金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)研究

徐楊 汪永怡 杜康華 楊旭

摘 要：為充分發(fā)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(tǒng)以提高梯級水庫群調(diào)度管理水平和決策效能。分析了建設(shè)金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度決策系統(tǒng)的必要性和可行性，對決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、需重點解決的問題及所采用的技術(shù)手段展開了研究，提出了決策支持系統(tǒng)軟件的設(shè)計思路，可為金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度管理決策提供技術(shù)支持和參考。

關(guān)鍵詞：水庫群;優(yōu)化調(diào)度;決策支持系統(tǒng)

中圖法分類號：TV697.1? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0106

水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度一直是水資源管理領(lǐng)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(tài)性、實時性，系統(tǒng)的非線性，以及管理的多目標(biāo)性，使得水庫群聯(lián)合調(diào)度決策過程非常復(fù)雜，僅依靠個人能力對水庫群優(yōu)化調(diào)度做出正確的決策十分困難。另一方面，科學(xué)家們已建立了較完善的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀⑽锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)模型來模擬流域水文過程、水庫調(diào)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(xué)家之間的橋梁，F(xiàn)edra[1]首先將決策支持系統(tǒng)的思想引入到水資源管理中。

所謂決策支持系統(tǒng)是以運籌學(xué)、控制論和行為科學(xué)為基礎(chǔ)，其主要特點是能夠解決復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化問題，重點是定量模型應(yīng)用、數(shù)據(jù)分析和為決策者提供決策依據(jù)[2]。而梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化決策支持系統(tǒng)就是將水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度涉及的決策問題通過建立的模型進行定量表達(dá)，使水資源管理決策者在科學(xué)的基礎(chǔ)上把握決策過程，從而提高決策的效能，最大程度發(fā)揮流域水庫群的綜合效益。

1 聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)建設(shè)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(jīng)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(fā)電量超過3 000億kW·h，裝機容量和年發(fā)電量均居世界水電行業(yè)首位。金沙江下游—三峽梯級水庫群擔(dān)負(fù)著防洪、發(fā)電、航運、供水、生態(tài)環(huán)境保護等多項功能，綜合利用要求高、電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，是典型的多目標(biāo)、非線性、隨機動態(tài)系統(tǒng)。

為解決金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度面臨的長距離河道演算、大面積流域水雨情預(yù)報、實用的多庫多目標(biāo)聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法、調(diào)度效果評價等關(guān)鍵科學(xué)問題和工程應(yīng)用技術(shù)瓶頸，急需一套梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)，為決策提供合理建議和科學(xué)依據(jù)。

另外，隨著計算機技術(shù)發(fā)展與實際需求增加，現(xiàn)有的水庫調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)已不能滿足電力系統(tǒng)改革和生產(chǎn)管理的需求，原因如下：①已有水庫調(diào)度系統(tǒng)多是針對流域上單個水庫開發(fā)的，每個系統(tǒng)控制的是局部范圍，很難進行流域梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度。②少量水庫調(diào)度系統(tǒng)只能完成溪洛渡—葛洲壩四庫的常規(guī)聯(lián)合調(diào)度計算及中短期優(yōu)化調(diào)度計算，不具備中長期優(yōu)化調(diào)度計算功能，更無法進行梯級水庫群調(diào)度效益評價分析。③受當(dāng)時所采用開發(fā)框架與技術(shù)的限制，現(xiàn)有水庫調(diào)度系統(tǒng)的技術(shù)更新、功能升級和調(diào)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(yōu)的調(diào)度決策方案，提高梯級水庫群管理水平，充分發(fā)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(zhǔn)確的水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。

1.2? ? 可行性

梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度研究源于歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家，我國也于20世紀(jì)80年代開始水庫群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度方面的研究。目前，國內(nèi)外學(xué)者和研究機構(gòu)在流域水文特性分析與預(yù)報、梯級水電站發(fā)電、防洪及生態(tài)調(diào)度、水庫群多目標(biāo)優(yōu)化調(diào)度，跨電網(wǎng)、區(qū)域聯(lián)合優(yōu)化運行等方面都有深入的研究并建立了相應(yīng)的理論體系。

國內(nèi)外梯級調(diào)度機構(gòu)在流域梯級水庫群調(diào)度管理技術(shù)方面也積累了成功經(jīng)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(tǒng)，長江上游水庫群信息共享系統(tǒng)正不斷推進，跨區(qū)域的梯級水庫調(diào)度自動化系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)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(lián)合優(yōu)化調(diào)度的經(jīng)驗技術(shù)和取得的巨大效益，也為金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)提供保障。

水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度模型和工程應(yīng)用系統(tǒng)的研發(fā)一直受國內(nèi)外梯級調(diào)度機構(gòu)重視，然而現(xiàn)階段較為成熟的應(yīng)用系統(tǒng)均以國外為主。有影響力且應(yīng)用較廣的產(chǎn)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(tǒng)（GTDSS）等。對于復(fù)雜系統(tǒng)針對性開發(fā)的應(yīng)用產(chǎn)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(fā)的CalSim。該系統(tǒng)包括了加州所有州屬和聯(lián)邦政府所屬的20多個水庫和北水南調(diào)設(shè)施，主要功能有短期運行和中長期調(diào)度方案模擬，采用的優(yōu)化算法是線性規(guī)劃。田納西流域機構(gòu)（TVA）開發(fā)的RiverWare也是針對所屬的田納西河十幾個水庫開發(fā)的生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)，包括預(yù)報、中長期短期調(diào)度及實時控制模型。國外的應(yīng)用系統(tǒng)將具有普適性的算法都固化成通用模塊，可針對不同的應(yīng)用對象和特殊要求進行二次開發(fā)。

因此，基于國內(nèi)外理論研究成果以及國外先進的水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度應(yīng)用系統(tǒng)，結(jié)合三峽—葛洲壩和溪洛渡—三峽梯級水庫的聯(lián)合調(diào)度技術(shù)經(jīng)驗，開發(fā)金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)是可行的。

2? ?聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)設(shè)計

2.1? ?系統(tǒng)目標(biāo)

圍繞長江上游水電綠色發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，解決金沙江下游—三峽梯級水庫群防洪、航運、發(fā)電、供水、生態(tài)等綜合調(diào)度存在的技術(shù)難題，研制快速有效的水資源模擬、優(yōu)化及評估模型，建立梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策系統(tǒng)，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(chǎn)調(diào)度等工作和決策提供技術(shù)支持。

2.2? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

根據(jù)金沙江下游—三峽梯級水庫聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度特點及任務(wù)，決策支持系統(tǒng)以水庫及河道仿真模擬研究為基礎(chǔ)，圍繞梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度、預(yù)報及調(diào)度運行評估兩大焦點問題，開展方法研究和技術(shù)攻關(guān)，以系統(tǒng)集成為手段，開發(fā)能應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)。

系統(tǒng)主要分為水庫及河道仿真模擬、梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型、預(yù)報及調(diào)度運行評估、梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)軟件四大部分，系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)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(lián)合優(yōu)化調(diào)度的水文基礎(chǔ)和技術(shù)支撐，主要研究梯級水庫群調(diào)蓄下的徑流變化特性以及水庫群調(diào)控方式與匯流過程的響應(yīng)—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(tǒng)重點解決以下問題：①長江上游控制性水庫調(diào)度運行規(guī)則的模擬;長江上游水庫群調(diào)蓄對金沙江下游—三峽梯級水庫群調(diào)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(guī)律及水量不平衡問題。③梯級水庫實時調(diào)度的仿真模擬，實現(xiàn)給定調(diào)度方案和調(diào)度策略后，梯級電站的調(diào)度計算及庫區(qū)水面線、下游控制斷面水位變化情景的模擬。

所采用的技術(shù)手段為：利用大數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，識別梯級水庫群建設(shè)運行對徑流影響的關(guān)鍵因子，分析、預(yù)測長江上游控制性水庫的蓄泄規(guī)律。基于規(guī)則擬定、水動力學(xué)、機器學(xué)習(xí)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(lián)合運行情景及相應(yīng)的調(diào)度影響分析，解決實時調(diào)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(diào)控能力，保證不同時間尺度優(yōu)化計算中入庫流量的一致性。

2.2.2? ? 梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型

梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型是決策支持系統(tǒng)的核心模塊，主要研究和建立可指導(dǎo)生產(chǎn)管理的金沙江下游—三峽梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型，以提高梯級水庫群的科學(xué)調(diào)度水平及綜合效益。

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

所采用的技術(shù)手段為：結(jié)合綜合調(diào)度需求、電網(wǎng)約束及電力市場改革，理清約束條件，構(gòu)建滿足其他綜合利用需求條件下的以發(fā)電量最大或發(fā)電效益最高為目標(biāo)的優(yōu)化調(diào)度函數(shù)。長中短期及實時優(yōu)化模型采用分層互饋結(jié)構(gòu)（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(gòu)側(cè)重點不同。模型建立的順序為短期到長期。實際應(yīng)用時的順序則相反，為長期到短期。中長期優(yōu)化模型的決策引擎包括各種先進優(yōu)化算法和規(guī)則控制多種選擇，實時優(yōu)化模型采用動態(tài)規(guī)劃算法。

2.2.3? ? 預(yù)報及調(diào)度運行評估模型

預(yù)報及調(diào)度運行評估模型主要研究和建立水文預(yù)報和梯級水庫調(diào)度效果評估的數(shù)學(xué)模型，以科學(xué)評價梯級水庫群調(diào)度的效果。

該系統(tǒng)重點解決以下問題：①預(yù)報成果評估修正，建立實時預(yù)報修正方法，推求集合預(yù)報成果，提高預(yù)報水平。②梯級水庫群調(diào)度運行評估，分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和調(diào)度規(guī)則變化相應(yīng)的效益增量并推薦優(yōu)化調(diào)度方案;分析梯級水庫群中各水庫的貢獻(xiàn)，厘清綜合調(diào)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(shù)手段為：利用可靠性、相關(guān)系數(shù)、不確定性等指標(biāo)對歷史水文預(yù)報成果進行評估分析，建立預(yù)報評估模型;根據(jù)評估結(jié)果，分析預(yù)報修正手段，并將水文預(yù)報單一成果推求至集合成果，作為優(yōu)化調(diào)度模型的輸入。以中長期優(yōu)化調(diào)度模型為基礎(chǔ)，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(diào)度運行方式，逐時段地自動模擬系統(tǒng)的演變過程，記錄感興趣的系統(tǒng)表現(xiàn)參數(shù)（水位，流量，發(fā)電量，供水保證率，生態(tài)約束保證率等）并進行統(tǒng)計分析，得出影響結(jié)論，推導(dǎo)適應(yīng)性調(diào)度規(guī)則。評估分析通過比較多種待評估方案和基準(zhǔn)方案來研究系統(tǒng)的變化。

2.2.4? ? 梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)軟件

梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)軟件是以上述研究的理論成果為基礎(chǔ)，構(gòu)建集模擬、調(diào)度、評估、決策于一體的金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)服務(wù)平臺。

該模塊重點解決問題為：①研究梯級水庫群系統(tǒng)數(shù)據(jù)支撐和交互技術(shù)，構(gòu)建基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫并設(shè)計接口。②根據(jù)需求及系統(tǒng)特點，進行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，優(yōu)選系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)。③結(jié)合已有的水調(diào)自動化系統(tǒng)及上述理論的研究成果，進行仿真模擬、聯(lián)合優(yōu)化、評估分析、可視化等核心應(yīng)用功能的開發(fā)。④進行系統(tǒng)集成，形成一套快速實用的梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)。

采用的技術(shù)手段為：①統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺設(shè)計和搭建。針對聯(lián)合優(yōu)化決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)內(nèi)容和應(yīng)用需求，建設(shè)用于存儲決策支持信息的數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)與現(xiàn)有水調(diào)自動化系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保持一致，實現(xiàn)對實時水情、水庫基本信息、預(yù)報調(diào)度信息及決策支持?jǐn)?shù)據(jù)信息的規(guī)范存儲。②數(shù)據(jù)通信與處理模塊的設(shè)計和開發(fā)。根據(jù)聯(lián)合優(yōu)化決策支持系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求，設(shè)計與實現(xiàn)各種數(shù)據(jù)傳輸所需的通信協(xié)議，滿足各類基礎(chǔ)數(shù)據(jù)交換要求。③信息配置管理功能模塊的設(shè)計和開發(fā)。設(shè)計和開發(fā)聯(lián)合優(yōu)化決策支持系統(tǒng)的圖形化管理配置功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)對象、信息類型、信息點號、傳輸機制、校驗標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫源等內(nèi)容進行配置，能夠?qū)Ω鞣N信息交換、存儲、發(fā)布及展示內(nèi)容進行統(tǒng)一應(yīng)用、集中管理。④實現(xiàn)與現(xiàn)有水調(diào)自動化系統(tǒng)的接口。建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理流程，實現(xiàn)各類數(shù)據(jù)信息在水調(diào)自動化系統(tǒng)中的統(tǒng)一應(yīng)用，并支持從水調(diào)自動化系統(tǒng)中直接應(yīng)用和關(guān)聯(lián)決策支持系統(tǒng)的相關(guān)功能和組件。聯(lián)合優(yōu)化決策支持系統(tǒng)軟件接口采用標(biāo)準(zhǔn)的通信接口協(xié)議。⑤仿真模擬。在充分分析歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)長江上游主要河道、重點水庫的全周期仿真模擬，實現(xiàn)在短期—中期—長期預(yù)報結(jié)果支持下的流域徑流仿真模擬、固化仿真模擬算法。該應(yīng)用模塊按照標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)方式進行封裝。⑥聯(lián)合優(yōu)化。以多目標(biāo)約束條件下的水庫群短期—中期—長期調(diào)度方案為目標(biāo)，以仿真模擬結(jié)果為基礎(chǔ)，構(gòu)建水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度算法。該應(yīng)用模塊按照標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)方式進行封裝。⑦評估分析。對水庫群模擬仿真、聯(lián)合優(yōu)化后的調(diào)度結(jié)果集按統(tǒng)計學(xué)方法進行評估，分類，優(yōu)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(yù)報結(jié)果進行評估，與國內(nèi)外已有數(shù)據(jù)進行比較，以反映梯級水庫預(yù)報整體水平。⑧可視化。利用多維圖表、遙感和地理信息系統(tǒng)，構(gòu)建覆蓋長江上游流域多尺度調(diào)度過程交互及結(jié)果展示平臺。在流域范圍內(nèi)進行優(yōu)化方案的全要素對比，全面反映聯(lián)合優(yōu)化效果。

3? ?結(jié)語

本文分析了金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合調(diào)度決策系統(tǒng)建設(shè)的必要性和可行性。根據(jù)梯級水庫群的調(diào)度運行特點及任務(wù)，對決策支持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、需重點解決的問題及所采用技術(shù)手段展開了研究，提出了決策支持系統(tǒng)軟件的設(shè)計思路。系統(tǒng)主要包括水庫及河道仿真模擬、梯級水庫群優(yōu)化調(diào)度模型、預(yù)報及調(diào)度運行評估、梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)軟件四大部分，開發(fā)能應(yīng)用于生產(chǎn)實踐的金沙江下游—三峽梯級水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度決策支持系統(tǒng)，以提高梯級水庫群調(diào)度管理水平和決策效能，充分發(fā)揮金沙江下游—三峽梯級水庫群的巨大綜合效益。

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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