經典算法更好的調度方案，是解決梯級水電系統生態調度問題的一種有效求解工具。

技術領域

本發明屬于梯級水庫群生態調度領域，更具體地，涉及面向河道生態環境安全的梯級水庫群高效調控方法和系統。

背景技術

隨著人們對可持續發展思想認識的逐漸深入，梯級水庫生態優化調度受到世界上越來越多人的關注。為了有效地保護河流生態系統，生態調度通常以整個梯級水庫系統總缺水量最小作為目標函數，其數學表達式為：

式中：N為梯級電站數目；T為調度總時段數目；F為整個梯級電站總缺水量；為第n個電站第t個時段的最大生態流量需求；為第n個電站第t個時段最小生態流量需求；O_n,t為第n個電站第t個時段總出庫流量；y_n,t為第n個電站第t個時段缺水量，△_t為第t個時段小時數。

需要滿足的約束條件如下：

(1)水量平衡約束：其中，V_n,t為第n個水電站在第t個時段的庫容；I_n,t為第n個水電站在第t個時段入庫流量，q_n,t為第n個水電站在第t個時段的區間流量；O_j,t為上游第j個電站在第t個時段的出庫流量，Q_n,t為第n個水電站在第t個時段的發電流量；S_n,t為第n個水電站在第t個時段的棄水流量；U_n為直接連接在第n個水電站的上游電站數目。O_n,t為第n個水電站在第t個時段的出庫流量。

(2)始末水庫水位約束：其中，為第n個水電站在初始水位；為第n個水電站的期末水位。

(3)發電流量約束：其中，為第n個水電站在第t個時段的發電流量下限；為第n個水電站在第t個時段的發電流量上限；

(4)水頭平衡約束：其中，H_n,t為第n個水電站在第t個時段的水頭；Z_n,t為第n個水電站在第t個時段的壩前水位；d_n,t第n個水電站在第t個時段下游水位。

(5)水電站出力約束：其中，為第n個水電站在第t個時段的出力上限；為第n個水電站在第t個時段的出力下限。

從數學的角度來看，梯級水庫生態調度屬于復雜非線性、高維、多階段，具有多種等式和不等式約束的優化問題。在過去的幾十年，相關學者已經成功提出多種經典方法(例如，線性規劃、非線性規劃和分解協調法等)來解決此類問題。這些傳統方法在梯級水庫運行中獲得了巨大的成功，但仍然存在一些缺點，例如執行時間長，內存使用量大，參數需要根據實際問題進行調整等使得無法解決大型復雜的工程優化問題。在音樂演奏中，樂師們憑借自己的記憶，通過反復調整樂隊中各樂器的音調，最終達到一個美妙的和聲狀態，Z.W.Geem等受這一現象啟發，提出了和聲搜索算法(HS:Harmony Search)。由于具有計算量低，易于實現和適應性強的優點，HS已被廣泛應用于許多工程問題，例如經濟調度，參數識別和特征選擇。

然而，和聲算法在進化過程中使用固定的音調微調概率和音調微調帶寬，使得搜索過程中不能控制好種群中個體搜索范圍，最終導致種群收斂速度緩慢，并且和聲算法進化過程中缺乏向優秀個體學習的方式，導致所求結果魯棒性和精度都較低。