一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法技术

本发明专利技术公开了一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法，首先在概化研究区水库群系统的基础上，构建水库群发电‑供水‑生态‑航运‑防洪五目标优化调度模型，确定模型所用目标函数与约束条件，将防洪要求转换为汛期水位约束条件，以实测洪水资料或设计洪水过程为模型输入，运用智能优化算法求解模型，对求解结果进行两两目标二维平面映射，根据二维平面映射呈现出的关系定性该来水情况下目标间的作用关系，结合所选代表点对应目标函数值分析该来水情况下目标间作用关系强弱，进行目标间作用关系判别及水库调度方式获取。本发明专利技术同时考虑发电、供水、生态和航运效益的水库群的优化调度提供参考和依据，具有很强的实用性和广泛的适用性。

A multi-objective mechanism of reservoir group and analysis method of optimal operation scheme

【技术实现步骤摘要】
一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法
本专利技术涉及水资源评价管理与水库调度方案指导方法，尤其涉及一种水库群多目标优化相互作用机制和优化调度方案分析方法。
技术介绍
随着我国水电系统的不断开发，水能资源受到原来越多的重视和关注。同时伴随着地区经济的发展，水库所承担的任务也不再局限于提供电力支撑。水库的运行不仅保证河道的防洪安全，同时也起到发电、供水、维持生态环境、保持通航状态等各种作用。在电力系统中，水电站由于其清洁性和灵活的开关调度性，而用于调峰和调频，但是由于现在水电站承担着多方效益的影响，往往使得其发电能力受到极大限制。同样的，由于发电与生态径流、通航要求等其他水电站效益目标对水电站的水头和流量要求不尽相同，这就体现出了他们之间的相互影响和相互依存作用。因此，如何利用水库调度处理好多个效益目标之间的影响关系，最大化地区有限水资源的效益是当前研究的重点和难题。目前对于水库综合发展的要求越来越高，但是对于水库完成这些目标时所面临的矛盾研究较少，也缺乏一个比较直观的把握以及对内部矛盾机制的分析，这使得水库及水库群系统在运行的过程中产生大量的能源资源浪费，有悖于我国资源综合型开发的发展宗旨。因而本专利针对现有问题提出研究水库多目标间作用关系的分析方法，旨在为水库实际调度做出一定的指导。
技术实现思路
专利技术目的：一种旨在为水库实际调度做出一定的指导的水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法。技术方案：本专利技术所述的一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法，包括以下步骤：(1)水库群系统概化：对水库群系统主要过程和影响因素进行概化分析，实现系统模拟，建立从系统实际情况到抽象数学表达的映射关系；(2)对水库效益功能进行识别，确定效益目标的目标函数表达形式及水库调度约束条件，构建水库群发电-供水-生态-航运-防洪五目标优化调度模型，其中防洪目标基于其对水库调度要求的优先性和强制性，转换为约束条件予以考虑，确定模型目标函数与约束条件；(3)模型输入数据确定及模型计算：模型输入数据考虑根据计算时段和计算目的需求，采用实测洪水资料、设计流量资料及历史来水过程资料，以天、旬、月作为计算步长；(4)基于智能优化算法求解模型：基于步骤(1)中的水库群系统概化，以步骤(2)识别的四个效益目标为目标函数，以及确定的约束条件为约束，以步骤(3)中确定的来水资料为输入，作为建模结果及运算准备；(5)解集可视化并基于相关性计算和置换率的多目标关系分析：(6)基于方案间比较的多目标关系分析：基于模糊优选的方法，以各目标优化程度相同为标准得到方案集中的均衡方案，以该方案中的各目标值为基础，考察各效益目标最优方案下其余目标的变化情况；(7)目标间作用关系判别及水库调度方式获取：基于步骤(5)和步骤(6)结果得出对所考虑的四个目标间的作用关系：步骤(5)中有强相关性的目标间，根据其置换率所表现的一个目标效益增加，另一个目标效益减少，则认为两者有强竞争关系；另一个目标效益增加，则两者有强协同关系；步骤(5)中未表现强相关性的目标通过步骤(6)进行判断，相比均衡方案中各目标效益值，若两目标均在偏另一目标方案中效益减小或一目标效益减小、另一目标效益未变化，则两目标存在弱竞争关系；若两目标在偏另一目标方案中效益值一增一减，则两目标存在弱竞争或弱协同关系；若两目标均在偏另一目标方案中效益值增加或一目标效益增加、另一目标效益未变化，则两目标存在弱协同关系；基于优化结果可得各目标最优方案，以及四个效益均衡时水库群调度方案。进一步地，步骤(1)所述水库群系统概化为：将社会经济、生态环境和水资源三系统概化为取退水节点、计算单元水量传输系统以及流域单元水量传输系统三种元素。进一步地，步骤(2)所述目标函数为：水库群全年总发电量最大作为目标函数：式中，E为梯级水库群发电总量，为第m个水电站在第t时段的出力，kW；M表示梯级电站的总个数，T表示总时段长度，年；Δt表示单位计算时间步长，月；需水缺水量最小作为供水目标：式中，K为社会经济需水区数目；Qkt表示时段t需水区k的总社会经济需水量对应计算时段流量，m3/s；适宜生态缺溢水量最小为目标：式中，L为河段生态控制断面总数；为第l断面在时段t的适宜生态流量，m3/s；Rlt为第l断面在时段t的实际流量，m3/s；通航缺溢水量最小为目标函数：式中，R为航道总数；Qst为各个计算时段下泄流量与航运适宜流量区间差值绝对值，m3/s；SUapp、SLapp分别表示航运适宜流量区间的上界和下界，m3/s。进一步地，步骤(2)所述约束条件：水量平衡约束：Vm,t-Vm,t-1＝(Im,t-Qm.t)×ΔtIm,t＝Qm-1,t+Inm-1,t-Em,t式中：Vm,t、Vm,t-1为m库第t时段末、初水库的库容，m3；Im,t为m库第t时段内平均入库流量，m3/s；Inm,t为第t时段m库与m+1库之间的区间入流，m3/s；Qm,t为m库第t时段平均出库流量，m3/s；Em,t为m库第t时段损失流量，主要包括水量在两库间传输的过程中由于蒸发和下渗而产生的水量损失，m3/s；Δt表示单位计算时间步长，月；下泄流量约束：Qmt,min≤Qmt≤Qmt,max式中，Qmt,min表示m库t时段最小允许出库流量，m3/s；Qmt,max表示m库t时段最大允许出库流量，考虑水轮机组最大过流能力和汛期下游防洪对流量的要求，m3/s；水库水位约束：Zmt,min≤Zmt≤Zmt,max式中，Zmt表示m库t时段末水位，m；Zmt,max表示m库t时段末最大允许水位，在汛期设定为汛限水位以在目标中考虑防洪目标的要求，在非汛期为正常蓄水位，m；Zmt,min表示m库t时段末最小允许水位，即为死水位，m；水库出力约束：Nmt,min≤Nmt≤Nmt,max式中，Nmt表示m库t时段出力，万kW；Nmt,min表示m库t时段最小出力，万kW；Nmt,max表示m库t时段最大出力，即装机容量，万kW。进一步地，步骤(5)所述的多目标关系分析如下：利用Pearson相关性系数计算两个目标函数之间的相关性系数，并据此判断量目标函数间是否有显著的相关性；对于具有显著相关性的两目标，引入置换率的概念加以定量分析，对于两目标非劣前沿，目标间置换率比欧式在其他目标保持值不变的情况下，当第m个目标值改变一个单位时，第n个目标值增加或减少Tmn个单位，以补偿由于m改变而对总体效益的影响，其计算方法为：式中，fm，fn为参与置换率分析的目标函数，λmn为两目标函数之间的置换率；计算时对两目标二维投影结果进行函数拟合，再求其一阶导数，即可得两目标间的置换率函数。有益效果：和现有技术相比，本专利技术具有如下显著进步：1、通过概化复杂水库群系统结构，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)水库群系统概化：对水库群系统主要过程和影响因素进行概化分析，实现系统模拟，建立从系统实际情况到抽象数学表达的映射关系；/n(2)对水库效益功能进行识别，确定效益目标的目标函数表达形式及水库调度约束条件，构建水库群发电-供水-生态-航运-防洪五目标优化调度模型，其中防洪目标基于其对水库调度要求的优先性和强制性，转换为约束条件予以考虑，确定模型目标函数与约束条件；/n(3)模型输入数据确定及模型计算：模型输入数据考虑根据计算时段和计算目的需求，采用实测洪水资料、设计流量资料及历史来水过程资料，以天、旬、月作为计算步长；/n(4)基于智能优化算法求解模型：基于步骤(1)中的水库群系统概化，以步骤(2)识别的四个效益目标为目标函数，以及确定的约束条件为约束，以步骤(3)中确定的来水资料为输入，作为建模结果及运算准备；/n(5)解集可视化并基于相关性计算和置换率的多目标关系分析：/n(6)基于方案间比较的多目标关系分析：基于模糊优选的方法，以各目标优化程度相同为标准得到方案集中的均衡方案，以该方案中的各目标值为基础，考察各效益目标最优方案下其余目标的变化情况；/n(7)目标间作用关系判别及水库调度方式获取：/n基于步骤(5)和步骤(6)结果得出对所考虑的四个目标间的作用关系：步骤(5)中有强相关性的目标间，根据其置换率所表现的一个目标效益增加，另一个目标效益减少，则认为两者有强竞争关系；另一个目标效益增加，则两者有强协同关系；步骤(5)中未表现强相关性的目标通过步骤(6)进行判断，相比均衡方案中各目标效益值，若两目标均在偏另一目标方案中效益减小或一目标效益减小、另一目标效益未变化，则两目标存在弱竞争关系；若两目标在偏另一目标方案中效益值一增一减，则两目标存在弱竞争或弱协同关系；若两目标均在偏另一目标方案中效益值增加或一目标效益增加、另一目标效益未变化，则两目标存在弱协同关系；基于优化结果可得各目标最优方案，以及四个效益均衡时水库群调度方案。/n...

【技术特征摘要】
1.一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)水库群系统概化：对水库群系统主要过程和影响因素进行概化分析，实现系统模拟，建立从系统实际情况到抽象数学表达的映射关系；
(2)对水库效益功能进行识别，确定效益目标的目标函数表达形式及水库调度约束条件，构建水库群发电-供水-生态-航运-防洪五目标优化调度模型，其中防洪目标基于其对水库调度要求的优先性和强制性，转换为约束条件予以考虑，确定模型目标函数与约束条件；
(3)模型输入数据确定及模型计算：模型输入数据考虑根据计算时段和计算目的需求，采用实测洪水资料、设计流量资料及历史来水过程资料，以天、旬、月作为计算步长；
(4)基于智能优化算法求解模型：基于步骤(1)中的水库群系统概化，以步骤(2)识别的四个效益目标为目标函数，以及确定的约束条件为约束，以步骤(3)中确定的来水资料为输入，作为建模结果及运算准备；
(5)解集可视化并基于相关性计算和置换率的多目标关系分析：
(6)基于方案间比较的多目标关系分析：基于模糊优选的方法，以各目标优化程度相同为标准得到方案集中的均衡方案，以该方案中的各目标值为基础，考察各效益目标最优方案下其余目标的变化情况；
(7)目标间作用关系判别及水库调度方式获取：
基于步骤(5)和步骤(6)结果得出对所考虑的四个目标间的作用关系：步骤(5)中有强相关性的目标间，根据其置换率所表现的一个目标效益增加，另一个目标效益减少，则认为两者有强竞争关系；另一个目标效益增加，则两者有强协同关系；步骤(5)中未表现强相关性的目标通过步骤(6)进行判断，相比均衡方案中各目标效益值，若两目标均在偏另一目标方案中效益减小或一目标效益减小、另一目标效益未变化，则两目标存在弱竞争关系；若两目标在偏另一目标方案中效益值一增一减，则两目标存在弱竞争或弱协同关系；若两目标均在偏另一目标方案中效益值增加或一目标效益增加、另一目标效益未变化，则两目标存在弱协同关系；基于优化结果可得各目标最优方案，以及四个效益均衡时水库群调度方案。


2.根据权利要求1所述的一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法，其特征在于，步骤(1)所述水库群系统概化为：将社会经济、生态环境和水资源三系统概化为取退水节点、计算单元水量传输系统以及流域单元水量传输系统三种元素。


3.根据权利要求1所述的一种水库群多目标作用机制和优化调度方案分析方法，其特征在于，步骤(2)所述目标函数为：
水库群全年总发电量最大作为目标函数：



式中，E为梯级水库群发电总量，为第m个水电站在第t时段的出力，kW；M表示梯级电站的总个数，T表示总时段长度，年；Δt表示单位计算时间步长，月；
需水缺水量最小作为供水目标：



式中，K为社会经济需水区数目；Qkt表示时段t需水区k的总社会经济需水量对应计算时段流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：董增川，陈牧风，姚弘祎，贾文豪，倪效宽，吴振天，陈雨菲，钟加星，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32