长江上游流域梯级水库群联合优化调度研究与实践

肖舸 汤正阳

（中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002）

随着我国当前流域的滚动开发和电站的陆续投产，水电站的调度运行从单一时空尺度、单目标的常规调度，向大规模、多尺度、多层次、多属性、多目标方向联合优化调度发展。在联合调度运行过程中，不可避免地面临水文情势变化、过程不确定性增加、调度模式复杂、供需矛盾增大等诸多方面的影响和风险，存在一系列亟待解决的科学问题和技术难题，这也是现阶段国内外学者研究的重点、难点和前沿问题。

目前，以三峡水库为核心的长江上游流域水库群初具规模，为更好利用水资源，充分发挥梯级水库综合效益，开展流域水库群联合调度研究具有重要意义。立足于实现中央提出“防洪安全、供水安全、粮食安全、经济安全、生态安全、国家安全”的国家安全目标与《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》提出的国家科技创新目标，针对新形势下梯级水库群防洪、航运、发电、供水、生态等综合调度面临的各方面问题，以金沙江下游—三峡梯级水库群为研究对象，通过研究水库群联合调度的关键技术，解决流域梯级水库群的水库蓄泄及河道径流仿真、梯级流域水库群长中短期优化调度、梯级水库群预报及调度运行评估等技术难题。

1 长江流域水电开发情况

1949年底，全国水电装机总量仅为36万kW。改革开放以来，水电开发快速发展，尤其是2008年至2016年，我国水电总装机容量从1.73亿kW增长至3.38亿kW，预计至2025年全国水电装机容量达到4.7亿kW[1]。详见图1。

图1 中国水电历年装机容量变化图

长江流域面积达180万km2，水能资源丰富，蕴藏总量占全国的39.6%，其上游流域即宜昌以上流域约占长江全部水能资源的84%，分布有金沙江、雅砻江、大渡河、乌江和长江上游五个水电基地，技术可开发装机容量约1.78亿kW，占全国规划的十三大水电基地的59%。各水电基地开发情况见表1。至2015年底，已建水电站装机容量约0.9亿kW，占技术可开发量约50%[2]。

2 梯级水库群调度运行的新形势

2.1 边界条件发生变化

气候变化与人类活动是导致流域边界条件发生变化的两大主要因素。近年来，由于人类活动导致的下垫面变化以及气候变化引起的地表热量平衡改变、大气环流异常等，使降水、蒸散发、径流、土壤水分等要素发生了改变，引起水资源在时空上的重新分配，导致水文序列产生剧烈变化，从而引发了径流变异问题，改变了长江流域边界条件[3]。这种变异加大了降雨、径流的不确定性，给流域管理、调度工作造成了极大的困难。针对长江流域边界条件变化进行科学分析，剖析其对气候变化与人类活动响应机制，明确内在机理，以期提高长江流域降雨预报、径流预报的准确性，意义重大。

2.2 水库调度运行方式发生变化

截至2016年底，长江流域已建成大型水库285座，总调节库容1800余亿m3，形成了规模极为庞大的流域梯级水库群。目前，各水库实际调度时，一般按照规划设计阶段制定的原则进行，而设计条件与建成后水库运行所面对的实际外部条件有显著差别。同时，长江上游流域各水库归属关系较为复杂，呈现运行管理单位多元化态势，水库群在信息共享、利益分配等方面存在着较大困难与矛盾。这些问题的出现，迫使水库调度运行方式发生了较大的变化。如何在现有形势下，合理安排流域水库群运行方式，科学高效进行流域水库群管理调度，已成为水资源利用领域重要研究课题。

表1 长江上游五大水电基地开发情况

2.3 调度计算参数的变化

水电工程建设周期较长，从设计阶段到最终投产运行需十年左右时间，水电站建设过程中的发电调度参数与设计阶段相比往往已发生一些变化。同时，部分电站由于更新改造或扩建，特征参数变化较大。而一些运行时间较长的电站，泥沙淤积（冲刷）、机组运行工况变化等情况的出现，使得机组运行效率发生了较大变化，对水电站调度计算参数影响较大。计算参数发生变化给调度工作开展造成了极大困难，无形中降低了水电站综合效益，增加了水电站运行安全风险，制约了精细化调度技术的进步。

3 梯级水库群联合调度面临的主要问题

国家层面开展的科研课题主要立足于战略发展的高度，侧重宏观调度策略研究和制定水量调度规则。在此框架指导下，各流域水库管理公司开展调度实施工作，具体解决调度面临的实际问题。以三峡集团负责管理运行的金沙江下游至三峡梯级水库群为例，该水库群包含了乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝等6座大型水电站，总防洪库容376.43亿m3，装机容量超过7000万kW，水库群肩负着繁重的防洪、航运、泥沙、生态保护、发电等综合任务。

三峡水库作为长江流域的骨干性综合控制枢纽工程，承担任务重、约束条件多、调度管理关系复杂、协调难度大，要承担设计防洪、航运、发电、补水、生态、库尾拉沙、抗旱、压咸潮、船舶施救等任务。葛洲坝是三峡枢纽的航运反调节枢纽，其库容小、水位变化灵敏，约束严格，实时调度水位控制难度大。溪洛渡存在“一库两站两调”、分层取水、泄洪时容易气体过饱和等难题。向家坝泄洪设施运用复杂，泄洪易引起坝址区和周边建筑物低频振动问题，向家坝下游水位受其他公司电站运行影响且航运要求高、协调部门多，水位变幅控制困难，未来还有灌溉取水和升船机运行等约束。乌东德、白鹤滩接受国家电网、南方电网调度，具体方式待定。白鹤滩、溪洛渡均为高库拱坝，拱坝的运行调度安全性要求较高。此外，金沙江下游—三峡梯级电站输电线路长、受电区域广，而不同区域电力交易规则各有特点且尚未固化。

梯级水库群规模庞大，水库间联系紧密，调度任务复杂多样，工程建设时间跨度长，开展联合优化调度运行面临的技术难度大，国内外无先例可循，缺乏统一有效、扩展性好的管理和协调决策支持系统。

4 梯级水库群水资源管理决策支持关键技术研究

针对金沙江下游—三峡梯级水库群联合调度面临的主要问题，从水库及河道仿真模拟、梯级水库群优化调度、预报及调度运行评估、系统集成4个方面进行研究，最终建成梯级水库群水资源管理决策支持系统，提高梯级水库群联合优化调度能力和管理决策水平，实现流域梯级电站的优化经济调度，充分发挥水库群的综合效益。

4.1 近期主要研究成果

梯级水库群调度运行研究已成为科研的热点问题[4-6]，根据中国知网统计信息，近几年围绕着梯级水库群联合调度运行的相关研究和论文呈不断上升的局面。国内众多高校和研究机构，围绕着长江流域水库群安全运行、优化调度等研究方向，已开展了多个科研课题研究，取得了显著成果。

国家“973”计划项目“梯级水库群全生命周期风险孕育机制与安全防控理论”认为，梯级水库群安全是水电发展出现的新问题，系统规避梯级水库群风险，成为事关经济社会发展全局重大战略问题之一。

“十一五”科技支撑计划项目“特大型梯级水利水电枢纽工程建设及高效运行安全关键技术研究”，围绕重大水利工程安全运行监测、诊断和预警技术、特大型水电工程施工过程事故控制及应急救援体系建立等相关内容展开了深入的研究。

“十一五”科技支撑计划项目“湖北省区域性巨型水库群经济运行关键技术研究与应用”研究了气象水文预报预警、巨型水库群洪水资源调控、水电经济运行及市场化运营效益、水库群联合调度自动化系统开发集成等关键技术。

国家重点研发计划“长江上游梯级水库群多目标联合调度技术”，以长江上游干支流控制性水库为对象，围绕防洪、供水、生态、发电等调度重大问题和水库群蓄水、应急调度等问题展开研究，建立水库群系统多目标调度理论和风险评估体系，将云服务和智能调度应用于水库联合调度。

三峡集团开展的“三峡水库含生态环境目标的综合优化调度研究”，初步提出了兼顾生态环境保护的三峡水库防洪、航运、发电综合优化调度方案；“金沙江—溪洛渡向家坝水库与三峡水库联合调度研究”指出溪洛渡、向家坝、三峡组成的巨型水库群联合调度综合效益巨大，同时因溪洛渡、向家坝水库调蓄，三峡水库入库水文情势发生改变；“长江上游流域径流特性变化分析研究”分析了长江上游流域径流特性变化及原因，指出长江上游汛期平均流量减少，非汛期平均流量增加，大部分站点年平均流量变化不大。

4.2 梯级水库群水资源管理决策支持关键技术研究

4.2.1 水库及河道仿真模拟

长江上游流域目前已建成投产多座调节能力较强、库容较大的巨型水库，其运行对金沙江下游—三峡梯级水库群入库流量影响较大，但水库运行信息共享机制尚不健全。随着长江上游流域水库数量的增多，水库群运行时间的增长，水库及河道的特征发生改变，导致相邻水库间短期出入库流量、库区沿程水面线、断面水位流量等规律的持续动态变化。

为定量分析上游水库群运行对金沙江下游—三峡梯级水库入库流量的影响，准确识别流域环境变化下梯级水库群及长江上游河道的模拟参数，实现水库群精细化调度，有必要对长江上游流域梯级水库及河道进行仿真模拟，主要内容如下：

水库模拟方面，搜集、整理历史调度运行数据，定量分析上游电站长中短期调度运行规律，构建上游水库群不同时间尺度的概化调度运行模拟模型；校核和修正金沙江下游—三峡梯级水库调度参数，构建6座水库的精细调度运行模拟模型；初步识别电力系统和受电区域的用电时空规律，分析不同情景下上游水库群可能的运行策略。

河道演进模拟方面，通过机理分析、数据挖掘等方法，研究两坝间、库区内、河道内洪枯水传播规律，修正两坝间短期出入库流量的不平衡问题；精细模拟和预测河道型水库在动库容影响下的库区水面线，以及在流量剧烈变化、下游水位顶托情况下的断面水位流量变化过程。

4.2.2 梯级水库群优化调度研究

目前，金沙江下游—三峡梯级水库群已初步实现联合调度，但现有调度系统主要以溪洛渡—葛洲坝四库的常规联合调度为主，尚未包含乌东德和白鹤滩水库。同时，中长期调度与短期、实时调度相对独立，调度决策缺乏整体性与一致性。此外，现有调度系统未考虑电力市场发展形势，随着电力市场改革进程的加速推进，电力市场对发电计划的影响权重势必会大幅度提高。

针对上述问题，综合考虑防洪、航运、生态等水资源综合利用需求和电力市场需求，分析梯级水库群长中短期及实时优化调度的目标函数及约束条件，分别构建各层次调度模型及嵌套耦合模型，并寻求多种快速有效的优化算法。研究滚动优化的综合调度集成技术，研制可用于指导生产管理的水库群长中短期优化调度模型及电站实时优化运行模型，并建立适应生产调度需求的常规调度模型，具体内容如下：

（1）厂内经济运行

厂内经济运行是短期优化调度的具体体现，应考虑机组运行工况、线路送出、检修情况、电力市场需求等约束，并参考溪洛渡左、右岸电厂不同电网调度的问题，为乌东德、白鹤滩可能存在的类似问题预留可选模块。

（2）短期优化调度

短期优化调度是中长期优化调度的具体体现，也是厂内经济运行的控制手段，首先根据来水情况、电站特点、水库运行、电力系统及电力市场等需求，制定计划期的优化调度方式；同时以计划期内的运行方式为指导，根据面临时段及其后时段水情、负荷等信息的可能变化，实时修正原调度方式。

电力市场条件下，短期优化调度计划分为竞价阶段和负荷分配执行阶段，竞价阶段的优化目标是发电效益最大化；负荷分配执行阶段，根据电网下达计划进行厂间负荷分配，梯级水电站统一电价时以发电耗水量最小为优化目标，不同电价时以发电效益最大为优化目标。

（3）中长期优化调度

中长期优化调度是在已知梯级水库入流过程等条件下，寻求优化准则达到极值的梯级水电站出力过程和相应的梯级水库蓄泄状态变化过程，具备滚动决策修正功能，从而应对汛期、消落期、蓄水期、不供不蓄期等不同时期以及不同时段内电力市场供需、预测电价。

（4）长中短期优化调度模型耦合嵌套

研究梯级水库群不同时间尺度调度模型耦合嵌套方法，短时间尺度模型为长时间尺度模型提供反馈，长时间尺度调度模型计算结果为短时间尺度调度模型提供控制边界条件。

4.2.3 预报及调度运行评估研究

目前预报及调度运行评价主要采用单一过程的指标评价、结果分析的单向流程，没有进行系统评估，也未形成闭环反馈，因此无法通过评估预报模型及调度策略来提高预报调度水平。

该模块基于长系列数据，对预报成果及梯级水库调度的方案和结果进行集合评估，根据评估结果推荐未来时段或指定情景下的预报模型和调度方案，提出优化建议。

（1）水文预报成果评估

基于长系列径流资料，对不同预报软件或不同预报员的预报成果进行评定，在此基础上提出预报软件改进方法和适用情况，提高模型预报精度。结合集合预报成果，提出集合预报产品评价方法，并给出单一预报或集合预报结果的置信水平。

（2）梯级水库群调度运行评估

调度方案评估后实施，实施后再进行评估和反馈。同时，在水库群系统变化后，快速科学地评估这些变化对系统的影响，以便制定出相应的调度策略。

4.2.4 系统集成技术研究

设计和开发支撑金沙江下游—三峡梯级电站水资源管理决策支持系统的数据平台，实现决策支持系统与三峡梯级水调自动化系统之间的数据传输和应用交互。根据水库群实际调度需求及系统特点，进行仿真模拟、联合优化、评估分析、可视化等核心应用功能模块的集成开发，构建集模拟、评估、决策实施、反馈于一体的服务平台；系统应具备良好的可视化，构建以用户为中心、面向对象的人机交互界面；系统应具备良好的扩展性，能够适应新增水库和新增需求的变化，并提供二次开发接口。

5 联合优化调度实践的效益分析

表2 金沙江下游—三峡梯级电站联合调度效益

以三峡集团已建成的溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝梯级电站为例，近几年梯级水库群联合调度实践取得了显著效益。2014-2016年梯级电站实际运行数据（见表2）表明，通过联合调度，金沙江下游—三峡梯级电站年均节水增发电量101.8亿kW·h，年均拦蓄洪量140亿m3，年均补水量达250.9亿m3，三峡船闸年均货运量1.1亿t，综合效益显著。

近年来，长江上游流域调节能力较强的大型水库已实行联合防洪调度。2016年，长江流域发生自1998年以来最大洪水，国家防总、长江防总联合调度长江上中游30余座大型水库，共拦蓄洪水227亿m3，避免了荆江河段超警和城陵矶地区分洪。2017年，为应对长江中游型大洪水，上游流域水库群再次实施联合调度，拦蓄洪量102.39亿m3，有效减轻了中下游防洪压力。相关研究表明，长江上游在建和已投运水库群设计多年平均年发电量总计约为5420亿kW·h，若实行联合优化调度，按增发电量3%计算，可增发多年平均年发电量162.6亿kW·h，相当于三峡电站多年平均年发电量的1/5，相当于每年减少原煤消耗751.7万t，减少二氧化碳排放1582万吨，减少二氧化硫排放约8.3万t，具有显著的生态环境效益。在解决长江上游流域调度中存在的关键技术问题基础上，深入贯彻实施水库群联合优化调度，具有巨大的防洪、生态环境和社会经济效益。

6 展望

长江上游流域水库群的规模在不断扩大，其地位和作用愈发重要。《国家发展改革委、国家能源局发布关于促进西南地区水电消纳的通知指出，在保障电网安全运行的前提下，研究健全长江流域水库群电力调度沟通协调机制；推动建立流域统一协调的调度管理机制，研究流域梯级联合调度体制，充分发挥流域梯级水电开发的整体效益，提高市场竞争能力。

本文提出的梯级水库水资源管理决策支持系统建设思路，在金沙江下游—三峡梯级电站应用实践的基础上，经过总结、提炼和持续扩展完善，可为长江流域梯级联合调度提供有效的技术支撑和决策参考。

参考文献：

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[2]余将.2015年底全国水电装机容量3.2亿千瓦[EB/OL].https://bg.qianzhan.com/report/detail/459/160205-9c36a4d0.html，2016/2/16.

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