基于优化组合方案的梯级水库泄洪闸门数字化.DOC

1、基于优化组合方案的梯级水库 泄洪闸门数字化 及其应用 刘广宇 ， 鄢尚 （四川大学水电学院，成都 610065） 摘要： 水库防洪优化调度不仅能减少洪水灾害，而且还能实现洪水资源化，提高水库的运行效率。但是以往的 流域 梯级水库 的联合防洪调度研究往往只计算水库泄洪流量过程，没有考虑 泄洪 闸门的 具体操作情况 。根据闸门运行要求，总结水电站的闸门启闭条件，并制定泄洪闸门数字化表格。闸门数字化表格用来解决闸门泄流的约束问题，数字化表格过程需要计算若干个子单元，每个单元为计算在给定的水位下，由特定的流量范围内的闸门组合组成，每个单元里面有多种不同类型的组合方式，每种组合方式下有多个代表性闸门组合

2、。应用数字化表格可依据水电站的期望下泄流量，采用二分法搜寻闸门组合方案，选取闸门开度离差平方和最小和闸门开度变化个数最少作为目标函数，并对闸门下泄流量与多步骤逐步优化算法计算的流量间的误差进行修正，进行水电站泄流量实时分配，更 快速准确地对闸门开度进行调整。结合某流域下游梯级水库洪水优化调度进行了实例计算，考虑闸门运行的防洪优化调度的下泄流量较原电站实际运行的下泄流量均匀，并且通过对相邻两时段闸门开度的比较和优化，减少了电站闸门开启次数，获得的优化调度闸门运行优于实际调度情况，结果表明泄洪闸门数字化表格方法正确。 关键词： 防洪；梯级水库；闸门数字化 中图分类号：文献标识码： A Digiti

3、zationof Floodgates for Cascade Reservoir based on Optimum Combination Scheme and its Application LIU Guangyu， Yanshang (Institute of Hydroelectric Engineering， Sichuan University， Chengdu 610065) Abstract:The optimal dispatching for flood control of reservoir can reduce floods, achieve floodwater u

4、tilization and improve the operating efficiency of reservoirs. However, the previous studies on combined flood control dispatching of cascade reservoirs only give calculation of flood discharge capacity of reservoirs without consideration of the specific opening of gates. The gate opening and closin

5、g conditions of hydropower stations are summarized and the digital forms of flood discharge gates are prepared in accordance with the operation requirements of gates. The digital forms of gates are used to solve the constraints of flood discharge of gates. The preparation of digital forms requires c

6、alculation of several sub-units, each of which is composed of gate combinations within a specific range of flow rate at a given water level. Each unit contains a number of different ways of combination, each of which includes a number of representative gate combinations. The application of digital f

7、orms can depends on the expected let-down flow rate of hydropower stations. Dichotomy can be used to seek for gate combination scheme, and the minimum sum of squares of deviations of gate opening and the minimum change of gate opening can be used as the objective functions. Correction can be made to

8、 the error between the let-down flow rate of gate and the flow rate calculated with the multi-step progressive optimality algorithm so as to make real-time allocation for the flood discharge capacity of hydropower stations and adjust the gate opening in a quicker and more accurate way. A sample calc

9、ulation has been conducted based on the optimal dispatching for flood control of cascade reservoirs at the downstream of a river basin. The opening times of gate of hydropower stations are reduced after giving consideration to the fact that the let-down flow rate of optimal dispatching for flood con

10、trol of gates in operation is more uniform than that of the original hydropower stationin 收稿日期： 基金项目 :国家重点基础研究发展计划 (973 计划 )资助项目梯级水库群风险应急调度模式与应急处置机制 (2013CB036406-4) 作者简介 :刘广宇 （ 1972 ） ，男，教授级高级工程师，博士生 .研究方向 :水利电力经济管理 .E-mail: 网络出版时间 :网络出版地址 : actual operation and through comparison and optimization

11、of the gate openings in two adjacent time intervals, thus obtaining the optimal dispatching of gates in operation superior to the actual dispatching. The results indicate that the method using digital forms of flood discharge gates is correct. Key words:Flood control Cascade reservoirs Floodgates di

12、gital tables由于我国复杂的自然地貌 和 气候特征 ，东南地区水资源非常丰富，西北严重缺水，且水资源时空分布不均 1。随着 经济的高速发展，洪涝灾害和水资源短缺问题严重制约着国民经济的发展，而且日渐突出，合理利用水资源成为亟待解决的关键问题 2。为了解决水资源短缺和洪水泛滥这一矛盾， 兴建流域梯级水库利用洪水资源是非常有效的手段，利用梯级水库的联合防洪调度，可以降低洪峰流量，合理的拦截洪水，减少甚至消除洪灾区人民的洪灾风险，实现洪水的资源化 3。 水库的优化调度是实现洪水资源化的重要手段。 从上个世纪 40年代末期开始，随着系统工程学、计算机科学、通信遥感等学科的快速发展，以动态规划

13、、线性规划和非线性规划等方法为代表的优化技术在水库调度中得到了广泛应用 4。水库调度按照调度对象分为单一水库调度、梯级水库群调度；按照调度目标分为单目标和多目标调度两种；按时间长短划分中长期调度、短期调度和实时调度；按照水库来水、水库水位等因素描述的差异，划分为确定性调度、模糊调度和随机调度；按照使用的算法和模型的不同，有常规和优化两种调度方式 5。水库调度的优化方法主要 有：动态规划以及其改进算法、大系统分析协调理论和模拟技术、线性规划、人工智能算法等方法 6。 国内外学者对水库防洪优化调度做了大量研究，如袁鹏等改进了惯性权重 PSO模型 7；李雨等建立了基于并行搜索 PDP算法模型应用于防

14、洪调度中 8； Jionghong Chen等进行了梯级水库联合防洪调度与汛限水位动态控制研究 9 ， 取得了良好的调度效果 。 但是，国内外学者只考虑了 水库 最大和最 小下泄流量约束，很少考虑具体的闸门下泄流量约束 。 本文根据 流域 梯级各水电站的闸门运行要求，制定 闸门数字化表格 ， 针对给定的 水位及 下泄流量，采用二分法 搜索 闸门组合方案， 以 减少相邻两时段闸门开度变化 为 优化目标 ， 快速 准确 的 计算 闸门开度 ，对水电站 实际运行具有重要指导作用。 1闸门数字化 研究 1.1 闸门数字化思路 不同水电站 的 闸门运行原则及 要求 各异 ，闸门 运行 组合方式很多 。

15、若梯级 水 电站的 所有 闸门数纳入到 优化计算 中，寻优变量将显著 增加， 从而 导致维数灾问题 。因此，需用简化的算法 对闸门组合方式进行合理分类。 其 数字化思路如下： 对 流域 电站 的闸门 进行编号， 针对 不同水位 ， 以 某 个流量为间隔，进行闸门数字化。比如， 设流量间隔为 100， 在水位为 a， 下泄 流量为 b（ b 为 100 的倍数） 时 ， 对下泄流量为 b-50 到 b+50 范围内的闸门组合进行数字化 。 对 每种 闸门 组合类型，以把流量 b合理分配到各 闸门为初始条件，进行计算，当 满足条件的组合 个数达到设定值 时停止，进行其它 闸门 组合 类型 的计算，

16、直到遍历完所有组合类型为止。 对于单个水电站，闸门组合方式 可 通过如下的公式计算： 1nijiTQ GQ(1) n 为 水 电站的闸门总数， TQ 为闸门的组合泄流量， ijGQ 为第 i 个闸门在开度为 j的情况下的泄流量， j 的取值从零到闸门全开。 电站闸门的 泄流曲线是一个 以 水位和开度 为基础 的二维表 ， 一般有多条 且均为非线性 ，无法进行差值处理而 必须进行离散 。以 某水电站表孔闸门运行的水位范围 为例，从 1180.5m1200m， 取 间隔为 0.1m，离散个数为 196 个。 在每一水位下，除不允许局部开启的闸门外， 电站 闸门开度 按百分比 离散个数至少为 101

17、 个 。 因此 泄流曲线数据量非常大， 难以 通过人工把 泄洪 流量分配给各个闸门，而 泄洪 闸门运行规则 仅 通过文字 性描述进行闸门流量分配，难以 实现 快速准确的泄洪闸门 流量 分配。本研究通过闸门数字化表格， 计算出 所有水位和特定流量下的代表性闸门组合策略，形成以水位和流量为索引的数据库 方便 快速 查询 。 闸门数字化具体步骤如下： （ 1）输入数据 根据闸门运行规则 ， 将泄流曲线 按照百分比或 0.1m 等 间距方式进行 离散 。 （ 2）计算过程 第一步：对水位 i 赋初值； 第二步： 根据 水位 i， 按泄洪闸门运行规则， 确定不同的闸门 组合 类型 。 第三步： 按 闸门

18、组合下的最大下泄流量，对流量进行分组 ； 定义 j 为流量分组序号；对 j 赋初值，初值为 1； j 代表的流量分组为j*LLLS-LLLS/2,j*LLLS+LLLS/2， LLLS 为流量间隔 。 例如最大下泄流量 5000， 设 流量间隔 为100 ， 分组数为 50 ，即：50150,(150250,(250,350（ 4950,5050。 对流量进行分组处理， 可以根据 水位 和流量 ，方便查找出闸门组合。 第四步：根据第二步得到的闸门组合类型，计算代表性闸门组合。 第 五 步：增大 j，遍历水位 i 下的所有流量组；增大 i，遍历所有的水位。 1.2闸门 数字化 表格的应用 闸门数

19、字化 表格 应用 的优化目标 ，是在用 优化算法得到梯级 水 电站各时段的 水位及 下泄流量后，通过 搜索 闸门数字化表格，快速 获得合理的闸门组合， 并且 通过对相邻两时段闸门开度的比较和优化 ，减少电站闸门 启闭 次 数 ， 降低 电站的运行成本 。 闸门数字化表格按照水位和流量有序排列，水位优先级高于流量。为了减少搜寻次数， 本文 采用二分法进行搜索。具体的计算步骤如下： ( ) / 2 ,( ) / 2,( ) / 2e n d bbbb c aif Q Q c b babe lse if Q Q a bb b cQQ（ 2） 以定位流量为例，式中， a、 c 的初始值分别为最小流量和

20、最大流量所在行的序号，bQ 为行数为 b 时，流量的值， Q 为 i 时段，电站要求的闸门下泄流量。 为 实现 减少 相邻两 时段闸门开度变化的优化目标 ， 选取 闸门开度离差平方和最小和闸门开度变化个数最少 作 为目标函数 ，选取与上一个时段闸门开启方式最接近的闸门组合方式，其中闸门个数变化最少的原则优先级较高，具体的计算过程如下： 1 , a ,121 , a ,1( O )() It t aaIt t aaN B O O L OS O O（ 3） 式中： 1,a ,t t aOO 分别为闸门 a 在 1t和 t 时段的开度， I 为电站泄洪闸门总个数；()BOOL 为 表示 参数为 0

21、时，取值为 0，参数不为 0 时，取值为 1； S 为离差平方和；N 为 1t 时段与 t 时段闸门开度变化的个数。 为了 避免 泄洪闸门运行状态变化过于频繁或长时间不变，通过设置电站闸门运行状态最小保持时间 mindur （比如 12h）和 最大保持时间 maxdur （比如 72h）来 优化 闸门的 启闭 次数。 采用有序聚类分析法确定 洪水的闸门组合方式变化次数， 识别和检验 电站下泄流量跳跃成分 。 设突变点为 ，则突变点前后的离差平方和分别为： 21 ()iiV x x（ 4） 21 ()nn i niV x x（ 5） 式中： nxx、 分别为 前后两部分的均值。 离差平方和为：

22、()nnS V V （ 6） 当离差平方和最小时， 为最优分割点，可推断为突变点。 采用上述 方法对整场洪水进行分段，直到每个分割点时长在最小保持时间（比如12h）和最大保持时间（比如 72h）之间 。 对于在范围之内 但 仍 可以分割的部分（如时长在 24h72h），比较分割后前后两个部分的相似度来确定 。 如分割后，前后两个部分的平均值相差在 200 个流量之内，方差较大值与 分段方差较小值 相比 小于 1.2（根据具体情况设定比值），就可以认为前后两部分相似度较高，不予分割。 分割之后，就可以查找各部分平均流量和平均水位下的闸门开度 组合 。 若 该 方法 与优化算法结果不 一致 ，可以

23、按 闸门开度去查询闸门的 泄流 曲线， 比较 下 泄流量与优化算法 得到 的 下 泄流量， 并 把误差部分 叠加 到下一个时段，直到计算出所有的闸门分配方案。闸门数字化表格应用的具体步骤如下： 第一步：根据 洪水 各个时段的来水，以及水库的初水位，在给定末水位和容许的最高水位情况下，按照 MSPOA 算法计算各个时段的优化水位 *tZ 和 优化下泄流量 *tq （其中 t=1,2,3,T ）。 第二步：令得到的优化下泄流量为一个类 1 2 3 TQ q q q q， ， ，采用有序聚 类法 进行聚类分析，直到每个类的时段数在最小保持时段数 mindur （比如 12h）和最大保持时段数 max

24、dur （比如 72h）之间。 第三步：令有序聚类得到的 n 个类为（ 1 2 3, nQ Q Q Q ），计算每个类的平均下泄流量 1 2 3 n, , ,q q q q ，计算每个类的始末时段的平均水位 1 2 3, , , nZ Z Z Z 。 第四步：对 i（代表类的序号）赋初值，初值为 1，根据 -1 -1+ , Z + Zi i i iqq，利用二分法和离差平方和最小的原则，在闸门数字化表格中查找闸门组合，得到类 iQ 所在时段内的闸门组合 。 第五步：根据闸门的开度状态 及 iQ 初始水位，重 新计算 iQ 内各时段的水位和下泄流量，根据 iQ 时段的 -1 -1+ , Z +

25、Zi i i iqq和新的水位和下泄流量，计算得到误差 iq和 iZ （即用 -1 -1+ , Z + Zi i i iqq减去新得到的水位和下泄流量）， iq 和 iZ 是为了修正由于闸门不能下泄优化流量而产生的误差（ 0q 和 0Z 为防洪调度初始误差，取值都为 0）。 第六步： i=i+1，重新进行第四步和第五步计算，直到遍历所有类为止。2 实例应用 雅砻江作为长江一级支流，水能及水资源非常丰富，暴雨等灾害性天气频发，汛期降水量约为全年的 90 5。雅砻江梯级水库承担了雅砻江流域和长江流域的防洪任务，防洪总库容为 20 30 亿 m3。雅砻江下游梯级电站由 5 个水电站组成 ， 第 5

26、级桐子林电站在建 。 其 中，锦屏一级为年调节电站，二滩水库为季调节电站，其余 3 个电站基本没有调节性能，水电站特征参数见表 1。 各电站的闸门泄流曲线条数和对应的闸门编号见表 2。 表 1 雅砻江流域梯级水电站特征参数表 Tab.1 Table of characteristic parameters of cascade reservoirs in Yalong River Basin 电站 坝顶高程 /m 死水位/m 正常蓄水位 /m 设计洪水位 /m 校核洪水位 /m 总库容/亿 m3 调节库容 /亿 m3 调节性能 锦屏一级 1885 1800 1880 1880.37 1883.

27、62 77.6 49.1 年 锦屏二级 1654 1640 1646 1648.83 1650.64 0.14 0.0496 日 官地电站 1334 1321 1330 1330.18 1330.44 7.6 1.23 日 二滩电站 1205 1155 1200 1200.00 1203.5 58.0 33.7 季 表 2 各电站泄流曲线概况 Tab.2Profile of discharge curves of various hydropower stations 电站 泄洪闸门个数 泄流曲线条数 对应的泄洪闸门 锦屏一级 10 5 1#4#表孔；泄洪洞； 1#、 5#深孔； 2#、 4#

28、深孔； 3#深孔 锦屏二级 5 1 1#5#泄洪闸 官地 5 1 1#5#表孔 二滩 15 5 1#7#表孔； 1#、 2#泄洪洞； 1#、 6#中孔； 2#、5#中孔； 3#、 4#中孔 2.1 闸门数字化 下面以二滩电站为例说明闸门数字化具体实现过程，二滩闸门数字化的思路见图1。 （ 1）输入数据 二滩水电站有 5 条泄流曲线，表孔泄流曲线水位范围为 1188.51203.3m，等间距离散间隔为 0.1m，表孔可以局部开启，开启范围为 0%100%，等间距离散间隔为 5%；中孔泄流曲线水位范围为1120.001203.30m，等间距离散间隔为 0.1m，中孔不能局部开启；泄洪洞泄流曲线水位

29、范围为 1163.001203.30m，等 间距 离散间隔为0.1m，泄洪洞可以局部开启，开启范围为0%100%，等距离离散间隔为 5%。 （ 2）计算过程 第一步：对水 位 i（代表 水位为1142.0+i/10m）赋初值，初值为 0； 第二步：当水位小于 1163.0m 时，则中孔参与泄洪。当水位大于等于 1163.0m，并小于 1188.5m 时，则 有 泄洪洞泄洪； 中孔泄洪； 泄洪洞和中孔共同泄洪三种泄洪方式。当水位大于等于 1188.5m 时，则 有 泄洪洞泄洪；中孔泄洪；泄洪洞和中孔泄洪；表孔泄洪；表孔和中孔泄洪；表孔、泄洪洞和中孔共同泄洪共 6 种泄洪方式；根据 闸门运行规则，

30、总结闸门组合类型见表 3。 第三步：计算闸门组合下的最大下泄流量，对流量进行分组， LLLS 取 100， 分组为 j*100-50,j*100+50。 第 四 步：根据第二步得到的闸门组合类型，计算代表性闸门组合。 如水位在1188.5,1203.2，有 6 种闸门组合方式泄洪，当计算 7 个表孔和 6 个中孔组合的下泄流量时，根据泄洪规则，中孔只能全开，表孔需要对称开启，相当于只有 4 组表孔开度可以变化 ，调整表孔的开度，计算所有可能的闸门组合方式，并计算下泄流量，比较下泄流量是否在j*100+xs*0.0156*100,j*100+xs*0.0156*100之间，其中 xs 为系数，初

31、值为 1；当 闸门组合 流量不在这个范围内时， xs 增大到 2 倍，直到 xs*0.0156 大于 0.5；如果找不到闸门组合流量，则说明此种闸门组合方式不能下泄这个流量组的流量，找到足够数量的代表性闸门组合就终止循环，并按照组合闸门的泄流量对代表性闸门组合排序。 第 五 步：增大 j，遍历水位 i 下的所有流量 组；增大 i，遍历所有的水位。开 始i = 0 （ i 代 表 水 位 ， 范 围 为 0 6 1 4 ， 代 表 水 位 为 （ 1 1 4 2 + i / 1 0 m ） )i = 0 & & i = 2 1 0 & & i = 4 6 5中 孔 泄 洪 ； 泄 洪 洞 泄 洪

32、 ；泄 洪 洞 与 中 孔 泄 洪中 孔 泄 洪中 孔 泄 洪 ； 泄 洪 洞 泄 洪 ； 泄 洪 洞 与 中 孔泄 洪 ； 表 孔 泄 洪 ； 表 孔 与 中 孔 泄 洪 ； 表孔 、 中 孔 和 泄 洪 洞 泄 洪计 算 闸 门 组 合 下 的 最 大 下 泄 流 量 ， 对 流 量 进 行 分 组 ， 最 大 组 数 为 L S ； 比 如 最 大 下 泄 流 量5 0 0 0 , 最 大 分 组 数 为 5 0 ， 即 ： 5 0 1 5 0 , ( 1 5 0 2 5 0 , ( 2 5 0 , 3 5 0 （ 4 9 5 0 , 5 0 5 0 计 算 闸 门 不 同 开 度 下

33、的 闸 门 组 合 流 量Z H L L M 获 得 不 同 类 型 的 闸 门 组 合 ， 即 表 5 - 1 1 中 的具 体 组 合j = = L Sj * 1 0 0 + x s * 0 . 0 1 5 6 Z H L L m j * 1 0 0 + x s * 0 . 0 1 5 6j = 1 ， 流 量 组 j * 1 0 0 - 5 0 , j * 1 0 0 + 5 0 )Y e sx s 为 系 数 ， 初 值 为 1x s = x s * 2x s * 0 . 0 1 5 6 = 0 . 5Y e sN oj = j + 1N oN oN o i = i + 1Y e s结

34、 束N o找 到 了 水 位 i ， 流 量 组 j 下 的 代 表 性 闸 门 组 合i = = 6 1 4x s = 1m = 1N oY e sm = m + 1c o u n t = 0c o u n t = c o u n t + 1m = = Mc o u n t = = 0Y e sY e s图 1 二滩闸门数字化流程图 Fig.1Flow chart of gate digitization of Ertan Hydropower Station 表 3 二滩各水位组合下的闸门组合方式 （表中 B=表孔， Z=中孔， X=泄洪洞） Tab.3Gate combination m

35、ode at various water level combinations of Ertan Hydropower Station 水位范围 /m 闸门组合方式 具体组合 1122.01162.9 Z 3# 3#、 4# 3#5# 2#5# 2#6# 1#6# 1163.01169.9 Z 3# 3#、 4# 3#5# 2#5# 2#6# 1#6# X 2# X、 Z X2#和 Z3# X2#和 Z3#、 Z4# X2#和 Z3#Z5# X2#和 Z2#Z5# X2#和 Z2#Z6# X2#和 Z1#Z6# 1170.01188.4 Z 3# 3#、 4# 3#5# 2#5# 2#6# 1

36、#6# X 1#、 2# X、 Z X1#、 X2#和 Z3# X1#、 X2#和 Z3#、 Z4# X1#、 X2#和 Z3#Z5# X1#、 X2#和 Z2#Z5# X1#、 X2#和 Z2#Z6# X1#、 X2#和 Z1#Z6# 表 3（续表） 二滩各水位组合下的闸门组合方式 （表中 B=表孔， Z=中孔， X=泄洪洞） Tab.3（ continued） Gate combination mode at various water level combinations of Ertan Hydropower Station 水位范围 /m 闸门组合方式 具体组合 1188.51203

37、.2 Z 3# 3#、 4# 3#5# 2#5# 2#6# 1#6# X 1#、 2# X、 Z X1#、 X2#和 Z3# X1#、 X2#和 Z3#、 Z4# X1#、 X2#和 Z3#Z5# X1#、 X2#和 Z2#Z5# X1#、 X2#和 Z2#Z6# X1#、 X2#和 Z1#Z6# B 4# 3#5# 2#6# 1#7# B、 Z B3#B5#和 Z3#、 Z4# B3#B5#和 Z2#Z5# B2#B6#和 Z3#、 Z4# B2#B6#和 Z2#Z5# B1#B7#和 Z2#Z5# B2#B6#和 Z1#Z6# B1#B7#和 Z1#Z6# X、 B、 Z X2#和 B3#

38、B5#和 Z3#、 Z4# X2#和 B3#B5#和 Z2#Z5# X2#和 B2#B6#和 Z3#、 Z4# X2#和 B2#B6#和 Z2#Z5# X2#和 B1#B7#和 Z2#Z5# X2#和 B2#B6#和 Z1#Z6# X2#和 B1#B7#和 Z1#Z6# X1#、 X2#和 B3#B5#和 Z3#、 Z4# X1#、 X2#和 B3#B5#和 Z2#Z5# X1#、 X2#和 B2#B6#和 Z3#、 Z4# X1#、 X2#和 B2#B6#和 Z2#Z5# X1#、 X2#和 B1#B7#和 Z2#Z5# X1#、 X2#和 B2#B6#和 Z1#Z6# X1#、 X2#和 B1#B7#和 Z1#Z6# 采用上述思路对闸门泄流曲线进行组合，获得闸门数字化表格，二滩电站的闸门数字化表格罗列出在给定水位和流量情况下，闸门的部分代表性组合见 表 4。