異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)包括：一維模塊，零維模塊，二維模塊，通信模塊，判斷模塊，運(yùn)行模塊，經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)在其中按一定的規(guī)則流轉(zhuǎn)，屬于水利工程調(diào)度領(lǐng)域。本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)全航道斷面水力要素的同步計(jì)算的優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，滿足梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合調(diào)度對(duì)航道水位和口門區(qū)流速的高計(jì)算精度要求；通過標(biāo)準(zhǔn)化封裝數(shù)據(jù)的跨維度調(diào)用，改善了水庫調(diào)度后口門區(qū)和引航道水流條件，同時(shí)優(yōu)化發(fā)電策略，實(shí)現(xiàn)梯級(jí)通航和發(fā)電綜合利用效益最大化。
【專利說明】異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，尤其是一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，屬于水利工程樞紐調(diào)度領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]梯級(jí)樞紐群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度由于其巨大的發(fā)電、航運(yùn)等經(jīng)濟(jì)效益及防洪、供水、灌溉等社會(huì)效益，受到國(guó)內(nèi)外管理和科研人員的廣泛關(guān)注。隨著我國(guó)三峽梯級(jí)、黃河上游梯級(jí)、金沙江梯級(jí)等一大批航電樞紐的陸續(xù)建成和投入運(yùn)行，制定梯級(jí)樞紐群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度方案，成為發(fā)揮其通航、發(fā)電等綜合利用效益的關(guān)鍵。
[0003]樞紐群聯(lián)合優(yōu)化目標(biāo)是盡可能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的各項(xiàng)具體要求或目的。目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)注的重點(diǎn)集中在發(fā)電效益與防洪安全領(lǐng)域。我國(guó)三峽、金沙江等梯級(jí)樞紐群，已建成或正在建設(shè)以發(fā)電效益最大為目標(biāo)的發(fā)電調(diào)度系統(tǒng)，或以最大防洪安全保證為目標(biāo)的防洪調(diào)度系統(tǒng)。
[0004]然而，基于航運(yùn)效益最大化的梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，尚未得到管理和科研人員的足夠重視；與為數(shù)甚多的梯級(jí)樞紐聯(lián)合發(fā)電或聯(lián)合防洪調(diào)度研究成果相比，梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度無論在優(yōu)化模型構(gòu)建還是算法求解上，都還沒有具有較高科研水平和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的研究成果出現(xiàn)。究其原因，一方面是在于交通部門更多關(guān)注船閘或升船機(jī)等通航建筑物的通過能力和對(duì)船舶(船隊(duì))的調(diào)度計(jì)劃(可參見劉云峰，齊歡.DFS算法在三峽永久船閘優(yōu)化編排中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程，2002，28 (8): 224-226，以及傅希德，張曉盼，袁曉輝，范宏飛.基于氣象預(yù)報(bào)的三峽工程兩壩聯(lián)合通航調(diào)度方法[J].水電能源科學(xué)，2011，29(2):28-31，以及張曉盼，齊歡，袁曉輝.三峽葛洲壩聯(lián)合通航調(diào)度的混合整數(shù)規(guī)劃[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版)，2007，31 (I): 1-4)，尚未形成以整個(gè)梯級(jí)樞紐為對(duì)象研究通航效益的認(rèn)識(shí)和理念；另一方面則是由梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度自身的特點(diǎn)決定的。
[0005]梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合調(diào)度，可以渠化航道，淹沒險(xiǎn)灘，提高枯水期樞紐泄流量，改善樞紐上下游口門區(qū)和引航道通航水流條件，提高通航保證率。與梯級(jí)樞紐聯(lián)合發(fā)電或聯(lián)合防洪調(diào)度不同，樞紐通航對(duì)口門區(qū)和航道流場(chǎng)水流特性的規(guī)范性要求決定了進(jìn)行梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的極端復(fù)雜性。通航樞紐泄流過程不僅要滿足航道設(shè)計(jì)通航流量與設(shè)計(jì)通航水位的要求限制，而且對(duì)在樞紐上、下游口門區(qū)、引航道及連接段形成的流場(chǎng)及流速特性要求極為苛刻，流場(chǎng)不能有明顯漩渦，橫向流速不能超過內(nèi)河航道通航設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)0.3m/s,以保障船舶通航安全。
[0006]因此，在對(duì)梯級(jí)樞紐調(diào)度策略進(jìn)行優(yōu)化追求通航效益最大化的過程中，不僅需要進(jìn)行航道I維水力學(xué)計(jì)算，以獲得樞紐調(diào)度過程航道水位值；還需要進(jìn)行口門區(qū)及引航道精細(xì)二維水力學(xué)計(jì)算，以獲得樞紐調(diào)度過程口門區(qū)的橫向與縱向流速值，通過航道水位和口門區(qū)流速特征判斷樞紐調(diào)度方案的可行性。因此，基于通航效益最大化的梯級(jí)樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，包括了梯級(jí)樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型、全航道I維水力學(xué)計(jì)算模型、口門區(qū)二維水力學(xué)計(jì)算模型。
[0007]這三個(gè)模型首先具有物理上的水力聯(lián)系:樞紐調(diào)度為河道一維和口門區(qū)二維水動(dòng)力計(jì)算模型提供邊界條件，河道I維水動(dòng)力計(jì)算模型為口門區(qū)二維水動(dòng)力計(jì)算模型提供邊界條件；同時(shí)，調(diào)度方案對(duì)口門區(qū)流速和航道水位的同步適航性要求規(guī)定了必須進(jìn)行三個(gè)模塊的同步計(jì)算；最后，三類模型是具有不同維數(shù)、建模機(jī)理與計(jì)算方法完全迥異的異構(gòu)模型。三類模型水力聯(lián)系的耦合性特征及異構(gòu)模型同步計(jì)算要求對(duì)梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)構(gòu)建帶來了極大困難。
[0008]梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)是一個(gè)結(jié)構(gòu)龐雜、模型求解難度極大的復(fù)合系統(tǒng)。建模難度和求解復(fù)雜度遠(yuǎn)超過梯級(jí)聯(lián)合發(fā)電或聯(lián)合防洪優(yōu)化調(diào)度模型，研究人員需要具備水庫調(diào)度、數(shù)學(xué)優(yōu)化、水力學(xué)計(jì)算及船舶通航、計(jì)算機(jī)編程等多門類專業(yè)知識(shí)和綜合技能，這也是以航運(yùn)效益最大化為目標(biāo)的梯級(jí)樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度尚未出現(xiàn)成熟研究成果的重要原因之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的是建立一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，解決在航電樞紐梯級(jí)優(yōu)化調(diào)度過程中三類異構(gòu)模型同步計(jì)算問題。
[0010]具體而言本發(fā)明異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)包括以下模塊:
[0011]A、一維模塊:基于求解圣維南方程的一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，其輸入項(xiàng)為選定周期內(nèi)的流量過程；
[0012]B、零維模塊:樞紐調(diào)度規(guī)則優(yōu)化模型，其輸入項(xiàng)為A求解過程；
[0013]C、二維模塊:樞紐上下游口門區(qū)二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，其輸入項(xiàng)為A求解過程和B求解過程；
[0014]D、通信模塊:異構(gòu)模塊標(biāo)準(zhǔn)化通信，各模型獲取其他模型相應(yīng)計(jì)算結(jié)果；
[0015]E、判斷模塊:調(diào)用發(fā)生實(shí)際調(diào)度判斷條件做出調(diào)度判斷；
[0016]F、運(yùn)行模塊:調(diào)用閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)度；
[0017]數(shù)據(jù)流在以上各部分中流轉(zhuǎn)方式如下:
[0018]最上游樞紐調(diào)度周期實(shí)測(cè)或預(yù)報(bào)流量過程，作為A模塊的上游流量輸入邊界條件即數(shù)據(jù)流來源；
[0019]1、調(diào)用D模塊對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝；
[0020]2、數(shù)據(jù)流進(jìn)入A模塊逐斷面向下游傳遞，當(dāng)遇到樞紐斷面時(shí)，數(shù)據(jù)流進(jìn)入B模塊，在B模塊數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)度策略處理離開B模塊返回A模塊；
[0021]3、數(shù)據(jù)流在A模塊中遇到C模塊邊界時(shí)，進(jìn)入C模塊，在C模塊中進(jìn)行流速計(jì)算，流速計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝；
[0022]4、數(shù)據(jù)流在A模塊中逐斷面?zhèn)鬟f到河段下游出口 ；
[0023]5、在步驟3中的標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果流入E模塊，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果滿足E模塊條件時(shí)進(jìn)入F模塊；
[0024]6、在步驟3中的標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果流入E模塊，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果不滿足E模塊條件時(shí)，B模塊各樞紐斷面保留本次數(shù)據(jù)流作為初值，重復(fù)以上步驟，直至F模塊執(zhí)行。
[0025]進(jìn)一步地，本發(fā)明所述的
[0026]A、一維模塊包括:
[0027]河道一維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，其中在進(jìn)行河道一維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型建模時(shí)發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，對(duì)于航道計(jì)算，在山區(qū)河道中，計(jì)算天然斷面間距為300m~500m，當(dāng)間距超過500m時(shí)，由于山區(qū)河道特性計(jì)算不能收斂，當(dāng)間距小余300m時(shí)計(jì)算量過大,計(jì)算過程所耗時(shí)間幾乎與實(shí)際洪水演進(jìn)過程所耗時(shí)間相同，并且由于增加斷面數(shù)量所帶來的計(jì)算精度優(yōu)勢(shì)并不明顯，因此在山區(qū)進(jìn)行航道計(jì)算的時(shí)候計(jì)算斷面間距選為300m~500m。
[0028]基于圣維南方程構(gòu)建河道一維水動(dòng)力計(jì)算模型，并采用顯式特征線法進(jìn)行求解。將航道劃分為多個(gè)計(jì)算斷面，對(duì)山區(qū)型航道中天然斷面間距不超過300m到500m，多次試驗(yàn)結(jié)果表明，處在該區(qū)段的斷面距離劃分既能保證航道水力要素計(jì)算精度需求，又不會(huì)增加額外無意義計(jì)算量。各樞紐下游第一個(gè)斷面設(shè)置為緊鄰該樞紐。
[0029]河道一維水動(dòng)力計(jì)算是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。依據(jù)給定的河道最上游斷面的流量過程和最下游斷面的水位過程，自上而下逐時(shí)段進(jìn)行河道斷面流量和水位水力要素計(jì)算，為樞紐調(diào)度提供入庫流量過程以滿足水量平衡計(jì)算的要求，并為上游口門區(qū)二維模型提供上邊界流量過程和下游口門區(qū)二維模型提供水位下邊界條件。
[0030]B、零維模塊是指梯級(jí)樞紐優(yōu)化調(diào)度模型
[0031]樞紐調(diào)度過程決定著航道水位和口門區(qū)流場(chǎng)流速的適航性?？紤]梯級(jí)樞紐各自的樞紐特性和約束條件，并基于樞紐間的水力聯(lián)系，構(gòu)建梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)。
[0032]梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合調(diào)度，對(duì)航運(yùn)而言，是通航保證率(模擬期適航是段數(shù))最大；對(duì)發(fā)電效益而言，則是樞紐發(fā)電量最大。實(shí)施河段梯級(jí)通航樞紐聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度目標(biāo)為:在滿足適航時(shí)段數(shù)最大的前提下，進(jìn)一步優(yōu)化各級(jí)樞紐泄流過程，同時(shí)追求發(fā)電量最大化，所用目標(biāo)函數(shù)公式如下:
[0033]適航時(shí)間最長(zhǎng):
【權(quán)利要求】
1.一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，其特征在于，其包括以下模塊: 一維模塊:基于求解圣維南方程的一維水動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，其輸入項(xiàng)為選定周期內(nèi)的流量過程； 零維模塊:樞紐調(diào)度規(guī)則優(yōu)化模型，其輸入項(xiàng)為A求解過程； 二維模塊:樞紐上下游口門區(qū)二維水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，其輸入項(xiàng)為A求解過程和B求解過程； 通信模塊:異構(gòu)模塊標(biāo)準(zhǔn)化通信，各模型獲取其他模型相應(yīng)計(jì)算結(jié)果； 判斷模塊:調(diào)用發(fā)生實(shí)際調(diào)度判斷條件做出調(diào)度判斷； 運(yùn)行模塊:調(diào)用閘門控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際調(diào)度； 數(shù)據(jù)流在以上各部分中流轉(zhuǎn)方式如下: 最上游樞紐調(diào)度周期實(shí)測(cè)或預(yù)報(bào)流量過程，作為所述一維模塊的上游流量輸入邊界條件即數(shù)據(jù)流來源； ①、調(diào)用所述通信模塊對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝； ②、數(shù)據(jù)流進(jìn)入所述一維模塊逐斷面向下游傳遞，當(dāng)遇到樞紐斷面時(shí)，數(shù)據(jù)流進(jìn)入所述零維模塊，在所述零維模塊數(shù)據(jù)流經(jīng)過調(diào)度策略處理離開所述零維模塊返回所述一維模塊； ③、數(shù)據(jù)流在所述一維模塊中遇到所述二維模塊邊界時(shí)，進(jìn)入所述二維模塊，在所述二維模塊中進(jìn)行流速計(jì)算，流速計(jì)算結(jié)果進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝； ④、數(shù)據(jù)流在所述一維模塊中逐斷面?zhèn)鬟f到河段下游出口； ⑤、在步驟③中的標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果流入所述判斷模塊，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果滿足所述判斷模塊條件時(shí)進(jìn)入所述運(yùn)行模塊； ⑥、在步驟③中的標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果流入所述判斷模塊，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)化封裝的流速計(jì)算結(jié)果不滿足所述判斷模塊條件時(shí)，所述零維模塊各樞紐斷面保留本次數(shù)據(jù)流作為初值，重復(fù)以上步驟，直至所述運(yùn)行模塊執(zhí)行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，所述一維模塊包括: 河道一維水動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型，在山區(qū)進(jìn)行航道計(jì)算的時(shí)候計(jì)算斷面間距選為300m~500m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，所述零維模塊是指梯級(jí)樞紐優(yōu)化調(diào)度模型，在該模型中所用目標(biāo)函數(shù)公式如下:
適航時(shí)間最長(zhǎng)=
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，所述二維模塊是指引航道口門區(qū)二維水動(dòng)力計(jì)算模型，其包括包括如下內(nèi)容:用Godunov有限體積格式數(shù)值求解、計(jì)算范圍為上游引航道口門區(qū)以上10倍樞紐所處河寬和5000m取大值、下游引航道口門區(qū)以下15倍樞紐所處河寬和7000m取大值，網(wǎng)格邊長(zhǎng)L取值滿足下式要求: L< (壩軸線處河寬/ (樞紐電站裝機(jī)數(shù)+泄水閘孔數(shù)))； 在各級(jí)樞紐上、下游分別確定二維模型計(jì)算區(qū)域，計(jì)算范圍確定方法為:上、下游物理邊界包括引航道、口門區(qū)和連接段的所有區(qū)域。各級(jí)樞紐上游二維計(jì)算區(qū)域物理邊界距樞紐距離不低于樞紐所在河寬的10倍，當(dāng)10倍河寬小于5000m時(shí)，取5000m作為上游邊界。各級(jí)樞紐下游二維計(jì)算區(qū)域物理邊界距樞紐距離不低于樞紐所在河寬的15倍，當(dāng)15倍河寬小于7000m時(shí)，取7000m作為下游邊界。并取相應(yīng)位置處一維河道斷面的流量過程作為樞紐上游二維計(jì)算模型的上邊界條件，水位過程作為樞紐下游二維計(jì)算模型的下邊界條件。對(duì)模擬區(qū)域生成計(jì)算網(wǎng)格，為保證計(jì)算精度，網(wǎng)格邊長(zhǎng)〈(壩軸線處河寬/ (樞紐電站裝機(jī)數(shù)+泄水閘孔數(shù)))，并可在口門區(qū)附近適當(dāng)加密網(wǎng)格，根據(jù)航道地形高程數(shù)據(jù)，對(duì)各網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)高程賦值。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，所述通信模塊是指各模塊數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化封裝并進(jìn)行交換，具體解決方式如下:對(duì)調(diào)度河段內(nèi)所有可以單獨(dú)下泄流量的建筑物進(jìn)行唯一編碼；所述的編碼中:①、對(duì)電站各孔和泄洪建筑物各閘孔或壩段進(jìn)行標(biāo)記，②、將所述電站各孔和泄洪建筑物各閘孔或壩段各種泄流能力特性進(jìn)行標(biāo)記，③、將各樞紐進(jìn)行標(biāo)記； 當(dāng)對(duì)所述一維模塊中數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼時(shí)，對(duì)其所處斷面進(jìn)行標(biāo)記，對(duì)發(fā)生的時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)記；數(shù)據(jù)交換時(shí)所述零維模塊給出下泄流量值，下泄流量值根據(jù)樞紐運(yùn)行規(guī)則調(diào)用樞紐特征庫數(shù)據(jù)確定電站、泄水建筑的開啟數(shù)量、開啟尺寸和開啟閘孔或者壩段位置，返回流量分配方式提供給所述二維模塊作為上邊界流量條件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，所述判斷模塊包括通航水位判斷、引航道口門區(qū)流速判斷: 所述的航道水位判斷是指在當(dāng)前調(diào)度方案下，樞紐下游航道水位是否高于最低通航水位，樞紐上游航道水位是否低于最高通航水位；所述的引航道口門區(qū)流速判斷是指在當(dāng)前調(diào)度方案下，上下游引航道口門區(qū)300m范圍內(nèi)是否滿足橫向流速小于0.3m/s的要求； 若以上判斷均為真，則計(jì)算引航道口門區(qū)流速滿足通航要求的適航時(shí)段數(shù)和梯級(jí)樞紐總發(fā)電量，當(dāng)連續(xù)兩輪次統(tǒng)計(jì)值差值滿足給定的精度控制要求時(shí)完成判斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種異構(gòu)模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化通信的梯級(jí)航電樞紐優(yōu)化調(diào)度系統(tǒng)，所述運(yùn)行模塊包括樞紐運(yùn)行規(guī)則、樞紐特征庫和閘門啟閉設(shè)施、水輪機(jī)負(fù)荷調(diào)整設(shè)備:所述運(yùn)行模塊獲得由所述判斷模塊發(fā)來的授權(quán)后，根據(jù)所述零維模塊的流量計(jì)算結(jié)果，通過所述通信模塊獲得各編碼泄流建筑物運(yùn)行方案，調(diào)用閘門啟閉設(shè)施和水輪機(jī)負(fù)荷調(diào)整設(shè)備進(jìn)行泄流調(diào)整。.
【文檔編號(hào)】G06Q50/06GK103473716SQ201310416596
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月13日
【發(fā)明者】胡亞安, 張銘, 范子武, 范麗麗, 郭永彬, 趙建平, 費(fèi)香波, 烏景秀, 李艷富, 郭超 申請(qǐng)人:水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院