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水电站厂内经济运行与水库优化调度耦合模型的构建与应用研究

一、引言

1.1研究背景

随着全球对清洁能源需求的不断增长，水电作为一种清洁、可再生的能源，在能源领域中占据着日益重要的地位。近年来，我国水电行业发展迅速，装机容量持续增长。据国家能源局数据显示，2024年1-6月，中国水电累计装机容量42715万千瓦，同比增长2.2%，且我国水电装机总量已连续多年稳居世界第一。长江电力作为国内水电行业的龙头企业，2024年第三季度实现营业收入663.31亿元，同比增长14.65%；净利润达280.25亿元，同比增长30.20%，这一系列数据充分彰显了水电行业强劲的发展态势。

在水电站的运行管理中，厂内经济运行与水库优化调度是提高水电站综合效益的关键环节。厂内经济运行主要研究在总负荷给定的条件下，制定厂内工作机组的最优工作计划，包括机组的最优启停计划和机组间负荷的最优分配，旨在以最小的成本完成给定的发电任务，从而使水电厂获取最大的经济效益。而水库优化调度则是根据水库的来水情况、用水部门的需求以及水库自身的特性，通过合理安排水库的蓄泄过程，实现水资源的优化配置，达到防洪、发电、灌溉、供水、航运等综合效益的最大化。

然而，传统的水电站厂内经济运行和水库优化调度往往是分开进行研究和实施的，这种方式忽略了两者之间的紧密联系和相互影响。实际上，水库的蓄水量和出库流量直接影响着水电站机组的运行工况和发电能力，而水电站机组的运行决策也会反过来影响水库的蓄泄过程和水位变化。例如，在丰水期，如果水库调度不合理，导致过多的水量下泄，可能会使水电站机组在低效率区间运行，造成能源浪费；而在枯水期，如果不能根据水库的蓄水量合理安排机组的启停和负荷分配，可能会导致水电站发电量不足，无法满足电力需求。因此，将厂内经济运行与水库优化调度进行耦合研究，实现两者的协同优化，对于提高水电站的整体运行效益具有重要意义。通过建立耦合模型，可以综合考虑水库和水电站机组的各种运行约束和目标，制定出更加科学合理的运行策略，从而充分挖掘水电站的发电潜力，提高水资源的利用效率，增强水电站在电力市场中的竞争力，为水电行业的可持续发展提供有力支撑。

1.2研究目的与意义

本研究旨在构建一种水电站厂内经济运行与水库优化调度的耦合模型，打破传统研究中两者分离的局限，实现两者的协同优化，以提升水电站的综合效益。通过该耦合模型，能够综合考虑水库的来水情况、水位变化、机组运行特性以及电力市场需求等多方面因素，制定出更加科学合理的水电站运行策略。

从能源角度来看，水电作为清洁能源的重要组成部分，提高水电站运行效率对于优化能源结构、促进能源可持续发展具有重要意义。我国水能资源丰富，理论蕴藏量达6.94亿千瓦，技术可开发量为5.42亿千瓦，通过本研究构建的耦合模型，能够更加充分地挖掘水能资源潜力，提高水电在能源供应中的比重，减少对传统化石能源的依赖，从而降低碳排放，助力我国实现“双碳”目标。

在环境方面，合理的水库调度和厂内经济运行可以减少水资源浪费，降低对生态环境的负面影响。传统的水电站运行方式可能导致水库水位大幅波动，对周边生态系统造成破坏，如影响鱼类洄游、破坏湿地生态等。而本研究的耦合模型能够通过优化调度，使水库水位保持相对稳定，为生态系统提供更加稳定的环境，保护生物多样性，维护生态平衡。

从经济角度而言，提升水电站的综合效益能够带来显著的经济效益。一方面，通过优化机组负荷分配和水库蓄泄过程，可以降低发电成本，提高发电效率，增加水电站的发电量和收入。另一方面，合理的水库调度可以更好地满足下游用水部门的需求，促进农业灌溉、工业用水和城市供水的协调发展，推动区域经济增长。例如，在农业灌溉季节，通过精准的水库调度为农田提供充足的水源，保障农作物的生长，提高农业产量；在工业生产中，稳定的供水能够保证工业企业的正常生产，促进工业经济的发展。此外，水电站作为当地的重要产业，其良好的经济效益还能够带动周边相关产业的发展，创造更多的就业机会，增加地方财政收入，对区域经济的稳定和繁荣起到积极的推动作用。

1.3国内外研究现状

1.3.1水电站厂内经济运行研究现状

国外对于水电站厂内经济运行的研究起步较早，在理论和实践方面都取得了较为丰硕的成果。早期，主要运用经典的优化算法来解决机组负荷分配问题，如等微增率法，该方法基于各机组耗水微增率相等时总耗水量最小的原理，实现机组间负荷的优化分配。随着计算机技术和数学理论的发展，动态规划法被广泛应用于水电站厂内经济运行研究，它能够有效处理多阶段决策问题，通过将整个运行过程划分为多个阶段，逐阶段求解最优决策，从而得到全局最优解，为水电站厂内经济运行提供了更科学的决策依据。

近年来，智能优化算法成为研究热点。遗传算法、粒子群优化算法等