专利名称：水库预报调度的灰色动态规划方法
技术领域：
本发明涉及一种水库优化调度方法，特别是一种水库预报调度的灰色动态规划方法。
背景技术：
水库调度是在难以准确预知未来径流的情况下进行的，径流变化过程相当复杂，很难准确的描述。对于水库调度，目前应用比较广泛的是动态规划方法。动态规划的实质是分治思想和解决冗余，对于重复出现的子问题，只在第一次遇到时加以求解，并把答案保存起来，以后再遇到时直接引用，不必重新求解。设计一个标准的动态规划算法，通常可按以下几个步骤进行(1)划分阶段；(2)选择状态；(3)确定决策并写出状态转移方程；(4)写出规划方程(包括边界条件)。应用于水库调度的动态规划方法根据对径流的描述可划分为确定型动态规划方法和随机型动态规划方法。确定型动态规划方法认为径流预报值为确定值，但不同的预报方法有不同的预报值，有些甚至相差很大，往往令生产单位无所适从，并且这种假定未来水库径流为已知的处理方式难以符合工程实际情况，只能得到理想化的最优解；在随机型模型中，根据径流是否相关和有无预报，又分下列4种情况①水库天然入库流量相互之间独立，并按某种概率分布的；②水库天然入库流量相互之间独立，只有当前一个时段的预报值，其它时段按概率分布计算；③相邻时段径流相关和无预报；④相邻时段径流相关并有一个时段预报，随机型动态方法需要大量的径流历史资料，在新建电站中难以实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种水库预报调度的灰色动态规划方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下一种水库预报调度的灰色动态规划方法，对于处在调度期内的水库，将介于调度期末目标库容量与调度期初库容量之间的水库库容进行离散化，得到库容状态集P＝{V1，V2，…，Vm}，V1对应调度期末目标库容量，Vm对应调度期初库容量，V1、Vm为已知数值；将调度期划分为1，…t，…n共n个时段，其各个时段的径流预报值范围为q1()，q2()，…，qn()，其中qt()为灰数，t＝1，2，…，n，每个时段对应有m个最优发电量，对整个调度过程采用动态规划逆序递推方法，其具体步骤如下 1、计算水库第1时段所发的发电量前述的发电量由m种状态的库容对应的发电量组成，其中针对水库库容从第i状态Vi调度至目标库容量V1所发的发电量为式中，i＝1，2，…m，A为水库出力系数，H1i为第i状态下的上下游水位差，Q1i()为第1时段内发电引用流量，V1i为第1时段初的水库库容状态，V01为第1时段末的水库库容状态，T为第1时段的时间长度； 2、计算水库第2时段所发的最优发电量对于第i状态下的最优发电量为i可以取值1，2，…m，其中N2i，j()表示水库库容从本时段初第i状态Vi调度至本时段末第j状态Vj的发电量，H2i，j为本时段库容从第i状态调度至第j状态的上下游水位差，Q2i，j()为第2时段内发电引用流量， 3、以步骤2中的方法为例，依次计算第3、第4、...、直到第n-1时段的最优发电量，第n-1时段的最优发电量 4、计算水库第n时段所发的最优发电量j＝1，2，…m，其中Nnj()表示水库库容从本时段初状态Vm调度至本时段末第j状态Vj的发电量，本时段内发电引用流量其中Hnj为第n时段水库库容从初状态Vm调度至第j状态Vj的上下游水位差。
本发明的有益效果如下与确定型水库预报调度动态规划方法相比，本发明方法考虑了径流预报的不确定性，其径流预报值为灰数，使得最后计算得到的最优发电量也是一个灰数，表面上看似增加了不确定性，但是其对应的调度曲线却是唯一的，更加有利于生产单位执行水库调度方案，符合工程的实际情况需要；与随机型动态规划相比，该方法考虑了整个计算时段的预报值，充分利用了已知条件，使得调度曲线更加接近于实际最理想曲线。通过本发明的水库预报调度的灰色动态规划方法，可以得到两个结果各月可用库容(即时段初、末水位)和预期发电量，根据可用库容可以指导电站短期优化发电调度，同时可以指导水库的其它用水部门的用水需求；预期发电量可以使电站根据自身要求制作发电计划，现在各电站通过竞价上网，根据计算结果，可以在预知发电量范围的前提下把握主动，依据自身发电情况合理报价，不仅如此，在预报精度足够高的情况下，本方法能逼近最优理想解，提高发电量。
图1本发明水库预报调度的灰色动态规划方法的流程图。
图2动态规划最优调度线计算示意图。
图3水库水位变化过程线。
具体实施例方式 下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。但是本发明不限于所给出的例子。
例1某库的主汛期为4-6月，在供水期初水位为230m，调度期末水位为190m。以月为调度时段，表4为全供水期各月实测流量表。
如图1所示，为本发明水库预报调度的灰色动态规划方法的流程图，本发明的方法可参见此图。
首先把全时期T(头年的7月至次年的3月，共9个月)分为9个时段，每个时段Δt取为1个月，其各个时段的径流预报值范围为q1()，q2()，…，q9()，采用逆序法，根据供水期各月预报流量表(表3)可知，6月30日各月流量预报数据为q9()∈[18.1，30.4](m3/s)，q8()∈[67.0，90.4](m3/s)，q7()∈[86.4，110.5](m3/s)，q6()∈[10.7，16.3](m3/s)，q5()∈[12.1，20.0](m3/s)，q4()∈[8.8，15.4](m3/s)，q3()∈[34.3，60.2](m3/s)，q2()∈[120.8，220.9](m3/s)，q1()∈[73.0，120.4](m3/s)，下标按照逆序排列。将介于调度期末目标库容量与调度期初库容量之间的水库库容进行离散化，将起始水位到目标水位之间的库容划分为100个状态(也可以划分库水位，则对应的蓄水量为对应状态)。得到库容状态集P＝{V1，V2，…，V100}，V1对应调度期末目标库容量，V100对应调度期初库容量，V1、V100为已知数值，根据水库水位库容关系曲线(表1)知调度期末目标库容量V1＝44884万m3，应调度期初库容量V100＝158424万m3。表1为水库水位-库容关系表，表1中列举了只部分数据，每个水库都有一张自身的水库水位-库容关系表，数据量非常大，本实施例只列举部分数据加以说明。
采用逆序计算，步骤如下 (1)第1时段计算水库第1时段所发的发电量 因为本时段末水位均要求降到目标水位，所以V01为一固定值(万m3)，因而对时段初的任一状态(蓄水量)而言，本时段只有唯一的一条调度线，即时段初蓄水量到时段末相应于死水位蓄水量之间的连线，该调度线也就是最优调度线，没有选择的余地，动态规划最优调度线计算参见图2，根据公式计算出第1时段内各个状态对应的发电引用流量Q1i()，例如库容从第二状态调度至第一状态的发电引用流量(m3/s)再根据公式计算出库容从第i状态Vi调度至目标库容量V1所发的发电量f1i()，如库容从第二状态调度至第一状态所发的电量(万kW*h)，水库出力系数A＝8.3(对于不同的水库，其水库出力系数可能不同)，H1i为第i状态下的上下游水位差，一般而言上下游水位差的计算是由时段初、末状态的上游水位平均值减去下游平均水位而得出，本时段末状态上游水位为190.00m，初状态为190.59m，因此时段初、末状态的上游水位平均值为190.30m，下游平均水位的可根据水库尾水流量关系曲线表(表2)中读出，每一个水库都有其自身水库尾水流量关系曲线表，表中数据都是已知，而且表中的数据非常详细，本实施例中，表2中只列举了部分数据加以说明，表2中的尾水流量是指发电引用流量，本发明中，本时段的发电引用流量为[77.4，124.8](m3/s)，是灰数，这里用它的平均值作为表2中尾水流量，该尾水流量为101.1m3/s，与其对应下游平均水位为124.01m(参见表2)，因此库容从第二状态调度至第一状态的上下游水位差表5中列举了本时段部分优选计算值。本步骤中V1i、H1i、Q1i()、f1i()的上标i＝1，2，3…，100。
(2)第2时段计算水库第2时段所发的最优发电量 理论上该时段每一个初始状态同全部时段末的100个状态构成100个可能的调度线，V2m同t1时刻的100个状态构成100个调度线。这样总共有100×100个调度方案。但实际上，由于各种约束，本实施例中，已使第1时段初状态即第2时段的末状态从100个减少到46个，因而实际调度方案大大减少。
对于库容从本时段初的i状态调度至本时段末的第j状态，其发电引用流量Q2i，j()可以根据公式计算得出，从而根据公式算出该时段内库容从第i状态调度至本第j状态的发电量N2i，j()，最后通过第一时段的发电量f1j()即为余留期最优发电量，求得第2时段发电量与余留期最优发电量之和N2i，j()+f1j()，并对其进行最大值计算，即i固定，计算j等于多少时N2i，j()+f1j()取得最大值，得到本时段第i状态下的最优发电量即为全时期发电量，对不同的时段末状态按上述方法分别求出对应的优发电量以及最优调度方案。其中N2i，j()表示水库库容从本时段初第i状态Vi调度至本时段末第j状态Vj的发电量，H2i，j为本时段库容从第i状态调度至第j状态的上下游水位差，Q2i，j()为第2时段内发电引用流量，前述的式子中j＝1，2，…100，i可以取值1，2，…100。
如针对初始状态为V246(Z＝212.35m)的情况，对全时期的总发电量N246，j()+f1j()进行比较，其中，理论上j＝1，2，…100，但是在实际计算过程中，根据余留期(第1时段)的计算得知末状态在V11～V146之间，故而j＝1，2，…46，大大减少了计算量，总发电量N246，j()+f1j()为区间灰数，区间灰数的比较可以参考以下文献 [1]徐泽水，达庆利.区间数排序的可能度法及其应用[J].系统工程学报，2003，18(1)67～70. [2]徐泽水，达庆利区间数的排序方法研究.[J].系统工程，2001，19(11)94-96. [3]罗党刘思峰灰色动态规划研究[J].系统工程理论与实践2004，(4)56-62. 根据文献[1]、[2]、[3]，对于V246的第二时段的最优发电量最后得到当j＝46时，f246()取得最大值，且(万kW*h)，因此相应的调度线为V246-V146-V01(根据水位-库容关系表，该调度线也可以表示为212.35m-212.35m-190.00m)，该调度线就是V246对应的最优调度线。按同样的方法，对所有可能的初始状态，均可分别求出最优调度方案，表6中列举了本时段部分优选计算值。
(3)第3～8时段 以步骤2中的方法为例，依次计算第3、第4、...、直到第8时段的最优发电量，最终得到第8时段的最优发电量i＝1，2，…100，j＝1，2，…100。
(4)第9时段 计算水库第9时段(最后一个时段)所发的最优发电量其中N9j()表示水库库容从本时段初状态V100调度至本时段末第j状态Vj的发电量，其中H9j为第9时段水库库容从初状态V100调度至第j状态Vj的上下游水位差。由于初始状态是一个固定值V9100，因此对V9100进行计算和优选，方法同步骤(2)，唯有不同之处是，这里只是针对V9100这个状态位进行计算，最后利用灰度比较公式进行动态规划计算，得出最优调度路径。
表7为本实施例全供水期调度最优成果，其最优调度线为218.24m-218.24m-218.24m-207.87m-202.80m-199.46m-199.46m-199.46m-190.00m。从表中可知利用灰色动态规划方法计算得7月末水位为218.24m，预计调度期总发电量为[44372.88，56399.18](万kW*h)。其中预计7月份发电量为[11064.92，11795.7](万kW*h)，7月份实际径流为21.2m3/s，发电量为11251.33万kW*h。通过本次计算，可以得到7月末水位的较优解，然后再结合7月份初始、末水位已知的情况进行7月份的短期发电优化调度。在7月底又得到一组预见期较短精度更高的8-3月份的预报入库流量，在218.24m的基础上重新计算。这样在上次调度的结果基础上，进行预报-调度-再预报-再调度的滚动调度。最终调度结果可见表8。
当预报数据为一确切的实数时，灰色动态规划模型就退化为普通的动态规划方法。取与灰色动态规划方法同样的计算参数。对比普通动态规划方法与灰色动态方法两种计算结果的库水位变化过程如图3所示 其中调度线3为确定型(预报数据为白数)的水位变化过程线。其它为灰色动态规划方法计算结果调度线2为全供水期(N＝9)初计算的水位变化过程线；调度线1是预报调度模型利用滚动调度在调度期结束后整个供水期实际的水位变化过程线。从变化趋势可以得出这样的结论当预报精度较高时，预报调度的结果同最优理想结果比较接近；当预报误差较大时，该月的计算水位与最优水位相差也较大。预报数据越精确，预报调度的结果越理想。
水库调度的成果很大程度上取决于径流预报。随着科技的发展，径流预报的精度比以前有了较大提高，如何充分利用预报值成了调度工作者的一个新问题。事实上预报结果是不断修正的，预见期越短，预报精度就越高。随着过程的演进，当接到新的预报信息，可以根据新信息开展预报作业，给出新的径流预报，用调度模型寻求相应的更新决策过程。循此渐进，直至该场调度过程结束。
与确定型动态规划方法相比，灰色动态规划方法考虑了径流预报的不确定性，更符合工程实际；与随机型动态规划相比，该方法考虑了整个计算时段的预报值，充分利用了已知条件。通过预报调度的灰色动态规划模型，可以得到两个结果各月可用库容(即时段初、末水位)和预期发电量。根据可用库容可以指导电站短期优化发电调度，同时可以指导水库的其它用水部门的用水需求；预期发电量可以使电站根据自身要求制作发电计划，现在各电站通过竞价上网，根据计算结果，可以在预知发电量范围的前提下把握主动，依据自身发电情况合理报价。不仅如此，在预报精度足够高的情况下，本方法能逼近最优理想解，提高发电量。
本方法的创新点在于径流描述的不同，因为降雨、河道径流等水文气象因素总是随机出现的；而在随机型模型考虑了所有可能的概率，扩大了可能范围；本方法结合径流预报，用区间灰数描述径流的不确定型，即考虑了随机因素，又充分利用预报的已知信息；本发明方法中，径流预报值为灰数，使得最后计算得到的最优发电量也是一个灰数，表面上看似增加了不确定性，但是其对应的调度曲线却是唯一的，更加有利于生产单位执行水库调度方案，符合工程的实际情况需要，这正是本发明方法最鲜明的优点。
表1水库水位库容关系曲线 表2水库尾水流量关系曲线 表3供水期各月预报流量(m3/s)
表4供水期各月实测流量 表5第1时段优选 表6第2时段优选计算 表7全供水期调度最优成果 表8全供水期水位变化表(单位m)
权利要求
1.水库预报调度的灰色动态规划方法，对于处在调度期内的水库，将介于调度期末目标库容量与调度期初库容量之间的水库库容进行离散化，得到库容状态集P＝{V1，V2，…，Vm}，V1对应调度期末目标库容量，Vm对应调度期初库容量，V1、Vm为已知数值；将调度期划分为1，…t，…n共n个时段，其各个时段的径流预报值范围为q1()，q2()，…，qn()，其中qt()为灰数，t＝1，2，…，n，每个时段对应有m个最优发电量，对整个调度过程采用动态规划逆序递推方法，其具体步骤如下
(1)、计算水库第1时段所发的发电量前述的发电量由m种状态的库容对应的发电量组成，其中针对水库库容从第i状态Vi调度至目标库容量V1所发的发电量为式中，i＝1，2，…m，A为水库出力系数，H1i为第i状态下的上下游水位差，Q1i()为第1时段内发电引用流量，V1i为第1时段初的水库库容状态，V01为第1时段末的水库库容状态，T为第1时段的时间长度；
(2)、计算水库第2时段所发的最优发电量对于第i状态下的最优发电量为i可以取值1，2，…m，其中N2i，j()表示水库库容从本时段初第i状态Vi调度至本时段末第j状态Vj的发电量，H2i，j为本时段库容从第i状态调度至第j状态的上下游水位差，Q2i，j()为第2时段内发电引用流量，
(3)、以步骤2中的方法为例，依次计算第3、第4、...、直到第n-1时段的最优发电量，第n-1时段的最优发电量
(4)、计算水库第n时段所发的最优发电量其中Nnj()表示水库库容从本时段初状态Vm调度至本时段末第j状态Vj的发电量，本时段内发电引用流量其中Hnj为第n时段水库库容从初状态Vm调度至第j状态Vj的上下游水位差。
全文摘要
水库预报调度的灰色动态规划方法，将水库库容进行离散化，调度期划分为n个时段，对整个调度过程采用动态规划逆序递推方法，计算水库第1时段所发的发电量；然后依次计算第2至最后时段所发的最优发电量，计算出最后时段所发的最优发电量也就得到了最优调度路径。本发明考虑了径流预报的不确定性，其径流预报值为灰数，使得最后计算得到的最优发电量也是一个灰数，表面上看似增加了不确定性，但是其对应的调度曲线却是唯一的，更加有利于生产单位执行水库调度方案，符合工程的实际情况需要；与随机型动态规划相比，该方法考虑了整个计算时段的预报值，充分利用了已知条件，使得调度曲线更加接近于实际最理想曲线。
文档编号G06Q10/00GK101149822SQ20071013391
公开日2008年3月26日 申请日期2007年10月15日 优先权日2007年10月15日
发明者马志鹏 申请人:马志鹏