Сопоставление различных правил управления.
Любой способ или правило управления при наличии в системе случайных факторов не может дать при эксплуатации точной реализации оптимального режима работы, найденного при детерминированной информации (эталонный режим работы), а лишь гарантирует то или иное приближение к нему. При использовании расчетов оптимизации t последовательной корректировкой режимов отклонение фактического режима работы системы от оптимального тем больше, чем больше отличаются прогнозируемые значения случайных характеристик системы (сток рек и др.) от фактических.
При неглубоком сезонном регулировании, когда заблаговременность прогноза стока и продолжительность периода регулирования соизмеримы, такой метод управления является достаточно приемлемым. При многолетнем же регулировании сток прогнозируется лишь на отрезок времени, равный 3—10% всего многолетнего цикла водохозяйственного регулирования. Вследствие этого при многолетнем регулировании назначение режима работы системы непосредственно по расчетам оптимизации отдачи, даже с последовательной их корректировкой, не имеет смысла: в каждый данный момент решение принимается при неизвестном за период регулирования стоке. Работа же по диспетчерским правилам управления возможна даже при условии полного незнания предстоящего притока воды в водохранилища.
Чем выше зарегулированность стока (или энергии), тем меньше влияет способ управления на показатели режима работы гидроузлов (или гидроэлектростанций). При полном многолетнем регулировании и когда развитие системы соответствует проектным предположениям, гидроузлы работают с практически постоянной из года в год отдачей. Если же при этом расчетные половодья могут быть пропущены при наполненном до НПУ водохранилище, то правила управления однозначны, т. е. не зависят ни от размеров притока, ни от запасов воды в водохранилищах. В этом крайне редком на практике случае на диспетчерском графике режима работы гидроузла (см. § 5-3) будет иметь место одна зона — гарантированной отдачи (сказанное относится как к компенсируемому, так и к компенсирующему гидроузлу).
Диаметральной противоположностью указанному является случай, когда ввод потребителя электроэнергии почему-либо задерживается относительно ввода самих генерирующих мощностей (избыточная энергосистема). Тогда, даже при предельно высоких регулирующих возможностях, появляется необходимость в оптимизации распределения избыточной отдачи во времени: в годовом и многолетнем разрезе. При этом влияние способа управления режимом работы ГЭС на эффективность эксплуатации их будет наиболее существенным. Именно этот случай и был рассмотрен в предыдущем параграфе при построении разных правил управления в зоне избытков. Какое же из этих правил наилучшее? Для этой цели необходимо сопоставить результаты расчетов регулирования речного стока по различным правилам управления.
Как было указано выше, в нашем иллюстративном примере (§ 5-5) разработано пять эвристических диспетчерских графиков (дадим им номера с 1 по 5) и один (№ 6) регрессионный.
Из описания диспетчерских графиков следует, что в их числе есть графики, обеспечивающие максимальное использование стока (см. рис. 5-13), максимальную его зарегулированность (см. рис. 5-16 и 5-17) и максимально возможное приближение к оптимальному режиму в условиях маловодных лет (см. рис. 5-14), а также равные возможности приближения к оптимальному режиму в условиях различной водности (см. рис. 5-45). Оценка эффективности использования рассмотренных диспетчерских правил может быть выполнена при проектировании путем сопоставления режимов работы ГЭС, назначаемых по этим диспетчерским правилам, с оптимальными режимами при известном стоке рек.
При управлении режимом работы ГЭС по различным диспетчерским графикам к концу периода развития системы Тр в водохранилищах остаются различные объемы воды, т. е. различное количество потенциальной энергии. Вследствие этого отклонения выработки энергии от оптимальной обусловлены двумя причинами; собственно режимом работы и степенью использования полезной емкости водохранилища, т. е. различным объемом используемого за Тр стока, запасенного в водохранилищах. При сопоставлении диспетчерских правил, полученных разными способами, выработку энергии ГЭС или затраты можно рассматривать без учета и с учетом потенциальной энергии, остающейся в водохранилище в конце расчетного периода развития системы. Величина выработки энергии ГЭС за расчетный период развития системы (без учета потенциальной энергии) характеризует возможность приближения к оптимальному режиму работы или степень неизбежного отклонения от него в течение Тр в результате применения того или иного средства управления режимом эксплуатации гидроузлов. Учет потенциальной энергии позволяет свести баланс гидроэнергии в водохранилищах системы за период Тр при различных отметках уровня воды в водохранилищах в конце этого периода, получаемых в результате применения тех или иных правил управления, и тем самым дает возможность сопоставить собственно показатели режима работы ГЭС (за рассматриваемый Тр при различных средствах управления), которые обусловливаются использованием притока, режимом напоров и сочетанием величин расходов через ГЭС и напоров.
В дальнейшем выработка энергии ГЭС за Тр, вычисленная с учетом потенциальной энергии, остающейся в водохранилище в конце Тр, будет именоваться приведенной, выработка энергии ГЭС системы, полученная в результате управления режимом их работы по какому- либо диспетчерскому правилу, — диспетчерской (с учетом и без учета потенциальной энергии) в отличие от оптимальной, определяемой в условиях детерминировано заданной гидрологической информации.
Если расчеты регулирования отдачи по диспетчерским правилам производятся по всему периоду регулирования, т. е. до выхода уровней воды в водохранилищах на НПУ, то необходимость в вычислении приведенной выработки энергии отпадает. Необходимость же вычисления выработки энергии за Тр и в этом случае остается в целях сопоставления диспетчерских правил за расчетный период развития системы. Последовательность действий в процессе сопоставления различных правил управления режимом работы ГЭС системы следующая:
- Для каждого расчетного гидрологического периода выполняются расчеты по определению отдачи ГЭС за Тр по каждому из сопоставляемых правил управления режимом работы ГЭС. (В результате расчета определяются энергоотдача ГЭС за Тр и уровни воды в конце его по всему ряду расчетных периодов.
- Вычисляются параметры распределения ряда выработки энергии ГЭС за Тр для каждого из сопоставляемых правил управления.
- Вычисляются разницы между диспетчерской и оптимальной выработкой энергии для каждого варианта диспетчерских правил по каждому гидрологическому периоду.
- Вычисляются параметры рядов отклонений диспетчерской выработки энергии от оптимальной.
Ниже представлены результаты сопоставления шести вариантов правил управления режимом работы ГЭС в соответствии с предыдущим параграфом. Сопоставления различных правил управления проводятся по гидрологическому ряду, состоящему из 18 трехлеток. В их числе имеется 4 многоводных, 7 маловодных и 7 средневодных периодов, в которых отражены наиболее характерные сочетания годовой энергоотдачи ГЭС. Отбор расчетных периодов выполнен в соответствии с приложением II.
Рис. 5-18. Кривые распределения суммарной за Тр выработки энергии ГЭС системы при различных правилах управления режимом их работы.
------ — оптимальный режим; 1 — диспетчерский график № 1; 2 — диспетчерский график № 2; 3 — диспетчерский график № 3; 4 — диспетчерский график № 4; 5 — диспетчерский график № 5; 6 — управляющие функции.
Рис. 5-19. Кривые распределения суммарной за Тр выработки энергии ГЭС системы при различных правилах управления режимом их работы с учетом потенциальной энергии водохранилищ.
----------- оптимальный режим; 1 — диспетчерский график № 1; 2 — диспетчерский график № 2; 3 — диспетчерский график № 3; 4 — диспетчерский график № 4; 5 — диспетчерский график N° 5; 6 — управляющие функции.
Таблица 5-5
Сопоставление разных правил управления по первому способу
Первый способ сопоставления диспетчерских правил основан на анализе кривых распределения выработки энергии ГЭС, которые даны на рис. 5-18 и 5-19. В табл. 5-5 показаны результаты сопоставления шести правил управления по первому способу. В качестве показателей рассмотрены: 1) среднее значение суммарной выработки энергии Э трех ГЭС, 2) Cv и а ряда этих величин, 3) коэффициент корреляции р между рядами оптимальной выработки энергии и выработки энергии, полученной в результате применения диспетчерских правил.
Для сопоставления различных правил управления режимами работы ГЭС была подсчитана специальная обобщенная характеристика, предложенная В. В. Атуриным и позволяющая оценить среднеквадратичное отклонение диспетчерской выработки энергии ГЭС от оптимальной:
Материалы, приведенные в табл. 5-5, свидетельствуют о том, что за расчетный период развития системы суммарная среднемноголетняя выработка энергии изменяется в зависимости от правил управления от 123,24 млрд. квт-ч до 127,93 млрд, квт-ч при оптимальном значении 124,68 млрд, квт-ч. Наиболее близкое к оптимальному значение выработки энергии получается при регулировании отдачи ГЭС по регрессионным управляющим функциям — 124,62 млрд. квт-ч. Из рис. 5-18 и 5-19 следует, что практически смещенности кривых распределения нет только при регрессионном методе управления. Приведенная выработка энергии изменяется в зависимости от правил управления от 137,78 до 138,75 млрд. квт-ч при оптимальном значении 139,23 млрд. квт-ч. Параметр К тем меньше, чем ближе диспетчерская выработка энергии к оптимальной. Сопоставляя значения параметра К, можно сделать вывод, что наилучшими правилами управления (без учета потенциальной энергии) являются четвертый и пятый диспетчерские графики, а также регрессионные управляющие функции; при учете потенциальной энергии — первый, второй и четвертый.
Второй способ сопоставления диспетчерских правил заключается в анализе кривых распределения отклонений выработки энергии ГЭС или затрат в системе от тех же показателей при оптимальном режиме (при детерминировано заданной гидрологической информации). На рис. 5-20 и 5-21 даны кривые распределения отклонений диспетчерской выработки энергии ГЭС от оптимальной, построенные по ряду расчетных периодов. Каждый член ряда представляет собой разницу между суммарной за Тр выработкой энергии ГЭС, получаемой при управлении по диспетчерскому графику, и оптимальной.
Учет потенциальной энергии является лишь частичной оценкой последействия при использовании того или иного диспетчерского правила: режим работы за пределами Тр до конца периода регулирования должен устанавливаться по другим диспетчерским правилам, соответствующим иной, чем в пределах Тр, обстановке в системе. Сопоставление диспетчерских правил по приведенной выработке энергии за Тр в данном случае основано на предположении, что имеющиеся в водохранилищах гидроресурсы будут использованы в будущем (за пределами Тр) полностью и при одинаковых напорах.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 30 100
Обеспеченность, %
Рис. 5-20. Кривые распределения отклонений суммарной за Тр выработки энергии ГЭС системы от оптимальной при различных правилах управления.
------ — оптимальный режим; 1 — диспетчерский график № 1; 2 — диспетчерский график № 2; 3 — диспетчерский график № 3; 4 — диспетчерский график № 4; 5 — диспетчерский график № 5; 6 — управляющие функции.
Рис. 5-21. Кривые распределения отклонений суммарной за Тр выработки энергии ГЭС системы от оптимальной при различных правилах управления с учетом потенциальной энергии водохранилищ. ----- — оптимальный режим; 1 — диспетчерский график № 1; 2 — диспетчерский график № 2; 3 — диспетчерский график № 3; 4 — диспетчерский график № 4; 5 — диспетчерский график № 5; 6 — управляющие функции.
Такой условной и недостаточно точной оценкой последействия объясняется и наличие положительных отклонений приведенной диспетчерской выработки энергии от оптимальной.
Эффективность использования различных правил управления в гидрологические периоды разной водности не одинакова (что, впрочем, следовало ожидать из тех эвристических соображений, по которым строились отдельные диспетчерские правила).
Во втором способе критерием при сопоставлении разных правил управления может быть сумма абсолютных величин отклонений диспетчерской выработки энергии от оптимальной или математическое ожидание квадратов этих отклонений. Указанные величины для рассматриваемых шести правил управления без учета и с учетом потенциальной энергии водохранилищ приведены в табл. 5-6.
Таблица 5-6
Сопоставление разных правил управления по второму способу
Данные табл. 5-6 свидетельствуют о том, что без учета потенциальной энергии достигнуть режима, наиболее близкого к оптимальному, можно, используя диспетчерские графики № 4, 5 и регрессионные функции.
Анализ, выполненный с приближенным учетом потенциальной энергии, показывает, что режим, наиболее близкий к оптимальному, может быть получен при управлении по диспетчерским графикам № 1, 2 и 4.
Как уже указывалось в §4-4, неравномерность отдачи ГЭС во времени требует наличия в системе некоторого резерва топлива. Указанный резерв является как бы регулирующей энергетической емкостью, которая заполняется в периоды, когда выработка ГЭС превышает среднемноголетнюю, и расходуется в периоды маловодья, когда выработка гидроэнергии должна быть дополнена до среднемноголетнего значения. Такое регулирование осуществляется как путем 'маневрирования топливом между энергосистемами, так и путем организации его складирования.
В рассмотренном выше примере в зависимости от средства управления режимом работы ГЭС компенсирующая энергетическая емкость системы изменяется от 4,4 до 9,8 млрд, квт-ч, или от 1,5 до 3,3 млн. т условного топлива, т. е. значительно. Эти данные подтверждают, что в некоторых энергосистемах мероприятия, компенсирующие колебания выработки энергии ГЭС, при разных правилах управления могут быть неодинаковыми. Поэтому учет их стоимости при выборе правил управления режимом работы ГЭС представляется целесообразным.
Таким образом, рассмотренные здесь различные способы сопоставления правил управления даю!1 практически одинаковые выводы.
Приведенные примеры показывают, что предложенные выше разные правила управления режимами работы ГЭС с водохранилищами длительного регулирования дают возможность получения режимов, достаточно близких к оптимальным. Лучшие из них, например № 4, 5 (на рис. 5-46 и 6-17) и № 6 можно было бы рекомендовать для управления рассмотренной системой в течение исследованного периода ее развития.
При выборе того или иного метода управления следовало бы также учитывать трудоемкость и длительность подготовки решений при создании правил управления, а также возможность полной автоматизации всего хода решения. С учетом этого обстоятельства и регрессионный и эвристические методы могут оказаться хуже стохастического (приложение 1), если последний удастся разработать для сложных систем. Преимущества регрессионного метода перед эвристическими заключаются в возможности полной автоматизации расчетов, т. е. в возможности создания единого комплекса программ на ЦВМ. Однако и тот, и другие методы требуют для вычислений больших затрат машинного времени. Это очень часто является помехой для широкого использования их на практике, особенно тогда, когда менее трудоемкий и полностью механизированный прием последовательной корректировки режимов не дает очень больших ошибок (сезонное регулирование стока).
В заключение рассмотрим вопросы о необходимой частоте пересмотра правил управления режимами работы водохозяйственной системы.
Срок службы диспетчерских правил управления.
Для каждого водохранилища, каскада или водохозяйственной системы в соответствии с «Основами водного законодательства Союза ССР и союзных республик» порядок эксплуатации водохранилищ определяется «Основными положениями правил использования водных ресурсов», утвержденными соответствующими органами. Такие Правила использования водных ресурсов разрабатываются проектными организациями по поручению эксплуатирующих организаций и после их согласования и утверждения являются руководящим документом, обязательным для всех организаций и ведомств, имеющих отношение к эксплуатации или использованию ресурсов данной системы. Надежность снабжения потребителей водой и энергией в установленных размерах обеспечивается строгим применением диспетчерских правил регулирования речного стока. Отступления от режимов работы, предусмотренных Правилами использования водных ресурсов, допускаются лишь в случае возникновения непредвиденных обстоятельств, угрожающих безопасности основных сооружений, требующих принятия экстренных мер.
Диспетчерские правила управления пересматривают или уточняют при изменении условий работы системы, а также по мере накопления эксплуатационного опыта. Диспетчерские правила управления режимами работы гидроузлов зависят от характера требований, предъявляемых к ним энергосистемой и комплексом неэнергетических потребителей. Если изменение во времени указанных факторов происходит в соответствии с проектными предположениями, принятыми при построении диспетчерских правил, то сроком их действия является расчетный период развития системы Тр.
Практически формирование сложной энергетической и водохозяйственной системы не может точно прогнозироваться с заблаговременностью, равной Тр, и диспетчерские правила пересоставляются каждый раз, когда в системе имеют место отклонения от проектного плана ее развития. К последним можно отнести: 1) изменения сроков ввода потребителей, приводящие, например, к непредвиденному росту или снижению намеченного потребления или использования воды, энергии или мощности; 2) изменение в сроках ввода ЛЭП, электростанций, в том числе ГЭС и новых водохранилищ системы.
Помимо причин, связанных с особенностями развития системы, необходимость пересоставления диспетчерских правил ранее окончания расчетного периода развития системы может быть вызвана резким нарушением режима работы гидроузлов или ГЭС в связи, например, со сверхплановым перерасходованием аварийного резерва в водохранилищах и невозможностью его последующего восстановления за счет увеличения отдачи ТЭС. В этом случае на ГЭС многолетнего регулирования стока может создаться обстановка, близкая к условиям ее ввода, т. е. к периоду, аналогичному условиям начального наполнения водохранилища.
При пересоставлении диспетчерских правил так же, как и при их построении, должна учитываться фактическая гидрологическая обстановка. Так, например, если с начала Тр до момента пересоставления диспетчерских правил прошло 2 года и наблюдавшаяся двухлетка являлась маловодной, то наиболее продолжительные маловодные периоды сокращаются на 2 года. Если водность наблюдавшейся двухлетки такова, что ее нельзя считать началом маловодного периода, то при пересоставлении диспетчерских правил необходимо учесть полностью наиболее продолжительные из наблюдавшихся-или искусственных маловодий. Указанное сокращение маловодных периодов при пересоставлении или построении диспетчерских правил за период Tр возможно только в эксплуатационной задаче, когда имеется уверенность в том, что часть маловодного периода прошла и не должна учитываться в расчете. Если Tр значительно превышает период регулирования и в течение его возможно наступление нескольких маловодных периодов, то в соответствии с фактически прошедшим маловодьем может быть сокращен только первый расчетный период. При моделировании расчетных периодов учет фактической гидрологической обстановки производится автоматически путем включения в предысторию процесса последних лет наблюдений за речным стоком.
Таким образом, в гл. 5 были рассмотрены методы построения правил управления режимами работы гидроузлов с водохранилищами многолетнего и сезонного регулирования стока в водохозяйственных и энергетических системах. Указанные правила управления позволяют обеспечить безопасность гидроузла, с требуемой надежностью гарантировать потребителям его энерго- и водоотдачу, максимально возможно приблизить к оптимальному распределение во времени воды и энергии, избыточных над гарантированной. Ниже в приложении I будет показана принципиальная возможность решения упомянутых вопросов методом стохастического управления.
