考虑径流预报及其不确定性的水电站水库调度研究

论文摘要

目前,水利科学工作者已尝试应用各种中长期径流预报方法和优化算法来解决水电站水库(群)的预报、优化调度问题,并取得了令人瞩目的研究成果。然而,由于径流及其预报的不确定性,使得一些优化调度新方法仍存在理论与应用上的问题,需要在实际的应用中进一步深入研究。为此,本文围绕如何利用中期数值降雨预报改善水电站水库中长期径流描述模型和水库(群)优化调度模型而展开,着重解决雅砻江流域水电站水库径流预报调度等问题,但对其他流域预报调度研究具有一定的借鉴作用:结合水电站运行特性,首先分析了中期数值降雨预报在中长期径流预报及水电站水库调度中的可利用性,然后深入研究了考虑径流预报及其不确定性的径流描述和优化调度模型及其应用,最后对水库群预报调度系统重构和组件化进行了研究。主要研究成果如下:(1)结合水电站运行特性,提出了一种基于决策树技术的中长期径流分级方法。该方法利用决策树技术分析二滩水电站多年的丰水期水文数据和发电调度资料,得出径流与调度决策出力之间的关系,称为径流分级决策树法。该分级方法能与实际的水电站防洪发电调度相结合,在一定程度上能反映出电站运行特性,使决策更加切合实际;与传统的径流分级方法相比,可减少弃水量,提高丰水期平均发电量。(2)结合水电站运行特性,提出美国全球预报系统GFS中期数值降水预报信息可用性的分析方法。该方法不仅从降雨自身的特性出发,而且结合水电站特性利用决策树技术来划分降雨量级,并据此分析美国全球预报系统(GFS)中期数值降雨预报可利用性,包括基于决策树技术的降雨分级方法,GFS降雨分级预报精度分析,以及GFS降雨预报信息在旬径流预报和发电调度中的应用。研究表明,该方法在一定程度上反映了水电站运行特性,而且考虑GFS降水预报信息改进了发电调度决策,可明显提高发电效益,对GFS降雨预报信息在其他流域水库中的应用具有一定借鉴作用。(3)提出了一种综合考虑径流预报及其不确定性的径流描述模型。该模型采用后验的径流状态转移概率和径流预报的可预测性概率来描述径流及其预报的不确定性。依据雅砻江流域枯、丰水期径流预报的不同特征,考虑不同预见期的流域径流预报信息,建立了符合二滩及锦屏一级～二滩梯级水电站运行特性的径流描述模型,并给出各自径流模型的水文状态变量的选择与离散,诸如先验的、后验的径流状态转移概率等条件概率的推求方法和流域总径流的分解方法等,它们对研究水电站调度模型是十分重要的。(4)建立了考虑径流预报及其不确定性的水电站水库随机动态规划调度模型。考虑径流预报及其不确定性的径流描述模型能否指导发电调度,关键在于它能否改进调度决策达到提高发电效益的目的。为此,本文以二滩水电站和锦屏一级～二滩梯级水电站为例,建立了考虑径流预报及其不确定性的水电站水库随机优化调度模型,以探讨该模型对发电优化调度的改进潜力。研究表明,考虑径流预报及其不确定性有效地改善了已有的径流描述和发电优化调度模型,能明显提高水电站发电效益。(5)引入重构和组件技术改善水库预报调度系统以适应用户功能需求变化。在水库预报调度系统的开发与应用实践中,用户会不断提出新的功能需求,因此有必要对系统进行重构和组件化研究以增强系统的复用性和扩展性。以基于图论的水库群预报调度系统为例,引入重构技术改善核心业务层,给出水库预报调度系统开发组件库Resrails,并基于Resrails实现了雅砻江流域梯级电站中长期预报调度系统。实际应用表明:基于重构和组件开发水库调度系统,可极大提高系统的复用性、扩展性和开发简易性,有利于开发人员集中精力研究水库群的预报调度模型等理论与应用。最后对全文做了总结,并对有待于进一步研究的问题进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 研究现状及发展趋势
• 1.2.1 中长期径流预报
• 1.2.2 定量降水预报及其应用
• 1.2.3 水电站水库（群）优化调度
• 1.2.4 水库群预报调度系统重构
• 1.2.5 存在的问题及发展趋势
• 1.3 论文主要研究内容
• 2 雅碧江流域概况及水库入库流量变化特性挖掘
• 2.1 雅碧江流域概况
• 2.1.1 自然地理
• 2.1.2 气象特征
• 2.1.3 水文特征
• 2.1.4 流域开发规划
• 2.2 研究对象及基本资料
• 2.2.1 二滩水电站
• 2.2.2 锦屏一级水电站
• 2.2.3 基本资料
• 2.3 水电站中长期入库径流变化特性
• 2.3.1 径流年际变化特性
• 2.3.2 径流年内变化特性
• 2.3.3 径流相关性分析
• 2.4 水电站中长期入库径流预报
• 2.4.1 年径流量预报
• 2.4.2 枯水期月径流预报
• 2.4.3 丰水期月、旬径流预报
• 2.5 基于决策树技术的中长期径流分级方法研究
• 2.5.1 决策树技术
• 2.5.2 基于决策树技术的径流分级模型结构
• 2.5.3 径流分级决策树法应用实例
• 2.5.4 基于径流分级决策树法和保证率法的发电调度规则提取
• 2.6 小结
• 3 GFS中期数值降水预报信息的可利用性分析
• 3.1 引言
• 3.2 美国全球预报系统
• 3.2.1 美国全球预报系统简介
• 3.2.2 GFS降水预报下载读取
• 3.3 GFS降雨分级预报精度分析
• 3.3.1 基于决策树技术的中长期降雨分级方法
• 3.3.2 GFS降雨分级预报精度分析结果
• 3.4 GFS降雨预报信息在丰水期旬径流预报中的应用
• 3.4.1 旬径流定量预报
• 3.4.2 旬径流分级预报
• 3.5 丰水期旬径流分级预报在水电站调度中的应用
• 3.6 小结
• 4 一种综合考虑径流预报及其不确定性的径流描述模型
• 4.1 引言
• 4.2 马尔柯夫过程介绍
• 4.2.1 马尔柯夫链定义
• 4.2.2 马氏链适用条件
• 4.3 考虑径流及其预报不确定性的径流描述模型的建立
• 4.3.1 径流自身的随机性
• 4.3.2 径流预报的不确定性
• 4.3.3 后验的径流状态转移概率
• 4.3.4 径流的可预测性概率
• 4.4 二滩水电站入库径流描述模型
• 4.4.1 水文状态变量选择
• 4.4.2 水文状态变量离散
• 4.4.3 先验的径流状态转移概率推求
• 4.4.4 后验的径流状态转移概率推求
• 4.5 锦屏一级～二滩梯级水电站入库径流描述模型
• 4.5.1 水文状态变量选择及离散
• 4.5.2 流域总径流的分解方法
• 4.5.3 条件概率推求
• 4.5.4 流域总径流量分解
• 4.6 小结
• 5 考虑径流预报及其不确定性的水电站优化调度模型研究
• 5.1 引言
• 5.2 典型随机动态规划模型
• 5.3 二滩水电站中长期优化调度
• 5.3.1 二滩水电站优化模型目标函数及约束条件
• 5.3.2 逆序递推方程的建立
• 5.3.3 其他随机动态规划模型
• 5.3.4 模型递推终止条件
• 5.3.5 历史径流模拟优化调度
• 5.3.6 结果与讨论
• 5.4 锦屏一级～二滩梯级水电站中长期优化调度
• 5.4.1 锦屏一级～二滩梯级水电站优化调度建模思想
• 5.4.2 目标函数和约束条件
• 5.4.3 逆序递推方程的建立
• 5.4.4 历史径流模拟优化调度
• 5.4.5 结果与讨论
• 5.5 小结
• 6 基于重构和组件的水库预报调度系统开发研究
• 6.1 引言
• 6.2 基于图论的水库群预报调度系统
• 6.3 软件重构理论概述
• 6.3.1 重构动机和原则
• 6.3.2 重构策略
• 6.4 系统业务层重构研究
• 6.4.1 业务逻辑层
• 6.4.2 流程逻辑层
• 6.4.3 已有子系统集成
• 6.4.4 重构后业务层应用实例
• 6.5 水库群预报调度系统开发组件库
• 6.6 基于Resrails开发的雅碧江流域梯级电站中长期预报调度系统
• 6.6.1 系统的总体结构
• 6.6.2 系统的功能及子系统设计
• 6.6.3 系统开发的关键技术
• 6.6.4 系统的实现与应用
• 6.7 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间参加课题和发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介