一種梯級泵站輸水系統(tǒng)日優(yōu)化調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計一種梯級栗站輸水系統(tǒng)日優(yōu)化調(diào)控方法，特別是涉及一種考慮調(diào)蓄池 調(diào)蓄能力、渠道輸水損失和梯級栗站總揚程約束的梯級栗站輸水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 調(diào)水工程是人類重新分配水資源時空分布的重要手段，可解決區(qū)域水資源危機和 改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境，支撐經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展。調(diào)蓄池、渠道和梯級栗站是輸水系統(tǒng)的重要 組成部分。采用日優(yōu)化調(diào)控梯級栗站輸水系統(tǒng)運行，具有成本低、效益大以及前景廣等特 點。
[0003] 對于梯級栗站輸水系統(tǒng)日優(yōu)化調(diào)控問題，常采用大系統(tǒng)分解-協(xié)調(diào)法、動態(tài)規(guī)劃法 等方法。但是已有的梯級栗站輸水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控僅考慮栗站機組流量、功率和調(diào)水總量等 約束，目標是在分時電價的前提下使梯級栗站的總電費最低，往往忽略調(diào)蓄池調(diào)蓄能力(可 能產(chǎn)生棄水）、渠道輸水損失和梯級栗站總揚程約束，以及未考慮不給定日調(diào)水總量的工 況。對于具有蓄量約束的調(diào)蓄池和總揚程約束的梯級栗站輸水系統(tǒng)，已有方法無法全面精 確模擬梯級栗站輸水系統(tǒng)日優(yōu)化調(diào)控過程，從而無法應用于此類工程的多約束、多目標優(yōu) 化調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的問題，本發(fā)明提出了一種梯級栗站輸水系統(tǒng)日優(yōu)化調(diào)控方 法。所述方法在具有蓄量約束的調(diào)蓄池和總揚程約束的梯級栗站輸水系統(tǒng)中，分析渠道輸 水損失，在分時電價的前提下，全面考慮輸水系統(tǒng)多約束條件和多目標優(yōu)化，分別研究不給 定日調(diào)水總量和給定日調(diào)水總量2種工況的日優(yōu)化調(diào)控方式，可使調(diào)蓄池棄水(轉(zhuǎn)化成"錢" 來度量)和梯級栗站總電費最少，即成本最低，進而使輸水系統(tǒng)的經(jīng)濟效益最大化。
[0005] 本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的：一種梯級栗站輸水系統(tǒng)日優(yōu)化調(diào)控方法，所述方法 的步驟如下：
[0006] 建立水力學仿真模型和計算水頭損失的步驟：構(gòu)建一維非恒定流水力學仿真模 型，采用Preissmann四點時空偏心格式對方程組進行離散，用雙掃描法求解，得到各渠段的 水頭損失；
[0007] 對各栗站內(nèi)機組流量進行優(yōu)化分配的步驟:本步驟包含m個栗站的優(yōu)化，單個栗站 的機組流量優(yōu)化分配方法如下：
[0008] ①階段變量：
[0009] 階段變量采用序列數(shù)字i = 1，2，……，11來表示；
[0010] ②狀態(tài)變量：
[0011]選取第i階段至最末階段η的累計流量作為狀態(tài)變量：
[0013]式中，j為1~η中的一個栗站機組；
[0014] ③決策變量：
[0015] 采用每臺機組的流量qi作為決策變量；
[0016] ④狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：
[0017] 表示單個栗站中第i+Ι階段的狀態(tài)變量Si+1與第i階段的狀態(tài)變量Si和決策變量qi 之間的關(guān)系：
[0018] Si+i = Si-qi
[0019] 式中，SFQhSn+FOAk 為調(diào)水量；
[0020] ⑤目標函數(shù)：
[0021 ]對于單個栗站，只考慮機組的電費，其目標函數(shù)的表達式為：
[0023] p為水的密度，qi為第i臺機組的出水量，Hi為第i臺機組的揚程，nsti為第i臺機組的 效率，c為電價，minF為在Δ t時間范圍內(nèi)的最小費用函數(shù)，Δ t為一個時間段，g為重力加速 度；
[0024]⑥約束條件：
[0026] 機組過流能力約束：qi min < qi < qi max
[0027] 式中：Qk為調(diào)水總流量，qi min和qi max為第i臺機組的最小和最大抽水流量；
[0028] ⑦求解方法：
[0029] 用逆序解法解此問題：
[0030] Fn+l(Sn+l)=0
[0032]式中，LdSnqO為某階段的費用函數(shù)，為某階段的最小費用函數(shù)。根據(jù)上述 遞推方程式，按逆序逐階段遞推；
[0033]對梯級栗站的各栗站揚程進行優(yōu)化分配的步驟:對梯級栗站的各栗站揚程進行優(yōu) 化分配：
[0034] ①階段變量：
[0035] 階段變量采用序列數(shù)字j = 1，2，……，m來表示，用栗站編號作為階段變量，m為投 入運行的栗站數(shù)；
[0036] ②狀態(tài)變量：
[0037] 選取第j階段至最末階段m的累計揚程作為狀態(tài)變量：
[0039] 式中，X為m~j中的變化量；
[0040] ③決策變量：
[0041] 采用每臺機組的流量Hj作為決策變量；
[0042]④狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：
[0043]表示梯級栗站中第j+Ι階段的狀態(tài)變量Sj+1與第j階段的狀態(tài)變量Sj和決策變量Hj 之間的關(guān)系：
[0044] Sj+i = Sj-Hj
[0045] 其中4 = = 示梯級栗站總揚程；
[0046] ⑤目標函數(shù)：
[0047]對于梯級栗站，考慮各栗站各機組的電費，其目標函數(shù)的表達式為：
[0049]式中，qi,j是第j個栗站內(nèi)第i個機組的出水量，qst(i，j)是第j個栗站內(nèi)第i個機組 的效率；
[0050] ⑥約束條件：
[0051] 單個栗站的揚程之和等于總揚程：
[0053]式中，Zm為最后一級栗站站后水位，Zo為第一級栗站站前水位，h^+1為第j級栗站 和第j+Ι栗站之間渠段的水頭損失；
[0054] ⑦求解方法：
[0055] 用逆序解法解此問題：
[0056] Fm+l(Sm+l)=0
[0058] 式中，為某階段的費用函數(shù)，為某階段的最小費用函數(shù)；
[0059] 對一天內(nèi)的各時段調(diào)水流量進行優(yōu)化分配的步驟:針對不給定日調(diào)水總量或給定 調(diào)水總量，對一天內(nèi)的各時段調(diào)水流量進行優(yōu)化分配。
[0060] 進一步的，所述的對一天內(nèi)的各時段調(diào)水流量進行優(yōu)化分配的步驟中，不給定日 調(diào)水量的情況下，對梯級栗站輸水系統(tǒng)的一天內(nèi)各時段調(diào)水流量進行優(yōu)化分配的方法如 下，其中調(diào)蓄池的初庫容％和末庫容V t+1在日優(yōu)化調(diào)控為已知條件：
[0061] ①階段變量：
[0062] 階段變量采用序列數(shù)字k=l，2,……，t來表示，根據(jù)分時電價將一天劃分為t個時 段；
[0063] ②狀態(tài)變量：
[0064] 選取調(diào)蓄池每時段初的庫容Vk作為狀態(tài)變量；
[0065] ③決策變量：
[0066] 選取每時段調(diào)蓄池的調(diào)水流量Qk作為狀態(tài)變量；
[0067]④狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：
[0068] 表示梯級栗站中第k+Ι階段的狀態(tài)變量Vk+1與第k階段的狀態(tài)變量Vk和決策變量Qk 之間的關(guān)系：
[0069] Vk+i = Vk+(InQ-〇utQ-Qk) X Atk
[0070] 式中，為InQ來水量，OutQ為供水量；
[0071] 在上式計算過程中，時段內(nèi)單位時間At的蓄量關(guān)系為：
[0072] Vi+i = Vi+( InQ-〇utQ-Qk) X Ati ；
[0073] 若 Vi>Vmax，則計算過程取 Vi = Vmax，且 Rk, i = Vi-Vmax
[0074] 則時段棄水等于時段內(nèi)單位時間的棄水之和
[0075] Rk=2Rk,i，
[0076] 式中，Rk為棄水量；
[0077] ⑤目標函數(shù)：
[0078] 對于此類調(diào)水工程，考慮調(diào)蓄池的棄水和梯級栗站的各栗站的各機組的電費，其 目標函數(shù)的表達式為：
[0080] 式中，P為水價；
[0081 ]⑥約束條件：
[0082] 約束條件有調(diào)蓄池蓄量約束、流量約束和揚程約束；
[0083] ⑦求解方法：
[0084] 用逆序解法解此問題：
[0085] Ft+i(Vt+i)=0
[0087] 式中，Lk(Vk，Qk)為某階段的費用函數(shù)，F(xiàn)，(Vk)為某階段的最小費用函數(shù)。
[0088] 進一步的，所述的對一天內(nèi)的各時段調(diào)水流量進行優(yōu)化分配的步驟中，給定日調(diào) 水量工況對梯級栗站輸水系統(tǒng)的一天內(nèi)各時段調(diào)水流量進行優(yōu)化分配的方法如下，其中調(diào) 蓄池的初庫容VjP末庫容V t+1在日優(yōu)化調(diào)控為已知條件：
[0089] 由調(diào)水量約束可得到一天內(nèi)各時段的調(diào)水流量約束為：
[0091] 式中，W為給定日調(diào)水量工況的調(diào)水約束，ζΓ表示一天內(nèi)各時段的調(diào)水流量之和；
[0092] ①階段變量：
[0093]階段變量采用序列數(shù)字k=l，2,……，t來表示，根據(jù)分時電價將一天劃分為t個時 段；
[0094]②狀態(tài)變量：
[0095]選取第k階段至最末階段t的累計流量作為狀態(tài)變量：
[0097] ③決策變量：
[0098] 采用每時段的調(diào)水流量Qk作為決策變量；
[0099] ④狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程：
[0100] 表示梯級栗站輸水系統(tǒng)中第k+i階段（即第k+i個時段）的狀態(tài)變量Sk+1與第k階段 (即第k個時段)的狀態(tài)變量Sk和決策變量Qk之間的關(guān)系：
[0101] Sk+i = Sk-Qk
[0102] 其中：Si = Q*，St+1 = 0，同時調(diào)控要求應確定一天后調(diào)蓄池末庫容Vt+1;
[0103] 所以，時段內(nèi)單位時間Ati的蓄量關(guān)系為：
[0104] Vi+i = Vi-(InQ-〇utQ-Qk)XAti
[0105] 若 Vi>Vmax，則計算過程取 Vi = Vmax，且 Rk, i = Vi_Vmax
[0106] 則時段棄水等于時段內(nèi)單位時間的棄水之和：
[0107] Rk= IRk,i
[0108] ⑤目標函數(shù)：
[0109] 對于此類調(diào)水工程，由水量平衡：
[0113]式中，ck為第k時段電價；
[0114]⑥約束條件：
[0115]約束條件有調(diào)蓄池蓄量約束、流量約束、揚程約束和日調(diào)水量約束；
[0116]⑦求解方法：
[0117]用逆序解法解此問題：
[0118] Ft+i(St+i)=0
[0120] 式中，Lk(Sk，Qk)為某階段的費用函數(shù)，F(xiàn)，(Sk)為某階段的最小費用函數(shù)。
[0121] 本發(fā)明產(chǎn)生的有益效果是:本發(fā)明多約束、多目標的梯級栗站輸水系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控 問題為研究對象，對調(diào)蓄池、渠道和梯級栗站進行綜合考慮，合成水力學仿真模型和大系統(tǒng) 分解-協(xié)調(diào)法，建立此類調(diào)水工