CN104099891B - 基于动态调节性能的水库群补偿调度方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于动态调节性能的水库群补偿调度方法及系统，水库群补偿调度方法包括如下步骤：建立防洪点超额水量分配模型；根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序；确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件；采用分级控制分段试算法计算得到水库调度方案。本发明综合考虑了水库的空间位置、空闲库容、入库洪水过程和后续降雨四个因素，比现有的补偿调度通用模型考虑因素更加全面，并利用动态调节系数来衡量水库的动态调节能力，依此确定水库群轮库补偿调度次序，更能满足实时防洪调度的实际要求。本发明计算得出的水库群补偿调度方案的可操作性较好，和现有的补偿调度通用模型相比计算速度更快，并且易于实现、通用性强。

Description

基于动态调节性能的水库群补偿调度方法及系统

技术领域

本发明属于水利工程领域中的水库调度技术，尤其涉及一种基于动态调节性能的水库群补偿调度方法及系统。

背景技术

水库调度技术是指利用水库的调蓄作用对入库流量过程进行调节，改变天然径流的时空分配，达到消除洪涝灾害、提高水资源和水能资源利用率的目的，是流域水库群运行管理的重要手段之一。

水库补偿调度属于防洪调度的范畴，其主要目标是在保证水库最高水位和调度期末水位约束的前提下，通过水库群的联合调度，使得各个水库的出库流量和不可控的区间来水过程在防洪点相互叠加所形成的流量过程的峰值最小，从而实现整个防洪系统防洪效益的最大化。

目前，现有的水库群补偿调度方法主要存在以下不足：(1)计算效率低。以逐次优化算法(POA)、动态规划(DP)为代表的数学规划方法在水库群补偿调度中应该较为广泛，这类方法的计算时间较长，次洪计算所需的时间以分钟为量级，并且最优解不唯一，难以满足水库实时防洪调度的实际应用要求。(2)考虑因素不够全面。现阶段的补偿调度通用模型仅考虑了预泄和拦蓄这两个因素，该模型虽然容易实现，但是考虑的因素不够全面，难以求得水库群最优的泄洪策略。

发明内容

发明目的：一个目的是提供一种基于动态调节性能的水库群补偿调度方法，以解决现有技术计算效率低，无法实现水库实时防洪调度的要求，以及考虑因素不全面的问题。

另一个目的是构建一种基于动态调节性能的水库群补偿调度系统，以实现上述方法。

技术方案：一种基于动态调节性能的水库群补偿调度方法，包括如下步骤：

建立防洪点超额水量分配模型；根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序；确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件；采用分级控制分段试算法计算得到水库调度方案。

上述方案进一步为：

步骤1、建立防洪点超额水量分配模型：

步骤11、计算防洪点超过安全泄量的水量W_超额，

其中，Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；Δt为时段长；T为次洪总时段数；

步骤12、计算第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量W_i，

$W_i=\underset{t=t_0}{\overset{t_1}{\mathrm{\Σ}}}{Q_i}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}$

其中，Q_i’(t)为第i个水库泄流在防洪点的响应过程，Δt为时段长；

Wi考虑了洪水的演进，在一定程度上反映了水库的空间位置差异。若表明各个水库利用自身可用的调蓄库容可以将超额水量拦蓄在水库中；若则表明不可控的区间洪水对超额水量有一定的贡献，n为防洪点上游水库的总数。

步骤13、本实施例将W_超额在n个水库间进行合理的分配，分配的原则综合考虑了水库的空间位置、空闲库容、入库洪水过程和后续降雨四个因素。对第i个水库而言，水库在当前水位下剩余的调蓄库容为V_i，后续降雨量为h_i，水库控制面积为S_i，则后续降雨导致的入库水量为h_i·S_i，需要预留的库容ΔV_i可采用以下公式计算，

ΔV_i＝h_i·S_i-ΔW_i

其中，ΔW_i为第i个水库在计算期内的下泄水量，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容；

步骤14、计算第i个水库分担的拦蓄水量W_i,拦蓄，n个水库的极限拦蓄水量W_拦蓄，第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，以及第i个水库实际拦蓄水量；

第i个水库分担的拦蓄水量，W_i,拦蓄＝min{V_i-ΔV_i,W_i}

n个水库的极限拦蓄水量，

第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，

第i个水库实际拦蓄水量，ΔW_i'＝λ_i·W_拦蓄；

步骤2、根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序：

本实施例采用轮库补偿的方法进行水库群联合调度，为了确定各个水库的补偿调度次序，提出了反映水库动态调节能力的动态调节系数，第i个水库的动态调节系数α_i可采用以下公式计算： ${\mathrm{\α}}_i=1-\frac{\min (W_i,V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i)}{V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i}$

水库群轮库补偿调度次序按照动态调节系数由小到大的顺序确定，即调节能力低的水库优先进行补偿调度；当动态调节系数相同时，传播时间较短者优先。

步骤3、确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件：

以防洪点的洪峰流量最小为目标，其目标函数为：

第1个水库的目标函数表达式为：

其中，T为调度期时段数；q₁(t)为第1个水库的出库流量在防洪点的响应过程；Q_区(t)为区间流量过程；q_A为防洪点安全泄量；

第i个水库的目标函数表达式为：

其中，q_i(t)为第i个水库的出库流量在防洪点的响应过程；为第1库至第i-1库的出库流量在防洪点的响应过程之和；其它变量同前所述；

约束条件包括水量平衡约束、水库最高水位约束、调度期末水位约束、水库泄流能力约束和出库允许变幅约束：

水量平衡约束： $V_i\left(t\right)=V_i(t-1)+[\frac{Q_i\left(t\right)+Q_i(t-1)}{2}-\frac{q_i\left(t\right)+q_i(t-1)}{2}]\·\mathrm{\Δt},$

其中，Q_i(t-1)，Q_i(t)为第i水库第t时段始末入库流量；q_i(t-1)，q_i(t)为第i水库第t时段始末出库流量；V_i(t-1)，V_i(t)为第i水库第t时段始末水库的蓄水量；Δt为时段长；

水库最高水位约束：Z_i(t)≤Z_max,i，Z_max,i＝Z(V(Z_i ⁰)+ΔW_i')，

其中，Z_i(t)为第i水库第t时刻的水位；Z_max,i为第i水库的最高控制水位；Z_i ⁰为第i水库的起调水位；ΔW_i'为第i水库的实际拦蓄水量；

调度期末水位约束：Z_i,end≥Z_i,e

其中，Z_i,end为第i水库调度期末水位；Z_i,e为第i水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，可以取“＝”。

水库泄流能力约束：q_i(t)≤q_i(Z_i(t))

其中，q_i(t)为第i水库第t时刻的出库流量；q_i(Z_i(t))为第i水库第t时刻在水位Z_i(t)时的泄流能力。

出库允许变幅约束：|q_i(t)-q_i(t-1)|≤▽q_i,m

其中，|q_i(t)-q_i(t-1)|为第i水库相邻时段出库流量的变幅；▽q_i,m为第i水库的允许出库流量变幅。

步骤4、采用分级控制分段试算法计算得到水库调度方案。

所述步骤4进一步包括：

步骤41、给出水库仅考虑防洪库容单一约束条件下的初始理想最优解；

步骤42、根据水量平衡方程进行调节计算，并逐时段检验泄流能力约束和出库允许变幅约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后重新进行调节计算；

步骤43、检验最高水位约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算；

步骤44、检验期末水位约束，如果满足约束条件，整理计算结果，结束计算，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算。

一种基于动态调节性能的水库群补偿调度系统，包括如下模块：

建模模块，用于建立防洪点超额水量分配模型；

目标函数和约束条件确立模块，用于确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件；

分级控制分段试算法模块，用于计算得到水库调度方案。

在其他技术方案中，进一步为：

用于建立防洪点超额水量分配模型的建模模块包括：

第一子模块、用于计算防洪点超过安全泄量的水量W_超额，

其中，Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；Δt为时段长；T为次洪总时段数；

第二子模块，用于计算第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量W_i，

$W_i=\underset{t=t_0}{\overset{t_1}{\mathrm{\Σ}}}{Q_i}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}$

其中，Q_i’(t)为第i个水库泄流在防洪点的响应过程，Δt为时段长；

第三子模块，用于计算需要预留的库容ΔV_i，

ΔV_i＝h_i·S_i-ΔW_i

其中，ΔW_i为第i个水库在计算期内的下泄水量，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，h_i为后续降雨量，S_i为水库控制面积；

第四子模块，用于计算第i个水库分担的拦蓄水量W_i,拦蓄，n个水库的极限拦蓄水量W_拦蓄，第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，以及第i个水库实际拦蓄水量；

第i个水库分担的拦蓄水量，W_i,拦蓄＝min{V_i-ΔV_i,W_i}

n个水库的极限拦蓄水量，

第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，

第i个水库实际拦蓄水量，ΔW_i'＝λ_i·W_拦蓄；

所述用于根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序的调度模块包括；

用于计算第i个水库动态调节系数α_i的调节系数计算模块，

${\mathrm{\α}}_i=1-\frac{\min (W_i,V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i)}{V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i}$

其中，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，ΔV_i为需要预留的库容，W_i为第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量；

用于确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件的目标函数和约束条件确立模块包括若干个目标函数确立子模块和约束条件确立子模块：

以防洪点的洪峰流量最小为目标，其目标函数为：

第1个水库的目标函数表达式为：

其中，T为调度期时段数；q₁(t)为第1个水库的出库流量在防洪点的响应过程；Q_区(t)为区间流量过程；q_A为防洪点安全泄量；

第i个水库的目标函数表达式为：

其中，q_i(t)为第i个水库的出库流量在防洪点的响应过程；为第1库至第i-1库的出库流量在防洪点的响应过程之和；其它变量同前所述；

约束条件建立子模块包括水量平衡约束建立子模块、水库最高水位约束建立子模块、调度期末水位约束建立子模块、水库泄流能力约束建立子模块和出库允许变幅约束建立子模块：

水量平衡约束建立子模块建立如下水量平衡约束：

$V_i\left(t\right)=V_i(t-1)+[\frac{Q_i\left(t\right)+Q_i(t-1)}{2}-\frac{q_i\left(t\right)+q_i(t-1)}{2}]\·\mathrm{\Δt},$

其中，Q_i(t-1)，Q_i(t)为第i水库第t时段始末入库流量；q_i(t-1)，q_i(t)为第i水库第t时段始末出库流量；V_i(t-1)，V_i(t)为第i水库第t时段始末水库的蓄水量；Δt为时段长；

水库最高水位约束建立子模块建立如下水库最高水位约束：

Z_i(t)≤Z_max,i，Z_max,i＝Z(V(Z_i ⁰)+ΔW_i')，

其中，Z_i(t)为第i水库第t时刻的水位；Z_max,i为第i水库的最高控制水位；Z_i ⁰为第i水库的起调水位；ΔW_i'为第i水库的实际拦蓄水量；

调度期末水位约束建立子模块建立如下调度期末水位约束：

Z_i,end≥Z_i,e，

其中，Z_i,end为第i水库调度期末水位；Z_i,e为第i水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，可以取“＝”。

水库泄流能力约束建立子模块建立如下水库泄流能力约束：

q_i(t)≤q_i(Z_i(t))

其中，q_i(t)为第i水库第t时刻的出库流量；q_i(Z_i(t))为第i水库第t时刻在水位Z_i(t)时的泄流能力。

出库允许变幅约束建立子模块建立如下出库允许变幅约束：

|q_i(t)-q_i(t-1)|≤▽q_i,m

其中，|q_i(t)-q_i(t-1)|为第i水库相邻时段出库流量的变幅；▽q_i,m为第i水库的允许出库流量变幅；

分级控制分段试算法模块，用于计算得到水库调度方案。

所述分级控制分段试算法模块用于执行如下计算过程：

步骤41、给出水库仅考虑防洪库容单一约束条件下的初始理想最优解；

步骤42、根据水量平衡方程进行调节计算，并逐时段检验泄流能力约束和出库允许变幅约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后重新进行调节计算；

步骤43、检验最高水位约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算；

步骤44、检验期末水位约束，如果满足约束条件，整理计算结果，结束计算，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算。

有益效果：1、本发明综合考虑了水库的空间位置、空闲库容、入库洪水过程和后续降雨四个因素，比现有的补偿调度通用模型考虑因素更加全面，并利用动态调节系数来衡量水库的动态调节能力，依此确定水库群轮库补偿调度次序，更能满足实时防洪调度的实际要求。2、本发明计算得出的水库群补偿调度方案的可操作性较好，和现有的补偿调度通用模型相比计算速度更快，效率更高，并且易于实现、通用性强。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为防洪点超额水量示意图，其中：Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；W_超额为防洪点的超额水量；Q_i’(t)为水库泄流在防洪点的响应过程；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；W_i为Q_i’(t)位于[t₀，t₁]时段的水量。

图3为分级控制分段试算法求解流程图。

具体实施方式

如图1至图3所示，本发明基于动态调节性能的水库群补偿调度方法，包括以下步骤：

步骤1，建立防洪点超额水量分配模型：

图2为防洪点超额水量示意图，定义W_超额为防洪点超过安全泄量的水量，可采用以下公式计算：

其中，Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；Δt为时段长；T为次洪总时段数。

定义W_i为第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量，可采用以下公式计算：

$W_i=\underset{t=t_0}{\overset{t_1}{\mathrm{\Σ}}}{Q_i}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}$

其中，Q_i’(t)为第i个水库泄流在防洪点的响应过程；其它变量同前。

Wi考虑了洪水的演进，在一定程度上反映了水库的空间位置差异。若表明各个水库利用自身可用的调蓄库容可以将超额水量拦蓄在水库中；若则表明不可控的区间洪水对超额水量有一定的贡献，n为防洪点上游水库的总数。

本实施例将W_超额在n个水库间进行合理的分配，分配的原则综合考虑了水库的空间位置、空闲库容、入库洪水过程和后续降雨四个因素。对第i个水库而言，水库在当前水位下剩余的调蓄库容为V_i，后续降雨量为h_i，水库控制面积为S_i，则后续降雨导致的入库水量为h_i·S_i，水库考虑后续降雨需要预留的库容ΔV_i可采用以下公式计算：

ΔV_i＝h_i·S_i-ΔW_i

其中，ΔW_i为第i个水库在计算期内的下泄水量。

本实施例综合考虑以上四个因素，第i个水库分担的拦蓄水量W_i,拦蓄可采用以下公式计算：

W_i,拦蓄＝min{V_i-ΔV_i,W_i}

n个水库的极限拦蓄水量W_拦蓄可采用以下公式计算：

第i个水库实际拦蓄水量的分担系数可采用以下公式计算：

第i个水库实际拦蓄水量可采用以下公式计算：

ΔW_i'＝λ_i·W_拦蓄

步骤2，根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序：

本实施例采用轮库补偿的方法进行水库群联合调度，为了确定各个水库的补偿调度次序，提出了反映水库动态调节能力的动态调节系数，第i个水库动态调节系数α_i可采用以下公式计算：

${\mathrm{\α}}_i=1-\frac{\min (W_i,V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i)}{V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i}$

水库群轮库补偿调度次序按照动态调节系数由小到大的顺序确定，即调节能力低的水库优先进行补偿调度；当动态调节系数相同时，传播时间较短者优先。

步骤3，确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件：

在本实施例中，以防洪点的洪峰流量最小为目标，其目标函数可采用以下公式表示：

第1个水库的目标函数表达式为：

其中，T为调度期时段数；q₁(t)为第1个水库的出库流量在防洪点的响应过程；Q_区(t)为区间流量过程；q_A为防洪点安全泄量。

第i个水库的目标函数表达式为：

其中，q_i(t)为第i个水库的出库流量在防洪点的响应过程；为第1库至第i-1库的出库流量在防洪点的响应过程之和；其它变量同前。

本实施例考虑的约束条件如下：

(1)水量平衡约束，可用以下公式表示：

$V_i\left(t\right)=V_i(t-1)+[\frac{Q_i\left(t\right)+Q_i(t-1)}{2}-\frac{q_i\left(t\right)+q_i(t-1)}{2}]\·\mathrm{\Δt}$

其中，Q_i(t-1)，Q_i(t)为第i水库第t时段始末入库流量；q_i(t-1)，q_i(t)为第i水库第t时段始末出库流量；V_i(t-1)，V_i(t)为第i水库第t时段始末水库的蓄水量；Δt为时段长。

(2)水库最高水位约束，可用以下公式表示：

Z_i(t)≤Z_max,i

Z_max,i＝Z(V(Z_i ⁰)+ΔW_i')

其中，Z_i(t)为第i水库第t时刻的水位；Z_max,i为第i水库的最高控制水位；Z_i ⁰为第i水库的起调水位；ΔW_i'为第i水库的实际拦蓄水量。

(3)调度期末水位约束，可用以下公式表示：

Z_i,end≥Z_i,e

其中，Z_i,end为第i水库调度期末水位；Z_i,e为第i水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，可以取“＝”。

(4)水库泄流能力约束，可用以下公式表示：

q_i(t)≤q_i(Z_i(t))

其中，q_i(t)为第i水库第t时刻的出库流量；q_i(Z_i(t))为第i水库第t时刻在水位Z_i(t)时的泄流能力。

(5)出库允许变幅约束，可用以下公式表示：

|q_i(t)-q_i(t-1)|≤▽q_i,m

其中，|q_i(t)-q_i(t-1)|为第i水库相邻时段出库流量的变幅；▽q_i,m为第i水库的允许出库流量变幅。

步骤4，采用分级控制分段试算法计算得到水库调度方案：

分级控制分段试算法是基于“理想最优解”的过程迭代算法，该算法通过重要性逐步引入约束条件，经过反复迭代计算逼近最优解。算法的流程如附图3所示，主要包括以下求解步骤：

(1)给出水库仅考虑防洪库容单一约束条件下的初始理想最优解；

(2)根据水量平衡方程进行调节计算，并逐时段检验泄流能力约束和出库允许变幅约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后重新进行调节计算；

(3)检验最高水位约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后转(2)重新进行调节计算；

(4)检验期末水位约束，如果满足约束条件，整理计算结果，结束计算，否则修正出库流量后转(2)重新进行调节计算。

本发明还提供了一种实现上述方法的系统，一种基于动态调节性能的水库群补偿调度系统，包括如下模块：

建模模块，用于建立防洪点超额水量分配模型；

目标函数和约束条件确立模块，用于确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件；

分级控制分段试算法模块，用于计算得到水库调度方案。

在其他技术方案中，进一步为：

用于建立防洪点超额水量分配模型的建模模块包括：

第一子模块，用于计算防洪点超过安全泄量的水量W_超额，

其中，Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；Δt为时段长；T为次洪总时段数；

第二子模块，用于计算第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量W_i，

$W_i=\underset{t=t_0}{\overset{t_1}{\mathrm{\Σ}}}{Q_i}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{\Δt}$

其中，Q_i’(t)为第i个水库泄流在防洪点的响应过程，Δt为时段长；

第三子模块，用于计算需要预留的库容ΔV_i，

ΔV_i＝h_i·S_i-ΔW_i

其中，ΔW_i为第i个水库在计算期内的下泄水量，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，h_i为后续降雨量，S_i为水库控制面积；

第四子模块，用于计算第i个水库分担的拦蓄水量W_i,拦蓄，n个水库的极限拦蓄水量W_拦蓄，第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，以及第i个水库实际拦蓄水量；

第i个水库分担的拦蓄水量，W_i,拦蓄＝min{V_i-ΔV_i,W_i}

n个水库的极限拦蓄水量，

第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，

第i个水库实际拦蓄水量，ΔW_i'＝λ_i·W_拦蓄；

所述用于根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序的调度模块包括；

用于计算第i个水库动态调节系数α_i的调节系数计算模块，

${\mathrm{\α}}_i=1-\frac{\min (W_i,V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i)}{V_i-\mathrm{\Δ}{V}_i}$

其中，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，ΔV_i为需要预留的库容，W_i为第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量；

用于确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件的函数确立模块包括若干个个函数确定子模块和约束条件建立子模块：

以防洪点的洪峰流量最小为目标，其目标函数为：

第1个水库的目标函数表达式为：

其中，T为调度期时段数；q₁(t)为第1个水库的出库流量在防洪点的响应过程；Q_区(t)为区间流量过程；q_A为防洪点安全泄量；

第i个水库的目标函数表达式为：

其中，q_i(t)为第i个水库的出库流量在防洪点的响应过程；为第1库至第i-1库的出库流量在防洪点的响应过程之和；其它变量同前所述；

约束条件建立子模块包括水量平衡约束建立子模块、水库最高水位约束建立子模块、调度期末水位约束建立子模块、水库泄流能力约束建立子模块和出库允许变幅约束建立子模块：

水量平衡约束建立子模块建立如下水量平衡约束：

$V_i\left(t\right)=V_i(t-1)+[\frac{Q_i\left(t\right)+Q_i(t-1)}{2}-\frac{q_i\left(t\right)+q_i(t-1)}{2}]\·\mathrm{\Δt},$

其中，Q_i(t-1)，Q_i(t)为第i水库第t时段始末入库流量；q_i(t-1)，q_i(t)为第i水库第t时段始末出库流量；V_i(t-1)，V_i(t)为第i水库第t时段始末水库的蓄水量；Δt为时段长；

水库最高水位约束建立子模块建立如下水库最高水位约束：

Z_i(t)≤Z_max,i，Z_max,i＝Z(V(Z_i ⁰)+ΔW_i')，

其中，Z_i(t)为第i水库第t时刻的水位；Z_max,i为第i水库的最高控制水位；Z_i ⁰为第i水库的起调水位；ΔW_i'为第i水库的实际拦蓄水量；

调度期末水位约束建立子模块建立如下调度期末水位约束，Z_i,end≥Z_i,e

其中，Z_i,end为第i水库调度期末水位；Z_i,e为第i水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，可以取“＝”。

水库泄流能力约束建立子模块建立如下水库泄流能力约束，可用以下公式表示：q_i(t)≤q_i(Z_i(t))

其中，q_i(t)为第i水库第t时刻的出库流量；q_i(Z_i(t))为第i水库第t时刻在水位Z_i(t)时的泄流能力。

出库允许变幅约束建立子模块建立如下出库允许变幅约束，|q_i(t)-q_i(t-1)|≤▽q_i,m

其中，|q_i(t)-q_i(t-1)|为第i水库相邻时段出库流量的变幅；▽q_i,m为第i水库的允许出库流量变幅；

用于求解水库调度方案的分级控制分段试算法模型具体执行以下计算过程：

步骤41、给出水库仅考虑防洪库容单一约束条件下的初始理想最优解；

步骤42、根据水量平衡方程进行调节计算，并逐时段检验泄流能力约束和出库允许变幅约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后重新进行调节计算；

步骤43、检验最高水位约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算；

步骤44、检验期末水位约束，如果满足约束条件，整理计算结果，结束计算，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算。以上详细描述了本发明的具体实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (4)

1.一种基于动态调节性能的水库群补偿调度方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、建立防洪点超额水量分配模型：

步骤11、计算防洪点超过安全泄量的水量W_超额，

其中，Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；Δt为时段长；T为次洪总时段数；

步骤12、计算第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量W_i，

$W_i=\underset{t=t_0}{\overset{t_1}{\Σ}}{Q_i}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}t$

其中，Q_i’(t)为第i个水库泄流在防洪点的响应过程，Δt为时段长；

步骤13、计算需要预留的库容ΔV_i，

ΔV_i＝h_i·S_i-ΔW_i

其中，ΔW_i为第i个水库在计算期内的下泄水量，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，h_i为后续降雨量，S_i为水库控制面积；

步骤14、计算第i个水库分担的拦蓄水量W_i,拦蓄，n个水库的极限拦蓄水量W_拦蓄，第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，以及第i个水库实际拦蓄水量；

第i个水库分担的拦蓄水量，W_i,拦蓄＝min{V_i-ΔV_i,W_i}

n个水库的极限拦蓄水量，

第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，

第i个水库实际拦蓄水量，ΔW_i'＝l_i·W_拦蓄；

步骤2、根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序：

计算第i个水库动态调节系数a_i，

${\mathrm{\α}}_i=1-\frac{min(W_i,V_i-{\mathrm{\ΔV}}_i)}{V_i-{\mathrm{\ΔV}}_i}$

其中，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，ΔV_i为需要预留的库容，W_i为第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量；

步骤3、确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件：

以防洪点的洪峰流量最小为目标，其目标函数为：

第1个水库的目标函数表达式为：

其中，T为调度期时段数；q₁(t)为第1个水库的出库流量在防洪点的响应过程；Q_区(t)为区间流量过程；q_A为防洪点安全泄量；

第i个水库的目标函数表达式为：

其中，q_i(t)为第i个水库的出库流量在防洪点的响应过程；为第1库至第i-1库的出库流量在防洪点的响应过程之和；其它变量同前所述；

约束条件包括水量平衡约束、水库最高水位约束、调度期末水位约束、水库泄流能力约束和出库允许变幅约束：

其中，水量平衡约束： $V_i\left(t\right)=V_i(t-1)+\[\frac{Q_i\left(t\right)+Q_i(t-1)}{2}-\frac{q_i\left(t\right)+q_i(t-1)}{2}\]\·\mathrm{\Δ}t,$

其中，Q_i(t-1)，Q_i(t)为第i水库第t时段始末入库流量；q_i(t-1)，q_i(t)为第i水库第t时段始末出库流量；V_i(t-1)，V_i(t)为第i水库第t时段始末水库的蓄水量；Δt为时段长；

水库最高水位约束Z_i(t)≤Z_max,i，Z_max,i＝Z(V(Z_i ⁰)+ΔW_i')，

其中，Z_i(t)为第i水库第t时刻的水位；Z_max,i为第i水库的最高控制水位；Z_i ⁰为第i水库的起调水位；ΔW_i'为第i水库的实际拦蓄水量；

调度期末水位约束，Z_i,end≥Z_i,e

其中，Z_i,end为第i水库调度期末水位；Z_i,e为第i水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，取“＝”；

水库泄流能力约束，可用以下公式表示：q_i(t)≤q_i(Z_i(t))

其中，q_i(t)为第i水库第t时刻的出库流量；q_i(Z_i(t))为第i水库第t时刻在水位Z_i(t)时的泄流能力；

出库允许变幅约束， $|q_i\left(t\right)-q_i(t-1)|\≤\▿q_{i,m}$

其中，|q_i(t)-q_i(t-1)|为第i水库相邻时段出库流量的变幅；为第i水库的允许出库流量变幅；

步骤4、采用分级控制分段试算法计算得到水库调度方案。

2.如权利要求1所述的基于动态调节性能的水库群补偿调度方法，其特征在于，所述步骤4进一步包括：

步骤41、给出水库仅考虑防洪库容单一约束条件下的初始理想最优解；

步骤42、根据水量平衡方程进行调节计算，并逐时段检验泄流能力约束和出库允许变幅约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后重新进行调节计算；

步骤43、检验最高水位约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算；

步骤44、检验期末水位约束，如果满足约束条件，整理计算结果，结束计算，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算。

3.一种基于动态调节性能的水库群补偿调度系统，其特征在于，包括如下模块：

建模模块，用于建立防洪点超额水量分配模型；

调度模块，用于根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序；

函数确立模块，用于确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件；

分级控制分段试算法模块，用于计算得到水库调度方案；

其中，

用于建立防洪点超额水量分配模型的建模模块包括：

第一子模块、用于计算防洪点超过安全泄量的水量W_超额，

其中，Q(t)为防洪点天然洪水过程；q_A为防洪点的安全泄量；t₀、t₁分别为超额水量的起、止时序；Δt为时段长；T为次洪总时段数；

第二子模块，用于计算第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量W_i，

$W_i=\underset{t=t_0}{\overset{t_1}{\Σ}}{Q_i}^{\′}\left(t\right)\·\mathrm{\Δ}t$

其中，Q_i’(t)为第i个水库泄流在防洪点的响应过程，Δt为时段长；

第三子模块，用于计算需要预留的库容ΔV_i，

ΔV_i＝h_i·S_i-ΔW_i

其中，ΔW_i为第i个水库在计算期内的下泄水量，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，h_i为后续降雨量，S_i为水库控制面积；

第四子模块，用于计算第i个水库分担的拦蓄水量W_i,拦蓄，n个水库的极限拦蓄水量W_拦蓄，第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，以及第i个水库实际拦蓄水量；

第i个水库分担的拦蓄水量，

n个水库的极限拦蓄水量，

第i个水库实际拦蓄水量的分担系数，

第i个水库实际拦蓄水量，ΔW_i'＝λ_i·W_拦蓄；

所述用于根据各水库动态调节系数的大小确定水库群轮库补偿调度次序的调度模块包括；

用于计算第i个水库动态调节系数a_i的调节系数计算模块，

${\mathrm{\α}}_i=1-\frac{min(W_i,V_i-{\mathrm{\ΔV}}_i)}{V_i-{\mathrm{\ΔV}}_i}$

其中，V_i为水库在当前水位下剩余的调蓄库容，ΔV_i为需要预留的库容，W_i为第i个水库泄流在防洪点的响应过程位于[t₀，t₁]时段的水量；

用于确定水库群补偿调度的目标函数和约束条件的函数确立模块包括若干个函数确定子模块和约束条件建立子模块：

以防洪点的洪峰流量最小为目标，其目标函数为：

第1个水库的目标函数表达式为：

其中，T为调度期时段数；q₁(t)为第1个水库的出库流量在防洪点的响应过程；Q_区(t)为区间流量过程；q_A为防洪点安全泄量；

第i个水库的目标函数表达式为：

其中，q_i(t)为第i个水库的出库流量在防洪点的响应过程；为第1库至第i-1库的出库流量在防洪点的响应过程之和；其它变量同前所述；

约束条件建立子模块包括水量平衡约束建立子模块、水库最高水位约束建立子模块、调度期末水位约束建立子模块、水库泄流能力约束建立子模块和出库允许变幅约束建立子模块：

其中，水量平衡约束建立子模块建立如下水量平衡约束：

$V_i\left(t\right)=V_i(t-1)+\[\frac{Q_i\left(t\right)+Q_i(t-1)}{2}-\frac{q_i\left(t\right)+q_i(t-1)}{2}\]\·\mathrm{\Δ}t,$

其中，Q_i(t-1)，Q_i(t)为第i水库第t时段始末入库流量；q_i(t-1)，q_i(t)为第i水库第t时段始末出库流量；V_i(t-1)，V_i(t)为第i水库第t时段始末水库的蓄水量；Δt为时段长；

水库最高水位约束建立子模块建立如下水库最高水位约束：

Z_i(t)≤Z_max,i，Z_max,i＝Z(V(Z_i ⁰)+ΔW_i')，

其中，Z_i(t)为第i水库第t时刻的水位；Z_max,i为第i水库的最高控制水位；Z_i ⁰为第i水库的起调水位；ΔW_i'为第i水库的实际拦蓄水量；

调度期末水位约束建立子模块建立如下调度期末水位约束，Z_i,end≥Z_i,e

其中，Z_i,end为第i水库调度期末水位；Z_i,e为第i水库调度期末控制水位；当满足其他约束时，取“＝”；

水库泄流能力约束建立子模块建立如下水库泄流能力约束，可用以下公式表示：q_i(t)≤q_i(Z_i(t))

其中，q_i(t)为第i水库第t时刻的出库流量；q_i(Z_i(t))为第i水库第t时刻在水位Z_i(t)时的泄流能力；

出库允许变幅约束建立子模块建立如下出库允许变幅约束，

其中，|q_i(t)-q_i(t-1)|为第i水库相邻时段出库流量的变幅；为第i水库的允许出库流量变幅；

步骤4、分级控制分段试算法模块，用于计算得到水库调度方案。

4.如权利要求3所述的基于动态调节性能的水库群补偿调度系统，其特征在于，

所述分级控制分段试算法模块用于执行如下计算过程：

步骤41、给出水库仅考虑防洪库容单一约束条件下的初始理想最优解；

步骤42、根据水量平衡方程进行调节计算，并逐时段检验泄流能力约束和出库允许变幅约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后重新进行调节计算；

步骤43、检验最高水位约束，如果满足约束条件，直接转下一步，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算；

步骤44、检验期末水位约束，如果满足约束条件，整理计算结果，结束计算，否则修正出库流量后转步骤42重新进行调节计算。