億千瓦級時(shí)代中國水電調(diào)度問題及其進(jìn)展

程春田，武新宇，申建建，李 剛，廖勝利，劉本希

（大連理工大學(xué) 水電與水信息研究所，遼寧 大連 116024）

1 迅猛發(fā)展的中國水電概述

任何科學(xué)理論方法的進(jìn)步離不開當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)條件和技術(shù)環(huán)境，因此，非常有必要對我國水電的發(fā)展做簡單的回顧，特別需要了解過去20多年中國水電發(fā)生了哪些重大變化。

1.1 中國水電發(fā)展的3個(gè)關(guān)鍵階段中國水電發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，第1階段：水電技術(shù)積累階段（1949—1979年），主要是以中小水電站為主，僅有少數(shù)幾個(gè)大型水電站，著名的有我國自行設(shè)計(jì)、自制設(shè)備、自主建設(shè)的第一座超百米混凝土重力壩大型水電站—新安江水電站，首座百萬千瓦級的水電站—劉家峽水電站，在此期間中國水電裝機(jī)從1949年16萬kW發(fā)展到1979的1911萬kW，年發(fā)電量547億kW·h［12］。第2階段：水電提速階段（1980—1999年），多元化的市場投資和建設(shè)，學(xué)習(xí)、吸收國外先進(jìn)的水電建設(shè)和管理經(jīng)驗(yàn)推動了水電在全國普遍開花，三峽、白山、魯布革、水口、巖灘、五強(qiáng)溪、隔河巖、漫灣、二灘等一批在全國水電開發(fā)過程中有影響性的水電工程在此期間開工建設(shè)及投產(chǎn)，中國水電建設(shè)步伐加快。到1999年，全國水電裝機(jī)容量7297萬kW，年發(fā)電量2219億kW·h［12］，中國已經(jīng)發(fā)展成為世界水電大國。第3階段：水電迅猛發(fā)展階段（2000—至今），以三峽工程和西電東送工程全面建設(shè)為標(biāo)志，廠網(wǎng)分開形成的多元投資主體推動了世界水電史上前所未有的建設(shè)速度和高度，中國水電裝機(jī)繼2004年達(dá)到1億kW，穩(wěn)居世界第一，2010年、2016年又先后突破2億kW和3億kW［12］，短短12年時(shí)間，新增裝機(jī)超過世界水電排名第2、第3的美國和巴西總和。圖1是中國歷年水電裝機(jī)情況，圖2是世界水電前20國家水電裝機(jī)情況。從圖1—圖2可以看出，最近20多年，中國一直是世界水電發(fā)展的中心，引領(lǐng)著世界水電的發(fā)展，同時(shí)也給中國水電帶來了重大變化。

圖1 中國歷年水電裝機(jī)容量（1949—2017年）

圖2 2017年世界水電前20國家裝機(jī)容量

1.2 中國水電新的變化最近20多年中國水電史無前例的快速發(fā)展和全國互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)的建成，給中國水電系統(tǒng)帶來了重大變化。

1.2.1 水電系統(tǒng)規(guī)模變化 主要體現(xiàn)在如下7個(gè)方面：（1）水電系統(tǒng)總體規(guī)模，中國水電系統(tǒng)裝機(jī)和發(fā)電量均排名世界第一，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界其他水電大國［3］；（2）形成了水電裝機(jī)規(guī)模超過1億kW的區(qū)域電網(wǎng)，2017年南方電網(wǎng)水電裝機(jī)達(dá)到了1.16億kW［5］，超過了排名第2和第3的美國、巴西［4］；（3）有10個(gè)省水電裝機(jī)規(guī)模超過了1000萬kW，其中最大的四川、云南兩省水電裝機(jī)超過了7000萬kW和6000萬kW，水電占比79.4%和70.1%［5］；（4）中國集中建成了世界最大規(guī)模的干流梯級水電站群，7個(gè)干流梯級水電站群水電裝機(jī)超過了1000萬kW，規(guī)模最大的金沙江中下游梯級超過了3000萬kW；（5）中國建成了大批大中型水電站，規(guī)模超過100萬kW的水電站全國有66座，總裝機(jī)容量1.63億kW，占全國水電的47.7%［5］，世界十大水電站中，有4個(gè)在中國，分別是三峽、溪洛渡、向家壩和龍灘［13］；（6）600 MW及以上水輪機(jī)組占水電裝機(jī)容量的30.9%［5］，其中700 MW及以上水輪機(jī)組中國占居了全球近60%，世界上最大的1000 MW水輪機(jī)組即將安裝于在建的白鶴灘水電站；（7）世界77座200 m級以上的超高壩，我國占了20座，且絕大多數(shù)在西南地區(qū)。

1.2.2 水電消納方式變化 中國水電主要集中在云南、四川、重慶、貴州、廣西和西藏六省，可開發(fā)裝機(jī)容量3.8億kW，集中了全國70%以上的水電資源［14］，而中國用電則主要在中部和東部沿海，水電資源和負(fù)荷的逆向分布決定了中國水電遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸送的消納格局，這極大不同于以往就地消納的水電運(yùn)行方式。西南和華中水電主要通過中通道和南通道輸送至長三角洲和珠三角洲，西電東送“南通道”和“中通道”20條特高壓直流和8條特高壓交流跨省跨區(qū)域水電輸送能力1.05億kW，占我國水電裝機(jī)近三分之一，超過美國水電規(guī)模，是世界水電史上從未有過的規(guī)模，圖3是西電東送“中通道”、“南通道”水電互聯(lián)示意圖。

圖3 “西電東送”工程水電互聯(lián)系統(tǒng)示意圖（僅列舉部分重要水電站）

1.2.3 水電運(yùn)行條件變化 西南水電集中程度和遠(yuǎn)距離、大規(guī)模消納格局使得電站、機(jī)組并網(wǎng)方式發(fā)生了很大變化，既有同一電站機(jī)組并入不同聯(lián)絡(luò)線，也有同一流域上下游、不同流域梯級電站或者機(jī)組并入同一聯(lián)絡(luò)線情況（圖4），還有跨流域梯級水電站并同一斷面（圖5），導(dǎo)致了非常復(fù)雜的電力空間耦合，是跨流域跨省跨區(qū)域水電大規(guī)模消納不同于以往中小規(guī)模水電就地消納的顯著特點(diǎn)。由于時(shí)段間、上下游梯級間存在緊密的水力聯(lián)系，電力、水力時(shí)空高度耦合，與機(jī)組持續(xù)開機(jī)時(shí)間、啟停順序等約束一起，導(dǎo)致系統(tǒng)建模和優(yōu)化求解非常困難。

圖4 梯級機(jī)組、電站異構(gòu)并網(wǎng)（烏江）

圖5 跨流域水電站群異構(gòu)并網(wǎng)（瀾滄江-金沙江）

圖6 中國水電互聯(lián)系統(tǒng)概念圖

1.2.4 水電協(xié)調(diào)關(guān)系的變化 水電互聯(lián)使得水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行需要在多電源間（水電、火電、氣電、核電、風(fēng)電、光伏電等）、多時(shí)間尺度（年度、月度、旬、日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)）、多空間范圍（梯級、流域、跨流域、跨省、跨區(qū)域、跨境）、多利益主體（上下游、左右岸）、多部門（水利、電力、環(huán)保、交通等）、多運(yùn)行方式（計(jì)劃、市場）進(jìn)行協(xié)調(diào)，這些復(fù)雜關(guān)系隨著水電互聯(lián)系統(tǒng)涉及到空間范圍擴(kuò)大，使得水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行異常復(fù)雜和困難。

根據(jù)前述分析，廣西縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還比較落后，社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的資金來源主要以銀行信貸為主。在以銀行信貸為主的融資方式中，需要通過銀行體系吸納社會閑散資金，銀行再通過貸款把所吸收的存款注入實(shí)體經(jīng)濟(jì)，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。因此本文采用廣西縣域經(jīng)濟(jì)歷年存款與貸款余額之和占縣域國民生產(chǎn)的比值作為金融總量指標(biāo)，對縣域金融的金融總量進(jìn)行衡量，即：

圖7 高水頭巨型機(jī)組不規(guī)則限制區(qū)

2 億千瓦級時(shí)代中國水電調(diào)度三大類問題

水電資源和用電負(fù)荷逆向分布，使得中國形成了世界上最大的互聯(lián)水電系統(tǒng)。圖6是中國水電互聯(lián)系統(tǒng)概念圖，簡單示意了現(xiàn)在水電裝機(jī)容量前三甲的四川、云南、湖北巨型水電站如何通過中通道、南通道送電至長三角、珠三角的過程，圖6也清晰地展現(xiàn)了三類水電系統(tǒng)調(diào)度問題。第一類是電源側(cè)的梯級（流域）水電站群調(diào)度，即干流梯級與支流水電站群構(gòu)成的傳統(tǒng)水電系統(tǒng)調(diào)度問題；第二類是送端的跨流域跨省水電系統(tǒng)調(diào)度問題，有兩種情況，第一種是省調(diào)層級的跨流域水電系統(tǒng)，主要是指云南、四川、貴州、廣西、湖北和福建等水電較多的省級電網(wǎng)，由多個(gè)流域梯級互聯(lián)形成的跨流域水電系統(tǒng)，第二種是指由統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度平臺構(gòu)成的跨流域跨省水電系統(tǒng)，由多個(gè)省級電網(wǎng)水電系統(tǒng)互聯(lián)形成，目前國內(nèi)僅南方電網(wǎng)形成了相對獨(dú)立的統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)水電系統(tǒng)調(diào)度平臺；第三類則是多饋入特高壓直流水電與受端電網(wǎng)多電源混合調(diào)度問題，主要是指華東電網(wǎng)直流水電如何落地問題。第一類問題是傳統(tǒng)的水電調(diào)度問題，但在中國西南地區(qū)有新的調(diào)度變化；后兩類則是全新的水電調(diào)度問題，是本文評述的重點(diǎn)。

2.1 梯級（流域）水電站群調(diào)度梯級（流域）水電站群調(diào)度一直是國內(nèi)外傳統(tǒng)的、經(jīng)典調(diào)度問題［15-31］，這個(gè)問題隨著美國、加拿大等西方國家在20世紀(jì)70、80年代水電進(jìn)入高潮后得到了廣泛研究［32-47］。在此期間，各種優(yōu)化方法應(yīng)用到水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行中［20-23］，有很多經(jīng)典的調(diào)度理論方法和成果呈現(xiàn)。如水（庫）電站（群）調(diào)度規(guī)則［37-38］；經(jīng)典的水電系統(tǒng)降維方法：動態(tài)規(guī)劃逐次逼近算法（DPSA）［24］、增量動態(tài)規(guī)劃（IDP）［24］、離散微分動態(tài)規(guī)劃（DDDP）［25］、逐步優(yōu)化算法（POA）［26-28］和聚合分解方法［29-30］等；各種隨機(jī)動態(tài)方法［31-36］，主要有抽樣隨機(jī)動態(tài)規(guī)劃（Sampling Stochastic Dynamic Programming，SSDP）［32-34］、機(jī)會約束動態(tài)規(guī)劃（Chance-constrained Dynamic Programming，CCDP）［35］和隨機(jī)對偶動態(tài)規(guī)劃（Stochastic Dual Dynamic Programming，SDDP）［36］等等，這些方法已經(jīng)構(gòu)成了今天水電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的基礎(chǔ)。

中國西南梯級水電站群調(diào)度有很多明顯的不同，突出體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：（1）流域（梯級）級數(shù)多、大容量、高水頭、大范圍遠(yuǎn)距離送電，產(chǎn)生了新的調(diào)度問題。十四大水電基地、特別是西南流域梯級水電站群數(shù)目普遍在10座以上，很多在20多座以上，最多的干流加支流超過了70座，這勢必給流域和梯級水電站群優(yōu)化計(jì)算造成求解困難，產(chǎn)生了國內(nèi)外廣泛關(guān)注的“維數(shù)災(zāi)”問題。（2）西南水電不同于國內(nèi)外其他國家和地區(qū)的特點(diǎn)是高壩大庫集中，高水頭、巨型機(jī)組高壓瞬變流使得巨型機(jī)組存在多個(gè)機(jī)組不規(guī)則限制區(qū)（圖7），這些水電站、機(jī)組規(guī)模大，要響應(yīng)多個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷需求，導(dǎo)致電站出力、水頭日內(nèi)變幅很大，易引起后續(xù)時(shí)段和下游水電站群出力、水頭和流量發(fā)生關(guān)聯(lián)和級聯(lián)變化。由于電站、機(jī)組復(fù)雜并網(wǎng)，梯級水電站群間存在復(fù)雜的水力、電力時(shí)空緊耦合，無法靠經(jīng)驗(yàn)判斷避開機(jī)組限制區(qū)，成為制約西南水電安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)瓶頸，國內(nèi)外沒有任何相關(guān)技術(shù)可以提供參考和借鑒，是必須要突破的關(guān)鍵理論和技術(shù)問題，直接關(guān)系到電網(wǎng)和水電站安全穩(wěn)定控制運(yùn)行。

2.2 跨流域跨省水電調(diào)度西南及華中地區(qū)集中了我國80%以上的水電，水電既是這些地區(qū)的第一大或者第二大電源，也是西電東送的重要輸出電源，因此，存在非常復(fù)雜的受、送端電網(wǎng)協(xié)調(diào)關(guān)系，呈現(xiàn)多種復(fù)雜的跨流域跨省水電調(diào)度問題。

2.2.1 省級電網(wǎng)跨流域水電調(diào)度問題 云南、四川電網(wǎng)水電裝機(jī)容量超過全網(wǎng)的70%，承擔(dān)著省內(nèi)最主要的供電任務(wù)，兩省電力供應(yīng)均由季節(jié)性豐余枯缺，轉(zhuǎn)變?yōu)槿旮挥啵嬖趪?yán)重的棄水問題。棄水原因除了水電集中投產(chǎn)，負(fù)荷下行，供大于求，外送通道不足，省間壁壘嚴(yán)重，汛期來水集中，調(diào)蓄庫容不足等客觀原因外，還有現(xiàn)有的調(diào)度關(guān)系復(fù)雜，同一流域梯級水電站群，上下游電站歸屬不同調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)度管理，沒有充分發(fā)揮現(xiàn)有通道的潛力，給跨流域梯級水電站群調(diào)度造成了困難。另一方面，西南地區(qū)還存在非常多的小水電，它們的裝機(jī)容量占比也非常高，如2017年云南小水電占全網(wǎng)16%，大多是徑流式電站，汛期大小水電相互擠占通道，是云南、四川產(chǎn)生較大棄水一個(gè)重要原因。因此，如何提高云南、四川電網(wǎng)水電消納水平，減少棄水就是西南地區(qū)省級電網(wǎng)的核心任務(wù)，這極大不同于以往水電就地消納、充分消納的調(diào)度情況，是全新的調(diào)度問題。

2.2.2 跨流域跨省區(qū)域電網(wǎng)水電調(diào)度問題 南方電網(wǎng)是我國兩大國家電網(wǎng)之一，形成了相對獨(dú)立的統(tǒng)一大電網(wǎng)平臺，域內(nèi)所在的4個(gè)干流梯級水電站群及其他中小流域水電站群互聯(lián)構(gòu)成了世界上最大規(guī)模的區(qū)域電網(wǎng)水電系統(tǒng)，域內(nèi)水電裝機(jī)容量達(dá)到了1.16億kW，已經(jīng)形成“八條交流、十條直流”18條500 kV及以上西電東送大通道，送電規(guī)模超過5000萬kW。如何通過大電網(wǎng)平臺，充分利用流域間水文、梯級水電站群間調(diào)節(jié)性能、省級電網(wǎng)間負(fù)荷特性差異，提高全網(wǎng)水電消納水平和減少棄水是其面臨的主要任務(wù)和關(guān)鍵難題。

2.3 跨區(qū)域水電與受端電網(wǎng)多電源混合調(diào)度西南水電主要通過特高壓交、直流跨區(qū)域輸送至東部，主要有點(diǎn)對網(wǎng)和網(wǎng)對網(wǎng)多種輸送方式。汛期西南跨區(qū)域水電“不調(diào)峰”和“反調(diào)峰”輸送特性增加了東部受端電網(wǎng)調(diào)峰困難和低谷消納壓力，如何優(yōu)化現(xiàn)有的水電輸送方式，通過利用電網(wǎng)間負(fù)荷特性、電源間運(yùn)行特性的差異來實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域水電與受端電網(wǎng)的火電、核電、氣電、常規(guī)水電、抽水蓄能等電力資源有效配置，是促進(jìn)西南水電消納水平的關(guān)鍵。

3 中國水電系統(tǒng)理論與應(yīng)用重要進(jìn)展

水電系統(tǒng)一直被公認(rèn)是水資源領(lǐng)域最為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)之一，而大規(guī)模水電系統(tǒng)優(yōu)化一直被認(rèn)為是極富有挑戰(zhàn)性的理論與實(shí)踐問題。工程問題一直是理論研究的源動力，正如1980年代以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家水電系統(tǒng)建設(shè)達(dá)到高峰產(chǎn)生了水電系統(tǒng)理論研究高潮，中國水電近20年史無前例的快速發(fā)展，給中國水電調(diào)度管理和運(yùn)行帶來翻天覆地的變化，這些變化產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的，需要全新的調(diào)度理論和方法來支撐億千瓦級水電互聯(lián)時(shí)代的調(diào)度運(yùn)行［10］。

3.1 面向億千瓦級時(shí)代的水電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論方法水電系統(tǒng)調(diào)度是一類非凸、具有多重不確定性、多層級、決策變量多、維數(shù)高和約束條件龐大的大規(guī)模非線性復(fù)雜決策問題，優(yōu)化計(jì)算與時(shí)段數(shù)、水頭、出力和電站數(shù)呈指數(shù)增長關(guān)系，一直是國內(nèi)外沒有很好解決的極富挑戰(zhàn)性理論和實(shí)踐問題［49-52］。我國西南地區(qū)水電系統(tǒng)大容量、大機(jī)組、高水頭、遠(yuǎn)距離輸送特征，進(jìn)一步加劇了問題建模和求解難度［10-11］，愈加凸顯了國際上廣泛公認(rèn)的水電系統(tǒng)調(diào)度維數(shù)災(zāi)問題?？缡】鐓^(qū)域水電配置以消納和調(diào)峰為主要目標(biāo)的優(yōu)化祈求［53-54］，通道受阻的復(fù)雜并網(wǎng)約束，水電互聯(lián)過程中的水力、電力時(shí)空耦合關(guān)系［55-59］，使得系統(tǒng)解耦愈加困難，國內(nèi)外現(xiàn)有的優(yōu)化調(diào)度方法無法滿足我國干流梯級水電站群十幾座、幾十座、千萬千瓦級規(guī)模優(yōu)化調(diào)度需要，更無法支撐億千瓦級省級/區(qū)域電網(wǎng)跨流域跨省跨區(qū)域數(shù)十座、幾百座、幾千萬千瓦乃至億千瓦規(guī)模優(yōu)化調(diào)度要求，成為制約西南水電優(yōu)化調(diào)度的瓶頸問題。

對于大規(guī)模水電系統(tǒng)優(yōu)化，傳統(tǒng)上是將優(yōu)化問題通過線性和非線性近似采用線性和非線性優(yōu)化方法近似求解［7-9］。有時(shí)為了便于優(yōu)化近似，將實(shí)際工程問題進(jìn)行簡化，導(dǎo)致了優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果不能應(yīng)用于實(shí)際，這就是水資源領(lǐng)域廣泛討論的理論與實(shí)踐應(yīng)用存在差距的主要原因所在［60］。因此，在工程實(shí)踐中，對實(shí)際工程問題不需要做過多簡化的動態(tài)規(guī)劃就得到了廣泛應(yīng)用，但動態(tài)規(guī)劃由于維數(shù)災(zāi)問題，在實(shí)際工程中受到了求解規(guī)模的限制。動態(tài)規(guī)劃在水電系統(tǒng)中的應(yīng)用與參與計(jì)算的水電站數(shù)目，出力、水頭的離散和徑流不確定性密切相關(guān)［49］，因此，各種經(jīng)典動態(tài)降維方法［25-28］提出來以實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間上階段、狀態(tài)、決策變量的降維，動態(tài)規(guī)劃理論上存在求解規(guī)模限制，取決于問題的離散策略和工程實(shí)際應(yīng)用的效率要求。無論降維采用什么形式，系統(tǒng)規(guī)模將是動態(tài)規(guī)劃不可逾越的障礙。因此，需要新的優(yōu)化求解策略以解決中國大水電系統(tǒng)調(diào)度工程實(shí)際問題［10-11］?；诖?，提出了精簡優(yōu)化可行域以縮減優(yōu)化求解范圍［61-66］，典型的案例是利用長系列歷史資料推求梯級水電站群調(diào)度規(guī)則，從而可以得到水電站在年初、汛前、汛后及年末關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)水位控制范圍，從而大大縮減水位離散范圍，這對于超百米水頭電站，可以提高系統(tǒng)的求解規(guī)模和效率；提出時(shí)間維廣度優(yōu)先迭代搜索的優(yōu)化思路，每次以兩個(gè)相鄰時(shí)段發(fā)起局部尋優(yōu)。搜索中根據(jù)時(shí)間尺度、水庫調(diào)節(jié)性能、調(diào)度需求降低優(yōu)化電站數(shù)目［55-57］，采用電站維迭代和狀態(tài)逐密技術(shù)加速優(yōu)化求解，并以正交抽樣技術(shù)進(jìn)一步降低搜索空間［67-69］；進(jìn)一步，可以利用多核并行技術(shù)加速優(yōu)化求解效率［70-72］；上述優(yōu)化技術(shù)組合應(yīng)用，能夠大幅削減傳統(tǒng)算法的內(nèi)存占用與尋優(yōu)空間，將系統(tǒng)時(shí)空計(jì)算復(fù)雜度從指數(shù)級降維到二次和線性級水平，切實(shí)保證超大規(guī)模水電系統(tǒng)調(diào)度問題的高效求解。

3.2 干流梯級水電站群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度的若干進(jìn)展梯級水電站群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度一直是國內(nèi)外研究最活躍的領(lǐng)域，但對于我國西南干流梯級水電站群，近期最有特色的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面。

3.2.1 高水頭巨型機(jī)組安全控制 截至2017年底，西南地區(qū)壩高百米以上發(fā)電站有18座，200 m以上有10座，最高的達(dá)317 m。超過300 MW的發(fā)電機(jī)組有192臺，700 MW的有107臺［5］，高壓瞬變流使得水輪機(jī)運(yùn)行存在多個(gè)不規(guī)則出力限制區(qū)，機(jī)組長期在此區(qū)間運(yùn)行會產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題，因此，如何快速避開機(jī)組限制區(qū)就成為安全運(yùn)行的關(guān)鍵［73］。西南干流梯級水電站群裝機(jī)規(guī)模大，單機(jī)規(guī)模等同于其他地區(qū)的大、中型水電站，這些電站要同時(shí)響應(yīng)受、送端多個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷需求，電站出力、水頭日內(nèi)變幅很大，易引起后續(xù)時(shí)段和下游水電站群出力、水頭和流量發(fā)生關(guān)聯(lián)及級聯(lián)變化，由于電站、機(jī)組存在復(fù)雜的并網(wǎng)問題，使得快速回避機(jī)組限制區(qū)成為制約西南水電安全運(yùn)行的技術(shù)瓶頸，極大不同于中小規(guī)模常規(guī)機(jī)組安全運(yùn)行控制［74］。程春田等［75］針對最早在天生橋一級、二級水電站群短期和實(shí)時(shí)調(diào)度控制中發(fā)現(xiàn)的這一問題，提出了高水頭巨型機(jī)組不規(guī)則多限制區(qū)快速回避的短期廠站組合調(diào)度方法，其基本思路是，單一機(jī)組在特定情況下無法避開機(jī)組限制區(qū)，而有效的機(jī)組組合就可以避開。為此，提出以水電站為計(jì)算對象代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)組組合優(yōu)化，應(yīng)用組合理論與動態(tài)規(guī)劃預(yù)先確定考慮限制區(qū)的最優(yōu)機(jī)組組合，大幅縮減優(yōu)化中的計(jì)算量。在短期優(yōu)化計(jì)算過程中，將耗水率估算策略融入限制區(qū)回避搜索方法，以快速識別最優(yōu)組合和限制運(yùn)行區(qū)間，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化中精確避開限制區(qū)。該方法還應(yīng)用于中國的溪洛渡、糯扎渡、龍灘和小灣等巨型水電站。進(jìn)一步，程春田等［76］還提出了高水頭巨型機(jī)組不規(guī)則多限制區(qū)實(shí)時(shí)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度的分段線性逼近方法，以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和快捷的機(jī)組安全控制。

3.2.2 梯級水電站群關(guān)鍵水庫關(guān)鍵水位控制 中國西南地區(qū)梯級水電站群通過500 kV及800 kV以上特高壓交、直流網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了跨省跨區(qū)域互聯(lián)水電系統(tǒng)，這極大地改變了梯級水電站群運(yùn)行方式。在互聯(lián)大電網(wǎng)平臺下，流域梯級水電站間、多個(gè)流域梯級水電站群間、梯級水電與其他電源可以充分利用水庫調(diào)節(jié)性能差異、水文差異、電源差異實(shí)現(xiàn)電力互補(bǔ)，梯級水電站群可以更好地發(fā)揮清潔能源價(jià)值，該背景下如何控制調(diào)節(jié)性能好的梯級水電站群水位，就成為了水電系統(tǒng)調(diào)度的關(guān)鍵。為此，以年初、汛前、汛后、年末4個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵水位控制為優(yōu)化目標(biāo)，提出了采用平均發(fā)電量最大和棄水量最小為優(yōu)化評價(jià)準(zhǔn)則的新的梯級水電站群調(diào)度規(guī)則，該方法已經(jīng)在瀾滄江、烏江流域梯級水電站群實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了很好的作用，是將來我國電網(wǎng)和流域機(jī)構(gòu)會普遍使用的調(diào)度規(guī)則，各個(gè)流域梯級水電站群將會根據(jù)各自的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2.3 梯級水電站群對極端氣候的響應(yīng) 全球氣候變化和極端氣候頻繁給水電占比較大的電網(wǎng)和梯級水電站群調(diào)度帶來重大挑戰(zhàn)，利用大電網(wǎng)互聯(lián)平臺提高對極端氣候的響應(yīng)就成為一個(gè)主要的應(yīng)對途徑。在這樣背景下，以梯級水電站群破壞深度最小替代傳統(tǒng)的保證出力為目標(biāo)的控制方式將提高梯級水電站群應(yīng)對極端氣候的能力［77］；采用對沖規(guī)則均衡龍頭水電站當(dāng)年和未來的水位控制過程可以充分發(fā)揮水電站的效益和避免未來?xiàng)壦斑\(yùn)行破壞［78］；其他途徑還包括大電網(wǎng)平臺下的梯級水電站群集中和分布式調(diào)度運(yùn)行控制方式［65］。

3.3 區(qū)域/省級電網(wǎng)水電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法主要進(jìn)展我國以省為實(shí)體、區(qū)域（國家）電網(wǎng)相協(xié)調(diào)的分層級調(diào)度機(jī)制，形成了基于聯(lián)絡(luò)線相協(xié)調(diào)的區(qū)域/省級電網(wǎng)水電系統(tǒng)，電站/機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃通常由總調(diào)（國家電網(wǎng)調(diào)度中心或者區(qū)域電網(wǎng)）和中調(diào)（省級電網(wǎng)）調(diào)度中心下達(dá)，這些計(jì)劃考慮了電網(wǎng)、電站安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、市場和流域防洪、通航、生態(tài)、用水等綜合性約束［56-58，75-76，79］。對于我國西南地區(qū)，如何減少棄水、提高水電消納水平和緩解受、送端電網(wǎng)的調(diào)峰壓力是其突出問題［53-54，64-65，80］。如何構(gòu)建通道受限條件下的跨流域跨省跨區(qū)域水電系統(tǒng)調(diào)度模型、進(jìn)而提出實(shí)用化的優(yōu)化調(diào)度求解模型就成為新時(shí)期我國水電調(diào)度的新挑戰(zhàn)，突出進(jìn)展可以歸納為如下幾個(gè)方面。

3.3.1 跨流域跨省跨區(qū)域調(diào)度新準(zhǔn)則 跨流域跨省跨區(qū)域調(diào)度是全新的調(diào)度問題，水電在大大范圍輸送和配置過程中，由于通道不足、受送端電網(wǎng)靈活性電源不足、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜等多方面原因，導(dǎo)致汛期棄水嚴(yán)重、受端低谷消納困難等突出困難，需要建立全新的調(diào)度準(zhǔn)則以協(xié)調(diào)消納、調(diào)峰、棄水及多綜合利用需求的矛盾。輸電限制條件下跨流域消納準(zhǔn)則［53，65，80］、逐級并網(wǎng)輸電限制下大小水電協(xié)調(diào)消納優(yōu)化準(zhǔn)則［58，81］，多饋入直流水電與多電源協(xié)調(diào)的消納與調(diào)峰優(yōu)化準(zhǔn)則［83-88］，響應(yīng)多電網(wǎng)調(diào)峰需求的水電優(yōu)化準(zhǔn)則［86］被提出來用于處理多時(shí)空尺度、多應(yīng)用需求下的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

3.3.2 汛枯電量轉(zhuǎn)移的大小水電協(xié)調(diào)優(yōu)化方法 汛期大小水電相互擠占通道，是云南、四川產(chǎn)生較大棄水一個(gè)重要原因。小水電量多面廣，絕大多數(shù)是徑流式電站，且大多位于電網(wǎng)末端，來水主要集中在汛期，不適合建過多過大的外送通道，汛期通道受阻將長期客觀存在，局部棄水不可避免。減少斷面受阻、提高大小水電協(xié)調(diào)能力是較少西南水電棄水的一個(gè)重要途徑。逐級并網(wǎng)輸電限制下大小水電長期協(xié)調(diào)消納方法［58,82］、考慮小水電出力不確定性的大小水電短期聯(lián)合調(diào)度方法［93-94］、提高小水電發(fā)電能力預(yù)測能力［94-95］的多種調(diào)度方法用于有效處理復(fù)雜并網(wǎng)約束，減少通道阻塞，充分發(fā)揮大水電調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)汛枯期電量轉(zhuǎn)移，提高水電總消納電量，減少汛期棄水。

3.3.3 多饋入特高壓直流水電與受端多電源混聯(lián)同品質(zhì)電能互濟(jì)多電網(wǎng)調(diào)峰方法 特高壓直流水電與受端電網(wǎng)“源網(wǎng)”協(xié)調(diào)是新的調(diào)度運(yùn)行方式，這種調(diào)度呈現(xiàn)的直流水電“不調(diào)峰”和“反調(diào)峰”特性增加了東部受端電網(wǎng)調(diào)峰困難和低谷消納壓力，在基本不改變現(xiàn)有調(diào)度方式的前提下，如何利用電網(wǎng)間負(fù)荷特性、電源間運(yùn)行特性的差異來優(yōu)化高峰負(fù)荷分配減少火電調(diào)峰空間就成為解決問題關(guān)鍵［82-83］。為此，提出反映多個(gè)電網(wǎng)間負(fù)荷特性差異和受電比例限制的負(fù)荷重構(gòu)方法以消除量級效應(yīng)，以電網(wǎng)余荷方差最小為目標(biāo)，以高峰電量不變?yōu)榧s束條件，構(gòu)建特高壓直流水電、抽蓄、常規(guī)水電、火電、核電的抽蓄啟發(fā)式搜索算法、水電混合降維算法、火電切負(fù)荷調(diào)峰算法等分解電源，通過網(wǎng)間電力分配二次規(guī)劃方法協(xié)調(diào)優(yōu)化特高壓直流水電與受端常規(guī)水電、火電、抽蓄等電源出力，從而實(shí)現(xiàn)高峰負(fù)荷有效分配，達(dá)到了有效提高電網(wǎng)調(diào)峰率的目的，便于低谷電量的消納［85-91］。

4 中國水電未來需要致力解決的重大關(guān)鍵問題展望

中國風(fēng)、光、水電資源豐富，煤炭居支配地位的能源結(jié)構(gòu)和構(gòu)建低碳、清潔能源體系全球趨勢決定了加快風(fēng)電、光伏電、水電等清潔能源開發(fā)將是我國長期的可再生能源政策，三北風(fēng)、光清潔能源與我國西南水電將構(gòu)成數(shù)以十億級規(guī)模的清潔能源系統(tǒng)，如此規(guī)模的清潔能源系統(tǒng)在世界上也是罕見的。未來隨著我國三北風(fēng)光清潔能源在國家能源結(jié)構(gòu)體系中的比例進(jìn)一步提升和西南水電進(jìn)一步開發(fā)，三北風(fēng)光清潔能源、西南水電消納問題將愈加突出，我國電網(wǎng)靈活性資源不足問題將愈加凸顯。在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大背景下，西南水電不僅需要從低碳、清潔、可靠、經(jīng)濟(jì)和高效多個(gè)維度，繼續(xù)研究跨省、跨區(qū)域電源配置與消納，打破因?yàn)樵u價(jià)體系不健全、不完善導(dǎo)致的清潔能源大規(guī)模省間壁壘問題，更需要從戰(zhàn)略高度研究西南水電與三北風(fēng)光資源間的互補(bǔ)特性、機(jī)理、大規(guī)模消納優(yōu)化建模及其協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，研究市場條件下的清潔能源消納機(jī)制、理論和技術(shù)體系。

水電是大自然賦予中國的寶貴財(cái)富，在中國以煤電占支配地位的能源資源稟賦條件下，如何用好水電這一清潔、靈活性的電力資源是我國水利和電力工作者的責(zé)任。中國水電過去20多年史無前例的快速發(fā)展，給中國水電調(diào)度運(yùn)行和管理方式帶來了重大變化，產(chǎn)生了很多新的調(diào)度問題，這些新的調(diào)度問題直接挑戰(zhàn)了國內(nèi)外現(xiàn)有的調(diào)度理論方法，產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的，需要結(jié)合中國水電調(diào)度實(shí)際，提出具有普適性和應(yīng)用性的調(diào)度理論方法。本文從眾多中國近20多年以來水電調(diào)度問題中，總結(jié)和提煉了核心的關(guān)鍵問題及其研究進(jìn)展。根據(jù)筆者對未來中國能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的問題認(rèn)知，提出了未來需要致力于能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的中國水電問題研究，既事關(guān)西南水電消納，更關(guān)乎三北風(fēng)、光清潔能源消納，是構(gòu)建我國低碳、清潔能源體系重要的基礎(chǔ)理論研究和核心技術(shù)。