長江上游流域梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)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(dāng)前流域的滾動開發(fā)和電站的陸續(xù)投產(chǎn)，水電站的調(diào)度運行從單一時空尺度、單目標(biāo)的常規(guī)調(diào)度，向大規(guī)模、多尺度、多層次、多屬性、多目標(biāo)方向聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度發(fā)展。在聯(lián)合調(diào)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(diào)度模式復(fù)雜、供需矛盾增大等諸多方面的影響和風(fēng)險，存在一系列亟待解決的科學(xué)問題和技術(shù)難題，這也是現(xiàn)階段國內(nèi)外學(xué)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(guī)模，為更好利用水資源，充分發(fā)揮梯級水庫綜合效益，開展流域水庫群聯(lián)合調(diào)度研究具有重要意義。立足于實現(xiàn)中央提出“防洪安全、供水安全、糧食安全、經(jīng)濟安全、生態(tài)安全、國家安全”的國家安全目標(biāo)與《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》提出的國家科技創(chuàng)新目標(biāo)，針對新形勢下梯級水庫群防洪、航運、發(fā)電、供水、生態(tài)等綜合調(diào)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(lián)合調(diào)度的關(guān)鍵技術(shù)，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(yōu)化調(diào)度、梯級水庫群預(yù)報及調(diào)度運行評估等技術(shù)難題。

1 長江流域水電開發(fā)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(fā)快速發(fā)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(yù)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(shù)可開發(fā)裝機容量約1.78億kW，占全國規(guī)劃的十三大水電基地的59%。各水電基地開發(fā)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(shù)可開發(fā)量約50%[2]。

2 梯級水庫群調(diào)度運行的新形勢

2.1 邊界條件發(fā)生變化

氣候變化與人類活動是導(dǎo)致流域邊界條件發(fā)生變化的兩大主要因素。近年來，由于人類活動導(dǎo)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(huán)流異常等，使降水、蒸散發(fā)、徑流、土壤水分等要素發(fā)生了改變，引起水資源在時空上的重新分配，導(dǎo)致水文序列產(chǎn)生劇烈變化，從而引發(fā)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(diào)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(xué)分析，剖析其對氣候變化與人類活動響應(yīng)機制，明確內(nèi)在機理，以期提高長江流域降雨預(yù)報、徑流預(yù)報的準(zhǔn)確性，意義重大。

2.2 水庫調(diào)度運行方式發(fā)生變化

截至2016年底，長江流域已建成大型水庫285座，總調(diào)節(jié)庫容1800余億m3，形成了規(guī)模極為龐大的流域梯級水庫群。目前，各水庫實際調(diào)度時，一般按照規(guī)劃設(shè)計階段制定的原則進行，而設(shè)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(guān)系較為復(fù)雜，呈現(xiàn)運行管理單位多元化態(tài)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(xiàn)，迫使水庫調(diào)度運行方式發(fā)生了較大的變化。如何在現(xiàn)有形勢下，合理安排流域水庫群運行方式，科學(xué)高效進行流域水庫群管理調(diào)度，已成為水資源利用領(lǐng)域重要研究課題。

表1 長江上游五大水電基地開發(fā)情況

2.3 調(diào)度計算參數(shù)的變化

水電工程建設(shè)周期較長，從設(shè)計階段到最終投產(chǎn)運行需十年左右時間，水電站建設(shè)過程中的發(fā)電調(diào)度參數(shù)與設(shè)計階段相比往往已發(fā)生一些變化。同時，部分電站由于更新改造或擴建，特征參數(shù)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(xiàn)，使得機組運行效率發(fā)生了較大變化，對水電站調(diào)度計算參數(shù)影響較大。計算參數(shù)發(fā)生變化給調(diào)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(fēng)險，制約了精細(xì)化調(diào)度技術(shù)的進步。

3 梯級水庫群聯(lián)合調(diào)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(zhàn)略發(fā)展的高度，側(cè)重宏觀調(diào)度策略研究和制定水量調(diào)度規(guī)則。在此框架指導(dǎo)下，各流域水庫管理公司開展調(diào)度實施工作，具體解決調(diào)度面臨的實際問題。以三峽集團負(fù)責(zé)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(fù)著繁重的防洪、航運、泥沙、生態(tài)保護、發(fā)電等綜合任務(wù)。

三峽水庫作為長江流域的骨干性綜合控制樞紐工程，承擔(dān)任務(wù)重、約束條件多、調(diào)度管理關(guān)系復(fù)雜、協(xié)調(diào)難度大，要承擔(dān)設(shè)計防洪、航運、發(fā)電、補水、生態(tài)、庫尾拉沙、抗旱、壓咸潮、船舶施救等任務(wù)。葛洲壩是三峽樞紐的航運反調(diào)節(jié)樞紐，其庫容小、水位變化靈敏，約束嚴(yán)格，實時調(diào)度水位控制難度大。溪洛渡存在“一庫兩站兩調(diào)”、分層取水、泄洪時容易氣體過飽和等難題。向家壩泄洪設(shè)施運用復(fù)雜，泄洪易引起壩址區(qū)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(xié)調(diào)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(wǎng)、南方電網(wǎng)調(diào)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(diào)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(qū)域廣，而不同區(qū)域電力交易規(guī)則各有特點且尚未固化。

梯級水庫群規(guī)模龐大，水庫間聯(lián)系緊密，調(diào)度任務(wù)復(fù)雜多樣，工程建設(shè)時間跨度長，開展聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度運行面臨的技術(shù)難度大，國內(nèi)外無先例可循，缺乏統(tǒng)一有效、擴展性好的管理和協(xié)調(diào)決策支持系統(tǒng)。

4 梯級水庫群水資源管理決策支持關(guān)鍵技術(shù)研究

針對金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度面臨的主要問題，從水庫及河道仿真模擬、梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報及調(diào)度運行評估、系統(tǒng)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(tǒng)，提高梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度能力和管理決策水平，實現(xiàn)流域梯級電站的優(yōu)化經(jīng)濟調(diào)度，充分發(fā)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(diào)度運行研究已成為科研的熱點問題[4-6]，根據(jù)中國知網(wǎng)統(tǒng)計信息，近幾年圍繞著梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度運行的相關(guān)研究和論文呈不斷上升的局面。國內(nèi)眾多高校和研究機構(gòu)，圍繞著長江流域水庫群安全運行、優(yōu)化調(diào)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(fēng)險孕育機制與安全防控理論”認(rèn)為，梯級水庫群安全是水電發(fā)展出現(xiàn)的新問題，系統(tǒng)規(guī)避梯級水庫群風(fēng)險，成為事關(guān)經(jīng)濟社會發(fā)展全局重大戰(zhàn)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(shè)及高效運行安全關(guān)鍵技術(shù)研究”，圍繞重大水利工程安全運行監(jiān)測、診斷和預(yù)警技術(shù)、特大型水電工程施工過程事故控制及應(yīng)急救援體系建立等相關(guān)內(nèi)容展開了深入的研究。

“十一五”科技支撐計劃項目“湖北省區(qū)域性巨型水庫群經(jīng)濟運行關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”研究了氣象水文預(yù)報預(yù)警、巨型水庫群洪水資源調(diào)控、水電經(jīng)濟運行及市場化運營效益、水庫群聯(lián)合調(diào)度自動化系統(tǒng)開發(fā)集成等關(guān)鍵技術(shù)。

國家重點研發(fā)計劃“長江上游梯級水庫群多目標(biāo)聯(lián)合調(diào)度技術(shù)”，以長江上游干支流控制性水庫為對象，圍繞防洪、供水、生態(tài)、發(fā)電等調(diào)度重大問題和水庫群蓄水、應(yīng)急調(diào)度等問題展開研究，建立水庫群系統(tǒng)多目標(biāo)調(diào)度理論和風(fēng)險評估體系，將云服務(wù)和智能調(diào)度應(yīng)用于水庫聯(lián)合調(diào)度。

三峽集團開展的“三峽水庫含生態(tài)環(huán)境目標(biāo)的綜合優(yōu)化調(diào)度研究”，初步提出了兼顧生態(tài)環(huán)境保護的三峽水庫防洪、航運、發(fā)電綜合優(yōu)化調(diào)度方案；“金沙江—溪洛渡向家壩水庫與三峽水庫聯(lián)合調(diào)度研究”指出溪洛渡、向家壩、三峽組成的巨型水庫群聯(lián)合調(diào)度綜合效益巨大，同時因溪洛渡、向家壩水庫調(diào)蓄，三峽水庫入庫水文情勢發(fā)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(guān)鍵技術(shù)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(chǎn)多座調(diào)節(jié)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(shù)量的增多，水庫群運行時間的增長，水庫及河道的特征發(fā)生改變，導(dǎo)致相鄰水庫間短期出入庫流量、庫區(qū)沿程水面線、斷面水位流量等規(guī)律的持續(xù)動態(tài)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(zhǔn)確識別流域環(huán)境變化下梯級水庫群及長江上游河道的模擬參數(shù)，實現(xiàn)水庫群精細(xì)化調(diào)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(nèi)容如下：

水庫模擬方面，搜集、整理歷史調(diào)度運行數(shù)據(jù)，定量分析上游電站長中短期調(diào)度運行規(guī)律，構(gòu)建上游水庫群不同時間尺度的概化調(diào)度運行模擬模型；校核和修正金沙江下游—三峽梯級水庫調(diào)度參數(shù)，構(gòu)建6座水庫的精細(xì)調(diào)度運行模擬模型；初步識別電力系統(tǒng)和受電區(qū)域的用電時空規(guī)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(shù)據(jù)挖掘等方法，研究兩壩間、庫區(qū)內(nèi)、河道內(nèi)洪枯水傳播規(guī)律，修正兩壩間短期出入庫流量的不平衡問題；精細(xì)模擬和預(yù)測河道型水庫在動庫容影響下的庫區(qū)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(yōu)化調(diào)度研究

目前，金沙江下游—三峽梯級水庫群已初步實現(xiàn)聯(lián)合調(diào)度，但現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)主要以溪洛渡—葛洲壩四庫的常規(guī)聯(lián)合調(diào)度為主，尚未包含烏東德和白鶴灘水庫。同時，中長期調(diào)度與短期、實時調(diào)度相對獨立，調(diào)度決策缺乏整體性與一致性。此外，現(xiàn)有調(diào)度系統(tǒng)未考慮電力市場發(fā)展形勢，隨著電力市場改革進程的加速推進，電力市場對發(fā)電計劃的影響權(quán)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(tài)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(yōu)化調(diào)度的目標(biāo)函數(shù)及約束條件，分別構(gòu)建各層次調(diào)度模型及嵌套耦合模型，并尋求多種快速有效的優(yōu)化算法。研究滾動優(yōu)化的綜合調(diào)度集成技術(shù)，研制可用于指導(dǎo)生產(chǎn)管理的水庫群長中短期優(yōu)化調(diào)度模型及電站實時優(yōu)化運行模型，并建立適應(yīng)生產(chǎn)調(diào)度需求的常規(guī)調(diào)度模型，具體內(nèi)容如下：

（1）廠內(nèi)經(jīng)濟運行

廠內(nèi)經(jīng)濟運行是短期優(yōu)化調(diào)度的具體體現(xiàn)，應(yīng)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(wǎng)調(diào)度的問題，為烏東德、白鶴灘可能存在的類似問題預(yù)留可選模塊。

（2）短期優(yōu)化調(diào)度

短期優(yōu)化調(diào)度是中長期優(yōu)化調(diào)度的具體體現(xiàn)，也是廠內(nèi)經(jīng)濟運行的控制手段，首先根據(jù)來水情況、電站特點、水庫運行、電力系統(tǒng)及電力市場等需求，制定計劃期的優(yōu)化調(diào)度方式；同時以計劃期內(nèi)的運行方式為指導(dǎo)，根據(jù)面臨時段及其后時段水情、負(fù)荷等信息的可能變化，實時修正原調(diào)度方式。

電力市場條件下，短期優(yōu)化調(diào)度計劃分為競價階段和負(fù)荷分配執(zhí)行階段，競價階段的優(yōu)化目標(biāo)是發(fā)電效益最大化；負(fù)荷分配執(zhí)行階段，根據(jù)電網(wǎng)下達計劃進行廠間負(fù)荷分配，梯級水電站統(tǒng)一電價時以發(fā)電耗水量最小為優(yōu)化目標(biāo)，不同電價時以發(fā)電效益最大為優(yōu)化目標(biāo)。

（3）中長期優(yōu)化調(diào)度

中長期優(yōu)化調(diào)度是在已知梯級水庫入流過程等條件下，尋求優(yōu)化準(zhǔn)則達到極值的梯級水電站出力過程和相應(yīng)的梯級水庫蓄泄?fàn)顟B(tài)變化過程，具備滾動決策修正功能，從而應(yīng)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(nèi)電力市場供需、預(yù)測電價。

（4）長中短期優(yōu)化調(diào)度模型耦合嵌套

研究梯級水庫群不同時間尺度調(diào)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(diào)度模型計算結(jié)果為短時間尺度調(diào)度模型提供控制邊界條件。

4.2.3 預(yù)報及調(diào)度運行評估研究

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

該模塊基于長系列數(shù)據(jù)，對預(yù)報成果及梯級水庫調(diào)度的方案和結(jié)果進行集合評估，根據(jù)評估結(jié)果推薦未來時段或指定情景下的預(yù)報模型和調(diào)度方案，提出優(yōu)化建議。

（1）水文預(yù)報成果評估

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

（2）梯級水庫群調(diào)度運行評估

調(diào)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(tǒng)變化后，快速科學(xué)地評估這些變化對系統(tǒng)的影響，以便制定出相應(yīng)的調(diào)度策略。

4.2.4 系統(tǒng)集成技術(shù)研究

設(shè)計和開發(fā)支撐金沙江下游—三峽梯級電站水資源管理決策支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺，實現(xiàn)決策支持系統(tǒng)與三峽梯級水調(diào)自動化系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸和應(yīng)用交互。根據(jù)水庫群實際調(diào)度需求及系統(tǒng)特點，進行仿真模擬、聯(lián)合優(yōu)化、評估分析、可視化等核心應(yīng)用功能模塊的集成開發(fā)，構(gòu)建集模擬、評估、決策實施、反饋于一體的服務(wù)平臺；系統(tǒng)應(yīng)具備良好的可視化，構(gòu)建以用戶為中心、面向?qū)ο蟮娜藱C交互界面；系統(tǒng)應(yīng)具備良好的擴展性，能夠適應(yīng)新增水庫和新增需求的變化，并提供二次開發(fā)接口。

5 聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度實踐的效益分析

表2 金沙江下游—三峽梯級電站聯(lián)合調(diào)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(lián)合調(diào)度實踐取得了顯著效益。2014-2016年梯級電站實際運行數(shù)據(jù)（見表2）表明，通過聯(lián)合調(diào)度，金沙江下游—三峽梯級電站年均節(jié)水增發(fā)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(diào)節(jié)能力較強的大型水庫已實行聯(lián)合防洪調(diào)度。2016年，長江流域發(fā)生自1998年以來最大洪水，國家防總、長江防總聯(lián)合調(diào)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(qū)分洪。2017年，為應(yīng)對長江中游型大洪水，上游流域水庫群再次實施聯(lián)合調(diào)度，攔蓄洪量102.39億m3，有效減輕了中下游防洪壓力。相關(guān)研究表明，長江上游在建和已投運水庫群設(shè)計多年平均年發(fā)電量總計約為5420億kW·h，若實行聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，按增發(fā)電量3%計算，可增發(fā)多年平均年發(fā)電量162.6億kW·h，相當(dāng)于三峽電站多年平均年發(fā)電量的1/5，相當(dāng)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(tài)環(huán)境效益。在解決長江上游流域調(diào)度中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題基礎(chǔ)上，深入貫徹實施水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度，具有巨大的防洪、生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟效益。

6 展望

長江上游流域水庫群的規(guī)模在不斷擴大，其地位和作用愈發(fā)重要?！秶野l(fā)展改革委、國家能源局發(fā)布關(guān)于促進西南地區(qū)水電消納的通知指出，在保障電網(wǎng)安全運行的前提下，研究健全長江流域水庫群電力調(diào)度溝通協(xié)調(diào)機制；推動建立流域統(tǒng)一協(xié)調(diào)的調(diào)度管理機制，研究流域梯級聯(lián)合調(diào)度體制，充分發(fā)揮流域梯級水電開發(fā)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(tǒng)建設(shè)思路，在金沙江下游—三峽梯級電站應(yīng)用實踐的基礎(chǔ)上，經(jīng)過總結(jié)、提煉和持續(xù)擴展完善，可為長江流域梯級聯(lián)合調(diào)度提供有效的技術(shù)支撐和決策參考。

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