梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法技术

本发明专利技术提供一种梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，包括：剖析梯级水库防洪库容的补偿机理，厘清梯级水库汛期运行水位协同浮动关系；对多个梯级水库，考虑梯级水库间水力联系，依从上游至下游顺序采用预报预泄法推求各水库汛期运行水位上浮的浮动量；建立以有效预泄时间内防洪风险最小化和发电量最大化为优化目标函数、水库出库流量为决策变量的协同优化模块，并根据该协同优化模块优化防洪库容等效置换系数和梯级水库汛期运行水位浮动量。本发明专利技术可大幅提升仿生进化算法的寻优效率，对梯级水库汛期运行水位协同浮动运用的预报调度一体化程度更高且可实现梯级水库防洪库容的等效置换。库容的等效置换。库容的等效置换。

【技术实现步骤摘要】
梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法


[0001]本专利技术属于水库调度的
，具体涉及一种梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法。

技术介绍

[0002]水库汛期运行水位浮动运用是一种实现流域洪水资源化，提高水资源利用水平和供水保障能力的有效方法。水库汛期运行水位调度理论与方法有了长足进步，从单一静态运用、分期静态运用进阶至浮动运用，在有效预泄时间内基于水文预报、预报预泄法和风险防控实现水库汛期运行水位浮动运用，可在不增加防洪风险的前提下显著提高流域洪水资源化综合效益。相比单个水库汛期运行水位浮动运用，梯级水库汛期运行水位协同浮动运用的技术难点和挑战包括：
①
水文预报与梯级水库调度的互馈机理复杂，水力关联难以有效仿真模拟，达成预报调度一体化的难度更大；
②
预报预泄法可逐步推导出梯级水库中各水库汛期运行水位上浮的浮动量，却无法解析梯级水库防洪库容补偿机理，难以实现水库之间防洪库容的等效置换。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，该方法以机器学习模型作为复杂水力联系的代理模型，对梯级水库水力联系和互馈影响进行高效仿真模拟，可大幅提升仿生进化算法的寻优效率，对梯级水库汛期运行水位协同浮动运用的预报调度一体化程度更高且可实现梯级水库防洪库容的等效置换。
[0004]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0005]一种梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，包括如下步骤：
[0006]步骤一，剖析梯级水库防洪库容的补偿机理，厘清梯级水库汛期运行水位协同浮动关系；
[0007]步骤二，对多个梯级水库，考虑梯级水库间水力联系，依从上游至下游顺序采用预报预泄法推求各水库汛期运行水位上浮的浮动量；
[0008]步骤三，建立以有效预泄时间内防洪风险最小化和发电量最大化为优化目标函数、水库出库流量为决策变量的协同优化模块，并根据该协同优化模块优化防洪库容等效置换系数和梯级水库汛期运行水位浮动量。
[0009]进一步地，步骤一中采用库容置换方法剖析梯级水库防洪库容补偿机理，其中，库容置换过程如下：
[0010]若梯级水库按上游至下游依次编号为1,2,
…
,N，梯级水库相应的防洪库容分别为随机生成一个防洪库容置换系数矩阵随机生成一个防洪库容置换系数矩阵则梯级水库的汛期运行水位浮动为
其中，f1(
·
),f2(
·
),
…
,f
N
(
·
)为第1,2,
…
,N个水库的库容转水位的函数；
[0011]梯级水库的防洪库容置换需满足如下限定性约束条件：
[0012][0013]式中：为第i个水库的防洪库容置换系数；当时，代表水库的防洪库容减少且相应的汛期运行水位向上浮动；当时，代表水库的防洪库容不变且相应的汛期运行水位维持分期汛限水位；当时，代表水库的防洪库容增加且相应的汛期运行水位向下浮动。
[0014]进一步地，所述步骤二中梯级间水库间水力联系模拟如下：
[0015]先利用水文学法和水动力学法模拟第2,3,
…
,N个水库的入库流量，得到水库入库流量样本，然后利用这些样本训练机器学习模型，得到梯级间水力联系的代理模型，相邻水库水力联系计算式如下：
[0016][0017]式中，为第i个水库t
‑
1时刻的出库流量；为第i+1个水库t
‑
1时刻的出库流量；为第i+1个水库t时刻的入库流量；为第i+1个水库t时刻的区间入流；g(
·
)为机器学习模型的映射函数。
[0018]进一步地，所述步骤二中基于预报预泄法推求水库汛期运行水位上浮的浮动量如下：
[0019]综合考虑降雨预报及洪水预报预见期长度或精度、预泄能力约束和下游安全泄量，水库在有效预泄时间内按预泄能力对应的提前泄流水量将水库汛期运行水位向上浮动，浮动量ΔZ计算如下：
[0020][0021][0022][0023][0024][0025][0026]式中：ΔZ
i
为第i个水库汛期运行水位上浮的浮动量；T
i
为第i个水库有效预泄时间；为有效预泄时间内第i个水库的平均预报入库流量，为有效预泄时间内第i个水库的平均出库流量；为第i个水库t时刻的入库流量，为第i个水库t时刻的出库流量；ε
i
(t)为第i个水库t时刻入库流量的预报误差；为第i个水库下游防护目标的堤防过流能力；为第i个水库的水文预报预见期，含降雨预报和洪水预报预见期；为第i
个水库作业预报时间、决策时间和闸门操作时间之和；Δt为计算时段；W
i
为有效预泄时间内第i个水库的预泄水量。
[0027]进一步地，步骤三中，以有效预泄时间内防洪风险最小化和发电量最大化为优化目标函数分别为：
[0028][0029][0030]式中：FR为防洪风险最小化目标函数，HG为发电量最大化目标函数；V
i
(t)为第i个水库t时刻的库容；为第i个水库分期汛限水位对应的库容；M为年数或场次洪水数；P
i
(t)为第i个水库t时刻的出力；min{
·
}为最小化函数，max{
·
}为最大化函数；
[0031]在建立上述的优化目标函数后，以水库出库流量为决策变量，综合考虑防洪库容置换、预报预泄过程、防洪调度规则、水力联系和水库水位、流量、出力约束，采用元启发式优化算法协同优化梯级水库调度过程，推求防洪库容等效置换系数和梯级水库汛期运行水位协同浮动量。
[0032]进一步地，步骤三中的目标函数及各水库/电站需满足以下约束条件：
[0033]a.水量平衡约束：
[0034][0035]式中，V
i
(t)和V
i
(t+1)分别为第i个水库t时刻和t+1时刻的库容；为第i个水库t时刻的入库流量，为第i个水库t时刻的出库流量，分别为第i个水库t时刻的损失流量；
[0036]b.相邻水库水力联系：
[0037][0038]式中，为第i个水库t
‑
1时刻的出库流量，分别为第i个水库t时刻的出库流量；为第i+1个水库t
‑
1时刻的出库流量，分别为第i+1个水库t时刻的入库流量；为第i+1个水库t时刻的区间入流；g(
·
)为机器学习模型的映射函数；
[0039]c.水库水位约束：
[0040][0041]式中，Z(t)为第i个水库t时刻的库水位；为第i个水库运行水位下限，汛期取分期汛限水位；为第i个水库运行水位上限，汛期取步骤二中推求的汛期运行水位：
[0042]d.水库出库流量约束：
[0043][0044]式中，为第i个水库出本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一，剖析梯级水库防洪库容的补偿机理，厘清梯级水库汛期运行水位协同浮动关系；步骤二，对多个梯级水库，考虑梯级水库间水力联系，依从上游至下游顺序采用预报预泄法推求各水库汛期运行水位上浮的浮动量；步骤三，建立以有效预泄时间内防洪风险最小化和发电量最大化为优化目标函数、水库出库流量为决策变量的协同优化模块，并根据该协同优化模块优化防洪库容等效置换系数和梯级水库汛期运行水位浮动量。2.根据权利要求1所述的梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，其特征在于，步骤一中采用库容置换方法剖析梯级水库防洪库容补偿机理，其中，库容置换过程如下：若梯级水库按上游至下游依次编号为1，2，...，N，梯级水库相应的防洪库容分别为随机生成一个防洪库容置换系数矩阵随机生成一个防洪库容置换系数矩阵则梯级水库的汛期运行水位浮动为则梯级水库的汛期运行水位浮动为其中，f1(
·
)，f2(
·
)，...，f
N
(
·
)为第1，2，...，N个水库的库容转水位的函数；梯级水库的防洪库容置换需满足如下限定性约束条件：式中：为第i个水库的防洪库容置换系数；当时，代表水库的防洪库容减少且相应的汛期运行水位向上浮动；当时，代表水库的防洪库容不变且相应的汛期运行水位维持分期汛限水位；当时，代表水库的防洪库容增加且相应的汛期运行水位向下浮动。3.根据权利要求1所述的梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，其特征在于，所述步骤二中梯级间水库间水力联系模拟如下：先利用水文学法和水动力学法模拟第2，3，...，N个水库的入库流量，得到水库入库流量样本，然后利用这些样本训练机器学习模型，得到梯级间水力联系的代理模型，相邻水库水力联系计算式如下：式中，为第i个水库t
‑
1时刻的出库流量；为第i+1个水库t
‑
1时刻的出库流量；为第i+1个水库t时刻的入库流量；为第i+1个水库t时刻的区间入流；g(
·
)为机器学习模型的映射函数。4.根据权利要求3所述的梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，其特征在于，所述步骤二中基于预报预泄法推求水库汛期运行水位上浮的浮动量如下：综合考虑降雨预报及洪水预报预见期长度或精度、预泄能力约束和下游安全泄量，水库在有效预泄时间内按预泄能力对应的提前泄流水量将水库汛期运行水位向上浮动，浮动
量ΔZ计算如下：量ΔZ计算如下：量ΔZ计算如下：量ΔZ计算如下：量ΔZ计算如下：量ΔZ计算如下：式中：ΔZ
i
为第i个水库汛期运行水位上浮的浮动量；T
i
为第i个水库有效预泄时间；为有效预泄时间内第i个水库的平均预报入库流量，为有效预泄时间内第i个水库的平均出库流量；为第i个水库t时刻的入库流量，为第i个水库t时刻的出库流量；ε
i
(t)为第i个水库t时刻入库流量的预报误差；为第i个水库下游防护目标的堤防过流能力；为第i个水库的水文预报预见期，含降雨预报和洪水预报预见期；为第i个水库作业预报时间、决策时间和闸门操作时间之和；Δt为计算时段；W
i
为有效预泄时间内第i个水库的预泄水量。5.根据权利要求1所述的梯级水库汛期运行水位协同浮动的运用方法，其特征在于，步骤三中，以有效预泄时间内防洪风险最小化和发电量最大化为优化目标函数分别为：最大化为优化目标函数分别为：式中：FR为防洪风险最小化目标函数，HG为发电量最大化目标函数；V
i
(t)为第i个水库t时刻的库容；为第i个水库分期汛限水位对应的库容；M为年数或场次洪水数；P
i
(t)为第i个水库t时刻的出力；min{
·
}为最小化函数，max{
·
}为最大化函数；在建立上述的优化目标函数后，以水库出库流量为决策变量，综合考虑防洪库容置...

【专利技术属性】
技术研发人员：周研来，郭生练，许崇育，王俊，尹家波，
申请(专利权)人：中国长江三峡集团有限公司，
类型：发明
国别省市：