梯级枢纽联合调度中水流滞时问题处理方法技术

一种梯级枢纽联合调度中水流“滞时”处理方法，通过对整个河道进行断面划分，在各枢纽设置虚化断面，在天然断面和枢纽所在的虚化断面分别采用求解圣维南方程和枢纽水量平衡计算的方法，确定全河道包括各枢纽所在的各虚化断面在内的所有计算断面的时段末的水位和流量值。本发明专利技术的方法可确定全河道包括枢纽所在的虚化断面在内的所有计算断面的时段末的水位和流量值。也就实现了全河道水力要素的同步计算，因此也就解决了梯级枢纽联合调度中存在的水流“滞时”技术难题。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】一种梯级枢纽联合调度中水流“滞时”处理方法，通过对整个河道进行断面划分，在各枢纽设置虚化断面，在天然断面和枢纽所在的虚化断面分别采用求解圣维南方程和枢纽水量平衡计算的方法，确定全河道包括各枢纽所在的各虚化断面在内的所有计算断面的时段末的水位和流量值。本专利技术的方法可确定全河道包括枢纽所在的虚化断面在内的所有计算断面的时段末的水位和流量值。也就实现了全河道水力要素的同步计算，因此也就解决了梯级枢纽联合调度中存在的水流“滞时”技术难题。【专利说明】
本专利技术涉梯级枢纽联合调度领域，尤其是一种对梯级枢纽联合调度过程中水流滞时问题的处理方法。
技术介绍
随着我国三峡梯级、黄河上游梯级、金沙江梯级等一大批梯级航电枢纽的陆续建成和投入运行，制定梯级枢纽的联合调度方案，并按照该方案进行调度，成为了发挥其通航、发电等综合利用效益的关键。目前，国内外关注的枢纽群联合调度的目标主要是发电效益与防洪安全。随着水资源可持续发展观念的日益增强，综合考虑水资源、生态和环境的多目标调度问题，是近年来国内外研究的一大热点。进行梯级枢纽联合调度，如何实现对梯级枢纽间水流的滞后性技术难题的科学合理解决，是实现梯级枢纽联合优化调度预期目标的关键，尤其是在梯级枢纽短期联合发电优化调度与梯级通航枢纽航运效益最大化联合优化调度中。在梯级水电站群短期日优化调度中:梯级水电站群短期日优化调度是一个有后效性的高维、非线性的复杂系统寻优问题，电站间不仅存在水力联系，而且存在电力联系，致使在相邻调度期(日)间存在一定的水量和电量耦合；由于流量的滞后性，调度期内开始的部分时段来水量来自前一周期最后若干时段，而本周期最后若干时段的出库水量将流入后一周期。因此，本周期发电效益不仅要考虑周期内的既得效益，还要考虑来自前一周期转入效益和对后一周期的转出效益。如果忽视了滞后水量产生的能量，以调度期发电量最大为目标的梯级优化调度的结果必将是出力向调度期前段聚集，而后期出力较小，即本周期既得效益最大为目标并不是真正合理的优化运行方式。在梯级枢纽通航联合优化调度中:梯级通航枢纽联合调度，可以渠化河道，淹没险滩，提高枯水期枢纽泄流量，改善枢纽上下游口门区和引河道通航水流条件，提高通航保证率。与梯级枢纽联合发电或联合防洪调度不同，枢纽通航对口门区和河道流场水流特性的规范性要求决定了梯级通航枢纽联合优化调度的极端复杂性。通航调度枢纽泄流过程不仅要满足河道设计通航流量与设计通航水位的要求限制，而且对在上、下游口门区形成的流场及流速特性要求极为苛刻，不能有明显漩涡或横向流速超过内河河道通航设计标准0.3m/s,以保障船舶通航安全。因此在梯级通航联合优化调度中，对航道断面水位、尤其是口门区流速模拟精度都有极高要求，任何模型输入或计算误差都会对模拟精度带来极大影响，从而对传播通航安全带来威胁。目前，在梯级枢纽调度领域，科研人员常采用固定水流“滞时差”的方法(可参见袁晓辉，王乘，张勇传，等.水电系统短期经济运行的新方法.水力发电学报，2006，25 (4): 1-5，以及吴杰康，郭壮志，秦砺寒等.基于连续线性规划的梯级水电站优化调度.电网技术，2009, 33(8):24-29)，将上游梯级泄流作为下游梯级考虑相应“滞时差”后对应时段的入流过程。由于枢纽泄流过程的不均匀性以及河道对水体的坦化作用，采用固定“滞时差”的方法处理将不可避免带来模型输入误差，从而影响计算成果的精度和可靠性，也就直接影响到根据该计算结果实施的调度效果。相关科研人员也尝试采用解析函数法(参见邓先礼.时滞对梯级水电站经济运行的影响.重庆大学学报(自然科学版).1982(2):91-102)、非线性网络法(参见周任军，文炼红，袁世挺.水电系统及水库库群优化调度的非线性网络法.水电能源科学，1998，16 (I):29-33)及其它相关方法(参见钟平安，张金花，徐斌，张梦然.梯级库群水流滞后性影响的日优化调度模型研究.水力发电学报，2012，3 (4):34-38 ;葛晓琳，张粒子.考虑水流滞时的梯级水电日优化调度模型.华东电力，2013，41 (2):0265-0269)处理上下游梯级的水力联系问题，但都没能从根本上消除梯级枢纽间水流滞后性对模型计算带来的输入误差。基于严密水动力模型(参见宋利祥，周建中，王光谦等.溃坝水流数值计算的非结构有限体积模型.水科学进展，2011，22(3):373-377，以及刘儒勋，舒其望.计算流体力学的若干新方法.北京:科学出版社，2003)逐时段同步计算包括各级枢纽入库断面在内的全河道断面的流量过程和水位过程，成为解决梯级枢纽间水流滞时技术难题的的必然要求和内在关键。根据河道水动力模型计算基本原理，水力计算模型依据河道最上游断面给定的流量过程(上边界控制条件)，以及河道最下游给定的水位过程(下边界控制条件)，并结合全河道水位初始条件(各断面初始水位和流量)，对圣维南方程进行求解，进而获得河道各计算断面水位过程和流量过程，整个计算过程一体同步进行。然而，梯级通航枢纽的筑建阻断了河道水流条件的连续性，破坏了所在断面的天然水力特性，因而无法直接进行全河道断面水力模型的统一求解，这给基于河道水动力计算的梯级通航枢纽联合优化调度带来了新的难题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种梯级枢纽联合调度中水流滞时处理方法，以减少或避免前面所提到的问题。具体来说，为解决上述技术问题，本专利技术的梯级枢纽联合调度中水流滞时处理方法中，所述梯级枢纽包括多个枢纽，其包括如下步骤:步骤A:将整体河道根据地形状况和枢纽建筑物分布情况，进行河道断面划分:Al、将河道划分为多个计算断面，河道中天然断面间距不超过500m;梯级枢纽中各枢纽所在河段分别设置为虚化断面，各梯级枢纽上游入库断面选择为所述枢纽坝前水位向上游水平延至的最远处，各枢纽下游第一个断面设置为紧邻该枢纽；A2、整个模拟期划分为若干个计算时段，为了保证河道水力计算的收敛性和精度，计算时段步长不超过Is ；A3、对实施河段构建一维水动力计算模型，用实测径流过程率定一维水动力模型参数并进行模型验证；步骤B:给出河道最上游断面的流量过程和最下游断面的水位过程；每级枢纽上游天然断面及该级枢纽对应虚拟断面初始水位取该枢纽正常蓄水位；最后一级枢纽下游断面初始水位取下游航道最高通航设计水位，河道所有断面初始流量取河道上边界水文站多年平均流量。步骤C:全河道断面水力学要素同步计算方法如下，其中各级枢纽调度过程即为各级枢纽对应虚化断面的水位与流量过程:采用显式特征线法求解圣维南方程确定计算时段末天然河道断面的水位和流量水力要素；对枢纽所在处所述虚拟断面时段末水力要素则根据枢纽调度由水量平衡计算确定，计算方法为:Cl:对所述最上游断面，根据上边界流量过程，通过时间插值获得所述最上游断面的第一时段末流量；并利用特征法求得所述最上游断面第一时段末水位；C2:对紧邻所述最上游断面的计算断面至第一级枢纽前的第一个计算断面，根据所述第一级枢纽虚化断面及其上游全部断面的初始水位和流量值，采用特征线法求解圣维南方程，即可依次获得紧邻所述最上游断面的计算断面至所述第一级枢纽前的第一个计算断面第一时段末的水位和流量值；C3:第一级枢纽虚化断面水力要素计算过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种梯级枢纽联合调度中水流“滞时”处理方法，所述梯级枢纽包括多个枢纽，其特征在于，其包括如下步骤：步骤A：将整体河道根据地形状况和枢纽建筑物分布情况，进行河道断面划分：A1、将河道划分为多个计算断面，河道中天然断面间距不超过500m；梯级枢纽中各枢纽所在河段分别设置为虚化断面，各枢纽上游入库断面选择为所述枢纽坝前水位向上游水平延至的最远处，各枢纽下游第一个断面设置为紧邻该枢纽；A2、整个模拟期划分为若干个计算时段，计算时段步长不超过1s；A3、对实施河段构建一维水动力计算模型，用实测径流过程率定一维水动力模型参数并进行模型验证;步骤B：给出河道最上游断面的流量过程和最下游断面的水位过程；每级枢纽上游天然断面及该级枢纽对应虚拟断面初始水位取该枢纽正常蓄水位；最后一级枢纽下游断面初始水位取下游河道最高通航设计水位，河道所有断面初始流量取河道上边界水文站多年平均流量；步骤C：采用显式特征线法求解圣维南方程确定计算时段末天然河道断面的水位和流量水力要素；对枢纽所在处所述虚拟断面时段末水力要素则根据枢纽调度由水量平衡计算确定，计算方法为：C1：对所述最上游断面，根据上边界流量过程，通过时间插值获得所述最上游断面的第一时段末流量；并利用特征法求得所述最上游断面第一时段末水位；C2：对紧邻所述最上游断面的计算断面至所述第一级枢纽前的第一个计算断面，根据所述第一级枢纽虚化断面及其上游全部断面的初始水位和流量值，采用特征线法求解圣维南方程，依次获得紧邻所述最上游断面的计算断面至所述第一级枢纽前的第一个计算断面第一时段末的水位和流量值；C3：第一级枢纽虚化断面水力要素计算过程为：根据所述第一级枢纽入库断面时段初流量和所述第一级枢纽的虚化断面时段初水位，根据枢纽调度规则，确定所述第一级枢纽下泄流量，将该流量值作为所述第一级枢纽的虚化断面时段末流量；由第一级枢纽下泄流量，并结合所述第一级枢纽入库断面时段初流量值及由计算确定的时段末流量值，以及所述第一级枢纽坝时段初坝前水位值，根据枢纽水位?库容关系曲线进行水量平衡计算，确定所述第一级枢纽时段末水位值，亦即所述第一级枢纽虚化断面第一时段末的水位值；C4：将所述第一级枢纽调度下泄流量作为与所述第一级枢纽紧邻的下游第一个天然计算断面的时段末流量，然后类比所述河道最上游断面，采用特征法求得该天然计算断面对应的第一时段末水位值；C5：对其他梯级枢纽：将上一级枢纽下泄流量作为本级枢纽最上游断面的流量值，重复 C1～C4步骤计算，获得本级枢纽上游所有断面及本级枢纽虚化断面的第一时段末水位和流量值。最后一级枢纽下游天然航道断面：最后一级枢纽的下泄流量作为该区段最上游第一级断面的时段末流量，采用特征线法求解圣维南方程获得下游断面的水位和流量水力要素值；对航道最后一个计算断面，根据下边界水位过程，通过时间插值获得该断面的第t一时段末水位，并利用特征法求得第一时段末流量，该区段其它计算断面，采用特征线法求解圣维南方程求得第一时段末水位和流量值。；C6：对其余时段重复C1?C5步骤进行计算，直至模拟期最末时段，获得河道一维水动力模型计算结果。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：胡亚安，张铭，韩昌海，李君，郭永彬，李艳富，郭超，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：发明
国别省市：