Файл: Резниковский, А. Ш. Управление режимами водохранилищ гидроэлектростанций.pdf

личество поступающих водных ресурсов в систему в те­ чение наиболее неблагоприятного периода эксплуатации и тем самым смягчить экономические последствия от глубоких дефицитов водных ресурсов. Для оценки эко­ номической эффективности и разработки технических приемов использования таких методов управления в во­ дохозяйственных системах необходимо и вполне возмож­ но в настоящее время провести соответствующие иссле­ дования.

Таким образом, при любой глубине регулирования речного стока водохранилищами в развитых водохозяй­ ственных системах в отдельные периоды времени могут иметь место несоответствия между количеством распо­ лагаемых и необходимых системе водных ресурсов, т. е. возможны перебои .нормальной работы системы.

С помощью использования некоторых других актив­ ных средств управления1 например складов готовой про­ дукции, мероприятий по кратковременному увеличению поступления водных ресурсов в систему, а также частич­ ного ограничения некоторых водопотребителей глубина и повторяемость нарушений нормального функциониро­ вания системы, а вместе с тем и экономические послед­ ствия от этих нарушений могут быть сведены к миниму­ му. Решение этой задачи и является одной из основных при проектировании систем.

Неполная зарегулированность речногостока в мно­ говодные периоды приводит к избыткам' водных ресурсов в системе. Использование этих избытков многими водопотребителями, за исключением гидроэнергетики, часто невозможно. По сути дела, эти ресурсы являются неуп­ равляемыми (их называют сезонными). Чем меньше глу­ бина регулирования речного стока, тем меньший гаран­ тированный минимум речного стока может быть обеспе­ чен системе и тем большее количество неуправляемых (сезонных) водных ресурсов в ней появляется. Неуправ­ ляемые (сезонные) водные и особенно энергетические ресурсы системы либо используются в ней за счет уста­ новления у водопотребителей и водопользователей до­ полнительных (их тогда называют дублирующими) мощ­ ностей, либо сбрасываются через водосливные сооруже­ ния гидроузлов (холостые сбросы).

На слабозарегулированных реках ежегодный объем холостых сбросов достаточно велик, а установка дублирующих мощностей на гидроэлектростанциях нередко не может быть экономически оправ-

16

данй из-за сравнительно высокой стоимости обычных гидроагрега­ тов. Поэтому для более полного использования энергии слабозарегулированных рек одной из интересных в будущем задач является разработка дешевых гидроагрегатов, которые могли бы быть уста­ новлены и на существующих гидроузлах без существенных измене­ ний и удорожаний стоимости их конструкций. Видимо, такие агрегаты, которые будут работать сравнительно небольшое число ча­ сов в течение года, смогут иметь существенно более низкие техниче­ ские характеристики (например, небольшие коэффициенты полезного действия).

Поставленная задача аналогична задаче, решаемой в теплоэнер­ гетике, где в течение ряда лет ведутся проработки по созданию де­ шевых агрегатов, предназначенных для непродолжительного исполь- - зования в энергосистемах в пиковых режимах.

В гидроэнергетике такая задача не ставится, хотя она представ­ ляется достаточно актуальной, особенно в условиях районов, где топливные ресурсы близки к исчерпанию и где утилизация всех гидроэнергетических возобновляемых ресурсов будет способствовать снижению количества энергии, транспортируемой из смежных обла­ стей страны.

Единственным условием такой утилизации водной энергии является экономичность, т. е. существенное снижение стоимости ги­ дроагрегатов и особенно конструкций здания ГЭС, где они могут быть установлены. Наилучшим решением здесь могло бы быть совме­ щение места установки новых гидроагрегатов с каким-либо конструк­ тивным элементом гидроузла, например с водосливной плотиной. Разработки такого рода с упрощенными агрегатами обычного типа не проводились.

Одним из возможных способов решения поставленной задачи мо­ жет явиться создание двухслойного гидроагрегата без вращающихся частей. При их разработке необходимо ориентироваться на установку в пролетах существующих водосливных плотин, с тем чтобы кроме выработки сезонной или пиковой электроэнергии они могли выпол­ нять также функции гасителей энергии.

Главные соображения, лежащие в основе создания двухслойных гидроагрегатов, и их некоторые характеристики приведены в работах [Л. 80, 81]. Разумеется, имеющиеся сейчас материалы могут лишь иллюстрировать идею таких агрегатов. Практические разработки и их экономические характеристики, очевидно, потребуют еще доста­ точно много времени для проведения широкого круга необходимых исследований.

Таким образом, с позиции системотехники сформиро­ ванные водохозяйственные системы являются сложными вероятностными системами, включающими большое ко­ личество взаимосвязанных и взаимодействующих между собой элементов. Цели функционирования водохозяйст­ венных систем многообразны и сложны. Как правило, любую водохозяйственную систему можно разбить на подсистемы, являющиеся составными частями смежных отраслевых систем (электроэнергетической, транспортной и др.). Функционирование водохозяйственных систем происходит при наличии взаимодейств

2—712

дой и связано с воздействием на нее ряда случайных факторов, в первую очередь геофизических. Наличие та­ ких факторов существенно усложняет задачу управле­ ния режимами работы водохозяйственных систем в усло­ виях эксплуатации. Эта задача заключается в выработке таких правил управления режимами работы системы, ко­ торые в условиях отсутствия долгосрочных прогнозов поступления ресурса, некоторых видов потребления, а также и состояния самой системы позволяли бы .полу­ чать решения, достаточно близкие к оптимальным. Эти вопросы являются основными в данной работе. Пути и этапы их решения будут рассмотрены ниже.

1-2. Пути и этапы решения рассматриваемых водохозяйственных задач

Оптимальное проектирование и эксплуатация разви­ вающихся водохозяйственных и энергетических систем с увеличением масштабов использования водных ресур­ сов становится все сложнее и сложнее. Многообразие целей проектов, несопоставимость результатов использо­ вания водных ресурсов в разное время, обилие конст­ руктивных и эксплуатационных параметров системы, подлежащих выбору, различие особенностей использова­ ния водных ресурсов в разных районах и странах, необ­ ходимость учета далекой перспективы развития общест­ ва делают использование традиционных методов проек­ тирования все менее правомерным. Поэтому становится понятным усиливающийся во многих странах интерес к использованию при проектировании и эксплуатации во­ дохозяйственных объектов и систем современных мето­ дов оптимизации с применением электронных вычисли­ тельных машин, которые позволяют быстро и с достаточ­ ной точностью отыскивать оптимальные решения.

На базе вычислительных машин стало возможным использовать при проектировании и эксплуатации слож­ ных систем такие новейшие математические методы, по­ лучившие в последние годы значительное развитие, как теория статистических решений (например, [Л. 75]), тео­ рия игр (например, [Л. 9]), теория управления запасами и оптимального распределения ресурсов [Л. 15, 28, 62], теория массового обслуживания и исследования опера­

18

Применительно т< водохозяйственным системам все эти методы используются еще очень редко и без особых практических успехов, хотя в дальнейшем, видимо, эф­ фективность и целесообразность их использования будут возрастать.

Традиционные аналитические вероятностные методы были разработаны для одиночных водохранилищ, а при проектировании и управлении режимами работы водо­ хозяйственных систем их использование до сих пор встре­ чало существенные трудности. Это хорошо иллюстриру­ ет работа [Л. 35]. По свидетельству Н. А. Картвелишвили [Л. 37], это происходит потому, что «удовлетворительных вычислительных алгоритмов, а следовательно, и программ для расчета каскадов аналитическим методом до насто­ ящего времени не предложено. Однако 'препятствия, сто­ ящие на этом пути, видимо, преодолимы». Одним из наи­ более перспективных, с нашей точки зрения, методов ана­ литического решения задач оптимального управления режимами работы каскадов водохранилищ является ме­ тод стохастического управления. Пример применения этого метода к решению водохозяйственных задач дается в приложении I. В нем для трех водохранилищ гидро­ электростанций, работающих в одной энергосистеме и расположенных на двух реках, при ряде принятых допу­ щений, дается метод отыскания оптимальных правил управления режимами их работы. Время решения ука­ занной задачи на ЭВМ БЭСМ-4 невелико и это дает на­ дежду на то, что в ближайшее время решение сможет быть распространено на случай более сложных водохо­ зяйственных систем.

Очень важным остается доказательство приемле­ мости принятых в приложении I допущений. Для этой цели необходима разработка теории эффективности решений применительно к данной задаче (ем. ниже), в которой необходимо иметь некоторые альтернативные варианты решения. В качестве последних в данной ра­ боте будут приняты неаналитические пути решения рас­ сматриваемой задачи.

Проектирование и управление сложными системами становится наиболее эффективным тогда, когда плани­ рование будущих действий и принятие тех или иных ре­ шений основывается на выборе оптимального варианта, определяемого в ходе предварительного исследования

[Л. 66].

Значительной трудностью в оценке принимаемых ре­ шений является тот факт, что физический эксперимент в сложных системах практически неосуществим из-за его большой стоимости, а в экономических системах изза невозможности его проведения. Поэтому особый инте­ рес при проектировании и эксплуатации сложных систем и водохозяйственных систем в частности представляют методы статистического моделирования (эти методы ча­ сто называют методами Монте-Карло или методами ста­ тистических испытаний).

Это признает известный сторонник аналитических ме­ тодов в водохозяйственных расчетах Н. А. Картвелишвили, который в своей последней книге [Л. 37] писал: «Наи­ более простым, с вычислительной точки зрения, методом расчета в сложных случаях сейчас является прямая оп­ тимизация по ансамблю реализаций процесса стока», т. е. по совокупности выборок, смоделированных методом Монте-‘Карло.

По свидетельству Н. П. Буеленко [Л. 16], «метод ста­ тистического моделирования позволяет решать весьма сложные задачи и обладает существенными преимущест­ вами перед аналитическими методами и другими видами моделирования». Особую роль статистическое модели­ рование играет при решении задач управления, в том числе и автоматизированного. С его помощью можно обоснованно выбрать близкие к оптимальным алгоритмы управления, оцепить эффективность различных принци­ пов и надежность управления.

Следует заметить, что метод статистического модели­ рования [Л. 16] « . . . обладает и существенным недо­ статком: решение всегда носит частный характер. Оно соответствует фиксированным значениям параметров си­ стемы и начальных условий». Одной из важных проб­ лем в теории сложных систем является выбор моделей, которые «. . . с одной стороны, достаточно полно отра­ жали бы протекание процессов в реальной системе и в этом смысле были бы достаточно сложными, а с дру­ гой стороны, были бы достаточно просты, чтобы их мож­ но было описать и исследовать с целью получения ре­ зультатов в обозримое время» [Л. 25]. При этом в первую очередь имеется в виду быстродействие и емкость памя­ ти используемых для решения задачи вычислительных машин. Этот фактор в ряде случаев становится главен­ ствующим при выборе моделей.

20

Применение методов статистического моделирования к решению задачи управления режимами при эксплуата­ ции водохозяйственных систем с ГЭС и водохранилища­ ми является основой данной работы.

Весьма условно эту задачу можно разбить «а сле­ дующие части.

1. Исследование статистических и физических зако­ номерностей колебаний речного стока, количественная оценка по небольшим наблюденным выборкам основных характеристик (параметров распределения) стока и раз­ работка практически приемлемых и теоретически доста­ точно строгих методов и схем математического описания и программ статистического моделирования речного сто­ ка на вычислительных машинах. Проведение аналогич­ ных исследований и оценок для некоторых видов водо­ потребления, зависящих от случайных геофизических причин.

2.Разработка способов и алгоритма оценки целевой функции, которую требуется оптимизировать при выборе параметров и метода управления режимами эксплуата­ ции системы.

3.Оптимизация режимов работы водохранилищ группы гидроузлов системы в условиях различных вод­

ности рек и водопотребления за весь рассматриваемый период развития системы.

4. Обобщение полученных материалов в оптимальные правила принятия решения при проектировании и экс­ плуатации водохозяйственных систем в условиях, когда водность рек на предстоящий период развития системы, некоторые виды водопотребления и другие характери­ стики системы (в том числе и экономические) не извест­ ны.

Выделенные выше части задачи оптимизации разви­ тия и управления режимами работы водохозяйственных систем неравнозначны по трудоемкости, сложности, раз­ работанности и значимости. Данное деление задачи на отдельные части, конечно, является условным, но пред­ ставляется удобным для последующего изложения. В не­ которых предложенных в настоящее время методах ре­ шения рассматриваемой задачи отдельные ее части мо­ гут быть объединены воедино [Л. 35, 72].

Первой части задачи в вышепредставленной класси­ фикации посвящено весьма значительное число исследо­ ваний как в СССР, так и за рубежом. В течение ряда

21

лет такие работы выполнялись в «Энсргосетьпроекте» (см., например, [Л. 21]), в ИБП АН СССР, в ГГИ и др. В настоящей работе основное внимание будет уделено особенностям водопотребления « водопользования с точ­ ки зрения детерминированности или случайности их ха­ рактеристик. Небольшие обобщения выполненных иссле­ дований будут даны и применительно к характеристикам речного стока.

Для анализа и разработки средств управления систе­ мой прежде всего необходимо установить цель управле­ ния (вторая часть задачи). В конечном итоге цель управ­ ления требуется формализовать в виде целевой функции и найти условия, при которых эта цель может быть достигнута, т. е. нужно найти и сформулировать обяза­ тельные ограничения при решении задачи. Обычно в за­ дачах управления работой энергетических и водохозяй­ ственных систем с водохранилищами при анализе си­ стем устанавливают зависимости суммарных затрат в них от величины и распределения отдач гидроузлов. При этом в сложных энергетических и водохозяйственных си­ стемах необходимо оценить: изменения затрат на тепло­ вых электростанциях системы, работающих «а разном топливе и имеющих различные характеристики оборудо­ вания; учесть потери и пропускные способности линий электропередач системы; учесть требования .и затраты неэнергетических участников водохозяйственного комп­ лекса; рассмотреть вопросы покрытия балансов мощно­ сти и энергии отдельных энергоузлов системы, вопросы распределения между станциями ремонтных, аварийных и нагрузочных резервов системы и т. п.

iB результате такого исключительно сложного анали­ за удается получить искомые зависимости затрат систе­ мы от величины и распределения отдач гидроузлов, ко­ торые и могут быть в дальнейшем использованы в каче­ стве целевой функции, подлежащей оптимизации. При этом требования компонентов водохозяйственной систе­ мы в обеспечении водой чаще всего принимаются в виде обязательных ограничений режима работы водохрани­ лищ.

Правильная постановка этой задачи для наиболее общего случая комплексной водохозяйственной и энер­ гетической систем, скорое и приемлемое для практики ре­ шение этой задачи представляется совершенно необхо­ димым. Одним из наименее изученных и наиболее важ­

22

ных вопросов здесь является определение экономической эффективности использования воды, ущербов от недода­ чи воды тому или иному потребителю или оценка ущер­ бов от неоптимальных режимов ее предоставления. Все эти вопросы в данной работе рассмотрены достаточно конспективно, в основном с позиций постановки задачи и отыскания возможных путей их решения (см. § 4-4).

Третья часть задачи подробно исследована многими авторами, особенно для случая одиночных водохрани­ лищ сезонного регулирования речного стока. Можно ука­ зать и на многие весьма подробные и тщательные раз­ работки по оптимизации режимов для группы водохра­ нилищ. Достаточно полные обобщения этих исследований можно найти в [Л. 10, 18, 50, 68, 72].

Оптимизация режимов работы водохранилищ сводит­ ся к отысканию такого распределения отдач гидроузлов в течение времени, которое позволило бы получить ми­ нимум целевой функции при удовлетворении ряда требо­ ваний (ограничений) энергетической и водохозяйствен­ ной систем.

В данной работе методы оптимизации не анализиру­ ются, а лишь используются при разработке отдельных иллюстративных примеров, взятых из проектной практи­ ки авторов. -

Основным в книге является исследование четвертой части задачи. Полученные в результате оптимизации ре­ жимы работы водохранилищ являются исходными дан­ ными при разработке обобщающих рекомендаций для управления их работой при эксплуатации системы. Эти обобщения или правила управления являются в извест­ ном смысле стратегией управления режимами работы системы. Они позволяют принимать наиболее ответст­ венные решения с наименьшим риском, с учетом послед­ ствий на достаточно продолжительный период времени.

Таким образом, главной целью данной книги являет­ ся исследование методов управления режимами работы каскадов водохранилищ в сложных водохозяйственных системах при невозможности прогнозировать речной сток и некоторые виды водопотребления на весь цикл регули­ рования. Указанное исследование проводится «а базе статистического моделирования как процесса речного стока, так и отдельных видов водопотребления и водо­ пользования. Для выявления, какие виды водопотребле­ ния требуют статистического моделирования, у каких

23