水利工程師職稱論文發(fā)表之水電站水庫優(yōu)化調(diào)度
水利工程師職稱論文發(fā)表期刊推薦《人民長江》于1955年創(chuàng)刊，是水利部長江水利委員會主辦的水利水電技術綜合性科技期刊，2008年改為半月刊。主要內(nèi)容為宣傳長江治理與開發(fā)戰(zhàn)略規(guī)劃，報道治江工作重大進展與建設成就，總結水資源保護與開發(fā)利用實踐經(jīng)驗，交流國內(nèi)外水利水電先進技術。
摘要：水庫優(yōu)化調(diào)度是實現(xiàn)資源配置的主要手段，對水資源的合理利用具有很重要的意義。針對目前水資源優(yōu)化現(xiàn)狀以及多種優(yōu)化調(diào)度方法運用中，本文從其調(diào)度采用的優(yōu)化最大化的方法分析了國內(nèi)水庫優(yōu)化調(diào)度的研究，重點介紹了遺傳算法。
關鍵詞：水電站,水庫優(yōu)化調(diào)度,遺傳算法
水庫優(yōu)化調(diào)度是一個多階段決策過程的最優(yōu)化問題,是在常規(guī)調(diào)度和系統(tǒng)工程的一些優(yōu)化理論及其技術的基礎上發(fā)展起來的。其基本內(nèi)容可描述為:根據(jù)水庫的入流過程,遵照優(yōu)化調(diào)度準則,運用最優(yōu)化方法,尋求比較理想的水庫調(diào)度方案,使發(fā)電、防洪、灌溉、供水等各部門在整個分析期內(nèi)的總效益最大。通過水庫優(yōu)化調(diào)度，可以解決各用水部門之間的矛盾，經(jīng)濟合理地利用水資源及水能資源，因而，在現(xiàn)今我國乃至世界水資源貧乏、開采利用不合理的情況下，水庫優(yōu)化調(diào)度具有非常重要的意義。
一、我國水資源現(xiàn)狀
我國是一個缺水嚴重的國家。淡水資源總量為28000億立方米，占全球水資源的6%，僅次于巴西、俄羅斯和加拿大，居世界第四位，但人均只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4、美國的1/5,在世界上名列121位，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一�？鄢y以利用的洪水涇流和散布在偏遠地區(qū)的地下水資源后，我國現(xiàn)實可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億立方米左右，人均可利用水資源量約為900立方米，并且其分布極不均衡。到20世紀末，全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題，其中比較嚴重的缺水城市達110個，全國城市缺水總量為60億立方米。
據(jù)監(jiān)測，目前全國多數(shù)城市地下水受到一定程度的點狀和面狀污染，且有逐年加重的趨勢。日趨嚴重的水污染不僅降低了水體的使用功能，進一步加劇了水資源短缺的矛盾，對我國正在實施的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略帶來了嚴重影響，而且還嚴重威脅到城市居民的飲水安全和人民群眾的健康。水利部預測，2030年中國人口將達到16億，屆時人均水資源量僅有1750立方米。在充分考慮節(jié)水情況下，預計用水總量為7000億至8000億立方米，要求供水能力比現(xiàn)在增長1300億至2300億立方米，全國實際可利用水資源量接近合理利用水量上限，水資源開發(fā)難度極大。
二、水利水庫優(yōu)化調(diào)度及目前存在的問題
1、水庫調(diào)度
也稱水庫控制運用，是指在水庫來水與用水變動的情況下,根據(jù)徑流的特性和水庫的任務和要求，有目的有計劃地統(tǒng)籌安排水庫蓄水與供水、攔洪與泄洪、防洪、興利效益的一種技術措施。水庫調(diào)度室水庫憑借自身的調(diào)蓄能力，在保證大壩或者其它工程設施安全的前提性愛，綜合協(xié)調(diào)防洪、發(fā)電、供水等部門的要求，對水庫徑流進行重新分配、提高綜合利用效益的一種水庫控制運用技術。
2、水庫優(yōu)化調(diào)度
通常把水庫調(diào)度分為常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度兩類，優(yōu)化調(diào)度則是在系統(tǒng)科學的基礎上，建立以水庫為中心的水利水電系統(tǒng)的目標函數(shù)，擬定其應滿足的約束條件，然后用最優(yōu)化的方法求解有目標函數(shù)和約束條件組成的系統(tǒng)方程組，使目標函數(shù)取得極值的水庫控制運用方式。
3、目前水利水庫優(yōu)化調(diào)度存在的問題
3.1徑流預報的精度比較低�，F(xiàn)有徑流預報存在的主要問題就是預報精度，則預報期短：如果要使預見期長，則預報精度會降低。由于徑流預報在水庫優(yōu)化調(diào)度中的基礎作用，因此這不可避免地將影響到水庫優(yōu)化調(diào)度的實際應用指導性。
3.2水資源利用率較低。水資源匱乏是我國的資源現(xiàn)狀，在目前的水庫優(yōu)化調(diào)度方案中，通常以水電站發(fā)電量最大最為目標函數(shù)，忽略了水庫棄水情況，降低了水資源的利用率，間接的使水庫的效益受到影響。
3.3廠內(nèi)經(jīng)濟運行時計算精度與速度不能夠同時得到兼顧。在大中型水電站經(jīng)濟運行時，大多采用動態(tài)規(guī)劃法進行插值計算，雖然速度能夠適應電力系統(tǒng)的調(diào)頻和調(diào)峰，但是沒有考慮到機組的效率修正和機組斷水頭損失問題，計算精度較低。
三、遺傳算法的運用
遺傳算法是基于自然遺傳和自然優(yōu)選機理的尋優(yōu)方法，它可理解為：水庫運行環(huán)境下的n組初始放水流量序列Q11，Q12，…，Q1T，Q21，Q22，…，Q2T，……，Qn1，Qn2，…，QnT，受上述約束條件制約,通過目標函數(shù)評價其優(yōu)劣。評價值低的被拋棄,只有評價值高的有機會將其特征遺傳至下一輪解，最后趨于最優(yōu)。
1、遺傳編碼與母體構成
遺傳算法的一個特點是必須通過編碼將優(yōu)化變量形成與遺傳因子類似的特定結構。遺傳信息貯存在其中，可作各種遺傳操作。相應地有解碼過程，將遺傳編碼轉換成數(shù)字變量。式(1)至式（5）是求T個變量Q1，Q2，…，QT的極大化問題，并且Q1，Q2，…，QT∈D={(2)-(5)}≤R，式中發(fā)電引用流量Qt是水庫蓄水量VT的隱性函數(shù)。為方便起見,以Vt，t=1，2，…，T作為優(yōu)化變量，并希望每個變量的精度為L位小數(shù)。顯然,為了滿足精度要求，將[Vt.min，Vt.max]分為[Vt.max-Vt.min]?10l等分，令nt為滿足式(Vt.max-Vt.min)10l≤2nt-1的最小整數(shù)，則變量Vt可以用長度為nt的二進制碼表示，即Vt=Vt,min+decimal(1001…0012)Vt，max-Vt，min2nt-1(6)式中decimal(1001…0012)表示二進制碼對應的十進制數(shù)。于是,每個解向量可用長度為n=∑Tt=1nt的二進制碼串表示。像常規(guī)最優(yōu)化算法一樣，在迭代計算前須給定初始點，所不同的是,常規(guī)最優(yōu)化算法僅從一個初始點開始進行迭代計算，而遺傳算法是同時從多個初始點開始迭代計算,最后得出一個最優(yōu)解。這里，多個初始點構成初始母體群(用母體總數(shù)POP表示)，這些初始母體群是隨機選取的二進制編碼串。
2、評價函數(shù)與母體選擇在給出初始母體群以后，為了進行迭代計算。對母體群中任一母體的優(yōu)劣程度進行評價，這里用優(yōu)良度Ui來表示。
式中￠(V)是第i個(i=1，2。…POP)母體所對應的式(1)至式(5)的修正目標函數(shù)值見式(8)；￠(V)max和￠(V)min分別表示POP個母體所對應的式(1)至式(5)的修正目標函數(shù)值的最大值和最小值。
￠(V)=F-M∑Pj=1W
式中F為原優(yōu)化問題目標函數(shù)值M為罰因子，Wj為與第j個約束[(2)～(5)]有關的違約值,P為違約數(shù)目。
選擇是從母體群中選取個體形成繁殖庫(MatingPoo1)的過程。優(yōu)良度Ui越大,能參與繁殖的機率就越大，被選出的優(yōu)良母體用于后代再生。優(yōu)良度差的母體被剔除,剔除的母體數(shù)目由選擇概率Ps來反映。假設選擇概率為Ps則意味著Ps*POP個優(yōu)良度差的母體將被淘汰。為了保持固定的母體總數(shù)，被淘汰的母體將由優(yōu)良度高的母體所替代，即優(yōu)良度高的母體可重復出現(xiàn)。
3、運算
變異運算是模擬生物在自然環(huán)境中，由于各種偶然因素引起的基因突變過程，變異率Pm也是遺傳算法中的重要參數(shù)，分布在0～1之間,變異運算可使優(yōu)良度差的個體或群體素質(zhì)趨于一致時的個體發(fā)生變化，同時防止優(yōu)良度大的個體變異，從而使每一代保持新鮮個體，避免迭代停滯，過早收斂。變異運算的具體過程為：從經(jīng)過雜交運算后得到的母體群中，隨機選取Pm*POP個母體用于變異運算，Pm為變異概率,對所選的每一母體，又從[1，2，…，n]中隨機選出一整數(shù)Bit，Bit表示變異的碼所在位置，即若第Bit個碼為1，則變異為0，反之變異為1。
綜上所述，遺傳算法具有以下幾個較為突出的特點：
�。�1）傳算法對多解的優(yōu)化問題沒有太多的數(shù)學要求。
�。�2）遺傳算法能夠非常有效地進行概率意義下的全局搜索。
�。�3）遺傳算法對于各種特殊問題具有很大的靈活性，從而保證了算法的廣泛適用性。
四、工程實例
本文提出的方法，研究了某水電站水庫的優(yōu)化調(diào)度問題。已知某水電站水庫的水位、庫容關系曲線，下游水位與流量關系曲線,設計中水年流量過程線,水庫正常蓄水704m，水位685m，電站出力系數(shù)815，保證出力718萬kW，裝機容量30萬kW，要求水庫在洪水期6、7、8三個月水位不超過695m，按年發(fā)電量最大求水庫的優(yōu)化調(diào)度過程。計算過程中,采用十進制編碼，為了擴大搜索空間，以利于染色體之間的競爭，保證遺傳算法的良好性能,采用親代群體與子代群共同競爭的方式。遺傳算法的迭代步驟為：
1、確定種群長度POP，選擇概率Ps，交叉概率Pc，變異概率Pm，本次計算取為：POP=20，Ps=018，Pc=016，Pm=01004；
2、把每個時段的水庫水位允許區(qū)間劃分為m等份，利用(1)式的形式表示該時段的水位值，并隨機生成初始母體群。這里m=20；
3、由選擇概率Ps，選擇適應度較高Ps×POP個染色體，刪除適應度值較小，即發(fā)電量較小的染色體；
4、隨機選擇Pc×POP個染色體進行交叉運算。對選定的兩個母體,隨機產(chǎn)生交叉點,進行交叉操作；
5、經(jīng)過選擇、交叉以后的母體中,隨機選擇Pm×POP個染色體進行變異運算，成新一代群體,即子代群體；
6、按下式判斷是否滿足終止條件：
f(z)n+1-f(z)n<ε
其中，f(z)n+1為第n+1代最優(yōu)染色體的適應度值,f(z)n為第n代最優(yōu)染色體的適應度值。若上式成立,迭代結束，將第n+1代最優(yōu)染色體轉換為每個時段的水位，即為所求解。否則，以新一代群體作為母體，轉入第(3)步重新計算。
五、結束語
水電站水庫優(yōu)化調(diào)度是一個復雜的工程，存在很多不確定因素，涉及的學科非常多，尤其遺傳算法。從工程實例可以看出遺傳算法對于各種特殊問題具有很大的靈活性，從而保證了算法的廣泛適用性。希望這些方法可以在水電站水庫優(yōu)化調(diào)度中可以得到充分的利用，從而來促進資源的充分利用，促進國民經(jīng)濟的發(fā)展。
參考文獻
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