金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度决策支持系统研究

徐杨 汪永怡 杜康华 杨旭

摘 要：为充分发挥金沙江下游—三峡梯级水库群的巨大综合效益，需建立决策支持系统以提高梯级水库群调度管理水平和决策效能。分析了建设金沙江下游—三峡梯级水库群联合调度决策系统的必要性和可行性，对决策支持系统的结构、需重点解决的问题及所采用的技术手段展开了研究，提出了决策支持系统软件的设计思路，可为金沙江下游—三峡梯级水库群聯合优化调度管理决策提供技术支持和参考。

关键词：水库群;优化调度;决策支持系统

中图法分类号：TV697.1               文献标志码：A            DOI：10.19679/j.cnki.cjjsjj.2020.0106

水库群联合优化调度一直是水资源管理领域的重要研究热点。由于入库径流的随机性，决策过程的动态性、实时性，系统的非线性，以及管理的多目标性，使得水库群联合调度决策过程非常复杂，仅依靠个人能力对水库群优化调度做出正确的决策十分困难。另一方面，科学家们已建立了较完善的经验模型、物理模型和数学模型来模拟流域水文过程、水库调度效益及影响等问题，而这些是管理者决策过程中所需的重要信息。为建立决策者与科学家之间的桥梁，Fedra[1]首先将决策支持系统的思想引入到水资源管理中。

所谓决策支持系统是以运筹学、控制论和行为科学为基础，其主要特点是能够解决复杂的非结构化和半结构化问题，重点是定量模型应用、数据分析和为决策者提供决策依据[2]。而梯级水库群联合优化决策支持系统就是将水库群联合优化调度涉及的决策问题通过建立的模型进行定量表达，使水资源管理决策者在科学的基础上把握决策过程，从而提高决策的效能，最大程度发挥流域水库群的综合效益。

1 联合优化调度决策支持系统建设的必要性和可行性

1.1    必要性

金沙江下游—三峡梯级水库群是长江流域最大的水库群，包含乌东德至葛洲坝等6座巨型水电站水库。目前，溪洛渡、向家坝、三峡、葛洲坝水电站已经全面投入运行，乌东德、白鹤滩水电站将分别于2020年、2021年蓄水运用，金沙江下游—三峡梯级水库群总装机容量将超过7 000万kW、年均发电量超过3 000亿kW·h，装机容量和年发电量均居世界水电行业首位。金沙江下游—三峡梯级水库群担负着防洪、发电、航运、供水、生态环境保护等多项功能，综合利用要求高、电网拓扑结构复杂，是典型的多目标、非线性、随机动态系统。

为解决金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度面临的长距离河道演算、大面积流域水雨情预报、实用的多库多目标联合优化调度算法、调度效果评价等关键科学问题和工程应用技术瓶颈，急需一套梯级水库群联合优化调度决策支持系统，为决策提供合理建议和科学依据。

另外，随着计算机技术发展与实际需求增加，现有的水库调度应用系统已不能满足电力系统改革和生产管理的需求，原因如下：①已有水库调度系统多是针对流域上单个水库开发的，每个系统控制的是局部范围，很难进行流域梯级水库群联合优化调度。②少量水库调度系统只能完成溪洛渡—葛洲坝四库的常规联合调度计算及中短期优化调度计算，不具备中长期优化调度计算功能，更无法进行梯级水库群调度效益评价分析。③受当时所采用开发框架与技术的限制，现有水库调度系统的技术更新、功能升级和调度方案扩充十分困难。

因此，为了给水资源管理决策者提供最优的调度决策方案，提高梯级水库群管理水平，充分发挥金沙江下游—三峡梯级水库群的巨大综合效益，研制方便、快捷、准确的水库群联合优化调度决策支持系统成为当务之急。

1.2    可行性

梯级水库群联合优化调度研究源于欧美工业发达国家，我国也于20世纪80年代开始水库群多目标优化调度方面的研究。目前，国内外学者和研究机构在流域水文特性分析与预报、梯级水电站发电、防洪及生态调度、水库群多目标优化调度，跨电网、区域联合优化运行等方面都有深入的研究并建立了相应的理论体系。

国内外梯级调度机构在流域梯级水库群调度管理技术方面也积累了成功经验。对于金沙江下游—三峡梯级水库群，目前已建成了覆盖长江上游流域的水情遥测系统，长江上游水库群信息共享系统正不断推进，跨区域的梯级水库调度自动化系统和监控系统已形成并得到充分利用，多年的三峡—葛洲坝梯级以及溪洛渡—三峡梯级联合优化调度的经验技术和取得的巨大效益，也为金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度决策系统提供保障。

水库群联合优化调度模型和工程应用系统的研发一直受国内外梯级调度机构重视，然而现阶段较为成熟的应用系统均以国外为主。有影响力且应用较广的产品有丹麦水力研究所（DHI）的MIKE11，美国陆军工程兵团的ResSim，乔治亚理工的水资源管理决策支持系统（GTDSS）等。对于复杂系统针对性开发的应用产品有加州伯克利分校研究教育中心为加州水资源管理开发的CalSim。该系统包括了加州所有州属和联邦政府所属的20多个水库和北水南调设施，主要功能有短期运行和中长期调度方案模拟，采用的优化算法是线性规划。田纳西流域机构（TVA）开发的RiverWare也是针对所属的田纳西河十几个水库开发的生产调度系统，包括预报、中长期短期调度及实时控制模型。国外的应用系统将具有普适性的算法都固化成通用模块，可针对不同的应用对象和特殊要求进行二次开发。

因此，基于国内外理论研究成果以及国外先进的水库群联合优化调度应用系统，结合三峡—葛洲坝和溪洛渡—三峡梯级水库的联合调度技术经验，开发金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度决策系统是可行的。

2   联合优化调度决策支持系统设计

2.1   系统目标

围绕长江上游水电绿色发展的重大战略需求，解决金沙江下游—三峡梯级水库群防洪、航运、发电、供水、生态等综合调度存在的技术难题，研制快速有效的水资源模拟、优化及评估模型，建立梯级水库群联合优化调度决策系统，逐步形成满足不同决策时段和需求的水资源管理机制，为长江流域的水资源配置、水库及电力生产调度等工作和决策提供技术支持。

2.2   系統结构及功能

根据金沙江下游—三峡梯级水库联合优化调度特点及任务，决策支持系统以水库及河道仿真模拟研究为基础，围绕梯级水库群优化调度、预报及调度运行评估两大焦点问题，开展方法研究和技术攻关，以系统集成为手段，开发能应用于生产实践的金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度决策支持系统。

系统主要分为水库及河道仿真模拟、梯级水库群优化调度模型、预报及调度运行评估、梯级水库群联合优化调度决策支持系统软件四大部分，系统逻辑结构如图4。

2.2.1  水库及河道仿真模拟

水库及河道仿真模拟是梯级水库联合优化调度的水文基础和技术支撑，主要研究梯级水库群调蓄下的径流变化特性以及水库群调控方式与汇流过程的响应—反馈机制，以提高水库及河道径流模拟计算精度、速度。

该系统重点解决以下问题：①长江上游控制性水库调度运行规则的模拟;长江上游水库群调蓄对金沙江下游—三峡梯级水库群调度运行的影响分析。②建立快速有效的河道径流演算模型，分析金沙江下游—三峡梯级水库群中两坝间径流的传播规律及水量不平衡问题。③梯级水库实时调度的仿真模拟，实现给定调度方案和调度策略后，梯级电站的调度计算及库区水面线、下游控制断面水位变化情景的模拟。

所采用的技术手段为：利用大数据分析等数据挖掘技术，识别梯级水库群建设运行对径流影响的关键因子，分析、预测长江上游控制性水库的蓄泄规律。基于规则拟定、水动力学、机器学习等方法，建立水库、河道仿真模拟模型，研究指定运行方式下的流域梯级水库联合运行情景及相应的调度影响分析，解决实时调度中两坝间水量不平衡问题，提高水库的水位和流量实时调控能力，保证不同时间尺度优化计算中入库流量的一致性。

2.2.2    梯级水库群优化调度模型

梯级水库群优化调度模型是决策支持系统的核心模块，主要研究和建立可指导生产管理的金沙江下游—三峡梯级水库群优化调度模型，以提高梯级水库群的科学调度水平及综合效益。

该系统重点解决问题以下问题：①构建分别面向不同层面的长中短期及实时优化调度模型;分析中长期、短期及实时控制模型的层次关系，研究以分层互馈关系为基础的、能滚动优化的综合调度集成技术。②建立快速有效的优化算法，包括对各层次的调度模型采用不同优化算法，提高计算效率。

所采用的技术手段为：结合综合调度需求、电网约束及电力市场改革，理清约束条件，构建满足其他综合利用需求条件下的以发电量最大或发电效益最高为目标的优化调度函数。长中短期及实时优化模型采用分层互馈结构（见图5），模型之间的信息相互传递，保证决策的一致性。每层模型的约束及重点又有差别，反映不同层面决策机构侧重点不同。模型建立的顺序为短期到长期。实际应用时的顺序则相反，为长期到短期。中长期优化模型的决策引擎包括各种先进优化算法和规则控制多种选择，实时优化模型采用动态规划算法。

2.2.3    预报及调度运行评估模型

预报及调度运行评估模型主要研究和建立水文预报和梯级水库调度效果评估的数学模型，以科学评价梯级水库群调度的效果。

该系统重点解决以下问题：①预报成果评估修正，建立实时预报修正方法，推求集合预报成果，提高预报水平。②梯级水库群调度运行评估，分析系统结构和调度规则变化相应的效益增量并推荐优化调度方案;分析梯级水库群中各水库的贡献，厘清综合调度效益中的人为与自然因素影响，以确定利益分配机制。

所采用的技术手段为：利用可靠性、相关系数、不确定性等指标对历史水文预报成果进行评估分析，建立预报评估模型;根据评估结果，分析预报修正手段，并将水文预报单一成果推求至集合成果，作为优化调度模型的输入。以中长期优化调度模型为基础，建立评估模型;利用长系列历史资料，在给定的综合利用约束条件下，按照实际调度运行方式，逐时段地自动模拟系统的演变过程，记录感兴趣的系统表现参数（水位，流量，发电量，供水保证率，生态约束保证率等）并进行统计分析，得出影响结论，推导适应性调度规则。评估分析通过比较多种待评估方案和基准方案来研究系统的变化。

2.2.4    梯级水库群联合优化调度决策支持系统软件

梯级水库群联合优化调度决策支持系统软件是以上述研究的理论成果为基础，构建集模拟、调度、评估、决策于一体的金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度决策支持系统服务平台。

该模块重点解决问题为：①研究梯级水库群系统数据支撑和交互技术，构建基础数据库并设计接口。②根据需求及系统特点，进行系统架构设计，优选系统开发技术。③结合已有的水调自动化系统及上述理论的研究成果，进行仿真模拟、联合优化、评估分析、可视化等核心应用功能的开发。④进行系统集成，形成一套快速实用的梯级水库群联合优化调度决策支持系统。

采用的技术手段为：①统一的数据库平台设计和搭建。针对联合优化决策支持系统数据内容和应用需求，建设用于存储决策支持信息的数据库，数据库表结构与现有水调自动化系统数据库保持一致，实现对实时水情、水库基本信息、预报调度信息及决策支持数据信息的规范存储。②数据通信与处理模块的设计和开发。根据联合优化决策支持系统数据要求，设计与实现各种数据传输所需的通信协议，满足各类基础数据交换要求。③信息配置管理功能模块的设计和开发。设计和开发联合优化决策支持系统的图形化管理配置功能，可实现数据对象、信息类型、信息点号、传输机制、校验标准、数据库源等内容进行配置，能够对各种信息交换、存储、发布及展示内容进行统一应用、集中管理。④实现与现有水调自动化系统的接口。建立统一的数据处理流程，实现各类数据信息在水调自动化系统中的统一应用，并支持从水调自动化系统中直接应用和关联决策支持系统的相关功能和组件。联合优化决策支持系统软件接口采用标准的通信接口协议。⑤仿真模拟。在充分分析历史数据的基础上，实现长江上游主要河道、重点水库的全周期仿真模拟，实现在短期—中期—长期预报结果支持下的流域径流仿真模拟、固化仿真模拟算法。该应用模块按照标准服务方式进行封装。⑥联合优化。以多目标约束条件下的水库群短期—中期—长期调度方案为目标，以仿真模拟结果为基础，构建水库群联合优化调度算法。该应用模块按照标准服务方式进行封装。⑦评估分析。对水库群模拟仿真、联合优化后的调度结果集按统计学方法进行评估，分类，优选，供决策者使用。对金沙江下游—三峡梯级水库群入库站水文预报结果进行评估，与国内外已有数据进行比较，以反映梯级水库预报整体水平。⑧可视化。利用多维图表、遥感和地理信息系统，构建覆盖长江上游流域多尺度调度过程交互及结果展示平台。在流域范围内进行优化方案的全要素对比，全面反映联合优化效果。

3   結语

本文分析了金沙江下游—三峡梯级水库群联合调度决策系统建设的必要性和可行性。根据梯级水库群的调度运行特点及任务，对决策支持系统的结构、需重点解决的问题及所采用技术手段展开了研究，提出了决策支持系统软件的设计思路。系统主要包括水库及河道仿真模拟、梯级水库群优化调度模型、预报及调度运行评估、梯级水库群联合优化调度决策支持系统软件四大部分，开发能应用于生产实践的金沙江下游—三峡梯级水库群联合优化调度决策支持系统，以提高梯级水库群调度管理水平和决策效能，充分发挥金沙江下游—三峡梯级水库群的巨大综合效益。

参考文献：

[1] Fedra K. Interactive water-quality simulation in a regional framework：a management-oriented approach to lake and watershed modeling [J].  Ecological Modeling，1984，21（4）：209-232.

[2] 盖迎春，李新.水资源管理决策支持系统研究进展与展望[J].冰川冻土，2017，35（1）：57-60.

Research on Decision Support System for Joint Optimal Operation of the Lower Reaches of the Jinsha River and Three Gorges Cascade Reservoirs

Xu Yang  Wang Yongyi  Du Kanghua  Yang Xu

（China Changjiang Electric Power Co.，Ltd.，Yichang，443002，China）

Abstract：In order to give full play to the huge comprehensive benefits of the lower reaches of the Jinsha River and the Three Gorges Cascade Reservoir，a decision support system needs to be established to improve the management level and decision-making efficiency of the Cascade Reservoir. This paper analyzes the necessity and feasibility of the joint dispatch decision system for the lower reaches of the Jinsha River and the Three Gorges Cascade Reservoir Group. It studies the structure of the decision support system，the issues that need to be addressed and the technical means used，and proposes the design of the decision support system software. The train of thought can provide technical support and reference for the joint optimal dispatch management decision of the lower reaches of the Jinsha River and the Three Gorges cascade reservoirs.

Keywords：reservoir group;optimal operation;decision support system