[發(fā)明專利]一種充分灌溉條件下直接補(bǔ)庫的單庫-多站系統(tǒng)水資源優(yōu)化配置方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710996620.9
• 申請(qǐng)日: 2017-10-19
• 公開（公告）號(hào): CN108197769B
• 公開（公告）日: 2020-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 龔懿;程吉林;陳興;張禮華;蔣曉紅;袁承斌;程浩淼;周建康
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 揚(yáng)州大學(xué)
• 主分類號(hào): G06Q10/06
• 分類號(hào): G06Q10/06;G06Q50/06
• 代理公司: 北京文苑專利代理有限公司 11516
• 代理人: 何新平

1.一種充分灌溉條件下直接補(bǔ)庫的單庫—多站系統(tǒng)水資源優(yōu)化配置方法，由多個(gè)補(bǔ)水泵站向水庫供水，由單庫—多站系統(tǒng)向受水區(qū)聯(lián)合供水，其特征在于，各泵站不同揚(yáng)程下站間機(jī)組性能特性具有差異，多個(gè)補(bǔ)水泵站各自單獨(dú)向水庫補(bǔ)充缺水，包括以下步驟：

一、模型構(gòu)建，包括以下步驟1～步驟2：

1.以直接補(bǔ)庫的單庫—多站系統(tǒng)年內(nèi)各時(shí)段的水庫供水量與受水區(qū)需水量之差的平方和最小為目標(biāo)，建立如下目標(biāo)函數(shù)：

式中：F為研究對(duì)象年內(nèi)各時(shí)段的供需水量之差的最小平方和；Z為研究對(duì)象年內(nèi)各時(shí)段的供需水量之差的平方和；N為年內(nèi)劃分的時(shí)段數(shù)；i為時(shí)段編號(hào)，i＝1,2,……N；G_i為水庫第i時(shí)段的供水量，單位為：萬m³；YS_i為受水區(qū)第i時(shí)段的需水量，單位為：萬m³；目標(biāo)函數(shù)采用平方和表達(dá)是為了加速減少水庫供水量與受水區(qū)需水量之間的偏差；

2.設(shè)置約束條件

包括單庫—多站系統(tǒng)年可供水總量約束條件，水庫調(diào)度準(zhǔn)則約束條件，水庫庫容約束條件，以及補(bǔ)庫泵站群運(yùn)行能耗最小約束條件；

所述約束條件包括：

(1)單庫—多站系統(tǒng)年可供水總量約束條件：在不同水平年不同保證率情況下，考慮需水要求，供水工程可能提供的水量；

式中：SK為水庫的年可供水總量，單位：萬m³；M為補(bǔ)庫泵站總數(shù)；k為補(bǔ)庫泵站編號(hào)，k＝1,2,……M；BZ_k為第k座補(bǔ)庫泵站年允許提水總量，單位：萬m³；

(2)水庫調(diào)度準(zhǔn)則約束條件：根據(jù)單庫—多站系統(tǒng)水量方程：

V_i＝V_i-1+LS_i+Y_i-PS_i-EF_i-G_i，i＝1,2，···，N (3)

①當(dāng)?shù)趇時(shí)段末水庫蓄水量低于水庫死庫容V_min時(shí)，則第i時(shí)段應(yīng)由泵站群給水庫補(bǔ)水，補(bǔ)水至興利庫容，也就是水庫死庫容以上的Δ₁，即：

V_i＜V_min時(shí)：Y_i＝V_min-V_i+Δ₁； (4)

此時(shí)段水庫棄水量PS_i＝0；

②當(dāng)遭遇洪水，第i時(shí)段末水庫蓄水量大于防洪限制水位所對(duì)應(yīng)的水庫蓄水量V_P時(shí)，則第i時(shí)段應(yīng)對(duì)水庫進(jìn)行棄水，棄水至水庫防洪限制水位，即：

V_i＞V_P時(shí)：PS_i＝V_i-V_P； (5)

此時(shí)段泵站群補(bǔ)水總量Y_i＝0；

③當(dāng)?shù)趇時(shí)段末水庫蓄水量介于死庫容V_min與防洪限制水位所對(duì)應(yīng)的水庫蓄水量V_P之間，則第i時(shí)段水庫不需要棄水，泵站群也不需要補(bǔ)水，即：

V_min≤V_i≤V_P時(shí)：Y_i＝PS_i＝0； (6)

式中：V_i、V_i-1分別為水庫第i、i-1時(shí)段末的蓄水量，單位：萬m³；Y_i為第i時(shí)段的泵站群補(bǔ)庫水總量，單位：萬m³；LS_i、PS_i、EF_i分別為水庫第i時(shí)段的來水量、棄水量、蒸發(fā)與滲漏量，單位：萬m³；V_min、V_P分別為水庫的死庫容和防洪限制水位所對(duì)應(yīng)的庫容，單位：萬m³；

(3)水庫庫容約束條件：各時(shí)段的水庫蓄水量應(yīng)介于水庫死庫容和防洪限制水位對(duì)應(yīng)的庫容之間，即：

V_min≤V_i≤V_P，i＝1,2，···，N (7)

(4)補(bǔ)庫泵站群聯(lián)合運(yùn)行能耗最小約束條件：在滿足水庫調(diào)度準(zhǔn)則約束基礎(chǔ)上，為保證受水區(qū)充分灌溉條件，對(duì)補(bǔ)庫泵站群，其在每一供水時(shí)段內(nèi)的聯(lián)合運(yùn)行應(yīng)考慮能耗最小，即：

式中，L_i為第i時(shí)段補(bǔ)庫泵站群聯(lián)合運(yùn)行系統(tǒng)能耗，單位：kW·h；l_ki為第k座泵站第i時(shí)段運(yùn)行能耗，單位：kW·h；M為補(bǔ)庫泵站數(shù)量；k為泵站編號(hào)；ρ為水密度，單位：kg/m³，g為重力加速度，單位：m/s²；Q_ki、H_ki、ΔT_ki、η_z,ki分別為第k座泵站第i時(shí)段的流量(m³/s)、時(shí)均揚(yáng)程(m)、時(shí)段長度(h)和水泵效率；η_mot,k、η_int,k分別為第k座泵站的電動(dòng)機(jī)效率和傳動(dòng)效率；

二、模型求解

1.數(shù)據(jù)準(zhǔn)備，具體包括：將1年劃分為N個(gè)時(shí)段，并確定各時(shí)段長度；測(cè)定水庫初始庫容V₀；確定年可供水總量SK、死庫容V_min、防洪限制水位對(duì)應(yīng)的庫容V_P、以及興利庫容V_min+Δ₁；測(cè)量和計(jì)算水庫各時(shí)段來水量LS_i、蒸發(fā)與滲漏量EF_i；確定各補(bǔ)庫泵站年允許提水總量BZ_k，k＝1,2,…M，M為補(bǔ)庫泵站總數(shù)；測(cè)定不同時(shí)段揚(yáng)程H_ki下運(yùn)行的提水流量Q_ki及對(duì)應(yīng)的水泵效率η_z,ki、電機(jī)效率η_mot,k、傳動(dòng)效率η_int,k；確定各時(shí)段受水區(qū)的作物需水量YS_i，i＝1,2,…,N；

2.采用一維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)“單庫—多站”大系統(tǒng)模型求解，獲得各時(shí)段水庫最優(yōu)供水量過程G_i，最優(yōu)棄水量過程PS_i，以及補(bǔ)庫泵站群最優(yōu)補(bǔ)水總量過程Y_i；

3.采用分解-動(dòng)態(tài)規(guī)劃聚合法對(duì)“補(bǔ)庫泵站群”子系統(tǒng)模型求解，獲得各補(bǔ)庫泵站各時(shí)段最優(yōu)補(bǔ)水量過程YB_ki^*，具體包括如下步驟：

(1)考慮補(bǔ)庫泵站群聯(lián)合運(yùn)行能耗最小準(zhǔn)則約束，由式(8)建立補(bǔ)庫泵站群經(jīng)濟(jì)運(yùn)行數(shù)學(xué)模型：

目標(biāo)函數(shù)：

時(shí)段供水量約束：

功率約束：

式中，N_k0為第k座補(bǔ)庫泵站的電機(jī)配套功率，單位：kW；

(2)“補(bǔ)庫泵站群”子系統(tǒng)分解-動(dòng)態(tài)規(guī)劃聚合法求解：

①子系統(tǒng)二級(jí)分解：

將上述子系統(tǒng)模型(13)～(15)進(jìn)一步分解，可得到M個(gè)單站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行二級(jí)子模型：

目標(biāo)函數(shù)：

功率約束：

式中，l_i為單站第i時(shí)段最小運(yùn)行能耗，單位：kW·h；

②二級(jí)子模型能耗確定：

對(duì)于以上模型(16)～(17)，第i時(shí)段時(shí)段長ΔT_i已知，并可由泵站上下游水位確定提水揚(yáng)程H_i，及其對(duì)應(yīng)的水泵流量Q_i、水泵效率η_z,i、電機(jī)效率η_mot和傳動(dòng)效率η_int，且該時(shí)段最大補(bǔ)水量為YB_i,max＝3600Q_iΔT_i/10000，按一定步長離散該時(shí)段最大提水量YB_i,max，可獲得各提水量YB_i,m下單站運(yùn)行能耗l_i,m，m＝1,2,…max；

對(duì)其他泵站，同樣采用以上方法，由此獲得各泵站不同提水量YB_ki,m下，單站運(yùn)行能耗l_ki,m，k＝1,2,…M，m＝1,2,…max；

③原子系統(tǒng)動(dòng)態(tài)規(guī)劃聚合：

由以上二級(jí)子系統(tǒng)求解，對(duì)每一個(gè)補(bǔ)庫泵站，均可獲得一系列單站提水能耗l_ki,m～單站補(bǔ)庫水量YB_ki,m關(guān)系，k＝1,2,…M，m＝1,2,…max，由此構(gòu)建如下聚合模型替代原子模型(13)～(15)：

目標(biāo)函數(shù)：

時(shí)段供水量約束：

該聚合模型(18)～(19)同樣為一維動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型，階段變量為泵站編號(hào)k，k＝1,2,…M；決策變量為各泵站第i時(shí)段提水量YB_ki，其離散范圍即為單站優(yōu)化時(shí)的目標(biāo)水量離散范圍YB_ki,m，k＝1,2,…M，m＝1,2,…max；由式(19)可知各泵站提水總量的離散值即為狀態(tài)變量(λ)；參照以上一維動(dòng)態(tài)規(guī)劃法求解該模型，獲得滿足第i時(shí)段泵站目標(biāo)提水總量Y_i的L_i值，以及對(duì)應(yīng)的各泵站最優(yōu)補(bǔ)水量組合YB_ki^*，k＝1,2,…M。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，采用一維動(dòng)態(tài)規(guī)劃方法對(duì)“單庫—多站”大系統(tǒng)模型求解具體包括：根據(jù)一維動(dòng)態(tài)規(guī)劃求解原理，得對(duì)應(yīng)遞推方程為：

(1)階段i＝1：

f₁(λ₁)＝min(G₁-YS₁)² (9)

式中，λ₁為狀態(tài)變量，表示前1個(gè)供水時(shí)段水庫供水量，單位：萬m³，其能夠在對(duì)應(yīng)可行域內(nèi)按一定步長離散：對(duì)每個(gè)離散的λ₁，決策變量G₁能夠在對(duì)應(yīng)可行域內(nèi)按一定步長離散，再將滿足G₁≥λ₁要求的G₁分別代入式(9)，分別確定對(duì)應(yīng)于每個(gè)離散λ₁值時(shí)，最優(yōu)G₁及其對(duì)應(yīng)的該時(shí)段最小缺水量平方和f₁(λ₁)；

而后，根據(jù)式(3)，第1階段末水庫庫容V₁＝V₀+LS₁-EF₁-G₁，此時(shí)尚未考慮泵站群補(bǔ)水或水庫棄水，應(yīng)采用式(4)～(6)進(jìn)行檢驗(yàn)和修正：

①當(dāng)V₁＜V_min，則考慮對(duì)水庫進(jìn)行補(bǔ)水，泵站群補(bǔ)水總量Y₁＝V_min-V₁+Δ₁，此時(shí)修正庫容V₁^*＝V_min+Δ₁；

②當(dāng)V₁＞V_P，則需要棄水來保證水庫庫容的調(diào)度需求，PS₁＝V₁-V_P，此時(shí)修正庫容V₁^*＝V_P；

③當(dāng)V_min≤V₁≤V_P，則Y₁＝PS₁＝0，此時(shí)修正庫容V₁^*＝V₁；

通過步驟①～③，修正并確定第1階段末水庫庫容V₁^*，即修正庫容V₁^*，同時(shí)可獲得對(duì)應(yīng)的水庫棄水量PS₁、或泵站群補(bǔ)水總量Y₁；

(2)階段i＝2，3，…N-1：

f_i(λ_i)＝min[(G_i-YS_i)²+f_i-1(λ_i-1)] (10)

式中，狀態(tài)變量λ_i為前i個(gè)時(shí)段的水庫供水總量，單位：萬m³，將其同樣分別進(jìn)行離散：對(duì)每一個(gè)離散的λ_i，決策變量G_i離散同上，并應(yīng)滿足：

狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：λ_i-1＝λ_i-G_i (11)

式中：i＝2，3，…，N-1

對(duì)每一個(gè)離散的λ_i，將各離散的G_i值分別代入式(10)中的(G_i-YS_i)²，由狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程式(11)，對(duì)每一個(gè)離散的G_i，查找前i-1階段滿足要求的最小f_i-1(λ_i-1)值，由此可獲得一個(gè)(G_i-YS_i)²+min f_i-1(λ_i-1)，完成以上所有離散的G_i尋優(yōu)后，最終可獲得滿足min[(G_i-YS_i)²+f_i-1(λ_i-1)]要求的前i個(gè)時(shí)段系統(tǒng)最小缺水量平方和f_i(λ_i)值，及其對(duì)應(yīng)的各階段水庫最優(yōu)供水量G_i，i＝1,…N；

同樣，還需利用式(3)確定第i階段末庫容V_i，而后采用式(4)～(6)進(jìn)行檢驗(yàn)，修正確定第i時(shí)段末庫容V_i^*，同時(shí)可獲得對(duì)應(yīng)的水庫棄水量過程PS_i、和泵站群補(bǔ)水總量過程Y_i，i＝1,2,……N，過程同步驟①～③；

(3)階段N：

f_N(λ_N)＝min[(G_N-YS_N)²+f_N-1(λ_N-1)] (12)

狀態(tài)變量決策變量G_N同樣在對(duì)應(yīng)可行域內(nèi)離散，應(yīng)滿足：λ_N-1＝λ_N-G_N；

采用步驟(2)所述方法，最終獲得滿足該λ_N要求的水庫最優(yōu)供水過程G_i，i＝1,…N，對(duì)應(yīng)的水庫棄水量過程PS_i，泵站群補(bǔ)水總量Y_i，i＝1,2,……N，以及原模型目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)值F＝f_N(λ_N)。