一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站多目标优化调度混合搜索方法
【专利摘要】本发明涉及水资源综合开发利用和优化调度领域，特别涉及一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站多目标优化调度混合搜索方法，可以充分发挥通航反调节电站作用，兼顾电网调峰和河道通航应用要求，获得较实际调度更加合理的梯级运行计划。其技术方案为：采用电网余荷最大值最小和反调节电站下游河道水位过程方差最小为目标，在NSGA-Ⅱ搜索过程中，针对爬坡上限、出力波动控制限制、开停机最小持续时间、期末水位控制等复杂约束，提出时间耦合约束处理策略、末水位修正策略及改进的遗传操作算子，以提高方法搜索求解效率和获得满足工程应用要求的计算结果，适于在具有航运要求的梯级水电站调度运行中推广采用。
【专利说明】—种耦合调峰和通航需求的梯级水电站多目标优化调度混合搜索方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水资源综合开发利用和优化调度领域，特别涉及一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站多目标优化调度混合搜索方法。
技术背景
[0002]我国大江大河普遍面临发电、防洪、通航、生态等综合利用要求，这些目标通常相互冲突，特别是对于有通航和调峰要求的梯级水电站群，两者矛盾更为尖锐。一方面，我国电网普遍存在巨大的调峰压力，随着风电、光伏电等间歇式新能源大规模并网，这种压力有增无减，需要优质水电承担更多的调峰责任。另一方面，当水电参与系统调峰时，若没有有效的调控措施，必然会造成下游河道水位频繁起伏，严重破坏航运条件，直接威胁航运安全，修建反调节电站就是必然的选择。但反调节电站如何与上游梯级水电站群联合运行，兼顾水电调峰和河道通航需求，已成为我国电网和梯级水电站群调度中亟待解决的理论和实践课题，需要构建切实可行的方法。
[0003]澜沧江流域是我国十三大水电基地之一，其在云南境内干流整体规划三库十四级电站，中下游河段按两库七级开发，除橄榄坝正在建设外，中下游其余电站已基本开发完成。景洪、橄榄坝作为第六级、第七级电站，承担着云南省电网调峰任务和澜沧江下游河道通航需求。目前，景洪是澜沧江上的主要通航调节电站，承担着澜沧江下游河段思茅港、景洪港、关累港的通航调节任务，同时作为云南电力支柱产业的骨干工程之一，景洪电站又担负着云南电网的复杂调峰任务。随着近些年用电负荷需求的快速增长，电网峰谷差不断拉大，调峰压力日益加剧，导致电站的发电调峰与通航用水需求之间的矛盾十分突出。
[0004]本发明成果解决的问题来源于澜沧江景洪-橄榄坝、长江三峡-葛洲坝、黄河小浪底-西霞院等通航工程实际，提出的模型方法可以在保证下游河道通航条件下显著提高和改善梯级水电站群调峰能力，是一种切实可行高效的方法，将为这些工程的实际调度运行提供一种可行的技术途径。
【发明内容】
[0005]本发明要解决的技术问题是提供一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站群多目标优化调度方法，可以充分发挥通航反调节电站作用，兼顾电网调峰和河道通航应用要求，获得较实际调度更加合理的梯级运行计划。
[0006]本发明的技术方案为:本发明揭示了一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站群多目标优化调度混合搜索方法，按照下述步骤(1)-(9)实现多目标优化调度的搜索过程:
[0007](I)初始化。初设非支配排序遗传算法NSGA-1I (Non-dominated Sorting GeneticAlgorithm II)和搜索策略的各种参数，包括种群规模N、最大迭代次数K及遗传概率等，令迭代次数k = O ;
[0008](2)确定初始种群。在库水位运行范围内生成一系列满足水位约束的个体；[0009](3)初始解修正。采用时间耦合约束调整策略修正部分非可行个体，以确保初始种群中所有个体均为原问题可行解；
[0010](4)按个体适应度进行排序。根据调峰目标和航运目标分别计算个体适应度，利用不同目标适应度大小判断个体支配关系，进行分层排序；
[0011](5)执行遗传操作。依次进行选择、交叉和变异，得到新一代子种群；
[0012](6)末水位修正。按步骤(3)方法修正新种群中不可行个体，然后判断子代个体是否满足末水位控制要求，若是，转至步骤(7);否则，采用末水位修正策略和步骤(3)方法对个体进行修正；
[0013](7)合并父代种群和子种群，进行非支配分层排序和拥挤距离计算，选取前N个个体形成新种群；
[0014](8)判断是否满足终止条件。若是，则转至步骤(9);否则，令k = k+Ι，转至步骤(5)；
[0015](9)输出Pareto解集(多目标规划问题的有效解也称为Pareto最优解)。
[0016]本发明对比现有技术有如下有益效果:本发明一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站群多目标优化调度混合搜索方法，可有效地协调梯级电站调峰和下游河道通航两个目标，处理梯级水电站出力爬坡限制、出力波动控制、开停机最小持续时间等复杂耦合约束，同时精确控制调度期末水位，获得科学合理的多目标Pareto解集及其前沿分布。其技术方案为:在非支配排序遗传算法(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II, NSGA-1I )搜索过程中，针对电站爬坡上限、出力波动控制限制、开停机最小持续时间、期末水位控制等复杂约束，提出时间耦合约束处理策略、末水位修正策略及改进的遗传操作算子，以提高方法的搜索求解效率和获得满足工程应用要求的计算结果。本发明的有益效果是可以充分发挥通航反调节电站作用，兼顾电网调峰和河道通航应用要求，获得较实际调度更加合理的梯级运行计划。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1(a)是出力过程呈〃凸字型〃的出力波动控制调整策略示意图；
[0018]图1 (b)是出力过程呈〃凹字型〃的出力波动控制调整策略示意图；
[0019]图2(a)是停机持续时间约束调整策略调整前出力过程示意图；
[0020]图2(b)是停机持续时间约束调整策略调整后出力过程示意图；
[0021]图3是总体求解框架示意图；
[0022]图4是系统典型日负荷曲线图；
[0023]图5是Pareto前沿分布图；
[0024]图6是典型方案调峰效果和下游水位对比图；
[0025]图7(a)是本发明方法计算所得景洪出力过程与实际调度景洪出力过程对比图；
[0026]图7(b)是本发明方法计算所得橄榄坝出力过程示意图；
[0027]图7 (C)是本发明方法计算所得下游河道水位过程与实际调度下游河道水位过程对比图。
【具体实施方式】[0028]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
[0029]NSGA-1I算法因多目标求解优势已在科学研究和工程实践领域得到广泛应用，但直接应用于本发明梯级水电站群多目标优化调度问题，还需要处理大量复杂的时间耦合约束和电站控制要求，这给优化求解带来很大困难，其难点主要表现在以下几方面:
[0030]I)水电站群调度需要考虑出力爬坡限制、出力波动控制需求、开停机最小持续时间等复杂时间耦合约束，这些约束的综合作用导致单一时段可行决策空间大幅缩小，极大地限制了算法搜索效率和优化结果质量，通常难以在有限时间内获得可行解；
[0031]2)通航反调节电站多为日调节及以下小型水库，对调度期末水位的控制要求很高，易受上游电站下泄流量的大幅波动和自身的安全运行要求影响，常用的惩罚函数法很难精确控制到给定的目标水位，而且会降低算法搜索效率；
[0032]3)在NSGA-1I算法的进化过程中，需要频繁进行选择、交叉、变异等遗传操作，这些操作极易破坏父代可行解的时间耦合约束，进而产生大量不可行解，所以如何在搜索过程中保证解的可行性，并改善搜索效率，也是问题求解的难点之一。
[0033]本发明将NSGA-1I作为主体寻优算法，并在搜索过程中引入电站爬坡上限、出力波动控制、开停机最小持续时间等多种约束处理策略及末水位修正策略，保证优化结果的可行性，避免对原问题的简化处理，实现多目标优化搜索，可以获得满意的Pareto解集；同时引入全概率选择算子、算数交叉算子、定向变异算子等遗传操作以提高算法的搜索效率和求解质量。
[0034]本发明的耦合调峰和通航需求的梯级水电站多目标优化调度混合搜索方法可兼顾梯级电站调峰任务和下游河道航运需求，所考虑的两个目标函数分别是调峰目标和航运目标。其中，调峰目标可以描述为:给定调度期各电站始末水位、运行控制约束及来水过程，求解梯级水电站群的日96点出力和库水位，使经水电调节后的系统余留负荷最大值最小，见下式:
[0035]
【权利要求】
1.一种耦合调峰和通航需求的梯级水电站多目标优化调度混合搜索方法，其特征包括如下步骤， (1)初始化:初设NSGA-1I算法和搜索策略的各种参数，包括种群规模N、最大迭代次数K及遗传概率等，令迭代次数k = O ; (2)确定初始种群:在库水位运行范围内生成一系列满足水位约束的个体； (3)初始解修正:采用时间耦合约束调整策略修正部分非可行个体，以确保初始种群中所有个体均为原问题可行解； (4)按个体适应度进行排序:根据调峰目标和航运目标分别计算个体适应度，利用不同目标适应度大小判断个体支配关系，进行分层排序； (5)执行遗传操作:依次进行选择、交叉和变异，得到新一代子种群； (6)末水位修正:按步骤(3)方法修正新种群中不可行个体，然后判断子代个体是否满足末水位控制要求，若是，转至步骤(7);否则，采用末水位修正策略和步骤(3)方法对个体进行修正； (7)合并父代种群和子种群，进行非支配分层排序和拥挤距离计算，选取前N个个体形成新种群； (8)判断是否满足终止条件:若是，则转至步骤(9);否则，令k= k+Ι，转至步骤(5)； (9)输出Pareto解集。
【文档编号】G06Q10/04GK104036334SQ201410301613
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】程春田, 牛文静, 申建建, 武新宇 申请人:大连理工大学