CN109272245A - 梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法及系统，系统包括采集终端、数据库服务器、应用服务器、流程库、策略库、信息发布猫、远程控制系统，应用服务器上布置收集元、传输元、模拟元、约束元并与数据库服务器、流程库及信息发布猫连接。本发明能提前作出闸门调整动作，同时采用分段步长突变算法给出预设调度策略的每个闸门需要调整的开度，除实时监测水库水位外，有效缩短制作闸门开度的时间，在防洪处理和洪水资源化之间取得良好平衡，达到降低运行人员工作强度和准确控制水库运行水位的目的，计算过程简便迅捷，同时考虑不同洪水流量下梯级防洪库容的后续效用，满足电站实际运行对计算结果准确性、安全性、实时性及经济性的需求。

Description

梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法及系统

技术领域

本发明属于梯级水电站群防洪调度领域，具体涉及梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法及系统。

背景技术

梯级水电站彼此之间时刻受到水力和自身工况的约束，必须在梯级各级电站的综合约束条件下建立调洪模型，确保整个梯级方方面面的防洪安全，特别是在抗洪救灾等紧急情况下的控制模式，是梯级水电站防洪度汛中的重要问题。随着梯级水电站建设规模的不断扩大，一次洪水涉及的维度和数据量呈几何级被迅速增加，手工手段无法全面跟踪这些数据的变化，有必要将累计的经验调度思维采用自动化的方式实现，达到整个梯级的调控目的。泄洪闸门自动集中控制中生成详细的控制开度策略，供梯级水电站运行人员参考决策，在防洪调度和洪水兴利等方面有不可替代的作用。

传统的水电站防洪调度以单电站为调节对象，外部信息匮乏，内部信息孤岛，加上上游水库调洪扰动，只能在来水预测精度不高的条件下开展人工洪水调度，被动根据当前情况进行泄洪调整，头痛医头脚痛医脚，既无法达到安全、经济、高效的水电站运行需求，也不能充分发挥水电站自身调节性能。

随着现代通信网络、自动化元件、计算机技术的飞速发展，闸门远程控制智能化程度不断提高，从最开始的人工操作测量到继电器、接触器等机械组合逻辑，到工业计算机的应用，特别是信息化时代基于PLC的分布式闸门控制系统的出现，加上远程监控系统的发展，闸门远程操作控制已没有技术瓶颈。

从目前各水利枢纽的建设来看，闸门电气自动元件和远程控制已经成熟。自二十世纪六十年代美国推出可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller，PLC)取代传统继电器控制装置以来，PLC得到了快速发展，实现了人工现地闸门控制。从1980年代的分层分散型计算机监控系统到开放式SCADA系统的应用，实现了远程数字模拟量的人工控制。一些水电站通过控制元件单独完成了泄洪闸门的应急控制，如大渡河深系沟、枕头坝水电站应急供水控制。从二十世纪90年代末开始陈守煜进行了水库调洪计算的数解法的程序化研究，对水库调洪过程进行了模拟演算。目前水库调洪计算多以水量为研究对象，没有与闸门的具体实施操作联系起来。利用PLC控制进行闸门自动控制只适用单一调洪目标，通过一次性动作达到水电站防洪的目的。该方法不但工作效率低且不考虑闸门自身和防洪对象的约束，很难应用于大中型水电站的防洪调度。而对于远程集控的梯级水电站，大坝规模和闸门数量空前，大坝联合防洪点多面广，亟需要一套智能的闸门开度优化算法和管理模式通过远程控制系统来达到自动安全高效的防洪目的。

大渡河流域梯级水电站集控中心远程控制大岗山、瀑布沟、深系沟、枕头坝、龚嘴和铜街子6座中大型水电站，如何通过科学高效的计算模型将各类数据关联起来为实际生产服务，已成为目前梯级水库电站群防洪调度研究中的热点和难点问题。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明目的在于提供梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法及系统。本发明计算过程简便迅捷，同时考虑流量不同大小下防洪库容的后续效用，能够满足电站实际运行对计算结果准确性、安全性、实时性及经济性的需求，本发明可广泛应用于上下游梯级关系的水库群的泄洪闸门开度分配，实时有效控制梯级各电站水库水位运行。

本发明所采用的技术方案为：

梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，包括如下步骤：

S1、制定各种水库水位控制区间，根据流量级和时效性制定水库水位控制策略，并存储在策略库中，并将梯级各防洪发电设施的数据按照不同优先顺序和梯级关系转化成对应电站的静态参数，存储在数据库中；

S2、应用程序实时接收梯级水库水位、电站出力、闸门状态和开度，同时读取预计出力、预报流量预设参数，按等出力计算方式计算出各级电站的入库流量、发电流量、泄洪流量和出库流量数据，通过水量平衡演算模拟出梯级各水库水位过程，选择相应策略进行洪水再分配，经过泄洪闸门分段步长突变计算开度来调整控制水库水位，同时将闸门开度结果存储在预开度表中；

S3、泄洪闸门预开度表进入操作时间内时，触发给流域生产管理系统进行在线命令审批和操作前的准备工作，流域梯级生产管理系统负责泄洪闸门开度的人工复核和下达，以便出现偏差时对分配结果进行实时调整，闸门远程控制系统负责泄洪闸门开度的执行并将执行结果反馈，实时更新水情信息。

具体地，所述步骤S1中，各种水库包括库容大有调节性能A类水库和库容小无调节性能B类水库，A类水库为季调节以上水库，B类水库为日调节以下水库，由A类水库和B类水库共同组成梯级水库，由A类水库的电站和B类水库的电站共同组成梯级水电站。

所述A类水库和B类水库的水位控制策略如下：

A类水库：水库未达到汛限水位，实时调度中短时间内水库水位受洪水影响变化不大，根据该电站在梯级中的调蓄、调泄规程结合中长期水文预报流量在最大蓄水速率内建立A类电站水位上蓄策略；水库蓄至汛限水位后，根据水文预报洪水流量的级别和梯级联合拦洪、错峰和滞洪需求后的来水流量级别划定水位控制区间Q_级～Z_min～Z_max，Z_min和Z_max分别是水库正常运行的最低和最高水位，其水位控制策略的制定与无调节性水库相似；

B类水库：B类水库水位易在区间洪水和上一级电站负荷的影响下陡涨陡落，为了很好地控制B类水库水位的变化，避免不必要的弃水或水库拉空现象发生，实现梯级水库电站在满足防洪需求和电力系统负荷要求下的协调运行。根据年内不同时期洪水特性结合预报演算到坝前流量的类型和大小级别在水库死水位Z_死与其汛限水位Z_限之间设置水位控制区间T～Q_级～Z_min～Z_max组成水库水位控制策略库，当预计水库水位超出该区间则调整出入库流量改变水位变化方向，实时水位Z_t在Z_min～Z_max之间浮动；

所述A类水库和B类水库在满足以下条件时进入相应的调度模式：

a、在电站区间洪水和上游电站出库组成大而复杂时，进入防洪调度模式；

b、当流域各区域来水平稳且短期内没有大的改变时，进入平稳调度模式，使用平稳调度模式减少调洪过程的扰动和频次；

c、当需要对中小洪水进行兴利调度时，提高洪水资源利用率，进入兴利调度模式；

d、当实时水位Z_t＞Z_max或Zt＜Z_min，水库水位进入越限水位且一定时间未得到有效控制时，进入越限调度模式，将水库水位调整至上下边界的区域内；

e、当出现某水电站发生全站机组或线路全停，下游供水不能达到生态和引用供水需求时，进入应急供水调度模式。

a、b、c是针对蓄水至汛限水位的A类水库,以及B类水库；d、e是对所有水库均自动强制进入的模式。

所述防洪调度模式为：

流域各区间洪水起伏变化及组成复杂时的防洪调度模式，根据防洪调度规程对水库丰水期各流量级别下水库运行水位范围等相关规定。在水库水位运行至上下边界时，通过对泄洪闸门泄洪量的调整使水库水位在一定时长后靠近控制区间的中间值，达到控制库水位的目的，通过上级电站出流过程加区间产汇流计算出电站的入库流量，根据预设的电站出力过程计算出发点流量过程，再根据目标库水位与调整时水库水位的库容差在一定时长上的流量换算，最后通过水量平衡计算出泄洪流量，进行B类电站泄洪闸门开度的分配；

泄洪流量目标函数为：

其中，Z_i，max和Z_i，min为B类第i级电站策略表中某流量级下的上下限水位；f(Z)为水位库容换算函数；Δt为策略表中执行时长；为时段平均泄洪流量、平均发电流量和平均入库流量；

所述平稳调度模式为：

采用等流量水位趋势控制策略：通过调整梯级各电站的泄洪流量，电站的出入库流量维持某个固定流量差，使电站水位到达分期分流量级水位控制上限时按该差值形成逐渐下降趋势，到达下限时再按该差值形成逐渐上升趋势，使电站水库水位在运行范围内相对均匀的往返；当流域来水较稳定是，采用等流量水位趋势控制策略来减少调洪的频次，避免复杂的泄洪过程对下游梯级的影响。

等流量水位趋势控制策略泄洪目标函数为：

其中，ΔQ_i为B类第i级水电站的固定流量差值；Z_i，t≥Z_i，max时，ΔQ_i为正数；Z_i，t≤Z_i，min时，ΔQ_i为负数；

所述兴利调度模式为：

综合调度规程和各级电站对水库运行水位、流量级别调节性能相关参数，有偏向性的控制水库水位在各区间的涨落速度，根据来水的大小，采用非线性的水位时间变化速率策略，将库水位停留在偏高或偏低或者偏中间的位置，使高水位兴利，低水位防洪；

非线性的水位目标函数为：

F＝min|Z_i，t+Δt-Z_i，min-μ(Z_i，max-Z_i，min)|，(0＜μ＜1)

其中，Z_i，t+Δt为第i级电站库水位由Z_i，t经过Δt时长执行后的水位，其值靠近水位运行范围的某一偏向性的位置，其随时间Δt的变化关系根据μ的取值选用不同的非线性函数，通过函数附加的水位变化速率控制让水库水位长时间停留在特定区域，该函数为正态或偏态分布函数或如下多项式结构：

Z_i，t+Δt＝Z_i，t+K_nΔtⁿ+K_n-1Δt^n-1+…+K₁Δt，(n＝1，2，3…)；

所述越限调度模式为：

当水库水位超出设定的水位范围，根据超出部分水量的大小调整泄洪流量，使水库水位在一定时长后回归至正常运行范围内；

此时，Z_i，t＞Z_i，max或Z_i，t＜Z_i，min，水位需要回归的边界水位为：

则泄洪的目标函数为：

其中执行时长Δt为越限量大小的函数：

Δt＝K_i·min(|Z_i，t-Z_i，max|，|Z_i，t-Z_i，min|)

K_i是与i电站库容大小有关的系数；

所述应急供水调度模式为：

泄洪的目标函数为：

其中，Q_i机，j为第i电站第j台机组的过流量，为空载或空转流量，共ml台机组；Q_i泄，j为第i电站第j个泄洪闸门的泄洪流量，共m2个泄洪闸；Q_i供为第i电站下游供水需求流量。

所述步骤S2的演算过程为：

S21、实时采集当前梯级水库水位、电站出力、闸门状态和开度数据进行初始化，然后接口预报入库流量和静态参数进入电站运行模拟器；

S22、计算出第一级电站的模拟未来运行过程，将该模拟过程与限制参数进行比对；

S23、然后将模拟过程中越限时段的水量进行再分配，水量再分配以嵌入式策略库中目标水位、时间、流量控制单元交互约束以达到安全和经济的目标，即当判断水位越限时，调整泄洪流量将水库水位在目标时间内调整至目标水位；

S24、分配后的水量在满足闸门状态、优先级、开度约束、工况约束条件的前提下，分配给电站泄洪闸门具体的开度；

S25、调整后的泄洪闸门开度过程再回到运行模拟器中多次运行、校核，最后将没有越限数据的泄洪闸门开度过程作为该电站的闸门控制策略；

S26、该电站调整完的运行过程作为下一级电站的入库参数，然后重复步骤S21-S26，进行下一级电站的闸门控制策略运算；

S27、整个梯级水电站闸门控制策略调整完毕后，发布梯级水电站闸门控制策略，然后进入时钟等待，到下一个时间点时触发重新计算并将执行闸门操作后的闸门开度结果反馈用于更新相关参数，继续进行后续的演算。

所有所述梯级水电站演算及泄洪闸门开度分配时须满足的约束条件包括：

(a)闸门振动、不利工况禁止开度区间：K≠K_j，式中，K_j为闸门的禁止区间开度；

(b)下游防洪对象对闸门泄流量的限制：

Q_入＞Q_限时，Q_n泄＝f_KZQ(K_n泄，Z_i，t)≤Q_n泄限

式中，Q_n泄为某一闸门n的泄流量；K_n泄为该闸门的开度；Z_i，t为水库水位对泄流量的影响因子；Q_n泄限为限制泄流量，即当电站的入库流量达到某一流量时，需要控制某一泄洪设施n的泄流量不能超过某一限制值；

(c)流态约束：连续坝段布置的同类型泄洪闸门组合泄洪时，水工建筑对流态的限制，即闸门开启的均匀对称性和近似对称性的限制：

K_m＞0时，K_n-m-1＞0_n或K_n-m＞0(n＝2，3…，1≤m≤n)

K_m为第m个闸门的开度，该类型闸门共有n个；

(d)挑流消能约束：Kn＞0时Q_出＝Q_发+Q_泄≥Q_需，为达到最低起挑流量要求，闸门开启对出库流量的要求，即某一闸门n开启的条件为电站的出库流量达到需求的量级才能开启；

(e)底流消能约束：要求出库流量达到一定的量形成水垫面；

(f)闸门异常约束：Km＝0，式中Km为第m个闸门的开度为0；

(g)A类水库汛限水位以下对水位变幅的限制：式中Z_a，t+Δt为A类水库时段末库水位，Z_a，t为A类水库时段初库水位，ΔZ_a，max为A类水库最允许大变幅。

所述泄洪闸门开度根据闸门开启的方式和类型，采用分段步长突变计算法进行过程寻优，分段级别的表示如下：

当Km＞Kn级时，Kn∈(K_n级，K_n+1级)区间分配：

以三级闸门开限为例：

其中K_n级为当前闸门梯度的分级，将整个闸门开度行程分成m个区间；

所述闸门类型包括全区间可调的闸门、有最小局部开度和最大局部开度的闸门，以及只允许全关和全开的闸门，全区间可调的闸门为步长类闸门，有最小局部开度和最大局部开度的闸门为混合型闸门，即一部分突变+一部分步长，只允许全关和全开的闸门为突变类闸门；

按闸门优先级顺序进行一级限内的闸门开度分配，再根据各闸门是否全关状态进行跨最小开度赋值，然后按最小梯度逐步增加该闸门开度至一级闸门开度限制；当最优先级的某一类型所有闸门均开至一级开限仍然需要增加闸门开度时，按最小梯度和闸门顺序在二级开限内继续分配闸门开度，直至此类闸门全开；然后过渡至次优先级的另一类闸门分配，根据另一类泄洪闸门的溢流特性(该类型设施多泄洪能力大，且不允许局部开启)，调整前面已分配的闸门开度来拟合最优先级类和次优先级级类的开度。

对于突变类型的闸门一般泄洪流量大，限制条件多，往往对泄洪流量和入库流量的大小有一定的要求。该类闸门一般作为泄洪量中的大基数层，当洪水大到一定程度完全需要泄洪处理且无法被水电站有效利用的部分，设计中采用结合步长试算的突变计算法。当通过步长试算到现有的泄洪方式已利用较多的步长类闸门，当前试算的泄洪流量较大的超出某一个突变类型闸门的突变开度泄洪量时，停止步长试算直接进入突变调整将某个突变类型的闸门开度进行一次调整，然后在此基础上进行步长试算解决剩余部分洪量的分配。

本发明最终目的是获得最优调洪目标对应的最优闸门开度，由于闸门开度有最小步长限制而调洪目标是精确的数学解，通过以下方法调整分段步长突变计算法的并列最优解和无最优解：

式中K_ij表示第i个电站第j个可局部开启的溢洪门的开度；S_i表示第i个电站不能局部开启的溢洪门开度，该类型溢洪门全开开度为S，共有m个数量需要开启；

按需调整泄洪流量的正负值放大，达到闸门最小差额调整需求，当水电站调洪性能达到上、下限时，即所有泄洪设施全关或全开时水库水位仍然无法控制在规定范围内时，水电站处于调洪临界状态，采用其他非水工方式，系统维持临界方式运行，并对预破坏的时间点给出告警提示；

单一水电站内各机组和闸门数据按照实际组合形式形成相应电站的出库流量数据，进而作为下一级水电站的入库流量参数。梯级水电站的闸门的运算是由上到下按时空和汇流顺序逐级演算的。电站内部泄洪闸门的开度分配先是将电站需求的泄洪量按策略分配至每个闸门，然后又将所有闸门的泄洪量复算为以电站为对象的泄洪量传递至下一级电站。因而梯级水电站之间以各电站总量数据使用，电站内部的过流设备以分量数据使用。主要包括机组NHQ曲线、闸门溢流曲线，上一级电站的泄洪量作为下一级电站的调整参数经本电站相关约束条件出力后成为该电站的闸门开度分量，经调洪后的各闸门分量形成新的综合泄洪量又作为其更下一级的参数，逐级调整至整个梯级。

梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统，包括采集终端、数据库服务器、应用服务器、流程库、策略库、信息发布猫、远程控制系统，应用服务器设有收集元、传输元、模拟元、约束元并与数据库服务器、流程库及信息发布猫连接，远程控制系统通过梯级通信网络将采集终端、现地控制单元与数据库服务器连接；

采集终端：将实时水库电站机电设备运行数据和流域水雨情信息采集至数据库服务器处理保存；

数据库服务器：构建数据库，用于存放各类参数、手工方案、泄洪闸门分配结果和演算运行结果；

应用服务器：自动定周期运行系统主程序，自动模式下实时动态模拟显示各梯级水库电站的水情信息、闸门信息、电网负荷和泄洪闸门开度分配结果，以及最近的闸门开度调整数据进入预操作模式，随时准备触发至闸门操作流程中；

收集元：初始化各类参数并将收集到的各类进入计算的数据进入计算机缓存；

传输元：接口数据库服务器、流程库、信息发布猫和策略库，实现各种数据的传输和交互，完成信息传递；

模拟元：根据数据收集元准备的数据结合策略库，根据数据特征选择适应的水库水位控制策略，同时演算出梯级水电站调洪过程和闸门分配方案；

约束元：根据流量类型筛选出来的必需满足的梯级水电站水库、大坝、水工建筑、机电设备及沿河防洪对象的约束条件；

流程库：对触发的闸门操作指令进行在线网络审批和处理流程，对闸门操作过程中的人员进行管控；

策略库：用于存放梯级水电站不同来水和运行状况下泄洪闸门分配策略及其算法；

信息发布猫：对系统运行进行扫描和监视，将超出约束条件的结果和流程中需要运行人员干涉的信息和超出控制的报警信息发布给使用和维护人员，将操作指令中需要人员介入的过程信息发布给运行人员；

远程控制系统：用于通过远方模拟量控制操作电站现地设备，执行具体的操作指令并将反馈信息存入数据库服务器。

本发明的有益效果为：

本发明能就预测的典型洪水过程提前作出闸门调整动作，同时采用分段步长突变算法给出预设调度策略的每个闸门需要调整的开度，除实时监测水库水位外，有效缩短了制作闸门开度的时间，在防洪处理和洪水资源化之间取得良好平衡，达到了降低运行人员工作强度和准确控制水库运行水位的目的。与现有技术相比，本发明计算过程简便迅捷，同时考虑不同洪水流量下梯级防洪库容的后续效用，能够满足电站实际运行对计算结果准确性、安全性、实时性及经济性的需求。

附图说明

图1是本发明-实施例梯级水电站洪水调度策略结构图。

图2是本发明-实施例泄洪闸门开度区间类型图。

图3是本发明-实施例泄洪闸门开启分段步长突变计算流程图。

图4是本发明-实施例泄洪闸门关闭分段步长突变计算流程图。

图5是本发明-实施例下发命令票在线审批流程图。

图6是本发明-实施例梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统。

图7是本发明-实施例梯级水电站泄洪闸门开度生成流程图。

图8是本发明-实施例大岗山电站库水位运行对比图。

图9是本发明-实施例深溪沟电站调度结果图。

图10是本发明-实施例深溪沟电站泄洪闸门开度变化对比图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步阐述。

实施例：

如图1-3所示，本实施例的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，包括如下步骤：

第一步、制定各种水库水位控制区间，根据流量级和时效性制定水库水位控制策略，并存储在策略库中，并将梯级各防洪发电设施的数据(如机组NHQ曲线、闸门溢流曲线、库容曲线、泄洪闸门约束等)按照不同优先顺序和梯级关系转化成对应电站的静态参数，存储在数据库中。

本实施例以梯级水电站：大岗山水电站、瀑布沟水电站、深系沟水电站、枕头坝水电站、龚嘴水电站和铜街子水电站为例，简称大渡河梯级水电站。

水库水位控制策略包括季调节的瀑布沟水库汛限水位以下的控制策略和瀑布沟水库汛限水位以上、大岗山、深溪沟、枕头坝、龚嘴、铜街子水库的通用水位控制策略。

瀑布沟水库水位控制策略根据周预报洪水流量的大小结合自身在梯级中担任的蓄泄任务规程要求生成水位控制策略。具体为：在蓄至汛限水位之前按满足下游电站兴利和区间洪水错峰、滞洪需求后的最大上蓄幅度控制；在蓄至汛限水位后按满足下游电站兴利和区间洪水错峰、滞洪需求后的来水流量级划定水位运行区间Q_级～Z_min～Z_max，Z_min和Z_max分别是水库正常运行的最低和最高水位；其水位控制策略受短期来水影响不大，主要考虑中长期来水对水库的影响，其上游大岗山的闸门调度方式不影响瀑布沟的闸门调度方式。

瀑布沟水电站根据中期预报的上游来水结合下游实时用水和防洪需求，根据水库调度规范明确的蓄水进度调整蓄泄幅度的相关策略控制水库水位和泄洪目标。

当瀑布沟水位在汛限水位841米以下时，主要保证下游电站发电需求和自身水位上升幅度的限制，其泄洪目标函数为：

其中，Q_i发为从上游开始第i个梯级水电站的发电流量，i为大于瀑布沟从上到下在梯级中的编号p；Qi_区间为瀑布沟下游第i个梯级水电站的区间流量；Q_p发为瀑布沟发电流量；Q_p入为瀑布沟入库流量；f(Z)为水位库容换算函数；瀑布沟泄洪流量Q_p泄大于等于0。该泄洪目标的意义为满足瀑布沟下游的深溪沟、枕头坝、龚嘴和铜街子最大发电需求又满足自身上涨速率的限制。

当瀑布沟水位达到汛限841米时，其水位控制策略与B类电站水库类似，即根据不同时期入库流量的大小建立对应的水库水位控制上下边界T～Q_级～Z_min～Z_max策略表同时依然满足其下游梯级兴利、生态和防洪不足的容量约束。故流域梯级采用统一的泄洪目标函数。

瀑布沟以外的其它梯级水库水位，根据年内不同时期洪水特性结合预报演算到坝前流量的类型和大小级别在水库死水位Z_死与其汛限水位Z_限之间设置一系列水位控制区间T～Q_级～Z_min～Z_max组成水库水位控制策略库。当预计水库水位超出该区间则调整出入库流量改变水位变化方向，实时水位Z_t在Z_min～Z_max之间浮动。

在电站区间洪水和上游电站出库组成大而复杂时，采用防洪调度规程约定的条件进入防洪调度模式；当流域各区域来水平稳，且短期内没有大的改变时，采用平稳调度模式减少调洪过程的扰动和频次；当需要对中小洪水进行兴利调度，提高洪水资源利用率时，采用兴利调度模式；当水库水位Zt＞Zmax或Zt＜Z_min，水库水位进入越限水位且一定时间未得到有效控制时，自动进入越限调度模式，将水库水位调整至上下边界的区域内；当出现某水电站发生全站机组或线路全停，下游供水不能达到生态和引用等供水需求时，自动启动应急供水调度模式。如图1所示。

(1)防洪调度模式。

大岗山上游预报来水或瀑布沟下游的梯级水电站区间洪水起伏变化及组成复杂时的，根据防洪调度规程对水库丰水期各流量级别下水库运行水位范围的相关规定，在水库水位运行至上下边界时，通过对泄洪闸门泄洪量的调整使水库水位在一定时长后尽可能的靠近控制区间的中间值，达到控制水库水位的目的。在通过上级电站出流过程加区间产汇流容易计算出电站的入库流量，根据预设的电站出力过程可以计算出发点流量过程，再根据目标水库水位与调整时水库水位的库容差在一定时长上的流量换算，最后通过水量平衡计算出泄洪流量，进而进行泄洪闸门开度的分配。

泄洪流量目标函数为：

其中，Z_i，max和Z_i，min为第i级电站策略表中某流量级下的上下限水位；f(Z)为水位库容换算函数；Δt为策略表中执行时长；为时段平均泄洪流量、平均发电流量和平均入库流量。

(2)平稳调度模式。

通过调整梯级各电站的泄洪流量，电站的出入库流量维持某个固定流量差，使电站水位到达分期分流量级水位控制上限时按该差值形成逐渐下降趋势，到达下限时再按该差值形成逐渐上升趋势，使电站水库水位在运行范围内相对均匀的往返。当流域来水较稳定时，采用等流量水位趋势控制策略来减少调洪的频次，避免复杂的泄洪过程对下游梯级的影响。

等流量水位趋势控制策略泄洪目标函数为：

其中，ΔQ_i为第i级水电站的固定流量差值；Z_i，t≥Z_i，max时，ΔQi为正数；Z_i，t≤Z_i，min时，ΔQ_i为负数。

(3)兴利调度模式。

综合调度规程和各级电站对水库运行水位、流量级别调节性能等相关参数，有偏向性的控制水库水位在各区间的涨落速度，根据来水的大小，采用非线性的水位时间变化速率策略，将库水位停留在偏高或偏低或者偏中间的位置，达到高水位兴利以及低水位防洪中水位综合利用的目的。

非线性的水位目标函数为：

F＝min|Z_i，t+Δt-Z_i，min-μ(Z_i，max-Z_i，min)|，(0＜μ＜1)

其中，Z_i，t+Δt为第i级电站库水位由Z_i，t经过Δt时长执行后的水位，其值靠近水位运行范围的某一偏向性的位置，其随时间Δt的变化关系根据μ的取值选用不同的非线性函数，通过函数附加的水位变化速率控制让水库水位尽可能长时间停留在特定区域，该函数可以是正态或偏态分布函数，也可以是如下多项式结构：

Z_i，t+Δt＝Z_i，t+K_nΔtⁿ+K_n-1Δt^n-1+…+K₁Δt，(n＝1，2，3…)。

(4)越限调度模式。

当水库水位超出设定的水位范围，根据超出部分水量的大小调整泄洪流量，使水库水位在一定时长后回归至正常运行范围内。

此时，Z_i，t＞Z_i，max或Z_i，t＜Z_i，min，水位需要回归的边界水位为：

则泄洪的目标函数为：

其中执行时长Δt为越限量大小的函数：

Δt＝K_i·min(|Z_i，t-Z_i，max|，|Z_i，t-Z_i，min|)

K_i是与i电站库容大小有关的系数。

(5)应急供水调度模式，某级电站出现机组或线路全停，出库流量骤减，其下游生态或引用供水需求可能达不到满足时，启用该调洪策略。

泄洪的目标函数为：

其中，Q_i机，j为i电站第j台机组的过流量，一般为空载或空转流量，共ml台机组；Q_i泄，i为i电站第j个泄洪闸门的泄洪流量，共m2个泄洪闸；Q_i供为i电站下游供水需求流量。

根据水电站泄洪过程中涉及的限制条件，结合电站机电和水工设施的运行要求，所有梯级水电站调洪演算及泄洪闸门开度分配时须满足的约束条件包括：

(a)闸门振动、不利工况等禁止开度区间：K≠K_j，式中：K_j为闸门的禁止区间开度，是闸门不允许运行的开度。

(b)下游防洪对象对闸门泄流量的限制：

Q_入＞Q_限时，Q_n泄＝f_KZQ(K_n泄，Z_i，t)≤Q_n泄限

式中：Q_n泄为某一闸门n的泄流量；K_n泄为该闸门的开度；Z_i，t为水库水位对泄流量的影响因子；Q_n泄限为限制泄流量。即当电站的入库流量达到某一流量时，需要控制某一泄洪设施n的泄流量不能超过某一限制值。

(c)流态约束：连续坝段布置的同类型泄洪闸门组合泄洪时，水工建筑对流态的限制，即闸门开启的均匀对称性和近似对称性的限制。

K_m＞0时，K_n-m-1＞0_n或K_n-m＞0(n＝2，3…，1≤m≤n)

K_m为第m个闸门的开度，该类型闸门共有n个。

(d)挑流消能约束：Kn＞0时Q_出＝Q_发+Q_泄≥Q_需，为达到最低起挑流量要求，闸门开启对出库流量的要求，即某一闸门n开启的条件为电站的出库流量达到需求的量级才能开启。

(e)底流消能约束：要求出库流量达到一定的量形成水垫面，防止对河道地板形成冲击。

(f)闸门异常约束：Km＝0，式中Km为第m个闸门的开度为0，闸门作业、检修和维护等异常工况时，该闸门无法使用的情况。

(g)瀑布沟水库汛限水位以下对水位变幅的限制：式中Z_a，t+Δt为A类水库时段末库水位，Z_a，t为A类水库时段初库水位，ΔZ_a，max为A类水库最允许大变幅。

上述梯级水库泄洪闸门的开度分配均采用简单的水量平衡方程，通过使用的工程数学方法求解出泄洪流量差，再对泄洪闸门进行开度分配。该方法的本质是通过调洪演算，让梯级各水库水位在到达某个边界条件后向另一个边界靠近，起到水库水位在规定的范围内运行的作用。

第二步、应用程序实时接收梯级水库水位、电站出力、闸门状态和开度，同时读取预计出力、预报流量等预设参数，按等出力计算方式计算出各级电站的入库流量、发电流量、泄洪流量和出库流量等数据，通过水量平衡演算模拟出梯级各水库水位过程，选择相应策略进行洪水再分配，经过泄洪闸门分段步长突变计算开度来调整控制水库水位，同时将闸门开度结果存储在预开度表中。

应用服务器策略及模型演算模块定周期运行系统主程序，如图7所示，采用流程如下：

(1)系统实时采集当前梯级水库水位、电站出力、闸门状态和开度等数据进行初始化，然后接口预报入库流量和静态参数进入水电站运行模拟器。

(2)先计算出第一级电站的模拟未来运行过程，将该模拟过程与限制参数进行比对。

(3)然后将模拟过程中越限时段的水量进行再分配，水量再分配以嵌入式策略库中目标水位、时间、流量控制单元交互约束以达到安全和经济的目标。即当判断水位越限时，调整泄洪流量将水库水位在目标时间内调整至目标水位。

(4)分配后的水量在满足闸门状态、优先级、开度约束、工况等约束条件的前提下，分配给电站泄洪闸门具体的开度。

(5)调整后的泄洪闸门开度过程再回到运行模拟器中多次运行、校核，最后将没有越限数据的泄洪闸门开度过程作为该电站的闸门控制策略。

(6)该电站调整完的运行过程作为下一级电站的入库参数，然后重复上述过程进行下一级水电站的闸门控制策略运算。

(7)整个梯级的水电站闸门控制策略调整完毕后，发布梯级水电站闸门控制策略。这个时候，系统进入时钟等待，到下一个时间点时触发重新计算，实现系统的自动化计算功能。

(8)当发布的梯级水电站闸门控制策略进入操作准备时间范围内，闸门操作指令命令票进入审批流程提醒相关人员进入操作准备状态，操作准备流程经审批通过后，操作指令进行远程控制系统监视执行。

(9)执行后的结果信息反馈到系统更新相关参数后，继续进行后续的演算。

演算出调洪目标总量和闸门分配约束条件后，以一种优化算法解决具体开度值的计算，根据闸门开启的方式和类型，采用分段步长突变计算法进行过程寻优，泄洪闸门类型和方式如图2所示。分段级别的表示如下：

当Km＞Kn_级时，Kn∈(K_n级，K_n+1级)区间分配。

以三级闸门开限为例：

其中，K_n级为当前闸门梯度的分级，将整个闸门开度行程分成m个区间。

闸门类型包括全区间可调的闸门、有最小局部开度和最大局部开度的闸门，以及只允许全关和全开的闸门，全区间可调的闸门为步长类闸门，有最小局部开度和最大局部开度的闸门为混合型闸门，即一部分突变+一部分步长，只允许全关和全开的闸门为突变类闸门；

一般按闸门优先级顺序进行一级限内的闸门开度分配，再根据各闸门是否全关状态进行跨最小开度赋值，然后按最小梯度逐步增加该闸门开度至一级闸门开度限制。当最优先级的某一类型所有闸门均开至一级开限仍然需要增加闸门开度时，按最小梯度和闸门顺序在二级开限内继续分配闸门开度，直至此类闸门全开。然后过渡至次优先级的另一类闸门分配，根据另一类泄洪闸门的溢流特性(该类型设施多泄洪能力大，且不允许局部开启)，调整前面已分配的闸门开度来拟合二者(最优先级类和次优先级级类)的开度，进而满足调洪的目标。最优先级类和次优先级级类，每一类可能有几个相同类型的闸门组成。例如深溪沟电站有3个泄洪闸与两个泄洪洞组成，优先使用泄洪闸，再使用泄洪洞。

对于突变类型的闸门一般泄洪流量大，限制条件多，往往对泄洪流量和入库流量的大小有一定的要求。该类闸门一般作为泄洪量中的大基数层，当洪水大到一定程度完全需要泄洪处理且无法被水电站有效利用的部分，设计中采用结合步长试算的突变计算法。当通过步长试算到现有的泄洪方式已利用较多的步长类闸门，当前试算的泄洪流量较大的超出某一个突变类型闸门的突变开度泄洪量时，停止步长算法直接进入突变调整将某个突变类型的闸门开度进行一次调整，然后在此基础上进行步长试算解决剩余部分洪量的分配。

由于前述闸门工况和众多约束条件的限制，闸门分段步长突变计算方法是一种对每个环节进行最优化计算从而得到系统过程的最优解的方法，系统最终目的是获得最优调洪目标对应的最优闸门开度，由于闸门开度有最小步长限制而调洪目标是精确的数学解，这里面就存在并列最优解和无最优解。

式中，K_ij表示第i个电站第j个可局部开启的溢洪门的开度；S_i表示第i个电站不能局部开启的溢洪门开度，该类型溢洪门全开开度为S，共有m个数量需要开启。

该情况的具体处理方式为：按需调整泄洪流量的正负值适当放大，达到闸门最小差额调整需求。当水电站调洪性能达到上、下限时，即所有泄洪设施全关或全开时水库水位仍然无法控制在规定范围内时，水电站处于调洪临界状态，只有通过其他非水工方式实现，系统维持临界方式运行，并对预破坏的时间点给出告警提示。

单一水电站内各机组和闸门数据按照实际组合形式形成相应电站的出库流量数据，进而作为下一级水电站的入库流量参数。梯级水电站的闸门的运算是由上到下按时空和汇流顺序逐级演算的。电站内部泄洪闸门的开度分配先是将电站需求的泄洪量按策略分配至每个闸门，然后又将所有闸门的泄洪量复算为以电站为对象的泄洪量传递至下一级电站。因而梯级水电站之间以各电站总量数据使用，电站内部的过流设备以分量数据使用。主要包括机组NHQ曲线、闸门溢流曲线，上一级电站的泄洪量作为下一级电站的调整参数经本电站相关约束条件出力后成为该电站的闸门开度分量，经调洪后的各闸门分量形成新的综合泄洪量又作为其更下一级的参数，逐级调整至整个梯级。增加泄洪量时泄洪闸门开启分配计算流程如图3，减少泄洪量时泄洪闸门关闭分配计算流程如图4。

第三步、泄洪闸门预开度表进入操作时间内时，触发给流域生产管理系统进行在线命令审批和操作前的准备工作，闸门远程控制系统负责泄洪闸门开度的执行并将执行结果反馈，实时更新水情信息。

将分配的泄洪闸门开度形成传递至各水电站值守人员的命令票系统，通过对接流域生产管理系统实现网络流程管理，相关审核和执行人员根据系统流程进行对应的操作，如图5。其流程为：

S31、当策略库计算出某闸门出现调整数据时，该数据触发至生产管理系统制作成对应电站的闸门操作命令票，并短信提示集控当班人员进行校核。

S32、集控当班人员校核数据后流转给调度长审核，并短信提示调度长。

S33、调度长审核完毕后流转至电站值长，并短信提示值长打印操作命令票，安排操作准备措施。

S34、准备措施完备后，在值守现场监护的同时，集控远方通过远程控制系统将泄洪闸门操作至规定开度，监护人员记录相关操作信息，如闸门开度变化、操作时间等。

S35、泄洪闸门LCU将闸门自动量信息如开度和操作时间上送至远程控制系统，远程控制系统将数据量触发至水调系统，更新系统闸门状态和数据并完成闸门水务计算。

S36、操作结束后，值守人员将闸门信息录入至生产管理系统命令票中，结束本次操作命令。

如图6所示，梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统，可应用于大渡河大岗山、瀑布沟、深溪沟、枕头坝、龚嘴和铜街子电站，该系统是基于JAVA和Otacle 11g数据库技术开发出的系统。

梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统，包括采集终端、数据库服务器、应用服务器、流程库、策略库、信息发布猫、远程控制系统，应用服务器设有收集元、传输元、模拟元、约束元并与数据库服务器、流程库及信息发布猫连接，远程控制系统通过梯级通信网络将采集终端、现地控制单元与数据库服务器连接。

采集终端用于将实时水库电站机电设备运行数据和流域水雨情信息采集至数据库服务器处理保存。

数据库服务器上构建的数据库用于存放各类参数、手工方案、泄洪闸门分配结果、演算运行结果等。

应用服务器是系统运行的主线程，可以自动定周期运行系统主程序或手动运行主程序，自动模式下实时动态模拟显示各梯级水库电站的水情信息、闸门信息、电网负荷和泄洪闸门开度分配结果，最近的闸门开度调整数据进入预操作模式，随时准备触发至闸门操作流程中。应用服务器上的收集元用于初始化各类参数并将收集到的各类进入计算的数据进入计算机缓存，为模型演算作准备；传输元用于接口各系统和模块，根据其功能要求实现各种数据的传输和交互，完成数据库服务器及其他系统之间的信息传递；模拟元根据数据收集模块准备的数据结合策略库，根据数据特征选择适应的调洪策略，同时演算出梯级水电站调洪过程和闸门分配方案；约束元根据流量类型筛选出来的必需满足的梯级水电站水库、大坝、水工建筑、机电设备及沿河防洪对象的约束条件。

流程库对触发的闸门操作指令进行在线网络审批和处理流程，对闸门操作过程中的人员进行管控。

策略库用于存放梯级水电站不同来水和运行状况下泄洪闸门分配策略及其算法。

信息发布猫对系统运行进行扫描和监视，将超出约束条件的结果和流程中需要运行人员干涉的信息和超出控制的报警信息发布给使用和维护人员，将操作指令中需要人员介入的过程信息发布给运行人员。

远程控制系统，用于通过远方模拟量控制操作电站现地设备，执行具体的操作指令并将反馈信息存入数据库服务器。

梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统集成了接口计算机监控系统、水情预报系统、流域生产管理系统信息和功能的运行控制系统，其与电站泄洪闸门现地控制单元LCU共同协调运行，在确保水电站自身防洪安全的前提下实现梯级水电站泄洪闸门的实时调度控制。本发明中的系统负责监视梯级各水电站水库水位和泄洪闸门的运行状态，实时调节演算水电站洪水量，并将调节的洪水量按优化的组态分配给泄洪闸门，实现梯级水库水位的动态控制。主要考虑洪水大小、类型、水电站性能、闸门泄洪组态等因素。电站LCU则实时接收本发明系统的闸门操作指令(即泄洪闸门开度分配结果)，负责洪水量在水库之间以及在电站闸门之间的分配，并反馈泄洪闸门的执行情况更新演算参数为后续计算作准备。

在应用大渡河梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统时，预测来水来源设置了预报流量、历史平均流量、最近平均流量三种预测方式，发电流量涉及的计划出力来源与日计划出力、固定调度指令、延续当前出力三种发电方式。根据预测洪水的大小设置水库水位控制范围，根据洪水类型设置了水位运行的偏向区间建立了水电站防洪调度模式、平稳调度模式和兴利调度模式，这些模式可以系统自适应也可以人工选择。当水库运行水位进入异常区间时自动进入越限调度模式，水电站运行状态发生异常改变时自动进入应急供水调度模式。梯级水电站泄洪闸门主要参数如表1～6所示：

表1大岗山闸门参数

特征参数	泄洪洞	深孔
			最小开度(m)	5	全关
最大开度(m)	全开	全开
			最小动作幅度(m)	0.5	全程
控泄(m<sup>3</sup>/s)	无	无
			顺序	唯一	2#,3#,1#,4#
闸门类型	突变+步长	突变

表2瀑布沟闸门参数

特征参数	泄洪洞	溢洪道
			水位限制(m)	>805	>833
最小开度(m)	1	2
			最大开度(m)	全开	全开
最小动作幅度(m)	0.5	1
			入库&amp;gt;8230控泄(m<sup>3</sup>/s)	&amp;lt;2000m<sup>3</sup>/s	&amp;gt;500m<sup>3</sup>/s
顺序	唯一	2#，1#，3#
			闸门类型	步长	突变+步长

表3深溪沟闸门参数

特征参数	泄洪闸	泄洪洞	排污闸	冲砂底孔
					最小开度(m)	1	1	全关	全关
最大开度(m)	全开/12	全开	全开	全开
					最小动作幅度(m)	1	1	全程	全程
控泄(m<sup>3</sup>/s)	无	无	无	无
					顺序	2#,3#,1#	1#,2#	唯一	1#2#3#4#同时
闸门类型	步长	步长	突变	突变

表4枕头坝一级闸门参数

特征参数	泄洪闸	排污闸	冲砂底孔
				最小开度(m)	1	手动	全关
最大开度(m)	全开	全开	全开
				最小动作幅度(m)	0.5	全程	全程
控泄(m<sup>3</sup>/s)	无	无	无
				顺序	3#,2#,4#,1#,5#	唯一	1#2#3#4#同时
闸门类型	步长	突变	突变

表5龚嘴闸门参数

表6铜街子闸门参数

本实施例用于大渡河流域大岗山、瀑布沟、深溪沟、枕头坝一级、龚嘴、铜街子梯级电站所有泄洪闸门的开度调整时，瀑布沟下游的深溪沟、枕头坝一级、龚嘴和铜街子闸门能很好的联合运行，其中龚嘴、铜街子电站的水库水位能很好的控制在策略区间内，操作次数减少1/3，瀑布沟水库调节性能很强，其上游的大岗山电站闸门实时调整采用单一电站闸门策略，相对孤立，在系统中主要为瀑布沟提供详细的入库流量过程。统计显示，本发明能就预测的典型水位特征提前作出闸门调整动作，同时给出预设调度策略的每个闸门需要调整的开度，除实时监测水库水位外，有效缩短了制作闸门开度的时间，在防洪处理和洪水资源化之间取得良好平衡，达到了降低运行人员工作强度和准确控制水库运行水位的目的。

基于梯级水电站实际运行工况和水情信息，本实施例对本发明的应用效果进行了验证，采用大渡河梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统对某日流域六站的洪水进行了模拟运行，模拟运行与实际运行的过程结果对比如表7所示。当日大岗山、瀑布沟、深溪沟区间发生较大洪水，瀑布沟充分拦蓄洪水且控制水库水位不超过844m，实际运行中深溪沟3#泄洪闸运行中出现故障信息。模拟运行时设置瀑布沟控制上限844m，设置深溪沟3#泄洪闸设备缺陷无法使用，各站调度模式受实际洪水较大而复杂，均选用了防洪调度模式，水位控制策略系统自动匹配，进行了某日0～24h洪水调度。

表7

从图8～图10可以看出，梯级第一级大岗山电站单独进行天然来水的控制效果良好，中游的深溪沟电站整体运行良好。从闸门具体开度比较来看，实际运行中调度人员因无法进行大量计算，经常采用逐步增加开度来调整洪水，部分时段操作次数很多，系统模拟操作的幅度较大，水位控制精度较高，相应的操作次数有所下降。水库水位在没有出力大幅扰动的情况下相对较平稳。

从表7综合数据可以得到，模拟运行下各电站闸门操作次数有不同程度的减少，主要表现在一次操作同时综合规划多个泄洪闸门，相对与通过逐个泄洪闸门操作来进行泄流状态的调整更加迅捷，大幅减少电站现场值守人员的往返工作时间和强度。从瀑布沟水库水位控制上看，能够充分发挥水库库容拦蓄洪水，其泄洪水量减少716万m³，库水位同时又满足不超844m的要求，为下游梯级防洪创造有利条件。深溪沟3#泄洪闸因模拟中处于禁用状态，其调洪功能由1#泄洪洞替代，模拟联合不同类型泄洪闸门也达到自动分配调洪功能。采用梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配系统后，梯级水电站防洪控制效率明显提高，系统在满足梯级防洪限制后，充分利用调节性水库的调节性能，统筹多个电站的泄洪闸门的工况进行有效的泄洪操作，在水库水位控制与泄洪闸门操作上建立平衡关系，模拟运行结果令人满意。

本发明不局限于上述可选实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是落入本发明权利要求界定范围内的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、制定各种水库水位控制区间，根据流量级和时效性制定水库水位控制策略，并存储在策略库中，并将梯级各防洪发电设施的数据按照不同优先顺序和梯级关系转化成对应电站的静态参数，存储在数据库中；

S2、应用程序实时接收梯级水库水位、电站出力、闸门状态和开度，同时读取预计出力、预报流量预设参数，按等出力计算方式计算出各级电站的入库流量、发电流量、泄洪流量和出库流量数据，通过水量平衡演算模拟出梯级各水库水位过程，选择相应策略进行洪水再分配，经过泄洪闸门分段步长突变计算开度来调整控制水库水位，同时将闸门开度结果存储在预开度表中；

S3、泄洪闸门预开度表进入操作时间内时，触发给流域生产管理系统进行在线命令审批和操作前的准备工作，闸门远程控制系统负责泄洪闸门开度的执行并将执行结果反馈，实时更新水情信息。

2.根据权利要求1所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：所述步骤S1中，各种水库包括库容大有调节性能A类水库和库容小无调节性能B类水库，A类水库为季调节以上水库，B类水库为日调节以下水库，由A类水库和B类水库共同组成梯级水库，由A类水库的电站和B类水库的电站共同组成梯级水电站。

3.根据权利要求2所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：所述A类水库和B类水库的水位控制策略如下：

A类水库：水库未达到汛限水位，根据该电站在梯级中的调蓄、调泄规程结合中长期水文预报流量在最大蓄水速率内建立A类电站水位上蓄策略；水库蓄至汛限水位后，根据水文预报洪水流量的级别和梯级联合拦洪、错峰和滞洪需求后的来水流量级别划定水位控制区间Q_级～Z_min～Z_max；Z_min和Z_max分别是水库正常运行的最低和最高水位；

B类水库：根据年内不同时期洪水特性结合预报演算到坝前流量的类型和大小级别在水库死水位Z_死与其汛限水位Z_限之间设置水位控制区间T～Q_级～Z_min～Z_max组成水库水位控制策略库，当预计水库水位超出该区间则调整出入库流量改变水位变化方向，实时水位Z_t在Z_min～Z_max之间浮动；

所述A类水库和B类水库在满足以下条件时进入相应的调度模式：

a、在电站区间洪水和上游电站出库组成大而复杂时，进入防洪调度模式；

b、当流域各区域来水平稳且短期内没有大的改变时，进入平稳调度模式；

c、当需要对中小洪水进行兴利调度时，进入兴利调度模式；

d、当实时水位Z_t＞Z_max或Zt＜Z_min，水库水位进入越限水位且一定时间未得到有效控制时，进入越限调度模式；

e、当出现某水电站发生全站机组或线路全停，下游供水不能达到生态和引用供水需求时，进入应急供水调度模式。

4.根据权利要求3所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：所述防洪调度模式为：

在水库水位运行至上下边界时，通过对泄洪闸门泄洪量的调整使水库水位在一定时长后靠近控制区间的中间值，通过上级电站出流过程加区间产汇流计算出电站的入库流量，根据预设的电站出力过程计算出发点流量过程，再根据目标库水位与调整时水库水位的库容差在一定时长上的流量换算，最后通过水量平衡计算出泄洪流量，进行B类电站泄洪闸门开度的分配；

泄洪流量目标函数为：

其中，Z_i，max和Z_i，min为B类第i级电站策略表中某流量级下的上下限水位；f(Z)为水位库容换算函数；Δt为策略表中执行时长；为时段平均泄洪流量、平均发电流量和平均入库流量；

所述平稳调度模式为：

采用等流量水位趋势控制策略：通过调整梯级各电站的泄洪流量，电站的出入库流量维持某个固定流量差，使电站水位到达分期分流量级水位控制上限时按该差值形成逐渐下降趋势，到达下限时再按该差值形成逐渐上升趋势，使电站水库水位在运行范围内相对均匀的往返；

等流量水位趋势控制策略泄洪目标函数为：

其中，ΔQ_i为B类第i级水电站的固定流量差值；Z_i，t≥Z_i，max时，ΔQ_i为正数；Z_i，t≤Z_i，min时，ΔQ_i为负数；

所述兴利调度模式为：

综合调度规程和各级电站对水库运行水位、流量级别调节性能相关参数，有偏向性的控制水库水位在各区间的涨落速度，根据来水的大小，采用非线性的水位时间变化速率策略，将库水位停留在偏高或偏低或者偏中间的位置，使高水位兴利，低水位防洪；

非线性的水位目标函数为：

F＝min│Z_i，t+Δt-Z_i，min-μ(Z_i，max-Z_i，min)│，(0<μ<1)

其中，Z_i，t+Δt为第i级电站库水位由Z_i，t经过Δt时长执行后的水位，其值靠近水位运行范围的某一偏向性的位置，其随时间Δt的变化关系根据μ的取值选用不同的非线性函数，通过函数附加的水位变化速率控制让水库水位长时间停留在特定区域，该函数为正态或偏态分布函数或如下多项式结构：

Z_i，t+Δt＝Z_i，t+K_nΔtⁿ+K_n-1Δt^n-1+…+K₁Δt，(n＝1,2,3…)；

所述越限调度模式为：

当水库水位超出设定的水位范围，根据超出部分水量的大小调整泄洪流量，使水库水位在一定时长后回归至正常运行范围内；

此时，Z_i，t>Z_i，max或Z_i，t<Z_i，min，水位需要回归的边界水位为：

则泄洪的目标函数为：

其中执行时长Δt为越限量大小的函数：

Δt＝K_i·min(│Z_i，t-Z_i，max│，│Z_i，t-Z_i，min│)

K_i是与i电站库容大小有关的系数；

所述应急供水调度模式为：

泄洪的目标函数为：

其中，Q_i机，j为第i电站第j台机组的过流量，为空载或空转流量，共m1台机组；Q_i泄，j为第i电站第j个泄洪闸门的泄洪流量，共m2个泄洪闸；Q_i供为第i电站下游供水需求流量。

5.根据权利要求4所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：所述步骤S2的演算过程为：

S21、实时采集当前梯级水库水位、电站出力、闸门状态和开度数据进行初始化，然后接口预报入库流量和静态参数进入电站运行模拟器；

S22、计算出第一级电站的模拟未来运行过程，将该模拟过程与限制参数进行比对；

S23、然后将模拟过程中越限时段的水量进行再分配，当判断水位越限时，调整泄洪流量将水库水位在目标时间内调整至目标水位；

S24、分配后的水量在满足闸门状态、优先级、开度约束、工况约束条件的前提下，分配给电站泄洪闸门具体的开度；

S25、调整后的泄洪闸门开度过程再回到运行模拟器中多次运行、校核，最后将没有越限数据的泄洪闸门开度过程作为该电站的闸门控制策略；

S26、该电站调整完的运行过程作为下一级电站的入库参数，然后重复步骤S21-S26，进行下一级电站的闸门控制策略运算；

S27、整个梯级水电站闸门控制策略调整完毕后，发布梯级水电站闸门控制策略，然后进入时钟等待，到下一个时间点时触发重新计算并将执行闸门操作后的闸门开度结果反馈用于更新相关参数，继续进行后续的演算。

6.根据权利要求5所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：所有所述梯级水电站演算及泄洪闸门开度分配时须满足的约束条件包括：

(a)闸门振动、不利工况禁止开度区间：K≠K_j，式中，K_j为闸门的禁止区间开度；

(b)下游防洪对象对闸门泄流量的限制：

Q_入＞Q_限时，Q_n泄＝f_KZQ(K_n泄，Z_i，t)≤Q_n泄限

式中，Q_n泄为某一闸门n的泄流量；K_n泄为该闸门的开度；Z_i，t为水库水位对泄流量的影响因子；Q_n泄限为限制泄流量，即当电站的入库流量达到某一流量时，需要控制某一泄洪设施n的泄流量不能超过某一限制值；

(c)流态约束：连续坝段布置的同类型泄洪闸门组合泄洪时，水工建筑对流态的限制，即闸门开启的均匀对称性和近似对称性的限制：

K_m＞0时，K_n-m-1＞0_n或K_n-m＞0(n＝2,3…，1≤m≤n)

K_m为第m个闸门的开度，该类型闸门共有n个；

(d)挑流消能约束：Kn＞0时Q_出＝Q_发+Q_泄≥Q_需，为达到最低起挑流量要求，闸门开启对出库流量的要求，即某一闸门n开启的条件为电站的出库流量达到需求的量级才能开启；

(e)底流消能约束：要求出库流量达到一定的量形成水垫面；

(f)闸门异常约束：Km＝0，式中Km为第m个闸门的开度为0；

(g)A类水库汛限水位以下对水位变幅的限制：式中Z_a，t+Δt为A类水库时段末库水位，Z_a，t为A类水库时段初库水位，ΔZ_a，max为A类水库最允许大变幅。

7.根据权利要求6所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：所述泄洪闸门开度根据闸门开启的方式和类型，采用分段步长突变计算法进行过程寻优，分段级别的表示如下：

当Km＞Kn级时，Kn∈(K_n级，K_n+1级)区间分配，其中K_n级为当前闸门梯度的分级，将整个闸门开度行程分成几m个区间；

所述闸门类型包括全区间可调的闸门、有最小局部开度和最大局部开度的闸门，以及只允许全关和全开的闸门，全区间可调的闸门为步长类闸门，有最小局部开度和最大局部开度的闸门为混合型闸门，即一部分突变+一部分步长，只允许全关和全开的闸门为突变类闸门；

按闸门优先级顺序进行一级限内的闸门开度分配，再根据各闸门是否全关状态进行跨最小开度赋值，然后按最小梯度逐步增加该闸门开度至一级闸门开度限制；当最优先级的某一类型所有闸门均开至一级开限仍然需要增加闸门开度时，按最小梯度和闸门顺序在二级开限内继续分配闸门开度，直至此类闸门全开；然后过渡至次优先级的另一类闸门分配，根据另一类泄洪闸门的溢流特性，调整前面已分配的闸门开度来拟合最优先级类和次优先级级类的开度。

8.根据权利要求7所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法，其特征在于：通过以下方法调整分段步长突变计算法的并列最优解和无最优解：

式中K_ij表示第i个电站第j个可局部开启的溢洪门的开度；S_i表示第i个电站不能局部开启的溢洪门开度，该类型溢洪门全开开度为S，共有m个数量需要开启；

按需调整泄洪流量的正负值放大，达到闸门最小差额调整需求，当水电站调洪性能达到上、下限时，即所有泄洪设施全关或全开时水库水位仍然无法控制在规定范围内时，水电站处于调洪临界状态，采用其他非水工方式，系统维持临界方式运行，并对预破坏的时间点给出告警提示；

单一水电站内各机组和闸门数据按照实际组合形式形成相应电站的出库流量数据，进而作为下一级水电站的入库流量参数。梯级水电站的闸门的运算是由上到下按时空和汇流顺序逐级演算的。电站内部泄洪闸门的开度分配先是将电站需求的泄洪量按策略分配至每个闸门，然后通过又将所有闸门的泄洪量复算为以电站为对象的泄洪量传递至下一级电站。因而梯级水电站之间以各电站总量数据使用，电站内部的过流设备以分量数据使用。主要包括机组NHQ曲线、闸门溢流曲线，上一级电站的泄洪量作为下一级电站的调整参数经本电站相关约束条件出力后成为该电站的闸门开度分量，经调洪后的各闸门分量形成新的综合泄洪量又作为其更下一级的参数，逐级调整至整个梯级。

9.根据权利要求1-8任一项所述的梯级水电站泄洪闸门开度实时自动分配方法的系统，其特征在于：包括采集终端、数据库服务器、应用服务器、流程库、策略库、信息发布猫、远程控制系统，应用服务器设有收集元、传输元、模拟元、约束元并与数据库服务器、流程库及信息发布猫连接，远程控制系统通过梯级通信网络将采集终端、现地控制单元与数据库服务器连接；

采集终端：将实时水库电站机电设备运行数据和流域水雨情信息采集至数据库服务器处理保存；

数据库服务器：构建数据库，用于存放各类参数、手工方案、泄洪闸门分配结果和演算运行结果；

应用服务器：自动定周期运行系统主程序，自动模式下实时动态模拟显示各梯级水库电站的水情信息、闸门信息、电网负荷和泄洪闸门开度分配结果，以及最近的闸门开度调整数据进入预操作模式，随时准备触发至闸门操作流程中；

收集元：初始化各类参数并将收集到的各类进入计算的数据进入计算机缓存；

传输元：接口数据库服务器、流程库、信息发布猫和策略库，实现各种数据的传输和交互，完成信息传递；

模拟元：根据数据收集元准备的数据结合策略库，根据数据特征选择适应的水库水位控制策略，同时演算出梯级水电站调洪过程和闸门分配方案；

约束元：根据流量类型筛选出来的必需满足的梯级水电站水库、大坝、水工建筑、机电设备及沿河防洪对象的约束条件；

流程库：对触发的闸门操作指令进行在线网络审批和处理流程，对闸门操作过程中的人员进行管控；

策略库：用于存放梯级水电站不同来水和运行状况下泄洪闸门分配策略及其算法；

信息发布猫：对系统运行进行扫描和监视，将超出约束条件的结果和流程中需要运行人员干涉的信息和超出控制的报警信息发布给使用和维护人员，将操作指令中需要人员介入的过程信息发布给运行人员；

远程控制系统：用于通过远方模拟量控制操作电站现地设备，执行具体的操作指令并将反馈信息存入数据库服务器。