[发明专利]一种基于嵌套降维算法的梯级水库水沙联合优化调度方法

权利要求书

1.一种基于嵌套降维算法的梯级水库水沙联合优化调度方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：以梯级水库一维泥沙冲淤计算为基础，选取梯级水库发电量最大、泥沙淤积量最小为目标，以水量平衡、泄流能力、蓄水能力、下游防洪安全以及水电站出力为约束，建立梯级水库水沙多目标优化调度模型；

步骤2：分别以发电量最大和发电量最小为目标对梯级水库进行单目标优化计算，采用逐次逼近动态规划算法对其进行降维求解，得到梯级水库联合运行的发电量上限和下限；

步骤3：在求得的发电量上下限构成的发电区间内生成N个不同的发电运行方案，作为水沙优化调度计算的初始方案，采用嵌套结构的逐次逼近多目标动态规划迭代算法对各初始方案逐步寻优计算，在求解过程中，将泥沙淤积量目标作为基本目标，发电目标作为约束目标，将长系列泥沙淤积的寻优问题分解为多个短系列逐次寻优，再采用多目标动态规划迭代算法对各级水库进行逐次寻优，在调度期内保持各方案发电量不变的情况下寻求泥沙淤积量最小；

所述嵌套结构的逐次逼近多目标动态规划迭代算法的具体步骤为：

1)分别以发电量最大和发电量最小为目标对梯级水库进行优化调度，针对梯级水库单目标优化问题，采用逐次逼近动态规划算法进行求解，获得梯级水库最大发电量TE_max和最小发电量TE_min，并确定梯级水库多年平均发电量的取值范围为[TE_min,TE_max]；

2)选取某一多年平均发电量TE^k∈[TE_min,TE_max]水平下的任一初始策略，k＝1,2,...,K，其中K为发电量离散值数目；

3)将长系列梯级水库水沙优化调度计算划分为N个短系列，每个短系列中含有T_n个计算时段，n＝1,2,…,N；

4)对第1个短系列进行梯级水库水沙优化调度计算；

5)固定第2到最后一级水库的运行策略，采用多目标动态规划迭代算法对第1级水库从时刻t-1开始进行寻优；

6)固定初始策略下的状态变量TE_i,t-1和TE_i,t+2以及决策变量Z_i,t-1和Z_i,t+2，求解递推方程，得到优化后的决策变量和以及相应阶段的状态变量和并更新优化后的决策变量以及水库出库流量、含沙量和悬沙级配；

7)判断t＝T_n-2是否成立，若不成立，则令t＝t+1，返回步骤6)；若成立，则得到一组新的决策序列，决策变量以及相应的阶段状态变量且有

式中，F_i表示调度期末i水库库区泥沙淤积总量，为优化后的i水库t时段泥沙量，VS_i,0为i水库泥沙初始淤积量，为优化后的i水库各时段坝前水位，VS_i,t为初始策略下i水库t时段的淤积量，为初始策略下i水库各时段的坝前水位，t为时段编号，T_n为总时段数；

8)根据公式(1)计算前后两轮迭代的计算结果差值△，检验△是否满足计算精度ε，其中ε为极小正数，若不满足△≤ε，则将求得的新序列作为下一轮迭代计算的初始策略；若满足△≤ε，则固定第一级、第三级直至最后一级水库的调度水位过程，对第二级水库进行优化计算，得到第二级水库的运行策略，并更新优化后的决策变量以及水库出库流量、含沙率和悬沙级配；其中计算结果差值△可表示为：

式中，L表示计算迭代次数，L＝1,2,3,...，表示第L次迭代下i水库t时段泥沙淤积量，表示第L-1次迭代下i水库t时段泥沙淤积量，t为时段编号，T_n表示总时段数；

9)依次对第i级水库进行优化,i＝3,4,...,M，M为梯级水库或梯级电站总数，保持其余水库的水位运行过程不变，得到第i级水库运行策略；

10)重复步骤5)至步骤9)，进行第二轮、第三轮……迭代计算，直到收敛为止,若收敛，则此序列为第1个短系列相应多年平均发电量TE^k的最优运行策略；

11)重复步骤4)至步骤10)，依次对第n个短系列进行优化计算，n＝2,3,…,N；

12)检验所有可行的多年平均发电量TE^k，k＝1,2,…,K是否都完成了步骤2)-步骤11)，若未完成，取其他多年平均发电量TE^k重复步骤2)-步骤11)；若完成计算，即可得到梯级水库水沙多目标问题发电与淤积量的非劣解集；

所述多目标动态规划迭代算法为，以泥沙淤积量最小为基本目标，发电量为约束目标，即在调度期内保持发电量不变的情况下寻求泥沙淤积量最小，在每次三阶段寻优计算泥沙淤积量时，采用顺推法计算当前整个计算期内的泥沙淤积量，即在[t-1,t]、[t,t+1]、[t+1,t+2]三个时段内按照既定轨迹计算泥沙淤积量，以满足无后效性要求；

在计算t+2时段末泥沙淤积量时需要从时刻t-1开始按照既定轨迹计算，直到t+2时段末为止，相应的三阶段递推方程为：

F(Z_t-1,Z_t+2,TE_t-1,TE_t+2)＝min VS(VS₀,Z₀,Z₁,Z₂...,Z_t-1,Z_t,Z_t+1,Z_t+2) (3)

相应的约束条件为：

式中，F(Z_t-1,Z_t+2,TE_t-1,TE_t+2)表示在[t-1,t]、[t,t+1]、[t+1,t+2]三个时段的泥沙淤积量，VS(VS₀,Z₀,Z₁,Z₂...,Z_t-1,Z_t,Z_t+1,Z_t+2)表示水库泥沙淤积量，TE_t代表电站t时段累计发电量，VS₀代表水库泥沙计算的初始淤积状态，Z_t代表水库t时段末的坝前水位；

步骤1中，所述梯级水库水沙多目标优化调度模型为：

目标函数：

(1)计算时期内梯级水库多年平均发电量最大，即

式中，TE代表梯级水库多年平均发电量；E_i,t为i电站t时段的发电量；M为梯级水库或梯级电站总数；i为水库或电站编号；T为调度总时段；t为时段编号；A_i为i电站出力系数；Q_i,t和H_i,t分别为i电站t时段的发电流量和发电水头；△t为计算时段；

(2)计算期末梯级水库库区泥沙淤积量最小，即

式中，F代表调度期末梯级水库库区泥沙淤积总量；VS_i,t为i水库t时段的库区泥沙淤积量；M为梯级水库或梯级电站总数；i为水库或电站编号；T为调度总时段；t为时段编号；

约束条件：

(1)水量平衡约束

(Q_i,in-Q_i,out)△t＝V_i,t-V_i,t-1＝△V_i (7)

式中，△t为计算时段；Q_i,in和Q_i,out分别为i水库在计算时段△t的平均入库流量和出库流量；V_i,t和V_i,t-1分别为i水库t时段初、末的蓄水量；△V_i为i水库△t时段内的蓄水变化量；

(2)水库泄流能力约束

q_i,t≤q(Z_i,t) (8)

式中，q_i,t为i水库t时段的下泄流量；Z_i,t为i水库t时段末的蓄水位；q(Z_i,t)为i水库在水位Z_i,t时的最大泄流能力；

(3)水库蓄水能力约束

V_i^min≤V_i,t≤V_i^max (9)

式中，V_i^min和V_i^max分别i水库最小和最大允许蓄水量；V_i,t为i水库t时段的蓄水量；

(4)下游防洪安全约束

q_控制点≤q_支 (10)

式中，q_控制点为通过防洪控制点的流量；q_支为控制点防洪安全流量；

(5)水电站出力约束

式中，分别为i电站t时段出力的上、下限；N_i,t为i电站t时段的出力。