1 規(guī)劃的任務和思路
水電優(yōu)化開發(fā)規(guī)劃是電力系統(tǒng)擴展規(guī)劃的一個重要組成部分。其規(guī)劃任務為：水電開發(fā)方案、系統(tǒng)電源、輸電線回路及水電廠水能參數等的優(yōu)化。
它涉及水資源、能源和電力三個系統(tǒng)。由于水電具有的隨機性、非線性特性以及水電廠群運行和效益的關聯性，使水電規(guī)劃及水電占相當比重的電力系統(tǒng)擴展規(guī)劃，變得非常復雜。至今，國內外尚缺乏對這類規(guī)劃的成熟模型和軟件。國內開發(fā)的IRELP/I及SIRELP等混合整數規(guī)劃模型，雖在一定程度上能解決這類問題，但仍存在理論上不夠嚴密、計算規(guī)模過大和對某些非線性問題尚不能圓滿解決的問題。HELP(Hyower&ElectricityLong－termPlanning)模型，是繼承國內外有關模型的優(yōu)點，并盡量克服其缺點而形成的。
水電開發(fā)和電力系統(tǒng)電源選擇，規(guī)劃期一般為10至30年，費用的計算期常用50年。
HELP模型的思路，是從規(guī)劃起始年出發(fā)，前向遞推進行逐年規(guī)劃，直至規(guī)劃期末。每一個規(guī)劃年，均需進行投資決策(即該年的投產方案)和與之相應的運行決策(含水電廠水庫群運行決策和系統(tǒng)水火電廠群運行決策)。從規(guī)劃起始年至規(guī)劃期末，各年的投資決策組成“決策樹”，“決策樹”的每一枝相應于一個“規(guī)劃策略”，優(yōu)化規(guī)劃是尋求系統(tǒng)費用小的規(guī)劃策略。
由于規(guī)劃期長，各年可能投產的方案很多，若按枚舉法列舉投產方案，則方案數量是大得驚人。本文用動態(tài)規(guī)劃法并結合工程特點和工程經驗，剔除明顯不利的方案，限度地減少計算工作量，快速找到規(guī)劃的優(yōu)策略。
HELP由3個相互聯系的模型組成：子模型HY(水電廠水庫運行決策)、子模型BLE(電力系統(tǒng)水、火電廠運行決策)和整體模型GBL(動態(tài)規(guī)劃)。
2 模型的數學表達式
2.1 子模型HY
HY是對某一年的某投資方案、水電廠群運行優(yōu)化模型、優(yōu)化各水電廠年內各月的出力的決策，作為子模型BLE的基本數據。它是非線性規(guī)劃問題，目標函數和部分約束為非線性。用線性規(guī)劃模型逐次迭代求解。線性規(guī)劃模型簡述如下：
(1)目標函數
在已有系統(tǒng)邊際費用時，目標函數可以用水電廠群總發(fā)電效益BENEFIT來表示
(1)
式中 HY、Y、M為水電廠、水文年份及月份的集合，hy、y、m是它們的相應元素；N、PR為電廠時段出力(變量，MW)及其價值系數。
在很多情況下，PR值不但各月不同，而且隨水電廠群總出力的增加而下降，其表達式為PR(m)＝f(POWER(m))。它可從規(guī)劃中得到，再反饋到本子模型中進行迭代修改。PR也可分別對保證出力和季節(jié)出力給以較大和較小的價值系數。
(2)約束方程
約束方程主要包括水庫狀態(tài)方程、水量平衡方程、連續(xù)方程、出力方程、出力和流量約束方程及綜合利用和環(huán)保約束方程等幾類。其中部分是非線性的，大部分是線性的。
約束方程表達式及算法見文［1］。
2.2 子模型BLE
子模型BLE有確定型和隨機型兩種模式。本文介紹確定型模式。電力電量平衡必須滿足負荷及備用容量和機組檢修的需求。
(1)目標函數。系統(tǒng)火電燃料費用及失負荷費用COST小化。
(2)
式中 COST為系統(tǒng)總費用，即為火電燃料費用及啟動費用及失負荷費用之和，變量；YR及D分別為水文系列年數及一周(或一天)的時段集合；TH、THC和THS分別為火電廠、非停機火電廠和可停機火電廠集合；DR和DUR為一個月的周數的當量值(或一個月的天數)和時段d的小時數；P為火電廠工作容量；STP和SC為可停機火電啟動容量(變量，MW)及火電停機容量單位費用(參數)；FC為火電廠單位燃料費用，FC＝f(P);OC和SC分別為系統(tǒng)負荷(變量，MW)及失負荷單位費用。
(2)約束方程 含負荷平衡、機組檢修及備用容量平衡、水電能量約束和各類電廠工況等。
1)負荷平衡
(3)
式中 DP與D同集；PW為火電廠在周(或日)負荷圖上各相鄰臺階間所擔負荷的增值(變量，MW)；LOAD和ζ分別為系統(tǒng)負荷及電廠廠用電和輸電損失系數(參數)。
系統(tǒng)中若有抽水蓄能電廠，則可將周(或日)的時段分為抽水蓄能電廠發(fā)電工況和抽水工況兩部分。約束方程可按發(fā)電工況和抽水工況，分別在式(3)的左端和右端加上發(fā)電和抽水的功率，并加綜合效率約束方程。
若電力系統(tǒng)分為若干個子系統(tǒng)，則分別對各子系統(tǒng)進行平衡，并增加各子系統(tǒng)間的功率交換及輸電能力約束方程。
2)機組檢修平衡
hy∈HY,th∈TH
(4)
式中 MNTHY和MNTT為水、火電廠各月檢修容量，變量，MW；CAP為電廠裝機容量，對水電及已有火電為參數，對新增火電為變量，MW；DURMNT為電廠每年計劃檢修的總歷時，m。
若系統(tǒng)內有抽水蓄能電廠，也應增加抽水蓄能的機組檢修平衡方程。
3)備用容量平衡 當進行確定型規(guī)劃時，約束方程為
(5)
式中 RES、RS和MAXLOAD分別為電廠備用容量、系統(tǒng)備用率和負荷。
當進行隨機型規(guī)劃時，則沒有上述約束方程，但須考慮負荷及機組事故的隨機性，在費用中計入失負荷費用的數學期望值。
4)水電廠能量約束
(6)
式中 HR為日或周的小時數。
抽水蓄能電廠的能量決定于其庫容和落差。
5)電廠工況約束
含裝機容量約束、水電廠強制基荷約束、受阻出力約束和火電廠技術小出力約束等。
3 總體模型GBL
該模型是前向遞推動態(tài)規(guī)劃模型。其功能是逐年搜索，尋求計算期的總費用現值(簡稱為“總費用”)小的策略。目標函數的表達式為
(7)
式中 WORTH為電力系統(tǒng)折算至基準年(第0年)的總費用；TC為計算期規(guī)劃時段的集合，規(guī)劃時段一般采用50年；TP為規(guī)劃期規(guī)劃時段的集合；INV(tp)為在tp年增加的電廠容量(含電廠專用輸電線)及網架輸電線折算至tp年初的投資費用及固定運行費用(已考慮計算期內投資重置及殘值的扣除)；i為標準折現率；COST(tc)為電力系統(tǒng)tc年可變運行費(主要為燃料費用)。
設TP1期段已進行規(guī)劃，其后至規(guī)劃期末及計算期末的集合分別為TP2及TS，即
TP＝TP1＋TP2，TC＝TP1＋TS，參見圖1。
約束條件為：①系統(tǒng)及電廠狀態(tài)逐年的連續(xù)性；②方案的可行性和相容性。
規(guī)劃以年為階段，每階段的狀態(tài)是電廠的投產容量或網架輸電線回路數。隨著規(guī)劃的逐年遞推，總費用WORTH是逐年累加的。故式(9)中的INV和COST可分別分為兩項，即
(8)
式(8)可簡記為
minWORTH＝P1＋C1＋P2＋C2
(9)
式中 P1和C1為累計到TP1的投資費用(含投資重置和殘值扣除)和可變運行費用(即燃料費用)；P2為TP1以后至規(guī)劃期末的投資費用(含投資重置和殘值扣除)；C2為TP1以后年份至計算期末的可變運行費用。
對每個規(guī)劃年，P1和C1是可以精確算出來的，P2和C2兩項是隨著規(guī)劃的擴展而累加的，由于折現的關系，它們對總費用的影響隨著規(guī)劃時段的推移而逐漸減小，即它們對前面規(guī)劃的影響是逐漸衰減的。當規(guī)劃進行到相當遠的年份，其對系統(tǒng)總費用的影響甚至可忽略不計。這種特點保證了決策的科學性和計算的收斂性。
前向遞推規(guī)劃的起始狀態(tài)已知，而規(guī)劃期末的狀態(tài)是未知的。即只有一個“固定端”。搜索次數和計算工作量，比具有兩個“固定端”的后向遞推動態(tài)規(guī)劃大得多。
動態(tài)規(guī)劃有這樣的特性：當若干個方案在某一子階段初狀態(tài)相同，階段末狀態(tài)也相同(即兩個“固定端”)時，則方案的優(yōu)劣取決于子階段內的總費用，而與階段末以后的狀態(tài)無關。在這種情況下，可剔除式(9)中P1＋C1值較大的方案，加速收斂。可喜的是，這種情況是經常發(fā)生的。
在前向遞推中，在末了狀態(tài)不相同的情況下，有時也可根據各方案的投資費用和對節(jié)省系統(tǒng)總費用的貢獻的估計值，剔除不利方案。設進行規(guī)劃的年為tp，則遞推到tp年的系統(tǒng)費用公式為
(10)
式中 WORTHP為從基準年至規(guī)劃年份總費用與規(guī)劃年份可變費用延續(xù)至計算期末的費用之和；K為可變年運行費從tp年至計算期末的計算系數。
式(10)右端第二項為從基準年至已進行規(guī)劃年的可變運行費，第三項為規(guī)劃年至計算期末的可變運行費的估計值。
系數K的計算基于如下的假定，即tp年以后年份每年的可變年費用與tp年相同。在i已知情況下，折現值隨tp的向前推移呈緩慢遞減趨勢。在實踐規(guī)劃中，當i＝0.12時K值近似于8.38。
在逐年規(guī)劃中，當各方案WORTHP值有較大差值時，?？蓳颂蕹齏ORTHP值較大的方案，尤其在水電和火電方案比較時更可如此。
在工程實踐中，可根據工程的經驗剔除顯然不利的方案。例如當某投資大效益也大的水電廠投產年，因大壩和水庫剛投產，裝機容量較小，其WORTHP值必然較大，故不能貿然剔除；以后的年份的方案也宜以增加該水電廠的裝機容量為主，繼續(xù)向前遞推。
4 算例
湖南省懷化地區(qū)水電基地二都河優(yōu)化開發(fā)的算例。
(1)基地概況及規(guī)劃任務
二都河干流和3條支流，初步提出15個梯級電廠方案，總裝機容量為115.690 MW，年發(fā)電量385
GWh，保證出力33.06 MW。已建劉家坪二級、芹江、栗山、木鰲、魚米灘4座水電廠，在建的有劉家坪一級、步鰲2座水電廠。總裝機量為47.850 MW。
優(yōu)化規(guī)劃的主要任務為：①除劉家坪一級正常蓄水位已定外。需選擇天星和學田兩梯級的正常蓄水位；②優(yōu)選河流梯級開發(fā)方案；③結合電力系統(tǒng)電源選擇，優(yōu)選各水電廠開發(fā)時序、裝機容量和裝機程序。
(2)規(guī)劃的基本資料
電力系統(tǒng)各年負荷和水電廠經濟資料列于表1。
表1 各待選水電廠固定投資和變動投資
電廠名天星低天星中學田低學田中梁家洞
固定投資/萬元5 393. 95 766. 65 677. 85 792. 61 927. 1
變動投資/元.kW－11 260. 51 260. 52 336. 02 336. 01 727. 5
電廠名梁家洞高星橋芹江栗山木鰲
固定投資/萬元2 486. 65 826. 9
變動投資/元.kW－12 486. 62 311. 02 311. 0280. 51 731. 0
注：投資以1990年物價水平。
(3)優(yōu)化計算
模型建立在GAMS2.25軟件包上。計算速率非常快，在586PC機上，每方案只需數分鐘。
水電基地規(guī)劃總容量19.2 MW，連同已建在建(扣除報廢)的容量為142.06 MW。實發(fā)431.6 GWh，為水能藏量的85.3，優(yōu)化規(guī)劃的結果及逐年各電廠容量見表2。
表2 優(yōu)化規(guī)劃結果及逐年各電廠裝機容量表
年份1998199920002001200220032004
負荷
/MW357. 2382. 3410. 1438. 0468. 0502. 0538. 0
水電決策芹江8星橋(混天星低梁家洞 學田中栗山1.5
/MW 合)4224(混)18 3木鰲3
與原規(guī)劃相比，優(yōu)化規(guī)劃梯級數和平均費用減少了，而動能效益大幅度增加。水能開發(fā)程度達到83.5。優(yōu)化后的總裝機容量、總年發(fā)電量和總保證出力的增長率分別為25.2、12.1和29.5。圖4為基地水電廠群歷年逐月的總出力過程。
HELP模型還應用于山西省電力系統(tǒng)20年的長期規(guī)劃(備選電源含常規(guī)水電、常規(guī)火電、燃汽火電和抽水蓄能電廠)，并論證了西龍池抽水蓄能電廠修建的合理性，該規(guī)劃得到好評。
伍宏中 男，1931年生，教授級高工，已退休。1952年畢業(yè)于中山大學土木系。長期從事水電設計、規(guī)劃和管理工作。曾獲國家科技進步三等獎，水電部科技進步二等獎和能源部科技進步三等獎。退休后研制成HELP模型。
作者單位：水電水利規(guī)劃設計總院，100011北京
5 參考文獻
?。?］伍宏中.水電廠補償徑流調節(jié)的線性規(guī)劃模型及其應用.水力發(fā)電學報，1998(1)
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