金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統研究

徐楊 汪永怡 杜康華 楊旭

摘 要：為充分發揮金沙江下游—三峽梯級水庫群的巨大綜合效益，需建立決策支持系統以提高梯級水庫群調度管理水平和決策效能。分析了建設金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合調度決策系統的必要性和可行性，對決策支持系統的結構、需重點解決的問題及所采用的技術手段展開了研究，提出了決策支持系統軟件的設計思路，可為金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度管理決策提供技術支持和參考。

關鍵詞：水庫群;優化調度;決策支持系統

中圖法分類號：TV697.1? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0106

水庫群聯合優化調度一直是水資源管理領域的重要研究熱點。由于入庫徑流的隨機性，決策過程的動態性、實時性，系統的非線性，以及管理的多目標性，使得水庫群聯合調度決策過程非常復雜，僅依靠個人能力對水庫群優化調度做出正確的決策十分困難。另一方面，科學家們已建立了較完善的經驗模型、物理模型和數學模型來模擬流域水文過程、水庫調度效益及影響等問題，而這些是管理者決策過程中所需的重要信息。為建立決策者與科學家之間的橋梁，Fedra[1]首先將決策支持系統的思想引入到水資源管理中。

所謂決策支持系統是以運籌學、控制論和行為科學為基礎，其主要特點是能夠解決復雜的非結構化和半結構化問題，重點是定量模型應用、數據分析和為決策者提供決策依據[2]。而梯級水庫群聯合優化決策支持系統就是將水庫群聯合優化調度涉及的決策問題通過建立的模型進行定量表達，使水資源管理決策者在科學的基礎上把握決策過程，從而提高決策的效能，最大程度發揮流域水庫群的綜合效益。

1 聯合優化調度決策支持系統建設的必要性和可行性

1.1? ? 必要性

金沙江下游—三峽梯級水庫群是長江流域最大的水庫群，包含烏東德至葛洲壩等6座巨型水電站水庫。目前，溪洛渡、向家壩、三峽、葛洲壩水電站已經全面投入運行，烏東德、白鶴灘水電站將分別于2020年、2021年蓄水運用，金沙江下游—三峽梯級水庫群總裝機容量將超過7 000萬kW、年均發電量超過3 000億kW·h，裝機容量和年發電量均居世界水電行業首位。金沙江下游—三峽梯級水庫群擔負著防洪、發電、航運、供水、生態環境保護等多項功能，綜合利用要求高、電網拓撲結構復雜，是典型的多目標、非線性、隨機動態系統。

為解決金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度面臨的長距離河道演算、大面積流域水雨情預報、實用的多庫多目標聯合優化調度算法、調度效果評價等關鍵科學問題和工程應用技術瓶頸，急需一套梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統，為決策提供合理建議和科學依據。

另外，隨著計算機技術發展與實際需求增加，現有的水庫調度應用系統已不能滿足電力系統改革和生產管理的需求，原因如下：①已有水庫調度系統多是針對流域上單個水庫開發的，每個系統控制的是局部范圍，很難進行流域梯級水庫群聯合優化調度。②少量水庫調度系統只能完成溪洛渡—葛洲壩四庫的常規聯合調度計算及中短期優化調度計算，不具備中長期優化調度計算功能，更無法進行梯級水庫群調度效益評價分析。③受當時所采用開發框架與技術的限制，現有水庫調度系統的技術更新、功能升級和調度方案擴充十分困難。

因此，為了給水資源管理決策者提供最優的調度決策方案，提高梯級水庫群管理水平，充分發揮金沙江下游—三峽梯級水庫群的巨大綜合效益，研制方便、快捷、準確的水庫群聯合優化調度決策支持系統成為當務之急。

1.2? ? 可行性

梯級水庫群聯合優化調度研究源于歐美工業發達國家，我國也于20世紀80年代開始水庫群多目標優化調度方面的研究。目前，國內外學者和研究機構在流域水文特性分析與預報、梯級水電站發電、防洪及生態調度、水庫群多目標優化調度，跨電網、區域聯合優化運行等方面都有深入的研究并建立了相應的理論體系。

國內外梯級調度機構在流域梯級水庫群調度管理技術方面也積累了成功經驗。對于金沙江下游—三峽梯級水庫群，目前已建成了覆蓋長江上游流域的水情遙測系統，長江上游水庫群信息共享系統正不斷推進，跨區域的梯級水庫調度自動化系統和監控系統已形成并得到充分利用，多年的三峽—葛洲壩梯級以及溪洛渡—三峽梯級聯合優化調度的經驗技術和取得的巨大效益，也為金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度決策系統提供保障。

水庫群聯合優化調度模型和工程應用系統的研發一直受國內外梯級調度機構重視，然而現階段較為成熟的應用系統均以國外為主。有影響力且應用較廣的產品有丹麥水力研究所（DHI）的MIKE11，美國陸軍工程兵團的ResSim，喬治亞理工的水資源管理決策支持系統（GTDSS）等。對于復雜系統針對性開發的應用產品有加州伯克利分校研究教育中心為加州水資源管理開發的CalSim。該系統包括了加州所有州屬和聯邦政府所屬的20多個水庫和北水南調設施，主要功能有短期運行和中長期調度方案模擬，采用的優化算法是線性規劃。田納西流域機構（TVA）開發的RiverWare也是針對所屬的田納西河十幾個水庫開發的生產調度系統，包括預報、中長期短期調度及實時控制模型。國外的應用系統將具有普適性的算法都固化成通用模塊，可針對不同的應用對象和特殊要求進行二次開發。

因此，基于國內外理論研究成果以及國外先進的水庫群聯合優化調度應用系統，結合三峽—葛洲壩和溪洛渡—三峽梯級水庫的聯合調度技術經驗，開發金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度決策系統是可行的。

2? ?聯合優化調度決策支持系統設計

2.1? ?系統目標

圍繞長江上游水電綠色發展的重大戰略需求，解決金沙江下游—三峽梯級水庫群防洪、航運、發電、供水、生態等綜合調度存在的技術難題，研制快速有效的水資源模擬、優化及評估模型，建立梯級水庫群聯合優化調度決策系統，逐步形成滿足不同決策時段和需求的水資源管理機制，為長江流域的水資源配置、水庫及電力生產調度等工作和決策提供技術支持。

2.2? ?系統結構及功能

根據金沙江下游—三峽梯級水庫聯合優化調度特點及任務，決策支持系統以水庫及河道仿真模擬研究為基礎，圍繞梯級水庫群優化調度、預報及調度運行評估兩大焦點問題，開展方法研究和技術攻關，以系統集成為手段，開發能應用于生產實踐的金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統。

系統主要分為水庫及河道仿真模擬、梯級水庫群優化調度模型、預報及調度運行評估、梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統軟件四大部分，系統邏輯結構如圖4。

2.2.1? 水庫及河道仿真模擬

水庫及河道仿真模擬是梯級水庫聯合優化調度的水文基礎和技術支撐，主要研究梯級水庫群調蓄下的徑流變化特性以及水庫群調控方式與匯流過程的響應—反饋機制，以提高水庫及河道徑流模擬計算精度、速度。

該系統重點解決以下問題：①長江上游控制性水庫調度運行規則的模擬;長江上游水庫群調蓄對金沙江下游—三峽梯級水庫群調度運行的影響分析。②建立快速有效的河道徑流演算模型，分析金沙江下游—三峽梯級水庫群中兩壩間徑流的傳播規律及水量不平衡問題。③梯級水庫實時調度的仿真模擬，實現給定調度方案和調度策略后，梯級電站的調度計算及庫區水面線、下游控制斷面水位變化情景的模擬。

所采用的技術手段為：利用大數據分析等數據挖掘技術，識別梯級水庫群建設運行對徑流影響的關鍵因子，分析、預測長江上游控制性水庫的蓄泄規律。基于規則擬定、水動力學、機器學習等方法，建立水庫、河道仿真模擬模型，研究指定運行方式下的流域梯級水庫聯合運行情景及相應的調度影響分析，解決實時調度中兩壩間水量不平衡問題，提高水庫的水位和流量實時調控能力，保證不同時間尺度優化計算中入庫流量的一致性。

2.2.2? ? 梯級水庫群優化調度模型

梯級水庫群優化調度模型是決策支持系統的核心模塊，主要研究和建立可指導生產管理的金沙江下游—三峽梯級水庫群優化調度模型，以提高梯級水庫群的科學調度水平及綜合效益。

該系統重點解決問題以下問題：①構建分別面向不同層面的長中短期及實時優化調度模型;分析中長期、短期及實時控制模型的層次關系，研究以分層互饋關系為基礎的、能滾動優化的綜合調度集成技術。②建立快速有效的優化算法，包括對各層次的調度模型采用不同優化算法，提高計算效率。

所采用的技術手段為：結合綜合調度需求、電網約束及電力市場改革，理清約束條件，構建滿足其他綜合利用需求條件下的以發電量最大或發電效益最高為目標的優化調度函數。長中短期及實時優化模型采用分層互饋結構（見圖5），模型之間的信息相互傳遞，保證決策的一致性。每層模型的約束及重點又有差別，反映不同層面決策機構側重點不同。模型建立的順序為短期到長期。實際應用時的順序則相反，為長期到短期。中長期優化模型的決策引擎包括各種先進優化算法和規則控制多種選擇，實時優化模型采用動態規劃算法。

2.2.3? ? 預報及調度運行評估模型

預報及調度運行評估模型主要研究和建立水文預報和梯級水庫調度效果評估的數學模型，以科學評價梯級水庫群調度的效果。

該系統重點解決以下問題：①預報成果評估修正，建立實時預報修正方法，推求集合預報成果，提高預報水平。②梯級水庫群調度運行評估，分析系統結構和調度規則變化相應的效益增量并推薦優化調度方案;分析梯級水庫群中各水庫的貢獻，厘清綜合調度效益中的人為與自然因素影響，以確定利益分配機制。

所采用的技術手段為：利用可靠性、相關系數、不確定性等指標對歷史水文預報成果進行評估分析，建立預報評估模型;根據評估結果，分析預報修正手段，并將水文預報單一成果推求至集合成果，作為優化調度模型的輸入。以中長期優化調度模型為基礎，建立評估模型;利用長系列歷史資料，在給定的綜合利用約束條件下，按照實際調度運行方式，逐時段地自動模擬系統的演變過程，記錄感興趣的系統表現參數（水位，流量，發電量，供水保證率，生態約束保證率等）并進行統計分析，得出影響結論，推導適應性調度規則。評估分析通過比較多種待評估方案和基準方案來研究系統的變化。

2.2.4? ? 梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統軟件

梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統軟件是以上述研究的理論成果為基礎，構建集模擬、調度、評估、決策于一體的金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統服務平臺。

該模塊重點解決問題為：①研究梯級水庫群系統數據支撐和交互技術，構建基礎數據庫并設計接口。②根據需求及系統特點，進行系統架構設計，優選系統開發技術。③結合已有的水調自動化系統及上述理論的研究成果，進行仿真模擬、聯合優化、評估分析、可視化等核心應用功能的開發。④進行系統集成，形成一套快速實用的梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統。

采用的技術手段為：①統一的數據庫平臺設計和搭建。針對聯合優化決策支持系統數據內容和應用需求，建設用于存儲決策支持信息的數據庫，數據庫表結構與現有水調自動化系統數據庫保持一致，實現對實時水情、水庫基本信息、預報調度信息及決策支持數據信息的規范存儲。②數據通信與處理模塊的設計和開發。根據聯合優化決策支持系統數據要求，設計與實現各種數據傳輸所需的通信協議，滿足各類基礎數據交換要求。③信息配置管理功能模塊的設計和開發。設計和開發聯合優化決策支持系統的圖形化管理配置功能，可實現數據對象、信息類型、信息點號、傳輸機制、校驗標準、數據庫源等內容進行配置，能夠對各種信息交換、存儲、發布及展示內容進行統一應用、集中管理。④實現與現有水調自動化系統的接口。建立統一的數據處理流程，實現各類數據信息在水調自動化系統中的統一應用，并支持從水調自動化系統中直接應用和關聯決策支持系統的相關功能和組件。聯合優化決策支持系統軟件接口采用標準的通信接口協議。⑤仿真模擬。在充分分析歷史數據的基礎上，實現長江上游主要河道、重點水庫的全周期仿真模擬，實現在短期—中期—長期預報結果支持下的流域徑流仿真模擬、固化仿真模擬算法。該應用模塊按照標準服務方式進行封裝。⑥聯合優化。以多目標約束條件下的水庫群短期—中期—長期調度方案為目標，以仿真模擬結果為基礎，構建水庫群聯合優化調度算法。該應用模塊按照標準服務方式進行封裝。⑦評估分析。對水庫群模擬仿真、聯合優化后的調度結果集按統計學方法進行評估，分類，優選，供決策者使用。對金沙江下游—三峽梯級水庫群入庫站水文預報結果進行評估，與國內外已有數據進行比較，以反映梯級水庫預報整體水平。⑧可視化。利用多維圖表、遙感和地理信息系統，構建覆蓋長江上游流域多尺度調度過程交互及結果展示平臺。在流域范圍內進行優化方案的全要素對比，全面反映聯合優化效果。

3? ?結語

本文分析了金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合調度決策系統建設的必要性和可行性。根據梯級水庫群的調度運行特點及任務，對決策支持系統的結構、需重點解決的問題及所采用技術手段展開了研究，提出了決策支持系統軟件的設計思路。系統主要包括水庫及河道仿真模擬、梯級水庫群優化調度模型、預報及調度運行評估、梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統軟件四大部分，開發能應用于生產實踐的金沙江下游—三峽梯級水庫群聯合優化調度決策支持系統，以提高梯級水庫群調度管理水平和決策效能，充分發揮金沙江下游—三峽梯級水庫群的巨大綜合效益。

參考文獻：

[1] Fedra K. Interactive water-quality simulation in a regional framework：a management-oriented approach to lake and watershed modeling [J].? Ecological Modeling，1984，21（4）：209-232.

[2] 蓋迎春，李新.水資源管理決策支持系統研究進展與展望[J].冰川凍土，2017，35（1）：57-60.

Research on Decision Support System for Joint Optimal Operation of the Lower Reaches of the Jinsha River and Three Gorges Cascade Reservoirs

Xu Yang? Wang Yongyi? Du Kanghua? Yang Xu

（China Changjiang Electric Power Co.，Ltd.，Yichang，443002，China）

Abstract：In order to give full play to the huge comprehensive benefits of the lower reaches of the Jinsha River and the Three Gorges Cascade Reservoir，a decision support system needs to be established to improve the management level and decision-making efficiency of the Cascade Reservoir. This paper analyzes the necessity and feasibility of the joint dispatch decision system for the lower reaches of the Jinsha River and the Three Gorges Cascade Reservoir Group. It studies the structure of the decision support system，the issues that need to be addressed and the technical means used，and proposes the design of the decision support system software. The train of thought can provide technical support and reference for the joint optimal dispatch management decision of the lower reaches of the Jinsha River and the Three Gorges cascade reservoirs.

Keywords：reservoir group;optimal operation;decision support system