CN109325610B - 一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，利用水库当前可供水量及系统内各用水户的需水量、泵站设计流量、水库最大最小库容及最大下泄流量等参数对系统内各用水户的水量分配规则以及泵站和水库调度规则进行优化，最后得到调度规则，生成用水户的用水量和泵站、水库的调水量，作为指导系统运行的依据，该发明克服了传统调水过程中依靠经验造成的不必要的泵站能耗，优先利用当地水源和近距离水源，提高了调水和供水效率，理论意义明确，操作简单易行，容易在实际调水中应用。

Description

一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法
技术领域
本发明涉及管理调度领域，具体涉及一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法。
背景技术
随着区域性缺水问题的日益突出，修建大型跨流域调水工程成为解决区域性缺水的一项重要工程手段。作为优化区域间水资源配置，促进经济社会可持续平衡发展的重大举措，如何最大限度的降低调水工程的运行成本，同时保障用水户的供水需求，是调水系统运行中的核心技术问题。
传统的调水工程的运行模式为多层级调度，由高层级部门制定总调度计划，次一级泵闸站操作人员根据调度计划结合人工经验和实时水情，通过调节泵站的开机台数、闸门的开度等等，调节供水量和调水量，并将执行情况反馈给高层级调度部门，由高层级部门对调度计划进行滚动调整和修正。
而这种传统的调度模式，高层级部门将总调水目标和总供水目标分解到各个泵闸站，各泵闸站以分配指标为基础，制定调度策略，这种层级式调度方式往往缺乏对各水力单元之间水量平衡关系的系统分析，造成调度系统运行效率低下，产生不必要的水泵抽水能源消耗。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种运行效率高，减少能耗的调度方法。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，具体包括以下步骤：
S1.设立具有水力联系的系统网络；
S2.确定水库在一年内各时间的最小最大水位边界
Figure BDA0001766680740000021
和水库最大下泄能力
Figure BDA0001766680740000022
其中t为时间，i为水库编号，i＝1，2，…，M，M为系统内水库总数；
S3.确定泵站在各时间的最大工程设计流量
Figure BDA0001766680740000023
其中t为时间，j为泵站编号，j＝1，2，…，N，N为系统内泵站的总数；
S4.确定系统内各个用水户在各时间的需水量
Figure BDA0001766680740000024
作为供水目标，其中t为时间，k为用水户编号，k＝1，2，…，K，K为系统内用水户总数；
S5.计算各水库的历史入流集合{I1，I2，I3，…，IY}，Y为所采用的历史年份的总数，其中I1为各水库第一年的逐旬入流量,如下式所示：
Figure BDA0001766680740000025
M为系统内水库的总数量；
S6.定义决策的变量、调水目标和供水目标，并求出水库的库容，对调水目标和供水目标求解得到调水目标和供水目标两个目标下的Pareto最优解集及相对应的决策变量
Figure BDA0001766680740000026
Figure BDA0001766680740000027
其中S为Pareto最优解的数量；
S7.根据各历史年份的入流序列{I1，I2，I3，…，IY}中的每年的入流序列y＝1，2，…，Y，逐个重复步骤S6，得到Y组不同入流条件下的Pareto最优解集及相对应的决策变量
Figure BDA0001766680740000031
Figure BDA0001766680740000032
S8.根据不同入流条件{I1，I2，I3，…，IY}得到的最优解和相应的决策变量集合
Figure BDA0001766680740000033
Figure BDA0001766680740000034
计算每个入流条件Iy下的决策变量的平均值，
Figure BDA0001766680740000035
Figure BDA0001766680740000036
作为不确定入流条件下的调度决策的依据和规则；
S9.得到调度依据与规则，进行调度。
通过一连串的计算步骤，对于管理整个调水工程提供实质性的依据，并且能根据实际制定一系列的规则，并且加入的优化参数数量较少，参数的范围广，时效性强，易于优化，既然综合考虑了水库的容量，也参考了用户的使用量，能综合统筹多个方面，充分分析各水力单元之间水量平衡的关系，大大提高了调度系统运行的效率。
进一步，所述水力联系的系统网络以水库、用水户、泵站三个对象为节点，以河道、渠道连接各节点，多个节点与连接渠道，能够更直观的表示各对象的水力联系，同时在分析管理时，考量与参考的范围更广，制定的规则能更加全面，能有效提高调度系统的效率。
进一步，所述时间t为旬时段，t＝1，2，…，36，以旬时段为时间段，能够满足实际调度的需求，在进行分析时能更加的准确。
进一步，所述步骤S6定义决策的变量包括两组决策变量，第一组为在不同时间t内，根据水库的上下水位边界
Figure BDA0001766680740000037
确定水库调度图与调度区域，所述调度区域内，设置高控水位
Figure BDA0001766680740000041
和低控水位
Figure BDA0001766680740000042
由上水位边界
Figure BDA0001766680740000043
下水位边界
Figure BDA0001766680740000044
高控水位
Figure BDA0001766680740000045
和低控水位
Figure BDA0001766680740000046
组成的4个控制水位，将t时间的调度区域划分为5个子区域，t＝1，2，…，36，i为水库编号，i＝1，2，…，M，M为系统内水库的总数量，高控水位
Figure BDA0001766680740000047
和低控水位
Figure BDA0001766680740000048
为第一组决策变量。
第二组为在不同的时间t内，根据不同水位区域，设置不同的供水规则和调水规则，即在不同水位区域条件下t时间内设有用水户供水量Wt k、泵站调水计量Pt j、水库下泄流量
Figure BDA0001766680740000049
分别如下式所示：
Figure BDA00017666807400000410
Figure BDA00017666807400000411
Figure BDA00017666807400000412
其中,
Figure BDA00017666807400000413
是t时间第k个用水户的供水削减系数；MinWt k是t时间第k个用水户的最小供水量；
Figure BDA00017666807400000414
是t时间第j个泵站的供水削减系数，
Figure BDA00017666807400000415
MinWt k为第二组决策变量。
进一步，所述步骤S6的调水目标和供水目标分别为供水目标函数f1和调水目标函数f2，如下式所示：
Figure BDA0001766680740000051
Figure BDA0001766680740000052
其中
Figure BDA0001766680740000053
为各个用水户在各时间的需水量，
Figure BDA0001766680740000054
为用水户供水量，
Figure BDA0001766680740000055
为泵站在各时间的最大工程设计流量，
Figure BDA0001766680740000056
为泵站调水计量。
进一步，所述步骤S6的水库的库容为Vt i，在时间t内水库的库容Vt i分为两段，当t＝1时，
Figure BDA0001766680740000057
当t＝2～36时，
Figure BDA0001766680740000058
其中
Figure BDA0001766680740000059
是第i个水库的初始库容；Vt i是第i个水库在t时段的末库容，
Figure BDA00017666807400000510
是第i个水库在t时段的水量损失。
进一步，所述对调水目标和供水目标求解采用多目标向量评价遗传算法进行迭代求解。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)本发明通过增设一系列的参数，利用各参数进行计算，最后得到调度规则，并生成一系列数据作为指导系统运行的依据，整个方法简单便捷，同时能通过参数直观反映实际情况，既能满足提高管理调度系统的效率，又能降低不必要的能耗。
(2)由于本发明该发明克服了传统调水过程中依靠经验造成的不必要的泵站能耗，优先利用当地水源和近距离水源，提高了调水和供水效率，操作简单易行，容易在实际调水中应用。
(3)本发明能实现泵站的优化调度和水量的优化分配，使系统内各用水户的总供水满足程度最大的同时，各梯级泵站总抽水量最小，并且能保障系统高效运行。
附图说明
图1为面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法流程图。
图2为调水系统的单元组成图。
图3为水库的调度区域图。
图4为向量评价遗传算法求解流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。实施例1
本发明提出了一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，如图1所示，具体包括以下步骤：
S1.以水库、用水户、泵站三个对象为节点，通过河道、渠道连接各节点元素，形成具有水力联系的系统网络，调水系统的最小组成单元如图2所示，图2中是方形代表抽水泵站，三角形代表调蓄湖泊或水库，黑水箭头代表河道、渠道，圆形代表供水区工业、城市和生活用水户。
S2.根据水库管理部门的要求，分别确定调水工程范围内各水库在一年内各时段的最大最小水位边界
Figure BDA0001766680740000071
及水库最大下泄能力
Figure BDA0001766680740000072
其中t为旬时段，t＝1，2，…，36，i为水库编号，i＝1，2，…，M，M为系统内水库总数。
S3.根据调水工程规划报告及相关设计方案，确定各泵站在各时段的最大工程设计流量
Figure BDA0001766680740000073
其中t为旬时段，t＝1，2，…，36，j为泵站编号，j＝1，2，…，N，N为系统内泵站的总数。
S4.根据每年调度开始前受水区提供的年度需水预测，确定系统内各个用水户在各时段的需水量
Figure BDA0001766680740000074
并以此作为供水目标，其中t为旬时段，t＝1，2，…，36，k为用水户编号，k＝1，2，…，K，K为系统内用水户总数。
S5.根据水库的历史来水条件，计算各水库的历史入流集合{I1，I2，I3，…，IY}，Y为所采用的历史年份的总数，其中I1为各水库第一年的逐旬入流量,具体计算方式为：I1＝
Figure BDA0001766680740000075
M为系统内水库的总数量。
S6.在不同时段t内，根据水库的上下水位边界
Figure BDA0001766680740000076
确定水库调度图和调度区域，调度区域如图3灰色区域所示,在该区域内，设置高控水位
Figure BDA0001766680740000077
和低控水位
Figure BDA0001766680740000078
组成第一组决策变量,图3中的灰色调度区域有4条线，2条实线2条虚线，4条线由上到下分别代表为t时段该水库的最高限制水位、t时段该水库的高控制水位、t时段该水库的低控制水位和t时段该水库的最低限制水位；
经由上水位边界
Figure BDA0001766680740000081
下水位边界
Figure BDA0001766680740000082
高控水位
Figure BDA0001766680740000083
和低控水位
Figure BDA0001766680740000084
组成的4个控制水位，将t时段的调度区域划分为5个子区域，如图3所示，t为旬时段，t＝1，2，…，36，i为水库编号，i＝1，2，…，M，M为系统内水库的总数量；
而在时段t内，根据不同水位区域，设置不同的供水规则和调水规则，在不同水位条件下t时段用水户供水量Wt k、泵站调水计量Pt j、水库下泄流量
Figure BDA0001766680740000085
分别如下式所示：
Figure BDA0001766680740000086
Figure BDA0001766680740000087
Figure BDA0001766680740000088
其中,
Figure BDA0001766680740000089
是t时段第k个用水户的供水削减系数；MinWt k是t时段第k个用水户的最小供水量；
Figure BDA00017666807400000810
是t时段第j个泵站的供水削减系数，
Figure BDA00017666807400000811
MinWt k为第二组决策变量；
通过决策变量中的用水户供水
Figure BDA0001766680740000091
和泵站调水计量
Figure BDA0001766680740000092
分别计算供水目标和调水目标，供水目标和调水目标分别用供水目标函数f1和调水目标函数f2表示，如下式所示：
Figure BDA0001766680740000093
Figure BDA0001766680740000094
再根据决策中的用水户供水
Figure BDA0001766680740000095
泵站调水计量
Figure BDA0001766680740000096
和水库下泄流量Rt i的计算公式，求解离散化后各时段t的水库库容Vt i，时段共分为两段，当t＝1时，水库库容
Figure BDA0001766680740000097
当t＝2～36时，水库库容
Figure BDA0001766680740000098
其中
Figure BDA0001766680740000099
是第i个水库的初始库容；Vt i是第i个水库在t时段的末库容，
Figure BDA00017666807400000910
是第i个水库在t时段的水量损失；
再以各历史年份的入流序列{I1，I2，I3，…，IY}中一年的水库入流Iy作为输入条件，结合第一组决策变量、第二组决策变量和水库库容，分别计算供水目标函数f1和调水目标函数f2，以最小化f1和f2为目标，采用多目标向量评价遗传算法进行迭代求解，向量评价遗传算法求解流程如图4所示，得到两个目标下的Pareto最优解集及相对应的决策变量
Figure BDA00017666807400000911
其中S为Pareto最优解的数量。
S7.对于各历史年份的入流序列{I1，I2，I3，…，IY}中的每年的入流序列y＝1，2，…，Y，逐个重复步骤S6，得到Y组不同入流条件下的Pareto最优解集及相对应的决策变量
Figure BDA00017666807400000912
Figure BDA0001766680740000101
S8.根据不同入流条件{I1，I2，I3，…，IY}得到的最优解和相应的决策变量集合
Figure BDA0001766680740000102
Figure BDA0001766680740000103
计算每个入流条件Iy下的决策变量的平均值，
Figure BDA0001766680740000104
Figure BDA0001766680740000105
作为不确定入流条件下的调度决策的依据和规则。
S9.得到调度依据与规则，进行调度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1.设立具有水力联系的系统网络；
S2.确定水库在一年内各时间的最小最大水位边界
Figure FDA0002367297080000011
和水库最大下泄能力Qi，其中t为时间，i为水库编号，i＝1，2，…，M，M为系统内水库总数；
S3.确定泵站在各时间的最大工程设计流量
Figure FDA0002367297080000012
其中t为时间，j为泵站编号，j＝1，2，…，N，N为系统内泵站的总数；
S4.确定系统内各个用水户在各时间的需水量
Figure FDA0002367297080000013
作为供水目标，其中t为时间，k为用水户编号，k＝1，2，…，K，K为系统内用水户总数；
S5.计算各水库的历史入流集合{I1，I2，I3，…，IY}，Y为所采用的历史年份的总数，其中I1为各水库第一年的逐旬入流量，如下式所示：
Figure FDA0002367297080000014
M为系统内水库的总数量；
S6.定义决策的变量、调水目标和供水目标，并求出水库的库容，对调水目标和供水目标求解得到调水目标和供水目标两个目标下的Pareto最优解集及相对应的决策变量
Figure FDA0002367297080000015
Figure FDA0002367297080000016
其中S为Pareto最优解的数量；
所述定义决策的变量包括两组决策变量，第一组为在不同时间t内，据水库的上下水位边界
Figure FDA0002367297080000017
确定水库调度图与调度区域，所述调度区域内，设置高控水位
Figure FDA0002367297080000018
和低控水位
Figure FDA0002367297080000019
由上水位边界
Figure FDA0002367297080000021
下水位边界
Figure FDA0002367297080000022
高控水位
Figure FDA0002367297080000023
和低控水位
Figure FDA0002367297080000024
组成的4个控制水位，将t时间的调度区域划分为5个子区域，t＝1，2，…，36，i为水库编号，i＝1，2，…，M，M为系统内水库的总数量，高控水位
Figure FDA0002367297080000025
和低控水位
Figure FDA00023672970800000215
为第一组决策变量；
第二组为在不同的时间t内，根据不同水位区域，设置不同的供水规则和调水规则，即在不同水位区域条件下t时间内设有用水户供水量
Figure FDA0002367297080000026
泵站调水计量
Figure FDA0002367297080000027
水库下泄流量
Figure FDA0002367297080000028
分别如下式所示：
Figure FDA0002367297080000029
Figure FDA00023672970800000210
Figure FDA00023672970800000211
其中，
Figure FDA00023672970800000212
是t时间第k个用水户的供水削减系数；MinWt k是t时间第k个用水户的最小供水量；
Figure FDA00023672970800000213
是t时间第j个泵站的供水削减系数，
Figure FDA00023672970800000214
MinWt k为第二组决策变量；
所述调水目标和供水目标分别为供水目标函数f1和调水目标函数f2，如下式所示：
Figure FDA0002367297080000031
Figure FDA0002367297080000032
其中
Figure FDA0002367297080000033
为各个用水户在各时间的需水量，
Figure FDA0002367297080000034
为用水户供水量，
Figure FDA0002367297080000035
为泵站在各时间的最大工程设计流量，
Figure FDA0002367297080000036
为泵站调水计量；
所述水库的库容为Vt i，在时间t内水库的库容Vt i分为两段，当t＝1时，
Figure FDA0002367297080000037
当t＝2、36时，
Figure FDA0002367297080000038
其中
Figure FDA0002367297080000039
是第i个水库的初始库容；Vt i是第i个水库在t时段的末库容，
Figure FDA00023672970800000310
是第i个水库在t时段的水量损失；
S7.根据各历史年份的入流序列{I1，I2，I3，…，IY}中的每年的入流序列y＝1，2，…，Y，逐个重复步骤S6，得到Y组不同入流条件下的Pareto最优解集及相对应的决策变量
Figure FDA00023672970800000311
Figure FDA00023672970800000312
S8.根据不同入流条件{I1，I2，I3，…，IY}得到的最优解和相应的决策变量集合
Figure FDA00023672970800000313
Figure FDA00023672970800000314
计算每个入流条件Iy下的决策变量的平均值，
Figure FDA00023672970800000315
Figure FDA00023672970800000316
作为不确定入流条件下的调度决策的依据和规则；
S9.得到调度依据与规则，进行调度。
2.根据权利要求1所述面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，其特征在于，所述水力联系的系统网络以水库、用水户、泵站三个对象为节点，以河道、渠道连接各节点。
3.根据权利要求1所述面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，其特征在于，所述时间t为旬时段，t＝1，2，…，36。
4.根据权利要求1所述面向多水源梯级泵站调水系统的分段线性调度方法，其特征在于，所述对调水目标和供水目标求解采用多目标向量评价遗传算法进行迭代求解。
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