梯级多业主电站不确定性风险共担调度及微分对策决策研究

With the multi-owner cascade hydro plants configuration form in China, it is a huge stochastic high-dimensional nonlinear optimization question for the actual operation of multi-owner cascade hydro plants constrained by water use competition and countermeasures. Considering inflow uncertainty propagation of cascade hydro plants based on stochastic response surface method, a multistage dynamic uncertainty operation model of cascade hydro plants is built by combining interval mathematical programming, fuzzy mathematical programming, multi-stage stochastic programming and inventory theory. Since the upstream hydro plant may suffer dual losses of water quantity and water head, the risk sharing law of the multi-owner cascade hydro plants is revealed by two risk factors, which are the errors of discharge in compensation period and that of inflow forecast in refill period. Combined with differential game theory based on continuous stochastic goodwill, the Stackelberg game and cooperative game behaviours of multi-owner cascade hydro plants in risk sharing pattern are described exactly. Then the benefits share mechanism of cascade hydro plants is deduced by building the Hamilton-Jacobi-Bellman equation aiming at attaining the the maximum return of cascade hydro plants generation. The research provide the scientific basis to solve management and optimal operation of cascade hydro plants in uncertainty which has both academic value significance and practical value.

随着电站投资主体的逐步多元化，梯级多业主电站随机优化调度是一类在用水竞争、调度模式、多维决策等约束集合条件下的大型、随机、高维、非线性优化问题，呈现出多阶段动态演化特性和极强的不确定性。本项目通过构建随机响应曲面，解析梯级电站来水的不确定性传递规律，融合区间模糊随机规划与存储理论，提出同一业主梯级电站的不确定性多阶段动态优化调度模型；考虑多业主电站来水不确定性和决策行为可能造成的上游电站水头和水量损失，以补偿期上游电站泄流量和回蓄期来水量的误差为风险因子，建立随机产出下的多业主电站风险共担机制；在此基础上引入基于连续时间的随机声誉微分对策理论，明晰刻画风险共担模式下多业主电站成员之间序贯博弈与合作博弈微分对策行为，通过汉密尔顿-雅可比-贝尔曼方程，建立多业主电站收益分担策略的数学描述方法。研究工作可为不确定条件下梯级多业主电站管理、控制和优化运营提供科学依据，具有重要的学术意义和应用价值。

梯级多业主电站随机优化调度是一类在用水竞争、调度模式、多维决策等约束集合条件下的大型、随机、高维、非线性优化问题，呈现出多阶段动态演化特性和极强的不确定性。研究工作首先构建了考虑未来气候变化影响的流域日径流预测模型，选取五种全球气候模式，预测了三种气候变化情景下未来30年流域的日径流量，并在此基础上采用Mann-Kendall趋势分析法分析了流域未来径流的变化特性。研究结果表明，RCP2.6和RCP4.5情景下未来径流呈上升趋势，而RCP8.5情景下未来径流呈下降趋势，且能够延长预见期，有效提示流域未来径流变化趋势。其次，研究工作引入经济学均值-方差理论，建立了兼顾决策者风险偏好的水电站发电效益-风险均衡随机优化模型；同时，在分析历史径流数据的基础上构建了随机径流情景树，并提出了多阶段随机径流情景树重构方法；在此基础上，进一步分析了效益-风险均衡调度模型发电量和发电风险对风险偏好的敏感性，推求出分布合理的效益-风险曲线，实现了水电站发电量和发电风险的均衡。接下来，引入基于蒙特卡洛-VaR的风险评估方法，度量指定风险状态下梯级水电站的未来年发电量。研究结果表明，在RCP2.6情景下，未来流域梯级的年平均发电量将有所提高，RCP4.5情景下未来年平均发电量变化情况不明显，RCP8.5情景下未来年平均发电量会有一些下降；在置信度为95%时，RCP2.6情景下流域梯级的未来年发电量至少会大于2129亿kWh，RCP4.5情景下未来年发电量至少会大于2062亿kWh，RCP8.5情景下未来年发电量至少会大于2049亿kWh。最后，建立了梯级多业主电站均衡调度模型，并根据NSGA-II优化理论提出了能用于求解多目标优化问题的改进布谷鸟算法，对流域未来30年内的多目标发电调度进行了模拟，提出了梯级多业主电站微分对策决策。结果表明RCP2.6情景下，未来30年内总发电量与保证出力之间的矛盾会有所下降；RCP4.5情景下，总发电量与保证出力的矛盾性表现增加的趋势；RCP8.5情景下，总发电量与保证出力的矛盾性没有太大的变化。