水库群联合优化调度方案研究

水库群联合优化调度方案研究

李柏均

中国水电建设集团圣达水电有限公司四川乐山614000

摘要：本研究基于水库群聚合虚拟法、利用逐步优化算法,制定了聚合虚拟水库的联合供水调度方案,并采用分水比例法确定了各成员水库共同供水任务的分配比例。结果表明:该方案可满足各类型的用水需求,利用该优化调度模型可制定科学合理的水库联合供水优化调度方案,将优化计算结果与实际调度结果进行对比分析，优化调度模型在提高补水量的发电效率、缓解电量损失方面具有优势，可为枯水期水量统一调度方案的制定提供借鉴。从而为该地区的水资源配置提供参考。

关键词：水库群;联合供水;优化调度

前言：20世纪60年代以来，国内外诸多学者对水库优化调度理论和方法进行了研究，但主要是针对单个水库或单个目标开展工作。进入21世纪以来，随着大批水库电站的建成和投入使用，中国已形成了一批巨型水库群，如黄河上游、长江上游、第二松花江、三峡梯级和清江梯级水库群等，中国水电工程已经进入了由建设到管理运行的关键转型期，国家能源发展战略规划对中国的水电发展提出了新的要求，因此开展水库群联合调度是顺应“节能发电”与“洪水资源化”的时代需求，具有重大的理论价值和现实意义。近年来，随着水文气象预报精度的提高、系统决策科学理论的日益完善和计算机软硬件技术的快速发展，为水库群联合优化调度创造了条件。由于入库径流的随机性，决策过程的动态性、实时性和数学模型、优化技术的局限性，使得水库调度决策问题呈现出非结构化的特点，水库群联合调度决策是一个非常复杂的过程。从不同的角度分类，水库调度决策可分为很多不同类型。按水库的功能目标可分为防洪调度、兴利调度和综合利用调度;按水库数量可分为单库调度、梯级水库调度和水库群联合调度;按调度周期可分为短期调度和中长期调度;按调度方式可分为常规调度和优化调度。本文重点综述近年来国内外库群联合优化调度方法研究应用进展，并探讨今后库群联合调度的发展趋势。

一、水库群联合调度原则和目标函数

1.1联合调度的基本原则

对以防洪为主的水库群，应采用补偿方式调度，一般以梯级水库的上游水库或距防洪保护区较远的并联水库先行补偿，使控制洪水比重较大、对洪水的调节能力较高、距下游防洪保护区较近的水库最后控制泄量;对以灌溉及供水为主的水库群，以总弃水量最小拟定各个水库的蓄放水次序，梯级水库上游水库应先蓄水后供水，库群中如有调节能力高、汛期结束较早的水库应先蓄水，在供水期按总供水要求进行补偿调节;对于以发电为主的水库群，在满足系统正常供电要求的前提下，以总发电量最大拟定各个水库的蓄放水次序，梯级水库上游水库一般应先蓄水后供水;对并联水库则需采用一些方法(如判别式法、库容效率指数法)，根据各库具体情况判别来确定最佳的蓄放水次序。西方发达国家在水库群调度领域有许多应用成功的实例，如美国加利福尼亚中心流域工程优化调度系统(CVP)、田纳西流域机构的水资源优化调度系统(HYDROSIM)、美国陆军工程兵团开发的防洪兴利调度系统(HEC-5)等。

1.2目标函数及约束条件

水库群联合优化目标必须尽可能满足国民经济和社会发展的各项具体要求或目的，如防洪、发电、灌溉、供水和生态等能以定量指标表示的具体目标。在以发电为主的水库群系统中，常以发电量最大、总出力最大或发电效益最大等为目标函数;在以防洪为主的水库群系统中，常以最大削峰准则、最大防洪安全保证准则和最短洪灾历时准则等作为目标函数。在不同类型水库的调度中，发电、灌溉及供水一般主要是兴利调度对象，防洪是各水库在汛期的主要调度对象，灌溉、供水、航运、泥沙、防凌和生态调度等主要是在兴利调度中通过给定限制条件来实现的。近年来随着水资源可持续发展观念的日益加强，综合考虑水资源经济、环境、生态和社会的和谐发展，水库群联合调度已经成为多目标调度问题，是近年来国内外研究的一大热点。

处在同一流域的梯级水电站不仅有水量水头的联系，也有电力方面的联系。由不同调节性能和不同入库径流特性的水库组成的水电站群，约束条件常用上下游水位、水头、水电站出力、额定用水、下泄流量等指标组成等式或不等式表示。对于具有防洪、发电、灌溉、航运及生态等任务的水库群系统，如果各目标效益可以公度则其运行调度可采用单一经济目标的优化模型;若不能公度则需转化为多目标问题来处理。

二、水库群联合调度优化算法

水库群联合优化调度模型的求解一般采用优化算法，它是通过确定决策变量的取值，使目标函数在特定约束条件下搜寻到最优解的方法。目前优化调度最优决策方法主要有线性规划、非线性规划、网络流法、动态规划法、大系统方法和启发式算法等。

2.1线性规划

线性规划(LinearProgramming，LP)是一种最简单、应用最广泛的计算方法，决策变量、约束条件、目标函数是线性规划的3个要素，满足线性约束条件的解为可行解。线性规划是最早应用于水库调度的方法之一，由于不需要初始决策，且计算结果能得到全局最优解，因此在处理一定规模优化问题时应用非常广泛，由于防洪目标多以线性形式表达，所以以处理水库群防洪问题居多。目前线性规划方法的求解技术成熟、易于求解。但由于线性规划模型与水库群系统之间存在一定的差异，对于模型中含有发电等兴利目标时，单纯的线性规划模型不一定能很好的反映库群联合调度的基本规律。

2.2非线性规划

目标函数或约束条件中包含非线性函数称为非线性规划(NonlinearProgramming，NLP)。一般说来，解非线性规划要比解线性规划问题困难得多，而且也不像线性规划有单纯形法这一通用方法，非线性规划目前还没有适于各种问题的一般算法，各个方法都有自己特定的适用范围，对于一些特定的非线性规划，也常常进行线性化处理使之变为线性规划问题来解。对于一般的非线性规划问题，局部解不一定是整体解，只有是凸规划问题的局部解才是全局最优解。水库群发电调度问题不一定能当成线性规划问题来处理，非线性规划在处理此类问题时有更强的适用性。

2.3网络流

网络流(NetworkFlowOptimization)是图论中的一种理论方法，是研究网络上的一类最优化问题。针对水库群优化调度具有目标函数为非线性，约束条件一般为线性集合的特点，若把整个库群的时空关系展开为一张网络图，就成了库群调度的非线性网络模型，可由线性网络技术及图论知识进行求解。网络上的流就是由起点流向终点的可行流，它是定义在网络上的非负函数，一方面受到容量的限制，另一方面除去起点和终点以外，在所有中途点要求保持流入量和流出量是平衡的。水库群优化调度的特殊结构使得此类问题也可用网络流模型来表示，该方法具有存储量小、计算速度快、对初始值要求不高的特点。

三、水库群联合优化调度的应用研究

水库群联合调度不仅是实现流域水资源可持续利用的基础，也是实现流域内水文补偿、库容补偿、电力补偿及综合利用效益的必要条件，在防洪、发电、灌溉、供水、生态和多目标调度等方面得到了广泛的应用。

3.1在防洪调度中的应用

在以防洪为主要目标的水库群调度中，在早期简单防洪工程上传统的线性规划和DP方法的应用十分广泛，且卓有成效。然而随着研究对象的复杂化，面对由水库群、蓄滞洪区、湖泊等防洪工程组成的复杂防洪系统，传统的方法已凸现其局限性。刘群明等引入粒子群算法与死亡罚函数相结合的混合算法，求解流域梯级水库防洪优化调度数学模型，通过惩罚项将定义域内的非可行域变成凸化，将求解约束优化问题转换为求解一个无约束问题。李玮等针对清江梯级水库群，提出了基于预报及库容补偿的水库群防洪补偿联合调度逐次渐进协调模型，运用大系统分解协调理论及Bellman的逐步逼近思想，通过建立三层递阶结构推求水库汛期防洪库容动态控制方案，在不降低水库及梯级原有的防洪标准前提下，有效地利用了上游水布垭水库的防洪库容分担隔河岩水库部分防洪任务，显著地提高了梯级水库发电量。Ampitiyawatta等应用HEC-ResSim模型对清江梯级水库进行了模拟调度，提出了适用于清江流域梯级特性的调度规则。

小结：水库群多目标优化调度。现代水库调度决策必须综合考虑发电、防洪、航运、生态等多种目标，既要考虑经济效益又要兼顾社会和环境效益，同时还要考虑决策者的偏好要求。因此传统的单目标优化决策方法已经不能适应新时期水库调度的要求，必须寻求多目标之间协调、统一的调度模式。目前研究大多集中采用主观权重法对多个目标进行加权，转化为单目标优化问题求解。因此采用客观权重法或主客观权重相结合的方法，是水库群多目标联合优化调度研究的重点。

参考文献：

[1]田峰巍，解建仓.用大系统分析方法解决梯级水电站群调度问题的新途径［J］.系统工程理论与实践，1998，18(5):112-117.

[2]王少波，解建仓，孔珂.自适应遗传算法在水库优化调度中的应用［J］.水利学报，2006，37(4):480-485.

[3]刘攀，郭生练，李玮，等.遗传算法在水库调度中的应用综述［J］.水利水电科技进展，2006，26(4):78-83.