三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水庫優(yōu)化調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種三維及以上梯級水庫汛期運行水 位動態(tài)控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 汛期運行水位動態(tài)控制為解決我國防洪與興利之間的矛盾提供了一條有效途徑。 水庫汛期運行水位動態(tài)控制理論方法有了很大的發(fā)展，從單一汛限水位、分期汛限水位靜 態(tài)控制發(fā)展到汛期運行水位動態(tài)控制，充分利用暴雨洪水等季節(jié)性變化規(guī)律特征和氣象水 文預(yù)報信息，在有效預(yù)見期內(nèi)通過預(yù)報預(yù)泄等方法適當(dāng)抬高水庫運行水位，在不降低防洪 標(biāo)準(zhǔn)的前提下達(dá)到增加水庫綜合興利效益的目的。因梯級水庫之間存在一定的水力聯(lián)系和 庫容補償，單純提高某一水庫的汛期運行水位，未必能提高梯級水庫的洪水資源利用率。相 對于單一水庫汛期運行水位動態(tài)控制問題，梯級水庫汛期運行水位的聯(lián)合運用與動態(tài)控制 問題更加復(fù)雜，其復(fù)雜度主要表現(xiàn)在:①水力聯(lián)系復(fù)雜，防洪庫容的合理補償分配難度大； ②水庫維數(shù)和防護(hù)對象增加，汛期運行水位動態(tài)控制的風(fēng)險分析難度增加;③各水庫水文 預(yù)報的有效遇見期長短不一，梯級水庫預(yù)報補償調(diào)度難度增加。三維及以上梯級水庫與二 維梯級水庫的汛期運行水位動態(tài)控制調(diào)度相比，其難點主要表現(xiàn)在:二維梯級水庫汛期運 行水位動態(tài)控制上限之間關(guān)聯(lián)方程存在解析解，三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控 制上限之間關(guān)聯(lián)方程的解析解尚不明確。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明基于"模擬-優(yōu)化-決策"框架，綜合運用聚合-分解理 論、預(yù)蓄預(yù)泄法、人工魚群算法和網(wǎng)絡(luò)分析法等理論方法，構(gòu)建三維及以上梯級水庫汛期運 行水位動態(tài)控制的通用模型，提出了一種三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方 法，可為梯級水庫汛期運行水位聯(lián)合動態(tài)控制方案的科學(xué)制定提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。
[0004] -種三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方法，包括如下步驟：
[0005] 步驟一、建立模擬調(diào)度模塊:基于聚合-分解理論和預(yù)蓄預(yù)泄法，解析三維及以上 梯級水庫之間的預(yù)蓄水位上限之間關(guān)系；
[0006] 步驟二、建立優(yōu)化調(diào)度模塊:建立以洪水預(yù)報有效預(yù)見期內(nèi)防洪風(fēng)險率、欠發(fā)風(fēng)險 率以及欠蓄風(fēng)險率最小為目標(biāo)函數(shù)，汛期運行水位為決策變量，人工魚群算法為優(yōu)化求解 算法的優(yōu)化調(diào)度模塊，給出汛期運行水位動態(tài)控制的非劣解集，為多目標(biāo)決策模塊提供決 策方案集，其中汛期運行水位的上限由步驟一建立的模擬調(diào)度模塊推求得到；
[0007] 步驟三、建立多目標(biāo)決策模塊:建立以最小化防洪風(fēng)險率、欠發(fā)風(fēng)險率、欠蓄風(fēng)險 率和最大化發(fā)電量、蓄水率為評價指標(biāo)，以網(wǎng)絡(luò)分析法為多目標(biāo)評價方法的多目標(biāo)決策模 塊，按照優(yōu)化調(diào)度模塊給出的決策方案集優(yōu)選汛期運行水位動態(tài)控制的決策方案。
[0008] 如上所述的三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方法，所述步驟二中各目 標(biāo)函數(shù)公式如下，
[0009] (1)防洪風(fēng)險率Rf最小
[0010]
[0011]
[0012] 式中，if為洪水預(yù)報有效預(yù)見期內(nèi)第i個水庫的防洪風(fēng)險率;Zi為第i個水庫的當(dāng) 前運行水位;Zs為第i個水庫的防洪安全控制水位;N為水庫數(shù)目；t。為洪水預(yù)報起始時刻;Ty 為洪水預(yù)報有效遇見期;t為當(dāng)前時刻;η為洪水預(yù)報有效預(yù)見期內(nèi)的時段數(shù)；
[0013] ⑵欠發(fā)風(fēng)險率RG最小
[0014]
[0015]
[0016] 式中，if為洪水預(yù)報有效預(yù)見期內(nèi)第i個水庫的欠發(fā)風(fēng)險率為第i個水庫的發(fā) 電量;Gd為第i個水庫按常規(guī)調(diào)度或單庫汛期運行水位動態(tài)控制調(diào)度對應(yīng)的發(fā)電量；
[0017] (3)欠蓄風(fēng)險率Rw最小
[0018]
[0019]
[0020] 式中，if為洪水預(yù)報有效預(yù)見期內(nèi)第i個水庫的欠蓄風(fēng)險率為第i個水庫的蓄 水率;Wd為第i個水庫按常規(guī)調(diào)度或單庫汛期運行水位動態(tài)控制調(diào)度對應(yīng)的蓄水率。
[0021] 如上所述的三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方法，所述步驟二中各目 標(biāo)函數(shù)及各水庫需滿足以下約束條件：
[0022] ①水量平衡約束
[0023] Vt+ij = Vtj+(Itj-Qtj-Ltj)At
[0024] 式中，Vt^Vt+u分別表示第j個水庫t時段初、末的蓄水容積；It,j表示第j個水庫t 時段水庫平均入庫流量;Qt,j表示第j個水庫t時段水庫平均出庫流量;Lt,j表示第j個水庫t 時段的水量損失；
[0025]②上游水庫j+Ι與當(dāng)前水庫j之間的水力聯(lián)系
[0026] Qin, j (t) = CoQ〇ut, j+i (t) +Kj+i, j (t)
[0027] Kj+i, j (t) = CiQ〇ut, j+i (t-1) +C2Qin, j (t~l) +Qin> (j, j+i) (t)
[0028]梯級水庫自下而上編號為1,2,··· j…N，式中，Qin, j(t)為第j個水庫t時段水庫平均 入庫流量、Qcmt,j+l(t)為第j + 1個水庫t時段水庫平均出庫流量、Kj + 1,j(t)為t時刻水庫j與水 庫j+Ι的水力聯(lián)系變量、Qcmt,j+I(t-1)為第j+Ι個水庫t-ι時段水庫平均出庫流量、Q in,j(t-1) 為第j個水庫t-1時段水庫平均入庫流量、Qin,aj+1)(t)為第j+1個水庫t時段水庫平均入庫 流量，C〇、CdPC 2為馬斯京根河道演算系數(shù)；
[0029]③水庫水位約束 [0030] ZmintJ^ZtJ^ZmaxtJ
[0031]式中，Zt,j表示第j個水庫t時段水位;Zmint,j表示第j個水庫t時段允許消落到的最 低水位，為分期汛限水位;Zmaxq為第j個水庫t時段允許蓄到的最高水位，是由步驟一模擬 調(diào)度模塊推求得到的汛期運行水位上限；
[0032]④出庫流量約束
[0033] Qmint, j < Qt, j < Qmaxt, j
[0034] 式中，Qminq表示水庫放水量下限，一般由下游綜合利用要求(如灌溉、航運、生態(tài) 環(huán)境等)確定;Q maxq表示水庫放水量上限，一般受安全泄量、電站過水能力、水庫泄流能力 限制。
[0035]⑤電站出力約束
[0036] P^n.t^PtJ^Prnax.t
[0037] 式中，Pmin,t表示第j個水庫水電站t時段出力下限;Pmax, t表示第j個水庫水電站t時 段出力上限，它們通過綜合考慮機組額定出力、受阻容量及調(diào)峰要求確定。
[0038]如上所述的三維及以上梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制方法，所述步驟二中用人 工魚群算法求解梯級水庫汛期運行水位動態(tài)控制優(yōu)化調(diào)度問題可按如下步驟進(jìn)行：
[0039]①參數(shù)初始化:設(shè)置人工魚群規(guī)模Μ，感知距離Vi sual、步長Step、擁擠度f。、重復(fù) 嘗試次數(shù)Number、最大迭代次數(shù)Tmax;
[0040] ②當(dāng)前迭代次數(shù)T = 0,隨機生成一定數(shù)量的人工魚個體，形成初始魚群;人工魚的 表示方法為Z = (Z1，Ζ2，…zm)，其中決策變量Zt代表第t時刻的汛期運行水位，滿足水位約束 條件；
[0041] ③計算初始魚群各人工魚個體當(dāng)前位置的食物濃度值，并比較大小，取食物濃度 值Y為最大值者進(jìn)入公告板，保存其狀態(tài)及Y值。食物濃度值Y具體的計算方法如下:根據(jù)狀 態(tài)轉(zhuǎn)移方程￥* +1,」(2*+1,」）=￥^(2^) + (1^-〇^-1^)八4十算各時段出庫流量，若出庫流量 Qy不滿足出庫流量約束條件，則重新調(diào)整Ζ^，否則進(jìn)入下一步;計算發(fā)電水頭Ht」，根據(jù) = 計算出力，若出力Pq不滿足出力約束條件，則重新調(diào)整Zq，否則進(jìn)入下 一步;計算梯級水庫的防洪風(fēng)險率Rf、欠發(fā)風(fēng)險率Rg和欠蓄風(fēng)險率Rw，進(jìn)一步計算食物濃度 Y=F(Z)=瓦+瓦，:其中，寫、瓦、巧分別為經(jīng)歸一化處理后的防洪風(fēng)險率、欠發(fā)風(fēng) 險率和欠蓄風(fēng)險率；
[0042] ④各人工魚根據(jù)當(dāng)前的能量水平選擇執(zhí)行追尾行為、聚群行為和覓食行為；
[0043] ⑤各人工魚每行動一次后，檢驗自身狀態(tài)與公告板狀態(tài)，如果優(yōu)于公告板狀態(tài)，則 以自身狀態(tài)取代之；
[0044] ⑥終止條件判斷:判斷T是否已達(dá)到預(yù)置的最大迭代次數(shù)Tmax，若是，則輸出計算結(jié)