本發(fā)明涉及水庫調(diào)度技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種梯級水庫群的庫容置換計算方法。

背景技術(shù)：

洪水災(zāi)害是我國最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，水庫是主要的工程措施，它可通過攔洪蓄水來調(diào)節(jié)水流過程，削減進(jìn)入下游河道的洪峰流量，從而達(dá)到減免洪災(zāi)的目的。在我國提倡洪水資源化利用的前提下，水庫防洪與興利的多目標(biāo)優(yōu)化模型的建立開始逐步發(fā)展，而水庫汛限水位而是協(xié)調(diào)水庫防洪與興利矛盾的關(guān)鍵的水位特征參數(shù)，它本質(zhì)上體現(xiàn)了庫容在多目標(biāo)間的洪水資源分配。目前，單庫的汛限水位設(shè)計、汛期運行水位動態(tài)控制等技術(shù)已經(jīng)相對成熟，并形成了一套較為完善的理論體系。但相比于單庫的理論研究進(jìn)展，梯級水庫群的聯(lián)合運用及汛限水位的動態(tài)控制等問題則更為復(fù)雜，且多側(cè)重于工程實例分析，缺乏系統(tǒng)的理論體系。對于梯級水庫群大系統(tǒng)而言，由于梯級水庫之間存在一定的水力聯(lián)系，上、下庫之間存在庫容補償，若單純提高某一水庫的汛限水位或優(yōu)化某一水庫的調(diào)度規(guī)則并不一定能提高梯級水庫群系統(tǒng)的整體洪水資源利用率。而且，隨著梯級水庫群系統(tǒng)中水庫數(shù)量(維數(shù))的增加，需要考慮的信息越來越多，水庫汛限水位的控制也將變得越來越復(fù)雜。目前，對于梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度問題的研究，多側(cè)重于對水庫群系統(tǒng)整體建立優(yōu)化模型及如何運用優(yōu)化算法進(jìn)行降維求解，由于水庫群補償調(diào)度機制的復(fù)雜性，因此，關(guān)于水庫群系統(tǒng)方面并未深入研究其庫容置換的機理。

在現(xiàn)有的技術(shù)中存在如下問題：目前針對水庫群聯(lián)合運用及庫容分配問題多側(cè)重于建立整體優(yōu)化模型及研究多維模型的優(yōu)化算法求解方面，并未深入研究梯級水庫間庫容置換關(guān)系。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是為了解決上述問題而進(jìn)行的，目的在于提供一種梯級水庫群的庫容置換計算方法，該方法能夠量化梯級上下庫之間的庫容置換關(guān)系式，推求梯級水庫群系統(tǒng)中子系統(tǒng)間庫容置換矩陣。

本發(fā)明提供了一種梯級水庫群的庫容置換計算方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1，將梯級水庫群視為大系統(tǒng)，將梯級水庫群中的各水庫視為子系統(tǒng)，并給梯級水庫群中各水庫按照從上游至下游的順序進(jìn)行編號，并依次標(biāo)記為1,2,…,n，將大系統(tǒng)中任意上、下串聯(lián)的兩個水庫作為一個次級系統(tǒng)，按照從上游至下游的順序依次編號為1,2,…,n-1，子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)i+1構(gòu)成次級系統(tǒng)i，i＝1,2,…,n-1；將各次級系統(tǒng)中上下串聯(lián)的兩個水庫視為上、下子系統(tǒng)；

步驟2，針對次級系統(tǒng)i建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，則優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為發(fā)電量最大和防洪庫容最大，具體目標(biāo)函數(shù)包括：

目標(biāo)函數(shù)1

目標(biāo)函數(shù)2

式中：為次級系統(tǒng)i的汛期發(fā)電量，為次級系統(tǒng)i中子系統(tǒng)k的汛期發(fā)電量，為次級系統(tǒng)i的防洪庫容，為次級系統(tǒng)i中子系統(tǒng)k的防洪庫容；i＝1,2,…,n-1，k＝1,2；

次級系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的求解的要以常規(guī)的防洪標(biāo)準(zhǔn)及總發(fā)電量為約束條件：

式中：為次級系統(tǒng)i的常規(guī)調(diào)度下的防洪庫容值，為次級系統(tǒng)i的常規(guī)調(diào)度下的汛期發(fā)電量值；

步驟3，將步驟2中針對次級系統(tǒng)i建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型采用權(quán)重法進(jìn)行目標(biāo)歸一化，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：α為權(quán)重系數(shù)，取值范圍為0～1；

變換權(quán)重系數(shù)α，逐次優(yōu)化得到次級系統(tǒng)的多目標(biāo)非劣解集，即得到次級系統(tǒng)i中上、下子系統(tǒng)之間的一系列的庫容分配pareto前沿；

步驟4，推求次級系統(tǒng)i上、下子系統(tǒng)之間的庫容置換關(guān)系，具體實現(xiàn)如下：

步驟4-1，統(tǒng)計步驟3計算所得非劣解集中上、下子系統(tǒng)庫容的方案解，整理得到上、下子系統(tǒng)庫容的方案解集g，該解集表達(dá)式為：

式中：和分別為次級系統(tǒng)i的解集g中上、下子系統(tǒng)的第j組解，m為解集g中解的個數(shù)，u＝i表示子系統(tǒng)i，d＝i+1表示子系統(tǒng)i+1；

步驟4-2，根據(jù)上、下子系統(tǒng)庫容的方案解集g，擬合上、下子系統(tǒng)庫容的函數(shù)關(guān)系式vu＝f(vd)，并推求上、下子系統(tǒng)庫容的置換關(guān)系及式中g(shù)(vd)＝f^-1(vd)；

步驟5，推求梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間庫容置換矩陣，具體實現(xiàn)如下：

重復(fù)步驟2、3、4，依次對n-1個次級系統(tǒng)開展多目標(biāo)優(yōu)化求解，推求梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間庫容置換矩陣，置換矩陣表達(dá)式為：

根據(jù)梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間庫容置換矩陣，即可推求梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)庫容的等價關(guān)系式：

表達(dá)式含義為子系統(tǒng)i的可以置換子系統(tǒng)i+1的庫容值，以及可以置換子系統(tǒng)i+2的庫容值。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)本發(fā)明提出了一種梯級水庫群的庫容置換計算方法，該方法能夠量化梯級上、下庫之間的庫容置換函數(shù)關(guān)系式

(2)本發(fā)明所提出的一種梯級水庫群的庫容置換計算方法中的梯級水庫群庫容置換矩陣可以用來遞推各子系統(tǒng)間的庫容置換關(guān)系，例如子系統(tǒng)i的可以置換子系統(tǒng)i+1的庫容值，以及可以置換子系統(tǒng)i+2的庫容值，從而在不借助優(yōu)化算法求解的情況下，簡化推導(dǎo)子系統(tǒng)間庫容組合方案。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例一的一種梯級水庫群的庫容置換計算方法的流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例一的次級系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的非劣解示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例一的次級系統(tǒng)中上、下子系統(tǒng)的庫容關(guān)系示意圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明涉及的一種梯級水庫群的庫容置換計算方法的具體實施方案進(jìn)行詳細(xì)地說明。

<實施例一>

如圖1所示，本實施例一所提供的一種梯級水庫群的庫容置換計算方法包括以下步驟：

步驟1.將梯級水庫群視為大系統(tǒng)，將梯級水庫群中的各水庫視為子系統(tǒng)，并給梯級水庫群中各水庫按照從上游至下游的順序進(jìn)行編號，并依次標(biāo)記為1,2,…,n，將大系統(tǒng)中任意上、下串聯(lián)的兩個水庫作為一個次級系統(tǒng)，按照從上游至下游的順序依次編號為1,2,…,n-1，子系統(tǒng)i和子系統(tǒng)i+1構(gòu)成次級系統(tǒng)i，i＝1,2,…,n-1；將各次級系統(tǒng)中上下串聯(lián)的兩個水庫視為上、下子系統(tǒng)；

步驟2.針對次級系統(tǒng)i建立多目標(biāo)優(yōu)化模型，則優(yōu)化模型的目標(biāo)函數(shù)為發(fā)電量最大和防洪庫容最大，具體目標(biāo)函數(shù)包括：

目標(biāo)函數(shù)1

目標(biāo)函數(shù)2

式中：為次級系統(tǒng)i的汛期發(fā)電量，為次級系統(tǒng)i中子系統(tǒng)k的汛期發(fā)電量，為次級系統(tǒng)i的防洪庫容，為次級系統(tǒng)i中子系統(tǒng)k的防洪庫容；i＝1,2,…,n-1，k＝1,2；

次級系統(tǒng)多目標(biāo)優(yōu)化模型的求解的要以常規(guī)的防洪標(biāo)準(zhǔn)及總發(fā)電量為約束條件：

式中：為次級系統(tǒng)i的常規(guī)調(diào)度下的防洪庫容值，為次級系統(tǒng)i的常規(guī)調(diào)度下的汛期發(fā)電量值；

其他常規(guī)約束條件不再贅述；

步驟3.將步驟2中針對次級系統(tǒng)i建立的多目標(biāo)優(yōu)化模型采用權(quán)重法進(jìn)行目標(biāo)歸一化，目標(biāo)函數(shù)為：

式中：α為權(quán)重系數(shù)，取值范圍為0～1；

變換權(quán)重系數(shù)α，逐次優(yōu)化得到次級系統(tǒng)的多目標(biāo)非劣解集，即得到次級系統(tǒng)i中上、下子系統(tǒng)之間的一系列的庫容分配pareto前沿(如圖2)；

步驟4.推求次級系統(tǒng)i上、下子系統(tǒng)之間的庫容置換關(guān)系，具體實現(xiàn)如下：

步驟4-1.統(tǒng)計步驟3計算所得非劣解集中上、下子系統(tǒng)庫容的方案解，整理得到上、下子系統(tǒng)庫容的方案解集g，該解集表達(dá)式為：

式中：和分別為次級系統(tǒng)i的解集g中上、下子系統(tǒng)的第j組解，m為解集g中解的個數(shù)，u＝i表示子系統(tǒng)i，d＝i+1表示子系統(tǒng)i+1；

步驟4-2.根據(jù)上、下子系統(tǒng)庫容的方案解集g，擬合上、下子系統(tǒng)庫容的函數(shù)關(guān)系式vu＝f(vd)(如圖3)，并推求上、下子系統(tǒng)庫容的置換關(guān)系及式中g(shù)(vd)＝f^-1(vd)；

步驟5.推求梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間庫容置換矩陣，具體實現(xiàn)如下：

重復(fù)步驟2、3、4，依次對n-1個次級系統(tǒng)開展多目標(biāo)優(yōu)化求解，推求梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間庫容置換矩陣，置換矩陣表達(dá)式為：

根據(jù)梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)間庫容置換矩陣，即可推求梯級水庫群大系統(tǒng)中各子系統(tǒng)庫容的等價關(guān)系式：

表達(dá)式含義為子系統(tǒng)i的可以置換子系統(tǒng)i+1的庫容值，以及可以置換子系統(tǒng)i+2的庫容值。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。