Общие положения и основы метода. В водохозяйственных системах требования потребителей удовлетворяются совместной работой гидроузлов. При их проектировании и эксплуатации для каждого гидроузла необходимо найти его регулирующие функции, которые обеспечили бы оптимальное использование водных ресурсов в системе. Режимы работы гидроузлов, в том числе и электростанций системы, подчиняются единым требованиям, что делает их, как правило, взаимозависимыми в многолетнем, сезонном или только суточном разрезе.
Физическими предпосылками определения регулирующих функций гидроузлов и водохранилищ являются гидрологические особенности водотоков, топографические характеристики водохранилищ, расположение их по длине водотока относительно устьев крупных притоков и относительно потребителей, величины отдачи гидроузлов, получаемые как на собственном напоре, так и на напоре нижележащих ГЭС и др. Сочетание указанных факторов, с одной стороны, и требования потребителей — с другой, определяют специализацию гидроузла в системе, его регулирующие возможности и функции, которые в общем случае изменяются в течение рассматриваемого периода развития системы.
Взаимозависимость и взаимосвязь гидроузлов в системе выражаются в назначении режимов их работы, согласованных друг с другом, но имеющих свои особенности. В некоторых случаях реализация этих режимов осуществляется при практически независимом управлении. Чаще наибольший эффект в системе достигается тогда, когда режим работы одних гидроузлов меняется во времени в зависимости от резервов воды в водохранилищах и величины отдачи других гидроузлов системы. При этом и возникает задача оптимизации распределения регулирующих функций между гидроузлами и очередности выполнения их для удовлетворения всего комплекса требований потребителей, т. е. задача установления иерархии управления гидроузлами или иерархии гидроузлов в системе управления.
В частном случае эта задача может быть решена эвристически на основании общих соображений о режиме совместной работы гидроузлов, обеспечивающем максимальную зарегулированность отдачи или наилучшее использование стока и напора (максимум выработки энергии). Такой метод решения задачи бывает достаточным на стадии проектирования отдельных гидроузлов системы, а иногда и при их эксплуатации (он будет подробно рассмотрен ниже). В более общем случае и, видимо, более точно задача решается на основе расчетов оптимального режима совместной работы гидроузлов в системе (и этот случай кратко будет рассмотрен в этом параграфе).
Иерархия гидроузлов в системе управления режимом их работы является одним из средств обеспечения надежности управления с целью реализации наиболее близкого к оптимальному режима эксплуатации гидроузлов в системе. Она способствует также максимальному упрощению процесса управления при эксплуатации. С ее помощью достигается автономность управления многих гидроузлов, а управление остальными зависит от сравнительно небольшого числа управляющих параметров, так как информация о состоянии системы на низших уровнях иерархии управления обобщается и передается на следующий в виде одного суммарного показателя (например, суммарная отдача гидроузлов низшего уровня иерархии заменяет многочисленные сведения о наполнении водохранилищ, стоке рек и других показателях).
Построение автономно-иерархической структуры управления гидроузлами особенно важно при компенсированном или, если гидроузлы находятся на разных водотоках, межбассейновом компенсированном регулировании стока или энергии [Л. 55, 76].
Компенсированное регулирование применяется при наличии в отдаче некоторых гидроэлектростанций стока или энергии, которые не могут быть зарегулированы их собственными водохранилищами (компенсируемые гидроузлы). В этом случае используется регулирующая емкость водохранилищ гидроузлов-компенсаторов или водохозяйственное регулирование дополняется электрическим. В то время, когда на компенсируемых гидроузлах вырабатывается сезонная отдача воды или энергии, на гидроузлах-компенсаторах отдача снижается вплоть до минимально допустимой величины; сэкономленная при этом вода задерживается в водохранилищах- компенсаторах и затем расходуется в меженный период. В результате этого в энергетическую и водохозяйственную системы в течение всего периода регулирования поступает с заданной обеспеченностью некоторое количество воды и энергии, именуемое совокупной или общей гарантированной отдачей гидроузлов.
При таком режиме сезонная отдача компенсируемых гидроузлов становится компонентом общей гарантированной отдачи всех гидроузлов системы. Вследствие этого общая гарантированная отдача гидроузлов системы превышает сумму их гарантированных отдач при независимом управлении [Л. 76].
Возможность осуществления компенсированного регулирования имеет место только тогда, когда в систему входят гидроузлы с различными регулирующими возможностями; наибольший эффект достигается при наличии асинхронных притоков к отдельным гидроузлам (табл. 5-1).
Таблица 5-1
Управление системой в зависимости от ее характеристик
При наличии компенсированного регулирования роль компенсаторов выполняют гидроузлы с большими регулирующими способностями, чем у остальных гидроузлов в системе. Большие регулирующие способности определяются также и возможностью изменять сроки сработки собственного водохранилища в связи с асинхронностью стоковых явлений на данном и других водотоках системы даже при близких значениях относительных регулирующих емкостей водохранилищ.
Понятие компенсатор или компенсируемый могут быть отнесены: к каскадам гидроузлов, находящимся в различных бассейнах (межбассейновое управление режимом работы гидроузлов); к гидроузлам или каскадам, находящимся в одном и том же каскаде или бассейне. При этом в состав компенсируемого бассейна или каскада могут входить гидроузлы-компенсаторы, регулирующие отдачу данного каскада или той или иной группы его гидроузлов.
В зависимости от сферы и степени влияния на общую совокупную отдачу всех гидроузлов системы или от очередности действия гидроузлы-компенсаторы относятся к тому или иному уровню иерархии управления.
К низшим уровням иерархии относятся, например, гидроузлы-компенсаторы, выравнивающие отдачу одного гидроузла. К компенсаторам высшего уровня иерархии относятся гидроузлы, выравнивающие общую совокупную отдачу всех гидроузлов системы.
Гидроузлы-компенсаторы различных уровней иерархии управления в зависимости от особенностей их регулирующих возможностей и режима могут выполнять свои компенсирующие функции одновременно или поочередно. Компенсируемые гидроузлы управляются независимо, в соответствии с собственными регулирующими возможностями и предъявляемыми к ним требованиями потребителей. При этом преследуется цель приведения отдачи компенсируемых гидроузлов к виду, наиболее удобному для компенсации. Следует отметить, что иногда на очередность выполнения регулирующих функций гидроузлами влияют также необходимость удовлетворения требований неэнергетических потребителей или другие ограничения режима работы гидроузлов, характер притока воды к гидроузлу, его естественная зарегулированность, определяющая возможность маневрирования полезной емкостью водохранилища, и др.
Если очередность выполнения водохранилищами роли компенсаторов не является очевидной, то она может быть установлена путем сопоставления результатов расчетов регулирования стока гидроузлами системы при нескольких целесообразных вариантах распределения регулирующих функций между ними. Сопоставление вариантов производится по общей гарантированной отдаче и суммарной среднемноголетней выработке энергии (при заданных параметрах гидроузлов). Вместо второго показателя может быть рассмотрена экономия затрат в системе или только экономия топлива в энергетической системе.
Разработка иерархии управления может проводиться на основе расчетов оптимизации отдачи гидроузлов следующим образом: 1) расчеты оптимизации отдачи гидроузлов, выполненные по ряду лет или периодов, группируются в соответствии с характеристикой притока воды к гидроузлам; 2) определяется, какой порядок взаимодействия гидроузлов является наиболее частым для маловодных, средних и многоводных лет или n-летних периодов времени; 3) при сезонном регулировании правила взаимодействия гидроузлов могут быть поставлены в зависимость от прогнозируемого притока к гидроузлам. При более длительных видах регулирования распределение регулирующих функций гидроузлов может производиться в соответствии со степенью заполнения водохранилищ, характерной для тех или иных условий водности, и с величиной общей отдачи гидроузлов.
При разработанной иерархической структуре схема управления режимом совместной работы некоторой группы гидроузлов системы на рассматриваемый период ее развития может быть представлена следующим образом:
- Компенсируемые гидроузлы управляются независимо по собственным правилам.
- Гидроузлы-компенсаторы, осуществляющие гидравлическое компенсированное регулирование, а также регулирующие отдачу того или иного гидроузла или каскада (компенсаторы низших уровней иерархии), управляются в зависимости от отдачи компенсируемых ими гидроузлов и независимо от компенсаторов высших уровней иерархии управления. По отношению к последним компенсаторы низших уровней иерархии и компенсируемые ими гидроузлы являются как бы единым объектом компенсации.
- Гидроузлы-компенсаторы, регулирующие отдачу всех гидроузлов системы в соответствии с требованиями потребителей, т. е. гидроузлы-компенсаторы высшего уровня иерархии управления, в общем случае выполняют свои компенсирующие функции поочередно.
- Гидроузлы-компенсаторы высшего уровня иерархии управления дополняют отдачу остальных гидроузлов системы до величины общей (совокупной) гарантированной отдачи гидроузлов, поступающей в систему с определенной обеспеченностью; собственная отдача гидроузлов-компенсаторов высшего уровня иерархии управления изменяется от минимально до максимально допустимой величины. После исчерпания возможностей компенсации в водохранилищах гидроузлов-компенсаторов первой очереди компенсирующие функции передаются гидроузлам-компенсаторам второй очереди. Гидроузлы-компенсаторы первой очереди переводятся на работу с минимальной отдачей, необходимой, например, для энергоснабжения местного района или удовлетворения требований неэнергетических потребителей. После исчерпания возможностей водохранилищ второй очереди их компенсирующие функции передаются водохранилищам-компенсаторам третьей очереди и т. д.
- Гидроузлы-компенсаторы второй и следующих очередей до момента возложения на них компенсирующих функций работают, как и компенсируемые гидроузлы, по собственным правилам управления. После возложения на них компенсирующих функций отдача гидроузлов-компенсаторов второй и последующих очередей изменяется от минимально до максимально возможной величины.
- После восстановления компенсирующих возможностей в водохранилище гидроузла-компенсатора первой очереди иерархии управления ему вновь передаются компенсирующие функции и т. д.
- Если водохранилищу гидроузла-компенсатора (той или иной очереди) угрожает переполнение, то его компенсирующие функции прекращаются и гидроузел пере' водится на работу с максимально допустимой отдачей.
- Все сказанное о взаимодействии компенсаторов высшего по сфере влияния уровня иерархии может быть отнесено и к компенсаторам более низкого уровня. Гидроузлы-компенсаторы разных уровней иерархии управления могут действовать в качестве компенсаторов как одновременно, так и в разное время в зависимости от режима работы компенсируемых гидроузлов, находящихся в сфере их влияния, и от состояния их собственных водохранилищ.
- Часть полезной емкости водохранилищ-компенсаторов предназначается для регулирования избыточной (по отношению к гарантированной), отдачи гидроузлов. При этом на самом верхнем (по сфере влияния) уровне иерархии управления имеет место регулирование суммарной избыточной отдачи всех гидроузлов; на более низких (по сфере влияния) уровнях иерархии избыточная отдача регулируется в некоторые периоды времени как часть общей гарантированной отдачи, в другие же периоды как составляющая избыточной общей отдачи группы или всех водохранилищ системы.
- Некоторая доля полезной емкости гидроузлов- компенсаторов предназначается для выполнения компенсирующих функций, связанных с пропуском половодий через каскад гидроузлов. Это может иметь место на всех уровнях иерархии управления.
Изложенная схема управления режимом работы группы водохранилищ способствует максимальному повышению их общих гарантированных отдач и тем самым максимальному снижению капиталовложений в заменяемые объекты системы. При этом достигается также и наилучшее использование напоров и стока, т. е. обеспечение максимальной выработки энергии или минимальных затрат на топливо в энергосистеме.
Пример распределения регулирующих функций между гидроузлами в системе. Рассмотрим два каскада действующих гидроузлов, расположенных на водотоках, находящихся друг от друга на значительном расстоянии. В составе гидроузлов имеются гидроэлектростанции, которые работают в одной энергосистеме.
Рис. 5-2. Схема расположения гидроузлов в каскаде 1.
1—11 — номера гидроузлов каскада; → —приток в водохранилища; ∆= —забор стока из водохранилища или водотока.
Водопользователями каскада 1 гидроузлов (рис. 5-2) являются энергетика, водный транспорт, ирригация, рыбное хозяйство, водоснабжение; каскада 2 — энергетика и водный транспорт. В каскаде 1 имеется одиннадцать гидроузлов, их основные характеристики приведены в табл. 5-2.
Верхней ступенью каскада 1 является ГЭС № 1 с водохранилищем годичного регулирования, второй ступенью — ГЭС № 2 с водохранилищем сезонного регулирования. Подпор в нижнем бьефе ГЭС № 2 от нижележащего гидроузла недостаточен для обеспечения работы водного транспорта. Поэтому в нижний бьеф ГЭС № 2 должны поступать гарантированные навигационные расходы, что обеспечивается за счет соответствующей сработки первого водохранилища, так как собственной емкости второго водохранилища для этого не хватает. Таким образом, первое водохранилище является гидравлическим компенсатором по отношению к ГЭС № 2. Порядок сработки первого водохранилища определяется размером притока воды к нему и на участке между ГЭС № 1 и 2 и требованиями водного транспорта. ГЭС № 3 с водохранилищем годичного регулирования стока является компенсатором энергоотдачи ГЭС № 1, 2 и 4, а также гидравлическим компенсатором по отношению к ГЭС № 4: ГЭС № 3 обеспечивает требуемый водным транспортом режим расходов в нижнем бьефе ГЭС № 4. Таким образом, ГЭС № 3 — компенсатор третьего уровня иерархии управления. Распределение регулирующих функций между ГЭС № 1—4 является очевидным после сопоставления регулирующих возможностей их водохранилищ и величин установленных мощностей (см. табл. 5-2). ГЭС № 5 работает на стоке, зарегулированном вышележащими водохранилищами, требования водного транспорта обеспечиваются подпором от нижележащего гидроузла. Полезная емкость водохранилища используется в зимний период по правилам, не зависящим от состояния наполнения других водохранилищ. Гидроузел № 5 является компенсируемым. На притоке к основной реке компенсатором является верхняя ступень каскада — ГЭС № 6. Полезная емкость водохранилища и установленная мощность ГЭС № 6 определили ее регулирующую роль компенсатора по отношению к ГЭС № 7 и 8.
Гидроузел № 9 на основной реке, обладающий водохранилищем годичного регулирования стока и установленной мощностью, значительно превышающей мощность вышележащих гидроузлов, является компенсатором высшего уровня иерархии управления в рассматриваемом каскаде. Гидроузел № 9 обеспечивает получение максимальной выработки энергии на ГЭС № 9, 10, 11 и требуемое энергосистемой внутригодовое распределение энергоотдачи каскада. Требования водного транспорта, ирригации, водоснабжения на трех нижних гидроузлах каскада также обеспечиваются водохранилищем ГЭС № 9. На гидроузле № 10 имеется только Недельное и суточное регулирование. Водохранилище ГЭС № 11 срабатывается лишь в тех случаях, когда емкости водохранилища ГЭС № 9 не хватает для обеспечения гарантированных навигационных попусков в нижнем бьефе гидроузла № 11. Поскольку регулирующее влияние гидроузла № 11 используется только для поддержания требуемого режима попусков в его нижнем бьефе, этот гидроузел отнесен к компенсируемым. Однако в таком определении есть условность, поскольку гидроузел № 11, как, впрочем, и гидроузел № 10, является дополнением по напору гидроузла-компенсатора № 9 и как бы пассивным компенсатором.
Таблица 5-2
Основные характеристики гидроузлов каскада и его иерархия управления
Относительная установленная мощность приведена в долях от установленной мощности ГЭС-компенсатора высшего уровня иерархии (ГЭС № 9).
Приведенное выше распределение регулирующих функций, т. е. иерархия управления режимом совместной работы гидроузлов каскада была установлена в результате водноэнергетических расчетов по критерию максимальной величины и зарегулированности отдачи гидроузлов на основе простейших и вполне очевидных эвристических соображений. В качестве исходной информации для сделанных выводов вполне достаточны материалы, приведенные в табл. 5-2.
Рис. 5-3. Схема расположения гидроузлов в каскаде 2.
12—16 — номера гидроузлов каскада; → — приток водохранилища; < = — забор стока из водотока.
Схема расположения гидроузлов в каскаде 2 дана на рис. 5-3, а их основные характеристики приведены в табл. 5-3. Гидроузлы № 12 и 13 не связаны гидравлически с гидроузлами № 15 и 16, но являются их энергетическими компенсаторами (межбассейновое электрическое регулирование). Гидроузлы № 12, 13 являются также электрическими компенсаторами каскада 1 в связи с большими регулирующими возможностями и более высокой величиной отдачи, чем на ГЭС каскада 1. Гидроузел № 14 может быть отнесен и к компенсаторам, так как является дополнением гидроузла № 13 по напору. Однако он управляется по собственным диспетчерским правилам и потому в рассмотренном примере распределения регулирующих функций гидроузлов отнесен к компенсируемым. Гидроузлы каскада 2 могут регулировать отдачу всех 16 гидроэлектростанций объединения в соответствии с требованиями единой энергосистемы.
Таблица 5-3
Основные характеристики гидроузлов каскада 2 и его иерархия управления (с учетом регулирования отдачи каскада 1)
1 В числителе — в долях установленной мощности гидроузла № 13, в знаменателе — в долях мощности гидроузла № 9 в каскаде I.
2 Или пассивный компенсатор, дополнение гидроузла № 13 по напору.
Поэтому гидроузлы № 12 и 13 каскада 2 по сфере своего влияния относятся к компенсаторам 5-го, высшего, уровня иерархии управления. По отношению к этим гидроузлам весь каскад 1 и гидроузлы на водотоке 4 компенсируемые. Режим работы ГЭС № 12 и 13 второго каскада зависит не только от требований энергосистемы и притока в их водохранилища, но и от режима отдачи других гидроэлектростанций системы. В данном случае компенсаторы высшего уровня иерархии выполняют свои компенсирующие функции поочередно. Объясняется это следующим. Подпор в нижнем бьефе ГЭС № 12 от плотины ГЭС № 13 отсутствует. В этом случае первоочередная сработка водохранилища ГЭС № 12 обеспечит максимально возможные напоры на ГЭС № 13 и использование на них боковой приточности с участка между гидроузлами и всего стока, поступающего в нижний бьеф ГЭС № 12. Потери напора на ГЭС № 12 при сработке ее водохранилища также будут меньше, чем на ГЭС № 13, вследствие большей площади зеркала водохранилища и его удельной емкости. Целесообразность первоочередной сработки водохранилища ГЭС № 12 обусловливает использование этой гидроэлектростанции в качестве компенсатора первой очереди.
Управление режимом работы гидроэлектростанций на водотоке 4 производится независимо от гидроэлектростанций на водотоке 3 и каскада 1 в соответствии с их собственными правилами управления, обеспечивающими получение максимальной гарантированной мощности и выработки энергии на каждой из этих гидроэлектростанций, а также зарегулированность сезонной энергии, необходимую для использования ее в качестве составляющей общей гарантированной отдачи всех ГЭС объединенной энергосистемы.
