李政柯 杨武 石培 李刚 赵军 王识远

摘 要：随着经济社会不断发展，我国能源结构也随着不断变化，水电资源作为一项重要能源，其发展好坏直接关系到我国的可持续发展道路。梯级水电站作为水电的一种关键形式，必须对其进行发电优化调度，从而保证水资源得到合理利用。本文主要针对梯级水电站的主要特点和未来发展方向，总结了我国的一些成果，并深入分析了其运行过程中的主要问题，通过对模型进行改进，对其进行优化调度，提出了新的调度模型。

关键词：梯级水电站；优化调度；运行研究

我国水利资源储量丰富，居世界前列，能源发展为整体经济运行提供了可靠的保证，然而能源结构产业却逐渐出现了一些问题，带来了严峻的挑战。水资源作为一种可再生资源，是整个能源结构的重要组成部分，在整个能源平衡体系中占有重要地位。我国的水量储备丰富，水电资源遍布全国，合理开发水电资源，度促进社会进步具有重要性意义，然而，在发展的同时也要对水资源进行合理利用。本文以梯级水电站特点为研究对象，对其进行优化调度并逐渐应用，对其运行研究具有很重要的意义。

1 梯级水电站优化调度研究现状

随着水资源不断被利用，水库逐渐成为发展水电资源的一个重要源头。梯级水电站一般由一条河流的水电站组成，不同水电站之间具有一定的电量和水量联系。把水库优化调度由单一水库扩展到梯级水电站，具有一定的难度，国际上相关学者对此进行了一系列研究，采用随机动态规划和逼近法，提出梯度动态规划算法或遗传算法等，来对调度规则进行优化。我国学者在早期提出了使用递推计算法、分解-聚合算法建立调度模型并在实例中得到了应用，其中后者主要以时间为划分点，对各个子系统进行优化，最后聚合出最优模型。

2 梯级水电站优化调度存在问题和研究趋势

虽然我国梯级水电站优化调度取得了一定成果，但是在实际运行过程中，仍然存在很多问题。首先，数学模型和相关求解算法存在一定局限性。由于受到人们对自然的认识局限，对问题很难进行全面了解和反映；其次就是研究过程具有独立性。在研究的过程中，只强调追求最优解，忽视了整个系统的动态复杂性变化因素和其他一些因素，以相关方案决策者的主观意识为主，只是偏重理论研究，忽视一些深层次理论和实践，从而导致方案很难进行应用。

随着梯级水电站优化调度的深入研究和扩展，研究方向逐步应用到实际中，由单目标向多目标逐步转变，并对相关算法进行了优化，然而由于梯级水电站的优化调度过程是一个高维非线性的过程，因此必须对其进行不断创新和改进，提高计算精度。

3 梯级水电站优化调度分类

对水电站进行自身优化调度，就是在保证其自身调蓄能力的前提下，综合协调环境、发电和防洪等多个部门，对天然径流进行优化，从而提高水库整体效益的一种技术，其实质就是对其供水量、蓄水量和调节方式的一种调节过程。

根据方法不同，主要分为常规调度和优化调度。常规调度主要是以水库调度图为依据，根据一定调度原则，使用径流调节和相关计算方法对水库整个蓄泄过程进行估计。它主要是一系列调度线组成，常规调度操作简单、方便，但是很难处理比较复杂的问题。优化调度主要是在优化调度的基础上，以系统工程学为基础，建立起一系列目标函数，使用现代计算方法和优化方法，求解相关方程，从而得到最合适的优化调度方式，可以提高整体经济效益。

水库优化调度模型主要由目标函数和约束条件组成，其中目标函数多种多样，所以要根据实际情况选择最优。根据不同水库的用途和不同的准则标准，选择发电量大和成本低的书库，对于以防洪为主的水库，应该以损失最小为基本原则，确定了基本原则后选取合适的目标函数。

根据目标可以分为防洪调度、兴利调度和综合调度，前两个主要根据具体任务要求而定，综合调度要综合水库的发电和蓄洪等多种任务协调而定。

根据周期主要分为中长期优化调度和短期优化调度。中长期优化调度主要是根据不同的任务，估计水库调蓄能力后，把较长时间的有效输入，通过优化分配到比较短的时间内进行，它具有随机性模型和确定性模型之分，后者能够充分利用预报信息，方便灵活，主要包括蓄能最大模型、发电效益最大模型和发电量最大模型，发电量最大模型可以对实际水位进行探测，并根据调度结果获得末水位；短期优化调度主要以日为单位进行调度，周期比较段，要以水电站实际运行状况为基础，主要包括耗水量最小模型和蓄能最大模型等。

4 梯级水电站优化调度模型

由于梯级水电站优化调度相对来说比较复杂，受到中长期调度计划的影响，计算因素比较多，比如水头、流量等，上级水电站会直接影响下级水电站的运行，增加了系统难度，不同水电站之间容易发生水流时滞现象和流量坦化现象，约束条件比较多，受到了一定限制。其模型主要分为以下几种：

4.1 发电量最大模型

在一定调度期内，根据天然径流过程和初始水位，并考虑一定限制条件，确定水库的发电用水量和蓄水量，保证其发电量达到最大值。

目标函数：

其中：

在上式中，E代表总发电量；Ni，t代表第i水库在第t时间的平均出力；ki为第i个水电站的综合出力系数；Hi，t为第i水库在第t时间的平均发电水头；T为总时段数目；N为水电站总数。

约束条件：

（1）水位约束。水库在运行的过程中，总蓄水量介于所允许的最大蓄水量和最小蓄水量之间。

（2）水电站出力约束。水库在运行的過程中，水库的出力值介于所允许的出力最大值和最小值之间。

（3）水量平衡约束。可以用下式表示，

即水库末蓄水量为初蓄水量和入库水量之和。

（4）下泄流量约束。水库在运行过程中，水库的泄流值介于最大泄流值和最小泄流值之间。

发电量最大模型在进行梯级水库调度运行时，如果调度时间过段，需要考虑水流实滞问题。

4.2 梯级水库蓄能最大模型

这种模型充分考虑了同一水量在不同情况下的能量不同，主要在一定的调度期内，给定水库初始水位，入库流量以及不同时间内的发电量，对负荷进行合理分配，降低发电用水量，提高梯级蓄能总体水平。其目标函数可以表示为：

其约束条件主要包括水位限制条件、水量平衡条件、泄流量限制条件和出力约束条件等。

4.3 耗水量最小模型

这种模型主要是以保证总发电量为基础，以各水路出库水量和最小为基本目标，给定水库初始水位和总负荷曲线，使水电站在整个调度期内达到最优出力。

约束条件需满足出力平衡方程、水量平衡方程等。

这种模型主要针对在未来某一个调度期内，以总电量和总出力为基本要求，使用电量来对水量进行优化，能够达到合理分配电荷的要求，尽可能使不同梯级水电站之间的发电流量相互匹配，提高发电水头，降低耗水率，从而提高梯级电站整体效益。此外，在建设这种模型时，要考虑费用因素。

5 优化调度方法

水電站优化调度方法主要分为常规方法和系统分析法。常规法主要包括统计法和时历法，系统分析法主要是以全局为出发点，以整体效益为重点，包括概率模型和数学规划两种模式，其后者为主。数学规划主要分为线性规划、非线性规划和动态规划。概率模型主要对系统可靠性进行分析和模拟。本文主要以动态规划法为例进行了探讨。

所谓动态规划法，就是按照时间和空间特点，把问题分为很多时段，把每个时段的问题组成一系列联系的单阶段决策问题，再进行求解，从而找出最优序列。水电站优化调度是一个多阶段优化问题过程，使用动态分析法可以对其问题进行离散，然后对子问题进行求解，水资源系统的随机和非线性可以得到充分体现。

动态规划法的基本思想就是以最優决策为基础，关键是找出递推关系和边界条件，把整体划分为几个阶段，选取合适的状态变量和决策变量，定义最优函数进行求解的过程。作为一种多阶段决策过程，这种方法能够综合考虑多种因素，能够选择最优路径。对梯级水电站优化调度过程中，要综合考虑水库总体运行参数并进行积极改进，在动态规划模型基础上引进机组效率参数和相关损失参数，建立相应的水头模型和效率模型，采取合适的计算方法，对水库实际调度能够进行更合理优化。

6 结语

本文针对梯级水电站优化调度问题进行了比较深入的研究，提出了影响水电站运行的相关因素，采取相应的数学模型和数学参数对其进行合理优化，建立起多种最优调度模型和综合调度模型，提高水能利用效率，实现效益最优，随着我国水电事业的不断发展，对水电站调度进行深化研究，改善调度方案和相关研究方向，在当前店里系统条件下对梯级水电站实现最优化调度，是未来发展的一个重要方向和目标。

参考文献

[1]段云辉.小型梯级水电站优化调度运行研究[D].郑州大学，2014.

[2]张睿.流域大规模梯级电站群协同发电优化调度研究[D].华中科技大学，2014.

[3]袁宝招.梯级水电站短期优化调度研究[D].昆明理工大学，2003.

（作者单位：雅砻江流域水电开发有限公司）