本发明涉及水利工程管理和水电能源调度
技术领域：
，具体涉及一种计及河道度汛需求的水库协调调度策略获取方法。
背景技术：
：我国经济形势逐渐进入常态化，社会年用电量增长趋势放缓，但峰谷差却逐年拉大。随着风电和光电等新能源的接入规模不断扩大，电网对具有调峰能力特点的电力资源的需求度和依赖度更高。水电作为一种绿色能源，具有响应快、运行成本低廉等特点，同时也是理想的调峰电源，充分发挥水电优良调节性能对缓解电网调峰与环境压力意义重大。水电站执行电网调峰、调频等任务时，发电流量急涨急落，水库出库流量的不平稳容易引起下游河道断面流量的较大波动，若河道沿程分布有居民生活或生产作业点，河道度汛形势将进一步加剧。为缓解甚至消除水电站调峰不稳定流对下游河道度汛的不利影响，往往在其下游兴建具备一定调节性能的水库。由于电网调峰资源愈发紧缺，所建调节性能较差的水库有时也承担着电网调峰调频作用。一般来说，所建水库的调节库容有限，致使其库水位的升降速度也较快，为规避水库漫坝或者拉空风险，必须频繁动用水库闸门进行调节，但实验表明，水库闸门若长期处于运行压力大的状态，会加速机械设备的磨损及金属结构的疲劳，进而影响泄洪消能防冲建筑物的安全稳定运行。因此，在保证水电站水库工程自身运行与调度安全的前提下，如何协调其调峰能力与稳流功能，是目前理论研究和实际调度工作中亟需解决的问题之一。专利文献cn102817335a公开了一种梯级水库群联合防洪优化调度的方法及系统。该发明可动态判断洪水的级别并在此基础上实现分级调度，同时,在分级调度中根据水库的调节性能、所处调度时期、预报来水的可靠性等综合信息,选取恰当的优化调度目标实现保护下游防护对象和大坝安全及洪水资源化的要求。专利文献cn105869065a公开了一种协调水电站汛期防洪风险与发电效益的调度方法。该发明考虑水文预报信息及其不确定性影响建立了水电站汛期双目标两阶段优化调度模型,充分利用水文预报信息并依据模型求解结果进行汛期调度,实现发电和防洪综合效益的最大化。上述两项发明虽在主要目标问题和关键技术方法等方面存在差异，但在考虑下游河道的度汛需求时，均将控制站的最大流量或者最高水位作为衡量度汛形势是否安全的关键指标，但没有将下游河道度的汛指标纳入发明权限。专利文献cn106327022a公开了一种稳定梯级水电站发电流量波动的方法及装置。该发明在获取预测入库流量、日负荷预测曲线、优化目标以及峰荷比的基础上，在满足水电站运行约束、水位变幅约束、流量波动的约束下,实现了调峰效益的最大化，同时应用滑动平均滤波方法来平抑调峰出力的流量脉动，提高了出库流量的平稳性。该发明细化考虑了下游河道的度汛指标，但没有将实施河道泄洪预警、缓解闸门运行压力等配套措施纳入发明权限，若加以考虑，应用将更丰富。技术实现要素：本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种计及河道度汛需求的水库协调调度策略获取方法，能够为改善出库流量水流形态，促进河道度汛安全管理提供技术支撑方案。本发明提供了一种计及河道度汛需求的水库协调调度策略获取方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，获取当日水库入库径流预报值、当日末库水位预期控制值、当日水电站发电调令出力过程；第二步，计及下游河道分级度汛需求，构建计及河道度汛需求的水库协调调度模型；第三步，在目标函数基础上，集成协调水库协调调度模型中的各项约束条件；第四步，利用动态规划法对所建的水库协调调度模型进行求解；第五步，从水库调度安全及下游河道度汛安全两方面，提出关键性指标，构建适用于协调调度模型特点的安全评价指标体系，对所第四步计算得到的调度策略的安全性进行综合评价及反馈；若不满足前述安全评价指标要求，则返回第二步，调整水库协调调度模型的参数并重新计算，直至计算得到的调度策略安全性满足前述安全评价指标要求。上述技术方案中，所述的目标函数为：式中：fabs(·)为绝对值函数；qout,t为水库在时段t的出库流量；qout,t-1为水库在时段t-1的出库流量；t为调度期；λt为水库在时段t的河道度汛预警需求系数。其中，需求系数λt的分级获取方式为：式中：set{indices}为所选指标集合；fi(·)为第i级基础流量对应的预警判别方式；λi(i＝1,2,…,n)为设定常数；set{indices}和fi(·)的具体表达方式结合工程实际特点确定。上述技术方案中，所述约束条件包括：a.水量平衡约束vt+1＝vt+(it-qpower,t-qab,t)δt(3)式中：vt、vt+1分别为水库在t时段的初、末库容；it、qpower,t、qab,t分别为水库在t时段的入库流量、发电流量和溢弃流量；δt为时段长；b.水位约束zt,min≤zt≤zt,max(4)式中：zt、zt,min、zt,max分别为水库在时段t允许的水位、最低水位、最高水位。c.下泄流量约束qt,min≤qpower,t+qab,t≤qt,max(5)式中：qt,min、qt,max分别为水库在时段t的下泄流量下限、下泄流量上限；d.初末水位控制z0＝z初,zt＝z末(6)式中：z0、zt分别为水库的调度期初、末水位；z初，z末分别为给定的当日初、末水位值。上述技术方案中，第四步包括以下步骤：s1：划分阶段并确定阶段变量，将水库调度期(一日)按15分钟为时段划分为96个阶段，将其看成是一个多阶段决策问题，以t代表阶段变量(t＝1～t)；则t为面临时段，t+1～t为余留时期；s2：确定状态变量，选取水库库容为状态变量，记vt-1为第t时段初的水库库容，vt为第t时段末的水库库容；s3：确定决策变量，选取水库出库流量qout,t＝qpower,t+qab,t为决策变量；s4：确定状态转移方程，即水量平衡方程，式(3)；s5：确定阶段指标，即各阶段的河道度汛预警需求系数λt与水库出库流量变幅δqout的乘积；s6：确定最优值函数，即ft*(vt-1)，表示从第t阶段初库容为vt-1出发，到第t个时段的最优弃水变幅之和，可得动态规划的逆时序递推方程为：式中：vt-1m1表示第t时段初离散点取为m1时的库容值，vtm2表示第t时段末(t+1时段初)离散点取为m2时的库容值，且m1＝0,1,…,m；m2＝0,1,…,m；m为库容离散点数；ft*(vt-1m1)表示从第t时段初库容为vt-1m1出发到第t时段的最优弃水变幅之和；f*t+1(vtm2)表示从第t+1时段初库容为vtm2出发到第t时段的最优弃水变幅之和；ωt为决策变量，表示出库流量qt在库容vt-1已给定时满足水电站水库各项约束的决策集合；s7：逆时序递推计算，根据式(7)，从最后一个阶段(阶段t)出发向前逐时段递推至第一个阶段，求出在满足相关约束条件下水库在整个调度期各时段目标函数最小的逆时序过程；s8：顺时序递推计算，求最优值所对应的出库流量过程的最优策略{qt}及相应的水库库容最优状态点值{vt}。上述技术方案中，需求系数的获取方式为：当溢弃流量变幅在河道度汛需求范围内时，无需发布预警信息，此时需求系数λ为1，调度目标为追求出库流量过程的平稳；当调度策略突破了溢弃流量变幅预警要求时，启动预警程序，将溢弃流量变幅大小作为需求系数大小；需求系数越大，表明溢弃流量变幅越大，对下游河道度汛形势越不利，因而对实施预警的需求也越高，相应调度工作承受的压力也会增大，在进行寻优决策时，予以规避。上述技术方案中，第五步中的关键性指标包括：库水位越预警水位上限次数、库水位越预警水位下限次数、库水位日变幅、河道度汛预警次数、水库闸门运行压力。上述技术方案中，第五步中所述的安全评价指标体系如下表所示：表1为水库调度策略安全性评价指标简表其中，优先级从上到下依次递减。本发明提供了一种计及河道度汛需求的水库协调调度策略获取方法。该方法针对水库调度中存在的大坝运行安全与下游河道度汛需求协调难的实际工程问题，根据实际调度预警工作要求，提出了以河道度汛预警需求系数为关键技术的处理方式，构建了计及河道度汛需求的水库协调调度模型，并给出了利用动态规划法求解模型的详细过程。在此基础上，根据本发明方法获取调度策略的特点，从水库调度安全及下游河道度汛安全两方面构建了安全评价指标体系，可实现对调度策略安全性进行综合评价及决策反馈的目的。更重要的是，该方法以水库调度规程、水电站发电计划审批流程等为计算依据，使其技术更加成熟可靠、应用前景更加广阔。附图说明图1为本发明的整体设计流程图；图2为利用动态规划法对所建水库协调调度模型进行求解的寻优过程示意图；图3为具体实施方式中水库a不利工况一的出力、入库流量、发电流量过程；图4为具体实施方式中水库a不利工况一的库水位过程；图5为具体实施方式中水库a不利工况一的出库流量、溢弃流量过程；图6为具体实施方式中水库a不利工况二的负荷调令示意图；图7为具体实施方式中水库a不利工况二的入库流量、出库流量过程；图8为具体实施方式中水库a不利工况二的发电流量、溢弃流量过程；图9为具体实施方式中水库a不利工况二的库水位过程；图10为具体实施方式中水库a不利工况三的出力、入库流量、发电流量过程；图11为具体实施方式中水库a不利工况三的出库流量、溢弃流量过程；图12为具体实施方式中水库a不利工况三的库水位过程。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。如图1所示，本发明提供了一种计及河道度汛需求的水库协调调度策略获取方法。以我国四川某水库a为例，获取其计及河道度汛需求的协调调度策略。分别选取水库a日常调度中出现的三种不利典型工况进行方法应用。具体实施方式如下：步骤1，获取当日入库径流预报值、当日初水位及末库水位预期控制值、当日水电站发电调令出力过程等数据(图1中显示的发电调令、预报来水、区间入流)。其中，水位控制如表2所示。不利工况初水位控制(m)末水位控制(m)备注工况一1012.581012.23自然因素不利工况二1012.871013.39负荷因素不利工况三1013.011013.42综合因素不利表2为三种不利工况调度期初末水位控制步骤2，计及下游河道分级度汛需求，构建计及河道度汛需求的水库a协调调度模型。本发明计及了水库调度需求，包括库水位越限、库水位变幅、电站调峰运行，以及河道度汛需求，包括水库的出库流量变幅和河道度汛预警机制。有关目标函数中需求系数λt的确定依据如下：当地防汛抗旱部门发布了有关水库a泄洪预警的指导文件，其指出，“鉴于水库a调节能力弱，泄洪闸门启闭频繁，采用基础流量和增减流量变化数据，作为预警指标”。具体为：当基础流量小于1000m3/s，启闭泄洪闸门流量增减幅度超过400m3/s；基础流量等于或大于1000m3/s小于2000m3/s，启闭泄洪闸门流量增减幅度超过600m3/s；基础流量等于或大于2000小于4000m3/s，启闭泄洪闸门流量增减幅度超过1000m3/s；基础流量等于或大于4000m3/s，启闭泄洪闸门流量增减幅度超过1500m3/s，需实施预警，并组织沿江巡查。因而，协调调度模型的目标函数为：其中，式中各变量表征含义如前所述。步骤3，在目标函数基础上，集成协调调度模型中的各项约束条件，包括：水量平衡约束、水位约束、下泄流量约束、初末水位控制。步骤4，利用本发明所述动态规划法进行求解，获取水库a各工况的调度策略。寻优过程如图2所示(图中横坐标为时段数，纵坐标为水库库容)。具体步骤包括具体包含s1～s8共8个步骤，式(7)为阶段寻优过程中的关键公式。不利工况一(自然因素不利)的调度策略如图3～图5所示，包含出力过程、出库流量过程、发电流量过程、溢弃流量过程、库水位变化过程。不利工况二(负荷因素不利)的调度策略如图6～图9所示，包含出力过程、出库流量过程、发电流量过程、溢弃流量过程、库水位变化过程。不利工况三(综合因素不利)的调度策略如图10～图12所示，包含出力过程、出库流量过程、发电流量过程、溢弃流量过程、库水位变化过程。步骤5，从水库调度安全及下游河道度汛安全两方面，构建适用于安全评价指标体系，对上述获取的三种不利工况调度策略的安全性进行综合评价及反馈。各项指标的量化依据如下：指标一：库水位越预警水位上限次数。水库a正常蓄水位为1015.0m，在此基础上预留0.5m的安全裕度设置“预警水位上限”(即1014.5m)，当库水位越过该水位时，需进行预警，规避水库漫坝风险。指标二：库水位越预警水位下限次数。水库a死水位为1010.0m，在此基础上预留1.0m的安全裕度设置“预警水位下限”(即1011.0m)，当库水位低于该水位时，需进行预警，规避水库拉空风险。指标三：库水位日变幅。《水库a调度规程》规定，水库a库水位日变幅不宜大于3.0m/d(日变幅安全阈值)，超出该阈值，需进行预警，规避库岸边坡不稳定风险。指标四：考虑水库a下游河道度汛安全，依据前述水库a泄洪预警指导文件规定，当基础流量和增减流量数值超出预警阈值时，需进行预警，规避水库下游生命和财产损失风险。指标五：水库闸门运行压力。针对水库a调度特点，采取如下方式(详见表3)对水库闸门运行压力进行量化。表3为桐子林水库闸门运行压力量化方式应用效果分析：对本发明的应用效果进行分析，各项安全评价指标如表4所示。可以看出，相比于实际调度工况，本发明对改善不利影响显著。进一步对三种不利典型工况进行详细分析：表1为本发明应用效果(1)不利工况一图3显示了当日入库流量和全厂出力过程，以及实际运行和本发明方法的水库a发电流量过程。水情日志显示，当日为中到大雨、局部有暴雨，因而入库流量较大(平均入库流量为2560m3/s)。可以看出：当日水电站的出力过程波动性较大，两种工况的发电流量过程线基本一致，且均随着出力过程的不均匀呈现了一定的锯齿状。图4给出了当日实际运行工况和应用本发明方法调度后的水库a库水位过程。可以看出：①受来水较大影响，实际工况中水库水位运行范围为1011.9～1014.4m。分析当日库水位变化特点，0:00～08:45时段，库水位慢慢下降，由于9:00～9:45时段水电站未发电，库水位上升特点明显，此后时间里一直保持在较高水平运行，且在21:00～22:45时段里库水位(1014.3～1014.4m)逼近1014.5m预警水位上限。②本发明方法调度下，库水位运行范围为1011.1～1012.5m。0:00～08:45时段，库水位走向特点与实际工况一致(均下降)，此后时间里库水位依然缓慢下降，在18:45达到当日库水位最低值1011.1m，随后慢慢回升，在当日调度期末与实际工况库水位保持相同水平。本发明方法的发电流量过程与实际工况基本保持一致，但是二者的库水位过程却存在明显差异。因而，需进一步分析二者的溢弃流量过程，详见图5。可以看出：9:00～9:45时段，在机组发电流量为0的时候，本发明方法加大了溢弃流量，此为应用本发明方法调度后库水位变化特点与实际工况相反的原因。表5为本发明与实际工况调度结果统计分析(不利工况一)表5为调度过程的统计指标值，其中变异系数等于标准差除以均值，统计学中，其值越大，表征数据序列离散度越大，此处用于表征过程波动性越大。可以看出：①本发明和实际工况发电流量过程的波动性差异不大，且与当日出力过程的波动性基本一致。②与实际工况相比，本发明通过对溢弃流量的调节，显著提高了出库流量过程的平稳性；入库时，流量过程变异系数为0.08，经水库调节后，出库时流量过程的变异系数降至0.01。上述分析表明，在保证当日发电任务顺利完成的基础上，与实际工况相比，本发明通过对水库闸门的调用，较好地发挥了水库a的调节作用，有效改善了水库出库流量的水流形态，提高了下游河道度汛的安全性。(2)不利工况二图6为当日负荷调令过程，一共下达了14次负荷调令，负荷率为36％。图7为当日入库流量及出库流量过程，与实际工况相比，本发明一定程度上提高了水库出库流量过程的稳定性。进一步分析当日发电流量和溢弃流量的分配过程，如图8所示。发电流量过程方面，本发明与实际工况二者过程线的形状相似、吻合度较高；溢弃流量过程方面，两种运行方式均有较大幅度的波动，需结合统计数据作对比分析。在水库调度安全性方面，图9给出了本发明和实际工况的桐子林水库库水位变化过程。实际运行中，14:00～15:45时段里，库水位(1014.48～1014.54m)逼近甚至突破预警水位上限运行，调度工作较为紧张；对于本发明所提方法，其库水位未突破预警水位上下限，一定程度上释放了当日水库调度工作的压力。表6为本发明与实际工况调度结果统计分析(不利工况二)表6为两种调度过程的统计指标值，可以看出：①本发明和实际工况发电流量过程的波动性均较大，二者与当日出力过程的波动性基本保持一致。②与实际工况相比，本发明运用闸门操作降低了溢弃流量过程的波动性，进而降低了出库流量的波动性。③与入库时流量过程波动性(变异系数为0.16)相比，运用本发明方法调度后，其出库时流量过程的变异系数降至0.09，发挥了水库对入库径流的调蓄作用。上述分析表明，在当日负荷过程发生临时变动的情形下，实际运行工况对水库及下游河道均产生了不同程度的不利影响，本发明制定的调度策略一方面提高了水库调度的安全性，另一方面改善了水库出库流量的水流形态，保障了下游河道的度汛安全。(3)不利工况三表7为当日本发明和实际工况两种运行方式调度过程的数据统计值，图10和图11显示了两种运行方式的发电流量、溢弃流量以及出库流量过程，图12显示了两种运行方式的库水位变化过程。综合图表进行分析：表7为本发明与实际工况调度结果统计分析(不利工况三)通过表7显示的本发明与实际工况的调度结果对比可以看出：①当日平均入库流量为4178m3/s(来水量级较大，过程稳定性较高)，水电站机组在2:00～6:45时段里停机，负荷率为58％。②本发明制定的调度策略保证了出库流量的平稳性，河道度汛预警次数由实际发生的5次降为0次，大大提高了河道度汛的安全性。③实际运行中，7:00～7:45(库水位1014.48m)和22:00～22:45(库水位1014.57m)时段里，库水位逼近甚至突破预警水位上限运行；本发明一定程度上舒缓了这种紧张态势，为库水位的合理控制提供了空间。上述分析表明，本发明在当日发挥了积极作用。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。当前第1页12