Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

9
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án "Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng" được hoàn thành với mục tiêu nhằm xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định trên cơ sở thuật toán lập lịch, các mô-đun xử lý số liệu vào ra, kết nối các mô hình; tối ưu mô hình bể chứa; Áp dụng việc liên kết các mô hình đã đề xuất trên nhằm kiểm định khả năng ứng dụng cho Nhà máy Thủy điện Thác Xăng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG Ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9520216 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ Hà Nội – Năm 2024
Công trình được hoàn thành tại: Bộ môn Tự động hóa Xí nghiệp Mỏ và Dầu khí, Khoa Cơ – Điện, Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất. Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Nguyễn Đức Khoát 2. TS. Hà Ngọc Tuấn Phản biện 1: PGS. TS Đào Văn Tân Viện khoa học công nghệ cơ khí, Tự động hóa và Môi trường Phản biện 2: PGS. TS Thái Quang Vinh Viện hàn lâm KH và CN Việt Nam Phản biện 3: TS Lê Xuân Hải Đại học Quốc Gia Hà Nội Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất vào hồi …..giờ … ngày … tháng… năm 2022 Có thể tìm hiểu luận án tại: Thƣ viện Quốc Gia hoặc Thƣ viện Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong cung cấp điện cho hệ thống, đặc biệt là ở Việt Nam, nơi mà nhu cầu điện tăng rất nhanh và dự báo vẫn duy trì mức trên 20% trong những năm tới. Kinh nghiệm và thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển và khai thác vận hành thủy điện trên thế giới cho thấy, ngoài những ưu điểm lớn như không tiêu thụ nhiên liệu, giá thành rẻ và linh hoạt trong vận hành…, thủy điện cũng đã bộc lộ một số nhược điểm cần khắc phục như ngập lụt hồ chứa, tác động tiêu cực đến môi trường [41, 42, 43, 44]. Vấn đề khai thác, vận hành hợp lý các nhà máy thủy điện hiện nay đang rất cấp thiết và đang được nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu nhằm mục tiêu phát triển bền vững, giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tăng cường an ninh năng lượng. Ở Việt Nam, quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 03 năm 2016 giai đoạn 2015 - 2030 tổng công suất đặt của thủy điện sẽ tiếp tục gia tăng [45]. Điều đó tạo nên bài toán phát triển hợp lý các dự án thủy điện, vấn đề nghiên cứu xây dựng cơ sở phương pháp luận cũng như tính toán tối ưu chế độ vận hành các nhà máy thủy điện trong HTTĐ Việt Nam, nhằm huy động hợp lý khả năng phát công suất phủ đỉnh của nhà máy thủy điện là vấn đề cần thiết và cấp bách hiện nay. Những năm gần đây, các sự cố trong vận hành hồ chứa, làm vỡ đập, ngập lụt hạ lưu, chết người, vv... tạo nên bức xúc rất lớn trong xã hội, lãng phí nguồn tài nguyên nước. Đa số các hồ chứa thủy điện tại Việt Nam vận hành dựa theo kinh nghiệm mà không có các công cụ đo đếm tính toán các thông số chính xác theo thời gian thực để giúp người điều khiển quyết định các công việc như xả lũ, chạy máy phát, điều tiết lũ bậc thang, vv... một cách tối ưu. Tuy nhiên chưa có một công trình khoa học nào nghiên cứu chi tiết và đầy đủ sự ảnh hưởng của các yếu tố thời tiết, từ đó xây dựng một giải pháp vận hành phù hợp. Vì vậy đề tài: “Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện Thác Xăng” mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và đáp ứng các yêu cầu thực tiễn trong điều khiển vận hành các hồ chứa nước tại Việt Nam nói chung và áp dụng cho thủy điện Thác Xăng nói riêng. 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án - Xác định được cơ sở khoa học và thực tiễn để nâng cao hiệu quả khai thác thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng. - Xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định trên cơ sở thuật toán lập lịch, các mô-đun xử lý số liệu vào ra, kết nối các mô hình; tối ưu mô hình bể chứa. - Áp dụng việc liên kết các mô hình đã đề xuất trên nhằm kiểm định khả năng ứng dụng cho Nhà máy Thủy điện Thác Xăng.
2 3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống hồ chứa thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng (cụ thể cho thủy điện Thác Xăng); - Phạm vi nghiên cứu ứng dụng là nâng cao hiệu quả vận hành hệ thống hồ chứa. 4. Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu Phương pháp kế thừa: K ế thừa có chọn lọc các tài liệu và kết quả của các công trình nghiên cứu liên quan đến vận hành hệ thống hồ chứa, các mô hình mô phỏng, mô hình tối ưu. Từ đó nghiên cứu cơ sở khoa học, đề xuất liên kết các mô hình, áp dụng cho hệ thống hồ chứa thủy điện Thác Xăng. Phương pháp thu thập, thống kê, tổng hợp thông tin số liệu: Các mô hình thống kê, đánh giá được sử dụng để tạo ra bộ số liệu cho đề tài. Phương pháp sử dụng mô hình mô phỏng và tối ưu hệ thống: Các mô hình mô phỏng, tối ưu được sử dụng kết hợp nhằm đưa ra kết quả mục tiêu cuối cùng là nâng cao hiệu quả vận hành. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án a. Ý nghĩa khoa học - Luận án đã kết hợp giữa các kỹ thuật: (i) Mô phỏng; (ii) Tối ưu mô hình bể chứa; và (iii) bài toán lập lịch, đưa ra cách thức vận hành hợp lý và cập nhật liên tục, hỗ trợ công tác vận hành nhằm đạt hiệu quả vận hành thực tế tốt. - Xây dựng được chương trình hỗ trợ ra quyết định với khả năng tính toán, biểu diễn toàn diện tình hình khí tượng thủy văn cũng như có các công cụ mô phỏng vận hành theo thời gian thực. - Kết quả thử nghiệm cho nhà máy thủy điện Thác Xăng là cơ sở khoa học để các đơn vị sở hữu quản lý vận hành hồ chứa nước các thủy điện có thể dùng làm tài liệu tham khảo, ứng dụng. b. Ý nghĩa thực tiễn - Với sự phát triển nhanh các nhà máy thủy điện, kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng nhằm giảm tối đa sự cố không mong muốn, tăng hiệu suất phát điện và tiết kiệm nguồn tài nguyên cho đất nước. - Luận án có giá trị hữu ích cho các công ty vận hành hồ chứa, cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên nước Trung ương và địa phương tham khảo. - Nội dung của Luận án là tài liệu tham khảo tốt cho nghiên cứu giải quyết các vấn đề khác của hệ thống hồ chứa thủy điện, cho việc biên soạn tài liệu nghiên cứu, góp phần phát triển bền vững thủy điện và hệ thống nguồn nước.
3 6. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng được bộ công cụ hỗ trợ ra quyết định để đề xuất phương án vận hành cận tối ưu cho hệ thống hồ nhà máy thủy điện nói chung và thủy điện vừa và nhỏ nói riêng, có kể đến biến đổi và các tác động thực tế của nguồn nước theo thời gian thực nhằm nâng cao hiệu quả phát điện và điều tiết lũ; - Thử nghiệm kết quả nghiên cứu trong vận hành thực tế hệ thống nhà máy thủy điện Thác Xăng nâng cao hiệu quả phát điện và điều tiết lũ. 7. Cấu trúc của luận án Luận án gồm phần mở đầu, 3 chương, kết luận, kiến nghị và danh mục tài liệu tham khảo. toàn bộ luận án được trình bày trong 102 trang khổ giấy A4, trong đó có 9 bảng biểu, 70 hình vẽ và 17 phụ lục. CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ THỦY ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH 1.1. Thủy điện Thủy điện là nguồn điện có được từ năng lượng nước. Đa số năng lượng thủy điện có được từ thế năng của nước được tích tại các đập nước làm quay một turbine nước và máy phát điện. Kiểu ít được biết đến hơn là sử dụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng thủy triều. Thủy điện là nguồn năng lượng tái tạo. Công trình thủy điện hay còn gọi là trạm thủy điện bao gồm hệ thống dẫn dòng chảy và nhà máy thủy điện nhằm biến năng lượng của dòng nước trở thành điện năng cung cấp lên hệ thống lưới điện phục vụ nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Vận hành công trình thuỷ điện phụ thuộc vào nhiều yếu tố ràng buộc phức tạp như: An toàn hồ đập; Mức nước vận hành hiệu quả; Tuân thủ quy định nhà nước: quản lý nguồn nước, vận hành thiết bị và các hoạt động khác. Một số sự cố, rủi ro trong quá trình vận hành công trình thuỷ điện gồm: Sự cố tràn đập, vỡ đập; Sự cố trang thiết bị và cơ sở vật chất ; và một số vấn đề tới từ cơ quan quản lý. 1.2. Hệ thống hỗ trợ ra quyết định DSS. 1.2.1. Giới thiệu về hệ thống hỗ trợ ra quyết định vận hành hồ chứa thủy điện Hệ thống hỗ trợ quyết định (DSS-Decision support system) là một hệ thống thông tin hỗ trợ các hoạt động ra quyết định của doanh nghiệp hoặc tổ chức. DSS phục vụ cấp quản lý, hoạt động và lập kế hoạch của một tổ chức (thường là quản lý cấp trung và cấp cao hơn) và giúp mọi người đưa ra quyết định về các vấn đề có thể thay đổi nhanh chóng và không dễ dàng xác định trước - là những vấn đề quyết định phi cấu trúc và bán cấu
4 trúc. Hệ thống hỗ trợ quyết định có thể được máy tính hóa hoàn toàn hoặc do con người cung cấp hoặc kết hợp cả hai (Wikipedia). Có rất nhiều các mô hình DSS và IDSS được sử dụng cho những ứng dụng khác nhau và với những đặc điểm phát triển khác nhau. Hệ thống DSS dựa vào mô hình (MD- DSS), hệ thống DSS dựa vào dữ liệu (DD-DSS), hệ thống DSS dựa trên mạng truyền thông (C-DSS), hệ thống DSS dựa theo tài liệu (D-DSS), hệ thống DSS dựa trên tri thức (K-DSS). Trong kiến trúc tổng quát với các thành phần quan trọng trong một hệ thống DSS được trình bày trong Hình 1.1. Hình 1.1 Kiến trúc hệ thống hỗ trợ ra quyết định DSS là một công cụ mô hình hóa để giải quyết các vấn đề cụ thể, vừa hỗ trợ các cá nhân nghiên cứu và tìm kiếm giải pháp cho các vấn đề quản lý của họ (Loucks & da Costa, 1991). Mục đích của DSS không phải để thay thế mà là cải thiện khả năng ra quyết định của con người trong việc đưa ra các lựa chọn sáng suốt để đạt được mục tiêu xác định trước (Ahmad & Simonovic, 2006). Khi dòng chảy của hồ chứa có thể được dự đoán với độ chính xác đủ lớn, kế hoạch sản xuất cho vận hành thủy điện có thể được tạo ra một cách hiệu quả thông qua việc sử dụng trình mô phỏng, giúp người vận hành quan sát được các tình huống vận hành khác nhau để tìm ra phương án tối ưu. 1.2.2. Tình hình phát triển hệ thống DSS vận hành hồ chứa trên Thế giới và Việt Nam Thế giới đã sử dụng nhiều mô hình toán cho DSS của nhà máy thủy điện (DSSTĐ). Tuy nhiên, do đặc điểm phức tạp của vấn đề nghiên cứu: bài toán nhiều chiều, đa ngành và mang tính đặc thù của từng hệ thống; Các yếu tố tự nhiên (lưu vực, dòng chảy đến, các yếu tố khí tượng thủy văn khác) và các hoạt động của con người (nhu cầu sử dụng nước, chủ định của người ra quyết định), nên không có thuật toán hay mô hình đơn lẻ nào là tổng quát cho bài toán DSSTĐ. Các hạn chế về DSSTĐ hiện nay ở nước ta:  Điều hành dựa trên kinh nghiệm và quy trình vận hành được lập kể từ khi thiết kế và không được cập nhật thường xuyên.
5  Điều hành theo hồ chứa đơn lẻ, chưa có sự phối hợp của hệ thống trong việc nâng cao hiệu quả DSSTĐ  Việc giải quyết mô hình tối ưu cho hệ thống hồ chứa là không đơn giản do khối lượng tính toán lớn. Ngoài ra, dự báo thủy văn dài hạn có độ chính xác hạn chế, cũng như các yếu tố tự nhiên và kinh tế - xã hội, gây khó khăn cho DSSTĐ. Do vậy, việc áp dụng tối ưu vào vận hành thực cần phải có cách tiếp cận phù hợp. 1.3. Nghiên cứu tiếp cận và phƣơng pháp giải quyết bài toán DSSTĐ Từ việc nghiên cứu tổng quan, tác giả đề xuất phương pháp giải quyết bài toán xây hệ thống hỗ trợ ra quyết định có cấu trúc như hình Hình 1.2. Để thực hiện chức năng phân tích đề xuất hỗ trợ ra quyết định, cấu trúc hệ thống DSS được đề xuất cần có các hệ thống thu thập: Thông tin thời tiết (đặc biệt là lượng mưa trên lưu vực của Nhà máy) phục vụ cho việc dự báo sớm về lượng mưa, dòng chảy; Thông tin cảnh báo lũ; Thông tin về thị trường giá điện... Các thông tin này cung cấp dữ liệu cho phần mềm mô phỏng để phân tích tính toán, dự báo lưu lượng nước về hồ hỗ trợ xây dựng kịch bản vận hành tối ưu cho nhà máy thủy điện. Hình 1.2 Cấu trúc hệ thống DSS đề xuất Trong nội dung luận án này, tác giả sẽ thực hiện nghiên cứu triển khai một phần của cấu trúc hệ thống đề xuất. Đó là xây dựng hệ thống hỗ trợ ra quyết định cho một nhà máy thủy điện nhỏ, cụ thể là Nhà máy thủy điện Thác Xăng. 1.4. Kết luận Trên thế giới đã sử dụng nhiều mô hình cho DSSTĐ. Tuy nhiên, do tính ngẫu nhiên của NMTĐ nên không có thuật toán đơn lẻ nào là tổng quát giải quyết cho bài toán DSSTĐ. Việt Nam đã áp dụng các mô hình DSSTĐ khác nhau trên các lưu vực sông, tuy nhiên vẫn còn tồn tại khoảng cách giữa tính toán trên lý thuyết và thực tế vận hành, công tác dự báo thủy văn dài hạn còn có độ chính xác thấp, xử lý số liệu và tính toán
6 các phương án để cho ra các quyết định điều hành hợp lý không kịp thời. Những vấn đề được trình bày trong Chương 1 chính là cơ sở và tiền đề cho nội dung của Luận án này. Vấn đề đặt ra, hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán DSSTĐ sẽ được giải quyết ở các Chương tiếp theo nhằm liên kết các mô hình DSSTĐ - tối ưu nâng cao hiệu quả vận hành, áp dụng cho HTTĐ Thác Xăng. CHƢƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC CỦA HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH HỒ CHỨA NƢỚC-NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 2.1. Mô hình hóa mƣa rào - dòng chảy cho lƣu vực sông Để có thể tính toán dự báo được lưu lượng nước chảy về hồ thủy điện, lưu vực sông (Hình 2.1) của nhà máy cần được mô hình hóa bằng các mô hình toán học. Trong nội dung luận án này, tác giả đã lựa chọn mô hình mô tả bể chứa vật lý (tank model) được đề xuất bởi Sugawara và Fuyuki [48-52] để mô hình hóa Mưa rào - Dòng chảy cho lưu vực Thủy điện Thác Xăng. có nhiều khả năng tùy biến, hiệu chỉnh các tham số, để có thể mô hình hóa Mưa rào – Dòng chảy cho các lưu vực có các điều kiện địa chất thủy văn phức tạp như ở Thác Xăng. Hình 2.1 Lưu vực sông 2.1.1. Mô hình bể chứa (Tank model) Trong phương pháp mô hình hóa này, đặc điểm của lưu vực được thể hiện bằng các tính chất của mô hình bể chứa vật lý với các đầu ra có kích thước khác nhau. Các lưu vực khác nhau được mô hình hóa bằng một hệ thống bốn bể này với các hệ số dòng chảy ra và hệ số thấm (bộ tham số) phù hợp. Việc xác định các hệ số cho mô hình cho phép tính toán mô phỏng lưu lượng dòng chảy đầu ra của lưu vực dựa trên dữ liệu tổng lượng mưa đầu vào.
7 Hình 2.2 Mô hình mưa rào – dòng chảy với 04 bể chứa [Jong Wook Lee] 2.1.2. Cơ sở lý thuyết hiệu chỉnh thông số mô hình Các mô hình bể chứa như trên Hình 2.2 bao gồm có 02 loại (Hình 2.4 a và b). Trong đó mỗi tầng dòng chảy được mô tả bởi một bể chứa với các đầu ra có chiều cao so với đáy (H) và hệ số chảy ra (A). Với cấu trúc đó, khi bể được tích trữ một lượng nước ở mức X thì lượng nước chảy ra và lượng nước thấm của mỗi bể được xác định như sau. Lượng nước chảy ra (Y) ở mỗi đầu ra cạnh là   X  H i   Ai  X  Hi Yi   (2.1) 0  X  Hi Lượng nước thấm ở đầu ra đáy là Z  X  A0 (2.2) A2 (X-H).A2 (X>H2) Y2= 0 (X H2) A1 (X-H).A1 (X>H) Y= X X 0 (X H) H2 X A1 (X-H).A1 (X>H1) H Y1= 0 (X H1) H1 A1 A0 A0 A0 Z=X.A0 Z=X.A0 (a) Hình 2.3 Mô (b) hình bể tuyến Hình 2.4 Mô hình toán học mô tả bể chứa tính đơn giản Khi đó mô hình bể chứa tuyến tính được coi là một khâu quán tính bậc nhất A1/[+(A1+A0)], trong đó  là sai phân, 1/(A1+A0) là hằng số thời gian, và tỉ lệ của đầu ra với đầu vào X là A1/(A1+A0). Với mô hình đơn giản tổng lượng nước chảy ra của bể theo (2.1) và (2.2) là Y=X.(A1+A0) và mức nước còn lại trong bể sau một đơn vị thời gian là X- X.(A1+A0)=X.(1- A1+A0). Bằng cách phân tích tương tự thì mực nước còn lại trong bể sau n đơn vị thời gian sẽ và đồ thị đặc tính mức nước được mô tả bởi công thức trên Hình 2.5.
8 X   1  A 0  A1  n (2.3) X Y A1=0,2 A1=0,2 A0=0,1 A0=0,1 50 10 40 8 30 6 A1=0,2 A1=0,1 A0=0,2 20 4 A0=0,2 A1=0,1 A1=0,2 2 10 A0=0,2 A0=0,2 0 0 5 10 15 T 5 10 15 T Hình 2.5 Đường cong đặc tính mức nước mô hình bể chứa Trên cơ sở mô hình bể chứa, các tham số mô phỏng cho lưu vực được tính toán hiệu chỉnh theo các bước:  Phân chia dữ liệu dòng chảy thực tế và dòng chảy tính toán thành các giai đoạn nhỏ;  Lựa chọn giá trị khởi tạo cho Mô hình;  Sử dụng các Tiêu chuẩn RQ(I) và RD(I) để đánh giá sai lệch  Hiệu chỉnh tham số mô hình thông qua các Công thức phản hồi  Hiệu chỉnh Giảm ảnh hưởng của RD(I) 2.1.3. Thuật toán hiệu chỉnh mô hình [CT 5] Trên cơ sở mô hình bể chứa và quy trình thực hiện hiệu chỉnh mô hình ở trên, thuật toán tự động hiệu chỉnh mô hình mưa rào dòng chảy được thể hiện như trên. Hình 2.6 Thuật toán xác định tham số mô hình bể chứa 2.2. Xây dựng kịch bản vận hành Kịch bản vận hành phải đảm bảo an toàn hồ đập, không gây lũ nhân tạo; Tối ưu hóa lợi nhuận từ nguồn tài nguyên nước về hồ. 2.2.1. Nghiên cứu mô hình hồ đập, nhà máy Giản đồ nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện được biểu diễn như trên
9 Hình 2.7. Để đơn giản trong việc phân tích tính toán lưu lượng nước qua Nhà máy, hồ chứa thủy điện được biểu diễn bằng mô hình bể chứa như trên Hình 2.8. Mô hình biểu diễn hồ chứa bằng bể chứa hình lập phương với các mối quan hệ: Lưu lượng nước vào/ra; Dung tích hồ chứa với mực nước trong hồ; Phương trình cân bằng nước trong hồ. Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện Hình 2.8 Mô hình bể chứa cho hệ thống hồ đập a. Lưu lượng vào/ra Lưu lượng dòng chảy là khối tích nước chảy vào hồ trên một đơn vị thời gian (Qv, m3/s). Lưu lượng nước đầu ra được xác định bằng tổng lưu lượng nước qua nhà máy dùng để phát điện (Qnm, m3/s) và lưu lượng nước qua đập (Qd, m3/s). b. Mực nước hồ chứa Thể tích nước hồ ở thời điểm t2: V 2  V 1  Q v   t (2.4) Mức nước phụ thuộc thể tích nước hồ: Z  f  V  V c. Lưu lượng biến động trong hồ Q  t d. Lưu lượng phát P  9 .8  Q n m  H   T   F  9 .8  Q n m  H   T F V n  V n 1 e. Tổn thất lưu lượng phát Q  ,n  t n  t n 1 f. Phương trình cân bằng nước Về mặt vật lý nước trong hồ biến động nhưng thỏa mãn cân bằng sao cho lượng nước vào hồ bằng lượng nước ra khỏi hồ cộng với lượng nước biến động trong hồ. Phương trình cần bằng nước xác định như sau: Q v  Q d  Q nm  Q   Q r  Q  (2.5) Q r  Q d  Q nm (2.6) 2.2.2. Tối ƣu hóa kịch bản vận hành a. Hàm tối ưu điều tiết dài hạn Để tính toán điều tiết dài hạn dòng chảy ta mô tả bài toán dưới dạng mô hình điều khiển tối ưu [47].  Hàm mục tiêu (đạt giá trị lớn nhất sản lượng điện năng trong chu kỳ tính toán):
10 T E  P TÐ (t ) d t  M a x (2.7) 0 Biểu thức của PTĐ trong hàm mục tiêu phụ thuộc vào cột áp H và lưu lượng Q: PTĐ = 9,81.η.H.Q = 9,81.η.(Z - Zhl - ∆H).Q  Các ràng buộc Phương trình cân bằng nước của hồ: dZ F (Z )  Q v  Q n m  Q d  Q s  Q  Q x  Q r  Q tl (2.8) dt Các đường cong quan hệ: - Đặc tính diện tích mặt hồ: F = 𝜑 (Z) ; - Đặc tính mức nước hạ lưu: Zhl = ψ(Q+Qx) ; - Đặc tính tổn thất cột nước: ∆H = ξ(Q) - Đặc tính hiệu suất : η = χ(Q,H) Các giới hạn vận hành: Mức nước thượng lưu: Zmin(t) ≤ Z(t) ≤ Zmax(t). Lưu lượng vận hành: Qmin ≤ Q(t) ≤ QTmax. Giới hạn công suất phát: PTĐmin(t) ≤ PTĐ(t) ≤ PTĐmax(t). Với các turbine kiểu Francis và Kaplan người ta thường sử dụng quan hệ gần đúng cho giới hạn công suất khả phát. Khi H ≥ HTK PT Ð m ax ( t )  Pm ax T K  Pm a x T K Khi Hmin
11 Qv Qv_2 Qv_3 Qv_i Qv_N Qv_N-1 Qv_1 Thời gian t t t t t t (t) t=0 t=1t t=2t t=3t t=it t=Nt Hình 2.9 Giá trị rời rạc hóa của dòng chảy vào hồ Qm Qm=Q+Qd Qm_3 Qm_2 Qm_1 Qm_i Qm_N Thời gian t t t t t t (t) t=0 t=1t t=2t t=3t t=it t=Nt Hình 2.10 Giá trị rời rạc hóa của lưu lượng chảy mất khỏi hồ Với các giả thiết ở trên thì thể tích nước trong hồ tại thời điểm i được xác định bởi công thức i i Vi  V0   t  Q v _ n   t   Q n  Q d _ n  (2.12) n 1 n 1 Công suất điện phát ra của nhà máy tại thời điểm t=it PT Đ _ i  9 , 8 1 . i . H i .Q i  9 , 8 1 . i .  Z i  Z h l _ i   H i  .Q i (2.13)   Với mức nước hồ là hàm phụ thuộc vào dung tích nước trong hồ (Zi=Z(Vi)) Thay vào (2.9), điện năng thu được sẽ là: N E T Đ  9 , 8 1 .  t   i .  Z  V i   Z h l _ i   H i  .Q i (2.14)   i 1  Hàm mục tiêu: N E TÐ   9 , 8 1  t .( Z i tb _ i  Z h li   H i ).Q i  m a x (2.15) i 1 Các đại lượng trong hàm mục tiêu đều là trị số trung bình trong khoảng.  Các ràng buộc Phương trình cân bằng nước cho mỗi khoảng V i  V i  1   Q s i  Q i  Q x i  Q r i  Q tli   t i Các quan hệ hàm tính toán cho các đại lượng trong mỗi khoảng i : + Mức nước thượng lưu trung bình: Ztb i = 0,5.(Zi+Zi-1) ; + Đặc tính thể tích: Vi = f(Zi) + Đặc tính mức nước hạ lưu: Zhl i = ψ(Qi+Qxi) ; + Đặc tính tổn thất cột nước: ∆Hi = ξ(Qi) ;
12 + Đặc tính hiệu suất : ηi = χ(Qi,Hi) ; Các giới hạn: + Mức nước thượng lưu: Zmin(ti) ≤ Zi ≤ Zmax(ti) ; + Lưu lượng vận hành tối thiểu: Qmin i ≤ Qi ≤ Qmax i . + Giới hạn điện năng cung cấp : Emin ti ≤ ∆Eti ≤ Emax ti ∆Eti = 9,81.η. ∆ti .(Ztb i - Zhl - ∆Hi).Qi . c. Thuật toán Simulated Annealing [CT 2, 3] Trên cơ sở hàm tối ưu, thuật toán Simulated Annealing được nghiên cứu áp dụng. Thuật toán là sự kết hợp của hai kỹ thuật “hill climbing” (leo đồi) và “pure random walk” (bước đi ngẫu nhiên thuần túy). Kỹ thuật hill climbing giúp tìm giá trị cực trị toàn cục, còn kỹ thuật pure random walk giúp tăng hiệu quả tìm kiếm giá trị tối ưu. 2.3. Kết luận Trong chương này, tác giả nghiên cứu các lý thuyết này bao gồm: toán tối ưu; mô hình hóa dòng chảy; mô hình hóa hồ đập, nhà máy thủy điện. Các kết quả lý thuyết đã trình bày cụ thể như sau: - Trên cơ sở mô hình lý thuyết bể chứa, các tham số mô hình cần được hiệu chỉnh để kết quả mô phỏng phù hợp nhất có thể với dữ liệu quan trắc thực tế. Việc hiệu chỉnh các tham số được nghiên cứu trình bày theo đề xuất của Sugawara [48-52]. Thuật toán hiệu chỉnh tham số cho mô hình là sự kết hợp của bài toán tối ưu. - Từ cấu trúc của hệ thống hồ đập và nhà máy thủy điện, các phân tích tính toán lưu lượng dòng chảy vào ra hồ đã được thể hiện. Trên cơ sở tính toán phân tích, các yếu tố dòng chảy, tính toán cho lượng nước biến động trong lòng hồ đã được diễn giải. Kết quả lượng nước biến động được sử dụng để tính toán mực nước trong lòng hồ. - Kết hợp giữa bài toán tối ưu, mô hình bể chứa, mô hình hồ đập nhà máy, các tính toán mô phỏng kịch bản vận hành nhà măy đã được trình bày. Với mục tiêu tối ưu hóa nguồn nước phục vụ cho việc phát điện, hàm mục tiêu năng lượng phát được lựa chọn cho việc tối ưu hóa kịch bản vận hành. CHƢƠNG 3. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG DSS CHO NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG 3.1. Nhà máy thủy điện Thác Xăng. 3.1.1. Tổng quan về nhà máy; Nhà máy thủy điện Thác Xăng, là thủy điện được xây dựng trên sông Bắc Giang với nhà máy được xây dựng tại thôn Phiêng Chuông, xã Hùng Việt, huyện Tràng Định, tỉnh Lạng Sơn, tại tọa độ:
13 • Vĩ độ: 22o10’016.58”B • Kinh độ: 106o29’057.92”Đ. Các điều kiện tự nhiên được trình bày tại 3.1.2. Điều kiện tự nhiên a. Điều kiện địa hình Một số đặc trưng hình thái cơ bản của sông Bắc Giang và lưu vực tính tới tuyến công trình thuỷ điện Thác Xăng và các trạm thủy văn trên và lân cận lưu vực nghiên cứu được trình bày ở bảng sau. Bảng 3.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Bắc Giang và trạm thủy văn Trạm Thủy văn Lưu Diện tích Chiều dài Chiều dài Chiều Độ cao Độ dốc vực LV sông t/b LV rộng t/b t/b LV t/b LV F(km2) L(km) (km) LV (km) (m) (%) S. Bắc Giang 2670 130 92 29,4 465 23,5 Đập Thác Xăng 2660 127 83 32,1 Trạm Vân Mịch 2360 102 68 34,7 479 25,1 Trạm Lạng Sơn 1560 117 22,3 22,3 408 23,0 Trạm Thác Giềng 712 66 47 15,1 457 24,6 b. Thổ nhưỡng và thảm thực vật Thảm phủ thực vật trên lưu vực bao gồm nhiều loài khác nhau, rừng nguyên sinh còn rất ít trên các đỉnh núi cao. Nhà máy thủy điện Thác Xăng có đầu vào là nước. Nguồn nước mà nhà máy sử dụng được cung cấp từ con sông Bắc Giang, nó được sử dụng để chạy 2 tổ máy phát điện và đồng thời được dùng để làm mát cho các tổ máy. c. Điều kiện khí tượng thuỷ văn. Các đặc trưng khí tượng cơ bản. Lưu vực sông Kỳ Cùng nói chung và sông Bắc Giang nói riêng nằm trong miền khí hậu nhiệt đới gió mùa, có mùa đông lạnh và khô, mùa hè nóng và mưa nhiều. Chế độ gió mùa trên lưu vực Bắc Giang thể hiện sự tương phản rõ rệt giữa hai mùa. Các đặc trưng các dòng chảy thiết kế. Chuỗi dòng chảy năm tuyến đập Thác Xăng 1960-2008 được xác định theo chuỗi dòng chảy năm Vân Mịch và hệ số hiệu chỉnh diện tích lưu vực. Dòng chảy năm ứng với các tần suất tính toán tuyến đập Thác Xăng được xác định trên cơ sở phân tích tần suất chuỗi dòng chảy năm 1960-2008. 3.1.3. Chức năng, nhiệm vụ Nhà máy được thiết kế theo tiêu chuẩn của Việt Nam, là Nhà máy được phân loại vào nhóm thủy điện nhỏ. Chức năng chính của Nhà máy là đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình đầu mối thủy điện Thác Xăng, chủ động đề phòng mọi bất trắc với mọi trận lũ có chu kì lặp lại nhỏ hơn hoặc bằng 500 năm, không được để hồ vượt mức kiểm tra cao trình 185.07m. 3.2. Nghiên cứu cấu trúc hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng Từ các kết quả nghiên cứu, tìm hiểu về các hệ thống hỗ trợ ra quyết định vận
14 hành hồ đập thủy điện và cấu trúc đã trình bày ở Hình 1.2, một cấu trúc hệ thống DSS cho Nhà máy thủy điện Thác Xăng như trên Hình 3.1. [CT 1, 2, 5] Hình 3.1 Cấu trúc hệ thống DSS đề xuất cho Thủy điện Thác Xăng 3.3. Hệ thu thập dữ liệu 3.3.1. Đặt trạm thời tiết Việc lắp đặt các trạm đo mưa cho Nhà máy Thủy điện Thác Xăng được thiết lập căn cứ theo TCVN 8304:2009 và tham khảo từ các tài liệu nghiên cứu. Hệ thống quan trắc và thu thập dữ liệu tại Nhà máy bên cạnh thông số lượng mưa đã nêu ở trên thì các thông số liên quan đến lưu lượng dòng chảy qua Nhà máy, trạng thái hồ đập cũng như thông số vận hành của nhà máy cũng được thu thập. Do vậy hệ thống thu thập dữ liệu tại Nhà máy đòi hỏi cấu trúc phức tạp hơn các trạm thời tiết nêu trên. Cấu trúc của hệ thống thu thập dữ liệu tại Nhà máy được thể hiện như trên Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống thu thập dữ liệu Hình 3.4 Cấu trúc dữ liệu và truyền tin cho hệ thống DSS tại nhà máy cho DSS ở thủy điện Thác Xăng Hình 3.4 biểu diễn cấu trúc của cơ sở dữ liệu và truyền tin hỗ trợ vận hành cho DSS ở Thác Xăng.
15 Bảng 3.2 Danh sách các trạm thu thập dữ liệu ID trạm Tên trạm Cảm biến ST1 Bắc Kạn R,EV ST2 Ngân Sơn R ST3 Thất Khê R ST4 Lạng Sơn R,EV,Q ST5 Bắc Sơn R ST6 Văn Mịch R,Q,H Hình 3.2 Đa giác Thiesen dùng thu thập lượng mưa ST7 Yên Lạc R lưu vực Trung tâm của hệ thống này là một cơ sở dữ liệu lớn (Bigdata). Bigdata trung tâm được xây dựng trên nền tảng Hadoop với 8 máy tính công năng cao hỗ trợ các tính toán song song và hệ thống chứa dữ liệu quy mô lớn. Hình 3.3 Cấu trúc hệ thống thu thập dữ liệu Hình 3.4 Cấu trúc dữ liệu và truyền tin cho hệ thống DSS tại nhà máy cho DSS ở thủy điện Thác Xăng
16 3.4. Phát triển mô hình mƣa rào – dòng chảy cho thủy điện Thác Xăng Trên cơ sở các nghiên cứu phân, cấu trúc mô hình mưa rào dòng chảy cho Thủy điện Thác Xăng được thể hiện như trên Hình 3.8. Trong đó các khối tam giác thể hiện các tiểu lưu vực cho dòng chảy về hồ; khối hình thang thể hiện lưu lượng dòng chảy toàn lưu vực về hồ. Hình 3.5 Mô hình bể chứa cho Thủy Điện Hình 3.6 Mô hình bể chứa cho lưu vực Thác Xăng Thủy điện Thác Xăng 3.4.1. Nghiên cứu cấu trúc mô hình bể chứa: Mô hình bể chứa cho Thủy điện Thác Xăng được xây dựng và xác định thông số dựa vào phần mềm tự động hiệu chỉnh tham số như đã nêu ở mục 2.1.3. Trên cơ sở phân tích đặc điểm địa chất thủy văn và địa hình tác giả đã đề xuất cấu trúc của mô hình được thể hiện như trên Hình 3.6. Trong mô hình sử dụng cấu trúc mô phỏng gồm bốn bể chứa trên cơ sở đề xuất của Sugawara. Tuy nhiên với đặc điểm của lưu vực tác giả đã đề xuất sử dụng cấu trúc bể chứa trên cùng có 04 đầu ra cạnh thay vì 02 đầu ra như các mô hình truyền thống. Các thông số đầu ra của bể được thể hiện như sau:  xy: là hệ số dòng chảy ra của các bể (x: số thứ tự của bể; y: số thứ tự của đầu ra);  x: là hệ số thấm của bể thứ x xuống bể tiếp theo;  yxy: là chiều cao cột nước tương ứng với đầu ra của bể (x: số thứ tự của bể; y: số thứ tự của đầu ra);
17 3.4.2. Xây dựng mô hình mô phỏng y14 y1 1 RF y12 y2 Rf y13 y3 y11 y4 f(u) 1 ST ET y_s b1 ET0 3 Top Tank y_i y22 In y5 y21 y6 ST >0 ET NE b2 Tank 2 RF y31 y7 ST >0 ET b3 Tank 3 f(u) 2 RF y41 St y8 ST >0 ET b4 Bottom Tank Hình 3.7 Cấu trúc bốn bể mô phỏng mưa rào dòng chảy thủy điện Thác Xăng Dựa trên lý thuyết mô hình bể chứa đề xuất ở trên, cấu trúc mô phỏng mưa rào dòng chảy theo mô hình bốn bể chứa được thực hiện như Hình 3.7. Trong đó các bể chứa được triển khai trong Matlab Simulink theo nội dung lý thuyết được đề cập ở mục 2.1. Trong đó lượng nước đưa vào bể được xác định là lượng nước mưa tại lưu vực trừ đi lượng nước bay hơi của lưu vực. Nếu giá trị này lớn hơn 0 thì nước sẽ được chảy vào bể. Khi mức nước trong bể lớn hơn chiều cao các đầu ra y11y14 thì lượng nước sẽ chảy ra ở các đầu ra đó theo hệ số a11a14 và chênh lệch cột áp giữa mức trong bể và chiều cao đầu ra (h11h14). Lưu lượng dòng chảy sẽ là tổng hợp các dòng chảy ra. 3.4.3. Kết quả phân tích và xây dựng mô hình Sử dụng nguồn dữ liệu thu thập được về lượng mưa, mức nước và dòng chảy thu thập được của 06 trạm quan trắc trong giai đoạn 1960 đến 2006, các bước xây dựng và hiệu chuẩn tham số Mô hình Mưa rào – Dòng chảy đã được thực hiện. Lượng mưa trung bình tại các trạm đo được biểu diễn trên đồ thị Hình 3.8: Hình 3.8 Lượng mưa trung bình tại các trạm quan trắc (1960-2006)
18  Phân tích dữ liệu dòng chảy Kết quả phân tích dữ liệu lưu lượng dòng chảy. Hình 3.9 Dữ liệu lưu lượng dòng chảy thu thập được tại các trạm Hình 3.10 Dữ liệu lưu lượng dòng chảy hàng năm theo mùa  Xác định tham số mô hình – Kết quả mô phỏng Các dữ liệu thu thập trên lưu vực trong quá khứ và các phân tích dữ liệu thủy văn ở trên là nguồn đầu vào cho mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink ở Hình 3.7. Bảng 3.3 Kết quả thông số mô hình bể chứa Thƣợng lƣu 1 Thƣợng lƣu 2 Hạ lƣu Khối lƣu vực (sông chính) (phụ lƣu) (sông chính) Trạm đo mƣa áp dụng N. SON, B. KAN HOANG SU PHI BAC HA Diện tích lƣu vực (km2) 1373.0 728.8 741.3 Thời gian đến (giờ) 18 9 1 α14 α13 α12 α11 β1 y14 y13 Thƣợng lƣu 1 (sông chính) 0.04 0.03 0.02 0.01 0.04 160 100 Thƣợng lƣu 2 (phụ lƣu) 0.04 0.03 0.02 0.01 0.04 160 100 Hạ lƣu (sông chính) 0.04 0.03 0.02 0.01 0.04 160 80 y12 y11 α22 α21 β2 y22 y21 Thƣợng lƣu 1 (sông chính) 40 10 0.04 0.02 0.02 50 25 Thƣợng lƣu 2 (phụ lƣu) 40 10 0.04 0.02 0.02 50 25 Hạ lƣu (sông chính) 30 10 0.04 0.02 0.02 50 25 α31 β3 y31 α41 β4 y41 Thƣợng lƣu 1 (sông chính) 0.01 0.04 20 0.001 0 0 Thƣợng lƣu 2 (phụ lƣu) 0.01 0.04 20 0.001 0 0 Hạ lƣu (sông chính) 0.01 0.04 20 0.001 0 0