1.3　国内外研究进展

在电力市场环境下，水电对火电的补偿效益是节能减排与水库补偿效益两大研究领域的交叉科学问题，国内外有关水电对火电补偿效益的研究鲜有报道，这一领域可供参考的文献更是凤毛麟角。但是水电对火电补偿效益的研究符合当今节能减排的时代潮流，影响水电的定价和补偿，关系到水电的健康发展，涉及社会、经济、政治、能源、水利、环境和生态多个学科，必将成为国内外研究重点和热点。本书研究范围限于电力市场环境下水电联调运行中梯级水电对火电的补偿效益，梯级水电站优化调度是本研究的基础，水库补偿效益理论对本研究具有指导和借鉴意义。因此，国内外研究现状主要针对梯级水电站发电优化调度和现有水库补偿效益理论进行阐述。

1.3.1　梯级水电站发电优化调度研究

水电对火电补偿效益是以电力市场等变化环境下水电站优化调度为基础的，因此，水电对火电补偿效益研究必须以梯级水电站研究为前提。1955年Little采用马氏过程原理建立水库调度随机动态规划模型标志着水库优化调度的开始（Little J.D.C，1955）。1970年Roefs和Bordin将水库优化调度研究的重心从单个水库转移到多个水库（Roefs & Bordin，1970）。为了克服动态规划用于水库群优化调度中“维数灾”的问题，1968年，Larson提出了增量动态规划法（Larson，1968）。1971年，Heidari提出了离散微分动态规划法（Heidari，1971）。1972—1981年，Trott，Gilest和Yeh等相继使用了动态规划逐次逼近法（Dynamic Programming with Successive Approximation，DPSA）对水库群优化调度进行研究（Trott，1973；Yeh&Trott，1972；Trott&Yeh，1975；Gilest，1981），然而采用DPSA方法求解时并无法保证针对任何情况都能找到全局最优解。1975年，Howson提出了逐步优化算法（Howson，1975），该方法在求解每个子问题时只需考虑与该子问题相邻的两个时段的子目标值，从而减小了计算过程中所占用的内存。1981年，Turgeon A将逼近法和随机动态规划应用于并联的水电站水库群，解决了水电站水力发电系统的优化问题（Turgeon A，1985）。1988年，Foufoula等提出了一个梯度动态规划算法（GDP），能够有效地克服水库数目增加所造成的“维数灾”的问题（Foufoula，1988）。1992年，Karamouz等提出了贝叶斯随机动态规划（Karamouz，1992）。随着计算机技术的不断发展，人工智能算法已受到广大学者的广泛关注，水库优化调度学者也相继将其运用到水库优化调度中。20世纪60年代末至70年代初美国密歇根大学的Holland J H教授及学生提出了遗传算法（Holland J H，1975）。1994年，Esat和Hallt在四个水库的优化调度问题中应用GA算法进行求解，并应用于实际中（Esat&Hallt，1994）。1983年，Kirkpatrick等提出了现代的遗传算法（Kirkpatrick，1983），在解决大规模的最优组合问题中取得了很好的成绩。意大利学者根据蚂蚁群体觅食行为方式而提出一种仿生优化算法——蚁群算法（Dofigo M，1999）。2004年，Becerra R L等针对非线性约束优化问题，在文化算法的种群空间中引入了基于概率分析的微分进化算法（Becerra R L，2004）。智能算法不仅为水库优化调度研究开辟了新的空间，提供了新的思路，还丰富了水电站水库群优化调度的理论。

我国于20世纪80年代初开始研究水电站水库群优化调度的问题。1981年，张勇传把并联水库的优化调度问题转化为各个水库单独的优化调度问题，分别得出两库的优化调度策略后，以偏优损失最小为两库总体最优的目标函数，协调两水库单独的最优策略，最后得到总体的最优策略（张勇传，1981）。1982年，叶秉如等提出了并联水库年最优调度的动态解析法，将其应用在闽北水电站水库群中取得了显著的效果（叶秉如等，1982）。1983年，纪昌明将离散微分动态规划法应用于混联式水电站水库群动能指标的优化中，随后，在此基础上和冯尚友进一步研究了离散微分动态规划法在长期优化调度中的应用（纪昌明等，1982）。1984年，张勇传等将模糊等价聚类、模糊决策和模糊映射等理论引入水电站水库群优化的调度中（张勇传，1984）。1988年，胡振鹏、冯尚友运用动态大系统多目标递阶分析理论的分解—聚合方法解决跨流域供水的水库群优化调度问题，并取得了良好的效果（胡振鹏，1985；冯尚友，1988）。1991年，为了克服大规模水电站水库群补偿调节调度遇到的困难，董子敖等引入了大系统优化递阶理论，将多目标层次优化模型进一步扩展为“分级多层次优化”模型（董子敖，1991）。1995年，秦大庸、黄守信研究了大规模水电站水库群的优化补偿调节问题，提出了基于蓄水、放水次序的水电站水库群优化补偿调节方法，在实际运用中取得了良好的效果（秦大庸等，1995）。虽然人工智能算法引入我国水库调度中比较晚，但还是取得了一定的成果，成为近年来国内研究的热点。1996年，马光文首先采用遗传算法（GA）求解了确定性入流的单目标水电站水库年优化调度的问题，之后又将该算法用于梯级水电站群优化运行问题的求解中，最后根据水电站水库调度多目标问题提出了多目标遗传算法（马光文，1996）。2005年，徐刚等将蚁群算法应用到水库优化调度中，并取得了良好的效果（徐刚等，2005）。2012年，喻杉提出了基于逐步优化的变异算子的改进蚁群算法（POM.ACO），利用指导式变异模块增强蚁群的性能，采用自适应调整信息素挥发因子机制改善水库优化调度计算的收敛速度，为大型水电站水库群优化调度问题求解提供了一条快速便捷的途径（喻杉，2012）。2006年，马西霞等将粒子群算法引入水库调度中，并取得了良好的效果（马西霞等，2006）。2007年，张双虎、黄强等提出了改进自适应粒子群算法，并应用在水库优化调度求解问题中（张双虎等，2007）。2012年，谢维将文化算法（CA）和病毒进化机制分别引入到粒子群算法中，提出了文化粒子群算法（PSO.CA）和病毒粒子群算法（VPSO），并将其应用到梯级水电站水库群的优化调度中（谢维，2012）。

从国内外水库电站调度研究来看，在早中期偏向于理论的研究，研究的主要内容集中在两个方面：①如何建立调度模型；②求解模型的方法（原文林，2009）。

随着我国电力市场的逐步建立，水电如何发展，许多学者进行探讨，建立了水电参与市场的初步理论。欧述俊针对谷峰电价差，发电量最大不代表效益最大这一问题，提出了考虑峰谷电价因素的水库发电优化调度方法（欧述俊，2003）；成立芹针对电力工业现状，在借鉴国外电力市场经验的基础上，论述了我国现阶段电力市场的运行模式定价方法及其影响因素，研究了相关的竞价策略模型及其均衡解，以及水电站的优化调度策略（成立芹，2004）；曾明就厂网分开后，在电力市场环境下，针对水电比重较大的省份提出了水电与火电分离运作与整体优化的市场模式，具体研究了水电与火电优化配置方法及其实施方案，通过具体的数据测算出水电与火电优化配置电价，最后对所设计的方法及其实施方案，通过具体的数据测算出水电站水库优化调度模型，且以宝珠寺电站为例进行了研究（曾明，2004）；曾明从水电参与电能主电优化配置电价，最后对所设计方案的经济效益进行了评估（曾明，2006）；陈健康提出了分时电价条件市场、辅助市场，以及水电交易方式、市场规则等方面入手，结合水电的特性，深入分析水电参与市场竞争面临的问题（陈健康，2000）；全宏兴从电力市场的规则入手，结合水电的特性，对水电生产中遇到的发电能力等要素进行数学统计处理，采用概率模型，建立基于风险情况下收益最大的数学模型，对水电企业的合同电量确定以及计划安排等问题进行了研究（全宏兴，2007）；李厚俊从电价机制、市场模式、竞价空间以及开放的市场种类等方面入手，对目前各区域电力市场规则进行简要的比较，分析了这些市场规则的不同特点以及这些规则对水电企业的影响（李厚俊，2007）；原文林结合电力市场，建立了梯级水电站中基于梯级发电效益最大的水库年末消落水位优选模型和发电调度模型，研究了能够兼顾计算效率和计算精度的模型求解方法，并对梯级水电站合约电量的确定和月内分解以及市场环境下梯级水电站发电补偿效益、优化调度规则进行了研究探讨（原文林，2009）。

综上分析，电力市场环境下梯级水电站优化调度研究已经取得丰硕成果，但是这些研究更多地集中在模型和算法上，且研究对象没有考虑到火电站出力。虽然这些理论研究应用到生产实际中还有距离，但却为水电对火电补偿效益理论研究提供了借鉴，奠定了坚实的基础。

1.3.2　水库补偿效益研究

水库补偿效益与水电对火电补偿效益既有联系又有区别。水库补偿效益主要研究水库与其建设、运行状态改变所影响的相关单位之间的利益的变化，是梯级水库与河流、用水相关系统的外部效益内部化，明确权利和义务。水电对电网中火电补偿效益是研究电网系统中水电运行状态改变对电网中火电的补偿关系与模糊效益明确化，支持水电的定价和补偿。两者的联系部分是水力发电补偿效益，但侧重点不同。

在涉及水库补偿效益的文献中，国外更为关注水库间的发电补偿效益。2000年后，国外水电开发高潮已过，补偿分配应急规范，相关研究鲜见文献。国内研究随着梯级水电站的开发进入如火如荼境界，相关研究更为全面，受到更多关注的是争取龙头水库的建设而强调其对下游水电站的补偿效益。梯级水电站补偿效益方面已经初步形成理论体系，黄强团队对黄河干流梯级水库的补偿效益开始了全面系统的研究，黄强、畅建霞对黄河上游龙青水电梯级的电量补偿效益做了研究（畅建霞等，2002）。黄强、刘涵等采用POA法对黄河干流供水及发电效益进行了初步计算（刘涵等，2003）；赵麦换针对水库调度的流域化、生态化的特点，从概念、计算原理、分类和分摊方法等方面对水库补偿效益的理论体系进行了初步的研究，并以黄河为实例建立黄河干流水库补偿效益模型（赵麦换，2001；赵麦换，2002；黄强，2003）。马光文，王金龙等在水电站群节水增发电方面研究较多，通过水库间的优化调度达到节水同时使得发电效益最大（冉钦朋，2014；马光文，2014；徐廷兵，2012；王金龙，2012）。王干一，白涛分别对梯级水电站的补偿效益进行了计算（王干一，2011；白涛，2013）。杨文娟等运用系统科学的方法建立了确定性评价与风险模型，对黄河干流梯级水库电站补偿调节方案进行了综合评价，推荐了最优方案（杨文娟等，2009）。刘学海对龙头水库的补偿效益及梯级水电站优化模式进行了研究（刘学海，2005）。钟平安提出了梯级水电站实时补偿增益的计算方法、龙头水电站不同补偿方案下风险的定量化方法以及基于期望增值最大的补偿方案选择方法（钟平安，2008）。此外对水库补偿效益理论体系、流域尺度水库补偿效益模型、水库防洪补偿效益以及补偿效益分摊方法等研究，并以黄河为实例建立黄河干流水库补偿效益模型，计算龙羊峡水库的防洪补偿效益，还研究南水北调西线对于黄河干流的补偿效益。武汉大学、华北电力大学等也对三峡梯级和清江梯级跨流域联调补偿调节电力补偿进行了研究（万飚，2007；李安强，2007）。

因此，对水库自身利益关注是水库补偿效益对象拓展的内因，中国特色市场经济制度的确立为水库补偿效益相关对象拓展提供了平台，成为其拓展的外因。黄河实行全河水量统一调配后，黄河上游大型水库直接参与全河水量调配，其作用范围拓展到下游省区供水、河道及河口区生态环境系统等。水库补偿效益对象的拓展是适合新形势发展和人类对水库补偿效益认识深入的必然结果。张泽中对黄河上游龙羊峡和刘家峡梯级水库的防凌、生态和环境方面的补偿效益进行了研究，取得了大量的成果（张泽中，2008；张泽中，2009；张泽中，2009）。

综上所述，国内外水库补偿效益理论体系初步形成。但是，已有的成果主要集中在水库间或在水库群间的发电补偿，缺乏水电对火电的补偿效益研究，不能满足我国电网健康有序发展的理论支撑需求。