武汉大学水利水电学院水库调度课程设计

基于 R 语言实现的 SX 水库中长期优化调度模型，采用 DDDP（逐次逼近动态规划）求解，以总发电量最大为目标，完成代表年法与长系列法两种调度方案的计算与结果分析。

项目简介

项目以 Data.xlsx 中的工程资料与水文资料为输入，分别完成：

• Run1944.r：以 1944 年为计划年的代表年法优化调度；
• RunAll.r：1941-1990 年共 50 年长系列优化调度。

两个脚本共用同一套数据读取、曲线拟合与 DDDP 求解框架，输出逐旬水位、流量、发电量等详细结果，以及水位过程线、流量对比、收敛分析等图表。

项目结构

文件	说明
Run1944.r	1944 计划年优化调度主程序
RunAll.r	1941-1990 长系列优化调度主程序
Data.xlsx	工程资料与水文资料（入库流量、水位库容、关系曲线等）
dddp_1944_detailed_results.xlsx	1944 年逐旬详细调度结果
dddp_results_50yr.rds	50 年 DDDP 求解结果缓存
中长期优化调度任务报告.pdf	课程设计报告
大作业 中长期优化调度任务书.doc	作业任务书
README.md	项目说明

运行脚本还会在项目目录下生成对应的 CSV 结果文件和 PNG 图表。

模型概述

目标函数为总发电量最大：

$$E^{*}(T)=\max\left\lbrace\sum_{t=1}^{n}\left[P(t)\Delta T_{h}\right]\right\rbrace$$ $$\text{其中}\quad P(t)=\min\lbrace KQ_{fd}(t)H(t),P_{yx}(t)\rbrace$$

模型主要约束包括：

• 水量平衡约束；
• 库水位上下限约束（动态水位约束 DDT）；
• 下游水位与水头计算（净水头 = 平均上游水位 - 下游水位 - 水头损失）；
• 机组预想出力约束；
• 保证出力约束（低于保证出力时施加线性惩罚）；
• 发电流量过流能力约束；
• 泄流能力约束；
• 最小下泄流量约束（4070 m³/s）；
• 初始与终止水位约束（171.28 m）。

DDDP 求解流程：由 DDT 允许最高水位构造初始轨迹，围绕当前轨迹建立搜索走廊，在走廊内按 0.2 m 步长离散水位进行逆向递推动态规划，通过迭代逐步逼近最优解。迭代最多 5 次，当发电量改进小于 0.01 亿 kW·h 且轨迹变化小于 0.01 m 时提前收敛。

使用方法

在 RStudio 中打开 Run1944.r 或 RunAll.r 并运行即可。脚本会自动将工作目录设置为脚本所在目录，要求 Data.xlsx 与脚本位于同一目录。

建议先运行 Run1944.r 验证流程，再运行 RunAll.r 完成长系列计算。如果没有dddp_results_50yr.rds缓存数据，RunAll.r 首次运行需要执行约 20 分钟的 DDDP 迭代，结果会缓存到 dddp_results_50yr.rds，之后再次运行直接加载缓存；如需强制重新优化，删除该缓存文件即可。

dddp_results_50yr.rds在本项目中已经给出，读者可以快速复现结果，但推荐自己运行完整的迭代流程

输出结果

Run1944.r 主要输出：

• dddp_1944_detailed_results.csv：逐旬详细调度结果；
• dddp_1944_water_level.png：优化水位过程线；
• dddp_1944_power_generation.png：发电量过程线；
• dddp_1944_inflow.png：入库流量过程线；
• dddp_1944_convergence.png：迭代收敛过程；
• dddp_1944_flow_comparison.png / dddp_1944_flow_stack.png：流量对比与组成图；
• 每一次迭代轨迹图 dddp_1944_iteration_N.png。

RunAll.r 主要输出：

• dddp_50years_optimization_results.csv：逐旬全过程结果；
• annual_operation_statistics.csv：逐年统计结果；
• optimization_trajectory_vs_ddt.png：50 年优化轨迹与 DDT 对比；
• inflow_vs_energy.png：年入库流量与年发电量关系；
• monthly_analysis.png、seasonal_analysis.png：月均与季节分析；
• performance_summary.png、dddp_convergence_analysis.png：性能与收敛分析；
• inflow_outflow_hydrograph.png、flow_statistics_summary.png：流量过程与统计；
• 每一次迭代轨迹图 dddp_50years_iteration_N.png。

关键结果

报告中给出的主要结果：

指标	1944 代表年	50 年长系列
总发电量	919.67 亿 kW·h	46009.10 亿 kW·h
年均发电量	-	920.18 亿 kW·h
平均水位	162.11 m	162.11 m
保证出力满足率	88.89%	79.17%
平均入库流量	13271 m³/s	13927.65 m³/s
平均弃水流量	10 m³/s	438.59 m³/s

脚本实际输出以本次运行生成的文件为准。

运行环境

• R 4.0 及以上；
• RStudio（脚本通过 rstudioapi 定位脚本目录）；
• 依赖包：readxl、dplyr、purrr、tidyr、ggplot2、png、scales。

说明

本项目为课程学习用途。数据、脚本和报告用于水库调度课程设计与学习交流，欢迎提出问题和改进建议。