一种考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法
【专利摘要】本发明公开了一种考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，包括五个步骤：(1)闸门操作规则结构化描述，解决复杂闸门操作规则的表述问题，(2)闸门操作规则实例化，解决如何应用闸门操作规则结构体实例来表述特定水电站闸门操作规则的问题；(3)闸门开度组合号序列优化生成，解决闸门操作规则与传统水电站洪水优化调度方法的耦合问题；(4)闸门开度组合号序列优化调整，解决洪水调度过程中个别时段水位越限及调度期末水位与目标水位存在偏差的问题；(5)闸门操作计划生成，解决根据闸门开度组合号序列动态生成闸门操作计划的问题。本发明提高了水电站对后期泄洪流量过程预测的准确性，提升了水电站防洪决策的快速响应能力。
【专利说明】一种考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种洪水优化调度方法，具体涉及一种考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法。
【背景技术】
[0002]传统的水电站洪水优化调度方法将所有闸门视为一个调度对象，只考虑所有闸门的整体泄流能力，不考虑各个闸门的允许开度、开启顺序、开度组合等闸门操作规则，仅能计算出水电站闸门群整体的优化总泄洪流量过程线，而无法自动制定出各个闸门的优化操作计划。在实际运行环节中，需由调度人员根据该优化总泄洪流量过程线，人工制定各个闸门的操作计划。这种方式难以满足水电站精细化调度和实时滚动调度的业务需求，同时也严重影响了防洪决策的效率。此外，由于实际运行中必须遵循各个闸门的操作规则，无法控制闸门按照预期的优化总泄洪流量过程线运行，造成闸门实际总下泄流量与预期的优化总下泄流量之间的偏差，进而引起后期实际库水位与预期库水位的偏差，进一步加剧实际泄洪流量和预期泄洪流量之间的偏差程度，严重影响了传统水电站洪水优化调度方法的实用价值。
[0003]水电站洪水优化调度主要解决入库洪水的优化蓄泄问题，在确保水电站自身安全的前提下，尽可能减轻洪水对下游的危害作用，并适当考虑洪水的资源化利用。传统水电站洪水优化调度方法将所有闸门视为一个对象，通过优化调度计算得到整个水电站的优化泄洪流量过程线，在此过程中并不考虑各个闸门的操作规则。实际执行过程中，需要凭借调度人员的经验和不断试算，参照已得到的预期优化泄洪流量过程线和实际的库水位，确定满足各闸门允许开度、开启顺序、开度组合等操作规则的操作计划，并人工实时调节泄洪设施的闸门开度，使得实际泄洪流量与预期泄洪流量尽可能接近。由于忽略了各闸门的操作规则，传统水电站洪水优化调度方法得到的优化泄洪流量过程线与水电站真实泄流特性不符，从而造成执行环节和计划环节的严重偏离，大幅降低了传统方法计算结果的价值和可参考性。
[0004]洪水优化调度的最终目的是通过对洪水的合理调度，使得国民经济损失最小化。然而，洪水所造成的国民经济损失本身难以定量化计算，因此水电站洪水优化调度通常采用简化的方式来考虑洪水损失。一般情况下，洪水所造成的国民经济损失与最大泄洪流量呈正相关性，可以将国民经济损失最小化目标转化为最大泄洪流量最小化目标。利用数学推导可以证明，洪水调度期内运用确定的防洪库容时，最大泄洪流量最小化的方案实际上就是泄洪流量最均匀的方案。`由于洪水调度的初始水位和末水位均提前确定，而洪水入库的水量也提前确定，因此根据水量平衡的原理可提前确定出调度期内的总泄洪水量，这意味着调度期内各时段的泄洪流量之和是一个固定值。根据数学原理，当多个自变量之和一定时，可以用各自变量的平方和来表述其均匀程度。因此，可以建立如下目标函数:
[0005]?(/ q2{l)dt , te[t0,td]
Jt0[0006]为了便于使用计算机求解，可对上述目标函数进行离散化:
[0007]
【权利要求】
1.一种考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于，依次包括以下几个步骤: (1)闸门操作规则结构化描述，采用结构化的描述方法来完整表述闸门允许开度、开启顺序和开度组合信息，为闸门操作规则实例化以及计算机解析闸门操作规则提供基础； (2)针对特定水电站进行闸门操作规则实例化，根据特定水电站的真实闸门允许开度、开启顺序和开度组合信息，动态生成和排列各类闸门操作规则结构体的多个实例，并建立不同实例之间的关联关系； (3)生成优化的闸门开度组合号序列，根据传统水电站洪水优化调度方法推求的理论泄洪流量过程线，逐时段计算最优开度组合序号，形成整个调度期内的优化闸门开度组合号序列，用于解决闸门操作规则与传统洪水优化调度方法的耦合问题； (4)对闸门开度组合号序列进行优化调整，针对洪水调度过程中库水位越限的时段，调整前次闸门操作时刻，直至消除库水位越限问题；针对调度期末库水位与目标水位的偏差情况及前次闸门操作情况，调整最后一次闸门操作时刻，直至调度期末水位最接近； (5)生成闸门操作计划，通过对优化闸门开度组合号序列的逐时段解析，动态生成满足所有闸门操作规则要求的闸门操作计划。
2.根据权利要求1所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 步骤(1)中，闸门操作规则结构化描述方法如下: 将闸门的允许开度、开启顺序及开度组合信息分别采用OM结构体、GT结构体及CB结构体来表征其中； OM结构体用于存储闸门特定开度的信息，内容包括开度序号、开度值、开度类型、开度描述和由若干个水位、流量二元信息组构成的水位流量关系曲线； GT结构体用于存储水电站特定闸门的信息，内容包括闸门序号、闸门描述和允许的开度序号，GT结构体通过开度序号与OM结构体关联； CB结构体用于存储特定的闸门开度组合信息，内容包括规则序号和由若干个闸门序号、开度序号二元信息组构成的开度组合信息，CB结构体通过闸门序号和开度序号与GT结构体关联。
3.根据权利要求2所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 步骤⑵中，对闸门操作规则进行实例化，是指针对实际水电站的闸门允许开度、开启顺序及操作规则信息，分别实例化OM结构体、GT结构体和CB结构体，并形成针对实际水电站的开度表、闸门表和组合表，具体包括以下步骤: 首先，根据实际水电站的每种闸门允许开度，分别构建对应的OM结构体实例，表述该闸门允许开度信息，所有的OM结构体实例共同构成完整的开度表； 其次，根据实际水电站的每个泄洪闸门，分别构建对应的GT结构体实例，表述该闸门信息，所有的GT结构体实例共同构成完整的闸门表； 最后，根据实际水电站的每种闸门开度组合，分别构建对应的CB结构体实例，表述该开度组合信息，所有的CB结构体共同构成完整的组合表。
4.根据权利要求3所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 各所述OM结构体实例中的水位流量关系曲线应该严格按照水位递增规律排列，以便于在求解过程中根据库水位快速插值计算该开度对应的泄洪流量； 所述开度表中的各OM结构体实例可以按照开度值从小到大排列；所述闸门表中的各GT结构体实例可以按照闸门的类型和物理位置排列；所述组合表中的各CB结构体实例则应严格按照闸门开启先后顺序和开度组合从小到大的顺序进行排列。
5.根据权利要求4所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于，采取以下方法检查所述组合表各CB结构体实例之间顺序是否正确: (al)在洪水起调水位和允许的最高库水位之间按等间距原则选定若干个水位；(a2)选定其中一个水位，依次计算出该水位下不同CB结构体实例对应的泄洪流量；(a3)验证所有CB结构体实例是否满足泄洪流量随组合序号单调递增的规律，若满足则通过验证，若不满足则说明其中必有一个CB结构体实例的信息存在错误，需校验CB结构体实例顺序或CB结构体实例信息的正确性，针对问题修改CB结构体实例顺序或CB结构体实例信息直至通过验证为止； (a4)若未遍历完所有水位，则跳转至步骤(a2)，若已遍历完所有水位，则结束验证。
6.根据权利要求5所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 步骤(3)中，优化的闸门开度组合号序列具体采用以下几个步骤生成: (bl)根据时段初的库水位，计算不同组合序号CB结构体实例在该库水位下的实际泄洪流量，并记录实际泄洪流量与预期时段优化泄洪流量之间的绝对值差或差值的平方； (b2)将绝对值差或差值的平方最小的CB结构体实例作为时段最优决策，将其组合序号作为该时段的最优组合序号； (b3)根据时段初库水位和该最优组合序号，计算出时段的最优泄洪流量； (b4)利用水量平衡方程计算出下个时段初的库水位； (b5)是否遍历完所有时段，若未遍历完所有时段，则转至步骤(bl)，若已遍历完所有时段，则终止遍历过程； (b6)将得到的多个最优闸门开度组合号保持至序列中，即可形成优化的闸门开度组合号序列。
7.根据权利要求6所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 步骤(4)中，闸门开度组合号序列优化调整包括调度过程库水位越限的调整和调度期末库水位的调整； 所述调度过程库水位越限的调整方法如下: (Cl)兼顾洪水调度过程控制的精度要求及闸门调节频度的容许度要求，确定合理的闸门开度组合号序列优化调整时段长，并将第一时段作为当前时段； (c2)判断时段末的库水位是否越高限，若未越高限则直接进入下一个阶段； (c3)若时段 末库水位越高限，则往前寻找最近的一次闸门操作； (c4)判断该次闸门操作是开闸还是关闸，若闸门开度组合序号与前时段相比增加，则说明该次闸门操作为开闸操作；若闸门开度组合序号与前时段相比减小，则说明本次闸门操作为关闸操作； (c5)若为开闸操作，则应将开闸时刻提前，若闸门操作计划优化调整时段长为AT'，原闸门操作时刻为I则假定闸门操作时刻为△ T'，并从&- △ T'时刻所处的时段初开始进行逐时段水位计算，若该时段水位仍越限，则假定闸门操作时刻为t「2AT'，依次类推直至当前时段水位不越限为止，若为关闸操作，则应将关闸时刻延迟，假定闸门操作时刻为k+ΛΤ,，并从tjAT,时刻所处的时段初开始进行逐时段水位计算，若该时段水位仍越限，则假定闸门操作时刻为、+2ΛΤ'，依次类推直至当前时段水位不越限为止； (c6)若在步骤(c5)中闸门操作时刻已前移至更早的一次闸门操作时刻或后移至更迟的一次闸门操作时刻，则应该将更早的或更迟的闸门开度组合序号删除，若闸门操作时刻已前移至调度期初或后移至当前时段末，则终止当前时段的水位越限调整，进入下一时段并转至步骤(c2)； (c7)若未遍历完所有时段，则进入下一时段并转至步骤(c2)，若已遍历完所有时段，则退出调度过程水位越限调整； 所述调度期末库水位的调整方法如下: (dl)根据调度期末库水位与目标水位的偏差要求，对闸门开度组合号序列优化调整时段长进行加密，作为调度期末库水位调整的时段长△ T'，； (d2)综合判断调度期末库水位越限情况和最后一次闸门操作情况，决定正确的闸门调整策略；若调度期末水位高于目标水位且最后一次闸门操作为关闸操作，或者调度期末的水位低于目标水位且最后一次闸门操作为开闸操作，则应该延迟最后一次闸门操作时刻；若调度期末水位高于目标水位且最后一次闸门操作为开闸操作，或者调度期末的水位低于目标水位且最后一次闸门操作为关闸操作，则应该提前最后一次闸门操作时刻； (d3)假定最后一次闸门操作时刻为k，若应该延迟最后一次闸门操作时刻，首先找到最后一次闸门操作时刻所在的时段，然后从该时段初开始，分别假定最后一次闸门操作时刻为t六AT'，，&+2ΛΤ'，，……，直至调度期末，并利用水量平衡原理进行逐时段水位计算，得到相应于上述每个闸门操作时刻的调度期末水位，找到其中与目标水位偏差最小的调度期末水位以及对应的闸门操作时刻，即为优化调整后的闸门操作时刻； (d4)若应该提前最后一次闸门操作时刻，首先找到倒数第二次闸门操作时刻所在的时段，然后从该时段初开始，若总共只有一次闸门操作，则从第一个时段初开始，分别假定最后一次闸门操作时刻为，，t「2AT'，，……，直至该时段初为止，并利用水量平衡原理进行逐时段水位计算，得到相应于上述每个闸门操作时刻的调度期末水位，找到其中与目标水位偏差最小的调度期末水位以及对应的闸门操作时刻，即为优化调整后的闸门操作时刻。
8.根据权利要求7所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 步骤(5)中，闸门操作计划采用以下方法生成: 逐时段对比优化闸门开度组合号序列中相邻两个时段的闸门开度组合序号，并通过对两个闸门开度组合信息的对比解析，得出该时段的闸门操作计划，遍历所有时段并将各个时段的闸门操作计划均保存到一个序列中，形成调度期内的闸门操作计划。
9.根据权利要求8所述的考虑闸门操作规则的水电站洪水优化调度方法，其特征在于， 若相邻两个时段的闸门开度组合序号相同，则本时段不进行闸门操作；若后一时段开度组合序号大于前一时段开度组合序号，对该时段进行开闸操作；若后一时段开度组合序号小于前一时段开度组合序号，对该时段进行关闸操作。
【文档编号】G06Q10/04GK103646294SQ201310561132
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年11月12日 优先权日:2013年11月12日
【发明者】芮钧, 吴维宁, 刘观标, 刘果, 徐洁, 李泽宏, 李永红, 郑健兵, 王安东, 王俊莉 申请人:国网电力科学研究院, 南京南瑞集团公司, 国家电网公司