梯級水電站優化調度運行研究

李政柯 楊武 石培 李剛 趙軍 王識遠

摘 要：隨著經濟社會不斷發展，我國能源結構也隨著不斷變化，水電資源作為一項重要能源，其發展好壞直接關系到我國的可持續發展道路。梯級水電站作為水電的一種關鍵形式，必須對其進行發電優化調度，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展方向，總結了我國的一些成果，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，對其進行優化調度，提出了新的調度模型。

關鍵詞：梯級水電站；優化調度；運行研究

我國水利資源儲量豐富，居世界前列，能源發展為整體經濟運行提供了可靠的保證，然而能源結構產業卻逐漸出現了一些問題，帶來了嚴峻的挑戰。水資源作為一種可再生資源，是整個能源結構的重要組成部分，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，合理開發水電資源，度促進社會進步具有重要性意義，然而，在發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，對其進行優化調度并逐漸應用，對其運行研究具有很重要的意義。

1 梯級水電站優化調度研究現狀

隨著水資源不斷被利用，水庫逐漸成為發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系。把水庫優化調度由單一水庫擴展到梯級水電站，具有一定的難度，國際上相關學者對此進行了一系列研究，采用隨機動態規劃和逼近法，提出梯度動態規劃算法或遺傳算法等，來對調度規則進行優化。我國學者在早期提出了使用遞推計算法、分解-聚合算法建立調度模型并在實例中得到了應用，其中后者主要以時間為劃分點，對各個子系統進行優化，最后聚合出最優模型。

2 梯級水電站優化調度存在問題和研究趨勢

雖然我國梯級水電站優化調度取得了一定成果，但是在實際運行過程中，仍然存在很多問題。首先，數學模型和相關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，只強調追求最優解，忽視了整個系統的動態復雜性變化因素和其他一些因素，以相關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，從而導致方案很難進行應用。

隨著梯級水電站優化調度的深入研究和擴展，研究方向逐步應用到實際中，由單目標向多目標逐步轉變，并對相關算法進行了優化，然而由于梯級水電站的優化調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新和改進，提高計算精度。

3 梯級水電站優化調度分類

對水電站進行自身優化調度，就是在保證其自身調蓄能力的前提下，綜合協調環境、發電和防洪等多個部門，對天然徑流進行優化，從而提高水庫整體效益的一種技術，其實質就是對其供水量、蓄水量和調節方式的一種調節過程。

根據方法不同，主要分為常規調度和優化調度。常規調度主要是以水庫調度圖為依據，根據一定調度原則，使用徑流調節和相關計算方法對水庫整個蓄泄過程進行估計。它主要是一系列調度線組成，常規調度操作簡單、方便，但是很難處理比較復雜的問題。優化調度主要是在優化調度的基礎上，以系統工程學為基礎，建立起一系列目標函數，使用現代計算方法和優化方法，求解相關方程，從而得到最合適的優化調度方式，可以提高整體經濟效益。

水庫優化調度模型主要由目標函數和約束條件組成，其中目標函數多種多樣，所以要根據實際情況選擇最優。根據不同水庫的用途和不同的準則標準，選擇發電量大和成本低的書庫，對于以防洪為主的水庫，應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。

根據目標可以分為防洪調度、興利調度和綜合調度，前兩個主要根據具體任務要求而定，綜合調度要綜合水庫的發電和蓄洪等多種任務協調而定。

根據周期主要分為中長期優化調度和短期優化調度。中長期優化調度主要是根據不同的任務，估計水庫調蓄能力后，把較長時間的有效輸入，通過優化分配到比較短的時間內進行，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報信息，方便靈活，主要包括蓄能最大模型、發電效益最大模型和發電量最大模型，發電量最大模型可以對實際水位進行探測，并根據調度結果獲得末水位；短期優化調度主要以日為單位進行調度，周期比較段，要以水電站實際運行狀況為基礎，主要包括耗水量最小模型和蓄能最大模型等。

4 梯級水電站優化調度模型

由于梯級水電站優化調度相對來說比較復雜，受到中長期調度計劃的影響，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，增加了系統難度，不同水電站之間容易發生水流時滯現象和流量坦化現象，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 發電量最大模型

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

目標函數：

其中：

在上式中，E代表總發電量；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；Hi，t為第i水庫在第t時間的平均發電水頭；T為總時段數目；N為水電站總數。

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。

發電量最大模型在進行梯級水庫調度運行時，如果調度時間過段，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，主要在一定的調度期內，給定水庫初始水位，入庫流量以及不同時間內的發電量，對負荷進行合理分配，降低發電用水量，提高梯級蓄能總體水平。其目標函數可以表示為：

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電量為基礎，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，使水電站在整個調度期內達到最優出力。

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度期內，以總電量和總出力為基本要求，使用電量來對水量進行優化，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電流量相互匹配，提高發電水頭，降低耗水率，從而提高梯級電站整體效益。此外，在建設這種模型時，要考慮費用因素。

5 優化調度方法

水電站優化調度方法主要分為常規方法和系統分析法。常規法主要包括統計法和時歷法，系統分析法主要是以全局為出發點，以整體效益為重點，包括概率模型和數學規劃兩種模式，其后者為主。數學規劃主要分為線性規劃、非線性規劃和動態規劃。概率模型主要對系統可靠性進行分析和模擬。本文主要以動態規劃法為例進行了探討。

所謂動態規劃法，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系的單階段決策問題，再進行求解，從而找出最優序列。水電站優化調度是一個多階段優化問題過程，使用動態分析法可以對其問題進行離散，然后對子問題進行求解，水資源系統的隨機和非線性可以得到充分體現。

動態規劃法的基本思想就是以最優決策為基礎，關鍵是找出遞推關系和邊界條件，把整體劃分為幾個階段，選取合適的狀態變量和決策變量，定義最優函數進行求解的過程。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，能夠選擇最優路徑。對梯級水電站優化調度過程中，要綜合考慮水庫總體運行參數并進行積極改進，在動態規劃模型基礎上引進機組效率參數和相關損失參數，建立相應的水頭模型和效率模型，采取合適的計算方法，對水庫實際調度能夠進行更合理優化。

6 結語

本文針對梯級水電站優化調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因素，采取相應的數學模型和數學參數對其進行合理優化，建立起多種最優調度模型和綜合調度模型，提高水能利用效率，實現效益最優，隨著我國水電事業的不斷發展，對水電站調度進行深化研究，改善調度方案和相關研究方向，在當前店里系統條件下對梯級水電站實現最優化調度，是未來發展的一個重要方向和目標。

參考文獻

[1]段云輝.小型梯級水電站優化調度運行研究[D].鄭州大學，2014.

[2]張睿.流域大規模梯級電站群協同發電優化調度研究[D].華中科技大學，2014.

[3]袁寶招.梯級水電站短期優化調度研究[D].昆明理工大學，2003.

（作者單位：雅礱江流域水電開發有限公司）