董旭龍，路 建，王二朋，趙 鈺，馬保東

（1.河北張河灣蓄能發(fā)電有限責任公司，河北 石家莊 050300；2. 三峽梯級水利樞紐梯級調(diào)度中心，四川 成都 610041）

1 前言

水庫優(yōu)化調(diào)度研究的意義就是水庫在優(yōu)化調(diào)度理論的基礎上，通過合理的調(diào)度，能實現(xiàn)防洪、興利、航運等綜合效益的最大化。長距離超高壓輸電技術的迅速發(fā)展，使得跨流域、跨省、跨區(qū)域的水庫聯(lián)合調(diào)度成為可能。研究大規(guī)模水電站水庫群的聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度問題，綜合考慮多個部門的用水需求，構建合理的數(shù)學模型對其進行數(shù)學描述，尋求在求解精度和速度上滿足需求的求解算法，成為學術界研究的熱點。

在生產(chǎn)實踐方面，實施水電站水庫群的聯(lián)合調(diào)度，通過統(tǒng)一管理和合理調(diào)配水資源的時空分配，有利于水資源的綜合利用和利用效率，有利于保障供水、防洪、航運等社會效益，有利于改善水質(zhì)、植被、環(huán)境等生態(tài)功能。通過水庫群的聯(lián)合調(diào)度，不但能夠發(fā)揮水庫之間的水文補償效益，電站之間的電力補償，而且由于各庫的調(diào)節(jié)性能不同還可獲得庫容補償效益，對減少溫室氣體排放、改善人類的生活環(huán)境、緩解能源危機都也具有較強的現(xiàn)實意義。

2 水庫聯(lián)合調(diào)度模型研究動態(tài)

水庫調(diào)度研究熱點先后經(jīng)歷了“單庫常規(guī)”、“單庫優(yōu)化”、“庫群常規(guī)”及“庫群優(yōu)化”幾個階段，這是隨著計算機科學技術的發(fā)展和現(xiàn)實問題復雜度的增加而決定的。根據(jù)調(diào)度對象、研究方法、運行時間和空間等不同，水庫調(diào)度有許多分類，但無論何種類型，其均可大致可分為模型建立和算法求解兩大環(huán)節(jié)，現(xiàn)在主要針對模型建立方面展開探索研究。

水庫調(diào)度模型是庫群系統(tǒng)各元素及輸入輸出等通過一定簡化和假定后的完整數(shù)學描述，通常由目標函數(shù)和約束條件兩部分組成。其中目標函數(shù)一般以效益或費用形式表達，有單目標和多目標之分，與所選最優(yōu)化準則有關；約束條件則反映各種設備能力和運行的各種限制要求，一般有水庫蓄水量或水位、泄流能力、電站裝機容量、水庫及下游防洪要求及水量電量平衡等限制。對于水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型，目前國內(nèi)外研究較多的主要可從以下幾方面概括：

（1）根據(jù)調(diào)度對象及研究問題側(cè)重點的不同，所選優(yōu)化準則、模型目標函數(shù)和約束條件組合不盡相同。

水庫根據(jù)承擔任務主次不同，其調(diào)度問題可分為發(fā)電、防洪、灌溉、供水、航運、生態(tài)、泥沙、防凌調(diào)度等。其中發(fā)電、灌溉、供水調(diào)度一般是主要興利對象，防洪調(diào)度則是各水庫汛期的主要任務。對于具有綜合利用的水庫往往是以上多種調(diào)度的綜合，即多目標調(diào)度，一般選擇其中一種作為基本目標，對于其他目標則主要通過在調(diào)度過程中給定約束條件來實現(xiàn)。高仕春等[1]為計算三峽和清江兩梯級水庫聯(lián)合調(diào)度的補償效益及為流域管理模式提供的決策依據(jù)，以發(fā)電量和保證出力最大為目標，建立了梯級單獨和系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)度的優(yōu)化數(shù)學模型。Arvanitidis等提出聚合分解法計算水庫群調(diào)度的最優(yōu)月發(fā)電量，并以太平洋西北地區(qū)大型的電力系統(tǒng)為例與當時正在使用的曲線運行方式相比較，在經(jīng)濟和運轉(zhuǎn)模式上都有了較大改善。隨著電力市場的開放和分時電價制度的實施，許多學者建立了基于豐枯、峰谷分時電價的水庫優(yōu)化調(diào)度模型。馬光文等[2]以四川省紫坪鋪水庫為研究對象，提出了考慮豐枯分時電價的綜合利用水庫水電站長期優(yōu)化運行模型。歐述俊[3]考慮電廠作為一個企業(yè)追求的是發(fā)電效益最大，提出了考慮峰谷電價因素的水庫發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型。在多目標優(yōu)化調(diào)度方面，杜守建等[4]對尼山水庫建立了以凈效益、發(fā)電量、供水量和供水保證率最大為目標的調(diào)度模型，采用分析取舍、目標轉(zhuǎn)化、模型聯(lián)解的方式及一定的算法對其多目標調(diào)度進行了求解。

（2）根據(jù)來水條件描述不同，可將模型分為確定性（也稱隱隨機）和隨機性（也稱顯隨機）來水條件下的水庫優(yōu)化調(diào)度模型。

由于未來調(diào)度期內(nèi)水庫及區(qū)間來水不能預先確切得知，對于入庫徑流就有確定性和隨機性描述之分。其中確定性描述是指某一確定時刻相應的徑流量是一確定值，包括歷史徑流過程、人工生成徑流序列及未來預報徑流過程；隨機性描述則是將入庫徑流過程視為以年為周期的隨機過程，包括獨立隨機序列、馬爾可夫過程及混合隨機描述。徑流輸入描述的不同直接導致了模型結構及求解的差異。

1）確定性優(yōu)化模型：其核心是間接考慮徑流的隨機特性，將確定性徑流過程作為模型輸入，再運用一定優(yōu)化方法求解，這是目前絕大多數(shù)水庫調(diào)度問題研究所采取的方式。1971年，Heidari等以已知來水的四個水庫應用離散微分動態(tài)規(guī)劃法進行優(yōu)化調(diào)度計算，該法對每一步迭代進行局部改進，并將迭代結果作為下一步的初始軌跡，不僅可以節(jié)省計算時間同時節(jié)省了計算空間所占內(nèi)存，但該法僅限于應用到確定性來水水庫。

2）隨機性優(yōu)化模型：其采用隨機過程描述水庫來水，假定入流具有年周期性，水庫調(diào)度也具有年周期性，此對多年調(diào)節(jié)水庫也不盡適用。當入庫徑流作為隨機過程描述時，水庫蓄水狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程屬于無后效性的馬爾科夫過程，故當前主要的隨機優(yōu)化模型就是馬爾科夫決策規(guī)劃，其用兩種不同的時間尺度來分析馬爾科夫過程。馬躍先等[5]根據(jù)鲇魚山水庫優(yōu)化調(diào)度中優(yōu)化目標和部分約束無清晰界限難以給出明確描述的特點，將目標、約束模糊化，建立了鲇魚山水庫模糊馬爾科夫決策規(guī)劃模型。

2000年，Peng和Buras針對水庫系統(tǒng)運行需要的各種水文信息，主要是流量數(shù)據(jù)，提出降雨徑流模型預測以解決流量測量數(shù)據(jù)不可用或不足問題，將廣義梯度下降算法應估算多水庫系統(tǒng)庫存和入流，成功應用于美國緬因州的水庫系統(tǒng)。2004年，Mousavi采用模糊邏輯的概念采用內(nèi)點算法，考慮水文變量的隨機性和不經(jīng)確定，通過將隨機水文狀態(tài)變量定義一個模糊馬爾科夫鏈的計算，并將該模糊隨機動態(tài)規(guī)劃應用在伊朗中部Zayandeh-Rud 流域水庫系統(tǒng)，結果顯示該法對控制系統(tǒng)性能有很大提高。Turgeon等在考慮河流流量的隨機性，提出確定水庫以周時間段的中長期運行優(yōu)化調(diào)度方法。該法是在Howson提出的逐步優(yōu)化原理基礎上加強并應用到求解并聯(lián)水庫群發(fā)電優(yōu)化問題中，得到優(yōu)化發(fā)電量較為滿意。1992年，Karamouz、Vasiliadis提出貝葉斯隨機動態(tài)規(guī)劃法（BSDP），將入流、存儲、預測作為狀態(tài)變量，將河流流量滯后看成離散馬爾科夫過程，使用貝葉斯決策理論通過更新現(xiàn)有概率后驗概率來迎合新信息，以降低自然和預測的不確定性的影響，從而產(chǎn)生最優(yōu)的水庫運行調(diào)度準則，成功的克服徑流不確定性對水庫優(yōu)化調(diào)度帶來的負面影響。

（3）根據(jù)調(diào)度運行時間的不同，中長期、短期和實時運行調(diào)度所面臨的調(diào)度任務不同，從而所建立模型的目標及約束考慮也不同。

中長期調(diào)度的任務是將一定時期（季、年及多年）內(nèi)的有限輸入優(yōu)化分配到較短時段（月、旬），制定出各電站中長期最優(yōu)運行方式。實時調(diào)度則是對系統(tǒng)分配給電站的有功和無功負荷或發(fā)電流量，考慮機組特性與啟停次序約束集等限制，確定工作機組的最優(yōu)臺數(shù)、機組及機組間負荷的最優(yōu)分配，從而使水電站總發(fā)電耗流量最小或總出力最大。在約束方面，相比短期和實時調(diào)度，中長期調(diào)度因時段較長，受出入庫流量均化的影響，其一般不考慮徑流滯時、水庫泄流能力、機組耗流特性、水位變幅等約束。

1987年，董子敖等人針對計入徑流時空相關的梯級長期調(diào)節(jié)水庫群優(yōu)化調(diào)度問題提出多目標優(yōu)化的多層次法，應用到某梯級水庫優(yōu)化計算得到了較為滿意的結果，經(jīng)濟效益顯著，同時節(jié)省了大量的時間和計算機占用內(nèi)存。

（4）對于水電站群聯(lián)合發(fā)電調(diào)度，考慮其在整體電力系統(tǒng)中涉及時空范圍、已知條件和信息等情況的不同，從而有純水電和水、火、風、核電及太陽能等多電源耦合系統(tǒng)下電站群聯(lián)合調(diào)度的不同課題及相應模型。

1）純水電系統(tǒng)調(diào)度。當電力系統(tǒng)供電緊張，系統(tǒng)所有火電廠都以最大可用容量或可調(diào)容量工作，或水電站承擔負荷不受系統(tǒng)限制時，可將各水電站視為純水電系統(tǒng)，以調(diào)度期內(nèi)系統(tǒng)各水電站總發(fā)電量或總發(fā)電效益最大為優(yōu)化準則，建立數(shù)學模型，此種方式最為普遍。另外，由于某些原因電力系統(tǒng)已給定水電站調(diào)度期總負荷時，也可將各電站視為總負荷已知的純水電系統(tǒng)。在這種情況下采用水電系統(tǒng)在調(diào)度期總輸入能最小、總能量損失最小、調(diào)度期末各水庫蓄水量最大或總蓄能最大的優(yōu)化準則，建立相應數(shù)學模型。

2）多電源耦合系統(tǒng)調(diào)度。在水、火電混合電力系統(tǒng)中，常采用所有火電廠在計算期總?cè)剂腺M用或標準燃料消耗量最小為優(yōu)化準則建立相應數(shù)學模型，采用一定的優(yōu)化方法制定和實現(xiàn)水電站、火電廠之間的聯(lián)合最優(yōu)運行調(diào)度方式，即各水電站、火電廠彼此在整個調(diào)度期的系統(tǒng)負荷分配方式及最優(yōu)運行方式。

3 總結和歸納

由上述國內(nèi)外研究進展可以看出，大量的新理論都運用到了梯級水電站及其相關調(diào)度研究中。在解決一些傳統(tǒng)方法存在的缺陷問題同時也忽略或帶來了一些突出的問題。主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）來水預測問題。對于中長期優(yōu)化調(diào)度來說，徑流來水的不確定性和隨機性是最突出的問題之一，梯級水庫聯(lián)合調(diào)度大部分采用的是確定來水情況下的優(yōu)化調(diào)度，目前求解確定性入庫流量的方法主要為利用歷史徑流資料的歷時法，以此為基礎，對水庫開展優(yōu)化調(diào)度。但不確定性來水的，來水預報準確性不高，加上如何結合已有的歷史徑流資料、水庫優(yōu)化調(diào)度理論，從而研究預測長期調(diào)度時的入庫徑流，以提高預報準確度，對水庫優(yōu)化調(diào)度的發(fā)展將是一項重大推動，是一個值得研究的課題。

（2）梯級水庫群維數(shù)災問題。如何通過降維或者避免梯級水庫群的“維數(shù)災”一直是梯級水庫群研究的熱點和難點。雖然已有很多的方法可以用于求解梯級水庫群，但是往往未從庫群模型本身進行降維分析，而是借助于算法的性能。今后這一方面的研究仍是非常重要。

（3）長短期優(yōu)化調(diào)度相結合問題。對于梯級水庫群，實際運行中通常需要短期及中長期優(yōu)化調(diào)度相結合聯(lián)合調(diào)度，在研究長期優(yōu)化調(diào)度時，應進一步研究短期和實時優(yōu)化調(diào)度，使水庫優(yōu)化調(diào)度的理論和實際相結合，讓理論更好的為實際發(fā)揮作用。

（4）收斂精度和收斂條件問題。在優(yōu)化過程中，收斂精度和收斂條件的設定是直接關系到計算結果準確性和可靠性的評判標準，雖然目前已經(jīng)有較大的提高，但是對于不同的方法，收斂精度仍然是讓人困擾的難題。