長江上游流域梯級水庫群聯合優化調度研究與實踐

肖舸 湯正陽

（中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

隨著我國當前流域的滾動開發和電站的陸續投產，水電站的調度運行從單一時空尺度、單目標的常規調度，向大規模、多尺度、多層次、多屬性、多目標方向聯合優化調度發展。在聯合調度運行過程中，不可避免地面臨水文情勢變化、過程不確定性增加、調度模式復雜、供需矛盾增大等諸多方面的影響和風險，存在一系列亟待解決的科學問題和技術難題，這也是現階段國內外學者研究的重點、難點和前沿問題。

目前，以三峽水庫為核心的長江上游流域水庫群初具規模，為更好利用水資源，充分發揮梯級水庫綜合效益，開展流域水庫群聯合調度研究具有重要意義。立足于實現中央提出“防洪安全、供水安全、糧食安全、經濟安全、生態安全、國家安全”的國家安全目標與《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006—2020年）》提出的國家科技創新目標，針對新形勢下梯級水庫群防洪、航運、發電、供水、生態等綜合調度面臨的各方面問題，以金沙江下游—三峽梯級水庫群為研究對象，通過研究水庫群聯合調度的關鍵技術，解決流域梯級水庫群的水庫蓄泄及河道徑流仿真、梯級流域水庫群長中短期優化調度、梯級水庫群預報及調度運行評估等技術難題。

1 長江流域水電開發情況

1949年底，全國水電裝機總量僅為36萬kW。改革開放以來，水電開發快速發展，尤其是2008年至2016年，我國水電總裝機容量從1.73億kW增長至3.38億kW，預計至2025年全國水電裝機容量達到4.7億kW[1]。詳見圖1。

圖1 中國水電歷年裝機容量變化圖

長江流域面積達180萬km2，水能資源豐富，蘊藏總量占全國的39.6%，其上游流域即宜昌以上流域約占長江全部水能資源的84%，分布有金沙江、雅礱江、大渡河、烏江和長江上游五個水電基地，技術可開發裝機容量約1.78億kW，占全國規劃的十三大水電基地的59%。各水電基地開發情況見表1。至2015年底，已建水電站裝機容量約0.9億kW，占技術可開發量約50%[2]。

2 梯級水庫群調度運行的新形勢

2.1 邊界條件發生變化

氣候變化與人類活動是導致流域邊界條件發生變化的兩大主要因素。近年來，由于人類活動導致的下墊面變化以及氣候變化引起的地表熱量平衡改變、大氣環流異常等，使降水、蒸散發、徑流、土壤水分等要素發生了改變，引起水資源在時空上的重新分配，導致水文序列產生劇烈變化，從而引發了徑流變異問題，改變了長江流域邊界條件[3]。這種變異加大了降雨、徑流的不確定性，給流域管理、調度工作造成了極大的困難。針對長江流域邊界條件變化進行科學分析，剖析其對氣候變化與人類活動響應機制，明確內在機理，以期提高長江流域降雨預報、徑流預報的準確性，意義重大。

2.2 水庫調度運行方式發生變化

截至2016年底，長江流域已建成大型水庫285座，總調節庫容1800余億m3，形成了規模極為龐大的流域梯級水庫群。目前，各水庫實際調度時，一般按照規劃設計階段制定的原則進行，而設計條件與建成后水庫運行所面對的實際外部條件有顯著差別。同時，長江上游流域各水庫歸屬關系較為復雜，呈現運行管理單位多元化態勢，水庫群在信息共享、利益分配等方面存在著較大困難與矛盾。這些問題的出現，迫使水庫調度運行方式發生了較大的變化。如何在現有形勢下，合理安排流域水庫群運行方式，科學高效進行流域水庫群管理調度，已成為水資源利用領域重要研究課題。

表1 長江上游五大水電基地開發情況

2.3 調度計算參數的變化

水電工程建設周期較長，從設計階段到最終投產運行需十年左右時間，水電站建設過程中的發電調度參數與設計階段相比往往已發生一些變化。同時，部分電站由于更新改造或擴建，特征參數變化較大。而一些運行時間較長的電站，泥沙淤積（沖刷）、機組運行工況變化等情況的出現，使得機組運行效率發生了較大變化，對水電站調度計算參數影響較大。計算參數發生變化給調度工作開展造成了極大困難，無形中降低了水電站綜合效益，增加了水電站運行安全風險，制約了精細化調度技術的進步。

3 梯級水庫群聯合調度面臨的主要問題

國家層面開展的科研課題主要立足于戰略發展的高度，側重宏觀調度策略研究和制定水量調度規則。在此框架指導下，各流域水庫管理公司開展調度實施工作，具體解決調度面臨的實際問題。以三峽集團負責管理運行的金沙江下游至三峽梯級水庫群為例，該水庫群包含了烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩等6座大型水電站，總防洪庫容376.43億m3，裝機容量超過7000萬kW，水庫群肩負著繁重的防洪、航運、泥沙、生態保護、發電等綜合任務。

三峽水庫作為長江流域的骨干性綜合控制樞紐工程，承擔任務重、約束條件多、調度管理關系復雜、協調難度大，要承擔設計防洪、航運、發電、補水、生態、庫尾拉沙、抗旱、壓咸潮、船舶施救等任務。葛洲壩是三峽樞紐的航運反調節樞紐，其庫容小、水位變化靈敏，約束嚴格，實時調度水位控制難度大。溪洛渡存在“一庫兩站兩調”、分層取水、泄洪時容易氣體過飽和等難題。向家壩泄洪設施運用復雜，泄洪易引起壩址區和周邊建筑物低頻振動問題，向家壩下游水位受其他公司電站運行影響且航運要求高、協調部門多，水位變幅控制困難，未來還有灌溉取水和升船機運行等約束。烏東德、白鶴灘接受國家電網、南方電網調度，具體方式待定。白鶴灘、溪洛渡均為高庫拱壩，拱壩的運行調度安全性要求較高。此外，金沙江下游—三峽梯級電站輸電線路長、受電區域廣，而不同區域電力交易規則各有特點且尚未固化。

梯級水庫群規模龐大，水庫間聯系緊密，調度任務復雜多樣，工程建設時間跨度長，開展聯合優化調度運行面臨的技術難度大，國內外無先例可循，缺乏統一有效、擴展性好的管理和協調決策支持系統。

4 梯級水庫群水資源管理決策支持關鍵技術研究

針對金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合調度面臨的主要問題，從水庫及河道仿真模擬、梯級水庫群優化調度、預報及調度運行評估、系統集成4個方面進行研究，最終建成梯級水庫群水資源管理決策支持系統，提高梯級水庫群聯合優化調度能力和管理決策水平，實現流域梯級電站的優化經濟調度，充分發揮水庫群的綜合效益。

4.1 近期主要研究成果

梯級水庫群調度運行研究已成為科研的熱點問題[4-6]，根據中國知網統計信息，近幾年圍繞著梯級水庫群聯合調度運行的相關研究和論文呈不斷上升的局面。國內眾多高校和研究機構，圍繞著長江流域水庫群安全運行、優化調度等研究方向，已開展了多個科研課題研究，取得了顯著成果。

國家“973”計劃項目“梯級水庫群全生命周期風險孕育機制與安全防控理論”認為，梯級水庫群安全是水電發展出現的新問題，系統規避梯級水庫群風險，成為事關經濟社會發展全局重大戰略問題之一。

“十一五”科技支撐計劃項目“特大型梯級水利水電樞紐工程建設及高效運行安全關鍵技術研究”，圍繞重大水利工程安全運行監測、診斷和預警技術、特大型水電工程施工過程事故控制及應急救援體系建立等相關內容展開了深入的研究。

“十一五”科技支撐計劃項目“湖北省區域性巨型水庫群經濟運行關鍵技術研究與應用”研究了氣象水文預報預警、巨型水庫群洪水資源調控、水電經濟運行及市場化運營效益、水庫群聯合調度自動化系統開發集成等關鍵技術。

國家重點研發計劃“長江上游梯級水庫群多目標聯合調度技術”，以長江上游干支流控制性水庫為對象，圍繞防洪、供水、生態、發電等調度重大問題和水庫群蓄水、應急調度等問題展開研究，建立水庫群系統多目標調度理論和風險評估體系，將云服務和智能調度應用于水庫聯合調度。

三峽集團開展的“三峽水庫含生態環境目標的綜合優化調度研究”，初步提出了兼顧生態環境保護的三峽水庫防洪、航運、發電綜合優化調度方案；“金沙江—溪洛渡向家壩水庫與三峽水庫聯合調度研究”指出溪洛渡、向家壩、三峽組成的巨型水庫群聯合調度綜合效益巨大，同時因溪洛渡、向家壩水庫調蓄，三峽水庫入庫水文情勢發生改變；“長江上游流域徑流特性變化分析研究”分析了長江上游流域徑流特性變化及原因，指出長江上游汛期平均流量減少，非汛期平均流量增加，大部分站點年平均流量變化不大。

4.2 梯級水庫群水資源管理決策支持關鍵技術研究

4.2.1 水庫及河道仿真模擬

長江上游流域目前已建成投產多座調節能力較強、庫容較大的巨型水庫，其運行對金沙江下游—三峽梯級水庫群入庫流量影響較大，但水庫運行信息共享機制尚不健全。隨著長江上游流域水庫數量的增多，水庫群運行時間的增長，水庫及河道的特征發生改變，導致相鄰水庫間短期出入庫流量、庫區沿程水面線、斷面水位流量等規律的持續動態變化。

為定量分析上游水庫群運行對金沙江下游—三峽梯級水庫入庫流量的影響，準確識別流域環境變化下梯級水庫群及長江上游河道的模擬參數，實現水庫群精細化調度，有必要對長江上游流域梯級水庫及河道進行仿真模擬，主要內容如下：

水庫模擬方面，搜集、整理歷史調度運行數據，定量分析上游電站長中短期調度運行規律，構建上游水庫群不同時間尺度的概化調度運行模擬模型；校核和修正金沙江下游—三峽梯級水庫調度參數，構建6座水庫的精細調度運行模擬模型；初步識別電力系統和受電區域的用電時空規律，分析不同情景下上游水庫群可能的運行策略。

河道演進模擬方面，通過機理分析、數據挖掘等方法，研究兩壩間、庫區內、河道內洪枯水傳播規律，修正兩壩間短期出入庫流量的不平衡問題；精細模擬和預測河道型水庫在動庫容影響下的庫區水面線，以及在流量劇烈變化、下游水位頂托情況下的斷面水位流量變化過程。

4.2.2 梯級水庫群優化調度研究

目前，金沙江下游—三峽梯級水庫群已初步實現聯合調度，但現有調度系統主要以溪洛渡—葛洲壩四庫的常規聯合調度為主，尚未包含烏東德和白鶴灘水庫。同時，中長期調度與短期、實時調度相對獨立，調度決策缺乏整體性與一致性。此外，現有調度系統未考慮電力市場發展形勢，隨著電力市場改革進程的加速推進，電力市場對發電計劃的影響權重勢必會大幅度提高。

針對上述問題，綜合考慮防洪、航運、生態等水資源綜合利用需求和電力市場需求，分析梯級水庫群長中短期及實時優化調度的目標函數及約束條件，分別構建各層次調度模型及嵌套耦合模型，并尋求多種快速有效的優化算法。研究滾動優化的綜合調度集成技術，研制可用于指導生產管理的水庫群長中短期優化調度模型及電站實時優化運行模型，并建立適應生產調度需求的常規調度模型，具體內容如下：

（1）廠內經濟運行

廠內經濟運行是短期優化調度的具體體現，應考慮機組運行工況、線路送出、檢修情況、電力市場需求等約束，并參考溪洛渡左、右岸電廠不同電網調度的問題，為烏東德、白鶴灘可能存在的類似問題預留可選模塊。

（2）短期優化調度

短期優化調度是中長期優化調度的具體體現，也是廠內經濟運行的控制手段，首先根據來水情況、電站特點、水庫運行、電力系統及電力市場等需求，制定計劃期的優化調度方式；同時以計劃期內的運行方式為指導，根據面臨時段及其后時段水情、負荷等信息的可能變化，實時修正原調度方式。

電力市場條件下，短期優化調度計劃分為競價階段和負荷分配執行階段，競價階段的優化目標是發電效益最大化；負荷分配執行階段，根據電網下達計劃進行廠間負荷分配，梯級水電站統一電價時以發電耗水量最小為優化目標，不同電價時以發電效益最大為優化目標。

（3）中長期優化調度

中長期優化調度是在已知梯級水庫入流過程等條件下，尋求優化準則達到極值的梯級水電站出力過程和相應的梯級水庫蓄泄狀態變化過程，具備滾動決策修正功能，從而應對汛期、消落期、蓄水期、不供不蓄期等不同時期以及不同時段內電力市場供需、預測電價。

（4）長中短期優化調度模型耦合嵌套

研究梯級水庫群不同時間尺度調度模型耦合嵌套方法，短時間尺度模型為長時間尺度模型提供反饋，長時間尺度調度模型計算結果為短時間尺度調度模型提供控制邊界條件。

4.2.3 預報及調度運行評估研究

目前預報及調度運行評價主要采用單一過程的指標評價、結果分析的單向流程，沒有進行系統評估，也未形成閉環反饋，因此無法通過評估預報模型及調度策略來提高預報調度水平。

該模塊基于長系列數據，對預報成果及梯級水庫調度的方案和結果進行集合評估，根據評估結果推薦未來時段或指定情景下的預報模型和調度方案，提出優化建議。

（1）水文預報成果評估

基于長系列徑流資料，對不同預報軟件或不同預報員的預報成果進行評定，在此基礎上提出預報軟件改進方法和適用情況，提高模型預報精度。結合集合預報成果，提出集合預報產品評價方法，并給出單一預報或集合預報結果的置信水平。

（2）梯級水庫群調度運行評估

調度方案評估后實施，實施后再進行評估和反饋。同時，在水庫群系統變化后，快速科學地評估這些變化對系統的影響，以便制定出相應的調度策略。

4.2.4 系統集成技術研究

設計和開發支撐金沙江下游—三峽梯級電站水資源管理決策支持系統的數據平臺，實現決策支持系統與三峽梯級水調自動化系統之間的數據傳輸和應用交互。根據水庫群實際調度需求及系統特點，進行仿真模擬、聯合優化、評估分析、可視化等核心應用功能模塊的集成開發，構建集模擬、評估、決策實施、反饋于一體的服務平臺；系統應具備良好的可視化，構建以用戶為中心、面向對象的人機交互界面；系統應具備良好的擴展性，能夠適應新增水庫和新增需求的變化，并提供二次開發接口。

5 聯合優化調度實踐的效益分析

表2 金沙江下游—三峽梯級電站聯合調度效益

以三峽集團已建成的溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩梯級電站為例，近幾年梯級水庫群聯合調度實踐取得了顯著效益。2014-2016年梯級電站實際運行數據（見表2）表明，通過聯合調度，金沙江下游—三峽梯級電站年均節水增發電量101.8億kW·h，年均攔蓄洪量140億m3，年均補水量達250.9億m3，三峽船閘年均貨運量1.1億t，綜合效益顯著。

近年來，長江上游流域調節能力較強的大型水庫已實行聯合防洪調度。2016年，長江流域發生自1998年以來最大洪水，國家防總、長江防總聯合調度長江上中游30余座大型水庫，共攔蓄洪水227億m3，避免了荊江河段超警和城陵磯地區分洪。2017年，為應對長江中游型大洪水，上游流域水庫群再次實施聯合調度，攔蓄洪量102.39億m3，有效減輕了中下游防洪壓力。相關研究表明，長江上游在建和已投運水庫群設計多年平均年發電量總計約為5420億kW·h，若實行聯合優化調度，按增發電量3%計算，可增發多年平均年發電量162.6億kW·h，相當于三峽電站多年平均年發電量的1/5，相當于每年減少原煤消耗751.7萬t，減少二氧化碳排放1582萬噸，減少二氧化硫排放約8.3萬t，具有顯著的生態環境效益。在解決長江上游流域調度中存在的關鍵技術問題基礎上，深入貫徹實施水庫群聯合優化調度，具有巨大的防洪、生態環境和社會經濟效益。

6 展望

長江上游流域水庫群的規模在不斷擴大，其地位和作用愈發重要。《國家發展改革委、國家能源局發布關于促進西南地區水電消納的通知指出，在保障電網安全運行的前提下，研究健全長江流域水庫群電力調度溝通協調機制；推動建立流域統一協調的調度管理機制，研究流域梯級聯合調度體制，充分發揮流域梯級水電開發的整體效益，提高市場競爭能力。

本文提出的梯級水庫水資源管理決策支持系統建設思路，在金沙江下游—三峽梯級電站應用實踐的基礎上，經過總結、提煉和持續擴展完善，可為長江流域梯級聯合調度提供有效的技術支撐和決策參考。

參考文獻：

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