Luận án Nghiên cứu đề xuất phương pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thượng lưu lưu vực sông Hồng trong mùa cạn - Nguyễn Xuân Lâm

MỞ ĐẦU.1

1. Tính cấp thiết của đề tài luận án .1

2. Mục đích nghiên cứu .2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .2

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.2

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án.4

5.1. Ý nghĩa khoa học. 4

5.2. Ý nghĩa thực tiễn . 5

6. Những đóng góp mới của luận án.6

7. Cấu trúc Luận án.6

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN TỐI ƯU VẬN HÀNH HỒ CHỨA .7

Giới thiệu chung .7

Các nghiên cứu ở nước ngoài .8

1.2.1. Phương pháp mô phỏng . 8

1.2.2. Phương pháp tối ưu. 9

1.2.3. Bài toán tối ưu hóa hệ thống hồ chứa.10

1.2.3.1 Hàm mục tiêu .10

1.2.3.2 Ràng buộc.12

1.2.3.3 Tối ưu đa mục tiêu .13

1.2.4. Các phương pháp giải tối ưu.14

1.2.4.1 Tối ưu ngẫu nhiên ẩn.15

1.2.4.2 Tối ưu ngẫu nhiên hiện .19

1.2.4.3 Quy hoạch kinh nghiệm (Heuristic) và thuật toán di truyền GA.23

Các nghiên cứu ở trong nước.26

1.3.1. Nghiên cứu về quy hoạch trên vùng Đồng bằng sông Hồng – Thái Bình.26

1.3.2. Nghiên cứu về vận hành liên hồ chứa.27

Kết luận chương 1.32iv

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP VẬN

HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU VỰC

SÔNG HỒNG .34

Đặc điểm lưu vực và hệ thống hồ chứa sông Hồng.34

2.1.1. Điều kiện tự nhiên, khí hậu và thủy văn lưu vực.34

2.1.2. Hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng.38

2.1.3. Những yếu tố tác động đến vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện lưu vực sông

Hồng.47

2.1.3.1 Dòng chảy từ Trung Quốc.48

2.1.3.2 Vai trò phát điện của hệ thống .50

2.1.3.3 Đảm bảo nước cho hạ du.51

2.1.3.4 Ảnh hưởng của triều và mặn.54

2.1.3.5 Mâu thuẫn giữa cấp nước và phát điện .59

2.1.3.6 Tác động của BĐKH.61

2.1.3.7 Quy trình vận hành liên hồ chứa.62

2.1.4. Những định hướng để thiết lập bài toán tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu

vực sông Hồng.64

Phương pháp xây dựng giải pháp tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực

sông Hồng .67

2.2.1. Thiết lập bài toán tối ưu.67

2.2.1.1 Hàm mục tiêu .67

2.2.1.2 Ràng buộc.70

2.2.2. Khung tính toán tối ưu xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ

chứa sông Hồng trong mùa cạn.72

2.2.3. Mô phỏng hệ thống hồ chứa.75

2.2.3.1 Các quan hệ đặc tính hồ chứa .75

2.2.3.2 Quan hệ mực nước và mức xả tối đa, tối thiểu .77

2.2.3.3 Hiệu chỉnh mức xả 𝑟𝑚𝑎𝑥 và 𝑟𝑚𝑖𝑛 theo dòng chảy đến, dung tích

đầu bước và bước thời gian mô phỏng.78v

2.2.3.4 Mô phỏng cân bằng nước hệ thống hồ và quá trình ra quyết định vận

hành .80

2.2.4. Mô hình hạ lưu .81

2.2.5. Hàm chinh sách vận hành hệ thống hồ chứa thời gian thực.84

2.2.6. Thuật toán BORG-MOEA.85

2.2.6.1 Tập trội dạng hộp epsilon (𝜖).85

2.2.6.2 Tiến bộ epsilon 𝜖.86

2.2.6.3 Khởi động lại.86

2.2.6.4 Kết hợp đa toán tử tự động thích ứng .87

Số liệu đầu vào.89

Kết luận chương 2.93

CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI PHÁP

VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA TRONG MÙA CẠN TRÊN LƯU

VỰC SÔNG HỒNG.95

Mô hình hệ thống hồ chứa .95

Mô hình hạ lưu.105

3.2.1. Xây dựng mô hình Mike 11 cho vùng Đồng bằng sông Hồng.105

3.2.2. Mô hình thay thế.114

Kích thước bài toán, máy tính, và ngôn ngữ lập trình .116

Giao diện cho vận hành thời gian thực .117

Phân tích và đánh giá kết quả tính toán các hàm vận hành tối ưu.118

Kết luận chương 3.136

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.138

1. Kết luận.138

2. Kiến nghị.140

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ.142

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO.142

PHỤ LỤC.154

Phụ lục 1. Mã nguồn chính của hệ thống trên C/C++ .155vi

Phụ lục 2. Đặc trưng mưa và dòng chảy của các trạm chính trên hệ thống sông

Hồng.160

Phụ lục 3. Tổng hợp tủy chọn mô phỏng các hệ thống lấy nước trên sông Hồng

.164

Phụ lục 4. Quan hệ giữa mực nước thượng lưu hồ và tổng khả năng xả max và

min rmin, rmax của các hồ chứa.169

Phụ lục 5. Tổng hợp 350 nghiệm Pareto - tham số hàm vận hành .174

pdf191 trang | Chia sẻ: trungkhoi17 | Lượt xem: 474 | Lượt tải: 2download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu đề xuất phương pháp vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa thượng lưu lưu vực sông Hồng trong mùa cạn - Nguyễn Xuân Lâm, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Độ mặn tại cống Chúa hệ thống Xuân Thủy Hình 2-18 Tác động của vận hành hồ đền độ mặn ở một số cống hạ lưu vùng ĐBSH xả nước Đông Xuân 2015 59 2.1.3.5 Mâu thuẫn giữa cấp nước và phát điện Trong điều kiện mà thủy điện vẫn đang là nguồn cấp điện quan trọng cho hệ thống điện như hiện nay thì phụ tải điện ngày đêm và tỷ lệ tiêu thụ điện hàng năm sẽ quyết định kế hoạch huy động công suất của các trạm thủy điện. Vận hành theo chế độ như vậy sẽ đi đến một số các hệ quả sau: (1) Trong 1 ngày đêm, huy động công suất tại các trạm thủy điện phụ thuộc vào phụ tải ngày đêm, trong khi các nhà máy thủy điện này có tỷ trọng lớn trong hệ thống điện quốc gia thì việc các trạm thủy điện phụ trách đỉnh của phụ tải là tất nhiên. Vấn đề là các nhà máy đều chạy chế độ phủ đỉnh, từ 0 giờ đến 5 giờ hàng ngày thường hạn chế hoặc không xả nước. Các nhà máy ngừng xả vào ban đêm, thậm chí, có thời gian nhiều ngày không phát điện, gặp tổ hợp triều thấp gây ra mực nước hạ du hạ thấp đột ngột. Biểu đồ phụ tải ngày đêm không thứ nguyên của các năm từ 2006-2009 cho thấy có 2 đỉnh vào 10-11h và 18-19h. Thời gian từ 0h đến 5h hàng ngày có mức tiêu thụ điện nhỏ nhất. Nguồn: Viện năng lượng (2016)[101] Hình 2-19. Biểu đồ phụ tải ngày làm việc điển hình theo tỉ lệ tương đối (2) Biểu đồ tiêu thụ điện hàng năm cho thấy tháng có mức tiêu thụ điện thấp nhất là khoảng tháng 1 đến tháng 2. Từ tháng 5 đến tháng 7 lại là thời kỳ tiêu thụ điện nhiều nhất. Với đặc điểm như vậy, các thủy điện lớn trên hệ thống sông Hồng- Thái Bình là Hòa Bình và Sơn La phải giảm mức huy động công suất trong tháng 1 60 và 2 để có thể huy động công suất cao hơn vào các tháng cuối mùa cạn (tháng 4 và 5) (Hình 2-20). (3) Tháng 1-2 và là tháng có nhu cầu sử dụng điện thấp nhất trong năm, nhưng chính thời kỳ này hạ du sông Hồng cần cấp nước ở mức cao nhất. Do vậy, mâu thuẫn giữa cấp nước và yêu cầu xả nước phát điện thời kỳ này là rất rõ ràng. Sau tháng 2, nhu cầu điện tăng dần, vì vậy yêu cầu huy động công suất của các hồ thủy điện tăng lên, dẫn đến lưu lượng xả xuống hạ du nhiều hơn, yêu cầu cấp nước hạ du lại giảm nên mâu thuẫn giữa yêu cầu phát điện và cấp nước tự thân được giải quyết. Biểu đồ tiêu thụ điện (%) trong năm tính theo các tháng trong năm từ năm 2006 đến năm 2009, đây cũng đặc trưng thể hiện đặc trưng phụ tải điện của năm. Nguồn: Viện năng lượng (2016) [101] Hình 2-20. Biểu đồ tỷ lệ tiêu thụ điện theo các tháng trong năm Điển hỉnh của sự mâu thuẫn này là khi hạn hán lớn xảy vào năm 2010, sau khi xả Đông Xuân 2 đợt các hồ đã phải ngắt toàn bộ dòng chảy, gây ra mực nước Hà Nội xuống thấp đến mức kỷ lục trong vòng 100 năm (Hình 2-21). 61 Hình 2-21. Quá trình lưu lượng xả từ các hồ và mực nước tại Sơn Tây và Hà Nội từ tháng 1 đến tháng 3 năm 2010 2.1.3.6 Tác động của BĐKH Theo kịch bản biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho Việt Nam do Bộ Tài Nguyên và Môi trường giới thiệu năm 2012 đối với khu vực đồng bằng Bắc Bộ. Vào cuối thế kỷ 21, nhiệt độ trung bình năm có thể tăng lên 2,40C (kịch bản B2). Lượng mưa năm có thể tăng khoảng 7-8%, tuy nhiên, lượng mưa thời kỳ từ tháng 3 đến tháng 5 sẽ giảm khoảng 4-7% so với thời kỳ 1980-1999. Lượng mưa các tháng cao điểm mùa mưa sẽ tăng từ 10-15%. Trong khi đó, cũng theo kịch bản B2 mực nước biển dâng cũng có khả năng tăng đến 75 cm. BĐKH hiển nhiên sẽ làm cho mực nước biển dâng kéo theo hệ quả có lợi là làm đẩy cao mực nước sông thượng du nhưng bất lợi rõ ràng là sẽ làm cho xâm nhập mặn gia tăng. Một số tính toán đã chỉ ra với mức gia tăng lớn như vậy nhiều khả năng xâm nhập mặn 4%o sẽ xâm nhập sâu từ 25-40 km, bao vây hoàn toàn các hệ thống lấy nước vùng ven biển như Hải Phòng, Nam Định, Thái Bình và Ninh Bình [100, 101]. Ngoài ra, một yếu tố rất quan trọng là biểu hiện về thời tiết cực đoan như hạn hán, lũ lụt đang có xu thể gia tăng khi nhiệt độ trung bình tăng lên, tuy nhiên, các nghiên cứu đến nay là rất hạn chế về vấn đề này. 62 2.1.3.7 Quy trình vận hành liên hồ chứa Tháng 9 năm 2015, Chính phủ đã ban hành quy trình vận hành liên hồ chứa sông Hồng theo Quyết định 1622/QĐ-Ttg ngày 17 tháng 9 năm 2015, quy định vận hành cho 7 hồ là Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, Bản Chát, Lai Châu và Huội Quảng. Đây có thể coi là một dấu mốc quan trọng khi lần đầu tiên đã có một quy trình cho cả mùa lũ và mùa cạn vào bao gồm tất cả các hồ chứa lớn tính cho đến thời điểm hiện tại. Quy trình vận hành liên hồ chứa lưu vực sông Hồng ban hành kèm theo quyết định 1622/QĐ-Ttg ngày 17 tháng 9 năm 2015 ban hành những quy định vận hành cho mùa cạn với những quy định như sau: - Từ ngày 16 tháng 9 đến ngày 14 tháng 6 năm sau, các hồ Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang, Bản Chát, Lai Châu và Huội Quảng trên lưu vực sông Hồng phải vận hành theo nguyên tắc thứ tự ưu tiên như sau: 1. Đảm bảo an toàn công trình; 2. Đảm bảo nhu cầu sử dụng nước tối thiểu ở hạ du; 3. Đảm bảo tối ưu hiệu quả phát điện. - Việc vận hành các công trình xả của các hồ chứa phải thực hiện theo đúng quy trình vận hành công trình xả đã được ban hành, nhằm đảm bảo ổn định cho hệ thống công trình đầu mối. - Nguyên tắc vận hành trong mùa cạn 1. Các hồ Hòa Bình, Thác Bà, Tuyên Quang phối hợp vận hành nhằm đảm bảo duy trì mực nước tại trạm thủy văn Hà Nội trên sông Hồng không thấp hơn 2,2 m trong các đợt xả nước gia tăng. 2. Các hồ Sơn La, Lai Châu, Bản Chát và Huội Quảng phối hợp vận hành xả nước bổ sung cho hồ hồ Hòa Bình. 3. Trong thời gian vận hành các hồ chứa, căn cứ vào mực nước hồ hiện tại và dự báo dòng chảy đến hồ trung bình 10 ngày tới để điều chỉnh vận hành sao cho mực nước hồ không nhỏ hơn giá trị tại các thời điểm quy định trong Phụ lục IV của Quy trình này. 63 Các thời kỳ vận hành hồ chứa trong mùa cạn được quy định khá cụ thể cho từng thời kỳ và từng hồ chứa như tổng hợp trong Bảng 2-7. Bảng 2-7. Tổng hợp các điều khoản quy định vận hành theo quy trình vận hành 1622/QĐ-Ttg ngày 17 tháng 9 năm 2015 Mùa cạn Thời kỳ Hồ Hòa Bình Hồ Thác Bà Hồ Tuyên Quang Hồ Sơn La 3 hồ Bản Chắt, Lai Châu và Huội Quảng 1 6 /0 9  1 4 /0 6 Thời gian xả nước gia tăng Tối đa 3 đợt, tổng số ngày xả không quá 21 ngày. Kế hoạch cụ thể Bộ NN quyết định Vận hành đảm bảo mực nước Hà Nội ≥ 2,2 m trong ngày lấy nước Q xả trung bình ngày ≥ 280 m3/s Q xả trung bình ngày ≥ 500 m3/s Vận hành bổ sung nước cho Hòa Bình trường hợp MN Hòa Bình nhỏ hơn Phụ lục III. Còn lại chủ động vận hành Phối hợp vận hành bổ sung nước cho Sơn la; Huội Quảng xả liên tục Q≥ 5 m3/s Vận hành đảm bảo MN hồ không nhỏ hơn Phụ lục III. Trường hợp không thể đảm bảo, 3 bộ Tài nguyên, Công thương và Nông nghiệp họp để quyết định giảm Thời kỳ sử dụng nước bình thường 16/09- 30/9 Xả liên tục ≥ 214 m3/s Chủ động vận hành Chủ động vận hành Vận hành bổ sung nước cho Hòa Bình trường hợp MN Hòa Bình nhỏ hơn Phụ lục III. Còn lại chủ động vận hành Phối hợp vận hành bổ sung nước cho Sơn la; Huội Quảng xả liên tục Q≥ 5 m3/s 01/06 – 14/06 Xả liên tục ≥ 214 m3/s Chủ động vận hành Chủ động vận hành 01/10 – 31/5 trừ xả gia tăng - Xả liên tục ≥ 214 m3/s - Nếu HHà Nội tb ngày trước <=1,2 m, thì vận hành tb ngày tối thiểu: + 300 m3/s cho tháng 10 + 300 m3/s cho tháng 11 + 700 m3/s cho tháng 12 và 01 + 800 m3/s cho tháng 02 và 04 + 600 m3/s cho tháng 3 và 5. - Nếu HHà Nội tb ngày trước > 1,4 m, thì chủ động vận hành giảm lưu lượng xả. Vận hành từ 7 giờ sáng, ≥ 61 m3/s; thời gian trong ngày ≥ 12 giờ Trường hợp MN tại thủy văn Tuyên Quang ≤ 15,85 m ngày hôm trước, vận hành từ 7 giờ sáng, ≥ 94 m3/s; thời gian trong ngày ≥ 12 giờ Vận hành đảm bảo MN hồ không nhỏ hơn Phụ lục III. Trường hợp không thể đảm bảo, 3 bộ Tài nguyên, Công thương và Nông nghiệp họp để quyết định giảm 64 2.1.4. Những định hướng để thiết lập bài toán tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng Với những phân tích ở các nội dung trên, có thể tóm lại các đặc điểm cơ bản của vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng trong mùa cạn để làm định hướng cho thiết lập bài toán tối ưu như sau: i. Quy trình vận hành với bản chất là các ràng buộc tĩnh sẽ là không đủ để tối đa hóa hiệu quả vận hành. Các hồ chứa thượng lưu Trung Quốc hoạt động rất mạnh theo cả chế độ ngày và yêu cầu cấp nước Đông Xuân đang là rất lớn cho từng ngày. Như vậy, các giải pháp vận hành thời gian thực với bước hỗ trợ vận hành tối thiểu ở bước ngày trong mùa cạn là cần thiết và quá trình nghiên cứu cần được thực hiện trên một chuỗi số liệu mô phỏng đủ dài (50 năm). ii. Trong hệ thống sông Hồng, đang tồn tại mâu thuẫn lớn giữa phát điện, nông nghiệp, giao thông thủy và môi trường, tuy nhiên, không dễ dàng để quy đổi giá trị của điện lượng với an ninh lương thực, bảo vệ môi trường và nhu cầu giao thông thủy. Như vậy, cách tiếp cận giải bài toán tối ưu đa mục tiêu trong đó cùng lúc tối đa hóa tất cả các mục tiêu mà không quy về đơn mục tiêu là phù hợp cho LVSH. Như vậy, giải pháp vận hành của hệ thống không phải là một mà là nhiều giải pháp Pareto và dành quyền quyết định cho các cấp thẩm quyền/hội đồng hệ thống lựa chọn. Ví dụ khi hạn hán lớn xảy ra thì ưu tiên an ninh năng lượng toàn quốc có thể đặt lên trên toàn bộ các ưu tiên cấp nước khác của riêng lưu vực sông Hồng. iii. Với các diễn biến bất lợi vể địa hình gần đây thì rõ ràng bài toán cấp nước trên sông Hồng là bài toán về mực nước. Các yêu cầu cho nông nghiệp, sinh hoạt, giao thông thủy, môi trường, đẩy mặn, du lịch trên dòng chính có thể quy chung về mực nước nhưng theo mức độ và thời gian khác nhau. Cấp nước Đông Xuân để đảm bảo an ninh lương thực vẫn là ưu tiên số một, 65 vấn đề còn lại sẽ là sự trao đổi giữa nhóm năng lượng và mực nước cho các nghành. iv. Quy trình vận hành 1622/QĐ-Ttg đã đưa ra các cơ sở quan trọng về dòng chảy tối thiểu và các quy định vận hành cho mùa lũ, nhưng không hoàn toàn bắt buộc đi theo các điều khoản về diễn biến dung tích các hồ trong mùa cạn, vì sẽ làm giảm cơ hội tối ưu hiệu quả vận hành. Tuy nhiên, các điều khoản cho vận hành mùa lũ sẽ cần thiết để xây dựng hàm vận hành trong mùa lũ và tạo điều kiện ban đầu cho mùa cạn tiếp theo trong mô phỏng. v. Về điểm kiểm soát: Qua thực tế nhiều năm vận hành cấp nước mùa cạn, điểm kiểm soát bảo đảm cấp nước trong mùa cạn của trên hệ thống sông Hồng được các cơ quan như Bộ Nông nghiệp, EVN, Bộ Giao thông vận tải thống nhất căn cứ vào mực nước trạm Hà Nội. Ngoài ra, quan hệ mực nước giữa trạm Hà Nội với mực nước thượng lưu cống lớn lấy nước tự chảy như Phù Sa, Liên Mạc, Xuân Quan, Long Tửu khá chặt chẽ (Hình 2-22) cho nên chỉ cần kiểm soát mực nước tại trạm Hà Nội là có thể bảo đảm mực nước yêu cầu của các hệ thống thủy lợi lớn. vi. Với một hệ thống hồ chứa thủy điện lớn và một hạ du phức tạp chịu nhiều tác động và ràng buộc, sẽ là một thách thức không nhỏ trong mô phỏng và tối ưu hóa vận hành. Như đã phân tích ở trên, để làm đơn giản hóa bài toán, chọn 6 hồ chứa lớn đưa vào nghiên cứu là Bản Chát, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang. Ngoài ra, thuật toán BORG-MOEA thuộc lớp GA sẽ được sử dụng để tách rời mô phỏng và tối ưu nhằm tạo điều kiện cho mô phỏng hệ thống gần với thực tiễn nhất. Như vậy, ta có thể sơ đồ hóa hệ thống từ thượng lưu ra đến biển như Hình 2-23. Từ sơ đồ này có thể chia hệ thống mô hình ra làm 2 phần: (i) Mô hình hệ thống hồ chứa sẽ giải quyết phần mô phỏng phạm vi từ thượng lưu đến hạ lưu hồ; (ii) Mô hình hạ lưu sẽ giải quyết từ sau hồ và các biên tự nhiên ra đến biển. Ngoài ra, do hạn chế về 66 số liệu và thời gian cũng như trong khuôn khổ một đề tài luận án, để đơn giản hóa bài toán, một số giả thiết nghiên cứu ở mức độ “vừa phải” sẽ được sử dụng là: i. Bỏ qua vấn đề chảy trễ trong mô hình mô phỏng phần thượng du và hệ thống hồ chứa. Khu vực miền múi phía Bắc có địa hình khá dốc nên tốc độ dòng chảy lớn, ảnh hưởng của chảy trễ dự kiến sẽ là nhỏ. ii. Bỏ qua ảnh hưởng của mực nước Hòa Bình đến nước chân sau hồ Sơn La. Khi mực nước Hòa Bình vượt MNDBT (117 m) sẽ dự kiến ảnh hưởng đến mực nước hạ du Sơn La, qua đó, ảnh hưởng đến cột nước phát điện. Tuy nhiên, trong giai đoạn vận hành mùa cạn thì hiếm khi mực nước Hòa Bình vượt MNDBT, vì vậy, ảnh hưởng này là nhỏ. Mặc dù vậy trong trường hợp có đầy đủ số liệu địa hình từ Sơn La về Hòa Bình thì ảnh hưởng này hoàn toàn có thể đưa được vào trong mô hình. iii. Ngoài ra, một số giả thiết khác như các biên tự nhiên gia nhập sẽ được gom lại (Hình 2-23), hiệu suất phát điện tổng hợp được coi như là hằng số (Mục 2.2.1.1) để làm cho tính toán được giản đơn hơn. Tuy nhiên, nếu có đầy đủ số liệu thì cũng sẽ dễ dàng được cập nhật vào mô hình. Chú thích: Xem vị trí các cống lấy nước ở Hình 2-23 Hình 2-22. Quan hệ mực nước trạm Hà Nội với mực nước tại một số cống lấy nước, mùa cạn năm 2011 67 Hình 2-23. Sơ đồ thủy điện và các trạm thủy văn trên lưu vực sông Hồng Phương pháp xây dựng giải pháp tối ưu vận hành hệ thống hồ chứa lưu vực sông Hồng 2.2.1. Thiết lập bài toán tối ưu Với những định hướng như ở trên, hàm mục tiêu, ràng buộc và những điều kiện cơ bản cho bài toán có thể được thiết lập như sau: 2.2.1.1 Hàm mục tiêu a. Tối đa hóa lợi ích phát điện tương đối của hệ thống hồ chứa trong mùa cạn. Cần phải thừa nhận rằng lợi ích phát điện mới là yếu tố tạo ra sự mâu thuẫn chính trong vận hành trên hệ thống chứ không phải là điện lượng. Giai đoạn hệ thống cần huy động nhiều là các tháng cuối mùa cạn đầu mùa lũ V, VI, VII trong khi giai đoạn nhu cầu điện ít sẽ là các tháng XII, I, II và III (Hình 2-20). Như vậy, phải phát điện ở các tháng có nhu cầu điện ít do còn phải đảm bảo nhu cầu nước 68 nông nghiệp (toàn bộ nước được qua turbin để tận dụng cho điện) sẽ đem đến lợi ích điện nhỏ, trong khi dành nước để phát cho các giai đoạn nắng nóng sẽ mang lại giá trị lớn (cả hiệu suất phát và giá thành). Hàm lợi ích phát điện tương đối của hệ thống hồ chứa trong mùa cạn có thể thiết lập như sau: FBđiện ⁡= ⁡max⁡ ∑ 𝛼𝑡 𝑇 𝑡=1 . ∑ [K. e𝑡 𝑖 . ρ. rt𝑡 𝑖 . gni=1 . (�̅�𝑡 𝑖 − ℎ𝑡 𝑖)] (kWh) (2-1) Trong đó: - n: là số lượng hồ chứa, và n = 6 hồ như đã chỉ ra trong Mục 2.1.4. - T là trục thời gian tính toán 50 năm, với bước thời gian là ngày. Hàm mục tiêu này sẽ được tính cho mùa cạn, ở đây chọn thời gian mùa cạn là 16/9 ÷ 14/6 năm sau là 272 ngày (để cho đơn giản không tính ngày 29/2 của các năm nhuận). Mặc dù mô hình chỉ tính hàm mục tiêu trong mùa cạn, nhưng do điều kiện ban đầu cần có, mô hình được tính qua mùa lũ theo quy trình 1622/QĐ-Ttg. Như vậy, tổng số bước tính cho toàn trục mô phỏng sẽ là 365 x 50 là 18250 bước. - αt: là hệ số lợi ích phát điện tại bước thời gian t. Nó là tỷ số mức độ tiêu thụ điện so với giai đoạn tiêu thụ thấp nhất trong mùa cạn, điều này nghĩa là αt ≥ 1 (Hình 2-24). Ở đây, do không có điều kiện thu thập về số liệu giá bán điện của các nhà máy lên hệ thống, để có được giá điện ở các thời kỳ khác nhau, thì tạm lấy giá bán điện bằng hệ số này nhân với giá bán trên một KWh vào thời kỳ thấp điểm nhất là 1000 đồng/KWh. - ei: là hiệu suất tổng hợp của cả turbine và máy phát tại hồ chứa thứ i và hệ số này thực tế là một hàm của mực nước và lưu lượng. Có thể tính toán hệ số này về mặt lý thuyết bằng biểu đồ quan hệ đặc định của turbin và máy phát hay có thể tính toán chính xác hơn dựa trên số liệu vận hành thực tế của nhà máy. Tuy nhiên, do không có điều kiện thu thập số liệu và cũng sẽ không làm ảnh hưởng nhiều đến kết quả tính toán, để cho đơn giản ta lấy các hệ số này là hằng số 0,87 (turbine) và 0,93 (máy phát) phổ thông như trong giai đoạn nghiên cứu khả thi. - ρ: là khối lượng riêng của nước, 1000 kg/m3; - rt𝑡 𝑖 : là lượng xả ngày qua turbine của hồ chứa thứ i trong bước thời gian t; - g: là gia tốc trọng trường, 9,81 m/s2; 69 - 𝐻𝑡 𝑖: là mực nước bình quân thượng lưu trong bước tính toán, là hàm của mức dung tích đầu và cuối; - ℎ𝑡 𝑖 : là mực nước bình quân hạ lưu trong bước tính toán, là hàm của lưu lượng xả qua đập dung tích đầu và cuối; - K: hệ số quy đổi đơn vị, ở đây chuyển đổi ra đơn vị là Kwh cho bước tính toán ngày là 24 giờ, như vậy K = 0.024. (Chú thích: trục hoành là thứ tự ngày trong mùa cạn; trục tung là tỷ lệ tiêu thụ điện so với thời kỳ thấp nhất là 1, đã tính đến cả chênh lệch trong ngày) Hình 2-24. Hệ số lợi ích phát điện trong mùa cạn tính từ 16-9 đến 14-6 hàng năm. b. Tối đa hóa trung bình các mực nước nhỏ hơn 1,2 m tại Hà Nội trong thời kỳ thông thường của mùa cạn Với định hướng ở trên, đảm bảo an ninh lương thực vẫn sẽ là ưu tiên hàng đầu của hệ thống. Duy trì mực nước vụ Đông Xuân 2,2 m cho các ngày cấp nước gia tăng đã được kiểm tra trên toàn bộ chuỗi số liệu 50 năm và kết quả là hệ thống có thể đảm bảo mục tiêu này, như vậy có thể chuyển mục tiêu này thành ràng buộc và chỉ giữ yêu cầu mực nước ở các thời kỳ cấp nước thông thường là hàm mục tiêu. Với lựa chọn như vậy, nếu phải đảm bảo lưu lượng hạ du không được nhỏ hơn lưu lượng tự nhiên ứng với tần suất 90% là Q nền của nước ngầm, thì mực nước Hà Nội hiện nay chỉ là 0,6 ÷ 0,7 m. Tuy nhiên, để đảm bảo các yêu cầu khác là giao thông thủy và tưới dưỡng trong nông nghiệp, và do đáy địa hình ngày càng bị hạ thấp thì mực nước đã được nâng lên là 1,2 m (Quy trình 1622/QĐ-Ttg). Tuy nhiên, 70 thực tế là việc duy trì liên tục mực nước này là rất khó khăn (thông thường các nhà máy này huy động tốt với Hà Nội ở mức dòng chảy nền là 0,6 ÷ 0,7m) [99]. Kiểm tra tối ưu vận hành với mô hình cho toàn chuỗi số liệu 50 năm cũng cho thấy, với ràng buộc mực nước trên 1,2 m là bài toán không có nghiệm. Điều này có nghĩa là sẽ vẫn có những ngày trong 50 năm tồn tại mực nước Hà Nội dưới 1,2 m, vì vậy, không thể đặt điều kiện này thành ràng buộc mà có thể chuyển nó thành hàm mục tiêu. Và để toàn diện hơn, chuyển yêu cầu này thành tối đa hóa trung bình các mực nước Hà Nội nhỏ hơn 1,2 m, sẽ đảm bảo được cả số lần vi phạm và mức độ vi phạm, công thức cho hàm này đề xuất như dưới đây: Ftb(hHN<1,2m) = max( 1 𝑇 ∑ (ℎ𝐻𝑁𝑡 ∗ 100))⁡𝑖𝑓⁡ℎ𝐻𝑁𝑡 < 120⁡(𝑐𝑚)⁡ 𝑇 𝑖=1 (2-2) Trong đó: - ℎ𝑡 𝐻𝑁: Là mực nước tại Hà Nội cuối bước t, với ℎ𝑡 𝐻𝑁= f (𝑟𝑡 𝑖 , 𝑞𝑡 𝑘, τ𝑡 , ℎ𝑡−1 𝐻𝑁 , ) và đơn vị là (m). + 𝑟𝑡 𝑖 : Là lượng xả từ 3 hồ chứa Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang tại bước thời gian t. + 𝑞𝑡 𝑘: là lưu lượng tự nhiên, khu giữa gia nhập đoạn sau hồ đến điểm kiểm soát; + T: Thời gian mùa cạn + τt : Là mực nước triều trung bình tại bước thời gian t tại Ba Lạt. 2.2.1.2 Ràng buộc Ràng buộc là một thành phần bắt buộc trong bài toán tối ưu. Việc đưa vào các ràng buộc đảm bảo hệ thống hoạt động đúng theo các đặc điểm vật lý và chính sách của hệ thống trong thực tiễn. Có thể nói, ràng buộc quyết định gần như phương pháp giải bài toán tối ưu, do đó việc xử lý các ràng buộc là hết sức hệ trọng. Ở đây, nghiên cứu này áp dụng sử dụng cách lồng ghép hầu hết các ràng buộc vào bên trong mô hình theo phương pháp max và min, chỉ để lại một số các ràng buộc mang tính chính sách bên ngoài. Do đó, việc xử lý các ràng buộc sẽ được trình bày trong 71 nội dung xây dựng mô hình hồ chứa Mục 2.2.3. Ở đây, xin đưa ra các ràng buộc mang tính tổng quát cho hệ thống như sau: a. Phương trình cân bằng hệ thống hồ. 𝑠𝑡+1 𝑖 =⁡𝑠𝑡 𝑖 + ⁡C. 𝑟𝑡 𝑖 ⁡+ ⁡ 𝐼𝑡 𝑖 +⁡𝐸𝑡 𝑖 ⁡, với t = 1,,T; i = 1,,6. (2-3) Trong đó: - 𝑠𝑡 𝑖 , 𝑠𝑡+1 𝑖 : Là các dung tích hồ chứa chứa thứ i tại đầu bước thời gian t và t +1; - 𝐼𝑡 𝑖: là dòng chảy đế hồ chứa thứ i trong bước thời gian t; - C : là ma trận kết nối hệ thống hồ, theo thứ tự i = 1÷ 6 là các hồ Bản Chát, Lai Châu, Sơn La, Hòa Bình, Thác Bà và Tuyên Quang.                            100000 010000 001100 000111 000010 000001 C (2-4) - 𝑟𝑡 𝑖: là lượng xả của hồ chứa trong bước thời gian; - 𝐸𝑡 𝑖 : là tổn thất bốc hơi của hồ chứa trong bước thời gian, nó có thể lả. b. Ràng buộc về dung tích trữ, lượng xả qua công trình tràn, cống, turbine. Các biên trên và biên dưới của dung tích đảm bảo các giới hạn của dung tích chết và dung tích tối đa. Ngoài phải, cần được xem xét cho du lịch, kiểm soát lũ, thủy sản s𝑡,𝑚𝑖𝑛 𝑖 ≤⁡ s𝑡 𝑖 ≤ s𝑡,𝑚𝑎𝑥 𝑖 với t =1,T (2-5) Các mức xả tối thiểu và tối đa của hồ chứa và đảm bảo nằm trong năng lực vật lý của công trình xả. Ngoài ra, cần được xem xét cho dòng chảy tối thiểu, môi trường sau hồ Các yêu cầu này được thiết lập bám sát Quy trình 1622/QĐ-Ttg: 𝑟𝑡,𝑖 𝑚𝑖𝑛 ≤⁡𝑟𝑖,𝑡 ≤ 𝑟𝑡,𝑖 𝑚𝑎𝑥 (2-6) Các giá trị min và max này sẽ được chuyển thành các hàm toán học được tính toán trước tạo ma trận số liệu lồng vào trong hệ thống mô hình nhằm phục vụ quá trình nội suy lấy kết quả để giảm thiểu tối đa công tính toán trong quá trình tối ưu. 72 c. Đảm bảo mực nước 2,2 m cho nhu cầu nước nông nghiệp vụ Đông Xuân Như đã chỉ ra ở Mục 2.1.3.3, để đảm bảo yêu cầu cấp nước Đông Xuân ⁡ℎ𝑡 𝐻𝑁 ≥ 2.2 (m) trong các ngày cấp nước gia tăng, các ràng buộc có thể được định nghĩa như dưới đây: 𝐶𝑜𝑛1ℎ𝐻𝑁2.2𝑚 ⁡= ∑ {𝐾𝑐3(2.2 − ℎ𝑡 𝐻𝑁) t⁡⁡TĐX ⁡𝑖𝑓⁡ℎ𝑡 𝐻𝑁 < 2.2} (2-7) với Kc3 = 100 chuyển đơn vị m sang cm. d. Giới hạn của dung tích hồ chứa cuối mùa cạn đảm bảo chống lũ theo quy trình 1622/QĐ-Ttg Theo quy trình, tại cuối mùa cạn các hồ bắt buộc phải hạ dung tích xuống dung tích đón lũ sTck i ≤ STck i . Có thể định nghĩa ràng buộc này như sau: 𝐶𝑜𝑛2𝑠𝑇𝑘 =⁡∑ {(sTck i𝑛 𝑖=1 − STck i ) if sTck i > STck i } (2-8) với Tck , sTck i , STck i , lần lượt là bước thời gian, dung tích hồ chứa thứ i, dung tích yêu cầu theo quy trình vào cuối mùa cạn và n = 6 là số lượng hồ chứa. Như vậy, ta có các nhóm rằng buộc từ 1 đến 2 được lồng ghép trước vào mô hình, quá trình ra quyết định luôn thỏa mãn các ràng buộc này. Với bài toán tối ưu đa mục tiêu có ràng buộc, các ràng buộc 3 và 4 được tính toán khi kết thúc chuỗi vận hành, quá trình tìm nghiệm tối ưu sẽ bắt đầu đi tìm các nghiệm khả thi (thỏa mãn các ràng buộc này) trước. 2.2.2. Khung tính toán tối ưu xây dựng hàm vận hành thời gian thực cho hệ thống hồ chứa sông Hồng trong mùa cạn. Quay lại với mục tiêu của nghiên cứu, quá trình tính toán tối ưu sẽ nhằm mục đích tìm ra hàm vận hành cho hệ thống trên cở sở thiết lập bài toán tối ưu và mô hình mô phỏng như ở trên. Như phần tổng quan đã chỉ ra, để giải một hệ thống các phương trình phi tuyến phức tạp của hệ thống hồ chứa, tối ưu ngẫu nhiên hiện (ESO) đã được phát triển. Đây là một cách tiếp cận mà tích hợp trực tiếp các hàm dòng chảy đến ngẫu nhiên vào bài toán tối ưu. Khác với ESO, tối ưu ngẫu nhiên ẩn (ISO) sử dụng những kịch bản dòng chảy đến tất định dài bao gồm cả quá khứ hay 73 nhân tạo. Trong cách tiếp cận này, bản chất ngẫu nhiên được hiểu là đã ẩn vào trong chuỗi kịch bản này. Mặc dù những phương pháp/kỹ thuật đi cùng với các cách tiếp cận này rất hay và mang tính ứng dụng cao, chúng vẫn gặp rất nhiều những khó khăn về mặt tính toán khi giải quyết những bài toán hệ thống hồ lớn và mang tính phi tuyến cao. Theo một hướng tối ưu hóa khác, tối ưu mô phỏng tham số hóa (PSO) thì định nghĩa trước một dạng hàm chính sách vận hành/luật vận hành (sau đây xin gọi là chính sách vận hành), sau đó sử dụng các quy trình tối ưu phi tuyến để tìm ra bộ tham số với hiệu quả thể hiện tốt nhất theo một chuỗi kịch bản. Với cách tiếp cận này, hầu hết các sự kiện ngẫu nhiên của bài toán như dòng chảy đến, các tham số phân bổ theo không gian và thời gian đã được ngầm đưa vào mô hình. Vì thế, nó làm giảm bớt trở ngại về không gian nghiệm lớn so với ISO và ESO (Chang và nnk, 2005; Chen, 2003; Momtahen & Dariane, 2007). PSO cơ bản khác với ESO ở chỗ, vì nó đã định nghĩa trước hàm chính sách vận hành vì vậy nó không phải trải qua quá trình tính toán hồi quy để tìm hàm chích sách, do đó, nó còn được gọi là cách tiếp cận tìm trực tiếp chính sách vận hành. Trên cơ sở ứng dụng cách tiếp cận PSO, nghiên cứu đề xuất một khung/quy trình tính toán tối ưu để tìm hàm chính sách vận hành. Ở đây, hàm chính sách vận hành sẽ được định nghĩa về dạng trước và quá trình tìm kiếm hàm bản chất là quá trình đi tìm bộ tham số của hàm. Khung tính toán bao gồm các yếu tố cấu thành như sau: i. Thuật toán BORG-MOEA: là trung tâm của quá trình, đảm trách về chiến lược tìm kiếm. Khi bắt đầu hay ở thế hệ đầu tiên, thuật toán sẽ chịu trách nhiệm ngẫu nhiên khởi tạo một tập hợp/quần thể các bộ tham số khởi đầu của hàm vận hành. Và ở các thế hệ tiếp theo, việc tạo các bộ tham số con sẽ căn cứ trên hiệu quả vận hành của các bộ

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_de_xuat_phuong_phap_van_hanh_toi_uu_he_th.pdf
Tài liệu liên quan