李政柯 楊武 石培 李剛 趙軍 王識遠

摘 要：隨著經(jīng)濟社會不斷發(fā)展，我國能源結(jié)構(gòu)也隨著不斷變化，水電資源作為一項重要能源，其發(fā)展好壞直接關(guān)系到我國的可持續(xù)發(fā)展道路。梯級水電站作為水電的一種關(guān)鍵形式，必須對其進行發(fā)電優(yōu)化調(diào)度，從而保證水資源得到合理利用。本文主要針對梯級水電站的主要特點和未來發(fā)展方向，總結(jié)了我國的一些成果，并深入分析了其運行過程中的主要問題，通過對模型進行改進，對其進行優(yōu)化調(diào)度，提出了新的調(diào)度模型。

關(guān)鍵詞：梯級水電站；優(yōu)化調(diào)度；運行研究

我國水利資源儲量豐富，居世界前列，能源發(fā)展為整體經(jīng)濟運行提供了可靠的保證，然而能源結(jié)構(gòu)產(chǎn)業(yè)卻逐漸出現(xiàn)了一些問題，帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。水資源作為一種可再生資源，是整個能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，在整個能源平衡體系中占有重要地位。我國的水量儲備豐富，水電資源遍布全國，合理開發(fā)水電資源，度促進社會進步具有重要性意義，然而，在發(fā)展的同時也要對水資源進行合理利用。本文以梯級水電站特點為研究對象，對其進行優(yōu)化調(diào)度并逐漸應(yīng)用，對其運行研究具有很重要的意義。

1 梯級水電站優(yōu)化調(diào)度研究現(xiàn)狀

隨著水資源不斷被利用，水庫逐漸成為發(fā)展水電資源的一個重要源頭。梯級水電站一般由一條河流的水電站組成，不同水電站之間具有一定的電量和水量聯(lián)系。把水庫優(yōu)化調(diào)度由單一水庫擴展到梯級水電站，具有一定的難度，國際上相關(guān)學(xué)者對此進行了一系列研究，采用隨機動態(tài)規(guī)劃和逼近法，提出梯度動態(tài)規(guī)劃算法或遺傳算法等，來對調(diào)度規(guī)則進行優(yōu)化。我國學(xué)者在早期提出了使用遞推計算法、分解-聚合算法建立調(diào)度模型并在實例中得到了應(yīng)用，其中后者主要以時間為劃分點，對各個子系統(tǒng)進行優(yōu)化，最后聚合出最優(yōu)模型。

2 梯級水電站優(yōu)化調(diào)度存在問題和研究趨勢

雖然我國梯級水電站優(yōu)化調(diào)度取得了一定成果，但是在實際運行過程中，仍然存在很多問題。首先，數(shù)學(xué)模型和相關(guān)求解算法存在一定局限性。由于受到人們對自然的認識局限，對問題很難進行全面了解和反映；其次就是研究過程具有獨立性。在研究的過程中，只強調(diào)追求最優(yōu)解，忽視了整個系統(tǒng)的動態(tài)復(fù)雜性變化因素和其他一些因素，以相關(guān)方案決策者的主觀意識為主，只是偏重理論研究，忽視一些深層次理論和實踐，從而導(dǎo)致方案很難進行應(yīng)用。

隨著梯級水電站優(yōu)化調(diào)度的深入研究和擴展，研究方向逐步應(yīng)用到實際中，由單目標向多目標逐步轉(zhuǎn)變，并對相關(guān)算法進行了優(yōu)化，然而由于梯級水電站的優(yōu)化調(diào)度過程是一個高維非線性的過程，因此必須對其進行不斷創(chuàng)新和改進，提高計算精度。

3 梯級水電站優(yōu)化調(diào)度分類

對水電站進行自身優(yōu)化調(diào)度，就是在保證其自身調(diào)蓄能力的前提下，綜合協(xié)調(diào)環(huán)境、發(fā)電和防洪等多個部門，對天然徑流進行優(yōu)化，從而提高水庫整體效益的一種技術(shù)，其實質(zhì)就是對其供水量、蓄水量和調(diào)節(jié)方式的一種調(diào)節(jié)過程。

根據(jù)方法不同，主要分為常規(guī)調(diào)度和優(yōu)化調(diào)度。常規(guī)調(diào)度主要是以水庫調(diào)度圖為依據(jù)，根據(jù)一定調(diào)度原則，使用徑流調(diào)節(jié)和相關(guān)計算方法對水庫整個蓄泄過程進行估計。它主要是一系列調(diào)度線組成，常規(guī)調(diào)度操作簡單、方便，但是很難處理比較復(fù)雜的問題。優(yōu)化調(diào)度主要是在優(yōu)化調(diào)度的基礎(chǔ)上，以系統(tǒng)工程學(xué)為基礎(chǔ)，建立起一系列目標函數(shù)，使用現(xiàn)代計算方法和優(yōu)化方法，求解相關(guān)方程，從而得到最合適的優(yōu)化調(diào)度方式，可以提高整體經(jīng)濟效益。

水庫優(yōu)化調(diào)度模型主要由目標函數(shù)和約束條件組成，其中目標函數(shù)多種多樣，所以要根據(jù)實際情況選擇最優(yōu)。根據(jù)不同水庫的用途和不同的準則標準，選擇發(fā)電量大和成本低的書庫，對于以防洪為主的水庫，應(yīng)該以損失最小為基本原則，確定了基本原則后選取合適的目標函數(shù)。

根據(jù)目標可以分為防洪調(diào)度、興利調(diào)度和綜合調(diào)度，前兩個主要根據(jù)具體任務(wù)要求而定，綜合調(diào)度要綜合水庫的發(fā)電和蓄洪等多種任務(wù)協(xié)調(diào)而定。

根據(jù)周期主要分為中長期優(yōu)化調(diào)度和短期優(yōu)化調(diào)度。中長期優(yōu)化調(diào)度主要是根據(jù)不同的任務(wù)，估計水庫調(diào)蓄能力后，把較長時間的有效輸入，通過優(yōu)化分配到比較短的時間內(nèi)進行，它具有隨機性模型和確定性模型之分，后者能夠充分利用預(yù)報信息，方便靈活，主要包括蓄能最大模型、發(fā)電效益最大模型和發(fā)電量最大模型，發(fā)電量最大模型可以對實際水位進行探測，并根據(jù)調(diào)度結(jié)果獲得末水位；短期優(yōu)化調(diào)度主要以日為單位進行調(diào)度，周期比較段，要以水電站實際運行狀況為基礎(chǔ)，主要包括耗水量最小模型和蓄能最大模型等。

4 梯級水電站優(yōu)化調(diào)度模型

由于梯級水電站優(yōu)化調(diào)度相對來說比較復(fù)雜，受到中長期調(diào)度計劃的影響，計算因素比較多，比如水頭、流量等，上級水電站會直接影響下級水電站的運行，增加了系統(tǒng)難度，不同水電站之間容易發(fā)生水流時滯現(xiàn)象和流量坦化現(xiàn)象，約束條件比較多，受到了一定限制。其模型主要分為以下幾種：

4.1 發(fā)電量最大模型

在一定調(diào)度期內(nèi)，根據(jù)天然徑流過程和初始水位，并考慮一定限制條件，確定水庫的發(fā)電用水量和蓄水量，保證其發(fā)電量達到最大值。

目標函數(shù)：

其中：

在上式中，E代表總發(fā)電量；Ni，t代表第i水庫在第t時間的平均出力；ki為第i個水電站的綜合出力系數(shù)；Hi，t為第i水庫在第t時間的平均發(fā)電水頭；T為總時段數(shù)目；N為水電站總數(shù)。

約束條件：

（1）水位約束。水庫在運行的過程中，總蓄水量介于所允許的最大蓄水量和最小蓄水量之間。

（2）水電站出力約束。水庫在運行的過程中，水庫的出力值介于所允許的出力最大值和最小值之間。

（3）水量平衡約束?？梢杂孟率奖硎?，

即水庫末蓄水量為初蓄水量和入庫水量之和。

（4）下泄流量約束。水庫在運行過程中，水庫的泄流值介于最大泄流值和最小泄流值之間。

發(fā)電量最大模型在進行梯級水庫調(diào)度運行時，如果調(diào)度時間過段，需要考慮水流實滯問題。

4.2 梯級水庫蓄能最大模型

這種模型充分考慮了同一水量在不同情況下的能量不同，主要在一定的調(diào)度期內(nèi)，給定水庫初始水位，入庫流量以及不同時間內(nèi)的發(fā)電量，對負荷進行合理分配，降低發(fā)電用水量，提高梯級蓄能總體水平。其目標函數(shù)可以表示為：

其約束條件主要包括水位限制條件、水量平衡條件、泄流量限制條件和出力約束條件等。

4.3 耗水量最小模型

這種模型主要是以保證總發(fā)電量為基礎(chǔ)，以各水路出庫水量和最小為基本目標，給定水庫初始水位和總負荷曲線，使水電站在整個調(diào)度期內(nèi)達到最優(yōu)出力。

約束條件需滿足出力平衡方程、水量平衡方程等。

這種模型主要針對在未來某一個調(diào)度期內(nèi)，以總電量和總出力為基本要求，使用電量來對水量進行優(yōu)化，能夠達到合理分配電荷的要求，盡可能使不同梯級水電站之間的發(fā)電流量相互匹配，提高發(fā)電水頭，降低耗水率，從而提高梯級電站整體效益。此外，在建設(shè)這種模型時，要考慮費用因素。

5 優(yōu)化調(diào)度方法

水電站優(yōu)化調(diào)度方法主要分為常規(guī)方法和系統(tǒng)分析法。常規(guī)法主要包括統(tǒng)計法和時歷法，系統(tǒng)分析法主要是以全局為出發(fā)點，以整體效益為重點，包括概率模型和數(shù)學(xué)規(guī)劃兩種模式，其后者為主。數(shù)學(xué)規(guī)劃主要分為線性規(guī)劃、非線性規(guī)劃和動態(tài)規(guī)劃。概率模型主要對系統(tǒng)可靠性進行分析和模擬。本文主要以動態(tài)規(guī)劃法為例進行了探討。

所謂動態(tài)規(guī)劃法，就是按照時間和空間特點，把問題分為很多時段，把每個時段的問題組成一系列聯(lián)系的單階段決策問題，再進行求解，從而找出最優(yōu)序列。水電站優(yōu)化調(diào)度是一個多階段優(yōu)化問題過程，使用動態(tài)分析法可以對其問題進行離散，然后對子問題進行求解，水資源系統(tǒng)的隨機和非線性可以得到充分體現(xiàn)。

動態(tài)規(guī)劃法的基本思想就是以最優(yōu)決策為基礎(chǔ)，關(guān)鍵是找出遞推關(guān)系和邊界條件，把整體劃分為幾個階段，選取合適的狀態(tài)變量和決策變量，定義最優(yōu)函數(shù)進行求解的過程。作為一種多階段決策過程，這種方法能夠綜合考慮多種因素，能夠選擇最優(yōu)路徑。對梯級水電站優(yōu)化調(diào)度過程中，要綜合考慮水庫總體運行參數(shù)并進行積極改進，在動態(tài)規(guī)劃模型基礎(chǔ)上引進機組效率參數(shù)和相關(guān)損失參數(shù)，建立相應(yīng)的水頭模型和效率模型，采取合適的計算方法，對水庫實際調(diào)度能夠進行更合理優(yōu)化。

6 結(jié)語

本文針對梯級水電站優(yōu)化調(diào)度問題進行了比較深入的研究，提出了影響水電站運行的相關(guān)因素，采取相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型和數(shù)學(xué)參數(shù)對其進行合理優(yōu)化，建立起多種最優(yōu)調(diào)度模型和綜合調(diào)度模型，提高水能利用效率，實現(xiàn)效益最優(yōu)，隨著我國水電事業(yè)的不斷發(fā)展，對水電站調(diào)度進行深化研究，改善調(diào)度方案和相關(guān)研究方向，在當(dāng)前店里系統(tǒng)條件下對梯級水電站實現(xiàn)最優(yōu)化調(diào)度，是未來發(fā)展的一個重要方向和目標。

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（作者單位：雅礱江流域水電開發(fā)有限公司）