一种梯级泵站输水系统日优化调控方法
【技术领域】
[0001] 本发明设计一种梯级栗站输水系统日优化调控方法，特别是涉及一种考虑调蓄池 调蓄能力、渠道输水损失和梯级栗站总扬程约束的梯级栗站输水系统优化调控技术。
【背景技术】
[0002] 调水工程是人类重新分配水资源时空分布的重要手段，可解决区域水资源危机和 改善区域生态环境，支撑经济社会可持续发展。调蓄池、渠道和梯级栗站是输水系统的重要 组成部分。采用日优化调控梯级栗站输水系统运行，具有成本低、效益大以及前景广等特 点。
[0003] 对于梯级栗站输水系统日优化调控问题，常采用大系统分解-协调法、动态规划法 等方法。但是已有的梯级栗站输水系统优化调控仅考虑栗站机组流量、功率和调水总量等 约束，目标是在分时电价的前提下使梯级栗站的总电费最低，往往忽略调蓄池调蓄能力(可 能产生弃水）、渠道输水损失和梯级栗站总扬程约束，以及未考虑不给定日调水总量的工 况。对于具有蓄量约束的调蓄池和总扬程约束的梯级栗站输水系统，已有方法无法全面精 确模拟梯级栗站输水系统日优化调控过程，从而无法应用于此类工程的多约束、多目标优 化调控。
【发明内容】
[0004] 为了克服现有技术的问题，本发明提出了一种梯级栗站输水系统日优化调控方 法。所述方法在具有蓄量约束的调蓄池和总扬程约束的梯级栗站输水系统中，分析渠道输 水损失，在分时电价的前提下，全面考虑输水系统多约束条件和多目标优化，分别研究不给 定日调水总量和给定日调水总量2种工况的日优化调控方式，可使调蓄池弃水(转化成"钱" 来度量)和梯级栗站总电费最少，即成本最低，进而使输水系统的经济效益最大化。
[0005] 本发明的目的是这样实现的：一种梯级栗站输水系统日优化调控方法，所述方法 的步骤如下：
[0006] 建立水力学仿真模型和计算水头损失的步骤：构建一维非恒定流水力学仿真模 型，采用Preissmann四点时空偏心格式对方程组进行离散，用双扫描法求解，得到各渠段的 水头损失；
[0007] 对各栗站内机组流量进行优化分配的步骤:本步骤包含m个栗站的优化，单个栗站 的机组流量优化分配方法如下：
[0008] ①阶段变量：
[0009] 阶段变量采用序列数字i = 1，2，……，11来表示；
[0010] ②状态变量：
[0011]选取第i阶段至最末阶段η的累计流量作为状态变量：
[0013]式中，j为1~η中的一个栗站机组；
[0014] ③决策变量：
[0015] 采用每台机组的流量qi作为决策变量；
[0016] ④状态转移方程：
[0017] 表示单个栗站中第i+Ι阶段的状态变量Si+1与第i阶段的状态变量Si和决策变量qi 之间的关系：
[0018] Si+i = Si-qi
[0019] 式中，SFQhSn+FOAk 为调水量；
[0020] ⑤目标函数：
[0021 ]对于单个栗站，只考虑机组的电费，其目标函数的表达式为：
[0023] p为水的密度，qi为第i台机组的出水量，Hi为第i台机组的扬程，nsti为第i台机组的 效率，c为电价，minF为在Δ t时间范围内的最小费用函数，Δ t为一个时间段，g为重力加速 度；
[0024]⑥约束条件：
[0026] 机组过流能力约束：qi min < qi < qi max
[0027] 式中：Qk为调水总流量，qi min和qi max为第i台机组的最小和最大抽水流量；
[0028] ⑦求解方法：
[0029] 用逆序解法解此问题：
[0030] Fn+l(Sn+l)=0
[0032]式中，LdSnqO为某阶段的费用函数，为某阶段的最小费用函数。根据上述 递推方程式，按逆序逐阶段递推；
[0033]对梯级栗站的各栗站扬程进行优化分配的步骤:对梯级栗站的各栗站扬程进行优 化分配：
[0034] ①阶段变量：
[0035] 阶段变量采用序列数字j = 1，2，……，m来表示，用栗站编号作为阶段变量，m为投 入运行的栗站数；
[0036] ②状态变量：
[0037] 选取第j阶段至最末阶段m的累计扬程作为状态变量：
[0039] 式中，X为m~j中的变化量；
[0040] ③决策变量：
[0041] 采用每台机组的流量Hj作为决策变量；
[0042]④状态转移方程：
[0043]表示梯级栗站中第j+Ι阶段的状态变量Sj+1与第j阶段的状态变量Sj和决策变量Hj 之间的关系：
[0044] Sj+i = Sj-Hj
[0045] 其中4 = = 示梯级栗站总扬程；
[0046] ⑤目标函数：
[0047]对于梯级栗站，考虑各栗站各机组的电费，其目标函数的表达式为：
[0049]式中，qi,j是第j个栗站内第i个机组的出水量，qst(i，j)是第j个栗站内第i个机组 的效率；
[0050] ⑥约束条件：
[0051] 单个栗站的扬程之和等于总扬程：
[0053]式中，Zm为最后一级栗站站后水位，Zo为第一级栗站站前水位，h^+1为第j级栗站 和第j+Ι栗站之间渠段的水头损失；
[0054] ⑦求解方法：
[0055] 用逆序解法解此问题：
[0056] Fm+l(Sm+l)=0
[0058] 式中，为某阶段的费用函数，为某阶段的最小费用函数；
[0059] 对一天内的各时段调水流量进行优化分配的步骤:针对不给定日调水总量或给定 调水总量，对一天内的各时段调水流量进行优化分配。
[0060] 进一步的，所述的对一天内的各时段调水流量进行优化分配的步骤中，不给定日 调水量的情况下，对梯级栗站输水系统的一天内各时段调水流量进行优化分配的方法如 下，其中调蓄池的初库容％和末库容V t+1在日优化调控为已知条件：
[0061] ①阶段变量：
[0062] 阶段变量采用序列数字k=l，2,……，t来表示，根据分时电价将一天划分为t个时 段；
[0063] ②状态变量：
[0064] 选取调蓄池每时段初的库容Vk作为状态变量；
[0065] ③决策变量：
[0066] 选取每时段调蓄池的调水流量Qk作为状态变量；
[0067]④状态转移方程：
[0068] 表示梯级栗站中第k+Ι阶段的状态变量Vk+1与第k阶段的状态变量Vk和决策变量Qk 之间的关系：
[0069] Vk+i = Vk+(InQ-〇utQ-Qk) X Atk
[0070] 式中，为InQ来水量，OutQ为供水量；
[0071] 在上式计算过程中，时段内单位时间At的蓄量关系为：
[0072] Vi+i = Vi+( InQ-〇utQ-Qk) X Ati ；
[0073] 若 Vi>Vmax，则计算过程取 Vi = Vmax，且 Rk, i = Vi-Vmax
[0074] 则时段弃水等于时段内单位时间的弃水之和
[0075] Rk=2Rk,i，
[0076] 式中，Rk为弃水量；
[0077] ⑤目标函数：
[0078] 对于此类调水工程，考虑调蓄池的弃水和梯级栗站的各栗站的各机组的电费，其 目标函数的表达式为：
[0080] 式中，P为水价；
[0081 ]⑥约束条件：
[0082] 约束条件有调蓄池蓄量约束、流量约束和扬程约束；
[0083] ⑦求解方法：
[0084] 用逆序解法解此问题：
[0085] Ft+i(Vt+i)=0
[0087] 式中，Lk(Vk，Qk)为某阶段的费用函数，F，(Vk)为某阶段的最小费用函数。
[0088] 进一步的，所述的对一天内的各时段调水流量进行优化分配的步骤中，给定日调 水量工况对梯级栗站输水系统的一天内各时段调水流量进行优化分配的方法如下，其中调 蓄池的初库容VjP末库容V t+1在日优化调控为已知条件：
[0089] 由调水量约束可得到一天内各时段的调水流量约束为：
[0091] 式中，W为给定日调水量工况的调水约束，ζΓ表示一天内各时段的调水流量之和；
[0092] ①阶段变量：
[0093]阶段变量采用序列数字k=l，2,……，t来表示，根据分时电价将一天划分为t个时 段；
[0094]②状态变量：
[0095]选取第k阶段至最末阶段t的累计流量作为状态变量：
[0097] ③决策变量：
[0098] 采用每时段的调水流量Qk作为决策变量；
[0099] ④状态转移方程：
[0100] 表示梯级栗站输水系统中第k+i阶段（即第k+i个时段）的状态变量Sk+1与第k阶段 (即第k个时段)的状态变量Sk和决策变量Qk之间的关系：
[0101] Sk+i = Sk-Qk
[0102] 其中：Si = Q*，St+1 = 0，同时调控要求应确定一天后调蓄池末库容Vt+1;
[0103] 所以，时段内单位时间Ati的蓄量关系为：
[0104] Vi+i = Vi-(InQ-〇utQ-Qk)XAti
[0105] 若 Vi>Vmax，则计算过程取 Vi = Vmax，且 Rk, i = Vi_Vmax
[0106] 则时段弃水等于时段内单位时间的弃水之和：
[0107] Rk= IRk,i
[0108] ⑤目标函数：
[0109] 对于此类调水工程，由水量平衡：
[0113]式中，ck为第k时段电价；
[0114]⑥约束条件：
[0115]约束条件有调蓄池蓄量约束、流量约束、扬程约束和日调水量约束；
[0116]⑦求解方法：
[0117]用逆序解法解此问题：
[0118] Ft+i(St+i)=0
[0120] 式中，Lk(Sk，Qk)为某阶段的费用函数，F，(Sk)为某阶段的最小费用函数。
[0121] 本发明产生的有益效果是:本发明多约束、多目标的梯级栗站输水系统优化调控 问题为研究对象，对调蓄池、渠道和梯级栗站进行综合考虑，合成水力学仿真模型和大系统 分解-协调法，建立此类调水工