混连水库群多目标短期实时联合调度的快速求解方法与流程

本发明涉及水利行业多目标优化水库调度领域，特别是涉及一种混连水库群多目标短期实时联合调度的快速求解方法。

背景技术：

1、水库通常承载着多种功能，如防洪、发电、供水、航运等，根据水库承担任务的主次及规定，运用水库的调蓄能力，在保证大坝安全的前提下有计划的对入库径流进行蓄泄，最大限度的满足水库综合目标。水库调度通常分为包含规则调度和指令调度的常规调度以及优化调度。常规调度方式通常无法实现水库综合调度目标最优，特别是在多目标水库群系统，实时联合调度难度较大。为了保证调度的科学性，提高社会经济效益，需要通过多目标优化调度实现水库群实时联合联调联控。

2、水库优化调度通常采用线性规划、动态规划、遗传算法、粒子群算法等方法计算。其中线性规划和动态规划出现较早，方法成熟，应用广泛，常用于中长期调度，对于短期实时优化调度应用较少。遗传算法和粒子群算法属于智能算法，随着计算机技术的发展，智能算法在水库优化调度中也有相关的研究和应用，应用同样以中长期调度为主，难以实现多目标短期实时联合调度。

3、公开号为cn115563908a的发明创造公开了一种基于改进型多目标遗传算法的水库调度优化方法，其方法将水库供水期平均出力和年发电量作为优化目标，利用改进型多目标遗传算法，求解水库一年中每个月的最优水位值，从而保证水库安全稳定运行，并有效提升了水库供水期平均出力和年发电量；然而此发明方法应用以中长期调度，难以实现多目标短期实时联合调度。

技术实现思路

1、针对上述存在的技术问题，本发明提供了一种混连水库群多目标短期实时联合调度的快速求解方法。

2、本发明采用以下具体的技术方案：

3、一种混连水库群多目标短期实时联合调度的快速求解方法，所述方法的步骤如下：

4、s1、获取水库群信息，基于水库群拓扑结构建立水库群模型和河道马斯京根模型，其水库群模型的方程为：

5、

6、其中，v是水库库容，它是水库水位的方程，其通过水位-库容曲线获得，qin是入库流量，来自于流域产汇流、上游水库直接出流或者上游水库出流经过河道演进后的流量，qt、qs分别是水轮机和溢洪道流量；

7、河道马斯京根模型的方程为：

8、

9、qu和qd分别是河道上游和下游流量，c0、c1、c2分别是马斯京根模型系数，δt是时间步长，n是时间步数，i是水库编号，nr,i是第i个水库上游入流个数，j是连接上下游水库的河道编号，n是时间步长；

10、s2、构建混连水库群优化控制目标函数和约束条件，描述混连水库群优化问题，并求解目标函数方程；

11、s3、基于步骤s2，求解混连水库群优化控制目标函数的导数，为优化计算提供目标函数最优解搜索路径；

12、s4、基于步骤s2，求解混连水库群优化控制等式约束的导数，即求解包括水库群模型和河道马斯京根模型的等式约束的导数，为优化计算提供约束梯度的搜索空间；

13、s5、基于s1、s2、s3、s4中的目标函数方程、目标函数导数、等式约束方程及其导数，提供给ipopt求解器计算预见期内水库群放水控制策略即放水流量的变化过程以及所得到的水库水位和下游防洪流量变化过程。

14、进一步地，所述步骤s1中，当第j个河道上游来水来自第i个水库放水时，水库群模型方程和河道马斯京根模型方程可组成一个方程组，其方程组为：

15、

16、进一步地，所述步骤s2中构建的混连水库群优化控制目标函数为：

17、

18、其中j为目标函数方程，f代表了方程，是水位状态变量，分别是水轮机流量和溢洪道流量控制变量，是最大发电量控制变量；np是预见期，nh是状态变量个数，分别是水轮机流量和溢洪道流量控制变量个数，对于下游河道生态流量或者防洪控制目标，在优化问题中通常在约束条件下设置。

19、进一步地，步骤s2中构建的混连水库群系统优化控制的约束条件为：

20、

21、其中，e是等式约束，i是不等式约束，它们都是水位h，水轮机流量qt，溢洪道流量qs，河道下游流量qd的方程，ne等式约束个数，ni是不等式约束个数。

22、进一步地，所述在步骤s2中求解目标函数方程时，在水库群调度中，水位目标有两种表述：

23、第一种是将水位控制在目标水位，其公式表示为：

24、wh1(h-hs)2

25、其中wh1是水位目标权重，hs是目标水位；

26、第二种是将水位尽量控制在某个水位以下，其公式表示为：

27、wh2(max(h-hmax),0)2

28、其中wh2是最高水位控制目标权重，hmax是最高水位。

29、进一步地，所述在步骤s2中求解目标函数方程时，水轮机流量目标表述为wqt(qt-qts)2，其中wqt是水轮机流量控制目标权重，qts是水轮机目标流量；溢洪道流量目标通常表述为wqs(qs-qss)2，其中wqs是溢洪道流量控制目标权重，qss是溢洪道目标流量。

30、进一步地，所述在步骤s2中求解目标函数方程时，最大发电量目标以线性方程表述为wpp，其中wp为最大发电量目标权重，p＝9.81ηqt(h-hd)，其中η为发电效率，qt为发电流量，hd为尾水位；等式约束e代表水库方程和马斯京根方程；不等式约束i代表最高和最低水位、水轮机和溢洪道的最大和最小流量、下游河道最小生态流量或最大防洪流量。

31、进一步地，所述步骤s3中，求解混连水库群系统优化控制目标函数的导数的表达式为：

32、

33、

34、

35、进一步地，所述步骤s4中，求解混连水库群优化控制目标函数的导数步骤如下：

36、s4.1、求解水库模型和马斯京根模型等式约束的导数，对于第i个水库和第j个河段，在时间步长t+1上的水库模型和马斯京根模型分别写成以下等式：

37、

38、

39、s4.2、设在时间n和n+1上，水库i入流来自流域产汇流或者非控制的旁侧支流，水库i以及下游河段j组成优化变量表示为向量结合上述方程，其向量改写为ax＝b的向量线性表达式为：

40、

41、其中矩阵a代表了水库、河道的拓扑关系，如果水库入流包括了上游水库直接出流或者上游水库出流经过河道演进后的流量，则优化变量的向量x中还需要添加上游水库水轮机和溢洪道流量或者上游河道的马斯京根出流，同时矩阵a中也需要添加相应的系数以保证水库、河道的拓扑关系；

42、s4.3、对ax＝b的向量线性表达式求解优化变量的导数得到：

43、

44、根据已知的水位-库容曲线查的任意水位下库容对水位的导数：此式规定了任意起始状态下优化算法的搜索路径。

45、进一步地，所述方法通过数学模拟实验进行验证。

46、本发明的有益效果为：

47、本发明技术采用模型预测控制方法解决混连水库群多目标短期实时联合调度问题，根据水库模型预测未来水量平衡，通过马斯京根模型预测连接两个水库之间河道的水流传播过程，然后通过优化算法求解水库群蓄泄控制过程，以满足预先设定的控制目标和系统约束条件。在优化计算过程中，通过求解水库群目标方程和模型约束的解析梯度实现快速寻优，保证水库群优化计算的时效性。由于采用了模型预测，当前的控制过程充分考虑了对未来系统水量变化过程的影响，具有很好的预见性。