CN106503882A - 一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法,包括如下步骤:数值化泄洪闸门启闭状态和约束规则；制作所述泄洪闸门启闭主题数据库；确定所述水电站面临情况的初始条件；生成所述闸门启闭优化方案。本发明针对在水电站日常工作期间，尤其是汛期，人工制定闸门启闭方案复杂、耗时、难以最优问题，提出基于主题数据库的水电站闸门启闭优化方法，根据来水流量过程和水位控制要求，快速计算并确定合理的水库泄洪建筑物启闭方式及启闭时间，生成优化方案，在满足防洪安全的要求下，降低调度人员的工作强度，减少水电站闸门的操作量，确保水电站安全稳定运行。

Description

一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法

技术领域

本发明涉及水利水电技术领域，更具体地，涉及一种水电站泄洪闸门的优化运行方法。该方法可用于单库或梯级联合调度，能够为水电站运行部门快速准确调度提供决策支持。

背景技术

水电站的运行需要兼顾防洪、发电、航运、生态等多种效益，使得日常工作较为复杂。

尤其在汛期，由于水电站设置有不同类型的泄水建筑物(闸门)，且不同闸门开启方式迥异复杂、联动响应速度要求高，所以，大多数水电站的调度人员需综合考虑多种因素，并根据运行经验进行繁杂的人工计算，从而得到面临情况下的闸门调度令，其工作重复、繁琐且耗时较长。同时，汛期来水较大、流量变化较快，为了确保大坝工程安全和满足下游防洪要求，调度人员需要根据滚动的来水预报实时调整泄洪方式，由于人工计算所能承受的复杂度有限，闸门调度计算难以获得较好的预见性，使得水电站泄洪闸门的操作往往异常频繁，对闸门的安全和使用寿命都有不利的影响，且频繁操作闸门将产生剧烈变化的下泄流量，对下游的安全不利，并增加了下游电站的调度难度。

如何根据来水流量过程和水位控制要求，快速计算并确定合理的水库泄洪建筑物启闭方式及启闭时间，在满足防洪安全的要求下，降低调度人员的工作强度，减少水电站闸门的操作量，确保水电站安全稳定运行，具有重要意义。

发明内容

为解决上述背景技术的不足，本发明提供了一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法，通过收集水电站的基本信息及操作规范等约束条件来建立主题数据库，在实际应用中结合水电站实际运行情况自动选择闸门启闭优化方案，降低了调度人员的工作强度，同时也克服了原人工制定方案复杂、不够优化的缺点，可减少水电站闸门的操作量，确保水电站安全稳定运行。

为实现上述目的，本发明公开了一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法,包括如下步骤:

S1:数值化泄洪闸门启闭状态和约束规则。水电站具有多种泄洪设施，包括表孔、中孔、底孔、泄洪洞、舌瓣门等，根据电站的闸门操作规程，将各闸门的状态和约束进行数值化。对于每一个闸门的状态和约束条件，所需参数的数值化如下表所示。对于未提到的泄水设施或闸门约束类型，只需要根据闸门操作规程将其转化为可以进行计算的数值或数值范围即可。

水电站闸门状态和约束条件数值化表

S2:制作所述泄洪闸门启闭主题数据库。利用所述泄洪闸门启闭状态和约束规则的数值化表，将所有所述闸门的状态进行排列组合，按照固定的顺序生成如下所示的向量集合R_s：

其中，R_s表示该水电站所述闸门状态的可行域，将其存储到数据库中备用，即得到所述闸门启闭主题数据库；r_m,n表示第m个可行方案第n号闸门的状态(开度)。

S3：确定所述水电站面临情况的初始条件。由调度人员根据当前电站运行任务，确定水电站面临情况下的初始起调水位、预报入库流量过程、闸门初始状态、发电运行计划、计算时段步长、计算时段数等信息；以及水库约束条件，包括最低最高水位、最小最大库容、最小最大流量、闸门开度区间、非负条件等约束；从电站运行规程获取相关基础曲线，包括水位库容曲线、下泄能力曲线、尾水位流量关系等电站特征数据。

S4：生成所述闸门启闭优化方案。以所述闸门启闭主题数据库作为搜索域，以所述水电站面临情况初始条件作为计算的输入，将闸门调度令最少、闸门操作次数最少和闸门操作幅度最小分别作为第一、第二、第三优化目标(即在两个方案间首先比较闸门调度令次数，若相同则比较闸门操作次数，依此类推)，采用动态规划法进行搜索，确定优化方案。

闸门调度令最少目标：

闸门操作次数最少目标：

r_t,n∈r_t,r_t-1,n∈r_t

闸门操作幅度最小目标：

E_t,n＝abs(r_t,n-r_t-1,n)

r_t,n∈r_t,r_t-1,n∈r_t

其中，T表示计算涉及的时段数；N为水电站闸门的数量；C_t表示t时段的闸门调度令次数；O_t,n表示t时段第n个闸门的操作次数；E_t,n表示t时段第n个闸门的操作幅度；r_t表示t时段电站闸门状态的一维向量，包含了该时段所有闸门的状态；r_t,n表示t时段第n个闸门的状态；abs()表示绝对值。

采用的是正序动态规划。从第一个时段开始，对所述闸门启闭主题数据库中的所有闸门方案进行比较分析，判断其是否满足水位条件、开度条件、开启次序条件、对称条件等约束，舍弃不满足约束条件的方案；针对当前时段中的每个可行方案，根据三个所述优化目标选择出最优的路径；根据最后一个时段的最优路径向前回溯，即可得到满足实际工程需求的闸门启闭优化方案，能够应用于水电站实时调度中。

本发明的有益效果:通过将水电站闸门启闭状态和约束规则数值化，建立闸门启闭主题数据库，可根据水电站当前运行状态和任务要求，能根据来水流量过程和水位控制要求，快速计算并确定合理的水库泄洪建筑物启闭方式及启闭时间，在满足防洪安全的要求下，降低调度人员的工作强度，减少水电站闸门的操作量，确保水电站安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明的一实施例中一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法流程；

图2为本发明的另一实施例中一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法流程。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明公开了一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法,参考图1，包括如下步骤:

S1:数值化泄洪闸门启闭状态和约束规则。水电站具有多种泄洪设施，包括表孔、中孔、底孔、泄洪洞、舌瓣门等，根据电站的闸门操作规程，将各闸门的状态和约束进行数值化。对于每一个闸门的状态和约束条件，所需参数的数值化如下表所示。对于未提到的泄水设施或闸门约束类型，只需要根据闸门操作规程将其转化为可以进行计算的数值或数值范围即可。

表1水电站闸门状态和约束条件数值化表

S2:制作所述泄洪闸门启闭主题数据库。利用所述泄洪闸门启闭状态和约束规则的数值化表，将所有所述闸门的状态进行排列组合，按照固定的顺序生成如下所示的向量集合R_s：

其中，R_s表示该水电站所述闸门状态的可行域，将其存储到数据库中备用，即得到所述闸门启闭主题数据库；r_m,n表示第m个可行方案第n号闸门的状态(开度)。

S3：确定所述水电站面临情况的初始条件。由调度人员根据当前电站运行任务，确定水电站面临情况下的初始起调水位、预报入库流量过程、闸门初始状态、发电运行计划、计算时段步长、计算时段数等信息；以及水库约束条件，包括最低最高水位、最小最大库容、最小最大流量、闸门开度区间、非负条件等约束；从电站运行规程获取相关基础曲线，包括水位库容曲线、下泄能力曲线、尾水位流量关系等电站特征数据。

S4：生成所述闸门启闭优化方案。以所述闸门启闭主题数据库作为搜索域，以所述水电站面临情况初始条件作为计算的输入，将闸门调度令最少、闸门操作次数最少和闸门操作幅度最小分别作为第一、第二、第三优化目标(即在两个方案间首先比较闸门调度令次数，若相同则比较闸门操作次数，依此类推)，采用动态规划法进行搜索，确定优化方案。

闸门调度令最少目标：

闸门操作次数最少目标：

r_t,n∈r_t,r_t-1,n∈r_t

闸门操作幅度最小目标：

E_t,n＝abs(r_t,n-r_t-1,n)

r_t,n∈r_t,r_t-1,n∈r_t

其中，T表示计算涉及的时段数；N为水电站闸门的数量；C_t表示t时段的闸门调度令次数；O_t,n表示t时段第n个闸门的操作次数；E_t,n表示t时段第n个闸门的操作幅度；r_t表示t时段电站闸门状态的一维向量，包含了该时段所有闸门的状态；r_t,n表示t时段第n个闸门的状态；abs()表示绝对值。

采用的是正序动态规划。从第一个时段开始，对所述闸门启闭主题数据库中的所有闸门方案进行比较分析，判断其是否满足水位条件、开度条件、开启次序条件、对称条件等约束，舍弃不满足约束条件的方案；针对当前时段中的每个可行方案，根据三个所述优化目标选择出最优的路径；根据最后一个时段的最优路径向前回溯，即可得到满足实际工程需求的闸门启闭优化方案，能够应用于水电站实时调度中。

在本发明的另一实施例中，以我国四川某梯级水电站中的电站a和电站b为例，进行闸门优化控制。

请参考图2，首先进行泄洪闸门启闭状态和约束的数值化，如表2和表3所示。

表2电站a泄洪闸门数值化表

表3电站b泄洪闸门数值化表

从表2和表3可以看出，不同水电站的泄洪闸门种类和特点有所不同，只需要将相关约束和规程规范要求数值化，即可表示为约束或状态的形式。

进一步，以电站a为例，生成闸门启闭主题数据库。电站a拥有4个表孔、5个中孔和1个泄洪洞，单个方案的形式如下所示：

r＝(b₁,b₂,b₃,b₄,z₁,z₂,z₃,z₄,z₅,x)

其中，b₁,b₂,b₃,b₄表示1～4号表孔开度，z₁,z₂,z₃,z₄,z₅表示1～5号中孔开度，x表示泄洪洞开度。再根据所述数值化生成的约束和规则，生成所有可行的闸门状态方案，如下所示：

将所有可行闸门方案存入数据库，即得到电站a的主题数据库。由于主题数据库中的方案量十分巨大，此处不便展示。

进一步，以电站a为例，确定面临情况的初始条件。电站a某次计算的初始条件如下表所示。

表4电站a某次计算的初始条件

进一步，应用动态规划进行搜索寻优，得到的结果形式如下所示，即可直接应用于水电站闸门实时优化调度。

表5电站a某次计算的结果

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法,其特征在于，包括如下步骤:

S1:数值化泄洪闸门启闭状态和约束规则，水电站具有多种泄洪设施，包括表孔、中孔、底孔、泄洪洞、舌瓣门，根据电站的闸门操作规程，将各闸门的状态和约束进行数值化，对于每一个闸门的状态和约束规则，所需参数的数值化如下表所示；

S2:制作所述泄洪闸门启闭主题数据库，利用所述泄洪闸门启闭状态和约束规则的数值化表，将所有所述闸门的状态进行排列组合，按照固定的顺序生成如下所示的向量集合R_s：

$R_s=\left\{\begin{array}{c}(r_{1,1},r_{1,2},...,r_{1,n})\\ (r_{2,1},r_{2,2},...,r_{2,n})\\ ......\\ (r_{m,1},r_{m,2},...,r_{m,n})\\ ......\end{array}\right\}$

其中，R_s表示该水电站所述闸门状态的可行域，将其存储到数据库中备用，即得到所述闸门启闭主题数据库；r_m,n表示第m个可行方案第n号闸门的状态(开度)；

S3：确定所述水电站面临情况的初始条件，由调度人员根据当前电站运行任务，确定水电站面临情况下的初始起调水位、预报入库流量过程、闸门初始状态、发电运行计划、计算时段步长、计算时段数等信息；以及水库约束条件，包括最低最高水位、最小最大库容、最小最大流量、闸门开度区间、非负条件等约束；从电站运行规程获取相关基础曲线，包括水位库容曲线、下泄能力曲线、尾水位流量关系等电站特征数据；

S4：生成所述闸门启闭优化方案，以所述闸门启闭主题数据库作为搜索域，以所述水电站面临情况初始条件作为计算的输入，将闸门调度令最少、闸门操作次数最少和闸门操作幅度最小分别作为第一、第二、第三优化目标，采用动态规划法进行搜索，确定优化方案；

进一步，闸门调度令最少目标：

$f_1\left(x\right)=min\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}{C}_t$

$C_t=\left\{\begin{array}{c}0,r_t\≠r_{t-1}\\ 1,r_t=r_{t-1}\end{array}\right.$

进一步，闸门操作次数最少目标：

$f_2\left(x\right)=min\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{O}_{t,n}$

$O_{t,n}=\left\{\begin{array}{c}0,r_{t,n}\≠r_{t-1,n}\\ 1,r_{t,n}=r_{t-1,n}\end{array}\right.$

r_t,n∈r_t,r_t-1,n∈r_t

进一步，闸门操作幅度最小目标：

$f_3\left(x\right)=min\underset{t=1}{\overset{T}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{E}_{t,n}$

E_t,n＝abs(r_t,n-r_t-1,n)

r_t,n∈r_t,r_t-1,n∈r_t

其中，T表示计算涉及的时段数；N为水电站闸门的数量；C_t表示t时段的闸门调度令次数；O_t,n表示t时段第n个闸门的操作次数；E_t,n表示t时段第n个闸门的操作幅度；r_t表示t时段电站闸门状态的一维向量，包含了该时段所有闸门的状态；r_t,n表示t时段第n个闸门的状态；abs()表示绝对值。

2.如权利要求1所述一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法,其特征在于，对于未提到的泄水设施或闸门约束类型，只需要根据闸门操作规程将其转化为可以进行计算的数值或数值范围，即可添加到所述主题数据库。

3.如权利要求1或2所述一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法，其特征在于，所述动态规划法为正序动态规划，

从第一个时段开始，对所述闸门启闭主题数据库中的所有闸门方案进行比较分析，判断其是否满足水位条件、开度条件、开启次序条件、对称条件等约束，舍弃不满足约束条件的方案；

进一步，针对当前时段中的每个可行方案，根据三个所述优化目标选择出最优的路径；

进一步，根据最后一个时段的最优路径向前回溯，即可得到满足实际工程需求的闸门启闭优化方案。

4.如权利要求3所述一种基于主题数据库的实用水电站闸门启闭优化方法，其特征在于，所述3个优化目标优先级依次降低，即在两个方案间首先比较闸门调度令次数，若相同则比较闸门操作次数，若所述前2个优化条件相同，则比较闸门操作幅度。