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摘要 ................................................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................................... III 第一章绪论 ...................................................................................................................... 1
1.1 研究背景和意义 ............................................................................................. 1 1.2 国内外研究动态 ............................................................................................. 2
1.2.1 国外研究动态 ............................................................................................................. 2 1.2.2 国内研究动态 ............................................................................................................. 6
1.3 本文研究内容与技术路线 ............................................................................ 9
1.3.1 主要研究内容 ............................................................................................................. 9 1.3.2 技术路线 .................................................................................................................... 10
第二章梯级水库多目标优化调度模型构建 ............................................................ 12
2.1 梯级水库优化调度特点与准则................................................................. 12
2.1.1 梯级水库调度分类 ................................................................................................... 12 2.1.2 梯级水库调度特点 ................................................................................................... 13 2.1.3 梯级水库调度准则 ................................................................................................... 14
2.2 梯级水库常用优化调度模型 ..................................................................... 14
2.2.1 目标函数 .................................................................................................................... 15 2.2.2 约束条件 .................................................................................................................... 15
2.3 考虑生态需水目标的梯级水库优化调度模型构建 ............................... 16
2.3.1 建模思路 .................................................................................................................... 16 2.3.2 生态调度内涵及准则 ............................................................................................... 17 2.3.3 河流生态需水估算 ................................................................................................... 18 2.3.4 模型构建 .................................................................................................................... 22
2.4 本章小结 ...................................................................................................... 23 第三章梯级水库优化调度多目标免疫遗传算法设计 ............................................ 24
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3.1 梯级水库优化调度常用求解算法 ............................................................ 24 3.2 免疫遗传算法基础 ..................................................................................... 25
3.2.1 遗传算法 .................................................................................................................... 25 3.2.2 免疫算法 .................................................................................................................... 26 3.2.3 免疫遗传算法 ........................................................................................................... 27 3.2.4 免疫遗传算法改进 ................................................................................................... 29 3.2.5 函数测试 .................................................................................................................... 30
3.3 多目标免疫遗传算法 ................................................................................. 32
3.3.1 多目标优化数学模型及最优解 .............................................................................. 33 3.3.2 多目标免疫遗传算法步骤 ...................................................................................... 33 3.3.3 函数测试 .................................................................................................................... 34
3.4 梯级水库多目标免疫遗传算法求解步骤 ................................................ 37 3.5 本章小结 ...................................................................................................... 37 第四章梯级水库多目标优化调度方案多属性决策 ................................................ 38
4.1 多属性决策矩阵及属性规范化................................................................. 38
4.1.1 决策矩阵 .................................................................................................................... 38 4.1.2 属性规范化 ............................................................................................................... 39
4.2 多属性决策常用方法 ................................................................................. 40 4.3 无权重的决策方法 ..................................................................................... 41
4.3.1 基于VIGA的投影寻踪聚类模型 .......................................................................... 41 4.3.2 TOPSIS方案优选模型 ........................................................................................... 43
4.4 基于权重的决策方法 ................................................................................. 43 4.5 梯级水库调度方案多属性决策步骤 ........................................................ 45
4.5.1 水库调度方案多属性决策指标集 .......................................................................... 45 4.5.2 水库调度方案多属性决策步骤 .............................................................................. 46
4.6 本章小结 ...................................................................................................... 47 第五章实例研究 ........................................................................................................... 48
5.1 基本情况 ...................................................................................................... 48
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5.1.1 汀江流域概况 ........................................................................................................... 48 5.1.2 永定河概况 ............................................................................................................... 49 5.1.3 棉花滩水库概况 ....................................................................................................... 50 5.1.4 青溪水库概况 ........................................................................................................... 51 5.1.5 基础资料 .................................................................................................................... 52
5.2 棉花滩-青溪梯级水库多目标优化调度 ................................................... 54
5.2.1 生态需水估算 ........................................................................................................... 54 5.2.2 模型构建 .................................................................................................................... 57 5.2.3 模型求解 .................................................................................................................... 58 5.2.4 多属性决策 ............................................................................................................... 62 5.2.5 进一步提高水资源利用效益的建议 ...................................................................... 68
5.3 本章小结 ...................................................................................................... 69 第六章总结与展望 ...................................................................................................... 71
6.1 总结 ............................................................................................................... 71 6.2 展望 ............................................................................................................... 72 参考文献 ....................................................................................................................... 74 致谢 ................................................................................................................................ 80
VII
第一章绪论
第一章绪论
1.1 研究背景和意义
经济社会的发展伴随着能源需求的膨胀，导致煤、石油等常规化石能源储量日渐枯竭，生态环境问题也愈发严重，开辟清洁可再生的新能源逐步替代常规能源已成为社会各界的共识，是我国生态文明社会建设的重点。水电是一种清洁的可再生能源，2014年世界水日在西班牙召开，其主题即为“水与能源”，各国精英和专家聚集一堂共同商讨水资源与能源的美好未来，为水与能源的团结协作共谱华章。水电在我国的能源格局中占据着重要的位置，先行和强化水电能源开发是调整我国能源格局和实施可持续发展的重要战略决策。进入21世纪后，我国的水电总装机容量日增猛进，到2013年底时已经超过了2.8亿kW，居世界第一，约占到我国电力总装机容量的22.45%，并仍在以较快速度推进；2013年水电发电量8963亿kW·h，约占年总发电量的16.76%[1]。
可以看出，目前我国的水电装机容量已具有较大的规模，水电站水库的调度作用也日益突出。但是我国现行水库的调度运行方式侧重于发挥水库的社会经济功能，对库区以及水库下游河流的生态环境功能发挥没有提到应有的高度，导致水生态环境问题逐渐突出。加上能源结构调整与水生态文明社会建设步伐加快，都对水库调度提出了新的更高的要求。因此新形势下如何进一步优化运行已有水电站水库，尽可能充分挖掘水电站水库的潜能以便获得更大的综合效益显得尤为迫切。梯级水库优化调度可以通过库容、水文、水力补偿，在几乎没有增加附属设施和附加投资的情况下，更充分可观地发挥水库群总体调度能力，从而获得比单级水库优化调度更加明显的社会经济与生态环境综合效益[2]。另外社会经济快速发展也伴随着水电站管理和运行机制尚未健全、水生态环境状况日益下降等问题，将生态目标作为水库调度的主要目标之一势在必行。如何构建更加科学合理的优化调度模型和寻求高效精确求解的优化方法，是梯级水库优化调度所面临的两大问题，因此开展流域梯级水库多目标优化调度具有现实意义和生产应用价值。
国内外学者已经对梯级水库优化调度的基本理论、调度模型、求解方法等做了大量的研究探索，成绩斐然。尤其是计算机的发展带来了人工智能优化算法的繁荣，梯级水库优化调度的相关理论研究已日臻完善。由于流域梯级水库是一个与特定自然与社会经济环境紧密结合的开放式复杂系统，考虑到水利工程项目各自的特殊性、梯级水库系统之间存在的高维复
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