“水库群优化调度”教学大纲（精选7篇）
一、课程编号：01010
41二、课程名称：水库群优化调度(Optimal Operation of Reservoir Systems)
三、学分、学时：1学分； 16学时
四、教学对象：水文与水资源工程专业本科生
五、开课单位：水资源环境学院
六、先修课程：水利计算，运筹学，工程经济学
七、课程性质、作用、教学目标
本课程为水文与水资源工程专业选修课程，主要讲解最优化理论在水库运行管理中的应用。通过学习使学生能从事水电系统运行管理，水库运行管理，水利系统综合规划等方面的工作。
八、教学内容
第一章 概述
第一节 引言
第二节 系统与系统分析
第三节 径流特征及其处理
第二章 单库发电优化调度
第一节引言
第二节动态规划模型
第三节动态解析模型
第四节水电站机组负荷分配
第三章 库群发电优化调度
第一节 数学模型
第二节 增量动态规划轮库迭代优化算法
第三节 动态解析模型
第四章 水库防洪优化调度
第一节 引言
第二节 单库最大削峰准则调度
第三节 单库破坏历时最短调度
第四节 库群防洪优化调度
第五章 水电站水库随机模型
第一节 随机模型的特点与径流描述方法
第二节 有预报的随机模型
第六章 水库供水调度
第一节 确定性模型
第二节 随机线性规划模型
第三节 机遇约束模型
第七章 实例
九、实践性环节的内容、要求
十、多媒体教学手段运用的内容、要求及占用学时（或学时比例）
十一、教材与参考书
教材：陈乐湘主编《库群优化调度》，自编讲义。
参考书：长江流域规划办公室，河海大学，丹江口水利枢纽管理局合编
《综合利用水库调度》水利电力出版社，1990。
十二、考核方式
笔试
十三、教学大纲说明
（一）本课程的性质和任务
本课程为水文水资源工程专业选修课程，主要讲解最优化理论在水库运行管理中的应用。通过学习使学生能从事水电系统运行管理，水库运行管理，水利系统综合规划等方面的工作。
（二）本课程的基本要求
学生学完本课程后应达到以下基本要求；
1.掌握不同时间尺度的径流描述方法；
2.掌握利用动态规划求解单库发电优化调度问题；
3.掌握轮库迭代优化算法在库群优化调度中的应用；
4.掌握防洪库群优化目标确定及优化调度模型的建模与求解；
5.了解水电站水库调度的随机模型；
6.掌握供水水库调度的确定性模型。
（三）本课程与其它课程的联系与分工
本课程与水利计算、工程经济学、运筹学基础，概率论与数量统计等课程有联系，原则上，本课程应在上述课程之后进行。
径流调节的基本原理在水利计算课程中讲授。
工程水文学中的径流系列计算，设计洪水计算，典型年选择等内容不在本课程中讲授，本课程只将以上内容作简要回顾。
运筹学中有关各种最优化方法不在本课程中讲授，本课程侧重于建模、应用。概率论与数理统计中的一般原理方法，本课程不作讲授，本课程侧重统计学原理在处理不确定性问题时的应用。
（四）各部分内容重点、深度和广度
第一章 概述
重点了解水利系统的特点与径流特征及其处理方法。
第二章 单库发电优化调度
重点讲解发电水库动态规划模型与动态解析模型的建模过程；动态规划在水电站机组负荷分配中的应用；详细求解可略讲。
第三章 库群发电优化调度
重点剖析库群与单库的建模异同点；讲解轮库迭代优化算法在库群优化调度中的应用。简单介绍动态解析模型的基本思想。
第四章 水库防洪优化调度
重点讲解库群防洪优化调度目标及目标函数的构造；讲解库群防洪优化调度模型的构造过程。
第五章 水电站水库随机模型
简单介绍随机模型的特点与径流描述方法及有预报的随机模型。
第六章 水库供水调度
重点介绍水库供水调度的确定性模型，简单介绍随机线性规划模型与机遇约束模型
水库优化调度一个带等式和不等式约束的非线性优化问题。目前, 求解水库优化调度问题常用的方法有动态规划法(DP)、逐步优化算法(POA)和遗传算法(GA) 等。但这几种算法在求解水库优化问题时存在缺陷[1]。如动态规划随着求解问题规模的扩大易陷入维数灾难和求解时间过长的问题;POA算法虽然解决了动态规划的维数灾难问题, 但当水库数目较多时,收敛速度将大大降低, 占用计算机内存也随之增加;遗传算法求解高维水库的优化问题较容易,但其编码的设计导致算法搜索效率较低。
粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)是由J.Kennedy和R.C.Eberhart于1995年首次提出的[2],是一种基于群体的优化技术,通过一组初始化的群体在搜索空间并行搜索。它没有遗传算法的选择、复制、变异等进化操作,而是通过群体中个体与个体间的竞争与协作实现种群进化[3]。由于PSO算法概念简单,并且需要调整的参数较少,在诸多领域都得到了成功的应用。本文将粒子群算法用于求解综合利用水库的优化调度。
1水电站优化调度的数学模型
根据对径流描述的方式不同,水库优化调度分为确定性优化调度和随机优化调度。本文将粒子群算法用于水库的确定性优化调度,即在水库各时段的入库流量已知的条件下,确定水库的最优运行方式。本文以调度期内水电站的发电量最大为优化准则。
目标函数为:
水电站的出力应不低于保证出力, 即:Nt>NF。
约束条件:
水量平衡约束:
水库蓄水量约束:
水库的泄流量约束:
水电站出力约束:
式中:T为年内总时段数;A为水电站综合出力系数;Qt为水电站在t时段的发电引用流量,m3/s;qt为水库的入库流量,m3/s;Q St为第t时段的平均弃水流量,m3/s;Ht为t时段平均水头,m;Mt为第t时段的小时数;Vt为t时段初水库的蓄水量,m3;Vt+1为t时段末水库的蓄水量,m3;Vmin,Qmax分别为t时段初水库的最小和最大允许需水量,m3/s; Qmin,Qmax分别为t时段下游综合利用要求的最小流量和水轮机的最大过流量,m3/s;Nt为t时段水电站的平均出力,kW;Nmin,Nmax分别为t时段水电站允许最小出力和最大出力,kW;NF为水电站的保证出力,kW。
2粒子群优化算法
2.1算法原理
PSO算法的基本思想是随机初始化一群没有体积没有质量的粒子,将每个粒子都看成原优化问题的一个可行解,并事先设定好适应度函数用来确定粒子的好坏。每个粒子将在可行解空间中运动,并由一个速度变量决定其运动的方向和距离。而每个粒子都追踪当前的最优粒子的位置,并经逐代搜索最后得到优化问题的最优解。在每一代中,粒子将追踪两个极值:一个是粒子本身迄今为止找到的最优解,另一个是整个群体迄今为止找到的最优解。假设一个由N个粒子组成的群体在D维搜索空间以一定的速度飞行。粒子i(i=1,2,…,N)的位置用Xi表示,所经历过的“最好”位置记为pBest(i),其速度用Vi表示,群体中“最好”粒子的位置记为gBest。粒子i将根据下列公式来不断更新自己的速度和位置。
式中:t为迭代代数;c1、c2为常数,称学习因子,通常取c1=c2=2;r1、r2是[0,1]上的随机数;w为惯性权重;Vi(t-1)、Vi(t)分别为第i个粒子第(t-1)次、第t次迭代的速度向量;Xi(t-1)、Xi(t)分别为第i个粒子第(t-1)次、第t次迭代的位置向量;Vi∈[-Vmax,Vmax],Vmax为粒子的最大飞翔速度。
当w过大时,算法有较强的全局搜索能力;当w较小时,局部搜索能力增强。因此恰当的w值可以提高算法的性能,提高搜索能力,同时减少迭代次数。本文采用R.C.Ebrhart等提出的动态惯性权重方法[4]。
2.2约束条件的处理
解除约束最常用的方法就是引入罚函数,即在目标函种加上一个能反映是否满足约束的惩罚项,然后对该无约束问题寻优。约束优化问题一般可描述为:
式中:f(x)、gi(x)和hi(x)为En上的函数;gi(x)为不等式约束;hi(x)为等式约束。
用罚函数法将原问题化为无约束优化问题,表达式为:
式中:R为罚因子;P(x)为罚函数。
Michalowicz和Attia提出的罚函数由可变惩罚因子和违反约束惩罚两部分组成[5],其表达式为:
式中:A为起作用的约束集,它由所有等式约束和不能满足不等式约束构成,τ为可变惩罚因子。
τ的确定是很困难的,但它往往对算法起着关键作用。当τ的取值过小时容易使搜索陷入局部最优点,当τ的取值过大时,又起不到惩罚的作用。因此本文采用模拟退火的思想来构造罚因子τ[6]。
假设t时刻的温度以T(t)用来表示,则经典模拟退火算法降温方式为:
模拟退火算法的快速降温方式为:
以上两种方式均能使得模拟退火算法收敛于全局最优点。本文利用模拟退火算法的快速降温方式来构造τ,则算法迭代到第t代的罚因子为:
式中:τ0为初始系数。
将式(16)代入(10)得到:
调度中的水量平衡约束不满足时,就会出现流量为负值,因此可通过最小发电流量约束实现对水量平衡限制, 等式约束可不考虑。而对流量约束和保证出力约束, 则必须考虑采取罚函数来处理。构造以下适应度函数为:
式中:C为一适当的相对较大的正数, 用来确保适应度函数值恒大于0;P为惩罚项,取值如下。
若Qmin<Qt<Qmax且Nmin<Nt<Nmax,则P=0;若Qt>Qmax或Nt>Nmax,Nt=Nmax;若Qt<Qmin或Nt<Nmin,则P=R。
由式(18)可以看出,在粒子群算法的迭代初期,对不可行解予以较轻的惩罚,既可以避免早熟又可以扩大搜索空间。在算法迭代后期,对不可行解予以较重的惩罚,以限定搜索的随机性。模拟退火因子的罚函数法可以逐代自动调节惩罚比,以维持信息保留和不可行惩罚压力的平衡。
2.3算法步骤
在使用粒子群算法求解水电站优化问题时, 以水库每个时段末的水库水位过程线(Z1,Z2,…,Zn)作为决策变量序列, 粒子所处空间的维数D就是调度的时段数。
(1)在各时段允许的水库水位变化范围内,随机初始化粒子的位置和速度。
(2)根据公式(18)计算每个粒子的适应值。
(3)将每个粒子的适应值与个体极值作比较,如果优于个体极值,则更新个体极值为该粒子的适应值;
(4)将每个粒子的适应值与全局极值比较,取较大者作为新的全局极值。
(5)根据式(8)计算w的值。
(6)根据式(6)、式(7),更新每个粒子的位置和飞行速度。如果V>Vmax,取值为Vmax;如果V<-Vmax,取其值为-Vmax。
(7)检验是否满足迭代终止条件。如果当前迭代次数达到了预先设定的最大迭代次数, 或达到最小误差要求, 则迭代终止, 输出结果;否则, 转到第(2)步继续迭代计算。
3计算实例
某兼有防洪、发电、灌溉、航运、供水、养殖等任务的综合利用水库,水库的死水位为45 m,装机容量为35.2 MW,保证出力为4.8 MW。 5月下旬到10月底水库的蓄水位不低于50.5 m,以满足灌溉要求。6-8月底为汛期,水库水位不超过汛限水位53 m,其他月份允许蓄水到正常蓄水位55 m。水电站的最小下泄流量不小于10 m3/s,水轮机的最大过流量为220 m3/s。在水库水位～库容关系曲线、下泄流量～下游水位曲线和入库流量已知的情况下。以月为计算时段,将水库每个时段的水位离散为50个状态。PSO参数设置为c1=c2=2,Vmax取4.5,种群规模为60,最大迭代次数取100,τ0取3。用Matlab语言编制动态规划法和PSO算法的优化调度程序,其运行结果如表1、表2所示。
对比表1和表2的结果发现: PSO算法及动态规划法求解优化调度结果相差不大,但由于PSO采用更高的计算精度,因此计算结果更优于动态规划结果。将模拟退火因子引入罚函数,PSO算法能以较快的速度收敛于全局最优解。当水库水位离散为200个点时,动态规划要存储20012个状态点,则计算机需要用更长时间甚至陷于维数灾难,而采用PSO则无需存储这些状态点, 计算速度比动态规划快得多。可见在求解高维水库优化调度问题时,PSO算法更具优势。
4结语
本文在用粒子群算法求解水库调度问题时,将模拟退火因子引入到罚函数,进而将约束问题转变为无约束问题求解。通过计算实例表明,PSO能以较快速度收敛于全局最优解,且算法原理简单易懂,易于编程,占用内存小, 结果可靠,适合求解具有复杂约束的高维水库优化调度问题。
参考文献
[1]畅建霞,黄强,王义民.水电站水库优化调度几种方法的探讨[J].水电能源科学,2000,18(3):19-22.
[2]Kennedy J,Eberhart R C.Proc.IEEE Int.Conf.Neural Networks[C]∥Particle swarm optimization.Piscataway,NJ:IEEE SO-Press,1995:1 942-1 948.
[3]李丽,牛奔.粒子群优化算法[M].北京:冶金工业出版社,2009.
[4]Y Shi,R C Eberhart.Fuzzy Adaptive Particle Swarm Optimization[C]∥Proceedings of the Congress on Evolutionary Computation.Seoul,Korea,2001:101-106.
[5]Z Michalewicz,M Schoenauer.Evolutionary algorithms for con-strained parameter optimization problems[J].Evolutionary Com-putation Journal,1996,4(1):1-32.
关键词水利管理水情自动测报系统优化改造通信组网方案
中图分类号:TP2文献标识码:A
水情自动测报系统是对流域各种水情信息进行实时采集并传输的自动化系统,它是水库调度人员制定洪水预报、调洪演算、洪水调度及防洪调度方案的依据,因此系统的实时性及可靠性是非常重要的。超短波通信方式是乌江流域水情测报系统最早采用的通信组网方式,但在2000 年系统改造后,除水库近坝区仍采用超短波通信外,其余测站均改成了Inmarsat-C卫星通信方式。目前,乌江流域水情测报系统采用Inmarsat-C、超短波、GSM三种通信的混合组网方式。为了在保证系统稳定、可靠运行的同时,最大限度地降低系统运行成本、减少系统维护工作量,该系统还有优化改造的必要。
1水情自动测报系统
1.1超短波通信
超短波通信的传播机理是对流层内的视距传播与绕射传播,由于传播距离较短,常常需要建设中继站进行接力。与PM组网一样,在超短波信道组建的通信网中,无论是发送端还是接收端,都必须配备无线调制解调器,分别完成音频信号与数字信号之间的相互转换,方能实现水情信息的传输功能。超短波组网优点:(1)独立性好,完全是自建通信网;(2)技术成熟,设备简单且易于配套,建设周期短;(3)实时性能好。
1.2卫星通信
卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站,转发无线电波实现地球站之间相互通信的一种方式,使用频率一般为300MHz—300GHz。目前,从国内应用卫星信道的水情测报系统运行情况来看,VSAT卫星和全线通卫星由于通信频率采用KU波段,雨量明显,安装要求较高,不适宜在水情报汛通信网中使用。而北斗卫星和rnnaisat卫星由于工作在L波段,雨量很小,安装也比较方便,适宜在水情报讯通信网中使用。而且从今后的运行维护费用和数据传输可靠性来看,北斗卫星 (神州天鸿)具备更大的优势。
1.3 RS485通信
RS485通信协议支持半双工通信,这就意味着两根线即可满足数据传送和接收的需要,因而广泛应用于工厂自动化、工业控制、小区监控、水利自动测报等领域。但 RS485总线在抗干扰、自适应、通信效率等方面仍存在缺陷,一些细节的处理不当常会导致通信失败甚至系统瘫痪等故障,因此提高RS485总线的运行可靠性至关重要。RS485通信方式优点:(1)RS485布线方式安装简单,减少了电缆、接口、通信中继器和滤波器的使用,硬件设计简单、控制方便、成本低廉;(2)RS485具有传输距离远、传输速率高的特点;(3)RS485通信协议是在工业领域被广泛采用的均衡、双向传浦俞线标准。
1.4 全球移动通信系统 (GSM)
采用 GSM通信方式组建遥测网,其工作原理与传统的组网方式大体一致,不同的是收发信机换为GSM数据传输模块每一次通信由遥测站发起,经过基站接力传输最后到达中心站,整个信息传输过程用户只需要解决好发送端和接收端两个环节,中间的通信是由移动运营商来解决的。GSM通信方式优点:(1)信道稳定、传输质量好;(2)系统容量较大,可传输的数据量大;(3)GSM信道无需中继,利用公网,不需自建和维护通信网,组网十分灵活;(4)GSM系统设备体积小、重量轻、功耗低。
2优化改造方案
一、基本情况
胜利水库位于酉阳县龙潭河支流—冷水河上游，地处涂市乡里泉村，距酉阳县城约32km。地理坐标为东经108°45，北纬28°56′，库区四周高山环绕，河流深切，植被较好，为中等侵蚀地貌。胜利是一座以灌溉和防洪为主，兼有发电、供水等综合效益的中型水库。工程坝址以上主河道长6.6km，平均坡降43.88‰，控制流域面积为15.5km，区域多年平均降雨量1368.6mm。水库设计洪水标准为100年一遇，校核洪水标准为500年一遇，水库总库容1173.2万m兴利库容952万m死库容93万m。胜利水库为Ⅲ等工程，挡、泄水建筑为为3级。水库枢纽工程主要包括大头圆弧拱顶，旁边隧洞式溢洪道和放水设备三部分。
水库大坝为大头圆弧拱顶，筑坝材料为浆砌条石镶边、浆砌块石填心。1979年大坝修建高度达到设计高程773.17m，1979年8月对大坝基础进行帷幕灌浆和固结灌浆，1980年11月灌浆结束。最大坝高66.17m，坝顶高程773.17m，坝顶宽2.5m坝顶弦长141m,弧长169m，坝底最大厚度23m，大坝厚高比0.417.溢洪道位于大坝右岸，距拱坝右端250m，于1977年至1980年修建，为旁侧隧洞式溢洪道，在2008年除险加固中，拆除重建溢洪连拱坝及溢洪道进口段底板和边墙。改建后的3，33，2溢洪道控制段为无闸实用堰，堰顶高程为770.5m，堰宽29m。开挖隧洞底板，降低底板高程等工程措施。在溢洪道泄槽末端采用跌落消能，洪水经平段后跌落至高程为700m的河谷。由于河谷基岩较好，对其冲刷不会影响工程运行。经过除险加固整治后，溢洪道由进口控制段实用堰、渐变段、隧洞和明渠组成，全场340m。
放水设备由放空管和电站压力管道组成，放空管、压力管均设在拱坝坝身内，管径为1.0m，用1.0m厚的C15钢筋砼包裹。放空管埋在拱冠线上，管口中心高程728.5m，管长38米，设计最大放水流量为17m/s,压力管进口设在高程740.00左侧上游拱端处，管长17m，放水流量5 m/s。
二、2010年调度用水情况
１、农业灌溉用水量300万立方米。
２、工程引水渠道沿线居民人畜饮水年用水量约150万立方米。
三、今后工作打算
我所从学习实践科学发展观和保障农业战略安全的高度，今后进一步做好防汛工作，确保人民生命财产安全。一是高度重视，切实增强忧患意识。要适应天气形势变化，进一步增强危机意识、忧患意识和责任意识，牢固树立“抗大灾、抗长灾、抗多灾”的思想，高度关注异常突发情况，在“异常”中保“正常”。二是准确及时，牢牢正
=^p 姓名：王冉旋 单位：国电新疆吉林台水电开发有限公司 2013年10月20日水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
一、水文学
水文学基本概念水文学：就是研究地球水圈的存在与运动的科学，主要研究地球上水的形成、循环、时空分布、化学和物理性质以及水与环境的相互关系，为人类防治水旱灾害，合理开发利用和保护水资源，不断改善人类生存和发展的环境条件提供科学依据。它包括海洋水文学、水文气象学、陆地水文学、应用水文学。应用水文学：运用水文学及有关学科的理论和方法，研究解决各种实际水文问题的途径和方法，为水利、电力、灌水电站－水库调度
一、水文学溉、供排水、环境保护等工程建设提供水文数据，工程水文学就是应用水文学的一个分支。目的：掌握河流的来水规律，根据生产实际需要做出水文预报，为水库的防洪调度和发电调度提供准确的依据。另外，就是在不断积累水文数据的基础上进行水文分析计算，定期（一般是5-8年）对前一阶段的水文计算成果进行复核和修改，根据情况，必要时对工程进行改造。水电站－水库调度
一、水文学径流调节自然条件下，由于河川径流形成因素的不同，其水量丰、枯不均，与人类对它的要求不适应，因此需要采取人工措施（如修水库），对河川径流在时间上进行重新分配，人为地增加或减少某一时期、某一地区的水量，以适应防洪发电等的需要，这种对天然径流采取人工控制的措施称为径流调节。调节周期：水库从空到蓄满又放空一次所需的时间。按照调节周期分，径流调节分为：日调节、周调节、年调节、多年调节四类。水电站－水库调度
一、水文学日调节：调节周期为1天，它只能对一天内的径流进行重新分配，解决一天内径流与用水变化的矛盾；周调节：调节周期为1周，一般是将一周假日内多余的水量存蓄起来，用水工作日发电；年调节：调节周期为1年，就是把一年内不均匀的径流进行合理调节以满足发电、灌溉用水要求；多年调节：当河流天然径流在年际间变化较大时，而用电和用水则在若干年内的各年变化不是太大，这样就出现在丰水年时水用不完，枯水年时水不够用，为解决这个问题须水电站－水库调度
一、水文学建更大的水库把丰水年多余的水量蓄起来，补充枯水年水量之不足，这就是多年调节。一般把在调节周期内不发生弃水的调节称为完全调节，将有弃水的称为不完全调节。再调节（反调节）：在进行日调节时，下游流量水位发生剧烈变化，影响灌溉、航运，为了解决这个问题，就是在下游再建一个水库，对发电放水进行再调节（反调节），以均匀下泄或是按照灌溉、航运要求下泄，下游水库称为上一级水库的反调节水库。水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
二、水情自动测报系统
水情测报系统组成水情测报系统系统构成为：以遥测站构成的遥测子系统，其与中心站的连接采用卫星和GSM组网信道；以计算机局域网及计算机系统构成的中心站子系统。每个遥测站由传感器、数据采集系统、通信单元、电源系统组成。遥测站自动完成采集功能，将数据通过北斗卫星/GSM混合信道自动发往中心站，中心站接收遥测站所采集的数据并进行收集、处理、存储、管理。
中心站功能中心站具备数据收集、处理、存储、管理等功能，并能及时做出洪水预报以指导调度的合理运行。中心站前置机（指通信服务器）与数据库服务器每天24小时不间断工作，随时接收各遥测站发来的水情水电站－水库调度
二、水情自动测报系统数据，对接收的水情数据进行分析处理以及存储，中心站系统平台能提供各种丰富的图表信息供用户使用，并需要按用户要求实现水务计算。对各站的水位越限具有告警信息显示，具备Web浏览服务、发布相关调度信息功能。同时具备实时洪水预报与中长期预报；发电计划制作与分析等水调高级应用功能；遥测站功能及特点遥测站采用“无人值守，委托看管、定期巡查”的运行管理模式进行管理。水文测站包括雨量站、水位站、气温站、泥沙站等基本站点。㈠、能够自动实时采集水位、雨量、温度、蓄电池组的实时电压值等数据，并能定时自动地通过通信设备将数据发给中心站。㈡、实时采集的数据变化量（ΔH）超过设定的阈值(阈值可根据水电站－水库调度
二、水情自动测报系统实际情况调整)时，能立即自动将当前水位值等水情数据发给中心站；㈢、在遥测站现场可人工设置ΔH、ΔT等参数，中心站可异地遥控更改ΔH、ΔT等参数。㈣、遥测站具有固态存贮器，可存贮1~2年的数据；㈤、数据发送完毕后具有掉电功能，以节约电能；㈥、具有丰富的自检信息功能，定时向中心站报告；㈦、遥测站的各种设备结构简单、性能可靠及低功耗，并有防潮湿、无雨衰、防雷电、抗干扰、抗暴风等措施，所有遥测站都能够在无人值守的条件下长期连续正常工作。㈧、遥测站数据采集处理器采用模块化设计，结构简单，维护方便，具有良好的多功能扩展配置能力，包括通信方式和接入设备。水电站－水库调度
二、水情自动测报系统
遥测设备集成根据水情遥测站功能要求，各遥测站设备主要由通信设备、传感器、遥测控制设备、电源设备、安装配件等组成，主要设备组成如下图所示。水电站－水库调度
二、水情自动测报系统水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
三、水库调度、水库调度的概念一个水库可以有不同的运用方式，因而会带来不同的效益。特别是综合利用的水库，在防洪与兴利方面总是有矛盾的。各兴利部门之间在用水上也有矛盾，要处理好这些矛盾，提高水库的综合效益，就要有科学的运用办法，这个办法就叫水库调度。水库调度也称水库控制运用，是指在水库来水和用水变动的情况下，根据径流的特性和水库的任务要求，有目的、有计划地统筹安排水库蓄水、发电，灌溉（供水）、拦洪与泄洪、发挥水库防洪、发电等综合效益的一种技术措施。简单来说，水库调度就是不断处理和解决来水与用水、各用水部门之间的矛盾，使每一立方水发挥最大的作用。通常将水库调度分为防洪调度和兴利调度两部分。水电站－水库调度
三、水库调度、水库调度的种类根据水库调度工作的特点，一般可以分为洪水调度和电力（兴利）调度。洪水调度：在确保工程安全的前提下，对调洪和兴利的库容进行合理安排，充分发挥水库的综合利用效益。发电调度：主要是利用水库的蓄水调节能力，重新分配河流的天然来水，使之符合电力系统的发电用水要求和下游农业灌溉用水需求。、水库调度的基本任务水库调度的基本任务有如下三项：一是确保水库大坝安全，并承担水库上、下游的防洪任务；二是保证满足电力系统的正常用电和其他有关部门的正常用水要求；三是在保证各用水部门正常用水的基础上力争尽可能充分利用河流水能多发电，使电力系统供电更经济。水电站－水库调度
三、水库调度、水库调度的基本原则水库调度必须遵循的基本原则是：在确保水电站水库大坝工程安全的前提下，分清发电与防洪及其他综合利用任务之间的主次关系，统一调度，使水库综合效益尽可能最大；当大坝工程安全与满足供电、防洪及其他用水要求有矛盾时，应首先满足大坝工程安全要求；当供电的可靠性与经济性有矛盾时，应首先满足可靠性的要求。、水库调度的目的和意义水电站水库调度的目的是根据规划设计的意图和规定，结合实际情况，充分利用库容，调节水源，在满足工程安全的前提下，妥善处理蓄泄关系，充分发挥水利资源的综合利用效益。既能使水库更好地为国民经济服务，又能正确解决防洪与兴利之间的矛盾，切实做到有计划地充蓄和消落、有目的地拦蓄与泄放，充分利用水库库容，确保水库安全、经济地运行。水电站－水库调度、水库合理调度的方法实现水库合理调度的方法主要分为常规调度和优化调度两种。常规调度是借助于常规调度图进行水库调度。而常规调度图则是根据实测的径流时历特性资料计算和绘制的一组调度线及由这些调度线和水库特征水位划分的若干调度区组成的。它是水库调度工作的原则和依据，它以月份为横坐标，以库水位为纵坐标，包含防弃水线、上调度线、下调度线等几条指示线划分出的正常工作区、防弃水区、加大出力区、降低出力区等指示区的曲线图。如下图吉林台电站水库运行方式图。
三、水库调度水电站－水库调度
三、水库调度水电站－水库调度
三、水库调度
正常工作区正常工作区是上下调度线之间的部分，也称之为保证出力区当水库水位处在该区时，电站应按保证出力正常工作，承担系统调峰、调频和部分事故备用任务。防弃水区防弃水区是防弃水线以上至正常蓄水位之间的部分，当水库水位处于该区时，应尽量多发电
加大出力区水电站－水库调度
三、水库调度使水库水位尽快回落到防弃水线以下，防止可能发生的集中弃水。加大出力区是上调度线至防弃水线之间的部分，当水库水位处在该区时，电站出力可在正常出力的基础上加大10％-20％，以便水资源得到更加有效的利用。
降低出力区降低出力区是指下调度线以下至死水位之间的部分，当水库水位处在该区时，水库的正常运行将受到一定的影响。一般情况下，水库汛期限制水位按不同时期的防弃水线控制。当水库运行在防洪区由汛期限制水位控制，考虑水库防洪要求，汛期水库水位控制在汛期限制水位以下运行，以利于水库安全度汛；水电站－水库调度
三、水库调度优化调度是借助于优化方法寻求水库最优运行方式的一种调度方法，它能够更有效地利用水库的调蓄能力，获得更大的经济效益，最大限度提高水资源利用率。效益最大化和耗水率最小成为水电站优化调度的目标。合理安排发电厂的机组在不同时刻的出力，降低运行成本，已成为各发电厂目前必须重视的课题。水库优化调度的基本内容是：根据入流过程，通过最优化方法，寻求最好的调度方案，即按这种方案蓄泄，可以使防洪，灌溉、发电、航运等各部门所构成的总体不利影响在容许的范围内，整个计算周期总的效益最大，或在效益基本满足要求的情况下，使不利影响最小。水电站－水库调度
三、水库调度度的工作内容编制年、季、月、旬、日发电量计划、水库调
日
编制水库调度方案和汛期洪水调度方案水文气象预报常工作，如每天（周、季、月）的报表、监视并收集上游雨情水情、机组运行工况、协调下游水管部门的用水、进行流域平均雨量的计算、水库水量平衡的计算、编制洪水预报和泄洪方案等上下游电站等）汛前、汛中、汛后检查水电站－水库调度
三、水库调度
对外联系（中调、水管部门、防洪办、汛后总结包括当年各个时期发生的一些大的事情或问题、存在问题的整改、仍存在的问题的整改计划、将预报与实况进行比较进行预报精度的统计分析、遥测系统畅通率及可用度统计分析、调度计划执行情况、主要的经验教训、水库调度指标尤其是经济指标的资料整编以及当年的水库实测资料等。
水库运行参数的复核当电厂投入运行后，随着时间的延续，原来据以规划、设计选择水电厂及其水库参数的一些基本资料、条件和任务等，将会发生水电站－水库调度
三、水库调度这样那样的变化（上游建电站、人类活动、电力系统需求、农灌、自身设备等），这些变化直接影响到电站及水库的运行方式和效益。为了使运行调度方案、计划更符合实际情况，所以必须对电站、水库的一些参数进行复核和修正。
水库的特征水位及相应库容水位：指水面在某一基准面以上的高度；死水位：水电厂在正常运行情况下，水库允许消落到的最低水位，我厂还设置有极限死水位，就是遇到特枯水年份允许消落到的水位，其确定在引水口以上一定的高度。死水位对应的库容为死库容；死库容不起调节作用。水电站－水库调度
三、水库调度正常蓄水位：水库在正常运行情况下，为满足兴利的要求，在开始供水时蓄到的水位，该水位与死水位之间的库容为兴利库容（调节库容）；运行设计要经过审核后才可以更改，一般不允许任意改动。防洪限制水位：水库在汛期允许兴利蓄水的上限水位，也是水库在汛期的起调水位；防洪高水位：为了拦蓄下游防护对象的标准洪水时，坝前达到的最高水位，防洪高水位与防洪限制水位之间的库容为防洪库容；水电站－水库调度
三、水库调度设计洪水位：水库遇设计洪水在坝前达到的最高水位，该水位与防洪限制水位之间的库容为拦洪库容；校核洪水位：水库遇校核洪水在坝前达到的最高水位，该水位与防洪限制水位之间的库容为调洪库容；总库容：校核洪水位以下的全部库容；有效库容：校核洪水位与死水位之间的库容。水电站－水库调度
三、水库调度特征水位及相应库容示意图水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
四、水库调度基本计算
水库基本计算原理—水库水量平衡水量平衡是自然界水分的最基本变化规律，也是我们进行水库调度和水务计算的基本准则，水库水量平衡系指在某一区域、任意时段内，其来水量等于去水量加上蓄水增量，对水库来水就是某一时段内，入库水量和出库水量之差等于这一时段内水库蓄水量的变化，即：W＝Q×T（s）W入－W出＝△VW出＝W发电+W弃水+W损失水电站－水库调度
四、水库调度基本计算W损失＝W蒸发+W渗漏+W结冰△V=V期末-V期初式中： W入——某一时段内水库的入库水量，一般是天然河流的天然来水量, m3 ；W出 ——该时段内水库的出库水量，包括各部门的兴利用水，水库蒸发渗漏损失，以及汛期的弃水，m3 ；W兴 ——包括电厂的发电用水及其他不通过水轮机而单独引用的兴利用水，m3 ；W弃 ——水库汛期的弃水量，m3；W损 ——水库蒸发、渗漏、结冰等损失量，m3；水电站－水库调度
四、水库调度基本计算△V——该时段内水库蓄水量的增减值，蓄水量增加为正，蓄水量减少为负,m3；Q——计算时段内的平均流量,m3/sT ——计算时段,t.、常用的计算方法：★流量=水量/△t（△t---时段长的秒数）★供蓄水量=时段末库容-时段初库容★供蓄流量=供蓄水量/△t（△t---时段长的秒数）★出库流量=发电流量+弃水流量+损失流量★水头=上游水位-下游水位★入库流量=供蓄流量+出库流量水电站－水库调度
四、水库调度基本计算★耗水率=发电用水量/发电量★K值=平均出力/发电流量/平均水头★平均出力=发电量/运行历时★总效率=平均出力/9.81/发电流量/平均水头*100%★水轮机效率=总效率/发电机效率、水能利用提高率的计算方法★a、水能利用提高率按电力工业部给定如下公式计算：水能利用提高率=（N实际-N考核）/N考核×100%式中: N实际----年实际发电量（亿千瓦时）水电站－水库调度
四、水库调度基本计算N考核----按当年实际来水核定，执行原水利电力部颁发的《水电站增发电量考核办法》（扣除经网、局核定因调度原因使电厂减发的电量）（亿千瓦时）。★b、考核电量计算公式为：N=KQHT（亿千瓦时）N=KQHrT（适用弃水期）式中：N----计算考核电量（亿千瓦时）Q----发电流量（立方米每秒）H----毛水头（米）T----运行历时（时）水电站－水库调度
四、水库调度的基本计算r----弃水期的负荷率;r=N/（Nmax）（N----日平均负荷;Nmax----装机容量或预想出力）有关说明：（1）年考核发电量按当年实际来水量核定。依据原水利电力部颁发的《水电站节水增发考核办法》（扣除经网、省局核定的因调度原因使电厂减发的电量）计算，其计算程序及有关参数须经审核部门统一审定。（2）考核计算程序中综合出力系数K值，应结合本前五年的实际平均水平论证确定。（3）考核计算程序中弃水期发电负荷率γ值，采用本弃水日实际发电负荷率的平均值。（4）新投产电厂在尚未进行能量指标复核水电站－水库调度
四、水库调度的基本计算之前，其综合出力系数K值原则上按设计值复核，如需变更应根据实际运行资料或实验资料经论证审批确定。在具备条件后，应及时进行能量指标复核。、水电站时段水情的计算水电站的时段水情计算严格按照水量平衡原理进行计算复核，即： W入＝W出+△VW出＝W发电+W弃水+W损失△V=V期末-V期初水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、计算年、季、月、旬、日发电计划的目的、要求及计算方法：a、目的：合理安排发电计划，充分利用水能，尽量减少弃水，提高水量利用率。b、要求：本水库防洪、兴利库容完全重迭，（4-6）月份发电满足防洪要求。蓄水期（7-9）月份维持较高的水头运行，按天然来水尽量多发，其余时间为系统调峰、调频和短时间的事故备用，保证系统的稳定运行。c、计算方法：年计划必须把长期水量预报和保证率结水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报合起来，根据水库经济调度暂行条例规定，可以采用保证率70%的来水量，按典型年分配形式计算。旬、月、季发电计划主要按中期水文、气象预报推求出来的入库流量，按年调度图操作进行计算。日发电计划主要按短期天气预报或按退水过程估得入库流量进行操作计算。、日发电量计划编制过程a、收集本日发电负荷安排、预计该日入库流量、预计该日平均水头。b、根据日发电负荷、平均水头在HNQ曲线查出本日发电流量。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报c、由发电流量和入库流量求出本日24时水库水位。d、收集次日库水位控制要求。e、根据次日库水位变化求出次日出库流量。f、由次日出库流量查下游水位流量关系曲线求出次日平均尾水位。g、根据次日库水位、尾水位求出次日平均水头。h、根据次日平均水头、发电流量（出库流量）查HNQ曲线查出次日平均负荷。i、根据次日平均负荷即可求出次日（0—24时）日发电量计划。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、生产计划的编制方法与步骤在实际工作中生产计划的编制一般采用70%频率来水及气象预报雨量进行计算方法.步骤如下:a、在年平均流量频率图上查出70%频率的年平均流量Qpb、根据Qp0选择典型年,典型年平均流量为Q典；c、将典型年各月流量按系数K进行修正 K=Qp/Q典；d、将修正后的各月流量减去各月相应的损失即为70%频率各月来水Qe；e、根据各月来水Qe其控制水位按调度图的要求进行水能计算操作, 得出其相应各月平均出力.电量.月末水位等指标上报。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、常用洪水预报方法的基本原理(一)水库水文预报(1)水库水文预报的内容分类水文预报的任务是对自然界各种水体未来的水文现象做出预报。按照预报水体所处的空间位置的不同分为海洋水文预报、地下水文预报和陆地水文预报。按照预报的预见期的长短分为 短期与中长期预报。短期预报预见期很有限的，小流域只有几个小时，大流域不过水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报几天。长期水文预报预见一般不超过一年。(2)水库水文预报与计算的研究途径水文预报与计算都是对未来水文现象的变化做出预报。短期水文预报是着眼于预报正在发生或出现的水文现象。这种预报为防汛抗旱调度利用水利资源服务，往往需要得出未来水文现象逐日逐时的变化。水文计算是为工程的规划设计服务，要考虑工程建成后在长期运行中的情况，所以要求预报的是未来几十年、几百年、甚至更长时间内水文现象可能的变化。短期预报是采用成因分析的预报方法。水文计算主要采用数理统计的方法。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报(二)降雨径流预报的原理降雨径流预报包括两部分内容，一是一次降雨可以产生多少径流量，二是这些径流量将在流域出口断面形成一个什么样的洪水过程，即产流与汇流。
（三）流域径流过程预报的依据流域径流过程预报是由降雨产生的径流如何成为流域出口断面的径流过程。这类预报方法是以降雨在流域上的产流和汇流规律为依据。径流过程预报是以径流在流域上汇集的客观规律为依据的。径流在流域上汇集到出口断面经过了坡地汇流与河网汇流两个阶段，总称流域汇流。由降雨产生的径流，常分成地表径流和地下径流回归河槽。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、洪水预报方法（1）降雨径流相关图降雨径流相关图是指根据流域的产流规律，用实测雨洪资料建立的降雨量与径流量的相关关系，或加入主要影响因素作参数的复合相关关系。作为洪水预报方案，这类相关图都是用次降雨与次径流资料制作的。（2）单位过程线法在单位时段△t内，由均匀分布在流域上一个单位径流量（径流深）所汇集成的流域出口站径流过程线称为单位过程线。在我国，单位径流深常用10mm。同一流域，同一洪水，选取的时段△t不同，得到的单位线也不同。不同时段的单位线不能任意移用。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、洪水要素预报（1）洪水总量预报一次降雨产生的径流量R乘以流域产流面积A就得到一次洪水总量，单位以m3计。因此流域的产流预报方案也就是洪水总量的预报方案。（2）洪峰流量预报同一流域，一般情况下径流量大的洪峰流量也大，径流量小的则反之。因此可以建立一次降雨产生的次径流量与洪峰流量的相关关系，简称峰量关系。（3）洪峰出现时间预报如把自降雨开始、净雨开始或净雨中心至洪峰出现的时距称为洪峰滞时，则预报的洪峰出现时间可用已知的开始时间加预报的洪峰滞时而得。一个流域洪峰滞时的长短与径流的汇集长度及洪峰传播速度有关。由降雨或净雨开始时间加汇流时间就可得到洪峰出现时间。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、洪水预报模型(1)产汇流模型a)新安江降雨径流模型新安江降雨径流模型于1973年得出，现已较广泛的应用于我国湿润地区及部分半干旱地区。它是一个具有分散参数的概念性模型，当流域面积较小时，新安江模型采用集总模型，面积较大时，采用分单元模型。分单元模型把流域分为若干单元面积，对每个单元面积，利用河道汇流曲线计算到达流域出口断面的流量过程，然后经过河道洪水演算，把每个单元的出流过程相叠加，从而获得流域出口断面的总出流过程。新安江模型的产流原理为蓄满产流，模型的核心是流域蓄水容量曲线，适用于植被较好、蓄水层较薄的湿润和半湿润地区。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报b)新安江改进型融雪径流模型新安江改进型融雪径流模型在新安江模型的基础上增加了积雪与融雪模型。即以积雪的形式存蓄降水，在融雪时把水放出，这是含有融雪结构流域的重要水文过程。从物理学观点来看，融雪和蒸发过程十分相似，两者均属热力学过程，可以用能量平衡法处理。融雪能量由以下几方面取得：(1)净辐射；(2)来自上覆空气中的感热传导及对流输送；来自上覆空气中的水汽凝结热；(4)来自下垫面土壤的传导；(5)同时降雨供给的热能。国外已经研制了利用辐射、风速、露点和湿度的实测资料计算这些因素引起的各融化分量的程序，这一程序对输入的要求很严格，因此它的应用仅限于有很好仪器设备的实验流域。所以，目前含有融雪结构的流域模型大都采用了只需利用气温资料的精髓，并根据当地资料情况加入尽可能详细的模拟方法，以期获得较好的精度。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报c)SRM 融雪径流模型SRM模型的计算原理是分别计算每天的融雪和降水所产生的水量，并将它们叠加到所计算的退水流量上，得到每日的日径流量。(2)河道汇流模型河道洪水演算是指根据河段上断面的洪水过程推求河段下断面未来的洪水过程，目前河道洪水演算中，最具代表性的水文学方法为马斯京根法。马斯京根法结构简单，参数物理意义明确，并在我国应用广泛。a)马斯京根河道汇流模型分段马斯京根演算就是将演算河段划分为 n 个单元河段。用马斯京根方法连续进行 n 次演算，以求得出流过程。马斯京根方法最早是在马斯京根河流域上使用，因此称为马斯京根法，该法主要是建立马斯京根槽蓄曲线方程，并与水量平衡方程联立求解，进行河段洪水计算。在有支流汇入的情况下采用“先演后合法”进行计算，即分别计水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报算出各支流的洪水演算公式，将每个上游站的流量分别进行演算，然后相加而求得出流过程。b)流量演算法流量演算法是利用河段的水量平衡原理和蓄泄关系把河段上下游断面的入流量过程演算成下游断面的出流量过程的方法。它是河道非恒定流计算中的一种近似简解方法。这种方法在河段短期洪水预报和河道洪水分析计算中被广泛采用。它根据河道洪水波运动原理，分析洪水波上任一位相的水位沿河道传播过程中在水位值与传播速度上的变化规律。即研究河段上、下游断面相应水位间和水位与传播速度之间的定量规律，建立相应关系，据此进行预报，如下图所示。水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报水电站－水库调度
五、发电计划与洪水预报、中长期预报径流的中长期预报已经成为当今水资源开发利用中不可缺少的非工程措施、它对于水库调度、防洪减灾、科学治水等方面都起到不可替代的作用。根据发布预报的预见期，通常把预见期在 3 天至 15 天的称为中期预报，15 天以上 1 年以内的称为长期预报，一年以上称为超长期预报或者称为水情展望。在长、中、短三种预报结合应用时，一般是以长期预报作为调度控制，以中期预报进行逐月、逐旬用水计划修正，径流的中长期预报方法，现阶段基本分为数理统计法、大气与非大气因子法以及模糊数学法三大类，分别侧重于寻求径流中长期变化的随机性、确定性和模糊性规律。水电站－水库调度
五、发电计划与水文预报数理统计法基本原则是从大量历史资料中应用于数理统计的方法去寻找水文要素历史变化的统计规律和关系，然后应用这些规律来进行预报。大气与非大气因子法工作主要是分析宇宙地球物理因素的长期变化引起水文要素变化的规律，并用以预报。近年来不少的研究主要集中于太阳的活动，海洋状况（主要是海水表面温度与海水），星际引力，地极移动振幅及地球自转角速度的变化等。目前，针对类似于新疆区域气候地理特性研究，中长期预报模型将侧重于选取人工神经网络、支持向量机及门限多元回归等多种非线性预报方法，并充分考虑该地区融雪对径流的影响，将气温、积雪厚度、积雪面积、雪密度等信息纳入到模型中，作为影响因子，参与预报计算。水电站－水库调度交流提纲
一、水文学
二、水情自动测报系统
三、水库调度
四、水库调度基本计算
五、发电计划与洪水预报
六、梯级电站联合调度方案研究水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究水库群的类型按照各水库的的相互位置和水力联系的有无，水库群又分为：串联、并联及混联三种水库群。串联水库群是指布置在同一条河流、形如阶梯的水库群，即梯级水库群。梯级水库群各库的径流之间有直接的上下联系，有时水头和落差也相互影响。按照各库间回水的衔接与否，又分衔接梯级、重叠梯级和间断梯级三种。并联水库群是指相邻的几条干支流或不同河流上的一排水库。并联水库有各自的积水面积，并无水力上的联系，仅当为同一目标工作时，才有水利上联系。混联水库群是串联与并联混合的水库群。由于目前大多数河流均具有发电、防洪、灌溉等综合利用目标，因此大多数情况下是综合利用的梯级水库群。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级水库群的工作特点梯级水库群的工作特点主要表现在四个方面：
1、库容大小和调节程度上的不同。库容大，调节程度高的水库常可帮助调节性能相对较差的水库，发挥“库容补偿”调节的作用，提高总的开发效果或保证水量。
2、水文情况的差别。由于各库所处的河流在径流年内和年际变化的特性上存在差异，在相互联合运行时，可提高总的保证水量或保证出力，起到“水文补偿”的作用。
3、径流和水力上的联系。梯级水库群径流和水力上的联系将影响到下库的入库水量、上库的落差等，使各水库无论在参数（正常蓄水位、死水位、装机容量、溢洪道尺寸等）选择或控制运用时，均有极为密切的相互联系，往往需要统一研究决定。
4、水利和经济上的联系。一个地区的水利任务，往往不是由单一水库所能完全解决的，如：下游的防洪要求、大面积的灌溉需水，及电网的电力供应等，往往需要由同一地区的各水库共同解决，这就使组成梯级水库群的各库之间具有水利和经济上的一定联系。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级水电站群的运行特点与单电站的运行相比，梯级水电站群的运行具有以下特点：
1、发电水量的联系。下游梯级电站的发电水量主要取决于上游水电站的下泄水量，因此，下游水电站的发电量受上游电站的发电量的影响明显。此外，汛期，在准确进行洪水预报的基础上，实行上下游的梯级联合运行，做到汛前适当降低水位，拦蓄洪水能力：汛终及时拦蓄洪水尾巴，增大枯水期发电量。
2、发电水头的联系。梯级水电站群间还存在水头上的联系，下游水库若库水位过高，则抬高了上游电站尾水位，降低水头，减少发电量；下游水库若库水位过低，则自身发电水头可能降低，亦导致发电量减少。
3、调频调峰的联系。梯级水电站群往往供同一电力主网，且大多承担系统的调频调峰任务，梯级电站通过联合运行，合理安排运行方式，减少弃水量，同时还可增加系统的调峰容量，提高电网运行的安全稳定性。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级联合防洪调度方案梯级水库防洪调度的主要内容是研究在保证自身水库大坝安全的前提下，梯级水库承担其下游共同的防洪任务时的洪水调度方法，同时，对各水库的蓄洪泄洪次序作出决策。梯级水库防洪调度必须根据水库安全标准、下游防护对象的防洪标准及防洪控制点河道安全泄量，研究如何通过梯级中各水库的联合调控，以达到防洪任务的要求。对下游防洪标准设计洪水，必须结合干支流水库控制面积的情况，考虑干支流及区间洪水的地区组合，及相对应的干支流水库调控洪水的方式。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级联合防洪调度方案防洪优化调度准则：
1、最大消峰准则。即洪峰流量得到尽可能大的消减。
2、最小成灾历时准则。即防洪控制断面流量超过其安全泄量历时越短越好。
3、最大防洪安全保证准则。即在满足下游防洪控制断面安全泄量的条件下，尽可能多下泄，留出防洪库容，给以后可能发生的大洪水使用。上述准则中，1、2将满足下游防洪要求置于次要位置，因此多出现较大洪水时使用，3则适用于稍小洪水。在实际应用中，最大消峰准则采用最多。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究梯级联合发电调度方案以电力系统运行信息、负荷预测（或计划）和水文预报成果、实时径流（洪水）预报成果为基础，在满足喀什河梯级各电站发电调度规程和综合利用要求的前提下，利用先进的优化调度模型和算法，确定各梯级电站运行方式以及系统电力负荷在各水电站间的分配，合理制定各水电站的发电计划。根据流域梯级水库调节性能的差异，按调度周期分为短期发电优化调度和中长期发电优化调度，并以短期调度为主。(一)、中长期优化调度是以年为周期，以月（旬）为调度时段，研究年内各月（旬）喀什河流域梯级水库电站的联合优化运行方式，以达到充分利用水能，增加发电量和保证系统安全运行的目的。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究研究内容包括：a）梯级水电站群中长期发电优化调度模型的建立以及优化调度方案研究；主要包括优化目标的选择，水库电站约束条件的处理，优化方法的选择等。优化目标可选全梯级计算期发电量最大、发电收入最大、梯级蓄能最大等。b）在全面考虑来水趋势、检修计划及用电负荷分析预测的基础上，计算梯级水电站群全年发电量并合理分配到年内各月(旬);c）梯级水电站群年内逐月滚动实施方案研究：根据中长期径流预测，滚动调整梯级电站调度方案，使余留期效益最大。(二)、梯级电站短期发电优化调度梯级水电站短期发电调度的研究目标是确定各梯级电站短期内运行方式以及系统电力负荷在各水电站间的分配，在更接近水库、电站实际运行状况水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究下制定水电站的发电计划。研究内容包括：a）各梯级水电站日内发电优化运行方式研究：在电价及发电水量给定的条件下，研究日电量在各梯级电站日内各时段的最优分配；b）在日拟发电量给定的前提下，进行总电量在各梯级电站的分配，使得梯级蓄能最大；c）月度发电计划逐日跟踪、滚动分析。d）在一些节假日或者用电高峰期采用特殊的调度方式以满足电网的特殊需求。水电站－水库调度
六、梯级电站联合调度方案研究(1)短期（日）发电效益最大模型在一定的用水量条件下，合理配置各电站用水量在时间上的分配，充分将水电站水量利用起来，同时满足一天内的其它时段对水量和电量的约束。一般来讲，要想获得一天的整体泄水量，有两种方法：一种方法是直接确定发电用水量大小，主要用在调节性能较好的水库；另一种是通过水位的变化范围间接控制发电用水量，主要用在调节性能较差的水库。(2)短期（周或日）耗水量最小模型在给定梯级水电站总负荷的情况下，如何分配负荷以求得梯级各电站负荷计划，使梯级耗水量最小。水电站－水库调度
网河水系水闸群联合水质调度方法与数值分析
建立了珠江三角洲潮汐河网一、二维联解潮流数学模型,计算了水闸群五种联合调度方案对市桥河水系水动力条件的变化,并分析了水闸群联合水质调度对改善水环境的作用,为水利枢纽市桥河水系水闸群联合调度方案选择优选提供了重要的参考意见依据.
作 者：梁志宏 金腊华 徐峰俊 刘俊勇 陈文龙 作者单位：梁志宏,金腊华(暨南大学环境工程系,广州,510632)徐峰俊,刘俊勇,陈文龙(珠江水利委员会科学研究院,广州,510611)
刊 名：环境科学与技术 ISTIC PKU英文刊名：ENVIRONMENTAL SCIENCE & TECHNOLOGY 年，卷(期)： 28(z2) 分类号：X830.2 关键词：网河水系 水闸群 水质调度 水环境1 免疫粒子群优化算法 (IA?PSO)
IA-PSO算法将待求解问题视为抗原, 每一个抗体都代表问题的一个解, 同时每个抗体也即是粒子群中的一个粒子。抗原与抗体的亲和力由粒子群算法中的适应度来衡量, 反映了对目标函数以及约束条件的满足程度;抗体之间的亲和力则反映了粒子之间的差异, 即粒子群的多样性。IA-PSO算法分为3个部分:基本PSO的实现, 免疫记忆和免疫调节的实现, 接种疫苗和免疫选择[6]。
1.1 基本PSO的实现
首先初始化一群随机粒子 (随机解) , 每个粒子都有自己的位置和速度。在每次迭代中, 粒子通过跟踪2个“极值”来更新自己:第1个是粒子本身找到的最好解, 叫作个体极值点 (用表示其位置) ;另一个极值点是整个种群目前找到的最好解, 叫作全局极值点 (用表示其位置) 。找到这2个最好解之后, 粒子可根据式 (1) 和式 (2) 更新自己的位置和飞行速度。
设种群有N个粒子, 粒子i的信息可用D维向量表示, 位置表示为:
速度表示为:
其他向量类似, 则位置和速度更新方程为:
式中:i=1, 2, …, N, d=1, 2, …, D;vidk+1为第i个粒子在第k代中d维的速度;c1、c2为认识学习因子和社会学习因子;r1、r2为[0, 1]之间的均匀分布随机数;Xidk为粒子i在第k代中d维的位置。
迭代中止条件一般选为最大迭代次数和粒子群迄今为止搜索到的最优位置满足适应阈值。
1.2 免疫记忆与免疫调节的实现
免疫记忆是指免疫系统能将与入侵抗原反应的部分抗体作为记忆细胞保存下来, 当同类抗原再次入侵的时候, 相应的记忆细胞被激活而产生大量的抗体。借鉴这种思想, 在IA-PSO算法的进化过程中通过计算适应度函数, 求出当前粒子群中的全局极值, 由全局极值生成新的最佳粒子作为记忆粒子保存下来, 用它们代替那些新生而不符合要求的粒子。免疫自我调节则是一种维持免疫平衡的机制, 能通过对浓度高 (或浓度低) 的抗体的抑制 (或促进) 作用, 在进化过程中自我调节产生适当数量的必要抗体。在IA-PSO算法中则表现为减少浓度过高粒子的数量, 保持各适应度层次的粒子维持一定的浓度[7]。
1.3 免疫接种的实现
免疫接种的实现主要分为3个阶段:提取疫苗、接种疫苗和免疫选择。算法从所求解问题的先验知识中提取出若干特征信息, 作为“疫苗”来更改粒子中的某些分量, 即所谓的“接种疫苗”, 从而达到指导搜索过程的目的。但经过接种后的粒子还要通过免疫选择机制来抑制其可能发生的退化现象, 即如发现接种后粒子的适应度小于接种前, 则舍弃, 反之保留原粒子。
2 湖南镇水库调度图优先控制线
湖南镇水库是一座综合利用的多年调节大型水库, 正常蓄水位230m, 死水位190m, 保证出力50.2MW, 装机容量270MW。黄坛口水库位于湖南镇水库下游, 是一座综合作用的日调节中型水库, 正常蓄水位115m, 死水位114m, 保证出力16.3MW, 装机容量82MW。经过多年的发展建设, 湖南镇-黄坛口梯级水库功能已逐渐演变为现在的发电、供水、灌溉、防洪、养殖等。在实际调度运行管理中, 湖南镇水库防洪与用水调度权在防汛主管部门, 发电调度权在华东电网公司。由于管理体制的原因, 往往存在发电与下游用水之间的矛盾, 甚至出现限制供水的被动局面。为解决这一问题, 协调水库发电与下游用水的关系, 提出在湖南镇水库调度图上, 添加一条优先控制线 (见图1) , 指导水库调度运行。此优先控制线的内涵是:当某时段初水库水位位于优先控制线以上区域时, 发电优先, 电站可以根据电网要求随时发电;当某时段初水库水位位于优先控制线以下区域时, 用水优先, 不用水就不发电, 并按用水量进行发电。
3 优先控制线优化模型及求解
湖南镇-黄坛口梯级水库水资源系统既承担华东电网的调峰任务, 又要兼顾下游的用水 (包括生活、工业、农业和生态环境等) 需求。因此, 优化模型的目标函数包括有发电量最大、生活和工业供水保证率满足设计保证率要求、灌溉用水保证率满足设计保证率要求、下游河道生态环境用水满足规定要求等, 模型的约束条件有水库水量平衡约束、水库蓄量约束、水量联系约束、电站出力约束等。此优化模型为多目标非线性规划模型[8]。
针对上述多目标模型, 本文采用约束法进行求解[9,10], 即将发电目标作为目标函数, 其余目标转换为约束条件来进行求解, 由于修改后的模型为单目标非线性规划模型, 采用IA-PSO算法进行求解。求解步骤如下。
(1) 参数初始化。
(2) 在各时段允许的水位范围内, 随机生成N组时段末水位变化序列:
(Z11, Z12, …, Z1D) , …, (ZN1, ZN2, …, ZND)
随机生成N组时段末水位涨落速度变化序列:
即随机初始化N个粒子。
(3) 计算各粒子适应度。本文通过退火精确罚函数法[11]将乌溪江流域梯级水库优化调度问题转换为无约束问题。因此, 模型的适应度函数应设计为2部分, 一部分为模型的目标函数值, 而另一部分则为体现粒子对模型约束条件适应能力的罚函数, 即:
式中:f (Xi) 为第i个粒子的适应度函数;Eij, t为第j个水电站第t时段的发电量;phari为粒子i违反保证率约束的罚函数;phqi为粒子i违反下游河道生态环境供水多年平均值约束的罚函数。
(4) 更新粒子速度及位置, 产生新一代N个粒子。根据个粒子的适应度找到每个粒子迄今为止搜索到的最好位置pbesti以及粒子群迄今为止搜索到的最好位置gbest, 将gbest作为记忆粒子保存下来。
(5) 判断是否达到终止条件。停止条件通常由最大迭代次数和所需达到的预测精度决定, 若已经到达条件, 寻优停止;若没有达到条件则转 (3) 继续执行。
(6) 免疫记忆与免疫调节。检测新产生的N个粒子, 若粒子所在的位置是不可行解, 则用记忆粒子代替;若粒子所在位置是可行解, 则在新生代N个粒子的基础上, 随机生成满足约束条件的M个新粒子, 根据各粒子适应度计算粒子浓度, 然后对M+N个粒子进行排序, 值比较大的前N个粒子被选中, 作为进化的下一代。具体计算过程如下。
第i个粒子的浓度定义如下:
基于粒子浓度的概率选择公式如下:
(7) 免疫接种的实现。1疫苗制作:在进化过程中, 按式 (6) 计算每一代粒子在每个分量上的浓度, 并设置一个浓度阈值ξ, 当某一分量的浓度超过ξ时, 则将该分量的特征值提取出来作为疫苗。提取不同的分量就可以得到若干不同的疫苗。2接种疫苗:按一定比例α在当前粒子群中抽取一定数量的粒子个体, 并按先前提取的疫苗对这些个体的某些分量进行修改, 使所得的个体以较大的概率接近全局最优解。3疫苗选择:对接种了疫苗的个体进行适应度值计算, 若该个体的适应度不如接种前, 则取消疫苗接种, 否则保留该个体。
式中:Zd为粒子第d维分量;S (Zd) 为分量Zi的浓度。
4 成果分析
以1958-2009年湖南镇水库集雨面积及湖南镇-黄坛口水库区间日来水量、下游生产日用水量、生活日用水量、农业灌溉日用水量为基础数据, 采用Visual Basic语言编程。IA-PSO算法参数设置为:进化代数p设定为500, 惯性权重w初值设为1.2, 终值为0.8, 学习因子和社会因子取C1=C2=2, 新增粒子数M为100, 每次进行疫苗接种的随机粒子数取2。为了确定种群规模N及浓度阈值ξ的取值, 分别取一组值进行试验。试验结果显示:当N及ξ取不同值时, 优化结果均能满足修改后模型的约束条件, 但是目标函数取值不同。目标函数取值情况分别如图2及图3所示。
由图2可以看出, 在同样满足模型约束条件的基础之上, 当种群规模N小于100时, 易导致局部收敛, 而大于100时, 规模的增大对优化效率的提高不明显, 因此N取100。由图3可以看出, 在同样满足模型约束条件的基础之上, 当浓度阈值ξ为0.6时, 修改后模型的目标函数取值最大。分析浓度阈值对优化结果的影响, 可以知道, 阈值若过大, 则无法提取足够的有效特征信息;若过小, 容易造成提取的疫苗无效, 使得微粒接种后的适应值小于接种前。
为了检验IA-PSO算法优化结果的优劣, 同时采用PSO算法进行求解。2种算法计算得到的模型各目标函数的取值情况如表1所示。
注:E为湖南镇-黄坛口梯级水库多年平均发电量;p1为生活和工业供水保证率;p2为灌溉用水保证率;R0为下游河道生态环境基流;W0为下游河道生态环境供水总量多年平均值。
由表1可以看出, IA-PSO算法与PSO算法优化结果中, 梯级水库多年平均发电量比传统调度方法71 700万kWh要高出很多, 另外生活和工业供水保证率以及灌溉用水保证率均优于传统调度方法。但是在同样使模型用水目标达到梯级水库水资源系统调度目标的情况下, IA-PSO算法的优化结果使梯级水库多年平均发电量明显优于PSO算法, 因此选用IA-PSO算法优化结果作为最终优化结果, 结果如图4所示。
为了比较IA-PSO算法与PSO算法的优化性能, 统计2种算法计算模型所用的时间, 结果显示IA-PSO算法耗时比PSO算法稍长, 但是相差并不大。另外将2种算法迭代过程中梯级水库多年平均发电量走势进行对比, 如图5所示。
从图5可以看出, IA-PSO算法优化结果明显优于PSO算法, 并且可以看出, IA-PSO算法能够跳出局部最优解, 避免早熟现象。当种群处于全局最优解附近时, IA-PSO算法依然能够保持一定的速度进行局部搜索, 提高了搜索精度。
5 结论
(1) IA-PSO算法继承了PSO算法收敛快的重要特性, 另外采用粒子浓度选择机制来保持粒子多样性, 较好地克服了算法可能出现的“早熟”现象;而通过在算法中加入免疫接种等操作来指导寻优过程, 大大加快了收敛速度。
(2) 通过在水库调度图上添加一条优先控制线, 可以有效协调不同用水户、同类用水户不同区域用水量之间的矛盾。IA-PSO算法为水库调度图优先控制线提供了一条有效求解途径。
参考文献
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[10]CHANKONG V, HAIMES Y Y.Multi-objective decision making theory and methodology[M].New York:New York North-Hollard, 1983.
【“水库群优化调度”教学大纲】推荐阅读：
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