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梯级水库群优化调度方法研究与系统实现

作　者: 王赢
导　师: 周建中
学　校: 华中科技大学
专　业: 系统分析与集成
关键词: 梯级水电站群防洪调度发电调度多目标优化约束处理粒子群算法混沌搜索文化算法 SS框架简化数据层
分类号: O224
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

流域梯级水库群优化调度一直是学术和工程界研究的前沿和热点问题。受流域气象、水文过程、发电控制、电网运行以及生活生态用水的影响,呈现出高维、非凸、非线性、耦合性强的特性。随着我国水电能源的大规模迅速发展,一批在建水库相继投产运行,梯级水库群规模日益庞大,结构日趋复杂,传统仅考虑孤立水库的单目标调度方式已经无法满足现阶段流域梯级大型水利枢纽综合优化调度运行的需要。为此,亟需综合考虑流域梯级上下游电站之间的复杂水力、电力耦合关系,从流域大规模水电能源系统整体优化的角度出发,针对梯级水电站群联合优化调度的工程需求提出先进的决策理论与方法,统筹协调流域梯级上下游电站群各单位各部门的综合利益和冲突,从而提高梯级流域梯级水电系统的运行管理水平,实现流域水能资源的充分利用。因此,本文以梯级水库群联合优化调度为研究背景,结合系统工程理论和现代智能优化方法针对梯级水库群运行中防洪、发电的主要问题进行研究,并将成果应用于三峡梯级水库优化调度的问题中。本文研究工作及研究方法包括：(1)针对传统算法求解水库防洪调度问题存在维数灾、计算效率低的缺陷,提出了一种混沌文化粒子群算法求解水库防洪调度优化问题。该算法以粒子群算法为主要的进化搜索方法,结合文化算法的计算框架对种群的进化过程进行指导,实现了文化算法通信协议的操作方式。此外,为增强算法的收敛效果,在信念空间中设计了混沌局部搜索策略。结合种群和信念空间的双重进化,一方面加快算法的收敛速度,另一方面有效防止算法早熟收敛。将混沌文化粒子群算法应用于测试函数以及三峡水库防洪优化调度的结果表明,该方法相比传统的防洪调度方法拥有更好的全局搜索能力,为求解梯级水库群防洪优化调度问题提供了一种有效方法。(2)由于梯级水库群优化发电调度问题需要考虑更多复杂的等值与不等值约束,而传统的进化算法缺少对这类复杂约束进行处理的能力。针对这一问题,建立了-种改进约束处理的自适应混沌粒子群算法,该方法将发电调度的初末水位约束转换为水量约束,并围绕水量约束的调整过程提出了两种处理水库优化调度问题中的等值约束处理方案,一是将水量约束分配至随机时段,直到水量约束满足,二是将水量约束中超出或者不足的部分平分成指定份数,然后每一份水量按照最优目标值原则分配。基于上述两种方案的混合约束处理策略设计了算法求解过程中调度方案的约束处理方法。此外,引入一种混沌搜索策略,以改进算法的搜索效率。将改进约束处理的自适应粒子群算法应用于三峡梯级枢纽中长期发电调度模型以及扩展至水火电联合优化仿真系统的求解,结果证明了该算法求解梯级水库群联合优化发电调度问题的有效性,且拥有较高的求解精度和效率,为流域梯级水库群的发电优化调度提供了有力的工具。(3)针对梯级水库群综合开发利用的多目标工程需求,提出了多目标改进约束处理的自适应混沌粒子群算法对该类问题进行求解。该方法结合多目标算法的相关理论,设计了一种多目标问题的种群规划方法。将算法的种群设计为包含局部种群、局部种群历史最优解集、优秀个体集三个部分,减少了计算过程中重复的合并种群的操作,提高算法效率。算法引入快速非支配排序的方法对算法种群构建非支配集,提出了基于欧氏距离判断的个体筛选策略对进化过程中的调度方案集进行优选。建立了一种多目标粒子群算法中个体历史最优解和种群全局最优解的选取策略,将等值约束处理方法扩展至适用于多目标问题的求解。测试函数以及三峡梯级多目标防洪、发电调度的应用结果表明该方法收敛精度高,分布性好,能够为三峡水库优化调度问题的求解提供数据支持。(4)将流域梯级水库群优化调度相关理论与方法结合工程实践,与现代计算机技术结合,构建梯级优化调度系统以指导水库群调度工作的实际工程运行。结合B/S系统架构的优点,设计了SS框架,并应用于三峡梯级水库群优化调度系统的开发。系统结合Struts2框架建立了系统的表示层,引入DWR技术优化JS对后台的调用。基于Web服务,开发了分布式的业务应用层,实现了跨平台、跨语言的模型算法调用,提出了简化数据层的框架,避免了传统数据层框架的复杂配置,优化了数据的访问。此外,通过优化三峡梯级优化调度系统的类设计方式,结构化系统中各种类和对象的设计,提出了一种考虑非物理意义对应关系的数据库设计模式,提高数据的查询效率。为提高系统的开发效率,设计了数据层代码生成方法以优化数据层开发过程。针对面向对象环境下的系统开发,提出了两种通用数据折半查找方案,并分析了两种方案的使用范围。系统的设计简化了开发过程,增加了系统可维护性,提高了调度工作的整体应用效果,为流域梯级优化调度提供了一个快速高效的工作平台。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
1 绪论  12-30
  1.1 引言  12-13
  1.2 选题背景与研究目标  13-14
  1.3 梯级水库群联合调度研究进展  14-27
  1.4 本文主要研究内容及章节安排  27-30
2 基于混沌文化粒子群算法的水库防洪调度  30-52
  2.1 引言  30-31
  2.2 梯级水库群联合防洪调度模型  31-32
  2.3 混沌文化粒子群算法设计  32-41
  2.4 方法应用  41-51
  2.5 本章小结  51-52
3 改进约束处理的自适应混沌粒子群算法在发电调度中的应用  52-72
  3.1 引言  52-53
  3.2 三峡梯级发电调度模型  53-54
  3.3 改进约束处理的自适应混沌粒子群算法设计  54-62
  3.4 实例研究  62-71
  3.5 本章小结  71-72
4 多目标水库优化调度的应用研究  72-103
  4.1 引言  72-73
  4.2 多目标问题的数学描述  73-74
  4.3 改进约束处理的多目标混沌粒子群算法设计  74-84
  4.4 应用实例  84-101
  4.5 本章小结  101-103
5 基于Web的三峡梯级优化调度系统设计与实现  103-130
  5.1 三峡梯级优化调度系统架构分析  103-105
  5.2 三峡梯级优化调度系统设计实现  105-121
  5.3 三峡梯级优化调度系统优化  121-127
  5.4 系统运行效果  127-129
  5.5 本章小结  129-130
6 总结与展望  130-133
  6.1 研究工作总结  130-132
  6.2 工作展望  132-133
参考文献  133-149
致谢  149-150
附录1：攻读博士期间所发表的论文  150-152
附录2：攻读博士期间完成和参与的科研项目  152

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