[發明專利]一種梯級水庫群泄洪設施聯合運行控制方法

有效

• 申請號: 201810683287.0
• 申請日: 2018-06-28
• 公開（公告）號: CN108897948B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 陳仕軍;黃煒斌;馬光文;劉悅;張帥;張歆蒴;葉玉健;李斌
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20
• 代理公司: 成都時譽知識產權代理事務所(普通合伙) 51250
• 代理人: 李雙

1.一種梯級水庫群泄洪設施聯合運行控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1：梯級水庫群洪水調度理論研究；

S11：梯級水庫群洪水聯合調度模型構建；

結合梯級水庫調度運行規律，以梯級水庫群中下一級水庫作為上一級水庫的防洪控制點，根據最大下泄流量最小化準則構建梯級水庫群聯合防洪模型，其目標函數表達式如(1)式所示；將防洪庫容、水庫水量平衡、水庫水位、出庫流量、流量平衡作為約束條件；

式中：Δt為計算時間間隔，t₀、t_d分別為洪水的開始和結束時刻；j為時段數，j＝1，2，…，M，其中i為梯級水庫序號，i＝1，2，…，n；q_j，i為第i個水庫第j個時段的平均出庫流量；Q_區，j，i為第i個水庫至i+1個水庫之間第j個時段的區間流量；

S12：模型求解算法研究；

在總結梯級水庫群聯合優化調度模型求解算法研究現狀的基礎上，比較分析現有動態規劃算法、逐步優化算法確定性算法以及遺傳算法、粒子群算法仿生學算法的優缺點，并結合梯級水庫群洪水聯合調度模型的特點，選取準確率高、運算速度快的多步長逐步優化算法(MSPOA算法)進行模型的求解，提高梯級水庫群洪水聯合調度問題的求解效率和準確性；

多步長逐步優化算法進行模型求解包括以下步驟：

S121：確定梯級各個水庫的末時段水位Z_T，初始化時間步長序列j＝1，序列長度J；

S122：選取一組時間步長，初始化時間步長Δj；

S123：賦予狀態變量初始解；

S124：調整決策變量v_j，t，計算t+1時段和t+2時段的優化計算函數目標值，得出新的決策變量和狀態變量；

S125：給目標函數值F_i^ε分配初始值F_i^I，比較F_i^ε和F_i^I，若F_i^εF_i^I，令F_i^ε＝F_i^I，如果優化計算次數l_i與預先定義的L_i相等，則完成求解，否則重復步驟S124；

S2：泄洪設施運用數字化；

S21：泄洪設施運行規則分析；

對泄洪設施的啟用條件、運用方式及其相應控制范圍進行總結，逐個梳理各水庫中所有泄洪設施能夠采用的組合方案，明確各組合方案中需滿足的控制條件、啟用順序和關閉順序要求，總結各水庫潛在可行的泄洪設施組合方案及其控制條件，并據此，建立不同水位下梯級各水庫的泄洪設施組合方案表，明確梯級各水庫所有泄洪設施的啟用和停用水位、開啟和關閉順序、開度范圍及其控制要求；

S22：泄流曲線精度提升；

采用離散處理的方法來提升各水庫泄流曲線的精度，以促進泄洪設施的精細化運行；結合梯級各水庫泄洪設施的運用規則，對梯級各水庫精度低的單一泄洪設施的泄流能力曲線，從泄流能力曲線的水位間距、開度間距兩個維度分別進行離散處理；水位離散采用0.1m的間隔進行等間距離散，離散的范圍為泄洪設施底坎高程到停用水位；開度離散采用1％或0.1m的間隔進行等間距離散，離散的范圍為0％～100％或0m～全開；

S23：泄洪設施運用數據庫構建；

采用泄洪設施組合方案的分類計算法來簡化處理、降低計算的難度，具體計算方法如下：

S231：確定泄洪設施組合單元，每個單元由某水位下特定流量范圍內的泄洪設施組合方案構成，其中特定流量范圍根據水庫泄洪設施實際情況選定；

S232：根據每個水庫泄洪設施運用的具體要求，在同一單元中，有多種泄洪設施組合類型；但對于一個水庫，在給定的組合單元中，泄洪設施的組合類型是確定的；

S233：對于每一種泄洪設施的組合類型，先列出其中幾種有代表的組合方案，便可通過調整各個泄洪設施的開度，采用式(2)進行計算，迅速找到同一組合類型中所有滿足運行要求的泄洪設施組合方案；

式中：I為水庫的泄洪設施總數；q為在該組合方案下所有泄洪設施的下泄流量；O(Z,j)為第i個泄洪設施在開度為j、水位為Z時的下泄流量；j為泄洪設施的開度，其取值從0到泄洪設施全開，若采用相對開度，則j的最大值取100％，若采用絕對開度，則j的最大值取決于各個泄洪設施的最大開度；

S234：按照步驟S233遍歷同一泄洪設施組合單元內所有組合類型，確定同一單元中所有組合類型下的泄洪設施組合方案；

S235：逐步調整水庫水位和流量范圍內的所有組合單元，確定所有泄洪設施組合方案，并將其依次按照水庫水位、下泄流量、泄洪設施啟用數量和開度指標進行排序，建立該水庫的泄洪設施運用數據庫；

S236：最后，對梯級水庫群的所有水庫都結合各自的泄洪設施運用規則和要求，按照上述分類計算法的思路進行分析計算，構建各水庫的泄洪設施運用數據庫，并按照水庫編號排序，由此建立梯級水庫群泄洪設施運用數據庫；

S31：組合方案查詢；

利用折半查找算法先后根據水庫編號、水庫水位以及泄流量對應的流量級指標從泄洪設施運用數據庫中查詢所有泄洪設施組合方案；

S32：組合方案選取原則確立；

采取泄洪設施開度離差平方和最小以及泄洪設施開度變化個數最少的原則進行泄洪設施組合方案的選取，兩個原則的具體表達式分別如下：

式中：O_t+1,a，O_t,a分別為泄洪設施a在t+1和t時段的開度；I為水庫泄洪設施的總個數；BOOL(i)為邏輯運算符號，當i為0時，其取值為0，否則為1；S為t+1時段與t時段泄洪設施開度離差平方和；N為t+1時段與t時段泄洪設施開度變化的個數；

S33：設計泄洪設施調控策略；

在梯級水庫群防洪優化調度中，結合各水庫的實際情況，設置水庫泄洪設施運行狀態最小保持時間和最大保持時間指標來控制泄洪設施的操作頻率，降低梯級各水庫的運行成本；運用有序聚類方法進行下泄流量過程的分割，采用上述泄洪設施組合方案查詢方法和選取原則明確各部分泄洪設施組合方案，確定整場洪水的泄洪設施控制策略；

S31所述的折半查找算法具體為：設流量級為Q指標，折半查找算法查詢過程如式(3)所示，具體步驟如下：

S311：根據最大流量和最小流量所在行的序號a、c，確定中間行的行號b，從而確定中間行的流量Q_b；

S312：比較搜索的流量級Q與Q_b的大小；若Q_b大于流量級Q，則將中間行的行號b賦值給最大流量的行號a，重新回到步驟S311；若Q_b小于流量級Q，則將中間行的行號b賦值給最小流量的行號c，重新回到步驟S311；

S313：如此不斷重復，直到與流量級Q相等的Q_b，則該流量級下所有的泄洪設施組合方案均為可供選擇的泄洪設施組合方案；

式中，[]為取整運算；

S33中泄洪設施調控的具體步驟如下：

S331：采用有序聚類分析法對洪水優化調度計算確定的整場洪水中水庫下泄流量過程進行分割，使各分段的時間跨度均滿足梯級各水庫泄洪設施狀態變化的時間間隔要求對于分段時間跨度在滿足時間間隔要求的允許范，圍內，但仍可以繼續分割的部分，比較繼續分割前后兩個部分的平均流量值來確定是否繼續分割；若分割后，前后兩個部分的平均流量值相差小于設定的值，則認為前后兩部分相似度較高，不進行繼續分割；反之，則繼續分割；

S332：對整場洪水下泄流量過程進行分割后，計算出分割后各部分的平均流量和平均水位；

S333：從分割后的第一部分開始，逐個部分計算確定其泄洪設施組合方案；

S334：結合所在部分的平均水位和平均流量按照S31中的步驟，采用折半查找算法從泄洪設施運用數據庫中查詢確定所有可行的泄洪設施組合方案；

S335：根據水庫當前的泄洪設施狀態，按照泄洪設施開度離差平方和最小以及泄洪設施開度變化個數最少的原則，選取泄洪設施組合方案；

S336：按照泄洪設施的組合方案和水庫入庫流量過程，從所在部分第一個時段起始水位開始，逐時段計算水庫的下泄流量和時段末水位，直至所在部分的最后一個時段；

S337：將上述步驟計算得到的各時段水庫水位和下泄流量，與優化算法計算得到的水位和下泄流量進行比較，確定相應的偏差，并將其分攤到下一個部分；

S338：進入下一部分，并重復步驟S334～S337，直到完成最后一部分的計算，確定出所有部分的泄洪設施組合方案，進而確定整場洪水的泄洪設施控制策略。