1.3　面临关键科学技术问题

随着我国水电系统规模的逐步增加以及西南大型水电基地的陆续竣工和投产，形成了多个特大干流梯级水电站群，这些水电系统具有电站级数多、装机规模大、发电水头高等特点。对于这类大规模水电系统优化调度问题，将面临很多亟待解决的调度困难和关键问题，包括多层级水电吸纳问题、多层级调峰问题、高水头多振动区问题、大规模水电系统可计算求解问题以及优化求解效率问题等。本书研究内容主要涉及以下3个方面。

1.3.1　大规模梯级水电系统优化调度可建模问题

随着我国西南地区乌江、澜沧江、红水河、金沙江等特大干流梯级水电站群的出现，这类大规模水电系统优化调度方法研究变得尤为重要。这类梯级水电站群突出的显著特点是电站级数非常多，比如，乌江流域规划11座电站，已建9座；澜沧江规划15级电站，已建6座；红水河规划10级电站，已建9座；金沙江中下游规划12级电站，已建6座。水电站群电站级数越多意味着梯级水电站之间的水力和电力联系变得愈加复杂，增加了问题的约束条件数目，对于部分求解方法而言，其计算量随电站及约束数目会呈指数增长，进一步加剧了水电系统优化问题求解难度。如何保证系统求解已成为大规模水电系统面临的核心问题之一。以往常用的非线性规划、动态规划等经典方法，在求解大规模水电系统优化问题时，存在无法避免的缺陷，建模求解非常困难。比如，非线性规划方法难以对模型约束或目标函数简化，即使采用一些线性化方法简化也易于使问题偏离实际；动态规划方法受求解规模限制，大规模问题易导致维数灾问题，造成求解困难甚至因内存不足而无法计算。为了使在有限时间内求解大规模水电站群优化调度问题成为可能，并同时保证优化结果的质量，需要探索新的合理有效的求解算法。20世纪90年代计算机技术的发展，为粒子群算法、遗传算法、模拟退火方法、混沌算法等启发式智能算法的兴起提供了有利条件。这些智能算法在求解优化问题时，并不依赖于问题本身的性质和特点，在一定条件下证明可收敛到全局最优，且具有鲁棒性强、收敛速度快、寻优机制简单等优点，在求解优化问题中被广泛应用。但是，单一的智能算法在应用时仍然存在一定的缺陷，如粒子群算法存在早熟收敛、容易陷入局部最优、停滞等，遗传算法求解容易早熟且局部搜索能力差等。因此，根据不同智能算法的优缺点，通过多种智能算法之间的相互结合，改进单一算法的缺陷，是大规模水电系统优化问题新的求解途径。

1.3.2　大规模梯级水电系统优化调度求解效率问题

水电站群优化调度问题具有高维数、非线性、非凸、多阶段、强约束等特点，求解过程非常困难。动态规划方法是求解水电站群优化调度问题的最经典算法。但是，在求解大规模水电系统优化调度问题时，该方法将面临严重的“维数灾”问题，呈指数增长的计算量将导致计算时间大幅度增加，降低求解效率甚至影响算法的实用性。为了缓解“维数灾”问题，衍生出了多种经典的改进动态规划方法，常用的有离散微分动态规划、逐步优化、逐次逼近动态规划等方法。尽管这些改进方法在一定程度上减缓了“维数灾”问题，然而随着水电系统规模的急剧扩大，仅仅依靠这类改进方法很难达到求解质量和计算效率的均衡要求，比如对于确定性模型，离散微分动态规划仅适用于求解最多5座水电站的长期优化调度问题，当电站数量增多时很难在可接受时间内完成计算；而对于随机模型，求解最多2座水电站的联合优化调度问题就需要消耗大量的计算时间。因此，如何在保证结果质量的前提下，进一步提高算法求解效率，是适应水电快速发展必须解决的实质性问题。对于特大流域水电系统，由于电站分布的自然空间属性和问题的多阶段性，可以天然地利用并行计算技术求解。基于多核处理器的多核并行技术以其并行实现容易、运行环境稳定、成本低廉等独特的优势被广泛应用于实际工程。对于水电系统而言，寻求优化调度问题、求解算法与并行技术之间的切入点，设计合适粗细粒度的并行优化方式将是一种提高系统求解效率的可行途径。

1.3.3　响应极端干旱气候的梯级水电系统调度规则问题

水电站群调度规则一直是水电站群优化调度领域的研究热点，是指导水电站群调度的常用技术手段。随着我国西南地区大规模梯级水电站群的陆续投产和竣工，制定科学、合理的调度规则已成为目前亟待解决的关键问题。这类大规模水电系统装机规模大，在整个电力系统中比重较大，尤其是对于西南富水电电网省份，如乌江梯级水电系统装机1122万kW，占贵州电网总装机（2015年规划4500万kW）的25%；澜沧江梯级水电系统规划装机2528万kW，占云南电网总装机（2015年规划7950万kW）的32%；大渡河梯级水电系统规划装机2637万kW，占四川电网总装机（2015年规划8930万kW）的30%。这些大型水电系统的首要任务是向电力系统供应稳定的能源，充分发挥水电在调峰、调频等任务中的优势，保证电力系统安全稳定运行。但是，近年来随着我国西南地区极端干旱气候频繁出现，部分电站甚至出现河流干涸导致无法发电，直接导致电力系统水电发电量大幅减少，甚至影响“节能减排”“西电东送”等国家重要经济发展战略。极端干旱气候的出现不仅造成水电系统无法提供稳定的保证出力，而且出力破坏深度尤其剧烈，给水电担任电网调峰、调频等任务造成很大影响，严重威胁电力系统安全和稳定运行。因此，为了更好地发挥水电能源在电力系统中的优势，如何制定能够适应极端干旱气候影响的调度规则是需要特别关注的问题，特别是如何兼顾水电系统出力保证率和出力破坏深度，是需要深入研究的内容。