梯級水電站群生態(tài)調(diào)控智能控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于水利水電工程運(yùn)行與控制領(lǐng)域，具體涉及梯級水電站群的智能生態(tài)調(diào) 控技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 我國是全球第一大水資源和能源資源消費(fèi)國，但面臨著資源短缺且時(shí)空分布不均 的嚴(yán)峻形勢。我國已建成多座世界級大型水利水電工程，在能源保障、防洪抗旱、水資源調(diào) 配、交通航運(yùn)等方面發(fā)揮了巨大綜合效益，成為我國經(jīng)濟(jì)社會持續(xù)健康發(fā)展的重要保障。截 至2014年我國水電裝機(jī)容量已突破3億kW，金沙江、雅礱江、大渡河、烏江、長江上游、南盤 江、紅水河、瀾滄江、黃河上游等水電基地發(fā)展迅速，已形成初具規(guī)模的梯級水電站群。
[0003] 河流不但維系著人類生存與社會發(fā)展（社會服務(wù)功能），同時(shí)也是不同生態(tài)系統(tǒng) 間的紐帶，在生物多樣性、營養(yǎng)物質(zhì)輸移、氣候調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮著不可替代的作用（生態(tài)服 務(wù)功能）。我國各大流域內(nèi)往往生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)眾多，是許多重要特有生物不可替代的生 境。但大型水利水電工程在發(fā)揮巨大綜合效益的同時(shí)，也會造成一系列重大或潛在的生態(tài) 環(huán)境問題，常表現(xiàn)在庫區(qū)支流水華、庫區(qū)泥沙淤積、水生生物自然繁殖、下游敏感水域生態(tài) 需水、河口咸潮入侵等方面。
[0004] 隨著國內(nèi)外水庫運(yùn)行調(diào)度技術(shù)的不斷發(fā)展，工程生態(tài)調(diào)度理念也逐步被廣泛接 受，即通過改變水庫調(diào)度方式以彌補(bǔ)或緩解工程對生態(tài)、環(huán)境的影響，在保障河流生態(tài)健康 的條件下合理開發(fā)利用水能資源。隨著我國提出加強(qiáng)"五位一體"建設(shè)的總體布局，對生態(tài) 文明建設(shè)提出了明確要求，相應(yīng)也對水電工程的多目標(biāo)綜合調(diào)度提出了更高要求。然而，我 國水電工程運(yùn)行調(diào)度長期以來主要面向防洪、發(fā)電、航運(yùn)等經(jīng)濟(jì)效益，對工程生態(tài)環(huán)境影響 的研究深度和有效應(yīng)對措施較欠缺。另一方面，我國各大流域形成的梯級水電站群狀分布 現(xiàn)狀，對流域生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了復(fù)合影響，在不同區(qū)域往往表現(xiàn)為不同的突出生態(tài)環(huán)境問題， 大大增加了實(shí)施一體化、多目標(biāo)生態(tài)調(diào)控的難度。因此，如何將生態(tài)因素納入梯級水電站群 工程調(diào)度之中，科學(xué)實(shí)施水電工程生態(tài)調(diào)控，使之既能保證工程群防洪、發(fā)電、航運(yùn)主體任 務(wù)，也要充分發(fā)揮水電工程的生態(tài)調(diào)控和保障作用，成為當(dāng)前流域水生態(tài)安全保障工作中 迫切需要解決的難題。
[0005] 水電工程生態(tài)調(diào)控技術(shù)研究是當(dāng)前國際水資源與生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域的熱點(diǎn)，但以定性 分析與結(jié)合具體工程的探索性研究為主：如《水庫多目標(biāo)生態(tài)調(diào)度》一文闡述了在實(shí)現(xiàn)防 洪、發(fā)電、供水、灌溉、航運(yùn)等社會經(jīng)濟(jì)多種目標(biāo)的前提下，應(yīng)當(dāng)兼顧河流生態(tài)系統(tǒng)需求的水 庫調(diào)度方法；如哥倫比亞河上的大古力水壩在常規(guī)調(diào)度中也逐步融入了對溯河產(chǎn)卵魚類的 影響。但分析可知，現(xiàn)有國內(nèi)外相關(guān)研究和實(shí)踐均未能突破梯級水電站群多目標(biāo)生態(tài)問題 一體化智能調(diào)控技術(shù)瓶頸，所存在的不足包括：
[0006] (1)現(xiàn)有技術(shù)往往重點(diǎn)考慮單一的生態(tài)調(diào)度目標(biāo)，難以兼顧水電工程造成的庫區(qū) 支流水華、庫區(qū)泥沙淤積、水生生物自然繁殖、下游敏感水域生態(tài)需水、河口咸潮入侵等多 方面綜合影響；
[0007] (2)現(xiàn)有水庫調(diào)度工作與現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)結(jié)合不緊密，一般僅依靠傳統(tǒng)的水文監(jiān)測 方法，不但存在信息數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率低、屬性不完整等不足，而且采用的實(shí)驗(yàn)分析手段復(fù) 雜、時(shí)效性差，缺乏一種集合先進(jìn)傳感測量技術(shù)自動獲取流域水情、電站運(yùn)行和設(shè)備狀況的 監(jiān)測系統(tǒng)；
[0008] (3)現(xiàn)有生態(tài)調(diào)度往往直接按照人工經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建調(diào)度目標(biāo)模型指揮調(diào)度，亟需一種 具有數(shù)據(jù)分析技術(shù)和智能調(diào)度決策技術(shù)，保證依據(jù)當(dāng)前重要生態(tài)期目標(biāo)優(yōu)先的原則，實(shí)現(xiàn) 生態(tài)調(diào)控目標(biāo)的動態(tài)優(yōu)化調(diào)整的多目標(biāo)控制方法。
[0009] 綜上所述，迫切需要一種能夠克服上述現(xiàn)有技術(shù)的局限和缺陷的新技術(shù)，能夠集 成智能技術(shù)、綜合涵蓋多種生態(tài)目標(biāo)的水電站群生態(tài)調(diào)控系統(tǒng)及方法，以實(shí)現(xiàn)利于改善調(diào) 度的綜合生態(tài)效益。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 發(fā)明目的：本發(fā)明針對已有水庫調(diào)度技術(shù)缺點(diǎn)，提供一種梯級水電站群生態(tài)調(diào)控 智能控制系統(tǒng)及方法，通過多源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確監(jiān)測、智能融合與分級管控，同時(shí)基于智能推理 模塊實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)控之間的智能調(diào)配，實(shí)現(xiàn)以生態(tài)綜合達(dá)標(biāo)率最大為目標(biāo)的梯級水電 站群的針對性生態(tài)優(yōu)化調(diào)控，能夠充分滿足庫區(qū)支流水華、庫尾減淤和汛期沙峰、四大家魚 繁殖、下游生態(tài)補(bǔ)水、河口咸潮入侵的多種生態(tài)調(diào)控需求。
[0011] 技術(shù)方案：為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0012] 本發(fā)明所述的梯級水電站群生態(tài)調(diào)控智能控制系統(tǒng)，包括多源監(jiān)測模塊、信息管 控模塊、智能推理模塊、生態(tài)調(diào)控模塊和系統(tǒng)維護(hù)模塊，其中：
[0013] 所述多源監(jiān)測模塊用于實(shí)時(shí)采集流域內(nèi)多類生態(tài)敏感水域和水電站群運(yùn)行的基 礎(chǔ)信息；
[0014] 所述信息管控模塊接收多源監(jiān)測模塊的采集數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的智能融合 與分級管控；
[0015] 所述智能推理模炔基于信息管控模塊的存儲信息，用于實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)生態(tài)調(diào)控的智 能調(diào)配；
[0016] 所述生態(tài)調(diào)控模塊根據(jù)智能推理模塊給出的具體生態(tài)調(diào)控目標(biāo)，通過信息管控模 塊下發(fā)指令給梯級水電站群，開展針對性的生態(tài)優(yōu)化調(diào)控；
[0017] 所述系統(tǒng)維護(hù)模塊用于保障系統(tǒng)的高效持續(xù)正常運(yùn)行。
[0018] 進(jìn)一步，所述多源監(jiān)測模塊包括水華監(jiān)測單元、水沙監(jiān)測單元、魚類監(jiān)測單元、補(bǔ) 水監(jiān)測單元、咸潮監(jiān)測單元和水電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測單元；其中，水華監(jiān)測單元包括若干套 安置在水庫支流回水區(qū)的水華多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，其范圍自庫灣河口處上至最高蓄水位回水 處，采用固定監(jiān)測斷面與重點(diǎn)監(jiān)測斷面相結(jié)合的布置方式，用于獲取庫區(qū)支流水華涉及到 的氣象、水文、水動力、水環(huán)境與水生態(tài)要素信息；水沙監(jiān)測單元包括若干套安置在庫尾至 壩前以及壩下的水沙多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，其范圍自庫尾至壩前的庫區(qū)以及壩下局部河段，采 用固定監(jiān)測斷面與重點(diǎn)監(jiān)測斷面相結(jié)合的布置方式，用于獲取水庫淤積涉及到的水沙要素 信息；魚類監(jiān)測單元包括若干套安置在四大家魚產(chǎn)卵場的魚類多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，采用固動 結(jié)合的布置方式，用于獲取四大家魚繁殖涉及到的水文、水動力、生物學(xué)要素信息；補(bǔ)水監(jiān) 測單元包括若干套安置在中下游河湖交匯水域的水情多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，采用固定監(jiān)測斷面 與固定監(jiān)測站點(diǎn)相結(jié)合的布置方式，用于獲取下游敏感水域的水情要素信息；咸潮監(jiān)測單 元包括若干套安置在河口處的水質(zhì)多參數(shù)監(jiān)測設(shè)備，其范圍自枯水期的潮流界至河口口門 處，采用固定監(jiān)測斷面與重點(diǎn)監(jiān)測斷面相結(jié)合的布置方式，用于獲取咸潮入侵涉及到的水 文水動力和水質(zhì)要素信息；水電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測單元包括若干套安置在水電站的工況多參 數(shù)監(jiān)測設(shè)備，用于獲取機(jī)組運(yùn)行工況、下泄水量、水質(zhì)的多種水電站運(yùn)行工況要素信息。
[0019] 進(jìn)一步，所述信息管控模塊包括通訊單元、數(shù)據(jù)庫單元和信息安全單元；其中，通 訊單元包括布置在多源監(jiān)測模塊中各單元監(jiān)測現(xiàn)場的通訊站網(wǎng)，通過全方位通訊方式將各 監(jiān)測設(shè)備所采集的多源信息實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)庫單元中；數(shù)據(jù)庫單元由多個(gè)安置在控制中心 的存儲服務(wù)器組成，用于接收通訊單元傳入的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后采用固態(tài)存儲技術(shù) 分類存儲多種信息；信息安全單元設(shè)立分級授權(quán)子單元以保障系統(tǒng)運(yùn)行過程中的信息安 全，并且設(shè)立端口管控子單元實(shí)現(xiàn)對不同類別與數(shù)量端口的彈性分配與監(jiān)控。
[0020] 進(jìn)一步，所述智能推理模塊包括知識庫單元和推理單元；其中，知識庫單元包括調(diào) 控啟動參數(shù)庫子單元、生態(tài)優(yōu)化調(diào)控知識庫子單元和案例庫子單元，分別為推理單元提供 不同生態(tài)敏感水域涉及的生態(tài)因子及適宜范圍、生態(tài)調(diào)控機(jī)理與基本規(guī)程、歷史調(diào)度案例； 推理單元基于智能推理技術(shù)并結(jié)合知識庫單元，對信息管控模塊提供的實(shí)時(shí)監(jiān)測信息進(jìn)行 智能推理，以分析現(xiàn)狀下不同生態(tài)調(diào)控目標(biāo)的相對重要性，動態(tài)調(diào)整梯級水電站群的當(dāng)前 生態(tài)調(diào)控目標(biāo)并將結(jié)果反饋給生態(tài)調(diào)控模塊；推理單元還內(nèi)置有基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的短期 水文預(yù)報(bào)模型，能為當(dāng)前流域狀況提供短期水文情勢預(yù)報(bào)；上述智能推理技術(shù)，具體由推理 單元接收數(shù)據(jù)庫單元提供的當(dāng)前監(jiān)測信息后，通過計(jì)算案例庫子單元中歷史案例與表征流 域當(dāng)前狀態(tài)的目標(biāo)案例的信息相似匹配度，進(jìn)而基于A*算法的啟發(fā)式搜索，檢索出信息相 似匹配度高的一組歷史時(shí)段，確定對應(yīng)的一組梯級水電站群調(diào)度歷史案例，用于在調(diào)度時(shí) 進(jìn)行參照；同時(shí)采用啟發(fā)式推理得到當(dāng)前敏感水域的生態(tài)現(xiàn)狀，并量化得到當(dāng)前流域的各 敏感水域的生態(tài)現(xiàn)狀，同時(shí)借助上述一組梯級水電站群調(diào)度歷史案例進(jìn)行交叉驗(yàn)證；上述 啟發(fā)式推理，將調(diào)控啟動參數(shù)庫子單元內(nèi)置的生態(tài)因子調(diào)控適宜區(qū)間，進(jìn)行基于A*算法的 啟發(fā)式搜索調(diào)取后，與當(dāng)前實(shí)測生態(tài)信息進(jìn)行閾值判斷，識別各敏感水域是否需要開展針 對性的生態(tài)調(diào)控。
[0021] 進(jìn)一步，所述知識庫單元的調(diào)控啟動參數(shù)庫子單元存儲本系統(tǒng)所面向的各類生態(tài) 問題涉及到的生態(tài)因子及對應(yīng)適宜調(diào)控區(qū)間；所述生態(tài)問題包括關(guān)于庫區(qū)支流水華、庫尾 減淤和沙峰、四大家魚繁殖、下游補(bǔ)水以及咸潮入侵；其中，庫區(qū)支流水華的生態(tài)問題涉及 的生態(tài)因子有風(fēng)速、氣溫、光強(qiáng)、透明度、總磷、總氮、葉綠素、藻密度、流速和水溫，庫尾減淤 和沙峰的生態(tài)問題涉及的生態(tài)因子有壩前水位、流量、入庫沙量日均量和上游沙峰日均含 沙量，四大家魚繁殖的生態(tài)問題涉及的生態(tài)因子有水溫和流量，下游補(bǔ)水的生態(tài)問題涉及 的生態(tài)因子有下游河湖交匯水域的日均流量，咸潮入侵的生態(tài)問題涉及的生態(tài)因子有河口 上游來流，重點(diǎn)監(jiān)測斷面鹽度。
[0022] 進(jìn)一步，所述知識庫單元的生態(tài)優(yōu)化調(diào)控知識庫子單元存儲梯級水電站對各類生 態(tài)調(diào)控的調(diào)度機(jī)理及其基本規(guī)程；其中：
[0023] 針對庫區(qū)支流水華的生態(tài)調(diào)控機(jī)理及其基本規(guī)程包括：在水庫常規(guī)調(diào)度水位過程 線的基礎(chǔ)上，控制水位日升幅、持續(xù)蓄水天數(shù)和水位抬升高度，以擴(kuò)大庫區(qū)主流水體對支流 回水區(qū)的影響范圍；然后增大下泄流量，在短時(shí)間內(nèi)使水位迅速降低，在增大支流回水區(qū)的 整體流速的同時(shí)，縮短支流庫灣水體滯留時(shí)間；在該針對性調(diào)控期間內(nèi)周期性重復(fù)上述兩 個(gè)步驟，以增加支流回水區(qū)內(nèi)水華高發(fā)水域的水流垂向紊動，營造出抑制敏感水域水華暴 發(fā)的水動力適宜環(huán)境；
[0024] 針對庫尾減淤和沙峰的生態(tài)調(diào)控機(jī)理及其基本規(guī)程包括：一方面在水庫常規(guī)調(diào)度 過程的基礎(chǔ)上開啟庫尾減淤調(diào)控，通過增加水庫下泄流量以提升庫尾走沙能力；另一方面 擇機(jī)開展汛期沙峰調(diào)控，根據(jù)入庫水沙情況，針對洪峰和沙峰所具有的傳播時(shí)間差特性，通 過調(diào)節(jié)樞紐下泄流量，加大上游沙峰的輸移能力，促進(jìn)其隨下泄水流過壩排放至下游，增加 排沙比；
[0025] 針對四大家魚繁殖的生態(tài)調(diào)控機(jī)理及其基本規(guī)程包括：在水庫常規(guī)調(diào)度水位過程 線的基礎(chǔ)上，持續(xù)增加下泄流量，以在魚類產(chǎn)卵區(qū)營造有利于四大家魚繁殖的水文水動力 環(huán)境，促進(jìn)其自然繁殖；
[0026] 針對下游補(bǔ)水的生態(tài)調(diào)控機(jī)理及其基本規(guī)程包括：首先根據(jù)上游來水量情況擇機(jī) 進(jìn)行提前預(yù)蓄，相較于常規(guī)調(diào)度使水庫下泄流量減少，放緩上游水庫蓄水過程，為實(shí)施下游 補(bǔ)水進(jìn)行準(zhǔn)備；隨后在蓄水末期，相較于常規(guī)調(diào)度使下泄流量增加，以提高下游敏感水域的 水位；其次，根據(jù)下游敏感水域的水位觀測情況按需進(jìn)行應(yīng)急補(bǔ)水，通過臨時(shí)增加下泄流 量，使得下游敏感水域不低于最小生態(tài)流量，保障下游河段應(yīng)急需水量；
[0027] 針對咸潮入侵的生態(tài)調(diào)控機(jī)理及其基本規(guī)程包括：在水庫常規(guī)調(diào)度過程的基礎(chǔ) 上，根據(jù)重點(diǎn)監(jiān)測斷面的鹽度觀測情況按需進(jìn)行壓咸潮應(yīng)急調(diào)控，通過增大下泄流量來調(diào) 控河口的上游來流，以抑制下游河口的咸潮入侵。
[0028] 進(jìn)一步，所述生態(tài)調(diào)控模塊包括庫區(qū)支流水華調(diào)控單元、庫尾減淤和沙峰調(diào)控單 元、四大家魚繁殖調(diào)控單元、下游補(bǔ)水調(diào)控單元、咸潮入侵調(diào)控單元以及生態(tài)效益分析單 兀；生態(tài)調(diào)控模塊以生態(tài)綜合達(dá)標(biāo)率T最大為目標(biāo)進(jìn)行最優(yōu)化求解，得出庫區(qū)支流水華、庫 尾減淤和沙峰、四大家魚繁殖、下游補(bǔ)水和咸潮入侵問題的梯級水電站群動態(tài)調(diào)控方案，過 程如下：
[0029] 1)確定目標(biāo)函數(shù)
[0030] T=max[af(A) + 0f(B) +nf(C) +Af(D) +yf(E)] (I)
[0031] 式⑴中，T為生態(tài)綜合達(dá)標(biāo)率，a、P、q、A、y分別為庫區(qū)支流水華、庫尾減淤 和沙峰、四大家魚繁殖、下游補(bǔ)水和咸潮入侵問題的權(quán)重值，且a+0 +q+A+y= 1，在每 次生態(tài)調(diào)控時(shí)期，采用主次指標(biāo)排隊(duì)分類法得出，即根據(jù)推理單元確定的當(dāng)前不同生態(tài)調(diào) 控目標(biāo)的相對重要性，進(jìn)行指標(biāo)排列后設(shè)置權(quán)重；式（1)中：
[0032] f(A)為庫區(qū)支流水華達(dá)標(biāo)率，內(nèi)置于庫區(qū)支流水華調(diào)控單元：
[0033] f(A)=C't(chl-a)/Ct(chl-a) (2)
[0034] 式（2)中，Ct'（chl-a)為時(shí)段t水庫支流庫灣水華暴發(fā)時(shí)水體中葉綠素a的臨界 濃度，Ct (chl-a)為時(shí)段t水庫支流庫灣水體中葉綠素a的實(shí)際濃度；
[0035] f(B)為排沙達(dá)標(biāo)率，內(nèi)置于庫尾減淤和沙峰調(diào)控單元：
[0036] /(B) =WS^WS;" (3)
[0037] 式⑶中，為時(shí)段t水庫的出庫沙量，將f為時(shí)段t水庫的入庫沙量；
[0038] f(C)為四大家魚繁殖達(dá)標(biāo)率，內(nèi)置于四大家魚繁殖調(diào)控單元：
[0039]f(C) =Nt (spawn) /N't (spawn) (4)
[0040] 式⑷中，N't(spawn)為時(shí)段t四大家魚卵苗總量的歷史同期平均值，Nt (spawn) 為時(shí)段t四大家魚卵苗總量的實(shí)際值；
[0041] f(D)為下游供水達(dá)標(biāo)率，內(nèi)置于下游補(bǔ)水調(diào)控單元：
[0042] ./(D)二Q/(T (5)
[0043] 式（5)中，6T為時(shí)段t下游敏感水域的最低生態(tài)流量，Qt為時(shí)段t下游敏感水域 的實(shí)際流量；
[0044] f(E)為咸潮達(dá)標(biāo)率，內(nèi)置于咸潮入侵調(diào)控單元：
[0045] f(E)=S't (salt)/St