1.1 研究背景及意义
人们对水资源的开发利用一直在不断地发展，由最初的挖渠筑堤到后来的防洪、灌溉、发电等等一系列活动，水资源在人类日常生活和工业生产中的地位越来越重要。如今，水资源作为一种日渐紧缺的自然资源，它不仅是人类生存必不可少的保障性资源，更是国家建设和社会发展不可或缺的物质基础。随着经济社会的迅猛发展和人口数量的日益增加，人们对水资源的需求问题将会成为影响国家经济和社会可持续发展的重要战略性问题。我国水资源总量占全世界总水量的6%，但人均占有量极少，是世界上人均水资源最为匮乏的贫水国家之一[1-3]。因此，对现有的水资源进行合理规划，优化水资源时空分布格局同时坚持可持续原则对水资源进行开发利用，对促进生态文明和持续发展具有重要意义。 水资源问题实则能源问题。2012 年，国务院出台《关于实行最严格水资源管理制度的意见》要求严格控制水资源粗放式开发利用，加强管理，优化水资源配置，提高水资源利用率[4]。2015 年 11 月，国家发布《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》指出建设现代能源体系，深入推进能源革命，着力推动能源生产利用方式变革，大力提高能源利用效率，创建绿色低碳、高效安全的现代能源体系[5]。2016 年 2 月，科技部发布了国家重点研发计划——“水资源高效开发利用”科技重点专项，紧紧围绕综合节水、水资源优化配置、重大水利工程建设与安全运行等问题，其中东北地区主要包括松辽流域江河湖库综合调控，提高其水资源综合利用率[6]。水能资源作为绿色清洁能源，利用潜力巨大，在我国其储量丰富，作为开发利用水资源的主要形式之一，水力发电具有其独特的优势地位。大力提高水资源的利用效率，对于我国经济和社会可持续发展具有重大意义。 我国对蕴藏量较为丰富的水能资源进行了科学地开发和合理地利用。“十二五”规划之后，随着大批水库和水电站群的规划建设、运行及管理，我国水电建设进入高速发展时期，截至 2014 年底，我国水电总装机规模已经超过 3 亿千瓦，约占全球总装机容量的 27%，形成了包括长江上游、黄河中上游、浙闽赣诸河和东北水电基地等在内的全国十三大水电基地。目前，我国已经建成的大、中、小型水电站共有 4.5 万多座，拥有 5 座装机容量排名全球前十名的水电站，其中包括已经建成的三峡水电站、溪洛渡水电站以及正在建设的白鹤滩水电站等[7-11]。
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1.2 水库调度方法概述
水库群中长期优化调度是一个多阶段决策过程的最优化问题，是在常规调度和一些优化理论与技术的基础上发展起来的。水库群中长期优化调度可描述为：根据水库群的径流入流过程，依照优化调度准则，运用最优化计算方法，寻求较为理想的水库群调度方案，使水库群发电系统各部门在整个分析过程内的总效益最大。 水电站群系统联合优化调度由于受到各级水电站之间的水力联系、电力联系以及水文状况的不确定性等因素的影响而显得尤为复杂。自从上世纪 90 年代开始，随着计算机技术和人工智能算法理论的不断发展，产生了许多新型优化调度模型，进一步推进了水库群联合优化调度模型的研究，其中具有代表性的方法有人工神经网络算法（ANN）和遗传算法（GA）等等。这些新型方法拓宽了现有的计算模式，各自具有独特的优越性，但是在求解过程中波动性较大，求解结果不够稳定，对于实际问题，难以求得有效解。 下面对几种常用的具有代表性的优化调度算法及其优缺点进行简单介绍。动态规划算法[14]是 20 世纪中叶由美国学者 R.Bellman 提出来的一种能够解决多阶段决策问题的优化方法，是解决多阶段决策问题的一种思路。动态规划模型主要由阶段、状态、决策与策略、状态转移方程以及目标函数等 5 个要素组成。一般说来，实现动态规划过程需要经过“划分阶段→正确确定状态变量 Sk→确定决策变量 Xk及其允许的决策集合→状态转移方程 Sk＋1=T(Sk，Xk)→确定直接效果函数（即指标函数）→列出最优指标函数的递推关系式→确定边界条件”。 能够采用动态规划算法求解的问题一般都需要具有以下 3 个特征：（1）满足最优化原理；（2）具有无后效性，也就是说某一决策过程只与当前状态有关；（3）具有重叠子问题。动态规划算法可以用来求解非线性、离散变量的优化问题，在水库群系统联合优化调度过程中得到广泛应用，但由于其在求解过程中存在着严重的“维数灾”问题，因此逐渐出现了很多改进后的动态规划算法[15]。
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第 2 章 松江河梯级水电站基本情况
2.1 流域概况
漫江、松江河是白山水库上游头道松花江上的两条水系，发源于东北之巅——长白山，该流域水系分布详见下图 2-1。整个流域分布在长白山脉的西北坡，地势自东南向西北递减，最高点是长白山脉的主峰白头峰，海拔 2744m。流域内的地势较高，平均高程为 979m。两条水系干流在抚松镇汇合后称为头道松花江，主要流经吉林省抚松县境内，汇合于抚松县城西北角。地理坐标位于东经 127°～128°，北纬 41°30′～42°30′范围内，这里山峦重叠，人烟稀少，河道弯曲，水流湍急。 漫江是头道松花江的河源，河道长度为 153km，从河源到河口的落差是 1258m，平均坡降为 8.2‰，河道弯曲系数为 1.8，有四条较大支流，上游有锦江及黑河均从右侧汇入，中游有石头河及汤河从左侧流进，此外尚有大小沟岔近 40 条，河口设有抚松水文站，该流域面积 2781 km2，多年平均流量约为 44.1m3/s。 松江河是头道松花江的主要支流，从河源到河口总落差 1637m，河道总长度为 140km，平均坡度为 10.9‰，河道弯曲系数为 2.0，槽子河、三道松江河、二道松江河等主要支流均从右侧流入，在河口曾设有花家院子水文站，该流域面积为1900km2，多年平均流量为 32.9 m3/s[49]。 漫江、松江河流域内水量丰沛，多年平均年降水量为 810mm，水能资源十分丰富，两条河流理论蓄能 22.8×108k W/h。
2.2 各梯级水电站概况
松江河梯级水电站位于吉林省抚松县境内，包括松山水库、小山水电站、双沟水电站和石龙水电站。松江河梯级水电站是将漫江上游的水量经松山水库通过跨流域引水隧洞引至松江河，并在松江河干流上分别修建有小山水电站、双沟水电站、石龙水电站三座水电站，各水电站分别于 2002 年、1999 年、2010 年和 2010年并网发电，其中松山水库自身不发电，仅向小山水电站输水以此增加其发电用水量。松山水库、小山水电站、双沟水电站修建采用混凝土面板堆石坝，石龙水电站为混凝土重力坝，松江河梯级水电站以发电为主要任务，三座水电站均设有引水式发电厂房，各电站装机分别为 160MW，280MW，70MW，总装机容量为510MW。各梯级水电站特征参数如下表 2-1，松江河梯级水电站位置纵剖图详见下图 2-2。
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第 3 章 松江河梯级水电站常规法调度 ........... 21
3.1 松山水库～小山水电站联合调度方案 ............ 21
3.2 双沟水电站调度方案 ........... 25
3.3 石龙水电站调度方案 ........... 27
3.4 小结 .......... 28
第 4 章 松江河梯级水电站优化调度 ..... 30
4.1 构建模型 ............ 30
4.1.1 目标函数..... 31
4.1.2 限制约束条件 ...... 32
4.2 模型求解 ............ 33
4.2.1 参数选择..... 33
4.2.2 求解过程..... 35
4.3 计算结果与分析 ......... 37
4.4 小结 .......... 39
第 5 章 结论与展望..... 40
5.1 结论 .......... 40
5.2 展望 .......... 40
第 4 章 松江河梯级水电站优化调度
梯级水电站群优化调度问题可以概括为：在已知梯级水电系统以及其梯级水库群的任务、功能、特性参数等原始数据和各种约束条件的前提下，为满足生产生活的需要以及各有关部门的要求，按照基本运行调度规则，利用一定的优化理论方法和技术手段，寻求梯级水电站群的最优运行调度方式和最优决策。梯级水电站群优化调度的主要任务则是在综合考虑各梯级水电站的水文资料、库容差异以及不同约束条件的基础之上，结合水电站群实际用水量需求，以一定的时间段为一个周期，用先进的计算机技术作平台，利用优化算法来求解调度方案并制定符合调度要求的运行计划，充分高效利用水能资源，以此来获取最大的经济效益，这对梯级水电站群系统的防洪、发电、生态环境保护以及运行管理等各方面都至关重要[52]。梯级水电站群优化调度常用的运行准则主要有以下几种:（1）经济效益最大，同时运行费用最小；（2）在满足各部门用水要求的前提下，使梯级水电站群的总体发电量最大；（3）使梯级水电站群总体
