顾及闸门启闭过渡区流量畸变的水库泄流调度方法和系统与流程

本发明涉及水库泄流调度，特别涉及一种顾及闸门启闭过渡区流量畸变的水库泄流调度方法、系统、电子设备及计算机可读存储介质。

背景技术：

1、水库泄流调度是水库运行管理的核心环节，承担着防洪、供水、发电以及下游生态保护等多重任务。在泄流调度中，调度系统需要按照预先率定的闸门流量率定曲线，根据闸门的开度以及闸门上下游的水头查算闸门的下泄流量，再据此安排闸门的启闭操作，使水库的下泄流量满足相应的调度目标。上述闸门流量率定曲线，通常通过水工模型试验或者现场实测的方式，在闸门停留于某一开度、过闸水流流态充分稳定之后测得，反映的是闸门在各个开度下的准稳态下泄流量，因而又被称为静态流量率定曲线。

2、近年来，随着河流生态保护要求的不断提高，以及电网对水电机组承担负荷跟随任务的需要，水库的泄流调度逐渐由过去的大开大合转向频繁的小幅调节。例如，为跟踪下游河道的生态流量过程，调度系统需要依据来水情况和生态需求实时地对闸门开度进行小幅调整；又如，为配合电网的负荷跟随，水电站往往需要在较短的时间内多次小幅地启闭闸门，以快速地改变下泄流量。为了提升此类调度的精度，现有技术大多在率定曲线的精细化以及调度优化模型的构建两个方向上着力，前者力图把各开度下的水位与下泄流量的对应关系测得更准，后者则通过多目标优化、模型预测控制等手段求解更优的闸门启闭组合。

3、然而，闸门的一次启闭并非瞬间完成，而是存在一个开度持续变化的运动过程。在闸门启闭的运动过程中，由于水体具有惯性，过闸水流来不及随着开度的变化而同步地加速或者减速，使得闸门在该运动过程中的实际下泄流量偏离按静态流量率定曲线查得的准稳态下泄流量：闸门开启时，水流来不及加速，实际流量滞后而偏小；闸门关闭时，水流来不及减速，实际流量因惯性而偏大。本发明把闸门开度持续变化的这一运动过程称为启闭过渡区，把上述实际下泄流量对准稳态下泄流量的偏离称为启闭过渡区的流量畸变。一次启闭过渡的历时通常为2秒至30秒，畸变所引起的水量偏差十分微小，通常低于流量测量设备的检测下限而难以被直接测量。

4、现有的泄流调度方法只关心闸门停留于各个稳定开度时的下泄流量，却没有关心闸门在启闭运动过程中的瞬态流量畸变。更有甚者，在率定泄流曲线时，一些方法还把因闸门启闭而引起的出库流量的突变点当作异常值予以剔除，再对剩余的平稳过程进行拟合，从而在调度模型中默认了每一个开度下流态均已稳定。当水库为了生态流量跟踪或者负荷跟随而频繁地进行小幅启闭时，每一次启闭过渡所产生的微小水量偏差便会不断地同向累积；又由于水流惯性在闸门开启加速与关闭减速时的表现并不对称，一次开启与一次关闭所产生的流量畸变并不能完全相互抵消，残留的偏差随着调节次数的增多而长期累积，最终造成水库水量平衡的系统性偏差，使得下泄水量的账目与下游生态流量的考核结果产生偏差。这一启闭过渡区的流量畸变，长期以来几乎无人建模，更谈不上在调度中加以补偿。

5、因此，如何在泄流调度中在线地刻画闸门启闭过渡区的瞬态流量畸变，并将其补偿到水量平衡与优化模型之中，从而消除频繁小幅启闭情形下下泄水量的累积偏差，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中现有泄流调度方法忽略闸门启闭过渡区的流量畸变、导致频繁小幅启闭情形下下泄水量产生累积偏差的问题，本发明提供一种顾及闸门启闭过渡区流量畸变的水库泄流调度方法、系统、电子设备及计算机可读存储介质，以在线估计并补偿启闭过渡区的瞬态流量畸变，消除下泄水量的系统性累积偏差。

2、本发明第一方面提供一种顾及闸门启闭过渡区流量畸变的水库泄流调度方法，包括如下步骤：

3、步骤s1，按泄流调度目标确定各调度时段的目标下泄流量，并实时采集水库泄流闸门的开度、开度运动速度、加速度以及该闸门的上游水头和下游水头。

4、步骤s2，根据所述开度运动速度判断所述闸门是否处于开度持续变化的启闭过渡区，在判定处于所述启闭过渡区时，以所述开度、开度运动速度、加速度、上游水头和下游水头为输入，通过预先建立的过渡区流量畸变估计模型在线估计所述启闭过渡区内所述闸门的实际下泄流量相对于按静态流量率定曲线确定的准稳态下泄流量的瞬态流量偏差。

5、步骤s3，将所述瞬态流量偏差沿本次启闭过渡区的历时积分，得到本次启闭引起的下泄水量修正量，并将所述下泄水量修正量叠加至按所述静态流量率定曲线计算的下泄水量上，得到所述闸门修正后的真实下泄量。

6、步骤s4，以所述修正后的真实下泄量更新水量平衡方程，重新求解泄流调度优化模型得到下一调度时段的目标开度，并根据所述目标开度生成启闭指令，驱动所述闸门的启闭执行机构动作，使所述闸门的实际下泄流量跟踪所述目标下泄流量。

7、可选地，步骤s2中判断所述闸门是否处于启闭过渡区，可以为：当所述开度运动速度的绝对值大于预设速度阈值，或者所述加速度的绝对值大于预设加速度阈值时，判定所述闸门处于所述启闭过渡区；当所述开度运动速度的绝对值不大于所述预设速度阈值、所述加速度的绝对值不大于所述预设加速度阈值且持续预设稳定时长时，判定所述闸门处于准稳态区，并将所述瞬态流量偏差置为零。

8、可选地，所述过渡区流量畸变估计模型的输入还可以包括所述开度的变化方向以及所述闸门在前一采样时刻的下泄流量；所述过渡区流量畸变估计模型可以为以闸门启闭过渡过程的实测下泄流量数据或者非恒定流水力学数值仿真数据作为样本、以瞬态流量偏差为标签训练得到的回归模型或者神经网络模型。所述神经网络模型可以为单隐层前馈神经网络。

9、可选地，所述启闭过渡区包括开度增大的开启过渡区和开度减小的关闭过渡区，所述开启过渡区与所述关闭过渡区可以分别采用相互独立的过渡区流量畸变估计模型或者相互独立的模型参数，以分别表征水流惯性在闸门开启加速与关闭减速时对下泄流量产生的非对称畸变。

10、可选地，步骤s3中所述积分可以为：以预设采样周期对本次启闭过渡区内各采样时刻的瞬态流量偏差与所述采样周期之积求和，将所得之和作为本次启闭引起的下泄水量修正量。

11、可选地，所述方法还可以包括：统计所述修正后的真实下泄量与所述目标下泄流量在已结束的多个调度时段上形成的累积水量偏差，并将所述累积水量偏差作为限制条件或者惩罚项加入所述泄流调度优化模型，使后续调度时段在求解所述目标开度时补偿所述累积水量偏差。

12、本发明第二方面提供一种顾及闸门启闭过渡区流量畸变的水库泄流调度系统，包括采集模块、畸变估计模块、补偿修正模块和调度控制模块。所述采集模块用于确定各调度时段的目标下泄流量并采集水库泄流闸门的开度、开度运动速度、加速度以及该闸门的上游水头和下游水头；所述畸变估计模块用于在所述闸门处于启闭过渡区时，通过过渡区流量畸变估计模型估计所述闸门相对于准稳态下泄流量的瞬态流量偏差；所述补偿修正模块用于将所述瞬态流量偏差沿启闭过渡区的历时积分得到下泄水量修正量，并据此得到所述闸门修正后的真实下泄量；所述调度控制模块用于以所述修正后的真实下泄量更新水量平衡方程并求解泄流调度优化模型，得到目标开度后驱动所述闸门的启闭执行机构动作。

13、本发明第三方面提供一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现上述的水库泄流调度方法的步骤。

14、本发明第四方面提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的水库泄流调度方法的步骤。

15、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

16、其一，本发明通过引入过渡区流量畸变估计模型，把闸门启闭过渡区这一长期被当作噪声剔除的瞬态流量畸变在线刻画出来，填补了现有泄流调度默认每一开度下流态已稳定的空白，使下泄流量的计算从准稳态走向了对启闭运动过程的真实反映。

17、其二，本发明通过把瞬态流量偏差沿启闭过渡区的历时积分为下泄水量修正量，再将其回灌到水量平衡方程与泄流调度优化模型，使下泄水量的账目能够反映真实的下泄过程，从而消除了频繁小幅启闭情形下由微小畸变同向累积所产生的水量平衡系统性偏差，提高了生态流量跟踪与负荷跟随的水量精度。

18、其三，本发明对开启过渡区与关闭过渡区分别建模，刻画了水流惯性在开启加速与关闭减速时的非对称畸变，使一次开启与一次关闭不能相互抵消的残留偏差也能得到补偿，这一点对以小幅开闭循环为主的负荷跟随场景尤为重要。

19、其四，本发明的手段较为轻量，仅以闸门的开度、开度运动速度、加速度等运动学量以及上下游水头为输入，采用轻量回归或者小型神经网络在线估计瞬态流量偏差，计算量小，便于嵌入既有的水库调度系统而不显著增加其负担。