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CN111079297B - 一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法及系统 - Google Patents

一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法及系统，方法包括以下步骤：分析梯级水文站的长系列来流过程并将其分为丰、平、枯三个来水年组；建立梯级水库群消落控制模型；输入不同的梯级水库消落时机至所述梯级水库群汛前消落控制模型中，利用权重法分析并得到兼顾梯级发电量和弃水量的梯级最优的梯级水库汛前消落时机。本发明基于来水情况对梯级消落时机的影响，分析了不同来水情景以及不同梯级水库消落时机对梯级发电量和弃水量的影响，揭示了梯级水库发电与弃水之间的协同竞争关系，确定了不同来水情景下兼顾发电量和弃水量的梯级水库最优消落时机，为减少梯级消落期弃水、发挥流域梯级的综合效益提供参考。

Description

一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法及系统
技术领域
本发明涉及水库调度领域，更具体地，涉及一种梯级水库消落期联合消落时机设定的方法及系统。
背景技术
梯级水库在消落期发挥了巨大的发电、航运、供水等综合效益，但同时其汛前集中消落所带来的弃水和防洪问题也越来越受人们重视。若梯级汛前集中消落，将提高下游梯级的弃水风险，极端情况下甚至会形成人造洪峰，增加下游的防洪压力。
目前关于梯级水库群消落调度的研究主要分为两类方法。一是根据判别系数法确定梯级水库群消落时机，但此种方法没有考虑弃水风险的存在，不适用于实际消落情况；二是根据优化调度算法求取发电量最大的梯级运行过程，并提取了不同来水频率下梯级水库的协调消落方案，该方法多集中于提高梯级水库消落期的发电效益以及分析水库间的调度补偿机制，较少在梯级消落控制方案的制定中考虑弃水风险的影响。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提出了一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，其目的在于兼顾梯级水库的发电效益以及弃水风险，确定不同来水情景下的梯级水库最优消落时机。
为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，包括以下步骤：
(1)分析梯级水文站的长系列来流过程，按长系列来流中每年消落期的总水量进行排频，将梯级消落期长系列的入流分为丰(频率小于33％)、平(频率大于等于33％且小于67％)、枯(频率大于等于67％且小于等于100％)三个来水年组，来水分组完成之后，将每个来水年组中的各旬入流进行平均，以各个来水年组的平均入流过程代表丰、平、枯系列；
(2)基于梯级水库消落期的具体运行要求，主要基于各水库的消落期最小下泄流量约束以及水位上下限约束，建立梯级水库群汛前消落控制模型，遍历梯级各水库，将所述梯级水库群汛前消落控制模型应用于当前水库；
(3)在丰、平、枯某一来水年组下，输入不同的梯级水库消落时机至上述梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水下不同梯级水库消落时机的梯级总发电量和总弃水量，利用权重法从所有消落时机组合中选取出对应来水情景下兼顾发电量与弃水量的最优的梯级水库汛前消落时机。
可选地，所述步骤(2)梯级水库汛前消落控制模型分为两个部分：
第一部分时间为调度期初至水库设定的消落时间点，此阶段中若来流大于水库最小下泄，水库则以出入库平衡的方式运行，维持高水位运行，以充分利用水库水头效益，增大水库发电量；如来流小于水库最小出流，则降低水位补水至最小下泄。
第二部分为水库设定的消落时间点至调度期末，此阶段中水库以均匀消落的方式运行至调度期末。
其中，梯级各水库分别按照以上梯级水库汛前消落控制模型进行模拟调度，得到梯级总发电量和弃水量。
可选地，所述步骤(3)中，输入不同的来水和不同的梯级水库消落时机至梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水和梯级水库消落时机的梯级总发电量和总弃水量。利用权重法从所有消落时机组合中选取出兼顾发电量与弃水量的梯级水库最优消落时机，权重法的具体公式为：
Figure BDA0002328680910000021
其中，Pi为各水库发电量，Si为各水库弃水量，α为梯级弃水量的权重系数。若α为0，则该目标等价于发电量最大；若α极大，则该目标等价于弃水量最小；α取值越大，代表着决策者对弃水的厌恶程度越高。当α取值为梯级水量耗水率的倒数，此时上式中的E代表着梯级总电量减去损失电量的净效益值。求得所有梯级消落时机组合的权重法目标值，使得该目标最大的梯级水库消落时机即为最优的梯级水库汛期消落时机。
按照本发明的另一方面，提供了一种推求梯级水库汛前联合消落时机的系统，包括：
来水情景分组模块，用于分析梯级水库各水文站的长系列来流，按长系列来流中每年消落期的总水量进行排频，基于来水量级对梯级消落时机的影响，将各水文站的长系列来流分为频率不同的来水年组；
消落模型建立模块，用于基于梯级水库消落期的具体运行要求，建立梯级水库群汛前消落控制模型，遍历梯级各水库，将所述梯级水库群汛前消落控制模型应用于当前水库；
消落时机获取模块，用于在不同来水年组下，输入不同的梯级水库消落时机至所述梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水年组下不同梯级水库消落时机的总发电量和总弃水量，并利用权重法得到该来水年组兼顾发电量和弃水量的最优的梯级水库汛前消落时机。
优选地，梯级水库群汛前消落控制模型包括：
调度期初至预设的消落时间点，此阶段中若来流大于水库最小下泄，水库以出入库平衡的方式运行，维持高水位以充分利用水库水头效益，增大水库发电量；若来流小于水库最小下泄，降低水位补水至最小下泄；
预设的消落时间点至调度期末，此阶段中梯级各水库以均匀消落的方式运行至调度期末。
优选地，权重法的具体公式为：
Figure BDA0002328680910000041
其中，E为权重目标，Pi为各水库发电量，Si为各水库弃水量，α为梯级弃水量的权重系数。当所述α为梯级水量耗水率的倒数时，E代表着梯级总电量减去损失电量的净效益值；若α为0，E等价于发电量最大；若α极大，E等价于弃水量最小；α取值越大，代表着决策者对弃水的厌恶程度越高。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明提供的梯级水库汛前联合消落时机推求方法，通过遍历梯级水库所有可能的消落时机组合，得到了不同来水和不同梯级消落时机情况下的梯级发电量和弃水量，有效反应了消落期梯级发电与弃水之间的协同竞争关系。并以弃水量作为惩罚量，在梯级发电效益之上减去一定比例的弃水量，得出不同来水情景下综合考虑发电与弃水的梯级最佳消落时机。
附图说明
图1是本发明提供的推求梯级水库汛前联合消落时机的方法的流程示意图；
图2是本发明梯级水库汛前联合消落时机推求的具体计算流程图；
图3是本发明提供的推求梯级水库汛前联合消落时机的系统的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提出一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，兼顾梯级水库的发电效益以及弃水风险，确定不同来水情景下的梯级水库最优消落时机。
如图1所示，本发明提供的水库防洪调度风险分析方法的流程图，包括以下步骤：
(1)分析梯级水文站的长系列来流过程，按系列逐年消落期的总水量进行排频，将梯级消落期长系列的入流分为丰(频率小于33％)、平(频率大于等于33％且小于67％)、枯(频率大于等于67％且小于等于100％)三个来水年组，来水分组完成之后，将每个来水年组中的各旬入流进行平均，以各个来水年组的平均入流过程代表丰、平、枯系列；
(2)建立梯级水库群汛前消落控制模型；
梯级水库消落控制模型分为两个部分：
第一部分时间为调度期初至水库设定的消落时间点，此阶段中若来流大于水库最小下泄，水库则以出入库平衡的方式运行，维持高水位运行，以充分利用水库水头效益，增大水库发电量；如来流小于水库最小出流要求，则降低水位补水至最小下泄。
第二部分为水库设定的消落时间点至调度期末，此阶段中水库以均匀消落的方式运行至调度期末。
梯级各水库分别按照以上消落控制规则进行模拟调度，得到梯级总发电量和弃水量，计算的流程如图2所示。
(3)输入不同的来水和不同的梯级水库消落时机至梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水和梯级水库消落时机的梯级总发电量和总弃水量。利用权重法从所有消落时机组合中选取出兼顾发电量与弃水量的梯级水库最优消落时机，权重法目标的具体公式为：
Figure BDA0002328680910000051
其中，Pi为各水库发电量，Si为各水库弃水量，α为梯级弃水量的权重系数。若α为0，则该目标等价于发电量最大；若α极大，则该目标等价于弃水量最小；α取值越大，代表着决策者对弃水的厌恶程度越高。推荐α取值为梯级水量耗水率的倒数，此时上式中的E代表着梯级总电量减去损失电量的净效益值。求得所有梯级消落时机组合的权重法目标值，使得该目标最大的梯级水库消落时机即为我们所求的最优梯级汛期联合消落时机。
本发明还提供了一种推求梯级水库汛前联合消落时机的系统，如图3所示，包括：
来水情景分组模块，用于分析梯级水库各水文站的长系列来流，按长系列来流中每年消落期的总水量进行排频，基于来水量级对梯级消落时机的影响，将各水文站的长系列来流分为频率不同的来水年组；
消落模型建立模块，用于基于梯级水库消落期的具体运行要求，建立梯级水库群汛前消落控制模型，遍历梯级各水库，将所述梯级水库群汛前消落控制模型应用于当前水库；
消落时机获取模块，用于在不同来水年组下，输入不同的梯级水库消落时机至所述梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水年组下不同梯级水库消落时机的总发电量和总弃水量，并利用权重法得到该来水年组兼顾发电量和弃水量的最优的梯级水库汛前消落时机。
具体地，梯级水库群汛前消落控制模型包括：
调度期初至预设的消落时间点，此阶段中若来流大于水库最小下泄，水库以出入库平衡的方式运行，维持高水位以充分利用水库水头效益，增大水库发电量；若来流小于水库最小下泄，降低水位补水至最小下泄；
预设的消落时间点至调度期末，此阶段中梯级各水库以均匀消落的方式运行至调度期末。
具体地，权重法的具体公式为：
Figure BDA0002328680910000071
其中，E为权重目标，Pi为各水库发电量，Si为各水库弃水量，α为梯级弃水量的权重系数。当所述α为梯级水量耗水率的倒数时，E代表着梯级总电量减去损失电量的净效益值；若α为0，E等价于发电量最大；若α极大，E等价于弃水量最小；α取值越大，代表着决策者对弃水的厌恶程度越高。
实施例
以金沙江下游梯级汛前消落时机选取为例，依据乌东德水文站、白鹤滩水文站和屏山站1959年至2014年的长系列来水资料，按系列逐年1月至6月(消落期)的总水量进行排频，将梯级消落期长系列的入流分为丰、平、枯三个来水年组。
乌东德、白鹤滩和溪洛渡的消落时机范围为1月1日至6月11日(6月11日是由水库水位变幅约束反推得到的最晚消落时机)，向家坝的消落时机范围为1月1日至6月21日。本此研究的调度尺度为旬，所以乌东德、白鹤滩和溪洛渡水库分别有17种消落时机的选取可能，向家坝有18种。采用排列组合的思想，则梯级水库共有17*17*17*18＝88434种组合消落情况。将所有可能的梯级消落组合带入消落控制模型中，并输入某个代表年组的平均入流过程，则可以得到该来水情况下，梯级不同消落组合的发电量和弃水量情况。
将丰、平、枯来水情况下金沙江下游梯级不同消落时机的发电量和弃水量进行排序和处理，得到不同情况下的梯级推荐消落时机。其中，兼顾发电与弃水的结果利用权重法得到，式中α取值为1.4，其值由梯级的水量耗水率求得，代表着单位水量所能产生的电量。不同来水和不同目标下的推荐梯级水库消落时机具体结果如表1所示。
表1
Figure BDA0002328680910000081
综上，本发明基于梯级不同来水情景对消落调度的影响，分析了丰、平、枯三种来水下梯级水库消落时机与梯级发电量和弃水量的关系，揭示了消落期梯级发电与弃水之间的协同竞争关系，并得出了在不同来水情景下综合考虑发电与弃水的梯级最佳消落时机。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分析梯级水库各水文站的长系列来流，按长系列来流中每年消落期的总水量进行排频，基于来水量级对梯级消落时机的影响，将各水文站的长系列来流分为频率不同的来水年组；
(2)基于梯级水库消落期的具体运行要求，建立梯级水库群汛前消落控制模型，遍历梯级各水库，将所述梯级水库群汛前消落控制模型应用于当前水库；
(3)在不同来水年组下，输入不同的梯级水库消落时机至所述梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水年组下不同梯级水库消落时机的总发电量和总弃水量，并利用权重法得到该来水年组兼顾发电量和弃水量的最优的梯级水库汛前消落时机，所述权重法的具体公式为：
Figure FDA0003297650710000011
其中，E为权重目标，Pi为各水库发电量，Si为各水库弃水量，α为梯级弃水量的权重系数。
2.根据权利要求1所述的推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，其特征在于，所述步骤(1)中来水年组分为丰、平、枯三个频率在0％至100％内连续范围的来水年组，丰的频率小于33％，平的频率大于等于33％且小于67％，枯的频率大于等于67％且小于等于100％。
3.根据权利要求1所述的推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，其特征在于，所述梯级水库群汛前消落控制模型包括：
调度期初至预设的消落时间点，此阶段中若来流大于水库最小下泄，水库以出入库平衡的方式运行，维持高水位以充分利用水库水头效益，增大水库发电量；若来流小于水库最小下泄，降低水位补水至最小下泄；
预设的消落时间点至调度期末，此阶段中水库以均匀消落的方式运行至调度期末。
4.根据权利要求3所述的推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，其特征在于，梯级各水库分别按照所述梯级水库汛前消落控制模型进行模拟调度，得到梯级水库总发电量和弃水量。
5.根据权利要求1所述的推求梯级水库汛前联合消落时机的方法，其特征在于，当所述α为梯级水量耗水率的倒数时，E代表着梯级总电量减去损失电量的净效益值；若α为0，E等价于发电量最大；若α极大，E等价于弃水量最小；α取值越大，代表着决策者对弃水的厌恶程度越高。
6.一种推求梯级水库汛前联合消落时机的系统，其特征在于，包括：
来水情景分组模块，用于分析梯级水库各水文站的长系列来流，按长系列来流中每年消落期的总水量进行排频，基于来水量级对梯级消落时机的影响，将各水文站的长系列来流分为频率不同的来水年组；
消落模型建立模块，用于基于梯级水库消落期的具体运行要求，建立梯级水库群汛前消落控制模型，遍历梯级各水库，将所述梯级水库群汛前消落控制模型应用于当前水库；
消落时机获取模块，用于在不同来水年组下，输入不同的梯级水库消落时机至所述梯级水库群汛前消落控制模型中，得到对应来水年组下不同梯级水库消落时机的总发电量和总弃水量，并利用权重法得到该来水年组兼顾发电量和弃水量的最优的梯级水库汛前消落时机，所述权重法的具体公式为：
Figure FDA0003297650710000021
其中，E为权重目标，Pi为各水库发电量，Si为各水库弃水量，α为梯级弃水量的权重系数。
7.根据权利要求6所述的推求梯级水库汛前联合消落时机的系统，其特征在于，所述梯级水库群汛前消落控制模型包括：
调度期初至预设的消落时间点，此阶段中若来流大于水库最小下泄，水库以出入库平衡的方式运行，维持高水位以充分利用水库水头效益，增大水库发电量；若来流小于水库最小下泄，降低水位补水至最小下泄；
预设的消落时间点至调度期末，此阶段中水库以均匀消落的方式运行至调度期末。
8.根据权利要求7所述的推求梯级水库汛前联合消落时机的系统，其特征在于，当所述α为梯级水量耗水率的倒数时，E代表着梯级总电量减去损失电量的净效益值；若α为0，E等价于发电量最大；若α极大，E等价于弃水量最小；α取值越大，代表着决策者对弃水的厌恶程度越高。
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