Стохастическая оптимизация долгосрочных режимов работы гидроэнергетических систем и комплексов

Актуальность работы. В современных экономических условиях важной задачей является выбор оптимального режима работы гидроэнергетических систем. Заблаговременное определение и планирование выработки электроэнергии гидроэнергетических систем необходимо для повышения экономической эффективности работы, обеспечения надежности работы энергетических систем и более рационального использования водных ресурсов. Все это является основным условием, соблюдение которого дает возможность выполнения предъявляемых современным энергетическим и водохозяйственным комплексом требований.
Для энергетических систем восточных регионов Российской Федерации характерной является ситуация, в которой темпы освоения гидроэнергетического потенциала существенно превзошли темпы развития энергоемкой промышленности. Вследствие чего с целью вынужденного пропуска воды, например, для целей навигации или пропуска паводка, наблюдается высокий уровень выработки электроэнергии Ангаро-Енисейского каскада гидроэлектростанций (ГЭС). Несмотря на возможность водохранилищ многолетнего регулирования аккумулировать сток, возникает проблема передачи электроэнергии в западную часть энергосистемы [73], связанная с недостаточной пропускной способностью линий электропередач системообразующей сети 500кВ, особенно во время проведения ремонтной кампании объектов электросетевого хозяйства.
Учитывая вероятностную природу стока, система заблаговременного определения выработки электроэнергии гидроэнергетических систем, планирования графика ремонтов объектов электросетевого хозяйства и определения показателей баланса электроэнергии и мощности должна учитывать возможность наступления любого притока воды в водохранилища ГЭС и вырабатывать решения на основании показателей комплексной эффективности
6
всех зависящих от режима работы гидроэнергетических систем технологических процессов.
Традиционно на этапах долгосрочного, на периоды в пределах календарного года, планирования балансов энергетических систем применяются подходы и методики, основанные на детерминированном представлении исходных данных и решений. При этом подходе выбирается несколько вариантов исходных данных и определяются оптимальные загрузки электростанций, а также другие режимные показатели. Этому подходу посвящены работы Е.В. Цветкова, Т.М Алябышевой, Т.А. Филипповой, В.М. Горнштейна, M. Pereira и др. [17, 18, 62, 82, 84, 85, 93, 97, 103]. При таком подходе степень учета вероятностной природы стока определяется количеством использованных вариантов исходных данных. Поэтому при определении обоснованных решений, учитывающих вероятностную природу стока, возникает проблема большой размерности задачи.
Из работ, учитывающих вероятностную природу стока, можно отметить работы, основанные на использовании деревьев условий функционирования систем (сценарных деревьев) А. М. Клера, П.Ю. Елсукова, E. С. Finardi, E.L. Da Silva и др. [23, 24, 25, 29, 30, 108]. Сценарные деревья могут порождать оптимизационные задачи весьма большой размерности – с тысячами и десятками тысяч оптимизируемых параметров, поэтому в данных работах в дополнение рассматриваются методы декомпозиции, уменьшающие размерность задач. Решая задачу учета вероятностной природы стока, методы, основанные на использовании сценарных деревьев в сочетании с методами декомпозиции, не решают задачу согласованности технологических ограничений или требований к режимам работы гидроэнергетических систем. Например, в существующей ситуации высокого уровня выработки электроэнергии ГЭС в условиях пропуска воды для целей навигации в период проведения ремонтной кампании объектов электросетевого хозяйства, остается неразрешенным вопрос: какие именно требования необходимо соблюдать и в какой степени, если они несопоставимы друг с другом?

7
В работах А.Х. Мардиханова, В.Н. Шарифуллина [50, 51, 52, 70, 95] разработана и представлена методика, основанная на методе многокритериальной оптимизации, учитывающий наличие несопоставимых ограничений. Методика в соответствии с методом «уступок» определяет компромиссный водно- энергетический режим работы гидроэнергетических систем, при условии не полного выполнения несопоставимых требований. При этом степень выполнения зависит от ранжирования требований по важности, что является необходимым при использовании метода «уступок». Однако эта особенность является недостатком, так как ранжирование требований по важности противоречит нормативным документам [4, 26], в которых указывается только нормативная обеспеченность основных категорий требований. Также стоит отметить, что методика разработана в рамках детерминированной постановки задачи, не учитывающей вероятностную природу стока.
В рамках направления по рационализации использования водных ресурсов водохранилищ и согласованию стратегий водопользования в работах В.И.Данилов-Данильяна, И.Л. Хранович [19] представлена модель учета вероятностной природы стока, основанная на методологии гарантированного водопользования [34] и на построении функций эффективности использования водных ресурсов от вероятности притоков воды. Приток воды в водохранилища в такой модели представлен характеристикой распределения вероятностей. Применяя функции эффективности использования водных ресурсов, возможно определять показатели эффективности без применения моделей большой размерности. Основной недостаток этой методики в сложности описания зависимостей эффективности, основанных на полном знании о получении эффекта в конкретной отрасли от использования водных ресурсов. Поэтому ее целесообразней использовать для целей проектирования, а не управления режимами работы гидроэнергетических систем, так как при управлении режимом работы гидроэнергетических систем необходимо исходить из уже определенных

8
требований водопользователей, на практике описанных в правилах использования водных ресурсов водохранилищ.
На основе анализа работ, посвященных оптимизации режимов работы гидроэнергетических систем, а также энергосистем с большой долей ГЭС и рационализации использования водных ресурсов водохранилищ, отмечая значительные научные результаты, полученные авторами этих работ, следует отметить ряд не до конца решенных задач.
1. В работах по оптимизации режимов энергосистем, включающих ГЭС, рассмотрены только модели с детерминированными исходными данными. Для учета вероятностной природы в исследованиях рассматриваются различные методы прогнозно-ситуационного планирования, диспетчерского управления и сценарных деревьев. Однако такие методы не позволяют обоснованно и точно определить режим гидроэнергетических систем в целях долгосрочного планирования при условии наличия различных требований водопользователей.
2. В работах по рациональному использованию водных ресурсов и согласованию стратегий водопользования рассмотрены стохастические модели, однако исследования ограничены рассмотрением функций эффективности некоторых процессов и в качестве показателя эффективности выбраны экономические показатели. В качестве показателей эффективности для системы управления режимами работы гидроэнергетических систем, экономические показатели не подходят, так как на практике отсутствуют точные связи технологических требований и экономической эффективности процессов.
3. Стохастические модели, описывающие показатели эффективности, целесообразно формировать на основании методологии гарантированного водопользования. Однако методология ограничена рассмотрением только требований поддержания минимальных параметров, в то время как существуют и требования не превышения максимальных параметров (максимальный расход воды или максимальные перетоки мощности в энергосистеме).

9
4. В рассматриваемых работах критерии оптимальности режимов работы гидроэнергетических систем определялись в зависимости от исследуемых авторами задач. В то время как для крупных гидроэнергетических систем критерием оптимальности целесообразнее считать комплексную эффективность всех процессов в составе электроэнергетического и водохозяйственного комплексов.
Таким образом, актуальной научной задачей для управления гидроэнергетическими комплексами является разработка адекватной методики планирования долгосрочных водно-энергетических режимов гидроэнергетических систем, обеспечивающей максимальный эффект от использования электроэнергии в энергетической системе и минимальные риски нарушения требований остальных водопользователей.
Объект исследования. Гидроэнергетическая система, функционирующая в составе энергетической системы (на примере Ангаро-Енисейского каскада ГЭС, функционирующего в объединенной энергосистеме Сибири).
Предмет исследования. Методика планирования долгосрочных водно- энергетических режимов гидроэнергетических систем.
Целью настоящей диссертационной работы является разработка методики планирования долгосрочных водно-энергетических режимов гидроэнергетических систем, обеспечивающей максимальный эффект от использования электроэнергии в энергетической системе и минимальные риски нарушения требований остальных водопользователей, с использованием методов стохастической оптимизации.