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摘要：在三峡船闸梯级枢纽运行期间,要运用联合调度算法完成各项基础任务,以此保障实践工作效益实现最大化。在我国交通能源建设水平不断提高中,以生态文明和低碳环保为核心的枢纽建设得到了全社会的重视,各领域学者在深层探究枢纽优化调度目标的同时,获取了更多基础理论和解决方法,这对现代三峡船闸梯级枢纽联合调度系统建设而言具有积极影响。因此,本文研究在明确优化调度多目标算法的基础上,根据三峡葛洲坝梯级枢纽建设运行情况,深藏探讨实际三峡船闸梯级枢纽联合调度算法的应用效果。
关键词：优化调度；调度目标；三峡船闸；梯级枢纽；联合调度；多目标算法
Research on Joint Dispatching Algorithm of Three Gorges Ship Lock Cascade Hub Based on Optimal Dispatching Objective
DENG Wei1,YU Shaojun2
(1.Hunan Bio-Mechatronics Vocational and Technical College,Changsha Hunan 410000;2.School of Computer and Information Engineering,Central South University of Forestry and Technology,Changsha Hunan 410000)
【Abstract】：During the operation of the Three Gorges ship lock cascade hub,the joint scheduling algorithm should be used to complete various basic tasks,so as to ensure the maximization of practical work benefits.With the continuous improvement of my country's transportation energy construction level,the construction of hubs centered on ecological civilization and low-carbon environmental protection has attracted the attention of the whole society.Scholars in variousfields have obtained more basic theories and solutions while deeply exploring the objectives of hub optimization and dispatching,which has a positive impact on the construction of the modern Three Gorges ship lock cascade hub joint dispatch system.Therefore,on the basis of a clear optimal scheduling multi-objective algorithm,according to the construction and operation of the Three Gorges Gezhouba cascade hub,this paper deeply discusses the application effect of the actual Three Gorges ship lock cascade hub joint scheduling algorithm.
【Key words】：optimal dispatch;dispatch objective;Three Gorges ship lock;cascade hub;joint dispatch;multi-objective algorithm
0引言
在我国社会经济建设发展中,现已构成了较多大规模复杂的流域水库群系统,相关水资源和水能开发建设工作已经进入到转型阶段,不仅能充分满足各地区航运安全和生态环境等方面的需求,还逐步提高了调度管理要求。随着三峡船闸梯级枢纽系统越发复杂,内部优化调度逐渐呈现出耦合性和高危性等特征,实际约束条件越发难处理。尤其是在提出多目标优化算法后,传统意义上的联合调度系统已经无法满足三峡船闸通航需求,因此各国科研学者开始结合多目标算法深层探讨联合调度的创新工作。
1介绍
三峡水利枢纽处在长江三峡之一西陵峡中段的三斗坪镇,在建设运营期间具有供水、航运、发电、防洪等功能,属于特大型的水利水电工程。葛洲坝作为三峡工程中的实验性内容,和三峡坝址相距38公里,是三峡船闸梯级枢纽系统中的反调节水库,水电站选用了径流式电站,实际水库容量可以达到15.8亿立方米,三峡大坝建成之后达到了7.11亿立方米。从防洪角度来看,三峡葛洲坝梯级枢纽可以将原本的防洪标准上升到百年一遇,与其他措施相配合,可以有效预防毁灭性洪灾；从发电角度来看,三峡水利枢纽是我国电网系统运行的主导电站,是实现全国电力统一调度的基础依据,每年发电量等同于7座260万KW的火电站,能有效预防碳或硫等污染物的排放总量；从航运角度来看,三峡船闸梯级枢纽系统有效改善了重庆到宜昌的通航条件,实际运输成本下降了33.4%,单向通过能力从1000万吨上升到了5000万吨,真正达成了低成本和大通量的运输要求[1]。由此可见,三峡船闸梯级枢纽系统必然要处理水质、航运、发电等多目标的调度优化问题。
2多目标优化调度算法分析
从本质上讲,三峡船闸梯级枢纽的优化调度属于多约束、多阶段的最优控制问题,因此在理论技术不断革新的背景下,要将各类优化算法应用到三峡船闸梯级枢纽系统中,比如说最优控制理论方法、经典优化算法、现代智能算法等[2]。虽然传统优化技术越发成熟,实践应用效率越来越高,但在处理多目标优化调度问题时,并不符合多目标优化需求。而智能优化算法是以群体为核心的优化技术,在处理三峡船闸梯级枢纽联合调度问题时,虽然已经开始广泛运用多目标优化算法,但因为实际应用问题过于简单,变量数量较少,所以很难在对比研究中提供有效参考[3]。
2.1评价指标
分析三峡船闸梯级枢纽联合调度问题发现,多目标优化调度算法的应用性能要从两方面入手进行评估：一方面是指收敛性,要准确计算最优解和非劣最优解之间的趋近程度；另一方面是指分布性,要研究分析解的空间分布范围和在目标空间分布的均匀程度。具体内容如下所示：
(1)解集的覆盖率(G－度量)。假设A和B代表目标空间中的两个解集,那么相对优劣度函数的覆盖率C(A,B)如式(1)所示：
在上述公式中,|*|代表集合中元素的数量,如果C(A,B)<C(B,A),那么代表B的质量要比A的质量更优。
(2)宽广性度量分析。实际定义如式(2)所示：
在上述公式中,n代表非劣解集中解的数量,m代表目标空间中的维数。M数字越高,证明解集的分布范围越广。
(3)均衡性度量分析。具体定义如式(3)所示：
条件。在解集趋于均衡分布的情况下,相应的间距评价函数S数值会越来越小；而在S=0的情况下,非劣解在目标空间是等间距分布的。
2.2调度模型
由于三峡船闸梯级枢纽系统的联合调度问题较为复杂,要综合考虑航运、发电、防洪等多方面问题,所以为了方便利用各类算法性能,要基于优化调度目标构建多目标评价体系,具体内容涉及到以下几点：
(1)从防洪角度来看,要在满足大坝防洪安全限制要求的基础上,尽可能留出较多的防洪库容量,以此方便处理后续可能发生的大洪水[4]。本文研究将平均出库流量Qt最大看作目标函数,具体定义如式(4)所示：
(2)从发电角度来看,要保障发电效率实现最大化,具体定义如式(5)所示：
(3)从弃水角度来看,要保障洪水调度期间的弃水量达到最小,因此本文研究要利用弃水流量来表示,具体定义如式(6)所示：
在上述公式中,T代表计算时段的数量,Zt(t=1,2,...,T)代表时段t的库水位,Pt代表洪水调度期间的第t个时段的出力情况,Qt代表洪水调度期间第t个时段的总出库流量,Qw(t)代表洪水调度期间第t个时段的弃水流量。
2.3约束条件
(1)水量平衡,具体定义如式(7)所示：
(2)库容量的限制条件,具体定义如式(8)所示：Vl≤Vt≤Vu,t=1,2,…T(8)
(3)机组处理的限制条件,具体定义如式(9)所示：Pl≤Pt≤Pu,t=1,2,...,T(9)
(4)泄洪流量的约束条件,不仅要分析水库在某一水位Z的最大泄流能力Qax,还要分析下游防洪安全泄流数量O,将两者的最小值看作泄洪设施的流量约束条件,具体定义如式(10)所示：
Ot≤min(Oax,Odmn),t=1,2,...,T(10)
在上述公式中,T代表计算时段的长度,It代表入库流量,Qt代表出库流量,Vl代表水库蓄水量的上限条件,Vu代表水库蓄水量的下限条件,Vt代表第t个时段的蓄水流量,Pl代表机组出力的下限条件,Pu代表机组处理的上限条件,Pt代表第t个时段的机组处理。
3案例分析
本文研究三峡船闸梯级枢纽系统,在构建多目标生态优化调度模型后,利用Tennant算法计算分析三峡船闸下游河道的生态径流,具体内容如下所示：
3.1计算径流
Tennant算法也被称作是蒙大拿法,是由Tennant等人在20世纪70年代中期提出的,属于一种非现场测定类型的标准生态流量计算方法,会根据生态环境保护和修复的流域河道流量推荐数值,设定一个最高限制标准和最佳范围标准,以及6个最低限制标准[5]。本文研究所获取的生态径流序列如表1所示。
为了更好处理三峡船闸梯级枢纽联合调度中较为复杂的约束条件,要结合所计算的问题特征,对梯级电站时段水位序列进行编码处理。利用MMODE方法,深层分析了梯级电站群多目标的生态优化调度
问题,明确了种群中所有个体的决策向量,要按照
X=(H0,1,...,HO,T,...,Hi,t,...,Hl,T)这一序列构成调度方案。
3.2目标适应度函数
三峡船闸梯级枢纽系统的多目标优化调度问题较为复杂,其中包含不同类型的数据信息,因此为了方便个体分布指标的计算研究,要对发电效益和生态效益两种数值进行规划处理,具体定义如式(11)所示：
在上述公式中,Emax代表种群所有调度方案梯级发电的最大量,Emin代表种群所有调度方案梯级发电的最小量,WQmax代表生态缺水量的最大数值,WQmin代表生态缺水量的最小数值。
3.3结果分析
本文研究选择平水年和枯水年的典型来水过程作为三峡梯级的入库流量,由此构建多目标优化调度模型,并利用MMODE方法进行求解,最终得到了如图1和图2所示的结果。
根据图1、图2分析发现,三峡船闸梯级枢纽系统中的总体发电量和下游河道生态缺水量呈现反比例关系,两者是相互制约的。如果要想提升梯级的发展效益,那么下游河道的生态缺水量必然会随之上升；但若是要想满足下游河道生态的流量需求,那么必然要消耗大量的发电效益。为了更好验证本文研究算法及其改进的效果,图2还列举了各类算法求解优化调度问题时的非劣调度方案,由此对比分析相应数据发现,没有改进的MODE算法在求解期间的效率不高,实际非劣调度方案会散乱分布在各类多目标中,无法获取有价值的调度决策信息。而本文研究提出的MMODE算法具有极强的优化性能,计算分析得到的非劣调度前沿相比原本算法更加有效,实际调度方案分布非常均衡,可以为管理人员提供有效的决策信息。
经过实验分析发现,三峡船闸梯级枢纽系统需要解决的调度问题,直接影响着我国交通能量建设水平,因此不仅要考虑系统内部的稳定性能和求解效率,还要探讨如何在可持续发展的生态环境中,构建规范化的多目标优化调度模型。因此在智能优化算法革新发展中,要基于传统三峡船闸梯级枢纽系统运行经验,提出以下探究方向：(1)要注重数学理论的基础研究。除了遗传算法之外,大部分智能优化算法虽然具备清晰的基础原理,但没有形成规范严谨的数据依据,相关研究依旧停留在实验检验阶段,因此,要在理论分析中,重点探讨算法收敛性、算法参数、搜索效率等之间的关系,为最优参数的选择提供理论依据；(2)要改进融合各类优化算法。依据实证分析发现,各类智能优化算法存在一定的优缺点,因此改进融合是实践探究的主要方向,这样不仅能提升算法的计算性能,还可以在统一框架下得到计算速度更高、收敛性能更强、求解质量更高的混合智能算法。
4结语
综上所述,现如今我国针对大型水库群多目标的生态调度研究越发深入,人们逐渐认识到内部的生态效益和发电效益之间存在竞争约束关系,因此在构建优化调度模型时,要将年发电量的最大数值和下游河道生态缺水量的最小数值看作基础目标,注重根据多目标优化特征对差分进化算法进行改进拓展,由此得到全新的并行优化算法。同时,要根据三峡流域的水文情况提出更加适宜的计算方法,注重结合基础内容综合考虑水域防洪和航运等问题,积极应用先进的智能算法和技术经验,这样不仅能加快当地经济发展水平,还可以为后续研究工作提供有效依据。
参考文献
[1]蔡卓森,戴凌全,刘海波,等.兼顾下游生态流量的溪洛渡－向家坝梯级水库蓄水期联合优化调度研究[J].长江科学院院报,2020,37(9):31-38.
[2]王煜,李金峰,翟振男.优化中华鲟产卵场水动力环境的梯级水库联合调度研究[J].水利水电科技进展,2020,40(1):56-63.
[3]赵尊荣,王雁飞,刘莹,等.基于三峡—葛洲坝通航枢纽匹配运行的联动船舶待闸分区控量研究[J].中国水运,2020(2):77-80.
[4]侯业楹,万晓安,姚军,等.基于NSGA-Ⅱ的夹岩水利枢纽多目标生态调度研究[J].三峡大学学报(自然科学版),2022,44(1):41-46.
[5]黄景光,黄静梅,林湘宁,等.基于跨流域引水的梯级水电站联合调度[J].三峡大学学报(自然科学版),2020,42(6):28-32+39.
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