水库多目标优化调度理论和应用研究

水库多目标优化调度理论和应用研究 水库多目标优化调度理论和应用研究 水库多目标优化调度理论和应用研究

摘要:本文提出了综合利用水库的多目标优化调度的理论 ,并将该理论应用在综合利用水库优化调度过程中,在此应用中用马尔可夫单链弹性相关理 论处理径流,并在引入“有效雨量”的基础上,将供水量作为决策条件,以满足用水保证率 条件下供水量最大为目标函数,建立了相应的数学模型和编制了相应的计算程序,绘出了综 合利用水库三维优化调度图,利用三维优化调度图进行综合调节计算,计算结果理想、效益 显着,且大大增加了调度过程的灵活性。经沐浴水库等多个综合利用水库的实践证明,本方 法是可靠有效的。

关键词:优化调度 弹性相关 径流 动态规划

综合利用水库的优化调度受多因素影响,如径流,水库特性、用水特性以及电站的机电特性等,其中径流的影响较大。本文采用马尔可夫单链弹性相关理论处理径流,以供水流量为决策变量,在考虑有效雨量的基础上建立了动态规划数学模型,编制了结构简明,功能完善,便于操作使用的大型优化调度计算程序,自动绘制出三维优化调度图,利用优化调度图进行综合利用水库调节计算,在几乎不增加投资的条件下,产生了巨大的经济效益。经实践证明,本方法准确可靠,适合于大、中、小型水库,也适合于平原水库、地下水库;更适合于我国北方水资源紧缺地区使用。

1 采用离散的马尔可夫随机过程描述径流

1.1 用马尔可夫过程描述径流 1.2 计算相应条件概率 应用相关理论分析,可以确定相邻时段径流QK,QK-1(如图1所示)的条件概率分布函QK,QK-1的条件概率分布函数示意 数F(QK/QK-

1)。其条件概率分布是一个二维分布,用概率理论及水文统计原理来推 求径流的条件概率计算式。

图1 相邻时段径流

研究相邻时段的径流相关联系时,应用相关系数R及回归方程式求得

(1)

隔时段相关系数则为:

(2)

(3)

式中:σK,σK-1分别为时段tk,tk-1的径流均方差;R1为相邻时段径流之间的相关系数。

相邻时段径流之间应用自回归线性相关时,其间隔时段的径流对回归线的偏离值即误差的分布,经刚性和弹性相关比较后,采用了弹性相关处理方法即偏态分布,按皮尔逊Ⅲ型曲线分布。相应于条件概率的流量QPK可由下式求得:

(4) 而矩阵

(5)

则表示tk-1时段到tk时段状态的转移概率矩阵,显然,这个矩阵的每行各非负元素之和为1,即:

(6)

为了计算Pkij转移概率的方便,取等分的10个概率5%,15%,……95%,这样转移概率的值都为0.1,则相应的条件概率的流量Qpi由式

(4)即可求得。

2 动态规划

动态规划法是美国数学家贝尔曼提出的,是一种研究多阶段决策过程的数学方法。近年来广泛应用于水资源规划管理领域中

2.1 动态规划数学模型

把径流当作随机过程的水库优化调度图的计算是一个多阶段的随机决策过程。它的计算模型如下。

(2)状态:因相邻两个阶段的入库平均流量Qt和Qt+1之间有相关关系,以面临时段初的库水位和本时段预报径流量Qt为状态变量St(Zt-1,Qt)

(3)决策:在时段状态确定后,作一个相应的决定,即面临时段的供水量qt,同时确定了时段末水位,进行状态转移。水库水位分M级,故有M个状态转移,按0.618法在决策域内优选,对每一个状态变量St要选择一最优供水量qt,St~qt关系曲线为时段t的调度线,决策域为(QDmin,t;Qxmax,t)

对决策变量供水量qt进行所有状态优选计算时,还要进行库水位限制的检查判别,若时段末蓄水量V2大于允许的最高蓄水位或限制水位,则在水库蓄满前供水量仍按qt放水计算,当水库蓄满后则按入库水量供水。当入库水量大于电厂最大过水能力时,超过部分作为弃水

(4)状态转移:水库状态和调度图形式有关,因考虑当时入库径流和短期径流因素,水库调度中将一年划分为K个时段,每个时段由时段初库水位Z初和时段流量Qt组成水库的运行状态,而每一种状态有一个相应的决策变量供水流量qt,用函数关系表示为:

qt = q ( Z初 , Qt , tk )

(7)

tk为时段数,每一个决策就有一个相应的时段末库水位,水库进行了状态转移,若将水库的水位划分为Z级,径流划分为M级。一个时段的水库面临状态有Z×M种,全年水库运行状态有K×Z×M种,水库优化调度图就是对全年各种运行状态作出相应决策变量的关系图。

由式

(7)可知,当时段tk的初始库水位和径流量已定时,时段的最优决策供水量是一个定值,因而下一时段tK+1的初始库水位(即时段tk末的水位)也就是一个确定值。由于下一时段tK+1的径流不是一个确定值,而是依时段tK的径流Qt变化的随机值,其值由条件概率分布函数(弹性相关)决策。因此,水库在时段tK处于状态i,而时 段tK+1处于状态j的状态转移概率为Pkij,则有,而矩阵Pk=(Pkij)则表示从时段tK到时段tK+1的水库状态转移概率矩阵,Pk完全由时段tK的调度方式和径流状态转移矩阵决定。经过多年运行后,水库的运行状态达到一个稳定的概率分布

(5)效益函数:水库进行状态转移,伴随着产生了效益函数(包括了工业用水、生活用水、灌溉用水、发电用水及三个保证率)

其中灌溉用水:因灌溉需水量每年、每月、每天都不相同,因此是随机变量,极难编制计算机程序计算,故首次引入《农田水利学》的“有效雨量”概念,使整个优化计算大大简化,完全解决了水量平衡问题,整个优化计算,水量平衡达到100%

(8)

式中Cij为i年系列j时段(月)的有效雨量,aij为i年系列j时段农作物需水量(j可按日计算后归纳成各农作物生长期所需水量,再换算成月)。bij为i年系列j时段各类农作物综合灌溉水量。

(6)目标函数:根据水库水资源不足的具体情况,拟定在满足生活用水和工业用水保证率的条件下,尽量满足农业用水。目标函数可表示为:满足用水量保证率条件下供水量最大。目标函数计算可用下列分段线性函数求得:

f(st,qt)=qt

Qxmax≥qt≥Qxmin

(9)

f(st,qt)=qt+CA(qt-Qxmin)

Qxmin≥qt≥QDmin

f(st,qt)=Qxmax+CE(qt-Qxmax)

QDmax≥qt≥Qxmax

式中:qt为水库供水量,QDmin为系统供水下限,即保证城市生活用水和工业用水的下限;Qxmin为农业保证供水量与QDmin之和;QDmax为电厂的最大过水能力;Qxmax为农业供水量