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梯级水库优化调度的改进ODDDP算法研究

水电能源科学 2024年 179-184页

作者：方国华郑旺吴承君颜敏河海大学水利水电学院黄河水利委员会黄河水利科学研究院

“维数灾”问题和易陷入局部最优问题是梯级水库优化调度模型求解中的热点和难点。正交离散微分动态规划算法依据正交试验原理,解决了离散微分动态规划算法在求解水库群联合优化调度问题中的维数灾问题,但并未克服其依赖初始解质量和易... 详细信息

“维数灾”问题和易陷入局部最优问题是梯级水库优化调度模型求解中的热点和难点。正交离散微分动态规划算法依据正交试验原理,解决了离散微分动态规划算法在求解水库群联合优化调度问题中的维数灾问题,但并未克服其依赖初始解质量和易陷入局部最优的缺陷。对此,借鉴入侵杂草算法空间扩散机制,引入高斯随机变量,并基于三角余弦函数的周期性质,设计提出了M-IWO-ODDDP算法,从算法全局搜索能力和搜索深度两方面,提高算法全局收敛能力。采用Schaffer、Shubert两种测试函数,分析测试了M-IWOODDDP算法的收敛性和鲁棒性。并以乌江流域11级梯级水库为例开展实例应用研究,结果表明,M-IWOODDDP寻优效果显著且对初始解质量无明显依赖性,算法收敛能力强、鲁棒性好。

关键词：水库优化调度离散微分动态规划正交试验高斯分布收敛性分析

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考虑调水和供水规则的水库优化调度

水资源保护 2023年第1期39卷 15-21,48页

作者：王宗志谈丽婷耿敏刘克琳南京水利科学研究院水文水资源与水利工程科学国家重点实验室江苏南京210029 山东省防汛抗旱物资储备中心山东济南250014

针对用于调节当地地表水资源的水库受多水源影响需要制订新调度规则的问题,考虑非常规水调蓄能力低的特点,在优先配置非常规水的基础上对受水区水库设置调水和供水规则,建立了考虑调水和供水效率的水库优化调度模型,并采用理想点法和遗... 详细信息

针对用于调节当地地表水资源的水库受多水源影响需要制订新调度规则的问题,考虑非常规水调蓄能力低的特点,在优先配置非常规水的基础上对受水区水库设置调水和供水规则,建立了考虑调水和供水效率的水库优化调度模型,并采用理想点法和遗传算法对调度规则寻优。将模型应用于威海市区米山水库,结果表明:与标准调度策略相比,优化后的水库调度规则使多年平均调水量减少2692.4万m^(3),多年平均弃水量减少417.5万m^(3),提高了天然来水和外调水的利用率;枯水年对外调水的依赖性高于丰水年和平水年,平均调水量仅减少398万m^(3);在该调度规则下,减少外调水量的同时增加非常规水的配置可将农业供水保证率从75%提高到88.4%。

关键词：水库优化调度调水过程供水规则非常规水水资源利用效率米山水库

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基于长期与中长期嵌套的水库优化调度

长江科学院院报 2022年第8期39卷 23-28页

作者：孙桂凯石锐刘思怡王国帅赵荣娜莫崇勋广西大学土木建筑工程学院南宁530004 广西大学工程防灾与结构安全教育部重点实验室南宁530004 广西大学广西防灾减灾与工程安全重点实验室南宁530004

为解决水库优化调度过程中时间尺度不同而导致的水库综合效益不高的问题,以防洪与兴利为目标,将水库长期优化调度与中长期优化调度进行嵌套,建立水库多目标优化调度嵌套模型。其中,多目标问题通过约束法将防洪目标转换为硬性约束后,再... 详细信息

为解决水库优化调度过程中时间尺度不同而导致的水库综合效益不高的问题,以防洪与兴利为目标,将水库长期优化调度与中长期优化调度进行嵌套,建立水库多目标优化调度嵌套模型。其中,多目标问题通过约束法将防洪目标转换为硬性约束后,再转化为求解发电量最大值的单目标问题。算法方面,综合对比后确定长期优化调度采用动态规划算法求解、中长期优化调度采用遗传算法求解。为验证嵌套模型的优化效果,以澄碧河水库为例,进行水库优化模拟调度。结果表明:在满足防洪目标的前提下,嵌套模型优化调度方案相较于长期优化调度方案和实际调度方案效益均更高,验证了嵌套模型在水库优化调度问题中的优越性。

关键词：水库优化调度嵌套模型动态规划算法遗传算法水库综合效益澄碧河水库

离散四水库问题基准下基于n步Q-learning的水库群优化调度

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中国水利水电科学研究院学报（中英文） 2023年第2期21卷 138-147页

作者：胡鹤轩钱泽宇胡强张晔河海大学水利部水利大数据重点实验室江苏南京210098 河海大学信息学部计算机与信息学院江苏南京210098 西藏农牧学院电气工程学院西藏林芝860000

水库优化调度问题是一个具有马尔可夫性的优化问题。强化学习是目前解决马尔可夫决策过程问题的研究热点,其在解决单个水库优化调度问题上表现优异,但水库群系统的复杂性为强化学习的应用带来困难。针对复杂的水库群优化调度问题,提出... 详细信息

水库优化调度问题是一个具有马尔可夫性的优化问题。强化学习是目前解决马尔可夫决策过程问题的研究热点,其在解决单个水库优化调度问题上表现优异,但水库群系统的复杂性为强化学习的应用带来困难。针对复杂的水库群优化调度问题,提出一种离散四水库问题基准下基于n步Q-learning的水库群优化调度方法。该算法基于n步Q-learning算法,对离散四水库问题基准构建一种水库群优化调度的强化学习模型,通过探索经验优化,最终生成水库群最优调度方案。试验分析结果表明,当有足够的探索经验进行学习时,结合惩罚函数的一步Q-learning算法能够达到理论上的最优解。用可行方向法取代惩罚函数实现约束,依据离散四水库问题基准约束建立时刻可行状态表和时刻状态可选动作哈希表,有效的对状态动作空间进行降维,使算法大幅度缩短优化时间。不同的探索策略决定探索经验的有效性,从而决定优化效率,尤其对于复杂的水库群优化调度问题,提出了一种改进的ε-greedy策略,并与传统的ε-greedy、置信区间上限UCB、Boltzmann探索三种策略进行对比,验证了其有效性,在其基础上引入n步回报改进为n步Q-learning,确定合适的n步和学习率等超参数,进一步改进算法优化效率。

关键词：水库优化调度强化学习 Q学习惩罚函数可行方向法

基于协同进化粒子群算法的水库优化调度与应用

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中国农村水利水电 2022年第7期 122-127,139页

作者：刘英华王敬王镜淋张涛齐爱年武汉设计工程学院武汉430070 湖北省水利水电科学研究院武汉430070 湖北省节水研究中心武汉430070 长江大学信息与数学学院湖北荆州434023

水库供水优化调度中存在多个供水目标、多个决策变量和复杂多约束条件,从而呈现出高维度、非线性、强约束特性。针对传统粒子群算法求解此类问题容易出现的收敛速度慢、计算效率低及早熟问题,将合作型协同进化思想与粒子群算法相结合,... 详细信息

水库供水优化调度中存在多个供水目标、多个决策变量和复杂多约束条件,从而呈现出高维度、非线性、强约束特性。针对传统粒子群算法求解此类问题容易出现的收敛速度慢、计算效率低及早熟问题,将合作型协同进化思想与粒子群算法相结合,提出一种基于种群停滞搜索技术的协同进化粒子群算法,一方面通过种群内部个体间的竞争进化模式来提高种群竞争力,另一方面通过种群之间的相互合作模式提升算法全域搜索能力,各种群依次实行进化过程和协同过程,以保持种群进化过程中的多样性,并从“种群进化过程监视”的角度出发,提出了防止算法早熟的种群停滞探测技术,提高算法收敛速度。将提出的算法应用于徐家河水库供水优化调度模型求解中,结果表明,相对于传统粒子群算法,本算法计算的生活、工业和灌溉累积缺水总量分别降低了47.2%、33.3%和14.4%,供水保证率分别提高了1.7%、1.9%和4.4%,缺水指数分别降低了0.064、0.071和0.076,年均弃水量减少了1.9%,水资源利用效率有所增加。算法性能方面,协同进化粒子群算法在迭代早期(约65次迭代)就开始收敛,并在一定程度上避免了粒子陷入局部最优,降低了算法的不确定。综上表明,本文提出的算法易于实现,求解效率高,为水库优化调度模型求解提供了新的思路。

关键词：水库优化调度限制供水规则协同进化粒子群算法群停滞搜索技术模拟优化模型

考虑动态出力系数的某水库优化调度模型及应用

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水电能源科学 2022年第2期40卷 79-83页

作者：郭建斌梁翔杨沾潘元超河海大学能源与电气学院江苏南京211100

针对综合出力系数是水电站高效运行的重要动态参数且现有研究中多采用定值、过于理想化的问题,建立考虑厂内经济运行和动态出力系数的某水库优化调度模型,并应用遗传算法求解。对某水库的优化调度结果表明,采用动态出力系数的优化调度... 详细信息

针对综合出力系数是水电站高效运行的重要动态参数且现有研究中多采用定值、过于理想化的问题,建立考虑厂内经济运行和动态出力系数的某水库优化调度模型,并应用遗传算法求解。对某水库的优化调度结果表明,采用动态出力系数的优化调度模型效益提升相较于定出力系数更优,发电效益最大可提升5.15%,达到了高效发电的目标,可为水库日常调度提供参考。

关键词：水库优化调度厂内经济运行综合出力系数遗传算法高效发电

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基于强化学习算法的水库优化调度研究

水电能源科学 2022年第1期40卷 73-77页

作者：胡鹤轩尹苏明胡强张晔胡震云义崇政河海大学计算机与信息学院江苏南京210098 河海大学商学院江苏南京210098 西藏农牧学院电气工程学院西藏林芝860000 长江勘测规划设计研究有限责任公司湖北武汉430010 长江空间位总技术工程有限公司(武汉) 湖北武汉430010 湖北省水利信息感知与大数据工程技术研究中心湖北武汉430010

为解决复杂现实环境下的水库优化调度问题,采用强化学习的Q-learning算法,以哈希表作为核心数据结构,在逐幕生成水库可行调度方案的同时,单时段优化Q值,最终依据各时段的最优Q值生成水库最优调度方案。试验分析结果表明,当迭代次数达到... 详细信息

为解决复杂现实环境下的水库优化调度问题,采用强化学习的Q-learning算法,以哈希表作为核心数据结构,在逐幕生成水库可行调度方案的同时,单时段优化Q值,最终依据各时段的最优Q值生成水库最优调度方案。试验分析结果表明,当迭代次数达到一定数量时,Q-learning算法能够达到理论上的最优解;依据水库调度历史数据建立最优搜索廊道,Q-learning算法可在缩短优化时间的同时获得高质量的解。

关键词：水库优化调度约束型强化学习 Q-learning 哈希表

基于递归均匀设计的水库优化调度——以五强溪水库为例

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基于递归均匀设计的水库优化调度——以五强溪水库为例

作者：朱亚美河南大学

学位级别：硕士

随着全球气候变化的加剧,极端洪涝、干旱等自然灾害频发,对人类的生产生活造成了巨大的影响。水库作为一种重要的水利工程设施,可以通过调节水流量以降低洪水对中下游的影响,可以合理分配水资源,提高水资源配置效率。合理的水库调度在... 详细信息

随着全球气候变化的加剧,极端洪涝、干旱等自然灾害频发,对人类的生产生活造成了巨大的影响。水库作为一种重要的水利工程设施,可以通过调节水流量以降低洪水对中下游的影响,可以合理分配水资源,提高水资源配置效率。合理的水库调度在降低自然灾害风险的同时可以带来可观的经济效益,因此,为提高水资源利用效率,国内外学者致力于水库优化调度方面的研究,提出一系列求解水库优化调度模型的优化方法。目前存在线性规划、非线性规划、动态规划等较为成熟的求解方法,但在实际应用中,线性规划受其自身局限性难以直接在水库优化调度模型求解中运用;而非线性规划更符合水库调度的条件约束,但是需要与其他方法结合才可以进行求解;此外,动态规划虽然是水库调度领域应用最多的方法之一,但其计算复杂度随系统规模呈指数增长,存在严重的“维数灾”问题。针对上述水库优化调度方法中存在的问题,本文以沅江干流的五强溪水库为研究对象,基于递归思想和均匀设计的理论,分别运用均匀设计、递归均匀设计、均匀动态规划、递归动态规划及递归均匀动态规划等五种方法对水库优化调度模型进行求解。主要研究结论如下:(1)基于均匀设计的水库防洪调度分析。以五强溪水库五年一遇和十年一遇设计洪水为例,基于最大削峰准则建立水库防洪调度模型。在水量平衡约束的条件下,考虑前后时段调度结果的影响及其复杂性,运用均匀设计表在符合库容约束空间内选取富有代表性的库容状态点建立调度线,再寻找出符合其他约束条件的调度线,利用目标函数对模型求解,从而求得最优调度线。结果表明,与常规调度相比,基于均匀设计的水库防洪调度模型分别提高了4.7%和2.5%的削峰率,使得下泄流量过程更加平缓,缓解了下游的防洪压力。验证了基于均匀设计的模型求解方法在水库防洪调度中具有可行性,可以充分利用防洪库容进行洪水调节。(2)基于均匀设计与递归思想的水库发电调度的运算效率分析。以五强溪水库平水年径流来水为例,运用动态规划、均匀动态规划、递归动态规划、均匀设计、递归均匀设计和递归均匀动态规划六种方法对基于年发电总量最大目标的水库优化调度模型进行求解。从运算用时来看,随着水平数的增加,各方法运算用时呈现不同程度的增加。同一水平数下,动态规划方法运算用时为45.3ms,递归动态规划方法用时90.53ms,均匀动态规划方法用时11.83ms,递归均匀动态规划方法用时24.4ms。与动态规划方法相比,均匀动态规划方法用时减少约73.9%;递归动态规划方法运算用时增加约99.9%;递归均匀动态规划运算用时减少约46.1%。均匀设计对水库发电调度模型运算用时最短,递归均匀设计次之。结果表明,基于均匀设计求解五强溪水库发电调度运算效率高,且与其相结合的其他方法计算效率也得到提高。均匀设计为水库优化调度提供了一种可行、实用的优化方法,对于类似高维优化问题的求解具有较好的借鉴意义和参考价值。(3)基于均匀设计与递归思想的水库发电调度的年发电量分析。结果表明,基于年发电总量最大目标的水库发电调度模型,均匀设计方法求得年发电总量最低,水平数为240的递归动态规划方法求得年发电总量最高。同一水平数下,递归动态规划得出的年发电量比动态规划年求得的发电量增加约0.02亿k W.h;递归均匀设计得出的年发电量比均匀设计求得的年发电量增加约1.49亿k W.h;递归均匀动态规划得出的年发电量比均匀动态规划求得的年发电量增加约0.08亿k W.h。结果表明,基于递归调用的水库发电调度模型求解,可以增加水库年总发电量,提高水资源利用率。(4)基于均匀设计与递归思想的水库发电调度的综合分析。通过对不同运算方法年得到的年发电总量及其运算用时的综合分析,得出不同方法在水库发电调度模型中的综合效果。结果表明,不同运算方法得到的年发电总量差别不大,但运算用时之间存在明显的不同。基于均匀设计及递归均匀设计的运算方法对水库发电调度模型求解的综合效果较好,在求解高维优化问题中具有优越性。

关键词：均匀设计递归调用动态规划水库优化调度

改进麻雀优化算法在水库优化调度中的应用研究

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改进麻雀优化算法在水库优化调度中的应用研究

作者：汤生城华北水利水电大学

学位级别：硕士

随着我国经济新常态和绿色可持续发展的需要,我国在持续减少煤炭、石油、天然气的等不可再生能源消费的同时,水电、火电、核电等可再生能源成为肩负我国能源需求的重要生产措施。其中,水电能源因其清洁环保、有益生态环境、优化配置能... 详细信息

随着我国经济新常态和绿色可持续发展的需要,我国在持续减少煤炭、石油、天然气的等不可再生能源消费的同时,水电、火电、核电等可再生能源成为肩负我国能源需求的重要生产措施。其中,水电能源因其清洁环保、有益生态环境、优化配置能力强等优点,在我国的能源发展规划中处于优先发展地位。水电站水库优化调度是水电能源开发与利用的关键性因素,对于保障国家水电能源需求的稳定运行,提高水能资源利用效率,充分发挥水电站水库工程多方面功能效益具有重要意义。水库优化调度是一类高维、多约束的非线性优化问题。此类问题的求解需要根据实际工程情况所建立的数学优化模型及所选择的求解方法综合考虑。随着考虑因素的增加,问题的复杂性不断提高,传统优化算法在求解时的计算能力通常并不能很好的解决计算过程中面临的维数灾问题,且计算效率较低。随着计算机科学和仿生生物学的联合交叉研究,一系列具有较好鲁棒性、适用性强、计算效率快的智能优化算法的提出及其众多改进算法,在水库优化调度研究中得以广泛应用。本文在结合前人对智能算法和水库优化调度模型求解的理论方法和研究的基础上,通过引入和改进麻雀优化算法以提高水电站水库的水力发电效益,为水库优化调度研究提供一种新思路。本文的主要工作如下:算法改进:针对水库优化调度算法寻优问题,本文基于Picewise混沌映射理论,将其耦合于初始化种群中,使得种群个体均匀分布在寻优空间内,增加种群丰富性,有利于算法寻优效率的提升。受遗传算法的启发,在麻雀个体选择上引入差分变异交叉选择策略,利用贪婪原则,选择出优质个体参与种群迭代更新。最后,对在麻雀优化算法中具有控制全局寻优能力的步长因子参数进行动态调整,有效改善算法运行中跳出局部最优的能力。综合上述改进后的麻雀优化算法,采用基准函数仿真实验的方式对比PSO和SOA算法,验证了改进麻雀优化算法在求解基准函数上的寻优效率和有效性。研究区域分析:本文以拟建的龙湾湖水库为研究区域,构建了以水库年发电量为优化目标的水库优化调度模型,根据研究区域的实际情况,重点对上游石门水库的影响进行了分析和计算,得出75%来水保证率年份龙湾湖水库入库水量序列。算法应用:本文将改进的麻雀优化算法(ISOA)应用于拟建的龙湾湖水库优化调度模型进行求解,并与粒子群优化算法(PSO)和原始麻雀优化算法(SOA)的年发电量优化结果和迭代次数走势图进行对比分析。相较于SOA和PSO年发电量优化率分别提高了1.11%和1.43%,结果证明,ISOA的寻优效率更快,稳定性更高。

关键词：水库优化调度粒子群优化算法麻雀优化算法混沌映射动态步长因子