一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法
【專利摘要】一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，包括以下步驟：一、以系統(tǒng)發(fā)電量最大為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)；以水庫輸沙量最大為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)；二、將下泄流量作為決策變量，產(chǎn)生多個(gè)序列，利用遺傳算法求解決策變量；通過上述步驟得到最優(yōu)的下泄流量。在求解決策變量時(shí)，引入水庫系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件，包括庫水位約束、水庫下泄流量約束和流量日變幅約束。本發(fā)明提供的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，通過綜合考慮排沙效率最優(yōu)和發(fā)電效益最優(yōu)這兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對水庫群長期運(yùn)行綜合效益最大化的多目標(biāo)表達(dá)，并采用多目標(biāo)優(yōu)化遺傳算法，給出了水庫調(diào)度的Pareto最優(yōu)解集。
【專利說明】—種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電領(lǐng)域的水力調(diào)度領(lǐng)域，特別是一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化
調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]河流建設(shè)水庫以后，由于水位升高、過水面積加大、流速減緩，從而使水流挾沙能力降低，導(dǎo)致水庫內(nèi)發(fā)生淤積。而挾沙能力與流速的高次方成比例，過水?dāng)嗝娴男┰S改變，常會引起挾沙能力大幅度降低，對水庫綜合效益的發(fā)揮造成非常不利的影響。主要表現(xiàn)為:
[0003]1、水庫有效庫容不斷減少，減少了水庫的使用壽命，影響水庫的調(diào)能力。興利效益逐年下降，使得水庫防洪、發(fā)電、灌溉和供水等興利效益大打折扣。
[0004]2、受水庫蓄水的影響，水流進(jìn)入庫區(qū)后，水流中的泥沙會在水庫的回水末端，并且逐漸發(fā)展到上游，使庫區(qū)尾水位產(chǎn)生的“翅尾巴”現(xiàn)象。抬高上游的河床高程和水庫周圍的地下水位，這不僅會降低上游河道的防洪效益，使通航條件惡化，而且會對兩岸居民生活造成不利影響，威脅當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)安全。
[0005]3、泥沙會造成水力機(jī)械和泄流設(shè)施磨損，影響機(jī)械效率，縮短水力機(jī)械壽命，增加材料損耗和維修時(shí)間，加速工程的老化損壞。
[0006]4、下游河道原有的水沙條件發(fā)生變化。在非汛期，清水下泄，沖刷下游河道；水庫進(jìn)入汛期后，泥沙集中下泄，又會使下游回流淤積，使壩下游河道發(fā)生很大改變，對河道整治及兩岸引水工作造成不利影響。
[0007]因此，水庫的調(diào)度運(yùn)行不僅需要調(diào)節(jié)徑流，蓄盈補(bǔ)缺，滿足興利、防洪等各方面的要求，還要調(diào)節(jié)泥沙，減少有效庫容游損，使水庫長期，有效，安全的發(fā)揮效益。其本質(zhì)上是一個(gè)具有復(fù)雜約束條件的多目標(biāo)優(yōu)化問題。目前存在的多目標(biāo)優(yōu)化方法主要分為兩大類:傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法和多目標(biāo)智能優(yōu)化方法。
[0008]傳統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化方法以約束法、層次分析法、線性加權(quán)法、理想點(diǎn)法為主要的處理手段，根據(jù)決策者的主觀因素，將多目標(biāo)優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行求解。其本質(zhì)上還是單目標(biāo)優(yōu)化問題。
[0009]多目標(biāo)優(yōu)化問題的難點(diǎn)實(shí)質(zhì)在于目標(biāo)間的不可公度性和矛盾性。所謂不可公度性是指各個(gè)目標(biāo)沒有統(tǒng)一的度量標(biāo)準(zhǔn)，因而難以進(jìn)行比較。例如:在水庫水沙聯(lián)調(diào)的多目標(biāo)決策中，發(fā)電量的單位為度，挾沙力的單位為kg/m3，無法進(jìn)行比較。目標(biāo)間的矛盾性是指如果采用某一種方案去改進(jìn)某一目標(biāo)值，可能會使另一目標(biāo)的值變好或變壞。還以水沙聯(lián)調(diào)為例，水庫盡量保持最高水位，減少泄流，可以增大單位水體的發(fā)電量，但泄流降低將會使得水庫泥沙淤積加重。增發(fā)電量和減少淤積是一對矛盾的運(yùn)行目標(biāo)。
[0010]由于多個(gè)目標(biāo)之間的矛盾性和不可公度性，不能簡單地把多個(gè)目標(biāo)歸為單個(gè)目標(biāo)，并使用單目標(biāo)決策問題的方法去求解多目標(biāo)決策問題。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，可以實(shí)現(xiàn)對水庫長期運(yùn)行綜合效益最大化的調(diào)度。
[0012]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，包括以下步驟:
[0013]一、以系統(tǒng)發(fā)電量最大為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)；
[0014]以水庫輸沙量最大為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)；
[0015]二、將下泄流量作為決策變量，產(chǎn)生多個(gè)基于上述目標(biāo)函數(shù)的序列，利用基于非支配解的多目標(biāo)遺傳算法求解決策變量；
[0016]通過上述步驟得到最優(yōu)的下泄流量。
[0017]在求解決策變量時(shí)，引入水庫系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件，包括庫水位約束、水庫下泄流量約束和流量日變幅約束。
[0018]優(yōu)選的，步驟2中，隨機(jī)產(chǎn)生η個(gè)染色體，即產(chǎn)生η個(gè)水庫下泄流量(Q)的序列，組成初始種群P。，種群規(guī)模=η ；
[0019]優(yōu)選的，以一個(gè)時(shí)間段為劃分標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)每個(gè)染色體具有多個(gè)的發(fā)電引用流量元素和多個(gè)泄洪流量元素的基因，這些基因組成數(shù)組。
[0020]優(yōu)選的，以月為單位，每個(gè)染色體上有12個(gè)發(fā)電引用流量元素和4個(gè)泄洪流量元素共16個(gè)基因，組成16Xη的數(shù)組。
[0021 ] 進(jìn)一步優(yōu)選的，在η個(gè)染色體中選取較優(yōu)的染色體的m個(gè)值進(jìn)行交叉變異計(jì)算，生成新種群P1 ；
[0022]計(jì)算新種群中的染色體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，進(jìn)入下一次迭代。
[0023]進(jìn)一步優(yōu)選的，遍歷種群中任意兩對染色體，比較兩個(gè)染色體的適應(yīng)度函數(shù)值，選擇較優(yōu)的染色體；
[0024]將當(dāng)前染色體的m個(gè)值進(jìn)入交叉變異；
[0025]若m=0，重新生成初始種群；若m > 0，進(jìn)入交叉變異；
[0026]根據(jù)設(shè)定的交叉概率，若交叉發(fā)生，則從m個(gè)值中任意選擇兩個(gè)染色體，隨機(jī)生成一個(gè)基因個(gè)數(shù)區(qū)間內(nèi)的非零整數(shù)，大于此數(shù)的基因位置發(fā)生交換；
[0027]根據(jù)設(shè)定的變異概率，若變異發(fā)生，則對于上述染色體，隨機(jī)生成一個(gè)基因個(gè)數(shù)區(qū)間內(nèi)的非零整數(shù)，在該位置上的基因突變成m個(gè)染色體中該位置上最大值和最小值之間的任意數(shù)值；
[0028]交叉變異后新生成的η個(gè)染色體，與上一次迭代得到的較優(yōu)的染色體一起構(gòu)成新種群P1，種群規(guī)模為m + n;
[0029]計(jì)算新種群P1中對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，進(jìn)入下一次迭代。
[0030]保持水庫運(yùn)行多目標(biāo)中的矛盾性和不可公度性，而非劃歸為單目標(biāo)求解；所得最優(yōu)運(yùn)行策略為一組最優(yōu)解集，其中各最優(yōu)解之間不可相互比較，即該最優(yōu)解集中任意兩個(gè)解之間比較時(shí)，若某個(gè)解的目標(biāo)之一優(yōu)于另一個(gè)解，則其目標(biāo)之二必劣于另一個(gè)解。
[0031 ] 系統(tǒng)發(fā)電量最大目標(biāo)函數(shù)為:
[0032]
【權(quán)利要求】
1.一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是包括以下步驟: 一、以系統(tǒng)發(fā)電量最大為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)； 以水庫輸沙量最大為目標(biāo)建立目標(biāo)函數(shù)； 二、將下泄流量作為決策變量，產(chǎn)生多個(gè)基于上述目標(biāo)函數(shù)的序列，利用基于非支配解的多目標(biāo)遺傳算法求解決策變量； 通過上述步驟得到最優(yōu)的下泄流量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是:在求解決策變量時(shí)，引入水庫系統(tǒng)運(yùn)行的約束條件，包括庫水位約束、水庫下泄流量約束和流量日變幅約束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是:步驟2中，隨機(jī)產(chǎn)生η個(gè)染色體，即產(chǎn)生η個(gè)水庫下泄流量(Q)的序列,組成初始種群Ptl,種群規(guī)模=η ； 以一個(gè)時(shí)間段為劃分標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)每個(gè)染色體具有多個(gè)的發(fā)電引用流量元素和多個(gè)泄洪流量元素的基因，這些基因組成數(shù)組。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是:以月為單位，每個(gè)染色體上有12個(gè)發(fā)電引用流量元素和4個(gè)泄洪流量元素共16個(gè)基因，組成16 X η的數(shù)組。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是:在η個(gè)染色體中選取較優(yōu)的染色體的m個(gè)值進(jìn)行交叉變異計(jì)算，生成新種群P1 ； 計(jì)算新種群中的染色體對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，進(jìn)入下一次迭代。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是:遍歷種群中任意兩對染色體，比較兩個(gè)染色體的適應(yīng)度函數(shù)值，選擇較優(yōu)的染色體； 將當(dāng)前染色體的m個(gè)值進(jìn)入交叉變異； 若m=0,重新生成初始種群；若m > O,進(jìn)入交叉變異； 根據(jù)設(shè)定的交叉概率，若交叉發(fā)生，則從m個(gè)值中任意選擇兩個(gè)染色體，隨機(jī)生成一個(gè)基因個(gè)數(shù)區(qū)間內(nèi)的非零整數(shù)，大于此數(shù)的基因位置發(fā)生交換； 根據(jù)設(shè)定的變異概率，若變異發(fā)生，則對于上述染色體，隨機(jī)生成一個(gè)基因個(gè)數(shù)區(qū)間內(nèi)的非零整數(shù)，在該位置上的基因突變成m個(gè)染色體中該位置上最大值和最小值之間的任意數(shù)值； 交叉變異后新生成的η個(gè)染色體，與上一次迭代得到的較優(yōu)的染色體一起構(gòu)成新種群P1，種群規(guī)模為m +η; 計(jì)算新種群P1中對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值，進(jìn)入下一次迭代。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是: 保持水庫運(yùn)行多目標(biāo)中的矛盾性和不可公度性，而非劃歸為單目標(biāo)求解；所得最優(yōu)運(yùn)行策略為一組最優(yōu)解集，其中各最優(yōu)解之間不可相互比較，即該最優(yōu)解集中任意兩個(gè)解之間比較時(shí)，若某個(gè)解的目標(biāo)之一優(yōu)于另一個(gè)解，則其目標(biāo)之二必劣于另一個(gè)解。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是系統(tǒng)發(fā)電量最大目標(biāo)函數(shù)為:
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是水庫輸沙量最大目標(biāo)函數(shù)為:
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是泄洪口平均含沙率由下式計(jì)算得到:
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種水庫排沙發(fā)電多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方法，其特征是泄洪流量由下式計(jì)算得到:
【文檔編號】G06Q50/06GK103761583SQ201410006445
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月7日
【發(fā)明者】李芳芳, 裘鈞 申請人:中國長江三峽集團(tuán)公司