基于集合预报的水库实时蓄水调度方法与流程

本发明属于水库预报和调度运行领域，具体涉及一种基于集合预报的水库实时蓄水调度方法。

技术背景

水库调度通过改变天然径流的时空分布，达到兴利除害的目的。为了安全度汛，水库一般在汛期来临之前逐渐腾空库容，汛期维持汛限水位运行，在汛末开始蓄水，水位逐渐抬高至正常蓄水位，之后进入供水期。水库能否在蓄水期内蓄满，影响着水库在次年供水期间，发电、航运、供水等综合效益的发挥。

在目前的调度实践中，水库按照初始设计的常规调度图进行蓄水期的实时调度，即根据当前来水情况和当前水库水位做出当前阶段的调度决策。

在现有的技术中存在如下问题：(1)目前蓄水期调度主要依据常规调度图，不能利用径流预报信息；(2)在水库实时调度中，难以全部利用有误差的径流预报信息。这些问题都会降低调度决策的准确性，不能最大程度地利用水资源，不能实现效益最大化。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，该方法充分考虑了预见期内预报径流情景与余留期内历史径流情景间的转移概率，能够提高对各类径流资料的利用效率，优化调度结果。

本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：

本发明提供一种基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1.确定当前调度期从面临时段到蓄水期末的总时长，确定集合预报的预见期长度，将整个调度期划分为预见期和无预报资料时段的余留期；步骤2.确定预见期和余留期内的径流输入资料：在预见期内，集合预报采用多条径流过程曲线来描述；在余留期直接使用历史同期的径流实测资料，视为可能发生的入库径流，以补全整个调度期的入库径流；步骤3.建立水库优化调度模型，确定目标函数以及约束条件，使用抽样随机动态规划方法进行求解，考虑预见期内可能发生的径流情景与余留期内径流情景间的转移概率，并且以水库库容离散值和水库入流情景作为二维状态变量；步骤4.根据步骤3的求解得到当前面临时段的调度决策表，该调度决策表包含有每一种水库库容和每一种入流情景的组合下、所对应的阶段末的最佳水库库容；步骤5.当实际入流情况已经发生时，根据当前水库库容和入流情况，查阅调度决策表，进行插值计算，求得该阶段末的水库库容；步骤6.对于整个蓄水期，从第一天至蓄水期末，逐天重复步骤1-5，逐日更新预报信息，进行优化求解，求得每天的调度决策表，并指导进行每一天的实时调度，进而完成整个蓄水期的调度。

本发明提供的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，预见期内使用集合预报成果，共生成m种径流情景：

式中，为第j种预报入流情景时，第t时段的入流；

余留期内使用历史同期径流资料，共n种入流情景：

式中，为第j种历史入流情景时，第t时段的入流。

本发明提供的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，还可以具有以下特征：在步骤3中：

目标函数为：

式中，e为蓄水期的总发电量，t为调度期总长度，nt为每天的发电出力，δt为24小时；

约束条件至少包括：

(1)水量平衡约束

vt+1＝vt+qt-rt，

式中，vt+1为时段末水库库容，vt为时段末水库库容，qt为时段的水库入流，rt为时段的水库出流；

(2)水位约束

式中，zt为时段内的最小允许水位，为时段内的满足防洪安全要求的最大允许水位；

(3)下泄流量

式中，rt为时段内的最小允许出流，为时段内的最大允许出流；

(4)出力约束

式中，nt为时段内的最小允许出力，为时段内的最大允许出力。

本发明提供的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，使用抽样随机动态规划方法求解时：

(1)阶段变量：以天为调度时段，t＝1,2,…,t；

(2)状态变量：将水库库容离散为l种情况，以各时段初水库库容和入流情景作为二维状态变量，即为第t时段初水库库容为第l种情况，表示第t时段的入流为第k种情景；

(3)决策变量：各种离散库容情况下、各种入流情景下，时段末的水库最佳库容；

(4)状态转移方程：vt+1＝vt+qt-rt，式中vt+1为时段末库容，vt为时段初库容，qt为该时段的入库流量，rt为该时段的出库流量；

(5)递推方程：

通过集合预报预见期长度将整个蓄水期分为预见期和余留期两个阶段，两个阶段的效益期望值之和为：

式中，为在阶段初为第l种水库离散库容，在阶段内发生第k种入流情景下的阶段最优总效益值；为计算时段初为第l种水库离散库容，在时段内发生第k种入流情景时，做出调度决策为rt时的面临效益；在计算时段末为第l种水库离散库容，在时段内发生第k种入流情景下的阶段余留效益值。

本发明提供的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，p(j|k)转移概率矩阵的计算方法为：根据历史径流资料进行计算，将预见期内径流进行加和得并且将余留期内径流进行加和得进一步将预见期内和余留期内的径流之和分别进行排频计算，分别得到h种设计流量值，并据此将预见期、余留期整个径流范围分别划分为h个区间，使用统计的方法统计出从预见期内每种径流离散区间转移到余留期内每种径流离散区间的概率。

发明的作用与效果

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提出了一种基于集合预报的水库实时蓄水调度方法，考虑了未来可能的径流情景，在水库调度中考虑了径流预报的不确定性，实现了水库预报和调度的耦合；

(2)本发明所提出的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法使用历史同期径流资料，补全了调度期内的径流过程，实现了在实时调度中进行优化调度，提升了蓄水期间水资源的利用效率，提高了水库的蓄满率；

(3)本发明所提出的基于集合预报的水库蓄水期实时调度方法根据水文预报预见期长度将调度期划分为两阶段，提出了一种在调度中计算和应用预见期内径流情景到余留期内径流情景间转移概率的方法，提高了对未来时段可能发生径流的预估水平，优化调度结果，获得更有利的调度决策；

综上，本发明所提出的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法能够有效地确保调度决策的准确性，最大程度地利用水资源，实现效益最大化。

附图说明

图1为本发明实施例中的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法的流程图；

图2为本发明实施例中的滚动更新调度决策表的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法进行详细地说明。

<实施例>

如图1所示，本实施例所提供的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法包括以下步骤：

步骤1.确定调度期总时长(从面临时段到蓄水期末)，确定集合预报的预见期，将整个调度期划分为预见期和余留期(无预报资料时段)：

t＝h+hr，

式中，t为当前调度时段长度，h为预见期长度(定值)，hr为余留期长度。

步骤2.确定预见期和余留期内的径流输入资料。在预见期内使用集合预报成果，采用多条径流过程曲线来描述径流。在余留期内可以直接使用历史同期的径流实测资料作为入库径流，以补全整个调度期的入库径流，由此可以使用随机性动态规划的方法进行求解。

预见期内使用集合预报成果，共生成m种径流情景，即

式中，为第j种预报入流情景时，第t时段的入流；

余留期内使用历史同期径流资料，共n种入流情景，即

式中，为第j种历史入流情景时，第t时段的入流；

步骤3.建立水库优化调度模型，使用抽样随机动态规划方法进行求解。

目标函数：

式中，e为蓄水期的总发电量，t为调度期总长度，nt为每天的发电出力，δt为24小时；

约束条件：

(1)水量平衡约束

vt+1＝vt+qt-rt，

式中，vt+1为时段末水库库容，vt为时段末水库库容，qt为时段的水库入流，rt为时段的水库出流；

(2)水位约束

式中，zt为时段内的最小允许水位，为时段内的最大允许水位，最大允许水位值能够满足防洪安全的要求；

(3)下泄流量

式中，rt为时段内的最小允许出流，为时段内的最大允许出流；

(4)出力约束

式中，nt为时段内的最小允许出力，为时段内的最大允许出力。

另外，在使用抽样随机动态规划方法求解时，具体求解细节如下：

(1)阶段变量：以天为调度时段，即t＝1,2,…,t；

(2)状态变量：将水库库容离散为l种情况，以各时段初水库库容和入流情景作为二维状态变量，即为第t时段初水库库容为第l种情况，表示第t时段的入流为第k种情景；

(3)决策变量：各种离散库容情况下、各种入流情景下，时段末的水库最佳库容；

(4)状态转移方程：vt+1＝vt+qt-rt，式中vt+1为时段末库容，vt为时段初库容，qt为该时段的入库流量，rt为该时段的出库流量；

(5)递推方程：

通过集合预报预见期长度将整个蓄水期分为预见期和余留期两个阶段，两个阶段间的递推方程(表示预见期的效益+余留期的效益期望值之和)为：

式中，为预见期初为第l种水库离散库容，发生第k种入流情景下的水库面临效益；p(j|k)为当预见期内发生第k种入流情景的前提下，在余留期内发生第j种入流情景的转移概率；为在余留期初为第l种水库离散库容时，发生第j种入流情景下的水库余留效益；为在预见期初(调度期初)为第l种水库离散库容时，在预见期内发生第k种入流情景下的调度期内最优总效益值。

在预见期和余留期内的计算(即、在预见期/余留期内部进行计算时)，均采用递推方程：

式中，为在阶段初为第l种水库离散库容，在阶段内发生第k种入流情景下的阶段最优总效益值；为计算时段初为第l种水库离散库容，在时段内发生第k种入流情景时，做出调度决策为rt时的面临效益；在计算时段末为第l种水库离散库容，在时段内发生第k种入流情景下的阶段余留效益值。

特别说明的是p(j|k)的计算方法：

在进行抽样随机动态规划求解前，应该预先计算出p(j|k)转移概率矩阵：在这里根据历史径流资料进行计算，将预见期内径流进行加和得同时将余留期内径流进行加和得将预见期内和余留期内的径流之和分别进行排频计算，分别得到h种设计流量值，并据此将预见期、余留期整个径流范围分别划分为h个区间，使用统计的方法统计出从预见期内每种径流离散区间转移到余留期内每种径流离散区间的概率，最终得到如下p(j|k)转移概率矩阵：

在实时调度中，是根据集合预报所产生的的每一种径流情景所落入的离散区间，余留内每种历史径流所落入的离散区间，确定出每种预报径流情景下转移到余留期内每种径流情景的概率，代入计算。

步骤4：经过以上过程求解，可以得到对于面临阶段(即计算的第一时段，每一天就是一个调度时段)每一种水库库容，每一种入流情景下，对应的阶段末最佳水库库容，并以调度决策表(见表1)的形式进行记录，表中数据是按照从小到大的顺序顺次排列：

表1调度决策表

步骤5：实际入流情况发生时，根据当前实际的水库库容和实际入流情况，即当前水库库容v1以及当前调度期的第一时段入流q1，使用上表中的数据进行插值计算，求得该阶段末的水库库容，即这一时段的调度决策。

步骤6：对于整个蓄水期，从第一天至蓄水期末，逐天重复步骤1-5(如图2所示)，滚动更新获得每天的调度决策表，并指导每一天的实时调度。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的基于集合预报的水库实时蓄水调度方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。

在上述实施例中，采用了四种约束条件，但本方法并不限于此，还可以采用其它约束条件，例如：非负约束、水库的特征约束(水位-库容曲线、出流-下游水位、上游水位-最大出力)等。