论文部分内容阅读
随着我国社会经济的高速发展，对能源尤其是清洁的水能利用需求快速增长。一大批流域梯级水库群相继建成并投入运营，水库群所构成的水电能源系统联合运行态势已初具格局。然而，水库群联合调度运行在发挥防洪、航运、生态补水等综合效益的同时，也加剧了水电能源系统的复杂、高维、强耦合特性，使得系统优化运行和管理中面临的复杂现象和技术难题日益凸显，给水库群联合优化调度带来了新的挑战。水库群联合优化调度受水文不确定性、多种兴利需求等因素影响，且水库间水力和电力联系密切，是一类典型的高维度、非线性、强耦合的复杂约束优化问题，其问题的高效稳定求解一直是水资源管理研究领域的热点和难点。为此，本文围绕水库群联合优化调度所面临的若干科学问题，综合运用水电能源学、运筹学、系统动力学等理论与方法，以实现流域水能资源的综合高效利用为目标，研究了单一水库、梯级水库群和大规模混联水库群不同规模下水电能源系统优化调度理论与方法，取得了的一些可为水库群实际生产调度提供参考的研究成果。论文的主要研究内容和创新成果包括：
(1)为进一步提升单一水库中长期发电优化调度问题求解的实时性，提出了基于两阶段模型最优判据的水库中长期发电优化调度逐次两阶段高效优化方法。研究工作建立了水库中长期发电优化调度两阶段模型，分析了两阶段模型发电效益目标函数凹凸性和单调性，推求了水库两阶段发电优化调度模型中间时刻状态变量最优判据；进而，借鉴分而治之的思想，将多阶段优化问题转换为逐次递进的两阶段问题进行求解，并据此提出了基于两阶段模型最优判据的水库中长期发电调度逐次两阶段高效优化方法。三峡水库实例分析结果表明，研究工作提出的逐次两阶段高效优化方法收敛精度高且搜索速度快，显著提升了水库中长期发电优化调度计划编制和运行管理的实时性。
(2)围绕随机来水条件下水库长中短期嵌套发电预报优化调度问题，建立了响应预报偏差的水库长中短期嵌套预报发电调度耦合系统动力学模型。研究工作在已有嵌套预报调度相关研究基础上，建立了水库长中短期嵌套发电预报调度模型，分析预报误差对水库发电预报调度最优决策的影响规律；进而，结合系统动力学反馈机制和经典控制理论方法，提出了合理有效的水库嵌套预报调度对预报偏差的反馈控制响应机制；在此基础上，建立了水库长中短期嵌套预报发电调度耦合系统动力学模型。以三峡水库为研究对象开展相关实例分析结果表明，本文所提建模方法能够及时响应实际调度过程中预报来水与实时来水的预报偏差，做出更为合理的预报调度决策，从而提升来水不确定性条件下水库运行发电效益。
(3)针对梯级水库群中长期发电优化调度智能优化方法易陷于局部收敛和收敛稳定性差等缺陷，且在问题寻优过程中面临时间和空间耦合、量级和量纲无法统一的多重复杂约束处理难题，提出了分区参数自适应更新差分进化算法和综合考虑等式、刚性和柔性约束不同优先级的梯级水库群优化调度约束处理策略。研究工作提出梯级水库群统一流量约束及其约束违反程度评价指标，并设计了综合考虑等式、刚性和柔性约束不同优先级的梯级水库群优化调度约束处理策略；此外，还提出了一种根据个体适应度进行分区参数自适应更新的改进差分进化算法。以金沙江下游和三峡梯级水库群为研究对象，相关实验结果表明所提出改进差分进化算法在测试函数和工程实例实验中均取得了较好表现，结合所提出的约束处理策略能够有效应对了梯级水库群优化调度多重复杂约束处理难题，从而改善智能优化方法在梯级水库群优化调度研究领域的实用性。
(4)针对梯级水库群多目标优化调度多个目标间互馈关系难以定量解析的问题，提出了结合多目标优化理论方法和梯度概念的多目标优化互馈关系梯度分析方法。研究工作建立了梯级水库群供水-发电-环境联合优化调度模型，结合约束法和动态规划求解得到多目标优化调度问题非支配解集；分析梯级水库群供水-发电-环境多目标优化调度结果非支配解集空间分布特性，对非支配解集进行插值从而构建供水-发电-环境目标空间曲面函数，并采用梯度分析方法推求两两目标在归一化目标空间偏导函数值，从而量化梯级水库群多个调度目标间的互馈关系，为梯级水库群多目标优化调度目标间互馈关系解析提供一种新的研究途径。
(5)面向高维度、强耦合、非线性的大规模混联水库群中长期联合发电优化调度问题高效稳定求解需求，提出了基于两阶段资源分配问题单调性和松弛策略的改进逐次逼近动态规划。研究工作在无弃水假设和忽略库容和下泄流量变量耦合关系的前提下，推导证明了大规模混联水库群联合发电调度问题逐次逼近动态规划建模降维求解中，对单一水库进行采用动态规划进行寻优的发电效益递推函数为凹函数；进而，结合凹函数特性下两阶段资源分配问题单调性，设计了基于单调性结论拓展寻优空间的松弛策略，从而提出了松弛逐次逼近动态规划优化方法。以包含61座水库的长江上游大规模混联水库群为研究对象开展实例分析结果表明，本文所提出的松弛逐次逼近动态规划相比传统逐次逼近动态规划在保障收敛精度的同时显著提升了其收敛速度，该方法可为实现大规模水库群所构成的水电能源系统安全经济运行提供可靠的技术支撑。
(1)为进一步提升单一水库中长期发电优化调度问题求解的实时性，提出了基于两阶段模型最优判据的水库中长期发电优化调度逐次两阶段高效优化方法。研究工作建立了水库中长期发电优化调度两阶段模型，分析了两阶段模型发电效益目标函数凹凸性和单调性，推求了水库两阶段发电优化调度模型中间时刻状态变量最优判据；进而，借鉴分而治之的思想，将多阶段优化问题转换为逐次递进的两阶段问题进行求解，并据此提出了基于两阶段模型最优判据的水库中长期发电调度逐次两阶段高效优化方法。三峡水库实例分析结果表明，研究工作提出的逐次两阶段高效优化方法收敛精度高且搜索速度快，显著提升了水库中长期发电优化调度计划编制和运行管理的实时性。
(2)围绕随机来水条件下水库长中短期嵌套发电预报优化调度问题，建立了响应预报偏差的水库长中短期嵌套预报发电调度耦合系统动力学模型。研究工作在已有嵌套预报调度相关研究基础上，建立了水库长中短期嵌套发电预报调度模型，分析预报误差对水库发电预报调度最优决策的影响规律；进而，结合系统动力学反馈机制和经典控制理论方法，提出了合理有效的水库嵌套预报调度对预报偏差的反馈控制响应机制；在此基础上，建立了水库长中短期嵌套预报发电调度耦合系统动力学模型。以三峡水库为研究对象开展相关实例分析结果表明，本文所提建模方法能够及时响应实际调度过程中预报来水与实时来水的预报偏差，做出更为合理的预报调度决策，从而提升来水不确定性条件下水库运行发电效益。
(3)针对梯级水库群中长期发电优化调度智能优化方法易陷于局部收敛和收敛稳定性差等缺陷，且在问题寻优过程中面临时间和空间耦合、量级和量纲无法统一的多重复杂约束处理难题，提出了分区参数自适应更新差分进化算法和综合考虑等式、刚性和柔性约束不同优先级的梯级水库群优化调度约束处理策略。研究工作提出梯级水库群统一流量约束及其约束违反程度评价指标，并设计了综合考虑等式、刚性和柔性约束不同优先级的梯级水库群优化调度约束处理策略；此外，还提出了一种根据个体适应度进行分区参数自适应更新的改进差分进化算法。以金沙江下游和三峡梯级水库群为研究对象，相关实验结果表明所提出改进差分进化算法在测试函数和工程实例实验中均取得了较好表现，结合所提出的约束处理策略能够有效应对了梯级水库群优化调度多重复杂约束处理难题，从而改善智能优化方法在梯级水库群优化调度研究领域的实用性。
(4)针对梯级水库群多目标优化调度多个目标间互馈关系难以定量解析的问题，提出了结合多目标优化理论方法和梯度概念的多目标优化互馈关系梯度分析方法。研究工作建立了梯级水库群供水-发电-环境联合优化调度模型，结合约束法和动态规划求解得到多目标优化调度问题非支配解集；分析梯级水库群供水-发电-环境多目标优化调度结果非支配解集空间分布特性，对非支配解集进行插值从而构建供水-发电-环境目标空间曲面函数，并采用梯度分析方法推求两两目标在归一化目标空间偏导函数值，从而量化梯级水库群多个调度目标间的互馈关系，为梯级水库群多目标优化调度目标间互馈关系解析提供一种新的研究途径。
(5)面向高维度、强耦合、非线性的大规模混联水库群中长期联合发电优化调度问题高效稳定求解需求，提出了基于两阶段资源分配问题单调性和松弛策略的改进逐次逼近动态规划。研究工作在无弃水假设和忽略库容和下泄流量变量耦合关系的前提下，推导证明了大规模混联水库群联合发电调度问题逐次逼近动态规划建模降维求解中，对单一水库进行采用动态规划进行寻优的发电效益递推函数为凹函数；进而，结合凹函数特性下两阶段资源分配问题单调性，设计了基于单调性结论拓展寻优空间的松弛策略，从而提出了松弛逐次逼近动态规划优化方法。以包含61座水库的长江上游大规模混联水库群为研究对象开展实例分析结果表明，本文所提出的松弛逐次逼近动态规划相比传统逐次逼近动态规划在保障收敛精度的同时显著提升了其收敛速度，该方法可为实现大规模水库群所构成的水电能源系统安全经济运行提供可靠的技术支撑。