1 项目背景
洪渡河流域位于贵州省东北部，是乌江水系左岸的一级支流，全流域集水面积3739km2，干流主河道全长205km。整个流域受中亚热带湿润季风气候影响，水汽来源丰富，降水量较大，坝址以上流域多年平均降雨量1201mm，降水年际变化不大，多年平均年降水量在1150~1210 mm之间；但年内分配极不均匀，降水量主要集中在4~10月。
国家电投集团黔北水电厂管辖的沙坝、石垭子、高生三座水电站自上而下位于洪渡河中游，形成梯级水库群。沙坝水电站是洪渡河流域已建成第五级电站，该电站位于洪渡河中游，坝址以上集水面积为1396km2；石垭子水电站是洪渡河流域已建成第六级电站，坝址位于洪渡河中下游，坝址以上集水面积为2589km2；高生水电站是洪渡河规划的第七级梯级电站，其水库正常蓄水位接石垭子水电站厂房尾水位，坝址控制集水面积为3126km2。江滨水文站为洪渡河干流控制站，控制流域面积2564 km2，位于石垭子坝址上游7.5km，是一个国家基本水文站，资料具有较高的可靠性。
开展水库群的优化调度工作，不仅能发挥水库群之间的库容补偿、水文补偿的作用，获得比单库优化调度更显著的经济效益，而且对于确保电网的安全稳定运行有着重要的现实意义。洪渡河流域中下游河段将形成以沙坝电站为龙头的梯级水电站，其中已建成的沙坝、石垭子电站具有不完全年调节性能，在建的高生电站具有日调节性能，联合开展中长期或者短期优化调度研究，从整体上对流域的水电站进行优化调度，实现最大的发电效益。
2 梯级水电站短期优化调度分析
2.1 梯级水电站短期优化调度分析重要性
短期调度分常规与优化调度。常规调度所利用的信息有限，理论上不够严密，所确定的运行调度策略和相应决策只是可行解或满意解，难以寻求最优调度策略，难以处理多目标、多维变量等复杂问题。而优化调度是基于系统科学和优化算法，通过某种调度准则和目标函数，建立相应的数学模型，应用优化算法对所建模型进行求解，计算结果认为是最优调度策略。洪渡河中段形成了以沙坝水电站为龙头，由沙坝、石垭子、高生三级水电站所组成的梯级水库水电站群。其特点是梯级水电站数目较多，水库一般都具有日调节以上性能。水库的中长期调度一般均不考虑日调节或周调节性能水库，而梯级水电站短期优化调度需充分考虑整个梯级所有水库的性能，统一协调各水电站的运行方式，可发挥水电站群的最大潜力。它能综合考虑当时水电系统的运行状态(各水库水位、入库流量、机组状况等)和电网的实际状况，来制定水库运行方案，并下达到各水电站进行实施。
2.2 梯级水电站短期优化调度特点
短期优化调度就是要在一昼夜内将均匀的天然来水按用水过程进行径流的重新分配，调节周期为24h，这也就是说当用水比来水少时，就将多余的水量蓄存在水库里，供来水不足时取用。但在洪水期，天然来水流量较大，水电站一般来说可以全部装机容量投入运行，即整日可处于满负荷运行。洪渡河中段沙坝、石垭子、高生三个水电站，是同一流域公司中位于同一河流上的串联式水库群，均具有日调节以上性能，各电站之间具有很强耦合关系，从而也构成短期负荷分配优化技术上的高维问题。这样一个复杂的水库群系统，既具有宏观上的控制，又有微观上的运行约束；既存在电力联系，又存在水力联系；既有水量传递上的动态联系，又有多种综合利用要求。
（1）电力联系特性
在生产实际中，梯级水电站的运行多由电力系统调度机构给定整个梯级的日负荷要求，然后在梯级各水电站之间进行分配。这就意味着梯级水电站的运行就具有相对的独立性，可以在梯级内灵活的分配负荷，以达到系统要求和经济上的最优。这也相当于把梯级电站看成是电力系统的一个子系统，协调梯级电站之间以及它们与整个电力系统的电力联系。
（2）水力联系特性
梯级水库群各电站之间具有强的相互作用关系，上一库的下泄流量影响着下一库的发电和泄水，短期调度各水库之间还要考虑水流时滞引起的能量传递上的后效性问题，这使得站群系统运行调度时，不仅仅要考虑各水库的水量平衡关系，它无论在时空关系上，还是能量传递与时程分配上均是个十分复杂的问题。
（3）各水电站对站群系统的影响特性
一般认为装机容量较小的小水电站对站群系统运行方式的影响不大，但在短期调度中，小水电站也参与优化调度分配，起着承上启下的作用。由于其发电引用流量较大，运行方式对下游电站乃至整个梯级电站都有很大的影响。特别是在本研究中，高生电站只具有日调节性能的电站，对整个梯级系统的影响不言而喻。
（4）水库综合利用特性
水库的开发都具有其多目标性，如发电、防洪、灌溉、航运等等，但每个水库都会具有它专属的服务目标。水库群的开发利用也是如此，一个水库群可能为同一个主要开发目标服务，如发电库群，防洪库群，灌溉库群等，但也可能各库的开发目标不相同，从而构成水库群系统的综合利用。
（5）水文补偿和库容补偿特性
由于水文情况和调节性能的不同，梯级各库联合工作时可进行各库间的水文补偿和库容补偿。梯级电站间的这种强耦合联系使得站群系统运行调度无论在时空关系上，还是能量传递与时域分配上均是个十分复杂的问题。在规划设计时这种相互补偿可以显著的提高库群系统总的保证出力，在运行时可增加调节流量、抬高水头、提高发电效益。
2.3 梯级水电站短期优化调度任务分析
研究梯级水电站短期优化调度问题，首先必须对调度任务进行分析，选择相应的优化目标，建立优化调度模型，然后研究优化计算方法，分析短期优化调度规律，并制定发电计划。
由于给定前提不同，调度方式可以分为两种情况：一类为以给定调度期内用水量为前提，即“以水定电”；另一类为以给定调度期内发电量为前提，即“以电定水”。
（1）以水定电
一般说来由于径流来水的不确定性，很难具体确定调度期内的用水量。在制定发电计划时，假定调度期内来水序列，控制各水库调度期末的库水位，也就相当于给定了调度期内的用水情况。
给定梯级用水量的梯级电站优化问题是指，协调梯级各电站的发电－出流过程，使得梯级发电量最大，若考虑流域各梯级电站上网电价，可以以梯级总的发电效益最大为目标。若考虑梯级调峰，则希望经过水电系统削峰以后，所剩电力负荷在保证尽可能平坦的前提下水电系统所发的电量尽可能的多。对于有调节库容的梯级电站，其用水量可以通过调度期初、末的库水位以及径流来水确定；对于径流式电站，其调度期末的库水位和初始库水位大体相当。因此，给定用水量一般是给定各有调节能力的梯级水电站的用水量，其计划安排是以发电量最大或发电效益最大为目标；径流式电站是利用其库容反调节，一般以调峰电量最大为目标。由于系统负荷周期性很强，给定用水量的梯级短期计划实际上是充分利用上游水库径流来水和梯级水库间的区间来水，制定发电计划，调度期间的水库初、末水位变化并不大，从而保证了水库运行的周期性。
（2）以电定水
给定梯级各水电站调度期内总的发电量及各水库调度期初水位，在满足各种约束条件下，安排梯级各电站发电计划，充分利用梯级电站的水量和水头效益，权衡发电与蓄水，满足最优目标。一般说来在给定调度期内发电量的前提下，应尽量减少用水量，抬高水头，增加水库系统畜能，为水电系统的安全、稳定、经济运行创造条件。
通常以调度期期末水库系统蓄能最大，或调度期内耗能最小为优化准则。有两种方案可供选择，一是根据各电站来水情况，将梯级总发电量逐次分配到各梯级电站，然后分别求解各梯级电站的出力过程；二是根据负荷预测情况，将总发电电量逐时段得到梯级总的负荷过程，然后得到各梯级电站出力过程。
2.4 梯级水电站短期优化调度关键问题
梯级水电站优化调度的目的在于，满足水电站的各种运行约束的前提下，或使得整个梯级的有限水资源能达到经济效益最大，或使得梯级水电站群在运行过程中总耗能最小。在调度过程中，根据同一水系下几个电站之间的水力、电力联系，以及上下级水库的协调与反调节作用，运用最优化理论与方法，研究一段时期内各个梯级电站间的水能资源的最优调度和电力负荷的最优分配，统一地调配梯级发电和用水。优化问题中存在水力平衡约束、离散运行区间和离散状态约束以及水头影响等问题需要考虑。在梯级水电站的短期优化调度研究过程中应重点注意以下三点：
（1）时效性问题
梯级水电站的短期运行会对长期调度造成一定影响，对于梯级水电系统由于涉及到库蓄电能（电能以水能的方式蓄存）空间与时间分配，需要长期调度作宏观控制，短期以其所得结果为边界条件。另外，水电站水流传递的滞后性，引起的能量传递的后效性，虽然可以通过延长负荷分配期减少其影响，但终究无法消除，也带来了计算量的增加。
（2）优化目标的选择
要充分有效地利用水能，最大限度地满足调度的要求，提高电力调度的效益，选择优化目标至关重要。虽然许多水电枢纽具有多项功能，但在水电系统的优化中，强调在满足其它枢纽功能的约束下，以发电为主。
（3）模型的求解技术
梯级水电系统短期优化运行实际上是一个大规模的非线性规划问题，其求解方法直接决定了优化目标的实现程度。实际上追求目标的理论最优解是不现实的，只能够寻求一种在计算时间和模型求解精度能够很好均衡的方法。
3 梯级水电站短期优化调度模型算法
3.1 梯级水电站短期优化调度模型建立
水库(群)短期发电优化调度的模型主要有：调度期内发电量最大模型、蓄能最大模型、耗水量最小模型及调峰电量最大模型等。在调度期内径流过程、梯级总负荷、各水电站可投入机组及各水库初始水位已知的条件下，研究短期优化调度旨在寻求“以水定电”的最优性规律和“以电定水”的最优负荷分配。虽然洪渡河中段沙坝等三个水电站受国电投贵州金元集团黔北水电总厂统一调度管理，但研究该公司所拥有的梯级电站的梯级发电量最大，以期可以影响电网调度计划增加公司的发电效益；同时，也可以了解公司全部电站的最大发电能力。在电网给定负荷的情况下，以考虑公司的利益为目的，建立耗水量最小的负荷分配运行方式，在以电定水的情况下，为公司节约更多的水能资源。
综上所述，结合洪渡河中游梯级水电站水库群短期发电优化调度研究的实际特点，在确保电站工程安全和洪渡河水量调度的前提下，以服从电网公司调度原则和调度需求，短期调度最优可选取梯级发电量最大和梯级耗水量最小为优化准则，对梯级发电最最大和梯级耗水量最小两个优化调度目标进行研究。
3.2 梯级水电站系统概化及节点图
梯级水电站水库群系统是一个涉及多个部门的复杂系统，各梯级电站调节性能各异，水库库容大小不一，主要的功能和承担的任务也不相同，是一个动态、多维、强约束、多线性、多阶段的“非结构化”系统，这就给梯级水电站的优化调度带来很大的困难。因此，在实际研究中，常常对研究系统进行概化，建立系统结构简图。
概化是对真实系统的一种抽象。既要最大程度的反映系统真实的运行情况，又要最大限度地保留真实系统的特点，以便保证模型与系统功能上的一致。洪渡河流域中游水电站短期优化调度的研究包括沙坝、石垭子、高生3座电站。其中沙坝和石垭子水电站具有不完全年调节性能，沙坝电站是整个梯级系统的龙头电站；石垭子之下的高生水电站属在建电站，具有日调节性能。本文研究洪渡河中游这3个电站的梯级短期优化调度，则梯级节点示意图见图5-1。
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图5-1节点示意图
图5-1中，QR
O代表沙坝电站入库；QR
i代表各电站的区间入流, Q代表高生电站的出库，即整个梯级系统的出库。
3.3 梯级水电站发电量最大优化调度模型
梯级水电站发电优化调度的任务是根据水库承担的综合利用任务，运用水库的调蓄能力，将较长时间的有效输入能优化分配到较短时段(月、旬、日)内，达到充分利用水能、增加发电量和保证系统安全运行的目的。
优化问题描述：给定调度期内入库径流过程和水库始末水位，综合考虑各种约束条件，确定水库(群)的发电用水(或水库蓄水位)过程，使调度期内的发电量最大。
目标函数：
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式中：E为调度期内总发电量；N
it为i水库t时段平均出力；
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为时段长；N为水库数目；T为时段数目。
约束条件：水库水位(库容约束)，水电站出力约束，下泄流量约束，水量平衡约束，其他约束。
模型适用条件：在制定发电计划时，通常采用该模型。在使用该模型时，调度者要根据电网以及电站实际情况，合理设定电站各时段的最小出力。
梯级电站短期调度，考虑水流联系约束，仅简化考虑水流滞后影响：
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式中,Q
区it为第i电站第t时段区间入流量；Ti为i-1第电站至第i电站间水流滞后时间。
梯级水电站发电量最大模型可通用于单库和梯级电站中长期和短期的优化调度研究。
4 结束语
洪渡河流域水情水调自动化系统方案的研究和软件开发，为复杂洪渡河流域的预报、调度工作提供智能的操作平台，简洁的预报调度方案制定方法，和科学的技术支持。是坚持统筹兼顾流域梯级上、下游，统筹兼顾水量、水头，科学智能的利用水能资源的根本方法，符合建设资源节约型、环境友好型社会的要求，是实现节能减排目标的重要途径，对贯彻落实科学发展观，促进和谐社会建设具有重要意义。