程春田，武新宇，申建建，李 剛，廖勝利，劉本希

（大連理工大學(xué) 水電與水信息研究所，遼寧 大連 116024）

1 迅猛發(fā)展的中國(guó)水電概述

任何科學(xué)理論方法的進(jìn)步離不開當(dāng)時(shí)的生產(chǎn)條件和技術(shù)環(huán)境，因此，非常有必要對(duì)我國(guó)水電的發(fā)展做簡(jiǎn)單的回顧，特別需要了解過(guò)去20多年中國(guó)水電發(fā)生了哪些重大變化。

1.1 中國(guó)水電發(fā)展的3個(gè)關(guān)鍵階段中國(guó)水電發(fā)展大致經(jīng)歷了3個(gè)階段，第1階段：水電技術(shù)積累階段（1949—1979年），主要是以中小水電站為主，僅有少數(shù)幾個(gè)大型水電站，著名的有我國(guó)自行設(shè)計(jì)、自制設(shè)備、自主建設(shè)的第一座超百米混凝土重力壩大型水電站—新安江水電站，首座百萬(wàn)千瓦級(jí)的水電站—?jiǎng)⒓覎{水電站，在此期間中國(guó)水電裝機(jī)從1949年16萬(wàn)kW發(fā)展到1979的1911萬(wàn)kW，年發(fā)電量547億kW·h［12］。第2階段：水電提速階段（1980—1999年），多元化的市場(chǎng)投資和建設(shè)，學(xué)習(xí)、吸收國(guó)外先進(jìn)的水電建設(shè)和管理經(jīng)驗(yàn)推動(dòng)了水電在全國(guó)普遍開花，三峽、白山、魯布革、水口、巖灘、五強(qiáng)溪、隔河巖、漫灣、二灘等一批在全國(guó)水電開發(fā)過(guò)程中有影響性的水電工程在此期間開工建設(shè)及投產(chǎn)，中國(guó)水電建設(shè)步伐加快。到1999年，全國(guó)水電裝機(jī)容量7297萬(wàn)kW，年發(fā)電量2219億kW·h［12］，中國(guó)已經(jīng)發(fā)展成為世界水電大國(guó)。第3階段：水電迅猛發(fā)展階段（2000—至今），以三峽工程和西電東送工程全面建設(shè)為標(biāo)志，廠網(wǎng)分開形成的多元投資主體推動(dòng)了世界水電史上前所未有的建設(shè)速度和高度，中國(guó)水電裝機(jī)繼2004年達(dá)到1億kW，穩(wěn)居世界第一，2010年、2016年又先后突破2億kW和3億kW［12］，短短12年時(shí)間，新增裝機(jī)超過(guò)世界水電排名第2、第3的美國(guó)和巴西總和。圖1是中國(guó)歷年水電裝機(jī)情況，圖2是世界水電前20國(guó)家水電裝機(jī)情況。從圖1—圖2可以看出，最近20多年，中國(guó)一直是世界水電發(fā)展的中心，引領(lǐng)著世界水電的發(fā)展，同時(shí)也給中國(guó)水電帶來(lái)了重大變化。

圖1 中國(guó)歷年水電裝機(jī)容量（1949—2017年）

圖2 2017年世界水電前20國(guó)家裝機(jī)容量

1.2 中國(guó)水電新的變化最近20多年中國(guó)水電史無(wú)前例的快速發(fā)展和全國(guó)互聯(lián)電網(wǎng)系統(tǒng)的建成，給中國(guó)水電系統(tǒng)帶來(lái)了重大變化。

1.2.1 水電系統(tǒng)規(guī)模變化 主要體現(xiàn)在如下7個(gè)方面：（1）水電系統(tǒng)總體規(guī)模，中國(guó)水電系統(tǒng)裝機(jī)和發(fā)電量均排名世界第一，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出世界其他水電大國(guó)［3］；（2）形成了水電裝機(jī)規(guī)模超過(guò)1億kW的區(qū)域電網(wǎng)，2017年南方電網(wǎng)水電裝機(jī)達(dá)到了1.16億kW［5］，超過(guò)了排名第2和第3的美國(guó)、巴西［4］；（3）有10個(gè)省水電裝機(jī)規(guī)模超過(guò)了1000萬(wàn)kW，其中最大的四川、云南兩省水電裝機(jī)超過(guò)了7000萬(wàn)kW和6000萬(wàn)kW，水電占比79.4%和70.1%［5］；（4）中國(guó)集中建成了世界最大規(guī)模的干流梯級(jí)水電站群，7個(gè)干流梯級(jí)水電站群水電裝機(jī)超過(guò)了1000萬(wàn)kW，規(guī)模最大的金沙江中下游梯級(jí)超過(guò)了3000萬(wàn)kW；（5）中國(guó)建成了大批大中型水電站，規(guī)模超過(guò)100萬(wàn)kW的水電站全國(guó)有66座，總裝機(jī)容量1.63億kW，占全國(guó)水電的47.7%［5］，世界十大水電站中，有4個(gè)在中國(guó)，分別是三峽、溪洛渡、向家壩和龍灘［13］；（6）600 MW及以上水輪機(jī)組占水電裝機(jī)容量的30.9%［5］，其中700 MW及以上水輪機(jī)組中國(guó)占居了全球近60%，世界上最大的1000 MW水輪機(jī)組即將安裝于在建的白鶴灘水電站；（7）世界77座200 m級(jí)以上的超高壩，我國(guó)占了20座，且絕大多數(shù)在西南地區(qū)。

1.2.2 水電消納方式變化 中國(guó)水電主要集中在云南、四川、重慶、貴州、廣西和西藏六省，可開發(fā)裝機(jī)容量3.8億kW，集中了全國(guó)70%以上的水電資源［14］，而中國(guó)用電則主要在中部和東部沿海，水電資源和負(fù)荷的逆向分布決定了中國(guó)水電遠(yuǎn)距離、大規(guī)模輸送的消納格局，這極大不同于以往就地消納的水電運(yùn)行方式。西南和華中水電主要通過(guò)中通道和南通道輸送至長(zhǎng)三角洲和珠三角洲，西電東送“南通道”和“中通道”20條特高壓直流和8條特高壓交流跨省跨區(qū)域水電輸送能力1.05億kW，占我國(guó)水電裝機(jī)近三分之一，超過(guò)美國(guó)水電規(guī)模，是世界水電史上從未有過(guò)的規(guī)模，圖3是西電東送“中通道”、“南通道”水電互聯(lián)示意圖。

圖3 “西電東送”工程水電互聯(lián)系統(tǒng)示意圖（僅列舉部分重要水電站）

1.2.3 水電運(yùn)行條件變化 西南水電集中程度和遠(yuǎn)距離、大規(guī)模消納格局使得電站、機(jī)組并網(wǎng)方式發(fā)生了很大變化，既有同一電站機(jī)組并入不同聯(lián)絡(luò)線，也有同一流域上下游、不同流域梯級(jí)電站或者機(jī)組并入同一聯(lián)絡(luò)線情況（圖4），還有跨流域梯級(jí)水電站并同一斷面（圖5），導(dǎo)致了非常復(fù)雜的電力空間耦合，是跨流域跨省跨區(qū)域水電大規(guī)模消納不同于以往中小規(guī)模水電就地消納的顯著特點(diǎn)。由于時(shí)段間、上下游梯級(jí)間存在緊密的水力聯(lián)系，電力、水力時(shí)空高度耦合，與機(jī)組持續(xù)開機(jī)時(shí)間、啟停順序等約束一起，導(dǎo)致系統(tǒng)建模和優(yōu)化求解非常困難。

圖4 梯級(jí)機(jī)組、電站異構(gòu)并網(wǎng)（烏江）

圖5 跨流域水電站群異構(gòu)并網(wǎng)（瀾滄江-金沙江）

圖6 中國(guó)水電互聯(lián)系統(tǒng)概念圖

1.2.4 水電協(xié)調(diào)關(guān)系的變化 水電互聯(lián)使得水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行需要在多電源間（水電、火電、氣電、核電、風(fēng)電、光伏電等）、多時(shí)間尺度（年度、月度、旬、日前、日內(nèi)、實(shí)時(shí)）、多空間范圍（梯級(jí)、流域、跨流域、跨省、跨區(qū)域、跨境）、多利益主體（上下游、左右岸）、多部門（水利、電力、環(huán)保、交通等）、多運(yùn)行方式（計(jì)劃、市場(chǎng)）進(jìn)行協(xié)調(diào)，這些復(fù)雜關(guān)系隨著水電互聯(lián)系統(tǒng)涉及到空間范圍擴(kuò)大，使得水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行異常復(fù)雜和困難。

根據(jù)前述分析，廣西縣域經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平還比較落后，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的資金來(lái)源主要以銀行信貸為主。在以銀行信貸為主的融資方式中，需要通過(guò)銀行體系吸納社會(huì)閑散資金，銀行再通過(guò)貸款把所吸收的存款注入實(shí)體經(jīng)濟(jì)，從而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整。因此本文采用廣西縣域經(jīng)濟(jì)歷年存款與貸款余額之和占縣域國(guó)民生產(chǎn)的比值作為金融總量指標(biāo)，對(duì)縣域金融的金融總量進(jìn)行衡量，即：

圖7 高水頭巨型機(jī)組不規(guī)則限制區(qū)

2 億千瓦級(jí)時(shí)代中國(guó)水電調(diào)度三大類問題

水電資源和用電負(fù)荷逆向分布，使得中國(guó)形成了世界上最大的互聯(lián)水電系統(tǒng)。圖6是中國(guó)水電互聯(lián)系統(tǒng)概念圖，簡(jiǎn)單示意了現(xiàn)在水電裝機(jī)容量前三甲的四川、云南、湖北巨型水電站如何通過(guò)中通道、南通道送電至長(zhǎng)三角、珠三角的過(guò)程，圖6也清晰地展現(xiàn)了三類水電系統(tǒng)調(diào)度問題。第一類是電源側(cè)的梯級(jí)（流域）水電站群調(diào)度，即干流梯級(jí)與支流水電站群構(gòu)成的傳統(tǒng)水電系統(tǒng)調(diào)度問題；第二類是送端的跨流域跨省水電系統(tǒng)調(diào)度問題，有兩種情況，第一種是省調(diào)層級(jí)的跨流域水電系統(tǒng)，主要是指云南、四川、貴州、廣西、湖北和福建等水電較多的省級(jí)電網(wǎng)，由多個(gè)流域梯級(jí)互聯(lián)形成的跨流域水電系統(tǒng)，第二種是指由統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度平臺(tái)構(gòu)成的跨流域跨省水電系統(tǒng)，由多個(gè)省級(jí)電網(wǎng)水電系統(tǒng)互聯(lián)形成，目前國(guó)內(nèi)僅南方電網(wǎng)形成了相對(duì)獨(dú)立的統(tǒng)一區(qū)域電網(wǎng)水電系統(tǒng)調(diào)度平臺(tái)；第三類則是多饋入特高壓直流水電與受端電網(wǎng)多電源混合調(diào)度問題，主要是指華東電網(wǎng)直流水電如何落地問題。第一類問題是傳統(tǒng)的水電調(diào)度問題，但在中國(guó)西南地區(qū)有新的調(diào)度變化；后兩類則是全新的水電調(diào)度問題，是本文評(píng)述的重點(diǎn)。

2.1 梯級(jí)（流域）水電站群調(diào)度梯級(jí)（流域）水電站群調(diào)度一直是國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)的、經(jīng)典調(diào)度問題［15-31］，這個(gè)問題隨著美國(guó)、加拿大等西方國(guó)家在20世紀(jì)70、80年代水電進(jìn)入高潮后得到了廣泛研究［32-47］。在此期間，各種優(yōu)化方法應(yīng)用到水電系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行中［20-23］，有很多經(jīng)典的調(diào)度理論方法和成果呈現(xiàn)。如水（庫(kù)）電站（群）調(diào)度規(guī)則［37-38］；經(jīng)典的水電系統(tǒng)降維方法：動(dòng)態(tài)規(guī)劃逐次逼近算法（DPSA）［24］、增量動(dòng)態(tài)規(guī)劃（IDP）［24］、離散微分動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DDDP）［25］、逐步優(yōu)化算法（POA）［26-28］和聚合分解方法［29-30］等；各種隨機(jī)動(dòng)態(tài)方法［31-36］，主要有抽樣隨機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Sampling Stochastic Dynamic Programming，SSDP）［32-34］、機(jī)會(huì)約束動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Chance-constrained Dynamic Programming，CCDP）［35］和隨機(jī)對(duì)偶動(dòng)態(tài)規(guī)劃（Stochastic Dual Dynamic Programming，SDDP）［36］等等，這些方法已經(jīng)構(gòu)成了今天水電系統(tǒng)發(fā)電調(diào)度的基礎(chǔ)。

中國(guó)西南梯級(jí)水電站群調(diào)度有很多明顯的不同，突出體現(xiàn)在如下兩個(gè)方面：（1）流域（梯級(jí)）級(jí)數(shù)多、大容量、高水頭、大范圍遠(yuǎn)距離送電，產(chǎn)生了新的調(diào)度問題。十四大水電基地、特別是西南流域梯級(jí)水電站群數(shù)目普遍在10座以上，很多在20多座以上，最多的干流加支流超過(guò)了70座，這勢(shì)必給流域和梯級(jí)水電站群優(yōu)化計(jì)算造成求解困難，產(chǎn)生了國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的“維數(shù)災(zāi)”問題。（2）西南水電不同于國(guó)內(nèi)外其他國(guó)家和地區(qū)的特點(diǎn)是高壩大庫(kù)集中，高水頭、巨型機(jī)組高壓瞬變流使得巨型機(jī)組存在多個(gè)機(jī)組不規(guī)則限制區(qū)（圖7），這些水電站、機(jī)組規(guī)模大，要響應(yīng)多個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷需求，導(dǎo)致電站出力、水頭日內(nèi)變幅很大，易引起后續(xù)時(shí)段和下游水電站群出力、水頭和流量發(fā)生關(guān)聯(lián)和級(jí)聯(lián)變化。由于電站、機(jī)組復(fù)雜并網(wǎng)，梯級(jí)水電站群間存在復(fù)雜的水力、電力時(shí)空緊耦合，無(wú)法靠經(jīng)驗(yàn)判斷避開機(jī)組限制區(qū)，成為制約西南水電安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的技術(shù)瓶頸，國(guó)內(nèi)外沒有任何相關(guān)技術(shù)可以提供參考和借鑒，是必須要突破的關(guān)鍵理論和技術(shù)問題，直接關(guān)系到電網(wǎng)和水電站安全穩(wěn)定控制運(yùn)行。

2.2 跨流域跨省水電調(diào)度西南及華中地區(qū)集中了我國(guó)80%以上的水電，水電既是這些地區(qū)的第一大或者第二大電源，也是西電東送的重要輸出電源，因此，存在非常復(fù)雜的受、送端電網(wǎng)協(xié)調(diào)關(guān)系，呈現(xiàn)多種復(fù)雜的跨流域跨省水電調(diào)度問題。

2.2.1 省級(jí)電網(wǎng)跨流域水電調(diào)度問題 云南、四川電網(wǎng)水電裝機(jī)容量超過(guò)全網(wǎng)的70%，承擔(dān)著省內(nèi)最主要的供電任務(wù)，兩省電力供應(yīng)均由季節(jié)性豐余枯缺，轉(zhuǎn)變?yōu)槿旮挥?，存在?yán)重的棄水問題。棄水原因除了水電集中投產(chǎn)，負(fù)荷下行，供大于求，外送通道不足，省間壁壘嚴(yán)重，汛期來(lái)水集中，調(diào)蓄庫(kù)容不足等客觀原因外，還有現(xiàn)有的調(diào)度關(guān)系復(fù)雜，同一流域梯級(jí)水電站群，上下游電站歸屬不同調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)度管理，沒有充分發(fā)揮現(xiàn)有通道的潛力，給跨流域梯級(jí)水電站群調(diào)度造成了困難。另一方面，西南地區(qū)還存在非常多的小水電，它們的裝機(jī)容量占比也非常高，如2017年云南小水電占全網(wǎng)16%，大多是徑流式電站，汛期大小水電相互擠占通道，是云南、四川產(chǎn)生較大棄水一個(gè)重要原因。因此，如何提高云南、四川電網(wǎng)水電消納水平，減少棄水就是西南地區(qū)省級(jí)電網(wǎng)的核心任務(wù)，這極大不同于以往水電就地消納、充分消納的調(diào)度情況，是全新的調(diào)度問題。

2.2.2 跨流域跨省區(qū)域電網(wǎng)水電調(diào)度問題 南方電網(wǎng)是我國(guó)兩大國(guó)家電網(wǎng)之一，形成了相對(duì)獨(dú)立的統(tǒng)一大電網(wǎng)平臺(tái)，域內(nèi)所在的4個(gè)干流梯級(jí)水電站群及其他中小流域水電站群互聯(lián)構(gòu)成了世界上最大規(guī)模的區(qū)域電網(wǎng)水電系統(tǒng)，域內(nèi)水電裝機(jī)容量達(dá)到了1.16億kW，已經(jīng)形成“八條交流、十條直流”18條500 kV及以上西電東送大通道，送電規(guī)模超過(guò)5000萬(wàn)kW。如何通過(guò)大電網(wǎng)平臺(tái)，充分利用流域間水文、梯級(jí)水電站群間調(diào)節(jié)性能、省級(jí)電網(wǎng)間負(fù)荷特性差異，提高全網(wǎng)水電消納水平和減少棄水是其面臨的主要任務(wù)和關(guān)鍵難題。

2.3 跨區(qū)域水電與受端電網(wǎng)多電源混合調(diào)度西南水電主要通過(guò)特高壓交、直流跨區(qū)域輸送至東部，主要有點(diǎn)對(duì)網(wǎng)和網(wǎng)對(duì)網(wǎng)多種輸送方式。汛期西南跨區(qū)域水電“不調(diào)峰”和“反調(diào)峰”輸送特性增加了東部受端電網(wǎng)調(diào)峰困難和低谷消納壓力，如何優(yōu)化現(xiàn)有的水電輸送方式，通過(guò)利用電網(wǎng)間負(fù)荷特性、電源間運(yùn)行特性的差異來(lái)實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域水電與受端電網(wǎng)的火電、核電、氣電、常規(guī)水電、抽水蓄能等電力資源有效配置，是促進(jìn)西南水電消納水平的關(guān)鍵。

3 中國(guó)水電系統(tǒng)理論與應(yīng)用重要進(jìn)展

水電系統(tǒng)一直被公認(rèn)是水資源領(lǐng)域最為復(fù)雜的應(yīng)用系統(tǒng)之一，而大規(guī)模水電系統(tǒng)優(yōu)化一直被認(rèn)為是極富有挑戰(zhàn)性的理論與實(shí)踐問題。工程問題一直是理論研究的源動(dòng)力，正如1980年代以美國(guó)為首的西方發(fā)達(dá)國(guó)家水電系統(tǒng)建設(shè)達(dá)到高峰產(chǎn)生了水電系統(tǒng)理論研究高潮，中國(guó)水電近20年史無(wú)前例的快速發(fā)展，給中國(guó)水電調(diào)度管理和運(yùn)行帶來(lái)翻天覆地的變化，這些變化產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的，需要全新的調(diào)度理論和方法來(lái)支撐億千瓦級(jí)水電互聯(lián)時(shí)代的調(diào)度運(yùn)行［10］。

3.1 面向億千瓦級(jí)時(shí)代的水電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度理論方法水電系統(tǒng)調(diào)度是一類非凸、具有多重不確定性、多層級(jí)、決策變量多、維數(shù)高和約束條件龐大的大規(guī)模非線性復(fù)雜決策問題，優(yōu)化計(jì)算與時(shí)段數(shù)、水頭、出力和電站數(shù)呈指數(shù)增長(zhǎng)關(guān)系，一直是國(guó)內(nèi)外沒有很好解決的極富挑戰(zhàn)性理論和實(shí)踐問題［49-52］。我國(guó)西南地區(qū)水電系統(tǒng)大容量、大機(jī)組、高水頭、遠(yuǎn)距離輸送特征，進(jìn)一步加劇了問題建模和求解難度［10-11］，愈加凸顯了國(guó)際上廣泛公認(rèn)的水電系統(tǒng)調(diào)度維數(shù)災(zāi)問題?？缡】鐓^(qū)域水電配置以消納和調(diào)峰為主要目標(biāo)的優(yōu)化祈求［53-54］，通道受阻的復(fù)雜并網(wǎng)約束，水電互聯(lián)過(guò)程中的水力、電力時(shí)空耦合關(guān)系［55-59］，使得系統(tǒng)解耦愈加困難，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的優(yōu)化調(diào)度方法無(wú)法滿足我國(guó)干流梯級(jí)水電站群十幾座、幾十座、千萬(wàn)千瓦級(jí)規(guī)模優(yōu)化調(diào)度需要，更無(wú)法支撐億千瓦級(jí)省級(jí)/區(qū)域電網(wǎng)跨流域跨省跨區(qū)域數(shù)十座、幾百座、幾千萬(wàn)千瓦乃至億千瓦規(guī)模優(yōu)化調(diào)度要求，成為制約西南水電優(yōu)化調(diào)度的瓶頸問題。

對(duì)于大規(guī)模水電系統(tǒng)優(yōu)化，傳統(tǒng)上是將優(yōu)化問題通過(guò)線性和非線性近似采用線性和非線性優(yōu)化方法近似求解［7-9］。有時(shí)為了便于優(yōu)化近似，將實(shí)際工程問題進(jìn)行簡(jiǎn)化，導(dǎo)致了優(yōu)化運(yùn)行結(jié)果不能應(yīng)用于實(shí)際，這就是水資源領(lǐng)域廣泛討論的理論與實(shí)踐應(yīng)用存在差距的主要原因所在［60］。因此，在工程實(shí)踐中，對(duì)實(shí)際工程問題不需要做過(guò)多簡(jiǎn)化的動(dòng)態(tài)規(guī)劃就得到了廣泛應(yīng)用，但動(dòng)態(tài)規(guī)劃由于維數(shù)災(zāi)問題，在實(shí)際工程中受到了求解規(guī)模的限制。動(dòng)態(tài)規(guī)劃在水電系統(tǒng)中的應(yīng)用與參與計(jì)算的水電站數(shù)目，出力、水頭的離散和徑流不確定性密切相關(guān)［49］，因此，各種經(jīng)典動(dòng)態(tài)降維方法［25-28］提出來(lái)以實(shí)現(xiàn)時(shí)間、空間上階段、狀態(tài)、決策變量的降維，動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論上存在求解規(guī)模限制，取決于問題的離散策略和工程實(shí)際應(yīng)用的效率要求。無(wú)論降維采用什么形式，系統(tǒng)規(guī)模將是動(dòng)態(tài)規(guī)劃不可逾越的障礙。因此，需要新的優(yōu)化求解策略以解決中國(guó)大水電系統(tǒng)調(diào)度工程實(shí)際問題［10-11］?；诖?，提出了精簡(jiǎn)優(yōu)化可行域以縮減優(yōu)化求解范圍［61-66］，典型的案例是利用長(zhǎng)系列歷史資料推求梯級(jí)水電站群調(diào)度規(guī)則，從而可以得到水電站在年初、汛前、汛后及年末關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)水位控制范圍，從而大大縮減水位離散范圍，這對(duì)于超百米水頭電站，可以提高系統(tǒng)的求解規(guī)模和效率；提出時(shí)間維廣度優(yōu)先迭代搜索的優(yōu)化思路，每次以兩個(gè)相鄰時(shí)段發(fā)起局部尋優(yōu)。搜索中根據(jù)時(shí)間尺度、水庫(kù)調(diào)節(jié)性能、調(diào)度需求降低優(yōu)化電站數(shù)目［55-57］，采用電站維迭代和狀態(tài)逐密技術(shù)加速優(yōu)化求解，并以正交抽樣技術(shù)進(jìn)一步降低搜索空間［67-69］；進(jìn)一步，可以利用多核并行技術(shù)加速優(yōu)化求解效率［70-72］；上述優(yōu)化技術(shù)組合應(yīng)用，能夠大幅削減傳統(tǒng)算法的內(nèi)存占用與尋優(yōu)空間，將系統(tǒng)時(shí)空計(jì)算復(fù)雜度從指數(shù)級(jí)降維到二次和線性級(jí)水平，切實(shí)保證超大規(guī)模水電系統(tǒng)調(diào)度問題的高效求解。

3.2 干流梯級(jí)水電站群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度的若干進(jìn)展梯級(jí)水電站群發(fā)電優(yōu)化調(diào)度一直是國(guó)內(nèi)外研究最活躍的領(lǐng)域，但對(duì)于我國(guó)西南干流梯級(jí)水電站群，近期最有特色的研究進(jìn)展主要體現(xiàn)在如下3個(gè)方面。

3.2.1 高水頭巨型機(jī)組安全控制 截至2017年底，西南地區(qū)壩高百米以上發(fā)電站有18座，200 m以上有10座，最高的達(dá)317 m。超過(guò)300 MW的發(fā)電機(jī)組有192臺(tái)，700 MW的有107臺(tái)［5］，高壓瞬變流使得水輪機(jī)運(yùn)行存在多個(gè)不規(guī)則出力限制區(qū)，機(jī)組長(zhǎng)期在此區(qū)間運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的安全問題，因此，如何快速避開機(jī)組限制區(qū)就成為安全運(yùn)行的關(guān)鍵［73］。西南干流梯級(jí)水電站群裝機(jī)規(guī)模大，單機(jī)規(guī)模等同于其他地區(qū)的大、中型水電站，這些電站要同時(shí)響應(yīng)受、送端多個(gè)電網(wǎng)負(fù)荷需求，電站出力、水頭日內(nèi)變幅很大，易引起后續(xù)時(shí)段和下游水電站群出力、水頭和流量發(fā)生關(guān)聯(lián)及級(jí)聯(lián)變化，由于電站、機(jī)組存在復(fù)雜的并網(wǎng)問題，使得快速回避機(jī)組限制區(qū)成為制約西南水電安全運(yùn)行的技術(shù)瓶頸，極大不同于中小規(guī)模常規(guī)機(jī)組安全運(yùn)行控制［74］。程春田等［75］針對(duì)最早在天生橋一級(jí)、二級(jí)水電站群短期和實(shí)時(shí)調(diào)度控制中發(fā)現(xiàn)的這一問題，提出了高水頭巨型機(jī)組不規(guī)則多限制區(qū)快速回避的短期廠站組合調(diào)度方法，其基本思路是，單一機(jī)組在特定情況下無(wú)法避開機(jī)組限制區(qū)，而有效的機(jī)組組合就可以避開。為此，提出以水電站為計(jì)算對(duì)象代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)組組合優(yōu)化，應(yīng)用組合理論與動(dòng)態(tài)規(guī)劃預(yù)先確定考慮限制區(qū)的最優(yōu)機(jī)組組合，大幅縮減優(yōu)化中的計(jì)算量。在短期優(yōu)化計(jì)算過(guò)程中，將耗水率估算策略融入限制區(qū)回避搜索方法，以快速識(shí)別最優(yōu)組合和限制運(yùn)行區(qū)間，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化中精確避開限制區(qū)。該方法還應(yīng)用于中國(guó)的溪洛渡、糯扎渡、龍灘和小灣等巨型水電站。進(jìn)一步，程春田等［76］還提出了高水頭巨型機(jī)組不規(guī)則多限制區(qū)實(shí)時(shí)發(fā)電優(yōu)化調(diào)度的分段線性逼近方法，以實(shí)現(xiàn)更加準(zhǔn)確和快捷的機(jī)組安全控制。

3.2.2 梯級(jí)水電站群關(guān)鍵水庫(kù)關(guān)鍵水位控制 中國(guó)西南地區(qū)梯級(jí)水電站群通過(guò)500 kV及800 kV以上特高壓交、直流網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)形成了跨省跨區(qū)域互聯(lián)水電系統(tǒng)，這極大地改變了梯級(jí)水電站群運(yùn)行方式。在互聯(lián)大電網(wǎng)平臺(tái)下，流域梯級(jí)水電站間、多個(gè)流域梯級(jí)水電站群間、梯級(jí)水電與其他電源可以充分利用水庫(kù)調(diào)節(jié)性能差異、水文差異、電源差異實(shí)現(xiàn)電力互補(bǔ)，梯級(jí)水電站群可以更好地發(fā)揮清潔能源價(jià)值，該背景下如何控制調(diào)節(jié)性能好的梯級(jí)水電站群水位，就成為了水電系統(tǒng)調(diào)度的關(guān)鍵。為此，以年初、汛前、汛后、年末4個(gè)關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵水位控制為優(yōu)化目標(biāo)，提出了采用平均發(fā)電量最大和棄水量最小為優(yōu)化評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的新的梯級(jí)水電站群調(diào)度規(guī)則，該方法已經(jīng)在瀾滄江、烏江流域梯級(jí)水電站群實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了很好的作用，是將來(lái)我國(guó)電網(wǎng)和流域機(jī)構(gòu)會(huì)普遍使用的調(diào)度規(guī)則，各個(gè)流域梯級(jí)水電站群將會(huì)根據(jù)各自的實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

3.2.3 梯級(jí)水電站群對(duì)極端氣候的響應(yīng) 全球氣候變化和極端氣候頻繁給水電占比較大的電網(wǎng)和梯級(jí)水電站群調(diào)度帶來(lái)重大挑戰(zhàn)，利用大電網(wǎng)互聯(lián)平臺(tái)提高對(duì)極端氣候的響應(yīng)就成為一個(gè)主要的應(yīng)對(duì)途徑。在這樣背景下，以梯級(jí)水電站群破壞深度最小替代傳統(tǒng)的保證出力為目標(biāo)的控制方式將提高梯級(jí)水電站群應(yīng)對(duì)極端氣候的能力［77］；采用對(duì)沖規(guī)則均衡龍頭水電站當(dāng)年和未來(lái)的水位控制過(guò)程可以充分發(fā)揮水電站的效益和避免未來(lái)?xiàng)壦斑\(yùn)行破壞［78］；其他途徑還包括大電網(wǎng)平臺(tái)下的梯級(jí)水電站群集中和分布式調(diào)度運(yùn)行控制方式［65］。

3.3 區(qū)域/省級(jí)電網(wǎng)水電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度方法主要進(jìn)展我國(guó)以省為實(shí)體、區(qū)域（國(guó)家）電網(wǎng)相協(xié)調(diào)的分層級(jí)調(diào)度機(jī)制，形成了基于聯(lián)絡(luò)線相協(xié)調(diào)的區(qū)域/省級(jí)電網(wǎng)水電系統(tǒng)，電站/機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃通常由總調(diào)（國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度中心或者區(qū)域電網(wǎng)）和中調(diào)（省級(jí)電網(wǎng)）調(diào)度中心下達(dá)，這些計(jì)劃考慮了電網(wǎng)、電站安全、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、市場(chǎng)和流域防洪、通航、生態(tài)、用水等綜合性約束［56-58，75-76，79］。對(duì)于我國(guó)西南地區(qū)，如何減少棄水、提高水電消納水平和緩解受、送端電網(wǎng)的調(diào)峰壓力是其突出問題［53-54，64-65，80］。如何構(gòu)建通道受限條件下的跨流域跨省跨區(qū)域水電系統(tǒng)調(diào)度模型、進(jìn)而提出實(shí)用化的優(yōu)化調(diào)度求解模型就成為新時(shí)期我國(guó)水電調(diào)度的新挑戰(zhàn)，突出進(jìn)展可以歸納為如下幾個(gè)方面。

3.3.1 跨流域跨省跨區(qū)域調(diào)度新準(zhǔn)則 跨流域跨省跨區(qū)域調(diào)度是全新的調(diào)度問題，水電在大大范圍輸送和配置過(guò)程中，由于通道不足、受送端電網(wǎng)靈活性電源不足、協(xié)調(diào)關(guān)系復(fù)雜等多方面原因，導(dǎo)致汛期棄水嚴(yán)重、受端低谷消納困難等突出困難，需要建立全新的調(diào)度準(zhǔn)則以協(xié)調(diào)消納、調(diào)峰、棄水及多綜合利用需求的矛盾。輸電限制條件下跨流域消納準(zhǔn)則［53，65，80］、逐級(jí)并網(wǎng)輸電限制下大小水電協(xié)調(diào)消納優(yōu)化準(zhǔn)則［58，81］，多饋入直流水電與多電源協(xié)調(diào)的消納與調(diào)峰優(yōu)化準(zhǔn)則［83-88］，響應(yīng)多電網(wǎng)調(diào)峰需求的水電優(yōu)化準(zhǔn)則［86］被提出來(lái)用于處理多時(shí)空尺度、多應(yīng)用需求下的協(xié)調(diào)優(yōu)化。

3.3.2 汛枯電量轉(zhuǎn)移的大小水電協(xié)調(diào)優(yōu)化方法 汛期大小水電相互擠占通道，是云南、四川產(chǎn)生較大棄水一個(gè)重要原因。小水電量多面廣，絕大多數(shù)是徑流式電站，且大多位于電網(wǎng)末端，來(lái)水主要集中在汛期，不適合建過(guò)多過(guò)大的外送通道，汛期通道受阻將長(zhǎng)期客觀存在，局部棄水不可避免。減少斷面受阻、提高大小水電協(xié)調(diào)能力是較少西南水電棄水的一個(gè)重要途徑。逐級(jí)并網(wǎng)輸電限制下大小水電長(zhǎng)期協(xié)調(diào)消納方法［58,82］、考慮小水電出力不確定性的大小水電短期聯(lián)合調(diào)度方法［93-94］、提高小水電發(fā)電能力預(yù)測(cè)能力［94-95］的多種調(diào)度方法用于有效處理復(fù)雜并網(wǎng)約束，減少通道阻塞，充分發(fā)揮大水電調(diào)節(jié)能力，實(shí)現(xiàn)汛枯期電量轉(zhuǎn)移，提高水電總消納電量，減少汛期棄水。

3.3.3 多饋入特高壓直流水電與受端多電源混聯(lián)同品質(zhì)電能互濟(jì)多電網(wǎng)調(diào)峰方法 特高壓直流水電與受端電網(wǎng)“源網(wǎng)”協(xié)調(diào)是新的調(diào)度運(yùn)行方式，這種調(diào)度呈現(xiàn)的直流水電“不調(diào)峰”和“反調(diào)峰”特性增加了東部受端電網(wǎng)調(diào)峰困難和低谷消納壓力，在基本不改變現(xiàn)有調(diào)度方式的前提下，如何利用電網(wǎng)間負(fù)荷特性、電源間運(yùn)行特性的差異來(lái)優(yōu)化高峰負(fù)荷分配減少火電調(diào)峰空間就成為解決問題關(guān)鍵［82-83］。為此，提出反映多個(gè)電網(wǎng)間負(fù)荷特性差異和受電比例限制的負(fù)荷重構(gòu)方法以消除量級(jí)效應(yīng)，以電網(wǎng)余荷方差最小為目標(biāo)，以高峰電量不變?yōu)榧s束條件，構(gòu)建特高壓直流水電、抽蓄、常規(guī)水電、火電、核電的抽蓄啟發(fā)式搜索算法、水電混合降維算法、火電切負(fù)荷調(diào)峰算法等分解電源，通過(guò)網(wǎng)間電力分配二次規(guī)劃方法協(xié)調(diào)優(yōu)化特高壓直流水電與受端常規(guī)水電、火電、抽蓄等電源出力，從而實(shí)現(xiàn)高峰負(fù)荷有效分配，達(dá)到了有效提高電網(wǎng)調(diào)峰率的目的，便于低谷電量的消納［85-91］。

4 中國(guó)水電未來(lái)需要致力解決的重大關(guān)鍵問題展望

中國(guó)風(fēng)、光、水電資源豐富，煤炭居支配地位的能源結(jié)構(gòu)和構(gòu)建低碳、清潔能源體系全球趨勢(shì)決定了加快風(fēng)電、光伏電、水電等清潔能源開發(fā)將是我國(guó)長(zhǎng)期的可再生能源政策，三北風(fēng)、光清潔能源與我國(guó)西南水電將構(gòu)成數(shù)以十億級(jí)規(guī)模的清潔能源系統(tǒng)，如此規(guī)模的清潔能源系統(tǒng)在世界上也是罕見的。未來(lái)隨著我國(guó)三北風(fēng)光清潔能源在國(guó)家能源結(jié)構(gòu)體系中的比例進(jìn)一步提升和西南水電進(jìn)一步開發(fā)，三北風(fēng)光清潔能源、西南水電消納問題將愈加突出，我國(guó)電網(wǎng)靈活性資源不足問題將愈加凸顯。在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的大背景下，西南水電不僅需要從低碳、清潔、可靠、經(jīng)濟(jì)和高效多個(gè)維度，繼續(xù)研究跨省、跨區(qū)域電源配置與消納，打破因?yàn)樵u(píng)價(jià)體系不健全、不完善導(dǎo)致的清潔能源大規(guī)模省間壁壘問題，更需要從戰(zhàn)略高度研究西南水電與三北風(fēng)光資源間的互補(bǔ)特性、機(jī)理、大規(guī)模消納優(yōu)化建模及其協(xié)調(diào)優(yōu)化方法，研究市場(chǎng)條件下的清潔能源消納機(jī)制、理論和技術(shù)體系。

水電是大自然賦予中國(guó)的寶貴財(cái)富，在中國(guó)以煤電占支配地位的能源資源稟賦條件下，如何用好水電這一清潔、靈活性的電力資源是我國(guó)水利和電力工作者的責(zé)任。中國(guó)水電過(guò)去20多年史無(wú)前例的快速發(fā)展，給中國(guó)水電調(diào)度運(yùn)行和管理方式帶來(lái)了重大變化，產(chǎn)生了很多新的調(diào)度問題，這些新的調(diào)度問題直接挑戰(zhàn)了國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的調(diào)度理論方法，產(chǎn)生的影響是深遠(yuǎn)的，需要結(jié)合中國(guó)水電調(diào)度實(shí)際，提出具有普適性和應(yīng)用性的調(diào)度理論方法。本文從眾多中國(guó)近20多年以來(lái)水電調(diào)度問題中，總結(jié)和提煉了核心的關(guān)鍵問題及其研究進(jìn)展。根據(jù)筆者對(duì)未來(lái)中國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的問題認(rèn)知，提出了未來(lái)需要致力于能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的中國(guó)水電問題研究，既事關(guān)西南水電消納，更關(guān)乎三北風(fēng)、光清潔能源消納，是構(gòu)建我國(guó)低碳、清潔能源體系重要的基礎(chǔ)理論研究和核心技術(shù)。