15.Основные принципы разработки диспетчерских графиков водохранилищ.
Основные определения. Несмотря на вероятностный характер долгосрочного прогноза речного стока, рекомендации по практическому ведению режимов водохранилищ должны быть однозначными. Именно в этом заключаются принципы диспетчеризации режимов водохранилищ, реализуемые в форме диспетчерских графиков. Далее диспетчерскими графиками будем называть режимные рекомендации, представленные не только в графической, но и в табличной или аналитической форме. В них рекомендации по режимам водохранилищ ставятся в зависимость лишь от той информации, которая бывает известна однозначно к любому рассматриваемому моменту времени.
С математической точки зрения диспетчерский график представляет собой систему оптимальных управляющих функций и дает синтез (набор) оптимальных решений для условий любой водности и на любой момент времени в пределах цикла регулирования водохранилищ.
На рис. 5.1 изображена общепринятая в существовавшей практике в СССР и за рубежом схема разделения объема водохранилища на характерные зоны диспетчерского графика.
Зона I изображает неиспользуемый объем водохранилища, расположенный ниже уровней водозаборов (ниже УМО).
Зона II изображает зону перебоев, при попадании в которую отдача должна назначаться ниже гарантированной. Часто внутри этой зоны выделяют подзоны — наносят линии перехода на разные пониженные отдачи.
Зона III гарантированного режима является наиболее ответственной зоной, где назначается гарантированная отдача воды или мощности. При гарантированных отдачах обеспечивается нормальное (но минимальное) водообеспечение или энергообеспечение. В частности, для ГЭС такая отдача определяется покрытием графика нагрузки при работе ТЭС с максимально возможной их мощностью.
Внутри зоны III также возможна разбивка на подзоны. Например, для водохранилищ многолетнего регулирования иногда (практика США) выделяются подзоны 1-го, 2-го и т. д. лет маловодного цикла. Линии, ограничивающие зону III, называют верхней и нижней линиями гарантированного режима.
В зоне IV возможно повышение отдач сверх гарантированных (зона избыточных отдач). Обычно такое повышение отдач дает дополнительный эффект лишь в энергетике, поэтому режимы водохранилищ в этой зоне имеют, главным образом, энергетический характер. В этой зоне выделяют подзоны с разными значениями мощности ГЭС— от гарантированной до полной мощности. Линию перехода на полную мощность часто называют противосбросной линией (она не допускает неоправданные холостые сбросы воды).
Зона V имеет место у водохранилищ, используемых для защиты нижнего бьефа ГЭС от наводнений. В этой зоне назначаются максимальные допустимые расходы воды в нижний бьеф. Линия, разделяющая зоны IV и V, есть нижняя линия зоны максимальных допустимых расходов воды в нижний бьеф ГЭС.
Зона VI, располагающаяся выше НПУ, — это зона повышенных холостых сбросов. В ней по условию безопасности гидросооружений открыты все водосливы. В верхней части этой зоны иногда выделяют подзону, в которой дополнительно включается сброс воды через шлюзы. Форсированный подпертый уровень (ФПУ) не должен превышаться в условиях любой водности.
Очевидно, и в зоне наводнений можно выделять подзоны с постепенным наращиванием открытий затворов водосливов. Изображенные на рис. 5.1 зоны не постоянны внутри года, а изменяют свое взаимное расположение по характерным фазам года — в пределах летней и осенней межени, весеннего половодья. Кроме того, эти зоны даже в любой фиксированный момент времени могут изменяться в зависимости от прогнозируемых или предшествующих расходов реки, а иногда и некоторых значений стокообразующих факторов.
Основное значение в диспетчерском графике имеют характерные линии, разделяющие изображенные зоны. На этих линиях происходит изменение стратегии управления водохранилищами. Задание этих линий означает и задание порядка распределения воды между участниками ВХК.
Положение указанных характерных линий диспетчерского графика зависит от назначения гидроузла, регулирующих возможностей его водохранилища, характеристик речного стока, принятой стратегии ведения режимов и других факторов. Например, стремление повышать гарантированную отдачу входит в противоречие со стремлением наибольшего использования стока, и поэтому должно выбираться целесообразное компромиссное решение.
Гарантированные отдачи для энергетики и других участников ВХК в общем случае значительно изменяются внутри года; они также могут изменяться и от года к году. Гарантированные отдачи воды для энергетики, кроме того, изменяются с изменением наполнения водохранилища (напора ГЭС).
Для систем водохранилищ основные положения рассмотренных зон и линий диспетчерских графиков сохраняются, но в усложненном виде, что связано с рациональным распределением тех или иных функций между гидроузлами.
Критерии построения диспетчерских графиков. Задача построения диспетчерского графика является многокритериальной задачей, к тому же еще при вероятностной исходной информации. Должны учитываться такие частные критерии: безопасность гидросооружений, защита нижнего бьефа от наводнений, надежность энерго- и водоснабжения, характеризуемая выдачей гарантированных отдач, смягчение перебоев в зоне перебоев, экономичность работы гидроузла в зоне избыточных отдач.
Могут быть следующие два принципиально различающихся подхода к решению этой многокритериальной задачи:
а) на основе стоимостной оценки экономичности режима и ущербов от пониженных ниже гарантированных и повышенных сверх допустимых по нижнему бьефу и водосливам отдач из водохранилищ;
б) использование принципа приоритета критериев.
Проблема стоимостных оценок ущербов от дефицитов или избытков воды является сложной и в значительной мере не решенной. Лучше обстоит дело со стоимостной оценкой ущербов от дефицитов энергоснабжения из-за маловодья; однако и по этим ущербам исследования не завершены. Со стоимостной оценкой ущербов от дефицитов воды у неэнергетических участников ВХК дело обстоит значительно хуже. Кроме того, в ряде случаев стоимостная оценка ущербов вообще невозможна, например, при наводнениях, если последние угрожают человеческим жизням. Поэтому на практике обычно используют второй, приоритетный подход на основе вероятностных критериев расчетной обеспеченности. При этом единый универсальный критерий минимума суммарных народнохозяйственных издержек заменяется критериями двух видов: критерием экономичности — математическое ожидание издержек (без ущербов) должно быть минимальным; критериями безопасности и надежности — интегральные вероятности дефицитов или избытков воды, вызывающих ущербы (например, при наводнениях) или опасных для гидросооружений, должны быть не ниже заданных нормативов.
Критерии безопасности и надежности в данной многокритериальной задаче учитываются в форме ограничений и выполняются в первую очередь. Во вторую очередь выполняется критерий экономичности. Такая очередность выполнения критериев определяется последствиями, которые влечет за собой их невыполнение.
В энергетике расчетной обеспеченностью обычно нормируется выдача от ГЭС среднеинтервальных мощностей не ниже гарантированных.
Для защиты нижнего бьефа от наводнений должен выдерживаться с вероятностью РН расход воды в нижний бьеф, не больший некоторого заданного.
Вероятностью РБ учитывают непревышение по условиям безопасности гидросооружений предельного максимального расхода воды через гидроузел.
Для водохранилища комплексного назначения должны совместно рассматриваться критерии надежности по каждому участнику комплекса. Пусть, например, водохранилище ГЭС обслуживает энергетику, ирригацию, судоходство, а также выполняет функции защиты от наводнений. Для такого водохранилища должны соблюдаться 11 критериев надежности и безопасности. Очередность выполнения этих критериев — в порядке уменьшения нормативов. Лучший по критерию экономичности режим ГЭС следует искать только среди тех возможных режимов, для которых выполняются указанные 11 криитериев надежности и безопасности, что имеет место в так называемых условиях избыточной приточности.
Таким образом, для расчета диспетчерских графиков нужно знать расчетную обеспеченность Р. Хотя значения Р должны обосновываться экономическим расчетом на основе анализа ущербов, практически расчетные обеспеченности обычно задаются нормативно. Очевидно, нормативное задание величин Р есть принципиально то же самое, что и нормативное задание ущербов, хотя по процедуре расчетов разница может быть большой.
Метод построения диспетчерских графиков по критериям экономичности и надежности требует более сложных и трудоемких расчетов, чем при стоимостной оценке ущербов. Поэтому, более целесообразно строить диспетчерские графики на основе нормативного задания ущербов, чем на основе нормативных расчетных обеспеченностей. При нормативном заданий ущербов, кроме того, может быть использована хотя и неполная, но все же имеющаяся информация об ущербах. Очевидно, нормативам ущербов соответствуют некоторые нормативы по обеспеченности. Однако пока такой подход при построении диспетчерских графиков не используется, и поэтому далее методы решения даются как для единого стоимостного критерия, так и для случая отдельного учета вероятностных критериев безопасности и надежности.
Основные способы построения диспетчерских графиков. Наиболее точным способом построения диспетчерских графиков является построение с использованием того или иного оптимизационного метода на основе стоковых функций распределения вероятностей. Однако, как будет показано далее, такой способ применим в основном для одиночных водохранилищ длительного регулирования и лишь для частных случаев системы водохранилищ.
Другие оптимизационные способы основываются на неявном вероятностном описании стока выборкой гидрографов. В этом случае возможны два различающихся подхода. При первом подходе с использованием какого-либо оптимизационного метода непосредственно отыскиваются оптимальные управляющие функции заданной структуры по критерию минимума средневзвешенных затрат на расчетной выборке гидрографов. При втором подходе проводятся детерминированные оптимизационные расчеты по каждому гидрографу выборки и далее путем статистической обработки полученных результатов определяются оптимальные управляющие функции. Оба подхода, основанных на расчетной выборке гидрографов, ориентированы, главным образом, на системы водохранилищ длительного регулирования.
При построении диспетчерских графиков, как ранее указывалось, помимо критерия оптимальности учитываются режимные ограничения, в том числе и в вероятностной форме. В расчетах по стоковым функциям распределения вероятностей эти ограничения учитываются с помощью формулы полной вероятности. В расчетах же по выборке гидрографов они могут учитываться проведением соответствующих огибающих хода уровней водохранилищ для критичных по рассматриваемому ограничению гидрографов. Заметим, что в существующих способах построения