摘要
随着我国水电能源建设的步伐加快，形成了一批以流域梯级水电站和风光蓄能等为主体的清洁能源基地，有效地缓解了传统化石能源短缺的严峻形势，保障了我国能源转型和“双碳”目标的平稳推进。将径流预报与梯级水电站发电优化调度模型相结合，可以科学指导梯级水电站水库优化发电运行，充分发挥已建梯级水电站水库的综合利用效能，增加工程综合效益。然而，预报-调度耦合的梯级水电站水库调度运行方式不可避免的受到预报不确定性的影响，预报不确定性会导致制定的运行方案与实际执行结果产生差异，造成发电等效益损失或水电站运行风险。同时，中长期与短期优化调度模型耦合中，其调度决策方式有所不同，如何处理径流预报不确定性对不同调度期下梯级水电站水库运行的影响，充分发挥梯级水电站水库联合调度优势，一直是水利工作者亟需解决的关键科学问题。为此，本文分别从中长期和短期调度两个方面着手。针对预报不确定性较大的中长期径流预报，开发可以提供可靠径流信息的预报模型，并对预报模型改进方向和结合预报信息的调度决策方式开展研究;同时考虑预报不确定性较小的短期径流预报序列，开展预报不确定性分析，并将其分析结果用于构建均衡效益和风险的短期优化调度模型。本文的主要研究内容和创新成果如下: (1)针对现有方法侧重于提高单一径流预报模型确定性预报结果的准确性，提出了基于集合Kalman滤波数据融合技术的中长期入库径流确定性预报模型。通过若干在水文预报领域应用较为广泛的时间序列预测模型得到水库入库径流的集合预报结果;采用集合Kalman滤波算法对集合预报结果进行融合得到最终的水库入库径流预报结果。结果表明，基于集合Kalman滤波的动态融合预报要优于各类单一预报模型和传统的静态融合预报方法，可以得到更加准确、可靠的确定性径流预报结果。 (2)为分析中长期确定性径流预报的质量对梯级水电站运行效益的影响，指导预报改进方向和调度决策方式，分析了基于不同方式结合中长期确定性径流预报的优化调度模型对梯级水电站发电效益的影响。采用广义维持方差扩展模型生成了具备不同预报质量的假设径流预报系统;评估不同调度模型下梯级水电站的年平均发电收益和系统可靠性指标。结果表明，与不使用预报信息的调度模型相比，结合预报信息的随机优化调度模型在发电效益和系统可靠性上均有明显提高;此外，在不同的预报偏差和不确定性下，考虑预报不确定性的发电调度模型均明显优于不考虑预报不确定性的发电调度模型。 (3)针对常用多元椭圆Copula或阿基米德Copula难以有效刻画短期径流预报不确定性特征的问题，引入了VineCopula对不同预报径流量级和不同预见期下的预报不确定性进行定量评估，进而提出了采用先验信息提高后续时段预报准确性的方法。以雅砻江流域锦西水库为例进行验证，结果表明:相较于传统多元Copula函数，VineCopula构建的相对预报误差联合分布均能通过假设检验且拟合效果最好，模拟结果的统计量与实测数据相差较小;通过利用调度期内已经发生的相对预报误差信息，可以有效减小后续时段相对预报误差期望值及90％置信水平IQR，降低了预报的不确定性。 (4)针对短期径流预报不确定性对梯级水电站短期发电计划制定的不利影响，构建了基于CVaR理论的梯级水电站短期优化调度模型（称为CVaR-SCHOM模型）。首先建立了用于刻画短期径流预报不确定性的条件分布函数;其次推导出最大化梯级水电站期望发电效益的短期运行目标，并引入CVaR理论分析不同运行方案在指定置信水平下的电量短缺风险;最后建立了考虑决策者风险态度的CVaR-SCHOM模型。研究发现，受到梯级水电站内部水力关系的影响，梯级水电站出力偏差并不随预报误差单调变化;与传统的确定性优化模型相比，CVaR-SCHOM模型对于不同的预报径流量级下运行方案的收益和风险都有明显的改善。
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