[发明专利]一种基于合作博弈法的水库多目标优化调度方法

权利要求书

1.一种基于合作博弈法的水库多目标优化调度方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，计算水库下游河道的环境需水过程：基于月均流量进行频率分析，分别划分各月的丰、平、枯水年，计算水库下游河道的最低环境流量和适宜流量上下限；

步骤2，建立水资源管理主体的单人博弈模型，使发电主体与环境主体的公共利益最大化，实现如下：

步骤2.1，选择水库在调度期内总发电量最大以及下游河流环境缺水量最小作为发电及环境主体的目标函数，表达式如下：

为了使发电主体的目标与环境主体的目标量纲统一，对目标函数进行改进，用满意度指标表示，计算式如下：

式中：T为调度开始后某一时刻；R_t和U_t分别为第t阶段的发电主体和环境主体的目标函数；w₁和w₂分别为发电主体和环境主体目标的权重，Q_t为第t阶段水库的下泄流量；D_t为第t阶段环境主体的需水量；E_t为第t阶段的发电量；E_max,t为第t阶段机组最大出力对应的发电量；t＝1,2,…,36为一年中的调度阶段数：旬；

式中：A为综合出力系数，Δt为第t阶段历时，ΔH_t和H_t为第t阶段的机组的水头损失和发电净水头；Z_t和Z_t+1分别为第t阶段初和阶段末的水库蓄水位，Zd_t为第t阶段对应的水库下游水位；N_max,t为第t阶段机组的最大出力；

步骤2.2，设置水库运行的主要约束条件，分为水量平衡方程、水库蓄水位约束、水库下泄流量约束、电站出力约束和航运流量约束，根据水库调度规程可以确定航运最低流量作为航运流量约束，其余约束条件如下：

(1)水量平衡方程

V_t+1＝V_t+(I_t-Q_t)Δt (9)

式中，V_t、V_t+1分别为第t阶段水库的初始库容和末库容；I_t为第t阶段的入库流量；Q_t为第t阶段的下泄流量，当该阶段出力小于机组段对应的最大出力时，该流量等于发电流量；

(2)水库蓄水位约束

式中，和Z_t为第t阶段水库的允许最高和最低水位；

(3)水库下泄流量约束

式中：q_t和分别为第t阶段允许的最小和最大下泄流量；

(4)电站出力约束

式中：和N_t分别为第t阶段对应的最大和最小出力限制；N_t为第t阶段的实际出力；

步骤2.3，根据步骤1设计丰、平和枯水年的最低环境流量和适宜流量，并设计发电与环境需水不同权重(w₁，w₂)取不同组合的目标函数条件下的多个调度方案，并运用动态规划方法进行求解；

步骤3，建立水资源管理主体的多目标合作博弈模型，使集体利益与个人利益结合，实现如下：

步骤3.1，博弈参与主体为发电主体和环境主体，两个主体的直接交互作用决定目标函数，表达式如下：

max(f_R(Q_t)-f_R(Q_d))(f_U(Q_t)-f_U(Q_d)) (13)

式中：f_R(Q_t)与f_U(Q_t)分别为合作情况下环境主体与发电主体的收益值；Q_t为合作情况下水库的出库流量；f_R(Q_d)和f_U(Q_d)分别为单目标情况下环境主体与发电主体的收益值；Q_d为单目标情况下水库的出库流量，合作情况下环境主体和发电主体的收益函数，表达式如下：

(1)发电主体收益函数为该阶段的实际发电量与机组最大发电量的比值，用发电满意度表示，即

(2)环境主体收益函数为该阶段出库流量与其环境目标之间的比值，用出库流量与目标环境流量接近程度的环境满意度表示，即

步骤3.2，以单人博弈模型产生的总收益值作为多目标合作博弈模型的约束条件，表达式如下：

式中，F(S)为第一阶段单人博弈时产生的总收益；

根据步骤2中提出的调度方案，计算出丰、平、枯水年的适宜流量和最低环境流量时各方案的集体总收益；

步骤3.3，以单目标各主体的收益值权重组合为(1，0)作为个体利益的最大值，采用Nash-Harsanyi谈判解，对合作博弈模型下的集体总收益进行分配，表达式如下：

约束条件为：

x_i≥d_i (19)

x_i，d_i≥0 (20)

式中，n为参与主体个数；v(S)为合作博弈获得的集体总收益；x_i为参与主体i在合作下获得的收益；d_i为参与主体i在独自行动的条件下获得的收益；Ω为Nash讨价还价理论模型的最优解；

步骤3.4，水库多目标调度模型通过合作博弈的方法将集体总收益有效和公平地分配给发电主体和环境主体，使其收益相比于不合作下单目标调度时能够增加，实现水库多目标的优化调度。