一种自适应的水电站智能生态调控方法与流程

1.本发明涉及水文水资源分析技术领域，尤其涉及一种自适应的水电站智能生态调控方法。


背景技术：

2.国内外学者已经开展了大量的水库生态调度工作，已提出了一系列水库生态调度模型，多数将河流生态需求转为约束，或者作为发电模型、防洪模型的附属目标，直接将产漂流性卵鱼类繁殖所需生态脉冲过程作为目标的研究较少；并且结合预测来水过程，尚未开展针对多种目标鱼类繁殖需求的水电工程自适应调度研究。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供了一种自适应的水电站智能生态调控方法，根据来水过程，滚动评估启动时机和启动水位条件，当条件满足时可以尝试开展生态调度；当预判存在防洪风险时可采取生态调度熔断机制，恢复常规调度。
4.为实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：本发明提供了一种自适应的水电站智能生态调控方法，包括以下步骤：s1、收集整理水电站智能生态调控所需的基本资料收集水电站特性参数，坝址中长期预测来水径流过程为；目标鱼类1产卵繁殖所需的最佳生态脉冲过程为、目标鱼类2产卵繁殖所需的最佳生态脉冲过程为、目标鱼类产卵繁殖所需的最佳生态脉冲过程为；其中，为调度的时刻，单位d；为总调度时间，单位d；分别为第1、2、、时刻的水电站预测入库流量，单位m3/s；分别为目标鱼类1第1、2、时刻产卵所需的最佳脉冲流量，单位m3/s；分别为目标鱼类2第1、2、时刻产卵所需的最佳脉冲流量，单位m3/s；分别为目标鱼类第1、2、时刻产卵所需的最佳脉冲流量，单位m3/s；分别为目标鱼类1、2、所需的脉冲时长，单位d；s2、智能优化算法选择及算法参数初始化的确定s3、循环迭代终止条件判断首次迭代次数判断，如果满足，随机生成时段初始水位过程
和目标函数，自适应调度开始，，初始调度时刻，转入s4；如果不满足，判断生态结束条件，如果，调度成功，结束循环；如果，智能生态调度终止，恢复常规调度，其中，随机生产的初始水位计算公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，分别为第1、2、、时刻的水电站水库时段初水位值，单位m；为目标函数，初始值定义为无穷大的无量纲数，第一轮迭代；为目标函数的结束判断因子，无量纲；分别为时刻水位的水位下限值、上限值，单位m；为随机生产0到1的数字；s4、目标鱼类调控启动时机和启动水位条件判断启动时机判断，如果不满足，返回所述s3；如果满足，则根据当前水位、所述中长期预测来水径流过程和目标鱼类产卵繁殖所需的最佳脉冲需求，判断当前水温条件是否满足目标鱼类的生态需求；若当水温条件满足目标鱼类的生态需求时，采用公式（2）计算目标鱼类调控启动时机和水位条件是否满足第种鱼类繁殖需求若满足，进入s5；若不满足，则，返回进行下一时段的生态调度启动条件评估；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，第时刻的水电站水库时段初库容值，单位m3；、分别为率定水位库容关系时的参数；为生态调度评估的启动时刻，无量纲；为第种目标鱼类第时刻所需的脉冲流量，单位m3/s；s5、时段出力约束计算根据时段初始水位过程，所述坝址中长期预测来水径流过程，推求出库流量过程，根据公式（4）计算第时刻出库流量；根据公式（5）计算坝下游水位；根据公式（6）计算上下游水头差，根据公式（7）计算弃水流量，根据公式（8）计算时段出力，以判断时段出力是否满足；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）其中，为调度的时间间隔，单位d；分别为第时刻的水电站水库时段初水位值，单位m；为根据坝下游流量～水位关系推求的时刻坝下游水位，单位m；是根据上下游水头差推算的时刻坝址上下游水头差，单位m；为时刻出库流量，单位m3/s；为时刻弃水流量，单位m3/s；为时刻发电机过水流量，单位m3/s；为第时刻的出力，单位mw；为出力系数，无量纲；s6、时段出力约束判断；如果满足，进入所述s6；如果不满足，，返回所述s4；其中，、为第时刻的最小、最大出力值，单位mw；s7、生态调度熔断机制启动判断第时刻水位是否满足，如果满足，进入s8，如不满足，，返回所述s4；其中，为时刻的水库约束水位值，单位m；为时段内的水库最大消落幅度值，单位m；s8、目标鱼类生态调度可达性判断因子确定如果，认为调算过程已满足所述产卵繁殖所需的最佳生态脉冲需求，；如果，认为调算过程不满足所述产卵繁殖所需的最佳生态脉冲需求，；
式中，为第时刻水库出库流量，单位m3/s；为第种目标鱼类在当前水文条件下生态可达性判断因子；为自定义的一个无限小的数，无量纲；s9、循环迭代不同目标鱼类生态调度综合函数值计算第次循环不同目标鱼类生态调度综合函数值，判断邻近两次迭代的目标函数值，如，则；式中，为第、次循环时，根据不同目标鱼类生态可达性因子综合的目标函数值；p为第种目标鱼类所需的脉冲时长，单位d；s10、调度终止条件判断及生态调度可达性评估当第次迭代时，如果，调度成功，结束循环，输出最优时段初水位值，整理调度结果；如果，，基于选取的优化算法调整初始水位值，返回所述s3，重新开展新一轮试算。
5.进一步，所述s2中，所述智能优化算法包括人工鱼群算法、遗传算法或粒子群算法；在windows操作系统下采用vb语言、c语言或matlab语言编写程序代码，架构水电站智能生态调控方法，并预留程序接口。
6.进一步，所述s4中，目标鱼类调控启动时机和启动水位条件判断公式（2）为中；若当前水文条件能满足第种鱼类繁殖需求，启动针对第种目标鱼类的生态调度；若当前水文条件能不满足第种鱼类繁殖需求，自适应调整时段，进行下一时刻的试算，通过遍历时搜索试算，推求针对第种目标鱼类的最佳调度时机和启动的水文条件；针对所述调度需求，将水电站水位库容拟合，，从而将库容水量约束及需求转换为时段初的水位指标，以便于调度的开展。
7.进一步，所述s7中，生态调度熔断机制启动条件以依据具体水位和时刻的水库约束水位值、时段内的水库最大消落幅度值，综合判断在满足水库时段消落水位约束的条件下，水库是否可以消落到约束水位；
针对承担防洪任务的水库，一般为防洪限制水位，一旦预估调度后期可能对防洪造成影响，即启动熔断机制终止生态调度。
8.进一步，所述s5中，为依据坝下出库流量～水位建立的拟合公式；依据时刻出库流量能够推算该时刻的坝下水位；公式（6）中为t时刻除了满足出库流量需求，除了发电机组过水流量外，需要其他泄水设施额外泄放的流量。
9.本发明的有益效果为：基于不同目标鱼类生态流量脉冲过程和中长期来水预测已知的前提下，水电站可以根据来水过程自适应开展生态调控，通过滚动分析调控，并初拟不同生态调度启动时刻和初始水位条件，提出了一种可以自适应调整的水电站智能生态调控方法，可以在基于windows系统下编译的智能优化算法进行目标函数寻优，从而选取满足目标鱼类产卵繁殖需求的最佳水位过程。
10.该智能生态调控方法提出了生态调度启动条件，当满足条件时可以根据来水条件和不同目标鱼类繁殖需求，自适应地选择适宜开展生态调度的目标鱼类；引入了生态调度熔断机制，当生态调度可能对防洪等造成影响时，可以立即结束生态调度，恢复常规调度，避免影响到防洪等安全；具有灵活的操作性和可大性。
11.该智能生态调控方法可供已建水电站结合下游不同鱼类繁殖生态脉冲需求开展自适应试验性生态调度研究参考。
附图说明
12.图1为自适应的水电站智能调控时期上下游水文参数示意图；图2为梨园水电站15天平均来水流量满足2000m3/s的实践图；图3为梨园水电站15天平均来水流量满足2500 m3/s的实践图；图4为梨园水电站15天平均来水流量满足3000 m3/s的实践图。
具体实施方式
13.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
14.请参阅图1，一种自适应的水电站智能生态调控方法，包括以下步骤：s1、收集整理水电站智能生态调控所需的基本资料收集水电站特性参数，坝址中长期预测来水径流过程为 ；目标鱼类1产卵繁殖所需的最佳生态脉冲过程为、目标鱼类2产卵繁殖所需的最佳生态脉冲过程为、目标鱼类产卵繁殖所需的最佳生态脉冲过程为；
其中，为调度的时刻，单位d；为总调度时间，单位d；分别为第1、2、、时刻的水电站预测入库流量，单位m3/s；分别为目标鱼类1第1、2、时刻产卵所需的最佳脉冲流量，单位m3/s；分别为目标鱼类2第1、2、时刻产卵所需的最佳脉冲流量，单位m3/s；分别为目标鱼类第1、2、时刻产卵所需的最佳脉冲流量，单位m3/s；分别为目标鱼类1、2、所需的脉冲时长，单位d；s2、智能优化算法选择及算法参数初始化的确定s3、循环迭代终止条件判断首次迭代次数判断，如果满足，随机生成时段初始水位过程和目标函数，自适应调度开始，，初始调度时刻，转入s4；如果不满足，判断生态结束条件，如果，调度成功，结束循环；如果，智能生态调度终止，恢复常规调度，其中，随机生产的初始水位计算公式为：
ꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）其中，分别为第1、2、、时刻的水电站水库时段初水位值，单位m；为目标函数，初始值定义为无穷大的无量纲数，第一轮迭代；为目标函数的结束判断因子，无量纲；分别为时刻水位的水位下限值、上限值，单位m；为随机生产0到1的数字；s4、目标鱼类调控启动时机和启动水位条件判断启动时机判断，如果不满足，返回所述s3；如果满足，则根据当前水位、所述中长期预测来水径流过程和目标鱼类产卵繁殖所需的最佳脉冲需求，判断当前水温条件是否满足目标鱼类的生态需求；若当水温条件满足目标鱼类的生态需求时，采用公式（2）计算目标鱼类调控启动时机和水位条件是否满足第种鱼类繁殖需求若满足，进入s5；若不满足，则，返回进行下一时段的生态调度启动条件评估；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）其中，第时刻的水电站水库时段初库容值，单位m3；、分别为率定水位库容关系时的参数；为生态调度评估的启动时刻，无量纲；为第种目标鱼类第时刻所需的脉冲流量，单位m3/s；s5、时段出力约束计算根据时段初始水位过程，所述坝址中长期预测来水径流过程，推求出库流量过程，根据公式（4）计算第时刻出库流量；根据公式（5）计算坝下游水位；根据公式（6）计算上下游水头差，根据公式（7）计算弃水流量，根据公式（8）计算时段出力，以判断时段出力是否满足；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（5）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（6）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（7）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（8）其中，为调度的时间间隔，单位d；分别为第时刻的水电站水库时段初水位值，单位m；为根据坝下游流量～水位关系推求的时刻坝下游水位，单位m；是根据上下游水头差推算的时刻坝址上下游水头差，单位m；为时刻出库流量，单位m3/s；为时刻弃水流量，单位m3/s；为时刻发电机过水流量，单位m3/s；为第时刻的出力，单位mw；为出力系数，无量纲；s6、时段出力约束判断；如果满足，进入所述s6；如果不满足，，返回所述s4；其中，、为第时刻的最小、最大出力值，单位mw；s7、生态调度熔断机制启动判断第时刻水位是否满足，如果满足，进入s8，
如不满足，，返回所述s4；其中，为时刻的水库约束水位值，单位m；为时段内的水库最大消落幅度值，单位m；s8、目标鱼类生态调度可达性判断因子确定如果，认为调算过程已满足所述产卵繁殖所需的最佳生态脉冲需求，；如果，认为调算过程不满足所述产卵繁殖所需的最佳生态脉冲需求，；式中，为第时刻水库出库流量，单位m3/s；为第种目标鱼类在当前水文条件下生态可达性判断因子；为自定义的一个无限小的数，无量纲；s9、循环迭代不同目标鱼类生态调度综合函数值计算第次循环不同目标鱼类生态调度综合函数值，判断邻近两次迭代的目标函数值，如，则；式中，为第、次循环时，根据不同目标鱼类生态可达性因子综合的目标函数值；p为第种目标鱼类所需的脉冲时长，单位d；s10、调度终止条件判断及生态调度可达性评估当第次迭代时，如果，调度成功，结束循环，输出最优时段初水位值，整理调度结果；如果，，基于选取的优化算法调整初始水位值，返回所述s3，重新开展新一轮试算。
15.所述s2中，所述智能优化算法包括人工鱼群算法、遗传算法或粒子群算法；在windows操作系统下采用vb语言、c语言或matlab语言编写程序代码，架构水电站智能生态调控方法，并预留程序接口。
16.该生态调控方法通用性好，且具有较好的适用性。
17.所述s4中，目标鱼类调控启动时机和启动水位条件判断公式（2）为中；
若当前水文条件能满足第种鱼类繁殖需求，启动针对第种目标鱼类的生态调度；若当前水文条件能不满足第种鱼类繁殖需求，自适应调整时段，进行下一时刻的试算，通过遍历时搜索试算，推求针对第种目标鱼类的最佳调度时机和启动的水文条件；针对所述调度需求，将水电站水位库容拟合，，从而将库容水量约束及需求转换为时段初的水位指标，以便于调度的开展。
18.所述s7中，生态调度熔断机制启动条件以依据具体水位和时刻的水库约束水位值、时段内的水库最大消落幅度值，综合判断在满足水库时段消落水位约束的条件下，水库是否可以消落到约束水位；针对承担防洪任务的水库，一般为防洪限制水位，一旦预估调度后期可能对防洪造成影响，即启动熔断机制终止生态调度。
19.所述s5中，为依据坝下出库流量～水位建立的拟合公式；依据时刻出库流量能够推算该时刻的坝下水位；公式（6）中为t时刻除了满足出库流量需求，除了发电机组过水流量外，需要其他泄水设施额外泄放的流量。
20.该方法不同于以往研究将鱼类繁殖生态需求转为约束，或者作为发电模型、防洪模型的附属目标，基于多种目标鱼类繁殖所需生态脉冲过程已知的前提下，以不同目标鱼类繁殖所需脉冲过程作为水电站的自适应调整目标，并将电网电力需求、水位运行幅度、防洪需求等作为约束，开发面向多种产漂流性卵鱼类繁殖需求的水电站自适应调控技术。当来水水文水温满足启动条件时，水电站可尝试开启生态调度，通过循环滚动分析，结合预测的来水过程滚动修正，可以评估生态调度的成功几率；当生态调度过程后期可能存在防洪风险时，可以采取熔断机制停止生态试验；且本发明普适性较好，可以采用多种优化算法进行求解。该方法可以为水电站实时运行调度提供参考，并可推广使用，用于根据下游不同目标鱼类繁殖生态脉冲需求开展水电站适应性调控参考。
21.实施例一以金沙江中游河段为例，选取梨园水电站为调控主体，已知梨园坝下有圆口铜鱼、长鳍吻鮈、长丝裂腹鱼、鲈鲤等鱼类产卵场；相应的生态流量需求为入库流量在超过1250m3/s后，逐步加大下泄5～7天（日均增幅约100m3/s～400m3/s），将出库流量加大到2560m3/s以上、至坝下水位增幅大于4.29m时结束调度。
22.选取1965～2018年梨园水电站长系列入库径流过程，假设6月1号起来水条件满足时，采用本次提出的调控技术进行梨园水电站生态调度模拟，结果表明本次所提的模型可以根据来水过程，自适应的调整生态脉冲过程，还可以根据调算过程制定不同来水条件下水电站最适宜的初始启动水位（库容）和最佳的启动时机：
（a）若梨园6月1号开始试验性生态调度，经调度后长系列满足率约为5%，相应的启动来水条件为梨园未来15天平均来水流量大于1900m3/s；（b）若梨园6月10号开始试验性生态调度，经调度后长系列满足率约为22%，相应的启动来水条件为梨园未来15天平均来水流量大于1940m3/s；（c）若梨园6月20号开始试验性生态调度，经调度后长系列满足率约为57%，相应的启动来水条件为梨园未来15天平均来水流量大于1950m3/s。
23.其中成功案例中梨园未来15天平均来水流量分别满足2000 m3/s、2500 m3/s、3000 m3/s量级下的自适应调控过程分别见图2、图3和图4。
24.以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。