[发明专利]一种梯级水库群泄洪设施联合运行控制方法

权利要求书

1.一种梯级水库群泄洪设施联合运行控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：梯级水库群洪水调度理论研究；

S11：梯级水库群洪水联合调度模型构建；

结合梯级水库调度运行规律，以梯级水库群中下一级水库作为上一级水库的防洪控制点，根据最大下泄流量最小化准则构建梯级水库群联合防洪模型，其目标函数表达式如(1)式所示；将防洪库容、水库水量平衡、水库水位、出库流量、流量平衡作为约束条件；

式中：Δt为计算时间间隔，t₀、t_d分别为洪水的开始和结束时刻；j为时段数，j＝1，2，…，M，其中i为梯级水库序号，i＝1，2，…，n；q_j，i为第i个水库第j个时段的平均出库流量；Q_区，j，i为第i个水库至i+1个水库之间第j个时段的区间流量；

S12：模型求解算法研究；

在总结梯级水库群联合优化调度模型求解算法研究现状的基础上，比较分析现有动态规划算法、逐步优化算法确定性算法以及遗传算法、粒子群算法仿生学算法的优缺点，并结合梯级水库群洪水联合调度模型的特点，选取准确率高、运算速度快的多步长逐步优化算法(MSPOA算法)进行模型的求解，提高梯级水库群洪水联合调度问题的求解效率和准确性；

多步长逐步优化算法进行模型求解包括以下步骤：

S121：确定梯级各个水库的末时段水位Z_T，初始化时间步长序列j＝1，序列长度J；

S122：选取一组时间步长，初始化时间步长Δj；

S123：赋予状态变量初始解；

S124：调整决策变量v_j，t，计算t+1时段和t+2时段的优化计算函数目标值，得出新的决策变量和状态变量；

S125：给目标函数值F_i^ε分配初始值F_i^I，比较F_i^ε和F_i^I，若F_i^εF_i^I，令F_i^ε＝F_i^I，如果优化计算次数l_i与预先定义的L_i相等，则完成求解，否则重复步骤S124；

S2：泄洪设施运用数字化；

S21：泄洪设施运行规则分析；

对泄洪设施的启用条件、运用方式及其相应控制范围进行总结，逐个梳理各水库中所有泄洪设施能够采用的组合方案，明确各组合方案中需满足的控制条件、启用顺序和关闭顺序要求，总结各水库潜在可行的泄洪设施组合方案及其控制条件，并据此，建立不同水位下梯级各水库的泄洪设施组合方案表，明确梯级各水库所有泄洪设施的启用和停用水位、开启和关闭顺序、开度范围及其控制要求；

S22：泄流曲线精度提升；

采用离散处理的方法来提升各水库泄流曲线的精度，以促进泄洪设施的精细化运行；结合梯级各水库泄洪设施的运用规则，对梯级各水库精度低的单一泄洪设施的泄流能力曲线，从泄流能力曲线的水位间距、开度间距两个维度分别进行离散处理；水位离散采用0.1m的间隔进行等间距离散，离散的范围为泄洪设施底坎高程到停用水位；开度离散采用1％或0.1m的间隔进行等间距离散，离散的范围为0％～100％或0m～全开；

S23：泄洪设施运用数据库构建；

采用泄洪设施组合方案的分类计算法来简化处理、降低计算的难度，具体计算方法如下：

S231：确定泄洪设施组合单元，每个单元由某水位下特定流量范围内的泄洪设施组合方案构成，其中特定流量范围根据水库泄洪设施实际情况选定；

S232：根据每个水库泄洪设施运用的具体要求，在同一单元中，有多种泄洪设施组合类型；但对于一个水库，在给定的组合单元中，泄洪设施的组合类型是确定的；

S233：对于每一种泄洪设施的组合类型，先列出其中几种有代表的组合方案，便可通过调整各个泄洪设施的开度，采用式(2)进行计算，迅速找到同一组合类型中所有满足运行要求的泄洪设施组合方案；

式中：I为水库的泄洪设施总数；q为在该组合方案下所有泄洪设施的下泄流量；O(Z,j)为第i个泄洪设施在开度为j、水位为Z时的下泄流量；j为泄洪设施的开度，其取值从0到泄洪设施全开，若采用相对开度，则j的最大值取100％，若采用绝对开度，则j的最大值取决于各个泄洪设施的最大开度；

S234：按照步骤S233遍历同一泄洪设施组合单元内所有组合类型，确定同一单元中所有组合类型下的泄洪设施组合方案；

S235：逐步调整水库水位和流量范围内的所有组合单元，确定所有泄洪设施组合方案，并将其依次按照水库水位、下泄流量、泄洪设施启用数量和开度指标进行排序，建立该水库的泄洪设施运用数据库；

S236：最后，对梯级水库群的所有水库都结合各自的泄洪设施运用规则和要求，按照上述分类计算法的思路进行分析计算，构建各水库的泄洪设施运用数据库，并按照水库编号排序，由此建立梯级水库群泄洪设施运用数据库；

S31：组合方案查询；

利用折半查找算法先后根据水库编号、水库水位以及泄流量对应的流量级指标从泄洪设施运用数据库中查询所有泄洪设施组合方案；

S32：组合方案选取原则确立；

采取泄洪设施开度离差平方和最小以及泄洪设施开度变化个数最少的原则进行泄洪设施组合方案的选取，两个原则的具体表达式分别如下：

式中：O_t+1,a，O_t,a分别为泄洪设施a在t+1和t时段的开度；I为水库泄洪设施的总个数；BOOL(i)为逻辑运算符号，当i为0时，其取值为0，否则为1；S为t+1时段与t时段泄洪设施开度离差平方和；N为t+1时段与t时段泄洪设施开度变化的个数；

S33：设计泄洪设施调控策略；

在梯级水库群防洪优化调度中，结合各水库的实际情况，设置水库泄洪设施运行状态最小保持时间和最大保持时间指标来控制泄洪设施的操作频率，降低梯级各水库的运行成本；运用有序聚类方法进行下泄流量过程的分割，采用上述泄洪设施组合方案查询方法和选取原则明确各部分泄洪设施组合方案，确定整场洪水的泄洪设施控制策略；

S31所述的折半查找算法具体为：设流量级为Q指标，折半查找算法查询过程如式(3)所示，具体步骤如下：

S311：根据最大流量和最小流量所在行的序号a、c，确定中间行的行号b，从而确定中间行的流量Q_b；

S312：比较搜索的流量级Q与Q_b的大小；若Q_b大于流量级Q，则将中间行的行号b赋值给最大流量的行号a，重新回到步骤S311；若Q_b小于流量级Q，则将中间行的行号b赋值给最小流量的行号c，重新回到步骤S311；

S313：如此不断重复，直到与流量级Q相等的Q_b，则该流量级下所有的泄洪设施组合方案均为可供选择的泄洪设施组合方案；

式中，[]为取整运算；

S33中泄洪设施调控的具体步骤如下：

S331：采用有序聚类分析法对洪水优化调度计算确定的整场洪水中水库下泄流量过程进行分割，使各分段的时间跨度均满足梯级各水库泄洪设施状态变化的时间间隔要求对于分段时间跨度在满足时间间隔要求的允许范，围内，但仍可以继续分割的部分，比较继续分割前后两个部分的平均流量值来确定是否继续分割；若分割后，前后两个部分的平均流量值相差小于设定的值，则认为前后两部分相似度较高，不进行继续分割；反之，则继续分割；

S332：对整场洪水下泄流量过程进行分割后，计算出分割后各部分的平均流量和平均水位；

S333：从分割后的第一部分开始，逐个部分计算确定其泄洪设施组合方案；

S334：结合所在部分的平均水位和平均流量按照S31中的步骤，采用折半查找算法从泄洪设施运用数据库中查询确定所有可行的泄洪设施组合方案；

S335：根据水库当前的泄洪设施状态，按照泄洪设施开度离差平方和最小以及泄洪设施开度变化个数最少的原则，选取泄洪设施组合方案；

S336：按照泄洪设施的组合方案和水库入库流量过程，从所在部分第一个时段起始水位开始，逐时段计算水库的下泄流量和时段末水位，直至所在部分的最后一个时段；

S337：将上述步骤计算得到的各时段水库水位和下泄流量，与优化算法计算得到的水位和下泄流量进行比较，确定相应的偏差，并将其分摊到下一个部分；

S338：进入下一部分，并重复步骤S334～S337，直到完成最后一部分的计算，确定出所有部分的泄洪设施组合方案，进而确定整场洪水的泄洪设施控制策略。