一种考虑径流不确定性的多年调节水库优化调度方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及水库发电优化调度领域，更具体的说，是涉及一种考虑径流不确定性 的多年调节水库优化调度方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会经济的发展，水资源对于各行各业而言作为一种越来越重要的资源，水 库调度作为一种有效地水资源管理方法，其优化调度显得尤为重要。大型多年调节水库的 多目标优化调度对梯级效益的实现起到决定性作用，也是保证水库长期正常运行的关键。
[0003] 目前对于多年调节水库多目标优化调度的研究较少，主要是以起调水位、电力市 场环境、分时电价、历史调度规律以及水库发电量和蓄能的关系等因素，来建立多年调节水 库水电站长期优化调度模型，从而得出多年调节水库年末消落水位的控制规则。以上研究 主要集中在基于年径流输入的单目标多年调节水库年末消落水位研究，忽略了年际间径流 的相关性和不确定性及水库多用水需求对多年调节水库调度的影响，造成计算不精确，调 度不合理等现象。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提出了一种耦合了年际间径流不确 定性和多用水需求的多年调节水库优化调度方法，可以实现在考虑径流不确定性下对多年 调节水库长期多目标运行综合效益最大化的调度，适于在我国多年调节水库长期优化调度 中推广。
[0005] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006] -种考虑径流不确定性的多年调节水库优化调度方法，包括以下步骤：
[0007] (1)根据水库历史入库径流资料，对水库历史年径流量和水库调节库容进行分析 对比，得到多年调节水库的调度周期，采用设计代表年法计算得到水库设计典型年入库径 流量、年内分配比例及设计多年入库径流量；
[0008] (2)根据水库历史入库径流资料，建立径流随机模拟模型，生成水库模拟年径流序 列；
[0009] (3)以步骤1中所得的设计多年入库径流量为界限，对步骤2所得的水库模拟年径 流序列进行分类，并将分类结果按步骤1所得的年内分配比例进行年内分配，从而得到包 含以月为尺度的多年入库径流过程序列；
[0010] (4)建立多年调节水库考虑多用水需求的优化调度模型；
[0011] (5)将由步骤3所得的以月为尺度的多年入库径流过程序列、电站、各用水户需水 情况作为步骤4所建立优化调度模型的输入变量，采用优化算法降维并优化求解模型，从 而得到最优的下泄和供水决策。
[0012] 步骤（2)中所述的径流随机模拟模型采用自回归模型、滑动平均模型或自回归滑 动平均模型其中的一种。
[0013] 步骤（4)中所建立的优化调度模型由目标函数、决策变量和约束条件构成，具体 如下所示：
[0014] a.目标函数
[0015] 将各目标均转化为效益并采用权重法来统一度量，具体形式如下：
[0016] F=a*Fl+b*F2
[0017] 其中，供水目标是使用户的用水保证程度最高，模型采用将各时段供水量转化为 供水效益（N元/m3)，具体形式如下：
[0018]
[0019] 式中：F1为供水效益；if为1时段供水流量〇113/8)，七为计算时长#为水价 (元/m3);发电目标为考虑电价的发电效益最大，其具体形式如下：
[0020]
[0021] 式中：F2为发电效益；η为发电效率，根据水头的变化而改变为水库在i时 段大坝下泄流量（m3/s) ;M为电价；Η为i时段发电水头（m);上下游水位由线性插值计算得 到；
[0022] b.决策变量
[0023] 为水库在各个调度时段向各个用水户提供的供水量?f(j= 2, 3;i= 1，2,…，I) 和大坝下泄流量(i= 1，2,…，I);
[0024] c.约束条件，包括六类，具体如下：
[0025] ①各类用水户最小供水量约束
[0026] 针对大坝下泄，以下游河道生态需水为最小下泄约束；针对其他用水户，以非负值 作为最小供水约束：
[0027]
[0028] 式中为下游河道生态需水量（m3/s);
[0029] ②各类用水户最大需水量约束
[0030] 针对其他各用水户，以实际需水量为最大需水量约束；针对大坝下泄，采用机组最 大下泄流量作为大坝下泄流量的最大约束：
[0031]
[0032] 式中：为i时段机组最大下泄流量（m3/s); <为i时段用水户实际需水量 (m3/s)；
[0033] ③水库水量平衡约束
[0034]
[0035] 式中A为第i时段末的库容（m3)i为第i时段初的库容（m3) ;f为第i时段 的平均入库流量（m3/s);
[0036] ④水位和库容约束
[0037] 初始水位可取处于死水位与汛限水位之间的任一水位值，由上年度的调度方案和 来水情况决定：
[0038] zunin^zu^zuxxVnin^V^Vxx
[0039] 式中：zu_为水库死水位（m);zui为初始水位（m) ;zuxA水库汛限水位（m) ;V_ 为水库死水位对应的库容（m3) ;Vi为初始库容（m3) ;VXX为水库汛限水位对应的库容（m3);
[0040] 汛期时期水位按防汛要求不超过汛限水位，非汛期时段库水位介于死水位和正常 蓄水位之间：
[0041]
[0042] 式中：为非汛期水库库水位（m) ;zuw为汛期水库库水位（m) ;zunax为水库正 常蓄水位（m);
[0043] ⑤保证出力约束
[0044] 电站发电约束需满足保证出力要求：
[0045] Pi$p?
[0046] 式中：p保为水电站保证出力（万千瓦）；Pl为各时段电站出力（万千瓦）；
[0047] ⑥非负条件：
[0048]
[0049] 步骤（5)中所述的优化算法采用动态规划及其改进算法或启发式算法。
[0050] 所述动态规划及其改进算法包括离散微分动态规划、逐次渐进动态规划和逐次优 化方法。
[0051] 所述启发式算法包括遗传算法、人工神经网络算法、微粒群算法和蚁群算法。
[0052] 与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
[0053] 本发明提出了一种考虑了年际间径流变化的和多用水需求的多年调节水库多目 标优化调度方法，通过径流随机模拟模型模拟得到包含设计年份在内的多年入库径流序 列，基于历史径流资料推求水库调度周期并采用合适的优化算法求解模型，得出了不同入 流情况下多年调节水库考虑多用水户需求的多目标调度的最优解。具有以下优点：
[0054] 1、采用径流随机模拟模型考虑了年际间径流变化相关性和不确定性，提供一种只 需已知水库历史径流资料、电站基本特性和各用水户需求的多年调节水库供水发电多目标 优化调度方法；可用于任何具有长期历史数据的水电站，具有良好的移植性和适用性。
[0055] 2、本法所得出的优化调度方法有利于提高电站发电量并降低供水风险，具有良好 的应用性；
[0056] 3、本方法可编译为计算机语言嵌入到多年调节水库长期优化调度软件中实现，计 算结果可在电脑屏幕显示，也可输出为文本表格。
【附图说明】
[0057] 图1是本发明实施例的简化流程图。
[0058] 图2是本发明方法步骤（5)中时间步长的设置示意图。
[0059] 图3a和图3b是丰水年组优化调度流量和水位过程示意图（158m起调）。
[0060] 图4a和图4b是平水年组优化调度流量和水位过程示意图（158m起调）。
[0061] 图5a和图5b是枯水年组优化调度流量和水位过程示意图（158m起调）。
【具体实施方式】
[0062] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图与具体实例对本 发明做详细的论述：
[0063] 本实例以某多年调节水库的优化调度为例，对水库历史年径流量和水库调节库容 进行分析对比，确定该水库优化调度期为3年。按照图1的简化流程图，具体实施步骤如 下：
[0064] (1)对水库历史入库径流资料进行分析，采用设计代表年法推求水库设计典型年 入库径流量（见表1)、年内分配比例（见表2)和设计3年入库径流量。
[0065]
[0066] 表1设计典型年入库径流量
[0067]
[0068]表2设计典型年年内分配比例
[0069] (2)根据水库历史入库径流资料，建立AR(1)自回归模型，生成水库模拟年径流序 列；AR(1)自回归模型是比较成熟的水文径流随机模拟模型，在模拟年入库径流方面应用 广泛，可较好地保持原序列的统计特征。此例中，模型具体形式如下：
[0070] xt=299. 78-0. 428(Xt「299. 78)+εt
[0071] (3)以步骤1所得设计3年入库径流量为界限，对步骤2所得水库模拟年径流序列 进行分类，并将分类结果按步骤1所得的年内分配比例进行年内分配，从而得到包含以月 为尺度的3年入库径流过程序列。
[0072] (4)建立多年调节水库考虑多用水需求的优化调度模型；
[0073] 所建立的多年调节水库多目标优化调度模型由目标函数、决策变量和约束条件构 成，具体如下所示：
[0074]a.目标函数
[0075] 将各目标均转化为效益并