CC BY
22
© А.Х. Мардиханов УДК 621.311
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИНТЕРЕСОВ ЕЭС РОССИИ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА
А.Х. Мардиханов
АО «Татэнерго», г.Казань, Россия
ORCID*:https://orcid.org/0000-0002-7084-5071, mardihanovah@tatenergo.ru
Резюме: Разработана методика поиска компромиссных решений по формированию среднесрочных режимов функционирования гидроэнергетической системы в условиях наличия неопределенного количества требований участников водохозяйственного комплекса на примере Волжско-Камского каскада ГЭС.
Методика позволяет обеспечить интересы единой энергетической системы и при этом удовлетворить требования водохозяйственного комплекса и экологии.
Для реализации методики создан программный комплекс «Энергетическая система каскада ГЭС» (http://hydrocascade.com). Пользователями программного решения являются несколько участников водохозяйственной деятельности Волжско -Камского каскада, включая представителей энергетики.
Ключевые слова: гидроэнергетическая система, гидроэнергетический комплекс, оптимизация режимов ГЭС, каскад ГЭС, единая энергетическая система.
ENSURING THE INTERESTS OF UES IN FORMATION OF THE OPERATING MODES IN HYDRO-ENERGY COMPLEX
A. H Mardikhanov
JSC Tatenergo, Kazan, Russia
ORCID*:https://orcid.org/0000-0002-7084-5071, mardihanovah@tatenergo.ru
Abstract: A technique has been developed for finding compromise solutions on the formation of medium-term modes of operation of a hydropower system in the presence of an unspecified number of requirements of the participants in the water management complex using the example of the Volga-Kama cascade of hydropower plants.
The developed method allows ensuring the interests of a unified energy system and at the same time satisfy the requirements of the water management complex and the environment.
Based on the developed methodology, the software package "Energy system of the HPP cascade" (http://hydrocascade.com) was implemented, which in practice confirmed the accuracy and efficiency of the computational model. Currently, the users of the software solution are several participants in the water management activities of the Volga-Kama cascade, including energy representatives
Keywords: hydropower system, hydropower complex, optimization of HPP modes, HPP cascade, unified energy system.
Российская электроэнергетика является одной из наиболее крупных и надежных энергетических систем в мире. Основу производственного потенциала российской электроэнергетики составляют более 700 электростанций общей установленной мощностью более 230 ГВт и линии электропередачи всех классов напряжений протяженностью более 2,5 млн. км.
Единая энергетическая система (далее ЕЭС) России характеризуется наличием разнообразных типов электростанций, таких как ТЭЦ и ГРЭС (66% установленной мощности ЕЭС), АЭС (17%), ГЭС (16%) и ВЭС (менее 1%). Диверсификация энергетической системы по трем ключевым источникам генерации электроэнергии значительно повышает эффективность и надежность ЕЭС России по сравнению с другими странами. Солнечная и ветровая генерация имеет высокую динамику прироста, однако в настоящий момент практически не оказывает влияния на ЕЭС страны.
Теплоэлектроцентрали (далее ТЭЦ) функционируют в режиме когенерации, вырабатывая электрическую энергию и теплоту, отпускаемую потребителям в виде пара.Выработка электроэнергии на данных электростанциях в большей степени зависит от теплопотребления промышленных и населенных объектов, находящихся вблизи генерирующего объекта. Атомные электростанции функционируют в базовом режиме работы, который характеризуется практически постоянной нагрузкой в течение всех часов суток. В данных условиях неравномерность потребления электрической энергии компенсируются гидроэлектростанциями, которые за короткий промежуток времени (5 -8 минут) имеют возможность включения полного состава генерирующего оборудования до нагрузки располагаемой мощности ГЭС.
Роль ГЭС в ЕЭС России крайне важна. Высокая надежность работы генерирующего оборудования, отсутствие транспортных операций по перевозкам топлива, высокая маневренность и быстрота выполнения операций по пуску и останову генерирующего оборудования, осуществление услуг автоматического вторичного регулирования частоты и перетоков активной мощности - все это делает ГЭС, по существу, незаменимым источником энергии.
Стоит отметить, что в России ГЭС в большей степени функционируют по каскадной схеме (Волжско-Камский каскад, Ангаро-Енисейский каскад и другие). Гидроэнергетический комплекс, связанный единым водным режимом и расположенный на одном водотоке или бассейне называется каскадом гидроэлектростанций. Использование гидроэнергетического потенциала крупных рек с помощью одной ГЭС чаще всего нецелесообразно по экологическим, техническим и экономическим причинам. На крупных реках наиболее характерным является сооружение крупных каскадов ГЭС, с крупными водохранилищами, обеспечивающими наиболее рациональное использование водных ресурсов. Ключевой особенностью функционирования гидроэнергетической системы каскада является взаимосвязь ступеней (элементов системы) между собой. Речь, в первую очередь, идет об энергетической, гидрологической и гидравлической связях.
Энергетическая связь определяется электрической связью линий электропередач 500 и 220 кВ. Гидравлическая связь характеризуется зависимостью по расходу и напору. Особенностью ГЭС, связанных каскадом, является то, что уровень нижнего бьефа вышележащей станции зависит от кривой подпора водохранилища нижележащей станции. Гидрологическая связь подразумевает перераспределение расхода воды на каждой ступени благодаря возможности регулирования стока водохранилищ. При этом сток реки может быть снижен по причине изъятия водных ресурсов со стороны отдельных отраслей народного хозяйства, либо испарения с поверхности водохранилищ.
Рис. 1. Схема Волжско-Камского каскада гидроэлектростанций
Ключевые проблемы обеспечения интересов ЕЭС в гидроэнергетических комплексах
Работа каскадных гидроэлектростанций не ограничивается интересами исключительно энергетических систем, оно имеет многоцелевое использование. В рамках деятельности гидроэнергетической системы должны быть обеспечены интересы следующих ведомств: региональных министерств экологии и природных ресурсов, сельского хозяйства, коммунального и промышленного водоснабжения, речного транспорта (грузового и пассажирского), рыбного хозяйства и др.
Интересы рыбного хозяйства заключаются в поддержании водохранилищ гидроэнергетической системы в период нереста рыбы на одном уровне без значительных колебаний внутри периодов. При этом в зимнее время с целью недопущения замора рыбы, рыбное хозяйство заинтересовано в поздней (ближе к половодью) сработке водохранилищ. Интересы сельского хозяйства ограничиваются отбором воды из водохранилищ с целью орошения плодородных земель. Уровень воды на верхнем и нижнем бьефах гидроузлов должен обеспечивать непрерывную работу насосных систем орошения. Речной транспорт (грузовой и пассажирский) имеет ограничения по уровням воды на верхнем и нижнем бьефах гидроузлов, а также по среднесбросным расходам через створы ГЭС для осуществления безопасного шлюзования судов. Дополнительным ограничением является отметка навигационного уровня, ниже которого в период навигации водохранилище не может срабатываться, а в период половодья должно наполняться в кратчайшие сроки. Ограничения по коммунальному и промышленному водоснабжению предъявляются в части обеспечения уровня воды в водохранилище выше минимальной отметки водозаборов. К тому же на каждом гидроузле в зависимости от его характеристики и гидрологии стока определяются среднесуточные минимальные попуски воды.
Таким образом, интересы ЕЭС России в части эксплуатации гидроэнергетической системы входят в общий список интересов водохозяйственных участников.
В настоящее время отсутствует эффективная модель эксплуатации гидроэнергетической системы каскада ГЭС, которая позволяет в равной доле учитывать интересы всех водопользователей. Наличие индивидуальных для каждого водохранилища правил эксплуатации водных ресурсов (далее ПИВР) не позволяет решать задачи оптимального распределения стока между гидроузлами, которое сводится к компромиссному удовлетворению требований участников водохозяйственного комплекса (включая ЕЭС России). Данное обстоятельство год от года все больше обостряет противоречия между водопользователями, что в свою очередь приводит как к ухудшению энергетической эффективности работы ГЭС в ЕЭС России, так и к ухудшению эффективности работы водохозяйственного комплекса.
Существующие методы оптимизации режимов работы гидроэнергетических систем либо потеряли актуальность, либо удовлетворяют интересы отдельного определенного круга водопользователей. Оптимизационная модель должна учитывать интересы всех водопользователей водных ресурсов. При этом очевиден тот факт, что в зависимости от всевозможных условий (времени года, водности и др.) количество требований водопользователей может меняться как в большую, так и в меньшую сторону. Таким образом, формулируется оптимизационная задача, с неопределенным количеством критериев оптимальности.
Цели и задачи
Целью данной работы является разработка методики поиска компромиссных решений по формированию среднесрочных режимов функционирования гидроэнергетической системы в условиях наличия неопределенного количества требований участников водохозяйственного комплекса.
При разработке модели необходимо брать во внимание интересы следующих участников энергетической и водохозяйственной деятельности гидроэнергетической системы:
- энергетическая отрасль в лице системного оператора единой энергетической системы (далее СО ЕЭС);
- региональные министерства экологии и природных ресурсов;
- собственники гидроэлектростанций (ПАО «Русгидро», ПАО «ТГК-1», АО «ЕвроСибЭнерго», АО «Татэнерго» и др.);
- участники водохозяйственной деятельности в лице Росморречфлот, Росрыболовство, МЧС России, Минсельхоз России, органы исполнительной власти субъектов Российской Федерации, граничащие с водоемами.
Экологические интересы заключаются в минимизации воздействия гидроэнергетического комплекса на окружающую среду. Интересы единой энергетической системы состоят в интервальном распределении выработки электроэнергии гидроэнергетической системы в зависимости от ее потребности в энергосистеме. Примерами ограничений водохозяйственной отрасли могут быть ограничения по отметкам на водомерных постах, по уровням нижнего бьефа гидроузлов и.т.д.
Соответственно, задача расчета оптимальных среднесрочных режимов функционирования гидроэнергетической системы сводится к определению такого режима сработки/наполнения водохранилищ, при котором реализуются принятые критерии оптимальности, удовлетворяющие интересы водопользователей и соблюдаются режимные ограничения и допущения [1].
Существующие методики оптимизации
Решению задач оптимизации режимов функционирования гидроэнергетической системы традиционно уделялось достаточное внимание. Наиболее популярными являлись модели, основанные на критерии оптимизации принятым по максимуму суммарной выработки электроэнергии гидроэлектростанциями либо минимуму суммарного по всем тепловым электростанциям энергосистемы расхода условного топлива или минимума эксплуатационных затрат по системе.
Ключевыми недостатками вышеописанных моделей являются:
- критерий оптимальности по минимизации расхода условного топлива на всех ТЭС энергосистемы, либо минимума эксплуатационных затрат в системе потерял актуальность в виду возникновения приватизированных генерирующих компаний после реорганизации РАО ЕЭС России. Возникновение конкурентной среды между генерирующими компаниями противоречит условиям существующего критерия. К тому же в модели не учитываются суммарный технологический и технический минимум включенного генерирующего оборудования ТЭС энергосистемы;
- в модель не включены все требования водохозяйственных, экологических и энергетических систем;
- задача имеет однокритериальную оптимизацию по энергетической составляющей. При этом не учитываются критерии водохозяйственных систем, включая экологические. Решение подобного рода задач должно основываться на многокритериальной основе.
К тому же, стоит отметить работы [1-3], в которых предпринимались попытки разработки комплексных методик анализа и оценки рациональных режимов работы каскадных гидроузлов. Однако, данные работы выполнялись для гидроэнергетической системы, которая состоит из небольшого количества гидроузлов. Модели не тестировались на крупных гидроэнергетических системах.
Отдельное внимание стоит уделить работам [4-8]. В данных работах модели имеют сложную практическую реализацию.
Разработка методики формирования среднесрочных режимов гидроэнергетических систем
Модель функционирования гидроэнергетического комплекса проводится на примере Волжско-Камского каскада гидроэлектростанций, который расположен на р.Волга и ее притоке р. Кама. Волжско-Камский каскад ГЭС - один из крупнейших в мире каскадов ГЭС. Выработка электроэнергии гидроэлектростанциями каскада превышает 37 млрд. квтч в год. Каскад состоит из 8-ми крупных ГЭС на Волге: Иваньковской, Угличской, Рыбинской, Горьковской, Чебоксарской, Жигулевской, Саратовской и Волжской и 3-х ГЭС на Каме - Камской, Воткинской и Нижнекамской (рис. 2).
Особенностью рассматриваемой задачи является наличие множественности внешних условий, требующих рассмотрения многих требований(критериев). При этом, в зависимости от внешних и внутренних условий, количество требований может быть разным.
Частные критерии оптимальности Rij и целевые функции для отдельных участников водохозяйственного комплекса (далее ВХК), кроме ГЭС, выразить количественно очень сложно. Однако, очевидно, что они являются функциями расходов воды Qij в каждом гидроузле и в каждый временной период, т.е. Rij = Rij(Qij). Участники же ВХК могут указать требования к расходам Qij или уровням Zij либо выработки электроэнергии Pij, обеспечивающим для них максимум эффекта. Требования могут выражаться как в форме максимизации/минимизации параметра, так и в форме ограничения.
'Ш:
о
Камская<
Угличская.
о!
Иваньковская
А §
Боткинская ^^
Рыбинская оиткитлан
^^ Горьковская
юкэя ^^
^^ П Нижнекамская
Чебоксарская памБеская
^Г^яу^Г^ г пТУ1
■Волжская ^^Саратовская
О
Волгоградская
X
Рис. 2. Расположение Волжско-Камского каскада ГЭС на р. Волга и Кама
В этом случае задача оптимального распределения стока между гидроузлами сводится к компромиссному удовлетворению требований по Qij или или Ру для всех участников ВХК. Полученное распределение воды можно считать компромиссным решением задачи многокритериальной оптимизации. Для решения поставленной задачи разработана методика последовательных уступок при распределении стока по всем гидроузлам каскада в каждый временной период.
Суть данной методики заключается в том, что после импорта в модель данных по гидрографу рек, а также требований участников водохозяйственной деятельности гидроэнергетической системы (требования формируются в виде математического описания условий оптимальности либо ограничений системы), осуществляется качественный анализ относительной важности (приоритета) требований каждого участника (1).
Я (й,] — 0,]) = Щ ^ шах/шт
Я2 (й,] ■■■ <2(,]) = Щ ^ шах/шт
(1)
Яп(й,] — ]) = Щ ^ шах/шт
где Qij - расход воды черех гидроузел у в 1-й интервал времени; Шу - параметр расхода Qj либо уровня воды 2у у гидроузла.
На первом этапе решается задача первого по приоритету требования. Далее назначается величина «допустимой» уступки AW1 для данного требования и модель переходит к решению задачи второго по приоритету требования. При этом первое требование переходит в разряд ограничений с условием, что найденное ранее решение W1 может изменяться в пределах уступки AW1 (2):
R (Ql, j ... Qi, j) = Wj ^ max/min Rl(a,y - Qij) 3 R -AW или R(Q,j ... Qi,j) < R + DWX (2)
AW > 0.
На следующем этапе добавляется ограничение по второму требованию в пределах уступки (3):
R3 (Ql, j... Qi j) = Wj ^ max/min R (Ql, j . Qi, j) >R-AWi или ... Qij) < R + AW Rz(Q,j . Qi, j) > R2 - AW или R2 (Ql, j... Qi, j) < R2 +AW2 AWJ > 0 AW2 > 0
И так далее, пока не будет решена задача по последнему требованию участника водохозяйственной деятельности гидроэнергетической системы:
Rn (Qi ,j.•• Qi,j) = Wj ^max/min R (Ql,j ■■■ Qi,j) > Rl - AWl или R (Qj . Qi,j) < R + A W R2 (Ql, j ■■■ Qi, j) > R2 - A W2 или R2 (Ql, j ... Qi, j) < R2 + A W2
R(Ql,j... Qi,j)3 R - AWÄ или R(Qi,j... Q,j) < R +AWfe k = 1ГП-1 AWi > 0 AW2 > 0 ... AWk > 0 к = l,n -l
(4)
В результате применения указанного подхода удается сгенерировать различные варианты решений при различных сочетаниях условий, а анализ количественных характеристик этих вариантов дает возможность отобрать наиболее представительные.
Полученное итоговое распределение воды и уровней можно считать компромиссным решением задачи многокритериальной оптимизации.
Разработанная методика имеет практическое применение при расчете режимов функционирования ГЭС Волжско-Камского каскада.
Программный комплекс расчета режимов функционирования гидроэнергетической системы
На основании представленной выше методики был разработан программный комплекс «Энергетическая система каскад ГЭС». На рис. 3 представлена структура разработанного программного решения.
Программный комплекс реализован на ASP.NET языке С# с применением технологии MVC. В качестве базы данных используется MSSQL Server, в качестве web сервера IIS (Internet Information Server). Доступ к программному комплексу предоставлен из любого web браузера по адресу http://hydrocascade.com.
Рис. 3. Структура программного комплекса «Энергетическая система каскад ГЭС» На рис. 4 представлена главная страница разработанного программного комплекса.
Каждая ГЭС каскада имеет индивидуальную страницу, на которой отображаются ключевые параметры, связанные с данным гидроузлом. На рис. 5 представлена индивидуальная страница Жигулевской ГЭС. Страница состоит из 6-ти блоков.
Разработанный программный комплекс используется при расчете среднесрочных режимов функционирования гидроузлов Волжско-Камского каскада. Стоит отметить, что в настоящий момент пользователями данного программного решения являются представители собственников ГЭС, министерства и комитеты экологии и природных ресурсов регионов, граничащих с водоемами Волжско-Камского каскада.
После доработки и выпуска нового релиза программного комплекса, который будет включать использование методов машинного обучения для прогноза параметров работы гидроузлов и полезных притоков воды в каждое водохранилище гидроэнергетической системы, предполагается предоставление доступа к ПК всем участникам водохозяйственной деятельности.
Рис. 5. Графический интерфейс индивидуальной страницы Жигулевской ГЭС в ПК «Энергетическая система каскад ГЭС»
Результаты исследования
Разработана методика поиска компромиссных решений по формированию среднесрочных режимов функционирования гидроэнергетической системы в условиях наличия неопределенного количества требований участников водохозяйственного комплекса на примере Волжско-Камского каскада ГЭС.
Методика позволяет обеспечить интересы единой энергетической системы и при этом удовлетворить требования водохозяйственного комплекса и экологии.
На основании разработанной методики реализован программный комплекс «Энергетическая система каскада ГЭС» (http://hydrocascade.com), который на практике подтвердил точность и эффективность расчетной модели. В настоящий момент пользователями программного решения являются несколько участников водохозяйственной деятельности Волжско-Камского каскада, включая представителей энергетики.
К концу 2019 года планируется выпуск нового релиза ПК с применением методов машинного обучения для прогноза параметров работы гидроузлов и полезных притоков воды в каждое водохранилище гидроэнергетической системы. В работах [9-10] представлены методики прогноза притоков воды. Однако, использование методов машинного обучения имеет значительные преимущества перед классическими моделями гидрологического прогноза. В последующих статьях будет представлен сравнительный анализ существующих методик.
Литература
1. Цветков Е.В., Алябышева Т.М., Парфенов Л.Г. Оптимальные режимы гидроэлектростанций в энергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1984. 303 с.
2. Левит-Гуревич Л.К. Рациональное управление водными ресурсами водохранилищ на примере Волжско-Камского каскада // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т.14. №4. С. 2343-2354.
3. Исмайылов Г.Х., Ваганов Г.А. Моделирование режимов работы Камского каскада водохранилищ с использованием модели «IMIT-BALANC» // Природообустройство. 2017. №5. С.26-34.
4. Болгов М.В., Бубер А.Л., Камаровский А.А., и др. Поиск компромиссных решений при планировании и управлении попусками в нижний бьеф Волгоградского гидроузла. 1. Стратегическое планирование // Водные ресурсы. 2018. №5. С. 573-580.
5. Aleksandrovskii A.Y., Sychev D.S. The Effect of Restricting the Rate of Change of Water Level in a Reservoir on the Power Readings of a Hydreoelectric Power Plant // Power Technology and Engineering. 2017. Vol. 51. Iss. 4. pp 425-430.
6. Aleksandrovskii A.Y., Borshch A.S., Shilina E.N. Assessment of the Maximum Water Flow Passed Through the Volga-Kama Cascade of Reservoirs with Allowance for the Nonhorizontality of Their Surface // Power Technology and Engineering. 2017. Vol. 51. Iss. 2. pp. 156-161.
7. Bolgov M.V., Demin A.P. Water-Management and environmental problems of the lower Volga and ways to their solution // Water Resources. 2018. Т. 45. № 2. С. 297-305.
8. Bolgov M.V., Buber A.L., Lotov A.V. Support for making strategic decisions of the water supply of the lower Volga river based in the Pareto frontier visualization // Scientific and Technical Information Processing. 2018. Т. 45. № 5. С. 297-306.
9. Бураков Д.А., Путинцев Л.А. Методы расчета и прогноза ежедневного бокового притока в Богучанское водохранилище // Вестник Красноярского государственного аграрного университета. 2015. №1. C. 54-58.
10. Путинцев Л.А., Бураков Д.А. Краткосрочный прогноз бокового притока воды в водохранилище Богучанской ГЭС // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2016. Т.327. №5. С.65-74.
Вестник КГЭУ, 2019, № 2 (42) Авторы публикации
Мардиханов АйратХанифович - инженер АО «Татэнерго». E-mail: mardihanovah@tatenergo.ru.
References
1. Cvetkov EV, Alyabisheva ТМ, Parfenov LG. Optimal'nye rezhimy gidroelektrostancij v energeticheskih sistemah. Moscow: Energoatomizdat, 1984. 303 p. (In Russ).
2. Levit-Gurevich LK. Rational water resources management of reservoirs on the example of volga-kama cascade. Izvestia of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2012; 14(4):2343-2354. (In Russ).
3. Ismaiylov GKh, Vaganov GA. Simulation of modes of operation of the Kama reservoirs cascade using the model "IMIT-BALANC". Prirodoobustrojstvo. 2017; 5:26-34. (In Russ).
4. Bolgov MV, Buber AL, Komarovskii AA, et al. Searching for compromise solution in the planning and managing of releases into the lower pool of the Volgograd Hypropower System 1. Strategic planning. Water Resources. 2018; 45(5):819-826. (In Russ).
5. Aleksandrovskii AY, Sychev DS. The Effect of Restricting the Rate of Change of Water Level in a Reservoir on the Power Readings of a Hydreoelectric Power Plant. Power Technology and Engineering. 2017; 51(4):425-430. (In Russ).
6. Aleksandrovskii AY, Borshch AS, Shilina EN. Assessment of the Maximum Water Flow Passed Through the Volga-Kama Cascade of Reservoirs with Allowance for the Nonhorizontality of Their Surface. Power Technology and Engineering. 2017; 51(2): 156-161. (In Russ).
7. Bolgov MV, Demin AP. Water-Management and environmental problems of the lower Volga and ways to their solution. Water Resources. 2018; 45(2):297-305. (In Russ).
8. Bolgov MV, Buber AL, Lotov AV. Support for making strategic decisions of the water supply of the lower Volga river based in the Pareto frontier visualization. Scientific and Technical Information Processing. 2018; 45(5):297-306. (In Russ).
9. Burakov DA, Putintsev LA. The calculation and the forecastmethods of the daily side inflow into Boguchan reservoir. The Bulletin of KrasGAU. 2015; 1:54-58. (In Russ).
10. Burakov DA., Putintsev LA, Short-term forecast of lateral inflow in Boguchanskaya hydropower station reservoir. Bulletin of Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering. 2016; 327(5):65-74. (In Russ).
Authors of the publication
Ayrat H. Mardikhanov - JSC Tatenergo, Kazan, Russia. E-mail: mardihanovah@tatenergo.ru.
Поступила в редакцию 19 июня 2019 г.
