摘要
近年来，受气候变化和人类活动的双重影响，流域水循环过程和水资源时空分布规律发生了深远变化，极端水文事件频繁发生，水文过程呈现出强烈的随机性，现有的预报理论与方法难以满足工程实际应用中梯级水电站群联合调度对入库径流预报精度和预见期的要求；另一方面，随着流域水电站群的大规模建设和投运、新能源的大规模开发与并网、西电东送能力不断扩大和电网峰谷差异日益增大，水电能源系统优化运行与管理中涉及的复杂现象和问题日益凸显，给流域梯级水电站群联合优化调度带来了新的挑战。为此，本文围绕梯级水电站随机发电优化调度和短期调峰调度面临的若干科学问题，结合水电站经济运行理论、运筹学、规划原理和智能优化方法，以实现水能资源的高效利用和解决实际工程应用问题为目标，对随机来水下的梯级水电站群联合发电优化调度和复杂约束下的短期调峰计划编制问题开展了深入研究，取得的一些有价值的研究成果可供流域相关调度部门参考，部分成果已集成到“多调度主体水电站群联合调度软件”和“杂谷脑梯级优化调度系统”，并在国家电网西南分部和中国华电集团四川分公司实现了工程应用。论文的主要研究内容和创新成果包括： （1）为解决不确定来水下溪洛渡-向家坝梯级水电站长期发电优化调度问题，首先不考虑径流预报，以规避来水预报不确定性对水库调度的影响，利用长系列历史径流资料进行调度图控制线优化，提出了梯级联合蓄能调度图绘制及优化方法，在满足梯级发电保证率的条件下，实现了历史多年平均发电量最大化；随后考虑中长期径流预报不确定性的影响，对月径流预报误差分布规律进行分析，进一步，采用蒙特卡洛模拟方法随机生成径流序列，建立了考虑径流预报误差的长期发电调度优化模型，并提出一种改进的并行逐步优化算法进行模型求解，根据求解结果给出了优化调度置信区间，并据此绘制出直观且信息更为丰富的预报调度图用以指导水库运行，为解决随机来水下梯级电站长期发电优化调度问题提供了一种新思路。 （2）围绕金沙江下游梯级水电站群枯水期水位消落问题，研究工作从经典蓄供水判别式法入手，分析了运用判别式法进行枯水期发电调度时的问题和缺陷。进而综合考虑梯级最小出力最大和总发电量最大两个目标，建立了梯级水电站枯水期多目标优化调度模型，相应地提出一种改进多目标差分进化算法对模型进行求解，并基于三种来水典型年的调度计算结果，采用隐随机优化方法提取水位消落控制规则，最终提出一种结合判别式法和控制规则进行梯级电站水量调度操作的方法。研究结果表明，提出的方法能够充分发挥梯级电站补偿效益，显著提高了水能利用率，可为合理制定金沙江下游梯级水电站枯水期水位消落运行方案提供借鉴和指导。 （3）为考虑随机径流对水电站中期发电调度的影响，首先，将径流过程描述为相邻时段径流相关的简单离散时间马尔可夫链，采用概率约束条件和期望值目标，建立了均衡考虑效益和风险的机会约束期望值模型，并提出采用随机动态规划方法滚动求解；其次，为充分利用预报信息提高水库调度效益，提出了基于逐日滚动和实时校正的动态控制优化模型，考虑水量在余留期各个时段之间的随机分配，利用面临时段的短期日径流预测结果和未来余留时段中长期平均径流预测结果计算得到了最优水位控制策略，并根据实际情况实时对调度决策进行滚动修正。以溪洛渡电站为实例，对两种方法进行了对比验证，并与确定性动态规划计算得到的结果比较，分析总结了各方法的优劣和适用性。 （4）针对梯级水电站群短期调峰问题，从流域集控中心制定梯级电站日发电建议的角度出发，以杂谷脑流域梯级水电站为例开展研究，综合考虑径流预报信息、振动区约束、梯级电站间水流时滞等因素，建立了梯级水电站联合调峰发电效益最大模型，提出结合离散微分动态规划和逐步优化算法求解负荷分配问题，应用等微增率原则和预想出力方法解决机组优化问题，在较短的时间内制定出了兼顾电网调峰需求、同时满足电站及机组多重复杂约束的梯级电站负荷优化分配和机组组合方案。计算结果表明，建立的方案能有效减小梯级电站弃水量并增加发电效益，可为保障梯级水电站群安全、稳定、高效、经济运行提供技术支持。
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