（水文学及水资源专业论文）水电站水库优化调度模型及gfs预报信息的应用研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 径流序列是水电系统最重要的输入，在水电站制定发电计划及水库运行决策的过程 中起着极其重要的作用。然而，入库径流具有时间连续性、随机性、不重复性、地区性 和周期性，且现阶段的中长期预报水平，尤其是汛期的预报精度很低，实质上是一非平 稳的周期连续随机过程。为了获得更大的发电效益，必须利用一切可以利用的信息，建 立符合流域特性的径流描述模型。本文把入库径流作为随机过程处理，建立了有、无时 段径流预报相结合的马氏性径流描述模型，并且利用g f s 降雨数值预报信息，对模型 进行了补充完善。 在发电优化调度方面，本文以有、无时段径流预报相结合的马氏性径流描述模型为 基础，研究建立了有、无预报以及交界时段的目标递推方程；对于梯级多库联调而言， 随着系统规模的扩大，。维数灾”成为随机优化调度的瓶颈，本文采用了逐次逼近优化 算法，对锦屏一级二滩两库优化模型进行了求解计算，达到了降维、提速的效果。具 体工作如下； ( 1 1 二滩水库、锦屏一级一二滩梯级水库径流描述模型的建立。通过径流序列的相关 性分析，研究其是否具有马氏性；利用季节性自回归模型对各个时段径流进行预报，分 析其可预报性，选择预报精度较高时段采用有预报的径流描述方法，而预报精度较低时 段采用无预报的径流描述方法；利用时间序列的随机模拟技术，以模拟出的长序列作为 输入统计计算径流状态转移概率矩阵。 ( 2 ) 以有、无时段径流预报相结合的马氏性径流描述模型为基础，调度期内发电量 最大为目标建, - y 7 - 滩水电站水库的优化调度模型，并研究求解过程中的相关问题；通 过历史径流序列的模拟调度，研究分析不同径流描述和丰、平、枯水年下的调度结果。 ( 3 1 以有、无时段径流预报相结合的马氏性径流描述模型为基础，建立了锦屏一级 二滩梯级水库的发电优化调度模型，并运用逐次逼近动态规划优化算法对模型进行计算 求解。 ( 4 ) 首先分析g f s 降雨数值预报信息的可利用程度，再以预报降雨为主因子建立二 滩水电站汛期旬径流的枯、平、丰三级预报模型，分析其预报误差分布；然后以己建立 的二滩水电站有、无预报相结合的发电调度模型为基础，针对汛期无径流预报的时段， 利用径流定性预报结果对调度决策进行修正改进：最后，通过模拟调度分析改进方案的 可行性及优越性。 关键词：水电站水库；径流描述摸型；优化调度；动态规划；g f s 应用 水电站水库优化调度模型及g f s 预报信息的应用研究 s t u d ro i lt h eo p t i m a lo p e r a t i o nm o d e lo f i - i y d r o p o w e rs t a t i o nr e s e r v o i r a n dt h e a p p l i c a t i o no f g f si n f o r m a t i o n a b s l ：r a c l ： r u n o f f i st h em o s ti m p o r t a n ti n p l i to f t h eh y d r o p o w e rs y s t e m , a n di tp l a y sf i l li m p o r t a n t r o l ei ng e n e r a t i o ns c h e d u l ea n dd e e i s i o nm a l d n gf o rt h eo p e l 面o no fh y d r o p o w e rs t a t i o n s i n c et h ec o n t i n u i t y , s t o e l l a s t i e ，n o n - r e p e a t a b i f i t y ，r e g i o m la n dp e r i o d i c i t yi n v o l v e di nt h e i n f l o w ，r u n o f fi se s s e n t i a l l yan o n - s t a t i o n a r ys t o c h a s t i cp r o c e s s ，w h i c ha m s e st h e1 3 0 0 1 a c c u r a c yo fm e d i u m - l o n gt c mi n f l o wf o r e c a s t , e s p e c i a l l yf o rt h ef l o o ds e a s o nf o r e c a s t 缸 p r e s e n t t oa c h i e v em o l ep o w e rb e n e f i t , r u n o f fd e s c r i p t i o nm o d e ls u i t a b l et ot h ew a t e r s h e d s h o u l db ed e v e l o p e d 邺i n ga l lk i n d so fi n f o r m a l i o n i nt h i ss t u d y ，i n f l o wi si r e a t e da st h e s t o c h a s t i cp r o c e s s a n dt h em a r k o vr u n o f fm o d e li se s t a b l i s h e d , w h i c hc o m b i n e dt h et i m e i n t e r v a lw i t l ao rw i t h o u ti n f l o wp r e d i c t i o n - f u r t h e r m o r e t h em o d e li si m p r o v e db yu s i n gt h e n u m e r i c a lf o r e c a s to f p r e e i p i t a t i o nr e l e a s e db yt h eg f s b a s e do nt h em a r k o vi n f l o wd e s c r i p t i o nm o d e l t h er e e u r s i o ne q t m t i o no ft h ep r o p o s e d m o d e li sd e v e l o p e d t oo v e l p 。o l n et h ew e l l - k n o w nd i m e m i o n a l i t yp r o b l e ma s s o c i a t e dw i t ht h e j o i n t l ys t o c h a s t i co p t i m a lo p e r a t i o no ft h ec a s c a d er c s c l v o i r , s u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o n a l g o r i t h mi se m p l o y e dt os o l v et h eo p t i l n a lo p e 枷o nm o d e lo fj i n p i n g - a n de r t a nr e s e r v o i r u n d e rs t u d y w h i c hc a nr e d u c et h ep r o b l e m sd i m e m i o ma n da u c v i a t et h ec o m p l a t i o nl o a d 1 1 1 e $ p e c i 丘cw o r ki s 船f o l l o w s ： ( 1 ) e s t a b l i s h m e n to fi n f l o wd e s e r i p t i o nm o d e lf o re r t a nr e s e r v o i r , c 越昭a d er e s e r v o i r so f j i o p i n g - ia n de r t a nf i r s t l y ，m a r k o vp r o p e r t yo ft h er u n o f fs e r i e si st e s t e da c c o r d i n gt ot h e c o r r e l a t i o na n a l y s i s s e c o n d l y ，s e a s o n a l l ya u t o r e g r e s s i v em o d e li se m p l o y e df o rr u n o f f p r e d i c t i o n , t h e nt t a er u n o f fd e s c r i p t i o nm o d e lw i t hp r e d i c t i o ni se m p l o y e aa tt h et i m ei n t e r v a l w i t ht h eh i 【g hf o r e c a s ta c c u r a c y ，w h i l ea tt h et i m ei n t e r v a l 埘t ht h ep o o l f o r e c a s ta c c u r a c y ，t h e r u n o f fd e s c r i p t i o nm o d e lw i t h o u tp r e d i c t i o ni su s e d t h i r d l y ，t h es t a t ei r a m i t i o np r o b a b i l i t y m a l l i xo f r t m o f f i sa c h i e v e db yu s i n gt h em e t h o do f s t o c h a s t i cs i m u l a t i o n ( 2 ) b a s e do i lt h ep r o p o s e dm o d e l ，t h eo p t i l n a lo p e r a t i o nm o d e lf o re r t a nh y d r o p o w e r s t l l t i o ni sd e v e l o p e dw i t ht h eo b j e c t i v eo fm a x i m i z i n gt h eg e n e r a t i o n , a n ds o m ep r o b l e m sf o r s o l v i n gt h em o d e l 黜s t u d i e df u r t h e r ；t h eo p e r a t i o nr e s u l ti sa n a l y z e du n d e rt i l ec o n d i t i o no f t h ed i f f e r e n tr t m o f f d e s e r i p t i 0 1 1m o d e l sa n dd i f f e r e n tw i l t s - y e a r 一i i 大连理工大学硕士学位论文 ( 3 ) b a s e d0 1 1t h ep r o p o s e dm o d e l ，t h eo p d m a io p e r a t i o nm o d e l 斯j i n p i n g - ia n de r t a n c a s c a d er e s e r v o i r si se s t a b l i s h e d , a n ds u c c e s s i v ea p p r o x i m a t i o nd y n a m i cp r o g r 删n i n g a l g o r i t h mi su s e df o rs o l v i n gt h e m o d e l h ) 硼1 ea v a i l a b i l i t yo ft h en u m e r i c a lp r e c i p i t a t i o nf o r e c a s tr e l e a s e db yt h eg f si s d i s c u s s c df i r s t , a n dt h e nt h e3l e v e l ( m y ，n o r m a la n dw e t ) p r e d i c t i o nm o d e lo f10d a y si n f l o w f o re r t a nh y d r o p o w e rs t a t i o ni sd e v e l o p e dw h i c hu s e st h ef o r e c a s tp r e c i p i r a t i o na st h em a i n f a c t o r , t h e nt h e d i s t r i b u t i o no ff o r e c a s te r r o ri sa n a l y z e d d u r i n gt h ep e r i o d sw i t h o u tt h e i n f l o wf o r e c a s ti nt h ef l o o ds e a s o n , t h eo p e r a t i o nd e c i s i o ni sr e v i s e da n di m p r o v e da c c o r d i n g t ot h eq u a l i t a t i v er u n o f f f o r e c a s t f i n a l l y ，t h ef e a s i b i l i t ya n ds u p e r i o r i t yo f t h er e v i s e ds c h e m e 矾d i s c u s s e dt h r o u g ho p e r a t i o ns i m u l a t i o n 。 k e yw o r d s ：h y d r o p o w e rs t a t i o n ：i n f l o wd e s c r i p t i o nm o d e l ；o p 6 m a lo p 甑a t i o n ； d y m m i cp r o g r a m m i n g ；a p p l i c a t i o no fg f s i i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经反表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 导师签名： 壹二生年卫月兰兰日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景 电力能源是发展国民经济和提高人民生活质量的基础和动力。近年来，随着国民经 济的飞速发展，对能源需求不断增长，导致了某些地区出现了由于电能供应不足而影响 经济发展和人民正常生活的现象。多个城市进行了拉闸限电，严重制约了我国经济的持 续协调发展。根据计算，为了保证g d p 年均增长7 以上，我国面临能源供应保持年增 4 左右的压力，到2 0 5 0 年，能源年消耗量将达到标煤3 8 亿吨，相当于2 0 0 0 年的3 倍， 成为世界第一能耗大国。如果我们不能解决能源发展的问题，未来我国经济的发展将受 到能源短缺带来的价格波动的影响，这势必会阻碍我国经济的增长。 从长远角度考虑，要从根本上解决我国的能源短缺问题，需大力发展可再生能源。 因此，发展包括水电、风和生物质能源在内的各种可再生能源，是我国可持续发展的战 略选择，也是确保能源安全的重要力量 可再生能源中，水电是主体。水电在世界上是主要能源之一，提供了全球大概五分 之一的电力，在可再生能源发电量中占9 5 。水电具有众多优质特性：不消耗燃料，而 且是干净的、可再生的、绿色的。同时，水电站机组开停灵敏、迅速，并可迅速改变出 力大小，以适应负荷的变化，可担任系统的调峰、调频和事故备用等任务，保证电网的 安全顺利运行我国河流水能资源的蕴藏量是十分丰富的，居世界首位，开发条件优越， 应优先发展水电。 为了充分合理地利用水资源，解决国计民生不可缺少的能源和水源问题，不但要注 重修建水利水电等工程措施，而且还应该重视和发挥非工程措施的作用。水库调度是一 项保证水利水电工程及下游防洪任务安全，充分发挥水资源综合利用效益的非工程措 施。众多水库调度的先进经验表明，研究采用新的调度方法和现代化的调度手段，或改 进调度方式，将会取得投资少、收益大的效果。 水库调度是指人们运用水库的调蓄能力，通过水利枢纽的各种建筑物及设备，按设 计要求有目的地调节控制河流的天然来水，在保障水库自身和下游防护安全前提下，充 分发挥水库的综合利用效益，满足综合兴利各部门的需要，达到除害兴利的目的。调度 方法可分为三类： ( 1 ) 常规调度方法，即以历史的实测资料为依据，利用古典的水文学、水力学和径 流调节的基本理论，研究调度方式和调度规则，绘制调度图，编制调度规程等指导水库 运行的方法。这种方法简单明了，具有一定的客观性和可靠性，在假定历史径流重演的 水电站水库优化调度模型及g f s 预报信息的应用研究 前提下绘制的调度图一般能满足调度原则，结果比较合理。但是调度模式缺乏数学最优 化理论基础，使用规则不考虑面临时段的径流预报，很呆板、不灵活带有一定的盲目 性，效果不理想，且很难处理多目标、多种约束的复杂水利系统的调度问题。由于决策 过程中，仅以相应时间库水位作为参数，不能考虑与前后其他时段的相关关系，因此所 求结果不是全局最优解。 ( 2 ) 优化调度方法，以运筹学为理论基础，利用现代计算机技术和最优化方法，寻 求满足调度原则的最优调度方式或方案，绘制最优调度图指导水库运行。这种方法在5 0 年代兴起，理论与方法都已成熟，许多大型电站和水电站群都采用这种方法调度，且取 得了较好的收益。 ( 3 ) 模糊优化调度方法【i j ，它以模糊集合论为基础，并与常规调度技术、优化调度 技术融为一体，互相取长补短，进一步克服传统方法处理模糊信息及模糊现象所遇到的 困难，寻求满意的调度方式、调度方案和调度图，以指导水库运行。 实行水电站水库优化调度，可提高水电站及电力系统的经济管理水平，几乎在不增 加任何额外投资的条件下，便可获得显著的经济效益与社会效益，它是挖掘水电站潜力 的有效手段。因此，开展水电站水库的优化调度研究。具有非常重要的意义。 在水库的优化调度中，若能够充分有效地利用径流预报信息，补充完善径流描述模 型，使径流描述模型更符合实际，将可获得更大的发电效益。一般地，年径流量的8 0 以上集中在汛期，而水电站群全年发电效益的实现，取决于汛期的联合运行决策，所以， 要制定出科学合理的联合运行满意决策，关键看汛期径流描述是否符合实际。然而，水 库汛期的来水规律性较差，运用数理统计径流预报方法，预报效果很不理想。随着计算 机技术与i n t e r n e t 技术的飞速发展，近年来气象部门在网站上发布的1 0 - , 1 4 天降雨数值 预报产品达到了可利用的程度。因此，在水电站的实际运行中，不仅要考虑径流的随机 性统计信息、已发生降雨的预报径流信息，还应充分利用降雨的预报信息。 本文拟以雅砻江梯级水电站为工程背景，结合国家自然科学基金项目和平时的一些 生产实际，主要研究基于不同时期、不同阶段径流过程的描述方法及g f s 预报信息的 水电站水库优化调度模型。 雅砻江是金沙江的最大支流，现已规划了2 l 座梯级电站，是我国1 2 个水电能源基 地之一。近期雅砻江电站梯级开发的重点，主要集中在雅砻江中下游，两河口梯级为中 游控制性“龙头”水库，在下游河段规划建设的五个大型水电站中，二滩电站已建成投 产，锦屏电站己正式开工。该河段水能资源相当集中，是世界上少有的水电富集区；同 时，其技术经济指标十分优越，开发成本指标远远低于其他流域。开展水库( 群) 的优化 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 调度，利用一切可利用的信息，制定符合水库实际特性的优化调度规则，指导水库发电 调度工作，将可获的极大的经济效益。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 1 国内外研究概况 水库( 群) 的优化调度实质包括两个部分，一是入库径流的描述，二是水库水量的优 化调度，并且后者是建立在前者基础之上的。径流描述是否符合实际。关系到调度模型 及其求解结果是否能应用于生产实际；在实际调度运行中，是否能够利用径流预报信息 以及所利用预报信息的精确性在很大程度上影响着水库实时优化调度的效率和精度。 入库径流具有时间连续性、随机性、不重复性、地区性和周期性，实质上是一非平 稳的周期连续随机过程。为了方便应用和计算，在模型建立过程中，一般将之近似为时 间离散的平稳随机过程处理。目前在水库优化调度中，径流描述都是从径流的时历特性 和统计特性入手。根据对水文信息的处理不同，径流描述方法一般有确定性模型、随机 性模型、当前洪水预报与后期随机性模型相结合等方法闭。 ( 1 ) 天气预报 在水电站水库的实时运行中，若能利用天气预报信息补充修正径流描述模型，正确 指导水库运行，或者对优化决策进行修正，将可获得更大的发电效益。因此，天气预报 是水库优化调度中不可或缺的重要信息。 天气预报就是应用大气变化的规律，根据当前及近期的天气形势，对未来一定时期 内的天气状况进行预测。它是根据对卫星云图和天气图的分析，结合有关气象资料、地 形和季节特点、群众经验等综合研究后作出的。天气预报的主要内容是一个地区或城市 未来一段时期内的阴晴雨雪、最高最低气温、风向和风力及特殊的灾害性天气，就水库 调度而言，主要是考虑降雨预报。 1 6 世纪以前人们只能根据肉眼观测到的天象物象来判断天气或气候的变化，随着 科学观天测云经验的积累，一些有预示性的云天现象被编成谚语面流传，如“朝霞不出 门，晚霞行千里”、。东虹日头西虹雨”等，今天，这些谚语在我国农村仍然广为流传。 1 7 世纪中叶，意大利人托里拆利发明了气压表，气象观测进入到应用仪器阶段，随着气 象站的建立和气象理论的发展，出现了根据当地气象资料演变规律来预测未来天气的单 站预报方法。1 0 0 多年前，随着电报和探空气球的出现，地面和高空的气象报告可以被 较快地传递和集中，欧洲出现了天气图。1 9 世纪后半叶，英法等国一些科学家开始分析 天气图来制作天气预报。1 5 5 7 年荷兰人白贝罗发现了风压定律；1 9 1 7 年至1 9 2 8 年挪威 人皮叶克尼颠父子和瑞典人贝吉龙等刨立了气团、锋面的学说；1 9 3 7 年至1 9 3 9 年美籍 水电站水库优化调度模型及g f s 预报信息的应用研究 瑞典人罗斯贝创立了大气长波理论，使天气图预报方法由浅入深日臻成熟。现在，随着 计算机及航天应用技术的日趋成熟使得天气预报科技水平达到了更高层次，针对未来 1 1 4 天的中长期降雨数值预报，有美国全球预报系统( g l o b a lf o r e c a s t i n gs y s t e m ，c f s ) 、 中央气象台( 国家气象中心) l 。k ，模式等预报模型。 ( 2 ) 水文预报1 3 - 0 3 水文预报对于水库调度、洪水控制、发电、灌溉等工作至关重要。水文模型的研究 大约始于2 0 世纪5 0 年代，7 0 - - 8 0 年代中期是蓬勃发展时期，一些比较著名的模型，如 美国的斯坦福( s t a n f o r d ) 模型和萨克拉门托( s a c r a m e n t o ) 模型，日本的水箱( t a n k ) 模型以及 中国的新安江模型和陕北模型1 7 】等都在这一时期提出并得到应用。8 0 年代后期至今，全 世界范围内流域水文模型的发展处于缓慢阶段，除了对原有模型有一些修改外，几乎没 有什么突破性的进展。 2 0 世纪6 0 年代和7 0 年代的流域水文模型主要是概念性模型，即将流域水文过程概 化为一系列的数学计算元件，并组合为一个系统。近几十年来，基于物理基础的数据驱 动模型得到了迅速发展和应用，数据驱动模型基本不考虑水文过程的物理机制，而是以 建立输入输出数据之间的最优数学关系为目标的黑箱子方法，其中以回归模型最为常用 i s - 9 1 。基于物理过程的模型主要依据物理定律，基本方程中的参数有明确的物理意义， 可直接测量，模型预测能力较强，对于预测与环境变迁有关的水文过程十分有用。近年 来，由于时间序列模型1 0 1 、神经网络模型【1 1 1 、非线性时间序列分析模型、模糊数学方法 1 1 2 和灰色系统模型【1 3 1 等的引进，以及水文数据获取能力和计算机技术的迅速发展，此类 模型在水文预报中受到了广泛的关注。 ( 3 ) 水电站水库优化调度方法 实行水库( 群) 优化调度应解决两个问题，一是如何建立水库优化调度数学模型；二 是如何选择求解数学模型的最优化方法。前者包括确定目标函数和相应的约束条件；可 供选择的最优化方法主要有线性规划、非线性规划、整数规划、动态规划、网络技术和 大系统分解协调方法等。 单一水库优化调度 水电站水库( 群) 优化调度方法的研究已有较长历史。美国学者m a s s e 于1 9 4 6 年最早 将优化概念引入水库优化调度。西方国家的专业文献一般认为1 9 5 5 年美国哈佛大学水 资源大纲标志着系统分析及优化模型在水资源规划及管理中应用研究的开端。从水库调 度讲，李特尔( l i t t l e ) 于1 9 5 5 年提出随机的输入径流用m a r k o v 过程描述，并依据大古力 水电站3 9 年资料推求入流的概率转移矩阵，建立一个水电系统离散随机动态规划调度 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 模型，指导水库优化调度，从而标志着用系统科学方法研究水库优化调度的开始。1 9 6 0 年霍华德( h o w a r d ) 动态规划与马尔柯夫过程一书的发表为马氏决策规划模型奠定了 基础。近三十多年，研究者针对动态规划求数值解时的“维数灾”问题，又提出了一系 列改进模型及其求解方法，如：机遇约束线性规划模型( c c l p ) 、微分动态规划( d d p ) 、 离散微分动态规划( d d d p ) 、约束微分动态规划模型( c d d p ) 、随机动态规划模型( s d p ) 、 机遇约束动态规划模型( c c d p ) 、增量动态规划模型0 d p ) 、逐次逼近增量动态方法( d p s a ) 与逐次逼近优化法( p o a ) 等等。 我国，水库优化调度研究起步相对较晚，始于6 0 年代初，吴沧浦最先提出了年调 节水库最优运行的d p 模型。1 9 6 3 年，谭维炎、黄守信等提出了以年为周期的马氏决策 规划模型( m d p ) ，并用于狮子滩水库的规划调度中【1 4 1 。近2 0 年研究的比较广泛深入， 方法众多。1 9 7 9 年，张勇传、熊斯毅等提出有时段径流预报的m d p 模型，入库径流用 以年为周期的时空离散的简单马尔柯夫过程描述，面临时段入流以预报流量确定，优化 技术采用可变方向探索法，基于动态规划最优化原理，引入罚函项绘制了水库优化调度 图，应用于柘溪水电站水库优化调度i l 习。差不多同一时期，董子敖等人在研究刘家峡水 电站水库优化调度时，提出了国民经济效益最大的目标函数，在寻优技术方面采用了 满足保证率要求的改变约束法，以控制破坏深度【l 明；1 9 8 2 年，施熙灿、林翔岳等在研 究枫树坝水电站优化调度时，提出了保证率约束下的马可夫决策规划模型【l7 】；1 9 8 3 年， 张勇传、傅昭阳等人提出了建立在对策论基础上的水库优化调度0 9 t 1 8 1 。同年，鲁子林等 应用增量动态规划，并结合短期洪水预报模型，实施了富春江水电站的优化调度，获得 了平均每年增发电能2 4 7 0 万千瓦时的效益【l 明；1 9 8 6 年，李寿声、彭世彰等，结合一些 地区水库调度实际问题，拟订了一个非线性规划模型和多维动态规划模型，用于解决满 足多种水源分配的水库最优引水量问题1 2 0 。同年，王厥谋等为对汉江中、下游洪水进行 最优控制，建立了丹江口水库防洪优化调度模型【2 1 1 ，目标函数为各种控制目标的罚函数 之和，最优策略的求解方法采用线性规划法。1 9 8 6 年，张玉新、冯尚友建议了一个多维 决策的多目标动态规划模型，以多目标中某一目标为基本目标，而将其它非基本目标作 为状态变量处理，求解方法仍基于一般的动态规划原理吲，该法实质上是单目标动态规 划法在多目标问题中的应用，因此，随着维数的增加，计算工作量必然增加较多。为克 服这一问题，张玉新、冯尚友又于1 9 8 8 年提出了一个称之为多目标动态规划迭代法的 求解方法田】，该法的核心是构造一个三级段函数，计算效率有所提高。在研究以发电量 和淤积量为目标的水沙联合优化调度中，用该法求出非劣解集后再随用均衡规划法选出 满意的调度方案 水电站水库优化调度模型及g f s 预报信息的应用研究 上述单一水库优化调度的研究和应用，把入库水量过程或者视作确定性的，或者视 作随机性的，但事实上水文气象现象还具有一定的模糊性。1 9 6 5 年美国控制论专家z a d e h 创立了模糊数学。1 9 7 0 年b e l l m a n 和z a d e h 又共同提出了融经典动态规划技术与模糊集 合论于一体的模糊动态规划法，为水库优化调度开辟了一条新途径。1 9 8 4 年，张勇传等 把模糊等价聚类、模糊映射和模糊决策等引入水库优化调度的研究 2 4 1 。1 9 8 8 年，陈守 煜提出多目标、多阶段模糊优选模型的基本原理和解法，把动态规划和模糊优选有机结 合起来1 2 5 】；同年，陈守煜又提出了系统层次分析模糊优选模型i 硐，这些研究成果为水库 模糊优化调度的深入研究奠定了理论基础。 水库群优化调度 随着水资源和水电的不断开发利用，水库群已成为最常见的水利水电系统。水库群 优化调度虽以单一水库优化调度的理论和方法为基础，但也不断有新的方法出现，我国 在这方面的研究成果也比较丰富。研究开始于8 0 年代初，当时谭维炎、刘健民等人在 研究四川水电站水库群优化调度图和计算方法时，提出考虑保证率约束的优化调度图的 递推计算方法1 27 】；1 9 8 1 年，张勇传利用大系统分解协调的观点，对两并联水电站水库 的联合优化调度问题进行了研究，先把两库联合问题变成两个水库的单库优化问题，然 后在两水库单库最优策略的基础上引入偏优损失最小作为目标函数，对单库最优策略进 行协调，以求得总体最优网；1 9 8 2 年，熊斯毅根据系统分析思想，提出了水库群优化 调度的偏离损失系数法，采用马可夫模型描述径流过程，偏离损失系数是通过逐时段求 解最优递推方程求得的，因此能反映面临时段效益和余留期影响，不仅形式简单，使用 方便，而且理论上比较完善，该法在湖南拓溪一风滩水电站水库群的最优调度中得到了 应用圆；同年，叶秉如等提出了并联水电站水库群年最优调度的动态解析法，该法以古 典优化法为基础，结合递推计算，应用在闽北水电站水库群优化调度的模拟计算中，可 增加发电量6 6 p o 】；同时期，黄守信、方淑秀等提出了以单库优化为基础的两库轮流 寻优法，用于并联水库群的优化调度计算【3 l 】；1 9 8 3 年，鲁子林将网络分析中最小费用 算法，用于水电站水库群的优化调度1 3 2 ；1 9 8 6 年，董子敖等提出了计入径流时空相关 关系的多目标多层次优化法，该法的基本思想是：采用分区推求条件频率的方法，把一 维动态规划逐步逼近法用于二维状态，并采用参数迭代法实现降低维数求出单目标最优 解，以克服。维数灾”障碍【捌。1 9 8 8 年，叶秉如等提出了一种空间分解算法，并将多 层动态规划法和空间分解法分别用于研究红水河梯级水电站水库群的优化调度问题p 4 l 。 同年，胡振鹏、冯尚友提出了动态大系统多日标递阶分析的分解聚合方法，将库群多 年运行的整体优化问题分解为按时间划分的一系列运行子系统，在各子系统优化的基础 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 上，将各水库提供的年内运行策略聚合成上一级系统，并由聚合模型描述和确定水库群 的多年运行过程和策略，该法为解决跨流域供水水库群联合运行中多库、多目标、多层 次、调节周期长和计算时段多等复条情况提供了有效方法，在解决丹江口水库防洪与兴 剩两个目标的优化调度时也应用了该法印j 。1 9 9 1 年，吴保生等提出了并联防洪系统优 化调度的多阶段逐次优化算法p q ，该法由三阶段于模型和跨阶段子模型组成，以时间向 后截取的防洪控制点过程的峰值最小为目标函数，成功地解决了河道水流状态的滞后影 响。1 9 9 4 年，都金康等针对上述吴保生等提出的方法寻优速度较馒的缺点，提出了种 简便高效的水库群防洪调度逐次优化方法1 3 ”。1 9 9 8 年，邵东国提出自由化模拟技术解 决多目标决策问题p 叼，他建立了具有大系统递阶结构的多目标实时优化调度模型，提出 了用水库经济蓄水线和防破坏线分别反映多个不同目标要求的多目标实时优化决策方 法。1 9 9 8 年，解建仓也利用大系统分解协调方法对水库群的联合调度问题作了研究。并 且应用于黄河上游的龙羊峡和李家峡水库1 3 9 1 。 这些水电站水库群优化调度对径流的处理分确定型和随机型两大类。确定型由于采 用未来径流为已知的确定时序过程的假定，使得优化成果偏大，从国内外对比的几个例 子看，偏大比例可达百分之几至十几，且成果在实际运行中无法实现，只有在规划阶段 对十分庞大的计算方案进行简化计算时才有一定的价值，但它可以求解十库以上的规 模；随机型是用随机过程描述径流，它与实际比较吻合，理论上也比较完善，充分利用 了己获得的长系列径流资科中所反映的信息，但存在“维数灾”的困难。 为了解决多于两库的库群随机优化调度问题，国内主要采用大系统分解技术及其它 优化方法，同时对径流的时空相关适当简化来克服“维数灾”。由于水资源具有多级谱 系结构，使得分解协调技术成为解决大规模复杂模型的有效途径之一。其做法是先将复 杂的大系统分解为着干个简单的子系统，以实现子系统局部最优化，再根据大系统的总 任务和总目标，使各子系统相互协调配合，实现全局最优化。这种分解一协调一聚合方法 与一般优化法相比，具有简化复杂性，减小工作量、避免维数灾的优点，它可直接利用 现有不同模型以求解子系统，并可用于静态及动态系统。其缺点是收敛性差，即使收敛， 也需要较长的计时，对随机入流的考虑有困难。从整体上讲，它是一种有发展前途的大 系统多目标决策技术。其他优化方法也有多种，如采用多年内逆推动态规划和年间逐次 逼年法、求角翠串并混联水库优化调度的多目标多层次法、库群优化调度的余留期效益迭 代法、隐随机优化调度函数法、隐随机递阶控制进行水库群的优化调度法等。 模糊优化调度理论的发展历史虽然不长，但在水电站水库群的优化调度中也得到了 许多应用。1 9 9 4 年，王本德等提出了梯级水库群防洪系统多目标洪水调度的模糊优选模 型。将n 级有调节能力的水库顺流向分为n 个阶段，泄流过程为状态。调度方案由泄 水电站水库优化调度模型及g f s 预报信息的应用研究 流设备开启高度构成并定义为决策，对应前阶段不同泄流过程的可行方案集为本阶段可 行方案集，最后阶段的可行方案集为梯级水库群的可行方案集，系统的阶段目标值矩阵 的阶段数，逐阶段增加，逐级传递下泄过程与记录方案组合，计算目标值，直至最后阶 段，由阶段递推矩阵的合成，利用模糊优选原理与技术，实现方案优选。该模型分别在 丰满一白山梯级防洪系统和渭河一南城子一柴河串并联水库消防洪系统的优化调度中得到 应用。2 0 0 1 年，农卫红利用半结构性决策系统模糊优选理论研究了青狮潭水库水资 源综合利用多目标规划问题，半结构性决策是指既有定量目标，又有难以量化的定性目 标的多目标决策【4 “ 1 2 2 水电站水库( 群) 优化调度研究中存在的主要问题 虽然库( 群) 优化调度研究在国内外已有5 0 多年的历史，在优化调度理论、方法、模 型等方面有了较大进展，也取得了大量的研究成果，在规划设计及编制调度计划阶段应 用的较多，但实时调度阶段应用的却较少，直到目前仍没有形成一种成熟的、进入实时 调度阶段的水电站水库群优化调度方法。究其原因主要有以下几方面： ( 1 ) 一些研究侧重理论探讨，片面追求高水平、深理论，方法深奥、模型复杂，生 产使用者难以理解。 ( 2 ) 模型开发上存在缺陷。一方面，一些模型庞大复杂，操作烦琐，应用极不方便； 另一方面，有的模型又作了太多的假设和简化，使模型不能很好地描述水库群的实际工 况，优化结果偏离实际。 ( 3 ) 一些方法片面追求最优解，而忽视了水资源系统的复杂、多变、动态特性以及 生产上许多因素的不确定性，没有考虑管理人员制定方案的主观偏好和维护局部利益的 现实思想，使研究结果难以被管理人员接受。 ( 4 ) 另外从管理应用方面来看，使用者的业务素质、理论水平、现行的管理体制等 也限制了优化调度研究成果的应用推广。 1 2 3 水电站水库( 群) 优化调度研究的未来发展趋势 随着水电站水库( 群) 优化调度理论研究的不断深入，尤其是一些新理论、新学科、 新技术的不断发展，水电站水库群优化调度研究也出现了许多新的研究趋势：逐渐由理 论研究为主转向实际应用、由传统方法转向新技术利用、由单一方法转向多技术综合等。 ( 1 ) 重视模型输入的研究。尽量利用一切有用的信息和一切先进的径流预报理论与 方法。如长套中，中套短的三套式模型的研究与应用；利用实际降雨与预报降雨信息预 报洪水过程，研究预报误差的风险度；综合利用成因分析、统计分析、模糊分析、混沌 一8 一 理论研究径流描述问题等。针对模型描述与实际系统间的差异以及模型输入误差对运行 结果的影响，研究具有能利用实时信息自动修正、消除累计误差功能的优化调度模型， 提高模型的实用性。 ( 2 ) 考虑水电站水库群系统的。非结构化”特点，引进系统辫识思想，采用模拟与 优化相结合的方法，研究模型简单、求解迅速、便于决策者参与、能根据实际快速给出 “满意解”的模拟优化调度模型及求解方法。 ( 3 ) 引进新理论和新技术研究水电站水库群优化调度的新模型及新算法。如利用 h o p f i e l d 网络的自优化功能，通过建立能量函数求解调度模型；水库调度模型求解的遗 传算法；耗散结构理论以及模糊优化调度理论；在水库长序列模拟调度的基础上，利用 人工神经网络( a n n ) 技术建立水库调度规则等。 ( 4 ) 利用风险分析理论，分析水库调度风险，研究考虑风险的水库调度风险模型结 构及求解方式。 ( 5 ) 提高水资源的综合利用率和经济效益，研究和开发适应于一个流域、跨流域、 多水库联合调度的模型及求解方法。模型中注重考虑水库之间水量的传播时间，侧向输 入和输出等影响因素。网络技术飞速发展，为水电站水库群系统在网上进行多库联合调 度、全流域调度、跨流域调度奠定基础。 ( 6 ) 利用先进的可视化计算机编程语言，开发直观易读、方便易行、具有强交互功 能的水电站水库群实时调度应用软件，引进人工智能技术，建立水电站水库群调度智能 决策支持系统 1 3 研究的主要内容 1 3 1 选题思想及研究内容 本课题结合国家自然科学基金委员会、二滩水电开发有限公司雅砻江水电联合研究 基金项目( 5 0 5 7 9 0 9 5 ) ，研究基于径流随机描述及g f s 降雨数值预报信息的水库( 群) 中长 期发电优化调度。 水电站水库的调度运行，在径流、电力负荷、电价等方面存在着多重不确定性。相 比之下，径流方面的不确定性对水电站的运行影响最大，它是优化调度模型最重要的输 入。直接关系到目标函数值的计算，进而影响整个模型求解结果。因此，对径流不确定 性的描述是否符合实际，关系到模型及其求解结果是否能应用于生产实际。目前，对径 流描述主要有确定性模型、随机性模型、当前洪水预报与后期随机性模型相结合等方法， 其中径流的随机性描述模型是本文主要研究对象，它认为未来一定时期内的径流是一随 机过程，可应用独立随机模型、马尔柯夫模型，或者其它更为复杂的自相关与互相关模 一9 一 水电站水库优化调度模型及g f s 预报信息的应用研究 型进行描述。很显然，尽管未来一定运行期内的水库径流是无法确定的，但是总可以获 得一定的预报消息的。因此，随机模型结果可以作为研究的基础，利用所获得的有效预 报信息对其进行改进，将可获得更优更实用的调度决策。此外，随机径流模型可以与其 它模型相结合，其结果可作为优化结果的下限。本文具体的研究内容及预期达到的成果 水平为： ( 1 ) 径流描述模型的建立。从径流系列的相关性及可预报性角度出发，统计分析雅 砻江流域的历史资料，并建立符合二滩单库及锦屏一级二滩梯级水库群实际径流特性 的径流随机描述模型：随机模拟出足够数量的径流序列，求解状态转移矩阵。 ( 2 ) 二滩单库发电优化调度模型的建立。相应于径流描述模型，以兼顾保证出力要 求的发电量最大为目标函数建立其发电优化调度模型，并研究求解过程中的递推方程建 立、保证出力约束的考虑、预报误差影响分析等相关问题；对二滩水电站的历史径流序 列进行模拟优化调度，并与传统的有预报或无预报的马氏性随机径流描述模型进行比 较，分析模型的优越性及实用性。 ( 3 ) 锦屏一级二滩梯级水库群发电优化调度模型的建立。以二滩单库优化调度为基 础，模型拓展到多库联