Оптимальное проектирование и эксплуатация развивающихся водохозяйственных и энергетических систем с увеличением масштабов использования водных ресурсов становится все сложнее и сложнее. Многообразие целей проектов, несопоставимость результатов использования водных ресурсов в разное время, обилие конструктивных и эксплуатационных параметров системы, подлежащих выбору, различие особенностей использования водных ресурсов в разных районах и странах, необходимость учета далекой перспективы развития общества делают использование традиционных методов проектирования все менее правомерным. Поэтому становится понятным усиливающийся во многих странах интерес к использованию при проектировании и эксплуатации водохозяйственных объектов и систем современных методов оптимизации с применением электронных вычислительных машин, которые позволяют быстро и с достаточной точностью отыскивать оптимальные решения.
На базе вычислительных машин стало возможным использовать при проектировании и эксплуатации сложных систем такие новейшие математические методы, получившие в последние годы значительное развитие, как теория статистических решений (например, [Л. 75]), теория игр (например, [Л. 9]), теория управления запасами и оптимального распределения ресурсов [Л. 15, 28, 62], теория массового обслуживания и исследования операций (например, [Л. 39]), теория обучающихся систем [Л. 74] и т. д.
Применительно к водохозяйственным системам все эти методы используются еще очень редко и без особых практических успехов, хотя в дальнейшем, видимо, эффективность и целесообразность их использования будут возрастать.
Традиционные аналитические вероятностные методы были разработаны для одиночных водохранилищ, а при проектировании и управлении режимами работы водохозяйственных систем их использование до сих пор встречало существенные трудности. Это хорошо иллюстрирует 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 настоящего времени не предложено. Однако препятствия, стоящие на этом пути, видимо, преодолимы». Одним из наиболее перспективных, с нашей точки зрения, методов аналитического решения задач оптимального управления режимами работы каскадов водохранилищ является метод стохастического управления. Пример применения этого метода к решению водохозяйственных задач дается в приложении I. В нем для трех водохранилищ гидроэлектростанций, работающих в одной энергосистеме и расположенных на двух реках, при ряде принятых допущений, дается метод отыскания оптимальных правил управления режимами их работы. Время решения указанной задачи на ЭВМ БЭСМ-4 невелико и это дает надежду на то, что в ближайшее время решение сможет быть распространено на случай более сложных водохозяйственных систем.
Очень важным остается доказательство приемлемости принятых в приложении I допущений. Для этой цели необходима разработка теории эффективности решений применительно к данной задаче (см. ниже), в которой необходимо иметь некоторые альтернативные варианты решения. В качестве последних в данной работе будут приняты неаналитические пути решения рассматриваемой задачи.
Проектирование и управление сложными системами становится наиболее эффективным тогда, когда планирование будущих действий и принятие тех или иных решений основывается на выборе оптимального варианта, определяемого в ходе предварительного исследования [Л. 66].
Значительной трудностью в оценке принимаемых решений является тот факт, что физический эксперимент в сложных системах практически неосуществим из-за его большой стоимости, а в экономических системах из- за невозможности его проведения. Поэтому особый интерес при проектировании и эксплуатации сложных систем и водохозяйственных систем, в частности, представляют методы статистического моделирования (эти методы часто называют методами Монте-Карло или методами статистических испытаний).
Это признает известный сторонник аналитических методов в водохозяйственных расчетах Н. А. Картвелишвили, который в своей последней книге [Л. 37] писал: «Наиболее простым, с вычислительной точки зрения, методом расчета в сложных случаях сейчас является прямая оптимизация по ансамблю реализаций процесса стока», т. е. по совокупности выборок, смоделированных методом Монте-Карло.
По свидетельству Н. П. Бусленко [Л. 16], «метод статистического моделирования позволяет решать весьма сложные задачи и обладает существенными преимуществами перед аналитическими методами и другими видами моделирования». Особую роль статистическое моделирование играет при решении задач управления, в том числе и автоматизированного. С его помощью можно обоснованно выбрать близкие к оптимальным алгоритмы управления, оцепить эффективность различных принципов и надежность управления.
Следует заметить, что метод статистического моделирования [Л. 16] «... обладает и существенным недостатком: решение всегда носит частный характер. Оно соответствует фиксированным значениям параметров системы и начальных условий». Одной из важных проблем в теории сложных систем является выбор моделей, которые «... с одной стороны, достаточно полно отражали бы протекание процессов в реальной системе и в этом смысле были бы достаточно сложными, а с другой стороны, были бы достаточно просты, чтобы их можно было описать и исследовать с целью получения результатов в обозримое время» [Л. 25]. При этом в первую очередь имеется в виду быстродействие и емкость памяти используемых для решения задачи вычислительных машин. Этот фактор в ряде случаев становится главенствующим при выборе моделей.
Применение методов статистического моделирования к решению задачи управления режимами при эксплуатации водохозяйственных систем с ГЭС и водохранилищами является основой данной работы.
Весьма условно эту задачу можно разбить на следующие части.
- Исследование статистических и физических закономерностей колебаний речного стока, количественная оценка по небольшим наблюденным выборкам основных характеристик (параметров распределения) стока и разработка практически приемлемых и теоретически достаточно строгих методов и схем математического описания и программ статистического моделирования речного стока на вычислительных машинах. Проведение аналогичных исследований и оценок для некоторых видов водопотребления, зависящих от случайных геофизических причин.
- Разработка способов и алгоритма оценки целевой функции, которую требуется оптимизировать при выборе параметров и метода управления режимами эксплуатации системы.
- Оптимизация режимов работы водохранилищ группы гидроузлов системы в условиях различных водности рек и водопотребления за весь рассматриваемый период развития системы.
- Обобщение полученных материалов в оптимальные правила принятия решения при проектировании и эксплуатации водохозяйственных систем в условиях, когда водность рек на предстоящий период развития системы, некоторые виды водопотребления и другие характеристики системы (в том числе и экономические) не известны.
Выделенные выше части задачи оптимизации развития и управления режимами работы водохозяйственных систем неравнозначны по трудоемкости, сложности, разработанности и значимости. Данное деление задачи на отдельные части, конечно, является условным, но представляется удобным для последующего изложения. В некоторых предложенных в настоящее время методах решения рассматриваемой задачи отдельные ее части могут быть объединены воедино [Л. 35, 72].
Первой части задачи в вышепредставленной классификации посвящено весьма значительное число исследований как в СССР, так и за рубежом. В течение ряда 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 точки зрения детерминированности или случайности их характеристик. Небольшие обобщения выполненных исследований будут даны и применительно к характеристикам речного стока.
Для анализа и разработки средств управления системой прежде всего необходимо установить цель управления (вторая часть задачи). В конечном итоге цель управления требуется формализовать в виде целевой функции и найти условия, при которых эта цель может быть достигнута, т. е. нужно найти и сформулировать обязательные ограничения при решении задачи. Обычно в задачах управления работой энергетических и водохозяйственных систем с водохранилищами при анализе систем устанавливают зависимости суммарных затрат в них от величины и распределения отдач гидроузлов. При этом в сложных энергетических и водохозяйственных системах необходимо оценить: изменения затрат на тепловых электростанциях системы, работающих на разном топливе и имеющих различные характеристики оборудования; учесть потери и пропускные способности линий электропередач системы; учесть требования .и затраты неэнергетических участников водохозяйственного комплекса; рассмотреть вопросы покрытия балансов мощности и энергии отдельных энергоузлов системы, вопросы распределения между станциями ремонтных, аварийных и нагрузочных резервов системы и т. п.
B результате такого исключительно сложного анализа удается получить искомые зависимости затрат системы от величины и распределения отдач гидроузлов, которые и могут быть в дальнейшем использованы в качестве целевой функции, подлежащей оптимизации. При этом требования компонентов водохозяйственной системы в обеспечении водой чаще всего принимаются в виде обязательных ограничений режима работы водохранилищ.
Правильная постановка этой задачи для наиболее общего случая комплексной водохозяйственной и энергетической систем, скорое и приемлемое для практики решение этой задачи представляется совершенно необходимым. Одним из наименее изученных и наиболее важных вопросов здесь является определение экономической эффективности использования воды, ущербов от недодачи воды тому или иному потребителю или оценка ущербов 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 водохранилищ сезонного регулирования речного стока. Можно указать и на многие весьма подробные и тщательные разработки по оптимизации режимов для группы водохранилищ. Достаточно полные обобщения этих исследований можно найти в [Л. 10, 18, 50, 68, 72].
Оптимизация режимов работы водохранилищ сводится к отысканию такого распределения отдач гидроузлов в течение времени, которое позволило бы получить минимум целевой функции при удовлетворении ряда требований (ограничений) энергетической и водохозяйственной систем.
В данной работе методы оптимизации не анализируются, а лишь используются при разработке отдельных иллюстративных примеров, взятых из проектной практики авторов.
Основным в книге является исследование четвертой части задачи. Полученные в результате оптимизации режимы работы водохранилищ являются исходными данными при разработке обобщающих рекомендаций для управления их работой при эксплуатации системы. Эти обобщения или правила управления являются в известном смысле стратегией управления режимами работы системы. Они позволяют принимать наиболее ответственные решения с наименьшим риском, с учетом последствий на достаточно продолжительный период времени.
Таким образом, главной целью данной книги является исследование методов управления режимами работы каскадов водохранилищ в сложных водохозяйственных системах при невозможности прогнозировать речной сток и некоторые виды водопотребления на весь цикл регулирования. Указанное исследование проводится «а базе статистического моделирования как процесса речного стока, так и отдельных видов водопотребления и водопользования. Для выявления, какие виды водопотребления требуют статистического моделирования, у каких водопотребителей имеется возможность регулирования потребления без помощи водохранилищ, например с помощью складов готовой продукции, в следующей главе будет дан анализ отдельных водопотребителей и водопользователей именно с этих позиций. Там же будут приведены и основные характеристики речного стока как случайного процесса и будет дан краткий обзор современных приемов оценки статистических характеристик случайных процессов по данным наблюдений небольшого объема. В гл. 3 будут приведены обзор существующих и описание рекомендуемых для водохозяйственных систем методов статистического моделирования случайных процессов. В гл. 4 книги описаны основные показатели режима работы комплексных гидроузлов, используемые при проектировании и эксплуатации водохозяйственных и энергетических систем. Приведены приемы, применяемые для их оценки в проектной практике и при эксплуатации. Пятая глава книги посвящена непосредственно методам управления режимами работы водохранилищ в сложных водохозяйственных и энергетических системах, т. е. методам управления, с помощью которых выбранные при проектировании показатели системы могут быть получены при ее эксплуатации в условиях отсутствия долгосрочных прогнозов речного стока и некоторых видов водопотребления.
