一種考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，包括五個(gè)步驟：(1)閘門操作規(guī)則結(jié)構(gòu)化描述，解決復(fù)雜閘門操作規(guī)則的表述問題，(2)閘門操作規(guī)則實(shí)例化，解決如何應(yīng)用閘門操作規(guī)則結(jié)構(gòu)體實(shí)例來表述特定水電站閘門操作規(guī)則的問題；(3)閘門開度組合號(hào)序列優(yōu)化生成，解決閘門操作規(guī)則與傳統(tǒng)水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法的耦合問題；(4)閘門開度組合號(hào)序列優(yōu)化調(diào)整，解決洪水調(diào)度過程中個(gè)別時(shí)段水位越限及調(diào)度期末水位與目標(biāo)水位存在偏差的問題；(5)閘門操作計(jì)劃生成，解決根據(jù)閘門開度組合號(hào)序列動(dòng)態(tài)生成閘門操作計(jì)劃的問題。本發(fā)明提高了水電站對(duì)后期泄洪流量過程預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，提升了水電站防洪決策的快速響應(yīng)能力。
【專利說明】一種考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種洪水優(yōu)化調(diào)度方法，具體涉及一種考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法將所有閘門視為一個(gè)調(diào)度對(duì)象，只考慮所有閘門的整體泄流能力，不考慮各個(gè)閘門的允許開度、開啟順序、開度組合等閘門操作規(guī)則，僅能計(jì)算出水電站閘門群整體的優(yōu)化總泄洪流量過程線，而無(wú)法自動(dòng)制定出各個(gè)閘門的優(yōu)化操作計(jì)劃。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)節(jié)中，需由調(diào)度人員根據(jù)該優(yōu)化總泄洪流量過程線，人工制定各個(gè)閘門的操作計(jì)劃。這種方式難以滿足水電站精細(xì)化調(diào)度和實(shí)時(shí)滾動(dòng)調(diào)度的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)也嚴(yán)重影響了防洪決策的效率。此外，由于實(shí)際運(yùn)行中必須遵循各個(gè)閘門的操作規(guī)則，無(wú)法控制閘門按照預(yù)期的優(yōu)化總泄洪流量過程線運(yùn)行，造成閘門實(shí)際總下泄流量與預(yù)期的優(yōu)化總下泄流量之間的偏差，進(jìn)而引起后期實(shí)際庫(kù)水位與預(yù)期庫(kù)水位的偏差，進(jìn)一步加劇實(shí)際泄洪流量和預(yù)期泄洪流量之間的偏差程度，嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法的實(shí)用價(jià)值。
[0003]水電站洪水優(yōu)化調(diào)度主要解決入庫(kù)洪水的優(yōu)化蓄泄問題，在確保水電站自身安全的前提下，盡可能減輕洪水對(duì)下游的危害作用，并適當(dāng)考慮洪水的資源化利用。傳統(tǒng)水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法將所有閘門視為一個(gè)對(duì)象，通過優(yōu)化調(diào)度計(jì)算得到整個(gè)水電站的優(yōu)化泄洪流量過程線，在此過程中并不考慮各個(gè)閘門的操作規(guī)則。實(shí)際執(zhí)行過程中，需要憑借調(diào)度人員的經(jīng)驗(yàn)和不斷試算，參照已得到的預(yù)期優(yōu)化泄洪流量過程線和實(shí)際的庫(kù)水位，確定滿足各閘門允許開度、開啟順序、開度組合等操作規(guī)則的操作計(jì)劃，并人工實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)泄洪設(shè)施的閘門開度，使得實(shí)際泄洪流量與預(yù)期泄洪流量盡可能接近。由于忽略了各閘門的操作規(guī)則，傳統(tǒng)水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法得到的優(yōu)化泄洪流量過程線與水電站真實(shí)泄流特性不符，從而造成執(zhí)行環(huán)節(jié)和計(jì)劃環(huán)節(jié)的嚴(yán)重偏離，大幅降低了傳統(tǒng)方法計(jì)算結(jié)果的價(jià)值和可參考性。
[0004]洪水優(yōu)化調(diào)度的最終目的是通過對(duì)洪水的合理調(diào)度，使得國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失最小化。然而，洪水所造成的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失本身難以定量化計(jì)算，因此水電站洪水優(yōu)化調(diào)度通常采用簡(jiǎn)化的方式來考慮洪水損失。一般情況下，洪水所造成的國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失與最大泄洪流量呈正相關(guān)性，可以將國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失最小化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為最大泄洪流量最小化目標(biāo)。利用數(shù)學(xué)推導(dǎo)可以證明，洪水調(diào)度期內(nèi)運(yùn)用確定的防洪庫(kù)容時(shí)，最大泄洪流量最小化的方案實(shí)際上就是泄洪流量最均勻的方案。`由于洪水調(diào)度的初始水位和末水位均提前確定，而洪水入庫(kù)的水量也提前確定，因此根據(jù)水量平衡的原理可提前確定出調(diào)度期內(nèi)的總泄洪水量，這意味著調(diào)度期內(nèi)各時(shí)段的泄洪流量之和是一個(gè)固定值。根據(jù)數(shù)學(xué)原理，當(dāng)多個(gè)自變量之和一定時(shí)，可以用各自變量的平方和來表述其均勻程度。因此，可以建立如下目標(biāo)函數(shù):
[0005]?(/ q2{l)dt , te[t0,td]
Jt0[0006]為了便于使用計(jì)算機(jī)求解，可對(duì)上述目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行離散化:
[0007]
【權(quán)利要求】
1.一種考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于，依次包括以下幾個(gè)步驟: (1)閘門操作規(guī)則結(jié)構(gòu)化描述，采用結(jié)構(gòu)化的描述方法來完整表述閘門允許開度、開啟順序和開度組合信息，為閘門操作規(guī)則實(shí)例化以及計(jì)算機(jī)解析閘門操作規(guī)則提供基礎(chǔ)； (2)針對(duì)特定水電站進(jìn)行閘門操作規(guī)則實(shí)例化，根據(jù)特定水電站的真實(shí)閘門允許開度、開啟順序和開度組合信息，動(dòng)態(tài)生成和排列各類閘門操作規(guī)則結(jié)構(gòu)體的多個(gè)實(shí)例，并建立不同實(shí)例之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系； (3)生成優(yōu)化的閘門開度組合號(hào)序列，根據(jù)傳統(tǒng)水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法推求的理論泄洪流量過程線，逐時(shí)段計(jì)算最優(yōu)開度組合序號(hào)，形成整個(gè)調(diào)度期內(nèi)的優(yōu)化閘門開度組合號(hào)序列，用于解決閘門操作規(guī)則與傳統(tǒng)洪水優(yōu)化調(diào)度方法的耦合問題； (4)對(duì)閘門開度組合號(hào)序列進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，針對(duì)洪水調(diào)度過程中庫(kù)水位越限的時(shí)段，調(diào)整前次閘門操作時(shí)刻，直至消除庫(kù)水位越限問題；針對(duì)調(diào)度期末庫(kù)水位與目標(biāo)水位的偏差情況及前次閘門操作情況，調(diào)整最后一次閘門操作時(shí)刻，直至調(diào)度期末水位最接近； (5)生成閘門操作計(jì)劃，通過對(duì)優(yōu)化閘門開度組合號(hào)序列的逐時(shí)段解析，動(dòng)態(tài)生成滿足所有閘門操作規(guī)則要求的閘門操作計(jì)劃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 步驟(1)中，閘門操作規(guī)則結(jié)構(gòu)化描述方法如下: 將閘門的允許開度、開啟順序及開度組合信息分別采用OM結(jié)構(gòu)體、GT結(jié)構(gòu)體及CB結(jié)構(gòu)體來表征其中； OM結(jié)構(gòu)體用于存儲(chǔ)閘門特定開度的信息，內(nèi)容包括開度序號(hào)、開度值、開度類型、開度描述和由若干個(gè)水位、流量二元信息組構(gòu)成的水位流量關(guān)系曲線； GT結(jié)構(gòu)體用于存儲(chǔ)水電站特定閘門的信息，內(nèi)容包括閘門序號(hào)、閘門描述和允許的開度序號(hào)，GT結(jié)構(gòu)體通過開度序號(hào)與OM結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)； CB結(jié)構(gòu)體用于存儲(chǔ)特定的閘門開度組合信息，內(nèi)容包括規(guī)則序號(hào)和由若干個(gè)閘門序號(hào)、開度序號(hào)二元信息組構(gòu)成的開度組合信息，CB結(jié)構(gòu)體通過閘門序號(hào)和開度序號(hào)與GT結(jié)構(gòu)體關(guān)聯(lián)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 步驟⑵中，對(duì)閘門操作規(guī)則進(jìn)行實(shí)例化，是指針對(duì)實(shí)際水電站的閘門允許開度、開啟順序及操作規(guī)則信息，分別實(shí)例化OM結(jié)構(gòu)體、GT結(jié)構(gòu)體和CB結(jié)構(gòu)體，并形成針對(duì)實(shí)際水電站的開度表、閘門表和組合表，具體包括以下步驟: 首先，根據(jù)實(shí)際水電站的每種閘門允許開度，分別構(gòu)建對(duì)應(yīng)的OM結(jié)構(gòu)體實(shí)例，表述該閘門允許開度信息，所有的OM結(jié)構(gòu)體實(shí)例共同構(gòu)成完整的開度表； 其次，根據(jù)實(shí)際水電站的每個(gè)泄洪閘門，分別構(gòu)建對(duì)應(yīng)的GT結(jié)構(gòu)體實(shí)例，表述該閘門信息，所有的GT結(jié)構(gòu)體實(shí)例共同構(gòu)成完整的閘門表； 最后，根據(jù)實(shí)際水電站的每種閘門開度組合，分別構(gòu)建對(duì)應(yīng)的CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例，表述該開度組合信息，所有的CB結(jié)構(gòu)體共同構(gòu)成完整的組合表。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 各所述OM結(jié)構(gòu)體實(shí)例中的水位流量關(guān)系曲線應(yīng)該嚴(yán)格按照水位遞增規(guī)律排列，以便于在求解過程中根據(jù)庫(kù)水位快速插值計(jì)算該開度對(duì)應(yīng)的泄洪流量； 所述開度表中的各OM結(jié)構(gòu)體實(shí)例可以按照開度值從小到大排列；所述閘門表中的各GT結(jié)構(gòu)體實(shí)例可以按照閘門的類型和物理位置排列；所述組合表中的各CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例則應(yīng)嚴(yán)格按照閘門開啟先后順序和開度組合從小到大的順序進(jìn)行排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于，采取以下方法檢查所述組合表各CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例之間順序是否正確: (al)在洪水起調(diào)水位和允許的最高庫(kù)水位之間按等間距原則選定若干個(gè)水位；(a2)選定其中一個(gè)水位，依次計(jì)算出該水位下不同CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例對(duì)應(yīng)的泄洪流量；(a3)驗(yàn)證所有CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例是否滿足泄洪流量隨組合序號(hào)單調(diào)遞增的規(guī)律，若滿足則通過驗(yàn)證，若不滿足則說明其中必有一個(gè)CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例的信息存在錯(cuò)誤，需校驗(yàn)CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例順序或CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例信息的正確性，針對(duì)問題修改CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例順序或CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例信息直至通過驗(yàn)證為止； (a4)若未遍歷完所有水位，則跳轉(zhuǎn)至步驟(a2)，若已遍歷完所有水位，則結(jié)束驗(yàn)證。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 步驟(3)中，優(yōu)化的閘門開度組合號(hào)序列具體采用以下幾個(gè)步驟生成: (bl)根據(jù)時(shí)段初的庫(kù)水位，計(jì)算不同組合序號(hào)CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例在該庫(kù)水位下的實(shí)際泄洪流量，并記錄實(shí)際泄洪流量與預(yù)期時(shí)段優(yōu)化泄洪流量之間的絕對(duì)值差或差值的平方； (b2)將絕對(duì)值差或差值的平方最小的CB結(jié)構(gòu)體實(shí)例作為時(shí)段最優(yōu)決策，將其組合序號(hào)作為該時(shí)段的最優(yōu)組合序號(hào)； (b3)根據(jù)時(shí)段初庫(kù)水位和該最優(yōu)組合序號(hào)，計(jì)算出時(shí)段的最優(yōu)泄洪流量； (b4)利用水量平衡方程計(jì)算出下個(gè)時(shí)段初的庫(kù)水位； (b5)是否遍歷完所有時(shí)段，若未遍歷完所有時(shí)段，則轉(zhuǎn)至步驟(bl)，若已遍歷完所有時(shí)段，則終止遍歷過程； (b6)將得到的多個(gè)最優(yōu)閘門開度組合號(hào)保持至序列中，即可形成優(yōu)化的閘門開度組合號(hào)序列。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 步驟(4)中，閘門開度組合號(hào)序列優(yōu)化調(diào)整包括調(diào)度過程庫(kù)水位越限的調(diào)整和調(diào)度期末庫(kù)水位的調(diào)整； 所述調(diào)度過程庫(kù)水位越限的調(diào)整方法如下: (Cl)兼顧洪水調(diào)度過程控制的精度要求及閘門調(diào)節(jié)頻度的容許度要求，確定合理的閘門開度組合號(hào)序列優(yōu)化調(diào)整時(shí)段長(zhǎng)，并將第一時(shí)段作為當(dāng)前時(shí)段； (c2)判斷時(shí)段末的庫(kù)水位是否越高限，若未越高限則直接進(jìn)入下一個(gè)階段； (c3)若時(shí)段 末庫(kù)水位越高限，則往前尋找最近的一次閘門操作； (c4)判斷該次閘門操作是開閘還是關(guān)閘，若閘門開度組合序號(hào)與前時(shí)段相比增加，則說明該次閘門操作為開閘操作；若閘門開度組合序號(hào)與前時(shí)段相比減小，則說明本次閘門操作為關(guān)閘操作； (c5)若為開閘操作，則應(yīng)將開閘時(shí)刻提前，若閘門操作計(jì)劃優(yōu)化調(diào)整時(shí)段長(zhǎng)為AT'，原閘門操作時(shí)刻為I則假定閘門操作時(shí)刻為△ T'，并從&- △ T'時(shí)刻所處的時(shí)段初開始進(jìn)行逐時(shí)段水位計(jì)算，若該時(shí)段水位仍越限，則假定閘門操作時(shí)刻為t「2AT'，依次類推直至當(dāng)前時(shí)段水位不越限為止，若為關(guān)閘操作，則應(yīng)將關(guān)閘時(shí)刻延遲，假定閘門操作時(shí)刻為k+ΛΤ,，并從tjAT,時(shí)刻所處的時(shí)段初開始進(jìn)行逐時(shí)段水位計(jì)算，若該時(shí)段水位仍越限，則假定閘門操作時(shí)刻為、+2ΛΤ'，依次類推直至當(dāng)前時(shí)段水位不越限為止； (c6)若在步驟(c5)中閘門操作時(shí)刻已前移至更早的一次閘門操作時(shí)刻或后移至更遲的一次閘門操作時(shí)刻，則應(yīng)該將更早的或更遲的閘門開度組合序號(hào)刪除，若閘門操作時(shí)刻已前移至調(diào)度期初或后移至當(dāng)前時(shí)段末，則終止當(dāng)前時(shí)段的水位越限調(diào)整，進(jìn)入下一時(shí)段并轉(zhuǎn)至步驟(c2)； (c7)若未遍歷完所有時(shí)段，則進(jìn)入下一時(shí)段并轉(zhuǎn)至步驟(c2)，若已遍歷完所有時(shí)段，則退出調(diào)度過程水位越限調(diào)整； 所述調(diào)度期末庫(kù)水位的調(diào)整方法如下: (dl)根據(jù)調(diào)度期末庫(kù)水位與目標(biāo)水位的偏差要求，對(duì)閘門開度組合號(hào)序列優(yōu)化調(diào)整時(shí)段長(zhǎng)進(jìn)行加密，作為調(diào)度期末庫(kù)水位調(diào)整的時(shí)段長(zhǎng)△ T'，； (d2)綜合判斷調(diào)度期末庫(kù)水位越限情況和最后一次閘門操作情況，決定正確的閘門調(diào)整策略；若調(diào)度期末水位高于目標(biāo)水位且最后一次閘門操作為關(guān)閘操作，或者調(diào)度期末的水位低于目標(biāo)水位且最后一次閘門操作為開閘操作，則應(yīng)該延遲最后一次閘門操作時(shí)刻；若調(diào)度期末水位高于目標(biāo)水位且最后一次閘門操作為開閘操作，或者調(diào)度期末的水位低于目標(biāo)水位且最后一次閘門操作為關(guān)閘操作，則應(yīng)該提前最后一次閘門操作時(shí)刻； (d3)假定最后一次閘門操作時(shí)刻為k，若應(yīng)該延遲最后一次閘門操作時(shí)刻，首先找到最后一次閘門操作時(shí)刻所在的時(shí)段，然后從該時(shí)段初開始，分別假定最后一次閘門操作時(shí)刻為t六AT'，，&+2ΛΤ'，，……，直至調(diào)度期末，并利用水量平衡原理進(jìn)行逐時(shí)段水位計(jì)算，得到相應(yīng)于上述每個(gè)閘門操作時(shí)刻的調(diào)度期末水位，找到其中與目標(biāo)水位偏差最小的調(diào)度期末水位以及對(duì)應(yīng)的閘門操作時(shí)刻，即為優(yōu)化調(diào)整后的閘門操作時(shí)刻； (d4)若應(yīng)該提前最后一次閘門操作時(shí)刻，首先找到倒數(shù)第二次閘門操作時(shí)刻所在的時(shí)段，然后從該時(shí)段初開始，若總共只有一次閘門操作，則從第一個(gè)時(shí)段初開始，分別假定最后一次閘門操作時(shí)刻為，，t「2AT'，，……，直至該時(shí)段初為止，并利用水量平衡原理進(jìn)行逐時(shí)段水位計(jì)算，得到相應(yīng)于上述每個(gè)閘門操作時(shí)刻的調(diào)度期末水位，找到其中與目標(biāo)水位偏差最小的調(diào)度期末水位以及對(duì)應(yīng)的閘門操作時(shí)刻，即為優(yōu)化調(diào)整后的閘門操作時(shí)刻。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 步驟(5)中，閘門操作計(jì)劃采用以下方法生成: 逐時(shí)段對(duì)比優(yōu)化閘門開度組合號(hào)序列中相鄰兩個(gè)時(shí)段的閘門開度組合序號(hào)，并通過對(duì)兩個(gè)閘門開度組合信息的對(duì)比解析，得出該時(shí)段的閘門操作計(jì)劃，遍歷所有時(shí)段并將各個(gè)時(shí)段的閘門操作計(jì)劃均保存到一個(gè)序列中，形成調(diào)度期內(nèi)的閘門操作計(jì)劃。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的考慮閘門操作規(guī)則的水電站洪水優(yōu)化調(diào)度方法，其特征在于， 若相鄰兩個(gè)時(shí)段的閘門開度組合序號(hào)相同，則本時(shí)段不進(jìn)行閘門操作；若后一時(shí)段開度組合序號(hào)大于前一時(shí)段開度組合序號(hào)，對(duì)該時(shí)段進(jìn)行開閘操作；若后一時(shí)段開度組合序號(hào)小于前一時(shí)段開度組合序號(hào)，對(duì)該時(shí)段進(jìn)行關(guān)閘操作。
【文檔編號(hào)】G06Q10/04GK103646294SQ201310561132
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月12日
【發(fā)明者】芮鈞, 吳維寧, 劉觀標(biāo), 劉果, 徐潔, 李澤宏, 李永紅, 鄭健兵, 王安東, 王俊莉 申請(qǐng)人:國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院, 南京南瑞集團(tuán)公司, 國(guó)家電網(wǎng)公司