一种通用化的梯级水库群联合调度系统的制作方法

本发明涉及水库运行调度及水利信息化研究领域，具体是一种通用化的梯级水库群联合调度系统。

背景技术：

长江上游骨干型水库承担着流域兴利除害任务，汛期通过合理运用防洪库容拦蓄洪水以确保下游安全，枯期则利用兴利库容逐步降低水库水位为下游补水。然而，水库群的运行导致河道内天然径流过程发生了极大地改变，原天然状态下的历史径流资料不能准确反映经大规模水库群调蓄后流域真实径流特征，已不能满足当前防洪、蓄水、供水等任务对水文资料的需求，为此亟需提出以库群联合调度理论为指导的通用化径流和洪水还现方法。此外，随着长江上游水库群的逐步建成投运，混联水库系统规模不断扩大，传统通过固定水库对象方式设计的库群联合调度系统灵活性较差，无法对梯级拓扑结构及模型算法进行拓展，不能有效适应流域水库不断投产的要求，在容纳及处理水库运行资料和调度数据方面的能力有限，难以实现任意流域、河流、水库的径流和洪水还现。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提出一种满足梯级水库联合调度及径流还现需求，具备扩展、升级功能，可快速、标准、批量化地导入及处理水库运行资料的通用化梯级水库群联合调度系统，为水文工作者探究水库调度运行对干支流水文站流量资料的影响规律提供技术支持。

一种通用化的梯级水库群联合调度系统，其特征在于：所述调度系统在综合考虑各类水库运行条件和规则的基础上，运用gis技术建立可视化的水库群网络拓扑结构，通过人工交互的方式录入水库基础信息，实现通用化水库群发电调度和通用化水库群防洪调度功能，其中通用化水库群发电调度具体为：

(4-1)获取指定流域中的最高级别水库编号，规定干流级别高于其支流级别，下游水库级别高于上游水库，假定k为最高级别河流，m为河流k上的最高级别水库，则(k,m)即为流域最高级别水库编号，设rev代表河流号，res代表水库号，令rev＝k，res＝1；

(4-2)从河流rev的最上游水库(rev,1)开始计算；

(4-3)计算水库入库径流。最上游水库的入库即为还原径流，非最上游水库依据下式计算；

式中，ik,m分别表示水库(k,m)的还原和还现径流；ik,m、ok,m-1分别表示水库(k,m)的入库流量和水库(k,m-1)的出库流量；qk,m表示水库(k,m-1)和(k,m)的区间入流；

式中，分别表示水库(ki,ni)入库和出库流量；ki表示汇入水库(k,m)的支流编号；(ki,ni)表示支流ki上最后一级水库；

(4-4)根据常规调度模块计算水库(rev,res)出库过程，并令水库res＝res+1；

(4-5)判断是否满足“rev＝k且res＝m+1”，若是，则已计算至最高级别水库(k,m)，结束；若否，进入下一步；

(4-6)判断是否满足“rev＝ki且res＝ni+1”，若是，则已计算完支流ki上最后一级水库(ki,ni)，转回前一级河流计算，转入步骤(4-3)；若否，进入下一步；

(4-7)判断下一级水库是否有支流入库，若无，转步骤(4-4)；若有，进入下一步；

(4-8)获取该支流编号ki及该支流上所有ni级水库信息，令

rev＝ki以及res＝1，转入步骤(4-2)；

通用化水库群防洪调度是针对不同类型的电站，系统采取不同的调度方式进行水库防洪调度，实现水库群的通用化防洪调度。

进一步的，通用化水库群防洪调度具体为：

(5-1)无下游防洪任务电站

①径流式电站

输入条件：无

调度方式：当来水小于电站下泄能力时，电站按照出入库平衡控制，水库维持正常蓄水位；当来水大于电站过流能力时，电站按照最大泄流能力控制，水库被动抬高运行水位，然后逐渐回到正常蓄水位；

②非径流式电站

输入条件：发电调度图

调度方式：当来水小于电站下泄能力时，电站按照发电调度图运行，控制末水位不超过正常蓄水位，若无发电调度图，则电站按照保证出力蓄至正常蓄水位，然后按出入库平衡控制；当来水大于电站过流能力，电站按照发电调度图蓄水，若无发电调度图，按保证出力蓄水，若水库水位超过正常蓄水位，则电站按照最大泄流能力控制被动抬高运行水位；

(5-2)有下游防洪任务电站

①固定下泄量方式

输入条件：不同洪水标准下的防洪安全下泄流量

调度方式：当来水小于防洪安全下泄流量时，电站按照入库平衡控制，保持汛限水位运行；当来水大于防洪安全下泄流量时，电站按照当前洪水下的安全下泄流量或拦蓄流量控泄，同时保证时段末水位不超过防洪高水位；若当前运行水位达到防洪高水位，电站按照泄流能力敞泄确保大坝安全；退水阶段，迅速腾空库容；

②补偿调度方式

输入条件：防洪控制点控制流量或水位

调度方式：根据当前水库来水和下游区间来水，判断补偿调度启

用条件，若不具备补偿调度条件，则电站按照入库平衡控制，保持汛限水位运行；否则，电站根据防洪控制点控制流量或水位和下游区间拉水反推下泄流量，同时保证时段末水位不超过防洪高水位；若当前运行水位达到防洪高水位，电站按照泄流能力敞泄确保大坝安全；若当前调度对象为补偿调节水库，则先按出入库平衡控制，同时标记水库状态、补偿控制点和可用防洪库容，然后进行其他水库的防洪调度：若当前调度对象为防洪控制点，根据入流判断是否需要进行调蓄，若是则搜索所有补偿控制点为当前控制点的水库，结合各水库可用防洪库容进行比例拦蓄。

进一步的，所述调度系统采用客户端/服务器结构模式设计，主要包括表示层、业务层和数据层，所述表示层包括流域管理功能模块、径流还现功能模块、洪水还现功能模块，业务层包括流域信息配置模块、通用发电调度计算模块、通用防洪调度计算模块，数据层包括流域信息文件输入输出模块、统一数据库操作模块。

进一步的，所述调度系统依托表示层、业务层和数据层实现流域管理、径流还现和洪水还现三大功能，

其中流域管理功能具体实现过程为：

通过表示层的流域管理功能模块实现用户与系统在流域拓扑结构配置、流域电站信息录入的人机交互功能，并通过业务层中的流域信息配置模块，将交互信息配置为后台的通用流域、水库、河流的类库，并通过数据层中的流域信息文件输入输出模块运用序列化程序将相关信息存储为dat文件；流域管理功能模块还通过流域信息配置模块、流域信息文件输入输出模块将外部已配置好的流域信息dat文件反序列化,并以可视化的形式展示给用户；其中，流域信息文件输入输出模块”通过数据层统一数据库操作模块实现外部dat文件和数据库数据的交互功能，实现系统的保障系统在线、离线均能正常运行；

径流还现功能具体实现过程为：

表示层的径流还现功能模块通过嵌入式调用流域管理功能模块以gis可视化的形式提供用户选择参与计算电站的功能，还提供还现计算所需的模型边界条件、水库调度图等输入参数的可视化交互功能，并将交互信息传递给业务层的通用发电调度模块，通用发电调度模块根据输入的电站信息、模型边界信息自匹配合理的发电调度方式并进行径流还现业务计算，计算完成后将结果返回径流还现功能模块，通用发电调度模块通过统一数据库操作模块与嵌入式derby数据库进行数据交互；

洪水还现功能具体实现过程为：

表示层的洪水还现功能模块通过嵌入式调用流域管理功能模块以gis可视化的形式提供用户选择参与计算电站的功能，还提供洪水还现计算所需的模型边界条件、防洪调度方式等输入参数的可视化交互功能，并将交互信息传递给业务层的通用防洪调度模块，通用防洪调度模块根据输入的电站信息、模型边界信息自匹配合理的防洪调度方式并进行洪水还现业务计算，计算完成后将结果返回洪水还现功能模块，通用防洪调度模块通过统一数据库操作模块与嵌入式derby数据库进行数据交互。

本发明采用面向服务的体系结构，构建基于模型-视图-控制器(mvc)的三层模式系统，通过设计通用化的水库调度类库以及开发功能完备的组态控件，实现流域水电站群的自定义、快速添加，提高系统的可扩展性，针对流域、河流、水库的径流和洪水还现业务需求，提出的通用化的梯级水库群联合调度系统内置流量演算功能，可根据梯级水库调度规则，通过流域水库逐级常规调度，快速有效地实现不同调度情景下任意流域任意水库的径流还现计算，通过构建长江中上游水库群通用化调度系统，实现梯级水库群通用化调度演算功能。

附图说明

图1是本发明通用化的梯级水库群联合调度系统的框架结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明设计一种通用化的梯级水库群联合调度系统，在综合考虑各类水库运行条件和规则的基础上，运用gis技术，建立可视化的水库群网络拓扑结构，通过人工交互的方式录入水库基础信息，实现水库群发电调度和防洪调度的通用化功能。

具体技术方案如下：

步骤一：设计系统总体框架

系统软件采用c/s(client/server，即客户端/服务器)结构模式设计，服务器采用高性能工作站，处理重要数据服务以及用户大规模计算任务；客户端为普通pc机或便携机设备，处理相关的作业任务，丰富用户体验。相比b/s结构模式，c/s更有利于组态功能的实现，并能够充分调用客户机运算能力，减少网络数据与服务器计算压力，显著地提升用户体验。系统采用典型的mvc(modelviewcontroller)结构设计，实现业务逻辑与数据显示的分离。所述调度系统主要包括表示层、业务层和数据层。

①表示层

表示层基于javafx2.0设计，旨在丰富图形界面显示，提升用户体验指数，将工程应用以丰富多彩的形式展现给用户，使用户能够形象地理解系统所建议的工程应用方案。

②业务层

业务层包括基础信息查询与工程应用计算，基础信息查询业务处理相关信息的查询更新事务，工程应用则处理水电站曲线查询、电站调度过程模拟、河道水流传递计算等模型计算事务。模型计算与界面交互统一使用spring管理，采用依赖注入与控制反转的方式，有效降低模型与用户操作事务之间的耦合度，提升应用程序的组建速度。在业务逻辑与服务方面，系统采用面向切面的编程技术，使两者有效地分离开来，提高内聚性，使系统验证服务具有即插即用式的特点。在此基础上，运用分布式远程数据通信技术，实现远端业务计算服务，将原本在客户端执行的业务操作转移到服务端，缓解客户端大规模数据计算的压力。

③数据层

系统数据服务采用jpa(javapersistenceapi)框架进行构建。该框架对jdbc进行了非常轻量级的对象封装，通过面向对象而非面向数据库的查询语言查询数据，避免程序的sql语句紧密耦合。并运用数据库连接池技术分配、管理和释放数据库连接，使得应用程序重能够复使用一个现有的数据库连接，而再不是重新建立一个；释放空闲时间超过最大空闲时间的数据库连接来避免因为没有释放数据库连接而引起的数据库连接遗漏，从而显著地提高数据库操作执行的效率。在此基础上，运用分布式远程数据通信技术，将数据服务与用户软件分离开来，提高了数据操作的安全性，保证数据库的一致性，实现数据库的统一管理。

步骤二：基于gis的水库群网络拓扑综合管理

系统软件的流域管理功能模块采用gis技术，系统中流域、水库、水文站点能够进行可视化展示，直观反映水库与水库、水库与河网之间的拓扑关系，并具备良好的人工交互功能。该模块包含功能菜单区、信息区以及辅助按钮区。

①功能菜单区

由地图—电站—断点三个选项卡组成，每个选项卡中有相应的操作按钮。地图选项卡中有“移动”、“放大”、“缩小”操作按钮，实现地图的拖拽、方法和缩小等功能；电站选项卡中有“选择”、“查看”、“添加”、“删除”操作按钮，实现水库的选择、信息查看、添加和删除等功能；断点选项卡中有“选择”、“添加”、“删除”操作按钮，实现断点的选择、添加和删除等功能。

②信息区

当菜单栏选项卡选中地图时，信息区展示gis界面中的图层信息，可通过信息区中图层的勾选来控制界面中图层的展示；当菜单栏选项卡选中电站时，信息区展示选中电站的信息，包括基本属性、约束条件、曲线录入。

③辅助按钮区

实现gis图层的翻转，放大，缩小，移动等功能，辅助界面操作。另外，当鼠标移至电站或者河流的位置时，会出现小弹框提示。

步骤三：基于gis的水库群基础信息录入

通过在地图上点选目标水库，在流域管理功能模块的信息区实现水库群基础信息的录入，包括水库基本类、水库曲线类和调度规程类基础信息。

(3-1)水库基本类

电站基本信息：名称、编号、所属流域、下游电站等；电站特征参数：正常蓄水位、死水位、汛限水位、装机容量、机组台数；电站的其他参数：是否考虑水头损失、出力计算方式、k值；电站历史数据：历史径流数据、历史运行水位数据、历史出库流量数据、历史出力数据等。

(3-2)水库曲线类

水库曲线类主要包括：水位库容曲线、下泄流量下游水位曲线、入库流量水头损失曲线、水头预想出力曲线、机组nhq曲线、机组过机流量水头损失等各类曲线。

(3-3)调度规程类

调度规程类的主要属性包括：最高水位、最低水位、最大下泄流量、最小下泄流量、最大出力、最小出力、最大日变幅、水头约束等。在通用调度规程类的基础上，根据业务计算的需求不同，还衍生出两个子类：径流调度规程子类和洪水调度规则子类。

(3-3-1)径流调度规则子类

根据各类水库的调度规程，可将水库的径流调度规则归类为调度图控制和控制模式控制两种，在水库无特殊要求时按调度图运行，当水库需满足特定的控制方式时，则按照控制模式运行。

①水库调度图类

调度图是径流调度规则的核心，在没有其他特定调度规则的前提下，水库按照调度图运行。

②水库控制模式

在有特定水库控制需求的时段，还需用特定的控制模式规程来控制水库的运行过程，在控制模式和水库调度图有冲突的情况，应以控制模式优先级更高。

(3-3-2)洪水调度规则子类

为确保大坝枢纽和下游防护区的安全，水库汛期通常按照防洪调度方式运行，发电和航运等兴利运行都必须服从于防洪调度。根据下游防洪对象地理位置和水库运行特点，防洪调度可以分为常规调度和补偿调度，两种调度规则在步骤五中根据电站类型进行选择。

①常规调度规则

适用于无防护对象或下游防护对象区间来水较小的水库。通常情况下，相应的调度规则可以表示为：输入：洪水阶段-入库流量-运行水位；输出：下泄流量-拦蓄流量-水位边界。防洪调度规则中的洪水阶段和入库流量属性是必须的，下泄流量和拦蓄流量属性中二选一，运行水位和水位边界属性是可选的。

②补偿调度规则

适用于有防护对象或配合下游水库共同承担防洪任务的情况，此时水库根据防洪控制点的流量或水位控制下泄流量。防洪控制点包括水文站和下游水库，如溪洛渡水库根据李庄站流量进行补偿调度、溪洛渡水库配合三峡水库进行洪水调度和三峡水库根据沙市水位进行补偿调度。补偿调度在常规调度的基础上增加了防洪控制点的条件，因此，输入主要为控制点流量或水位属性，入库流量和运行水位属性可选；输出可以是控制点流量、控制点水位、下泄流量和拦蓄流量。考虑到水库可能对多个控制点实施补偿调度，补偿调度规则可以描述为：输入：优先级-洪水阶段-控制点流量-控制点水位-入库流量-运行水位；输出：控制点流量-控制点水位-下泄流量-拦蓄流量-水位边界。在进行补偿调度时，需要输入下游防洪对象的区间流量过程。若判断条件为控制点水位，则需要控制点所在断面的水位-流量关系。

步骤四：通用化水库群发电调度

在分析水库设计任务、不同时期调度规则、以及与水库调度方式有关的具体要求和规定的基础上，结合水库常规调度图，提出了出入库平衡控制模式、水位控制模式、流量控制模式、出力控制模式、调度图控制模式和混合控制模式6种控制方式进行不同调度期和不同来水情形下水库发电调度运行过程计算。在实现水库发电调度运行过程通用化模拟的基础上，系统的特色功能在于能对历史径流进行通用化还现计算。径流还现计算依据“先上游再下游”、“先支流再干流”的原则，首先通过上述常规调度模式推求水库出库流量过程，并根据水量平衡方程由上游水库的入库、出库流量及下游水库的还原流量推求下游水库的还现流量，实现水库群入库流量通用化还现计算功能。具体步骤如下：

(4-1)获取指定流域中的最高级别水库编号，规定干流级别高于其支流级别，下游水库级别高于上游水库。假定k为最高级别河流，m为河流k上的最高级别水库，则(k,m)即为流域最高级别水库编号。若rev代表河流号，res代表水库号，令rev＝k，res＝1，进入下一步；

(4-2)从河流rev的最上游水库(rev,1)开始计算；

(4-3)计算水库入库径流。最上游水库的入库即为还原径流，非最上游水库依据下式计算，进入下一步；

式中，ik,m分别表示水库(k,m)的还原和还现径流；ik,m、ok,m-1分别表示水库(k,m)的入库流量和水库(k,m-1)的出库流量；qk,m表示水库(k,m-1)和(k,m)的区间入流。

式中，分别表示水库(ki,ni)入库和出库流量；ki表示汇入水库(k,m)的支流编号；(ki,ni)表示支流ki上最后一级水库。

(4-4)根据常规调度模块计算水库(rev,res)出库过程，并令水库res＝res+1，进入下一步；

(4-5)判断是否满足“rev＝k且res＝m+1”，若是，则已计算至最高级别水库(k,m)，结束；若否，进入下一步；

(4-6)判断是否满足“rev＝ki且res＝ni+1”，若是，则已计算完支流ki上最后一级水库(ki,ni)，转回前一级河流计算，转入步骤(4-3)；若否，进入下一步；

(4-7)判断下一级水库是否有支流入库。若无，转步骤(4-4)；若有，进入下一步；

(4-8)获取该支流编号ki及该支流上所有ni级水库信息。令rev＝ki以及res＝1，转入步骤(4-2)。

步骤五：通用化水库群防洪调度

针对不同类型的电站，系统采取不同的调度方式进行水库防洪调度，实现水库群的通用化防洪调度。

(5-1)无下游防洪任务电站

①径流式电站

输入条件：无

调度方式：当来水小于电站下泄能力时，电站按照出入库平衡控制，水库维持正常蓄水位；当来水大于电站过流能力时，电站按照最大泄流能力控制，水库被动抬高运行水位，然后逐渐回到正常蓄水位。

②非径流式电站

输入条件：发电调度图

调度方式：当来水小于电站下泄能力时，电站按照发电调度图运行，控制末水位不超过正常蓄水位，若无发电调度图，则电站按照保证出力蓄至正常蓄水位，然后按出入库平衡控制；当来水大于电站过流能力，电站按照发电调度图蓄水，若无发电调度图，按保证出力蓄水，若水库水位超过正常蓄水位，则电站按照最大泄流能力控制被动抬高运行水位。

(5-2)有下游防洪任务电站

①固定下泄量方式

输入条件：不同洪水标准下的防洪安全下泄流量

调度方式：当来水小于防洪安全下泄流量时，电站按照入库平衡控制，保持汛限水位运行；当来水大于防洪安全下泄流量时，电站按照当前洪水下的安全下泄流量或拦蓄流量控泄，同时保证时段末水位不超过防洪高水位；若当前运行水位达到防洪高水位，电站按照泄流能力敞泄确保大坝安全；退水阶段，迅速腾空库容。

②补偿调度方式

输入条件：防洪控制点控制流量或水位

调度方式：根据当前水库来水和下游区间来水，判断补偿调度启用条件。若不具备补偿调度条件，则电站按照入库平衡控制，保持汛限水位运行；否则，电站根据防洪控制点控制流量或水位和下游区间拉水反推下泄流量，同时保证时段末水位不超过防洪高水位；若当前运行水位达到防洪高水位，电站按照泄流能力敞泄确保大坝安全。多个水库对相同控制点补偿调度时，若其他水库的下泄流量未知，则无法计算当前水库调蓄流量。因此，考虑将防洪控制点作为水库调度对象，在进行控制点调度时进行上游补偿水库的流量控制。若当前调度对象为补偿调节水库，则先按出入库平衡控制，同时标记水库状态、补偿控制点和可用防洪库容，然后进行其他水库的防洪调度：若当前调度对象为防洪控制点，根据入流判断是否需要进行调蓄，若是则搜索所有补偿控制点为当前控制点的水库，结合各水库可用防洪库容进行比例拦蓄。

图1所示为本发明通用化的梯级水库群联合调度系统的结构示意图，所述通用化的梯级水库群联合调度系统采用典型的mvc(modelviewcontroller)结构设计，实现业务逻辑与数据显示的分离。主要包含以下功能模块：

①表示层：包括流域管理功能模块、径流还现功能模块、洪水还现功能模块

②业务层：包括流域信息配置模块、通用发电调度计算模块、通用防洪调度计算模块。

③数据层：包括流域信息文件输入输出模块、统一数据库操作模块

依托上述松耦合的功能模块，实现流域管理、径流还现和洪水还现三大功能。

(1)流域管理功能

通过表示层的“流域管理功能模块”实现用户与系统在流域拓扑结构配置、流域电站信息录入的人机交互功能，并通过业务层中的“流域信息配置模块”，将交互信息配置为后台的通用流域、水库、河流的类库，并通过数据层中的“流域信息文件输入输出模块”运用序列化程序将相关信息存储为dat文件。此外，“流域管理功能模块”还可以通过流域信息配置模块、流域信息文件输入输出模块将外部已配置好的流域信息dat文件反序列化,并以可视化的形式展示给用户。其中，“流域信息文件输入输出模块”可通过数据层中“统一数据库操作模块”实现外部dat文件和数据库数据的交互功能，实现系统的保障系统在线、离线均能正常运行。

(2)径流还现功能

表示层“径流还现功能模块”通过嵌入式调用“流域管理功能模块”以gis可视化的形式提供用户选择参与计算电站的功能，此外，还提供还现计算所需的模型边界条件、水库调度图等输入参数的可视化交互功能，并将交互信息传递给业务层的“通用发电调度模块”，该模块根据输入的电站信息、模型边界信息自匹配合理的发电调度方式并进行径流还现业务计算，计算完成后将结果返回“径流还现功能模块”，“通用发电调度模块”可通过“统一数据库操作模块”与嵌入式derby数据库进行数据交互。

(3)洪水还现功能

表示层“洪水还现功能模块”通过嵌入式调用“流域管理功能模块”以gis可视化的形式提供用户选择参与计算电站的功能，此外，还提供洪水还现计算所需的模型边界条件、防洪调度方式等输入参数的可视化交互功能，并将交互信息传递给业务层的“通用防洪调度模块”，该模块根据输入的电站信息、模型边界信息自匹配合理的防洪调度方式并进行洪水还现业务计算，计算完成后将结果返回“洪水还现功能模块”，“通用防洪调度模块”可通过“统一数据库操作模块”与嵌入式derby数据库进行数据交互。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。