[發明專利]基于航道水動力計算的梯級通航樞紐聯合優化調度方法

有效

• 申請號: 201310413836.X
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103440538A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 胡亞安;張銘;范子武;汪梅華;沙海飛;趙建平;費香波;烏景秀
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G06Q10/04
• 分類號: G06Q10/04;G06Q50/06
• 代理公司: 北京尚德技研知識產權代理事務所(普通合伙) 11378
• 代理人: 陳曉平;嚴勇剛

1.一種基于航道水動力計算的梯級通航樞紐聯合優化調度方法，所述梯級樞紐包括多個樞紐，其特征在于，其包括如下步驟：

步驟A：將整體航道根據地形狀況和樞紐建筑物分布情況，進行航道斷面劃分與口門區二維模型計算區域劃分并生成計算網格，其包括：

A1、將航道劃分為多個計算斷面，航道中天然斷面間距不超過500m；梯級樞紐中各樞紐所在河段分別設置為虛化斷面，各樞紐上游入庫斷面位置，選擇為所述樞紐壩前水位向上游水平延至的最遠處，各樞紐下游第一個斷面設置為緊鄰該樞紐；

A2、在各級樞紐上、下游分別確定二維模型計算區域，計算范圍確定方法為：上、下游計算物理邊界包括引航道、口門區和連接段的所有區域，距樞紐距離不小于3.0km；各級樞紐上游二維計算區域上邊界取入庫斷面，下邊界取樞紐所在位置；各級樞紐下游二維計算區域上邊界取樞紐所在位置，下邊界取距樞紐不小于3.0km的相應1維模型計算斷面；對模擬區域生成計算網格，網格邊長不超過50m，根據航道地形高程數據，對各網格節點高程賦值。

A3、整個模擬期劃分為若干個計算時段，計算時段步長不超過1s；

A4、對實施河段構建一維水動力計算模型，用實測徑流過程率定一維水動力模型參數并進行模型驗證；對選定的二維模型計算區域構建二維水動力計算模型，用物理模型試驗結果率定二維水動力計算模型所選參數，對所述二維水動力計算模型的率定方法為：在整體物理模型中選取口門區實測流速點至少3個工況，每個工況選擇至少15個流速點，在二維通航水流數值模擬中選擇相同的工況相同位置的流速點，將物理模型流速減去數學模型流速并將結果進行符號檢驗，當檢驗顯示差別不顯著時，數學模型所選參數為最終值；

步驟B：給出航道最上游斷面的流量過程和最下游斷面的水位過程；每級樞紐上游天然斷面及該級樞紐對應虛擬斷面初始水位取該樞紐正常蓄水位；最后一級樞紐下游斷面初始水位取下游航道最高通航設計水位，航道所有斷面初始流量取航道上邊界水文站多年平均流量；

步驟C，進行梯級通航樞紐常規聯合調度計算，為梯級樞紐聯合優化調度提供初始調度策略；常規聯合調度中，全航道斷面水力學要素同步計算方法如下，其中各級樞紐調度過程即為各級樞紐對應虛化斷面的水位與流量過程：

采用顯式特征線法求解圣維南方程確定計算時段末天然航道斷面的水位和流量水力要素；對樞紐所在處所述虛擬斷面時段末水力要素則根據樞紐調度由水量平衡計算確定，計算方法為：

C1：對所述最上游斷面，根據上邊界流量過程，通過時間插值獲得所述最上游斷面的第一時段末流量；并利用特征法求得所述最上游斷面第一時段末水位；

C2：對緊鄰所述最上游斷面的計算斷面至第一級樞紐前的第一個計算斷面，根據所述第一級樞紐虛化斷面及其上游全部斷面的初始水位和流量值，采用特征線法求解圣維南方程，即可依次獲得緊鄰所述最上游斷面的計算斷面至所述第一級樞紐前的第一個計算斷面第一時段末的水位和流量值；

C3：所述第一級樞紐虛化斷面水力要素計算過程為：根據所述第一級樞紐前的第一個計算斷面時段初流量和所述第一級樞紐的虛化斷面時段初水位，根據樞紐調度規則，確定所述第一級樞紐下泄流量，將該流量值作為所述第一級樞紐的虛化斷面時段末流量；由所述第一級樞紐下泄流量，并結合所述第一級樞紐前第一個計算斷面時段初流量值及由計算確定的時段末流量值，以及所述第一級樞紐壩時段初壩前水位值，根據樞紐水位-庫容關系曲線進行水量平衡計算，即可確定所述第一級樞紐時段末水位值，即所述第一級樞紐虛化斷面時段末的水位值；

C4：將所述第一級樞紐常規調度下泄流量作為與所述第一級樞紐緊鄰的下游第一個天然計算斷面的時段末流量，然后類比所述航道最上游斷面，采用特征法求得該天然斷面對應的時段末水位值；

C5：對其他梯級樞紐：將上一級樞紐下泄流量作為本級樞紐最上游斷面的流量值，重復C1～C4步驟計算，獲得本級樞紐上游所有斷面及本級樞紐虛化斷面的第一時段末水位和流量值；對最后一級樞紐下游天然航道斷面：最后一級樞紐的下泄流量作為該區段最上游第一級斷面的時段末流量，采用特征線法求解圣維南方程獲得下游斷面的水位和流量水力要素值；對航道最后一個計算斷面，根據下邊界水位過程，通過時間插值獲得該斷面的第一時段末水位，并利用特征法求得第一時段末流量；該區段其它天然計算斷面，采用特征線法求解圣維南方程求得第一時段末水位和流量；

C6：對其余時段重復步驟C1-C5進行計算，直至模擬期最末時段；

步驟D：構建梯級樞紐聯合優化調度模型，在滿足適航時段數最大的前提下，進一步優化各級樞紐泄流過程，同時追求發電量最大化，所用目標函數公式如下：

適航時間最長：T*=maxΣt=0T-1Σi=1NΔt(zi‾≤zi≤z‾i,qi‾≤qi≤q‾i,vi,y<0.3)]]>

發電效益最大：E*=maxΣt=0T-1Σn=1Npn,t*×Δt]]>

出力懲罰函數：pn,t*=pn,t×(1-Δqn,t/qn,max)2]]>

上述函數公式中，t為時段編號；T為計算期內時段總數；N為梯級樞紐個數；Δt為時段長，取值1.0s；p_n,t為n樞紐t時段計算出力，單位kW；為n樞紐t時段考慮懲罰因素后的出力取值；Δq_n,t表示偏離樞紐設計通航流量的流量值；q_n,max表示樞紐最大設計通航流量；z_i、q_i分別為第i級樞紐最低設計通航水位和最小設計通航流量；分別為第i級樞紐最高設計通航水位和最達設計通航流量；v_i,y表示各級樞紐口門區最大橫向流速；

各級樞紐調度優化過程均需滿足如下的約束條件：

①水庫水量平衡狀態方程：

V_t＝V_t-1+(I_t-Q_t)·Δt-ΔW

上式中V_t-1,V_t分別為水庫t時段初、末的存水量。I_t為水庫t時段平均天然入庫流量，Q_t為樞紐t時段平均引用流量，ΔW為水量損失。I_t的值為梯級樞紐設定的入庫斷面根據航道1維水動力計算獲得的同步流量值。

②物理設備約束

通航設計水位約束：

通航設計流量約束：

樞紐裝機容量約束：

樞紐泄流能力約束：

口門區橫向流速約束：v_y<0.3

上述式中，Z_t,分別為樞紐t時段允許的最低、最高水位；Q_min、Q_max分別為實施河段梯級各樞紐最小于最大設計通航流量；N_t,分別為水電站t時段允許的最小、最大出力，允許的最大出力為設計裝機容量，最小允許出力取裝機容量的10%；Q_t,分別為樞紐最小泄量和最大過流能力，各級樞紐最小泄量取值為0，最大泄流能力壩址斷面水位流量關系曲線確定；

步驟E：采用逐次逼近動態規劃（POA）算法，以梯級樞紐全航段通航保證率和樞紐總發電量為優化目標，并以樞紐和航道通航設計水位和通航設計流量為“強制性”約束條件，對不滿足此“強制性”約束條件的調度方案，采用懲罰函數方法予以目標值懲處，實現自動淘汰非理想調度方案；同時，對每一輪次完成航道水位和流量優化后的調度策略，進行樞紐口門區流場的橫向流速進行計算，對超出通航規范性要求0.3m/s的方案，也對目標值進行懲處；具體方法如下：

Step1、對整個調度期離散為T個計算時段，時段編號依次為t=0，1…T-1，T；對梯級樞紐自上至下編號依次為n=1、2…N；步驟C的結果作為POA優化過程的初始解，即初始調度策略；

Step2、在初始調度策略的基礎上，根據POA算法的優化原理，采用逐時段、逐梯級方法對梯級樞紐調度策略進行調整與優化；對各梯級樞紐t=t1（t1=1,……T-1）時段末水位值進行調整與優化，維持t>t1及t<t1各時段末水位值不變；t1=1時各梯級優化前水位為初始調度策略的水位值；

針對t=t1時段，對第n=n1（n1=1,……N）樞紐采用E1方法進行優化：當n1=1時，維持n>n1各樞紐時段末水位值不變；當1<n1<N時，維持n<n1及n>n1各樞紐時段末水位值不變；當n1=N時，維持n<n1各樞紐時段末水位值不變；對第n級樞紐優化后的時段末水位值，替代其優化前水位值；

以上循環，至t1=T-1時段結束，完成了對所有梯級樞紐調度策略本輪次的迭代優化；

Step3、根據Step2的優化調度結果，所獲得的T時段調度期內各級樞紐上、下游二維計算區域所對應的上邊界斷面流量過程和下邊界斷面水位過程，進行二維水動力模擬計算，并確定各時段口門區的最大橫向流速，至此，完成了本輪次航道水位及口門區橫向流速計算；

Step4、統計本輪次航道水位及口門區流速均滿足通航要求的適航時段數和梯級樞紐總發電量；連續兩輪次統計值差值滿足給定的精度控制要求，則停止迭代，以當前輪次確定的調度策略為最終優化調度策略；否則，以當前輪次確定的水位過程為初始過程，重復Step1～Step4過程，進行新一輪的迭代優化；

所述E1方法包括E1-1與E1-2兩個步驟：

E1-1：判斷第n級樞紐第t時段末的調度策略是否具有優化空間；假定時段末水位落為最低通航設計水位：根據水量平衡計算，若樞紐泄流量小于最小通航設計流量，說明本時段無法滿足最小通航流量要求，不具優化空間；當前樞紐當前時段的調度策略將不進行優化，維持初始給定的泄流量和水位不變；如果樞紐泄流大于最小通航設計流量，說明當前時段初始調度策略具有可優化空間；

假定時段末水位升為最高通航設計水位：根據水量平衡計算，若樞紐泄流大于最大通航設計流量，說明本時段無法滿足最大通航流量要求，不具優化空間；此時，首先假定時段末水位為最高通航設計水位，根據水量平衡計算獲得樞紐下泄流量，如果此下泄流量值小于樞紐最大泄流能力，則樞紐調度策略為：時段末水位為最高通航設計水位，泄流量根據水量平衡計算確定；如果此下泄流量值大于樞紐最大泄流能力，則樞紐調度策略為：樞紐按最大泄流能力泄流，時段末水位根據水量平衡計算確定；如果樞紐時段末水位為最高通航水位情況下泄流小于最大通航設計流量，說明當前時段初始調度策略具有可優化空間；

E1-2：對具有調整優化空間的調度策略進行調整與優化；

以梯級系統第t時段和第t+1時段整體發電量之和為優化目標，采用黃金分割法，對第n級樞紐t時段末水位在最低設計通航水位和最高設計通航水位之間進行迭代調整，并采用懲罰函數的方法，對不滿足設計通航流量要求的迭代步調度策略的目標函數值進行自適應懲罰，保證迭代優化過程的連續進行，并自動淘汰不滿足通航流量約束的迭代調度策略，第n級樞紐第t時段末水位的每一次迭代調整，均實施方法E2的全航道斷面水力要素的同步計算，并進行各級樞紐水量平衡計算以確定各級樞紐調度策略；

通過多次迭代調整，獲得第n級樞紐第t時段末最優水位值及對應泄流量與出力，完成對第n級樞紐第t時段末水位值的優化調整。

所述的E2方法為：

采用顯式特征線法求解圣維南方程確定計算時段末天然航道斷面的水位和流量水力要素；對樞紐所在處所述虛擬斷面時段末水力要素則根據樞紐調度由水量平衡計算確定，計算方法為：

E2-1：對所述最上游斷面，根據上邊界流量過程，通過時間插值獲得所述最上游斷面的第t時段末流量；并利用特征法求得所述最上游斷面第t時段末水位；

E2-2：對緊鄰所述最上游斷面的計算斷面至所述第一級樞紐前的第一個計算斷面，根據所述第一級樞紐及其上游全部斷面的初始水位和流量值，采用特征線法求解圣維南方程，即可依次獲得緊鄰所述最上游斷面的計算斷面至所述第一級樞紐前的第一個計算斷面第t時段末的水位和流量值。

E2-3：第一級樞紐虛化斷面水力要素計算過程為：樞紐時段末水位為優化過程某一設定水位，該設定水位值由步驟E1-2優化過程試算確定；樞紐下泄流量則由入庫斷面流量并結合時段初壩前時段初水位和時段末水位由樞紐水位-庫容關系曲線根據樞紐水量平衡計算確定，該水位和流量值將作為第一級樞紐虛化斷面時段末水力要素值；

E2-4：將所述第一級樞紐下泄流量值，作為與所述第一級樞紐緊鄰的下游第一個天然計算斷面的時段末流量，然后類比所述航道最上游斷面，采用特征法求得時段末水位值；

E2-5：對其他梯級樞紐：將上一級樞紐下泄流量作為本級樞紐最上游斷面的流量值，重復E2-1～E2-4步驟計算，獲得本級樞紐上游所有斷面及本級樞紐虛化斷面的第t時段末水位和流量值；

最后一級樞紐下游天然航道斷面：最后一級樞紐的下泄流量作為該區段最上游第一級斷面的時段末流量，采用特征線法求解圣維南方程獲得下游斷面的水位和流量水力要素值；對航道最后一個計算斷面，根據下邊界水位過程，通過時間插值獲得該斷面的第t時段末水位，并利用特征線法求得第t時段末流量；該區段其它天然計算斷面，采用特征線法求解圣維南方程求得第t時段末水位和流量。