水资源供需过程平衡应用Simulink建模仿真的研究

1水资源供需过程平衡应用Matlab/Simulink建模仿真的研究朱光华（福建省水利水电勘测设计研究院，福建福州350001）摘要：目前国内外对水资源供需过程平衡通常是建立基于数据库系统的仿真模型，本文另辟蹊径，提出利用Matlab/Simulink仿真软件建模，可提高建模的速度和降低费用，文中阐述了基于Matlab/Simulink建立水资源供需仿真模型的关键技术问题。关键词：Matlab/Simulink；水资源供需平衡；建模仿真1引言水资源供需平衡分析计算是做好水资源规划、开发利用和管理的重要基础工作，以往经常采取供需总量平衡的方法，由于精度较粗，已越来越不适应今后工作的要求，今后水资源供需平衡不仅要分析计算总量平衡情况，更要分析计算长系列逐月（或旬）的供需平衡过程情况。针对水资源供需过程平衡，目前国内外通常的做法是针对具体流域或区域，建立基于数据库系统的水资源仿真模型，再进行水资源供需过程平衡分析计算，这是一种有效的办法，但建立模型的过程费时费力，费用也不菲，移植性和扩充性较不便，另外虽说是仿真模型，但用户看不见模型内部的结构、逻辑关系等，只能看到输出的结果，这也不能不算是一个缺憾。如能在水资源供需平衡中引入成熟仿真软件平台，则可大大提高建模的速度，降低建模的费用。经过笔者初探，利用Matlab/Simulink软件可以实现这一设想。Matlab/Simulink软件是目前国内外功能最强大的仿真软件之一，由Mathworks公司出品。Matlab是一种科学计算软件，它将高性能的数值计算和可视化集成在一起，并提供了大量的内置函数，具有开放式结构，很容易进行功能扩充；Simulink是基于Matlab的框图设计环境，可以用来对各种动态系统进行建模、分析和仿真。Matlab/Simulink广泛应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域的分析、仿真和设计工作，在航空航天动力学系统、制导系统、通讯系统、电力系统、建筑业等领域均有大量应用，但目前为止，笔者还没发现国内外有应用于水资源仿真的先例。作者简介：朱光华（1972-)，男，浙江义乌人，高级工程师，从事水利水电工程设计。Tel：[phone]手机：[phone]Email：[e-mail]22基于Simulink的水资源建模仿真关键问题信号是Simulink仿真的基础。经分析，水资源供需模型宜采用离散系统建模。长系列月（旬、日）流量看成离散信号，并且在设置系统仿真参数时，定义为离散仿真，仿真步长固定为秒，系统中的一秒等同于现实数据的一月（或一日），仿真起止时间也要与流量的个数对应。水的传输关系可由Simulink的信号线建立。水库是水资源供需系统中最常见的，由于Simulink中没有专门针对水库调度的模块，因此要采用Simulink建立水资源供需模型，关键是要建立专门的模拟水库调度子系统。模拟水库调度的方式有等流量调节方式和变流量调节方式，下面分别阐述在Simulink环境中如何建立这两种调节子系统。2.1水库等流量调节子系统所谓等流量调节，系将枯水期各月放水流量调节为等流量，适用于年内用水变化不大的情况。等流量调节计算方式使用水量差积曲线，需要知道当前时刻以后某一段时间内的流量，以便试算当前时间后某一段时间段内的调节流量，由于在Simulink中，系统是按时间步长顺序前进，当前时刻以后的信号（即数据）对系统来说是不知的，因此在Simulink中无法实现严格意义上的等流量调节计算，为此需要采取以下变通的办法。水库作为供水水源时，要求保证设计供水流量，因此，可以把等流量调节中的等流量简化为设计保证流量，然后制定水库调度图和调度规则，再按调度图进行模拟调节，其原理为：水库划成保证供水区和其它，如当前时刻水库水位处于保证供水区，按保证流量供水；如低于保证供水区，来水先补充水库蓄水保证区，再按剩余可供水量供水（也可设置成按最小流量供水）；如高于保证供水区，按加大放水流量，超出兴利库容则弃水。这种调节方式不考虑水库的用水的变化，只按水库来流量、调度规则和保证流量进行调节。按调度图调节方式只需要有水库当前流量和蓄水状态，相当于Simulink中当前输入信号和系统当前状态，就可决策放水流量，这在Simulink中是可以做到的。水库等流量调节的子系统可按下图1设计。图1水库等流量调节子系统上图中，in1表示入库流量，Vout表示水库状态，qout表示出库流量，模型有三个输入参数，分别是兴利库容，保证流量和调度区排序。兴利库容应转换成与计算时段一致，如模型采用月流量，则库容换算为m3/s·月。由于受Simulink子系统输入参数的限制，水库各个月的调度线均无法从子系统外采用数组3传输入子系统，因此只能在系统设计时固化在S－函数中，这也是Simulink在水资源仿真应用中的一个缺点。等流量调节子系统有四个输入参数，分别是兴利库容，坝址最小下泄流量和蒸发渗漏损失流量和调度区排序。其中调度区排序用于定位固化在S－函数中的具体水库的库容曲线，调度线等。2.2水库变流量调节子系统变流量调节是指水库按变化的用水流量及水库蓄水情况放水。水库库容划分成保证供水区和其它，如当前时刻水库水位处于保证供水区，则按需水流量供水；如低于保证供水区，则按水库可调流量和最小流量供水的大值供水，此时刻一般无法满足需水流量；如高于保证供水区，按加大流量放水，超出兴利库容则弃水。变流量调节子系统可按下图2设计。图2水库变流量调节子系统变流量调节子系统也有四个输入参数，分别是兴利库容，坝址最小下泄流量、蒸发渗漏损失流量及调度区排序。2.3水库调节S－函数建立上述水库调节子系统后，还需要根据水库调度规则创建水库调节S-函数。S-函数是一个单输入、单输出的模块，如果有多个输入输出的信号，则需要用Mux模块和Demux模块将输入合并或将输出分开。水库等流量调节子系统的S-函数框图见图3。S-函数的调用顺序是通过flag标志来控制的。在仿真初始化阶段，通过设置flag标志为0调用S-函数,并请求系统提供数量（包括离散状态和输入、输出个数）、初始状态和采样时间等信息。本调度S-函数的采样时间为一秒。接下来系统自动设置flag标志为3，S-函数计算模块的输出，这里必须输出流量和蓄水库容，但蓄水库容是状态参数，这里输出的蓄水库容并未使系统更新模型的状态。接下来系统自动设置flag标志为2，重新计算蓄水库容并输出库容，这时库容状态才更新。本S-函数无计算导数，系统将flag值设置为9，计算结束。4设置初始条件计算时段出库流量（flag＝3）计算时段末库容状态（flag＝2）结束（sys输出流量和蓄水库容）（sys更新库容状态）图3等流量调节子系统S-函数框图关键程序代码如下：%=============================================================================functionsys=mdlOutputs(t,x,u,vuse,qn,skno)%u输入矩阵，u(1,:)入库流量，u(2,:)库容状态。%给出各水库的调度区数据vdw=[0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;]';vup=[6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63,6.63;6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07,6.07;]';%1.时间处理ift12%本处时间以月为单位k=mod(t,12);ifk==0k=12;endelsek=t;end%2。初步计算出库流量ifxvdw(k,skno)%低于保证区skno用于定位调度线qt=u(1,1)+x-vdw(k,skno);%qt中间变量，表示入库流量减去差额流量qc后的流量ifqt=0%表示入库流量不足以满足蓄到调度区低限qout=0;elseifqtqnqout=qn;elseqout=qt;endelseifxvup(k,skno)%高于保证区5qout=qn+x-vup(k,skno);else%在保证区qout=qn;end%3。计算时段末状态并最后修正计算出库流量vt=x+u(1,1)-qout;ifvt0qout=qout+vt;ifqout0qout=0;endelseifvtvuse%末库容超出兴利库容qout=qout+vt-vuse;endsys=[x,qout];%endmdlOutputs%=============================================================================变流量调节子系统的S-函数框图与图3基本一致，不同的是计算出库流量的判别规则，这属于常规编程方法，不再赘述。3建模仿真应用实例福建某流域水资源紧缺，流域面积5600多平方公里，干流以上分成东、西溪两条支流，干流有一座控制性水闸，东溪上已有一座大型水库，并已建一座跨流域引水工程，西溪上无控制性水库。为研究该流域未来水资源供需情况，建立了基于Matlab/Simulink的水资源供需仿真模型如图4。采用该模型，可以针对多种方案进行非常快速的供需平衡仿真计算，得出缺水过程。4结论Matlab/Simulink软件是功能强大的仿真软件之一，但目前应用于水资源仿真尚无先例。通过笔者初探，把它应用于水资源供需平衡的建模仿真是可行的，并且具有建模简单，计算快速，6结构可见，扩充性强的优点，希望本文的探索有益于该软件在水资源领域得到更多的应用。限于本人经验水平，文中难免有不妥之处，敬请指正。参考文献[1]黄永安，马路，刘慧敏.MATLAB7.0/Simulink6.0建模仿真开发与高级工程应用.北京:清华大学出版社,2005年12月.[2]李颖，朱伯立，张威.Simulink动态系统建模与仿真基础.西安:西安电子科技大学出版社,2004年7月.[3]厦门市计划委员会，水利部南京水文水资源研究所.厦门市水资源合理配置与对策研究.北京:中国水利水电出版社,2001年4月.Modeling&SimulationResearchonthesupplyanddemandbalanceofwaterresourcesbasedonMatlab/SimulinkAbstract:Atpresent,thesimulationmodelisgenerallybuiltbasedondatabasesystem,whichisusedinthestudyontheprocessofthesupplyanddemandbalanceofwaterresources.Thispaperproposesanewmethod,whichismuchdifferentfromthepreviousmethods,usingMatlab/Simulinksoftwaremodeling,canincreasethespeedofmodelingandreducethecost.ThekeytechniqueproblemsofbuildingthesimulationmodelaboutthesupplyanddemandofwaterresourcesbasedonMatlab/Simulinkarediscussedinthispaper.Keywords:Matlab/Simulink;thesupplyanddemandbalanceofwaterresources;Modeling&Simulation