一种复杂水库群共同供水任务分配方法
【专利摘要】本发明公开了一种复杂水库群共同供水任务分配方法，包括以下步骤：步骤1，按照水库群的拓扑结构和共同供水目标的分布情况，分层构建虚拟聚合水库，并编制相应的联合调度图；步骤2，分别针对并联和串联的两种拓扑结构,确定共同供水任务分配策略；步骤3，构建联合供水调度模型的目标函数；步骤4，采用多目标进化算法，优化联合供水调度模型的目标函数，得到相对最优的联合调度规则。本发明能够对复杂水库群联合供水进行统一调度，能捕捉入库径流的时空差异，充分发挥库群的库容补偿与水文补偿作用，最大程度地提高系统对水资源的优化配置能力，适宜在复杂水库群联合调度中的应用。可广泛应用于复杂水库群共同供水任务分配。
【专利说明】
-种复杂水库群共同供水任务分配方法
技术领域
[0001] 本发明属于水库群联合调度技术领域，特别设及到一种复杂水库群共同供水任务 分配方法。
【背景技术】
[0002] 我国大型江河流域已经形成或正在形成水库群联合开发利用的总体布局，水库群 联合供水优化调度是一个具有复杂约束的非线性多目标优化问题，然而，随着库群规模及 其拓扑结构复杂性的不断增大，实现其优化调度的难度也在不断增大。目前，将水库群虚拟 为聚合水库制定供水决策的方法被视为水库群联合调度的最佳方法之一。该方法虽然可W 综合考虑水库群的蓄水状态，准确定位系统供水能力，更客观地确定系统对各用水户的供 给水量，但共同供水任务如何最优地分配到相应的具体水库仍是难点所在。
[0003] 目前，共同供水任务的分配主要采用分水比例法与补偿调节法。当水库群拓扑结 构复杂或补偿关系不明显时常采用分水比例法，其中W固定比例系数法和动态比例系数法 为主。固定比例系数法主要通过模拟优化的方式确定一组固定比例系数来分配共同供水任 务;动态比例系数法主要是根据"补偿调节、能者多劳"的思想，综合考虑当前库容、库容系 数、水库入流等因素来制定合理的分配规则，从而更好地利用水文补偿及库容补偿规律[周 芬，郑雄伟，马俊，等.水利水电科技进展，2011,05:11-13+22.]、[张瞧天.大连理工大学， 2013]。但已有的动态比例系数法大部分没有考虑各成员水库当前时段自身的供水任务，当 水库自身供水任务很大时，其变化过程会很大程度影响并制约共同供水任务的分配。
[0004] 当水库群中存在明显补偿关系时常采用补偿调节法:Jay R丄und等[Jay R丄und， Joel Guzman.Journal of Water Resources Planning and Management，1999，125(3): 143-153.]按库容利用效率值从小到大的顺序依次进行供水调度;Li-畑iu化311旨等化1- Qiiu Qiang，Fi-John Qiang.Journal of Hy化〇1〇邑7,2009，1(2):12-20.]利用补偿调节的 方式对悲翠、玉石水库群进行供水调度;郭旭宁[郭旭宁，胡铁松，曾祥，等.华中科技大学学 报：自然科学版，2011,39(10) :121-124.]等利用补偿调节与二维调度图相结合的模式对碧 流河、英那河流域进行供水调度。但已有的补偿调节法由于没有考虑自身的供水任务，经常 会出现补偿不足或过度补偿情况，无法合理调度保证供水。
[0005] 另外，由于共同供水任务的分配设及到整个系统供水目标、成员水库供水目标、各 用水户供水目标等多个目标，传统的指标权重赋值方法具有一定的局限性，其只是把多目 标转换为单目标，无法体现各个目标之间的竞争协同关系[Li-化iu化ang，Fi-John Qiang.Journal of Hy 化 ology,2009,1(2) :12-20.]、[下胜祥，董增川，王德智，等.水科学 进展，2008,19(5):679-684.]。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术的不足，本发明基于虚拟聚合水库的思想，提出一种复杂水库群共 同供水任务分配方法。
[0007]为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
[000引一种复杂水库群共同供水任务分配方法，包括W下步骤：
[0009] 第一步，按照水库群的拓扑结构和共同供水目标的分布情况，分层构建虚拟聚合 水库，并编制相应的联合调度图。
[0010] 第二步，分别针对并联和串联的两种拓扑结构，确定共同供水任务分配策略;并联 水库分配策略采用分水比例法中的动态比例系数法；串联水库分配策略采用补偿调节法， 为避免过度补偿，在补偿水库设置补给限制线。
[0011] 所述的动态比例系数的计算公式为：
[0012]
(1)
[OOU]其中，Ki,t为分配系数，VSi,t为i水库t时段的蓄水量，IFi,t为i水库t时段的入流， DPi,t为i水库t时段的自身供水任务。各成员水库负责的共同供水任务等于该成员水库的分 配系数Κι, t乘W共同供水任务。
[0014]第Ξ步，构建联合供水调度模型的目标函数，所述的目标函数为：
[00巧]3.1子系统缺水指数的目标函数：
[0016]
(2)
[0017]其中，f(x)为子系统缺水指数的目标函数，SI为缺水指数，N为长系列调度总年数， ω agr为农业用水目标所占的权重，ω ind为工业用水目标所占的权重，Da肝,j、Dind, j分别为子 系统在j年内农业用水目标、工业用水目标的总需水量，Wagr,j、Wind,j为子系统在j年内对农 业、工业的总供水量。
[001引3.2系统总弃水量的目标函数：
[0019]
(3)
[0020] 其中，f'（x)为系统总弃水量的目标函数，S&为j年内弃水量(包含水库弃水与区 间最终入海量），M为用水户总个数，Rai为用水户i的保证率，αι、βι分别为惩罚系数，当用水 户i不满足保证率要求时Qi取1，否则取0，当用水户i供水时发生超破坏深度时Pi取1，否则取 0，PS_A、PS_B分别为足够大的惩罚量。
[0021] 第四步，采用多目标进化算法，优化联合供水调度模型的目标函数，得到相对最优 的联合调度规则;所述的联合调度规则为各个子系统的缺水指数最小、系统的总弃水量最 小。
[0022] 本发明的有益效果为：能够对复杂水库群联合供水进行统一调度，能捕捉入库径 流的时空差异，充分发挥库群的库容补偿与水文补偿作用，最大程度地提高系统对水资源 的优化配置能力，适宜在复杂水库群联合调度中的应用。
【附图说明】
[0023] 图1是复杂水库群示意图；
[0024] 图2是水库供水调度图。
【具体实施方式】
[0025]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案做进一步具体说明。
[00%] -种复杂水库群共同供水任务分配方法，包括W下步骤：
[0027] 第一步，按照水库群的拓扑结构和共同供水目标的分布情况，分层构建虚拟聚合 水库，并编制相应的联合调度图。
[0028] 如附图1所示的复杂水库群供水示意图，其用水户众多，供水方式较为复杂，整个 水库群供水系统由Ξ个子系统构成:a水库及a水库下游区间为子系统A，b水库、b-c水库区 间、C水库W及C水库下游区间为子系统B，水库a、b、c汇合之后的区间为子系统C。
[0029] 子系统A由a水库供水，因此优化制定a水库的调度规则，决定子系统A各用水户如 何供水。子系统B由b、c水库供水，因此将两库虚拟聚合成一座水库(XN-2)决定对该子系统 内部各用水户的供水量。子系统C由a、b、c水库联合供水，因此将Ξ库虚拟聚合成一座水库 (XN-3)，根据其调度规则确定该子系统各用水户供水量。
[0030] a水库、XN-2水库W及XN-3水库的调度规则W调度图形式反映，根据供水目标优先 级和保证率的高低，制定供水调度图和供水规则。如附图2所示，水库供水调度图由各用水 户的限制供水线构成，2条限制供水线将水库的兴利库容划分为3个调度区。在水库运行过 程中，根据水库当前蓄水状态所处的调度区域，按照表1给出的供水规则供水。
[0031] 表1水库供水调度图各区供水规则
[0032]
[0033] 第二步，分别针对并联和串联的两种拓扑结构，确定共同供水任务分配策略;并联 水库分配策略采用分水比例法中的动态比例系数法；串联水库分配策略采用补偿调节法， 为避免过度补偿，在补偿水库设置补给限制线。
[0034] 应用虚拟聚合水库进行水库群联合供水调度一般包含两个步骤：（1)根据各水库 当前蓄水状态，确定水库群对各用水户是限制供水还是按需供水，即确定对每个用水户供 多少水。（2)按照一定的分配策略分配共同供水任务到各成员水库，确定由谁供水。具体分 配策略如下：
[0035] (1)并联水库
[0036] a、b、cS库聚合成XN-3水库为子系统C供水，同时b水库与C水库聚合成XN-2水库， 因此XN-3的共同供水任务在a水库与XN-2水库之间分配，即a水库与XN-2水库为并联水库。a 水库所在的流域与XN-2水库所在的流域基本保持同丰同枯状态，不存在极端丰枯互补状 况;另外a水库与b水库都是多年调节水库，兴利库容、总库容W及库容系数都相差不大，也 不存在库容补偿状况，因此在XN-3水库分配共同供水任务时采用分水比例法，使共同供水 任务在a水库与XN-2水库间得到有效分配，并采用固定比例系数法和动态比例系数法两种 方法进行对比分析。
[0037] a固定比例系数法
[0038] 采用权重系数法直接优化确定调度年内各时段的分配比例系数(at,私），若该时段 内的共同供水任务为WDt，则a水库负责的共同供水任务为atXWDt，XN-2水库负责的共同供 水任务为X WDt，且满足约束:at+0t = 1。
[0039] b动态比例系数法
[0040] 对已有动态比例系数法进行改进，即同时考虑来水、当前库容W及当前时段自身 供水任务Ξ项因素来制定动态分配系数。计算公式如下： 幽]
C1)
[0042] 其中，Ki,t为分配系数，VSi,t为i水库t时段的蓄水量，IFi,t为i水库t时段的入流， DPi,t为i水库t时段的自身供水任务。各成员水库负责的共同供水任务等于该成员水库的分 配系数Κι, t乘W共同供水任务。
[0043] (2)串联水库
[0044] XN-3分配给XN-2的供水任务W及C水库下游区间的供水任务由b、c水库共同供给， 属于XN-2水库的共同供水任务。B水库处在C水库的上游，其兴利库容和库容系数都比C水库 大，但其入库流量反而比C水库小。因此，XN-2水库在分配共同供水任务时采用补偿调节法， 即先由C水库负责共同供水任务，不足部分由b水库补给。
[0045] 考虑到C水库W上区间的供水任务W及b水库自身直供任务还由b负责供给，即不 能无限制的补偿C水库，所W在b水库设置一条补给限制线。当b水库水位高于该限制线时，b 水库可W补给C水库；当b水库水位低于该限制线时，b水库不能补给C水库，由C水库独自承 担下游的供水任务。
[0046] 第Ξ步，构建联合供水调度模型的目标函数。
[0047] 针对子系统A而言，a水库的调度目标是保证供水、减少缺水，因此其缺水指数作为 目标函数之一(越小越优）。同样，W子系统B、C的缺水指数作为另外两个目标函数。整个水 库群联合供水优化调度的目的是使水库群系统总供水量最大，即系统的总弃水量最小，因 此W系统的年均总弃水量最小为目标函数之一。综上，目标函数为：
[0052]其中，N为长系列调度总年数；SI为缺水指数；Wagr为农业用水目标所占的权重； ω ind为工业用水目标所占的权重;〇A,agr, j、〇A,ind, j分别为子系统A在j年内农业用水目标、工 业用水目标的总需水量;14,38,^、胖4心。为子系统4在^'年内对农业、工业的总供水量;5&为占' 年内弃水量(包含水库弃水与区间最终入海量）；Μ为用水户总个数;Rai为用水户i的保证 率;〇1、01分别为惩罚系数，当用水户i不满足保证率要求时取1，否则取0;当用水户i供水时 发生超破坏深度时权取1，否则取0dPS_A、PS_B分别为足够大的惩罚量。
[0053] 第四步，采用多目标进化算法，优化联合供水调度模型的目标函数，得到相对最优 的联合调度规则;所述的联合调度规则为各个子系统的缺水指数最小、系统的总弃水量最 小。
[0054] W水库群长系列天然入库径流W及区间入流作为模型的输入资料，利用多目标进 化算法对模型进行优化求解，得到相对最优的调度规则。
[0055] (1)决策变量
[0056] 两种共同供水任务分配方案相同的决策变量为:XN-2、XN-3及a水库调度图调度线 的位置、b水库的补给限制线位置。固定分配比例系数法还需额外的变量:XN-3的成员水库 在各个时段的供水任务分配比例。
[0057] (2)约束条件
[0058] 水库水量平衡约束、水库特征水位约束、用水户限制供水不超破坏深度W及各用 水户保证率约束等。
[0059] (3)优化方法
[0060] ε-支配的带精英策略的非支配排序遗传算法（ε-NSGAII)是在NSGAII基础上引入 ε-支配、自适应种群大小策略的多目标进化算法。与其他多目标进化算法(MOEAs)相比较， 该算法具有=方面优点:①减少参数设置;②ε-支配减少无法收敛的可能性;③自适应种群 大小。近几年该算法被广泛应用于众多行业，并得到很好的效果。因此，采用ε-NSGA-II算法 来求解水库群联合优化调度模型，其参数设置如表2所示。由于遗传算法具有随机性，故每 个问题独立运行6次，每次随机生成初始种群并迭代100万代(实验证明，经过100万代迭代 后，获得的化reto解集没有实质提升）。由于真实最优化reto前沿无法获得，因此从12次捜 索得到的所有化reto前沿解中获取参考解集来代替真实最优化reto前沿。
[0061] 表2 ε-NSGAII算法参数设置 「00621
[0063]
[0064] 将本方法应用在东北地区浑河与太子河流域上的大伙房水库、观音阁水库与穫窝 水库组成的水库群，建立巧巾方案进行对比分析，如表3所示。方案1、2中并联水库的分水规 则采用固定比例系数法，方案3中并联水库的分水规则采用动态比例系数法，方案1中串联 水库的分水规则采用补偿调节法。方案2、3中串联水库的分水规则采用考虑补给限制性的 补偿调节法。
[0065] 表3巧巾方案中共同供水任务分配方式对比表
[0066]
[0067] 方案1、2结果对比表明基于补给限制线的补偿调节法能够合理划分共同供水任 务，更好地发挥库容补偿作用；与其相比，不考虑补偿限制线的补偿调节法使水库发生破坏 深度的次数增加，同时进一步影响其他水库和系统的任务分配，降低共同供水任务的供水 保证率。
[0068] 方案2、3结果比较表明动态比例系数法综合考虑了水库当前时段蓄水量、入流W 及自身供水任务，既考虑了水库目前供水能力，又考虑下个时段的准确预报信息，还考虑了 未来用水信息，可W更好地利用子系统A与子系统B之间的水文补偿与库容补偿作用，降低 两者之间的竞争性，更好地分配子系统C的供水任务。与固定比例系数法获得的化reto解集 相比，动态比例系数法的化reto解集在多样性不降低的条件下解集个数明显减少、收敛性 更好，弃水量较优的解集所占比重增大，且更好地均衡了 Ξ个子系统的缺水指数，更加接近 理想最优解的位置。
【主权项】
1. 一种复杂水库群共同供水任务分配方法，其特征在于，包括以下步骤： 第一步，按照水库群的拓扑结构和共同供水目标的分布情况，分层构建虚拟聚合水库， 并编制相应的联合调度图； 第二步，分别针对并联和串联的两种拓扑结构，确定共同供水任务分配策略:并联水库 采用分水比例法中的动态比例系数法；串联水库采用补偿调节法，为避免过度补偿，在补偿 水库设置补给限制线； 所述的动态比例系数的计算公式为：其中，Ki,t为分配系数，VSi,t为i水库t时段的蓄水量，IFi,t为i水库t时段的入流，DPi,t为 i水库t时段的自身供水任务;各成员水库负责的共同供水任务等于该成员水库的分配系数 Ki,t乘以共同供水任务； 第三步，构建联合供水调度模型的目标函数，涉及的目标函数具体为： 3.1) 子系统缺水指数的目标函数：其中，f (X)为子系统缺水指数的目标函数，SI为缺水指数，N为长系列调度总年数，ω agr 为农业用水目标所占的权重，ω ind为工业用水目标所占的权重，Dagr, j、Dind, j分别为子系统 在j年内农业用水目标、工业用水目标的总需水量，Wagr,j、Wind,j为子系统在j年内对农业、工 业的总供水量； 3.2) 系统总弃水量的目标函数：其中，f'（X)为系统总弃水量的目标函数，SUj为j年内弃水量(包含水库弃水与区间最终 入海量），M为用水户总个数，!?&1为用水户i的保证率，〇1、&分别为惩罚系数，当用水户i不满 足保证率要求时 〇1取1，否则取〇，当用水户i供水时发生超破坏深度时&取1，否则取〇，PS_A、 PS_B分别为足够大的惩罚量； 第四步，采用多目标进化算法，优化联合供水调度模型的目标函数，得到相对最优的联 合调度规则。2. 根据权利要求1所述的一种复杂水库群共同供水任务分配方法，其特征在于，所述的 第四步中相对最优的联合调度规则为各个子系统的缺水指数最小、系统的总弃水量最小。
【文档编号】E02B1/00GK105825437SQ201610173048
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月24日
【发明人】张弛, 李昱, 彭勇, 初京刚, 周惠成, 韩义超, 齐云飞, 李智慧, 付桂芬
【申请人】大连理工大学, 辽宁省水利水电勘测设计研究院