книги из ГПНТБ / Резниковский, А. Ш. Управление режимами водохранилищ гидроэлектростанций

торы) системы объединены в стройную иерархическую структуру, позволяющую на основе оптимального рас­ пределения функций отдельных элементов создавать автономные правила управления для достижения общей цели функционирования системы. Как отмечалось выше, цели эти в условиях различной водности в водохозяй­ ственных системах различны. Так, в маловодных усло­ виях оптимальные правила управления системой при совместной работе ее элементов должны повышать на­ дежность гарантированного удовлетворения требований потребителей (или при той же надежности повышать саму величину гарантированных отдач системы). В ка­ тастрофически многоводных условиях совместные пра­ вила управления должны уменьшать вероятность навод­ нений или разрушения сооружений системы. При про­ ектировании отдельных элементов (гидроузлов)системы при заданной нормативной надежности этот системный эффект может быть выражен, в сокращении затрат на водосливной фронт и некоторые противопаводковые мероприятия. В годы промежуточной водности совмест­ ная оптимальная эксплуатация гидроузлов и водохрани­ лищ системы должна способствовать получению макси­ мального эффекта при использовании водных и энерге­ тических ресурсов системы, т. е. за счет оптимальной сработки и наполнения водохранилищ каскада гидро­ узлов создавать условия наилучшего использования их напоров и уменьшения холостых сбросов воды.

Все указанные выше цели следует иметь в виду при разработке иерархической структуры управления водо­ хранилищами системы. Некоторые общие принципы по­ строения такой структуры и иллюстративные примеры их применения к сложным каскадам гидроузлов будут даны ниже и будут рассмотрены виды и способы по­ строения диспетчерских правил управления водохрани­ лищами.

5-2. Распределение регулирующих функций между гидроузлами системы

Общие положения и основы метода. В водохозяйст­ венных системах требования потребителей удовлетворя­ ются совместной работой гидроузлов. При их проекти­ ровании и эксплуатации для каждого гидроузла необ­ ходимо найти его регулирующие функции, которые

100

обеспечили бы оптимальное использование водных ре­ сурсов в системе. Режимы работы гидроузлов, в том числе и электростанций системы, подчиняются единым требованиям, что делает их, как правило, взаимозави­ симыми в многолетнем, сезонном или только суточном разрезе.

Физическими предпосылками определения регули­ рующих функций гидроузлов и водохранилищ являются гидрологические особенности водотоков, топографиче­ ские характеристики водохранилищ, расположение их по длине водотока относительно устьев крупных прито­ ков и относительно потребителей, величины отдачи гидроузлов, получаемые как на собственном напоре, так и на напоре нижележащих ГЭС и др. Сочетание ука­ занных факторов, с одной стороны, и требования потре­ бителей— с другой, определяют специализацию гидро­ узла в системе, его регулирующие возможности и функ­ ции, которые в общем случае изменяются в течение рассматриваемого периода развития системы.

Взаимозависимость и взаимосвязь гидроузлов в си­ стеме выражаются в назначении режимов их работы, согласованных друг с другом, но имеющих свои особен­ ности. В некоторых случаях реализация этих режимов осуществляется при практически независимом управле­ нии. Чаще наибольший эффект в системе достигается тогда, когда режим работы одних гидроузлов меняется во времени в зависимости от резервов воды в водохра­ нилищах и величины отдачи других гидроузлов системы. При этом и возникает задача оптимизации распределе­ ния регулирующих функций между гидроузлами и очередности выполнения их для удовлетворения всего комплекса требований потребителей, т. е. задача уста­

В частном случае эта задача может быть решена эвристически на основании общих соображений о режи­ ме совместной работы гидроузлов, обеспечивающем мак­ симальную зарегулированыость отдачи или наилучшее использование стока и напора (максимум выработки энергии). Такой метод решения задачи бывает доста­ точным на стадии проектирования отдельных гидроуз­ лов системы, а иногда и при их эксплуатации (он будет подробно рассмотрен ниже). В более общем случае и,

101

Видимо, более точно задача решается на основе расче­ тов оптимального режима совместной работы гидроузлов в системе (и этот случай кратко будет рассмотрен в этом параграфе).

Иерархия гидроузлов в системе управления режимом их работы является одним из средств обеспечения на­ дежности управления с целью реализации наиболее близкого к оптимальному режима эксплуатации гидро­ узлов в системе. Она способствует также максимально­ му упрощению процесса управления при эксплуатации. С ее помощью достигается автономность управления многих гидроузлов, а управление остальными зависит от сравнительно небольшого числа управляющих пара­ метров, так как информация о состоянии системы на низших уровнях иерархии управления обобщается и передается на следующий в виде одного суммарного по­ казателя (например, суммарная отдача гидроузлов низ­ шего уровня иерархии заменяет многочисленные сведе­ ния о наполнении водохранилищ, стоке рек и других показателях).

Построение автономно-иерархической структуры уп­ равления гидроузлами особенно важно при к о м п е н с и ­ р о в а н н о м или, если гидроузлы находятся на разных водотоках, м е ж б а с с е й н о в о м к о м п е н с и р о в а н ­ ном регулировании стока или энергии [Л. 55, 76].

Компенсированное регулирование применяется при наличии в отдаче некоторых гидроэлектростанций стока или энергии, которые не могут быть зарегулированы их собственными водохранилищами ( к о м п е н с и р у е м ы е гидроузлы). В этом случае используется регулирующая емкость водохранилищ г и д р о у з л о в-к о м п е н с а т о - ров пли водохозяйственное регулирование дополняется электрическим. В то время, когда на компенсируемых гидроузлах вырабатывается сезонная отдача воды или энергии, на гидроузлах-компенсаторах отдача снижается вплоть до минимально допустимой величины; сэконом­ ленная при этом вода задерживается в водохранилищахкомпенсаторах и затем расходуется в меженный период. В результате этого в энергетическую и водохозяйствен­ ную системы в течение всего периода регулирования поступает с заданной обеспеченностью некоторое коли­ чество воды и энергии, именуемое совокупной или общей гарантированной отдачей гидроузлов. При таком режи­ ме сезонная отдача компенсируемых гидроузлов стано-

102

вптся компонентом общей гарантированной отдачи всех гидроузлов .системы. Вследствие этого общая гаранти­ рованная отдача гидроузлов системы превышает сумму их гарантированных отдач при независимом управлении

[Л. 76]. ' ■

Возможность осуществления компенсированного ре­ гулирования имеет место только тогда, когда в систему входят гидроузлы с различными регулирующими воз­ можностями; наибольший эффект достигается при нали­ чии асинхронных притоков к отдельным гидроузлам

(табл. 5-1).

При наличии компенсированного регулирования роль компенсаторов выполняют гидроузлы с большими .регу­ лирующими способностями, чем у остальных гидроузлов в системе. Большие регулирующие способности опреде­ ляются также и возможностью изменять сроки сработ­ ки собственного водохранилища в связи с асинхрон­ ностью стоковых явлений на данном к других водотоках системы даже при близких значениях относительных регулирующих емкостей водохранилищ.

Понятие к о м п е н с а т о р или к о м п е н с и р у е м ы й могут быть отнесены: к каскадам гидроузлов, находя­ щимся в различных бассейнах (межбассейновое управ­ ление режимом работы гидроузлов); к гидроузлам или каскадам, находящимся в одном и том'' же каскаде или бассейне. При этом в состав компенсируемого бассейна или каскада могут - входить гидроузлы-компенсаторы, регулирующие отдачу данного каскада или той или иной группы его гидроузлов.

В зависимости от сферы и степени влияния на об­ щую совокупную отдачу всех гидроузлов системы или от очередности действия гидроузлы-компенсаторы отно­ сятся к тому или иному уровню иерархии управления.

103

К низшим уровням иерархии относятся, например, гид­ роузлы-компенсаторы, выравнивающие отдачу одного гидроузла. К компенсаторам высшего уровня иерархии относятся гидроузлы, выравнивающие общую совокуп­ ную отдачу всех гидроузлов системы.

Гидроузлы-компенсаторы различных уровней иерар­ хии управления в зависимости от особенностей их регу­ лирующих возможностей и режима могут выполнять свои компенсирующие функции одновременно или по­ очередно. Компенсируемые гидроузлы управляются не­ зависимо, в соответствии е собственными регулирующи­ ми возможностями и предъявляемыми к ним требова­ ниями потребителей. При этом преследуется цель приведения отдачи компенсируемых гидроузлов к виду, наиболее удобному для компенсации. Следует отметить, что иногда на очередность выполнения регулирующих функций гидроузлами влияют также необходимость удовлетворения требований неэнергетических потребите­ лей или другие ограничения режима работы гидроузлов, характер притока воды к гидроузлу, его естественная зарегулированность, определяющая возможность манев­ рирования полезной емкостью водохранилища, и др.

Если очередность выполнения водохранилищами ро­ ли компенсаторов не является очевидной, то она может быть установлена путем сопоставления результатов расчетов регулирования стока гидроузлами системы при нескольких целесообразных вариантах распределения регулирующих функций между ними. Сопоставление ва­ риантов производится по общей гарантированной отдаче и суммарной среднемноголетней выработке энергии (при заданных параметрах гидроузлов). Вместо второго показателя может быть рассмотрена экономия затрат в системе или только экономия топлива в энергетиче­ ской . системе.

Разработка иерархии управления может проводиться на основе расчетов оптимизации отдачи гидроузлов сле­ дующим образом: 1) расчеты оптимизации отдачи гид­ роузлов, выполненные по ряду лет или периодов, груп­ пируются в соответствии с характеристикой притока воды к гидроузлам; 2) определяется, какой порядок взаимодействия гидроузлов является наиболее частым для маловодных, средних и многоводных лет или га-лет- них периодов времени; 3) при сезонном регулировании правила взаимодействия гидроузлов могут быть постав­

104

лены в зависимость от прогнозируемого притока к гид­ роузлам. При более длительных видах регулирования распределение регулирующих функций гидроузлов мо­ жет производиться в соответствии со степенью заполне­ ния водохранилищ, характерной для тех или иных условий водности, и с величиной общей отдачи гидро­ узлов.

При разработанной иерархической структуре схема управления режимом совместной работы некоторой группы гидроузлов системы на рассматриваемый период ее развития может быть представлена следующим об­ разом:

1. Компенсируемые гидроузлы управляются незави­ симо по собственным правилам.

2. Гидроузлы-компенсаторы, осуществляющие гид­ равлическое компенсированное регулирование, а также регулирующие отдачу того или иного гидроузла или каскада (компенсаторы низших уровней иерархии), управляются в зависимости от отдачи компенсируемых ими гидроузлов и независимо от компенсаторов высших уровней иерархии управления. По отношению к послед­ ним компенсаторы низших уровней иерархии и компен­ сируемые ими гидроузлы являются как бы единым объектом компенсации.

3.Гидроузлы-компенсаторы, регулирующие отдачу всех гидроузлов системы в соответствии с требованиями потребителей, т. е. гидроузлы-компенсаторы высшего уровня иерархии управления, в общем случае выпол­ няют свои компенсирующие функции поочередно.

4.Гидроузлы-компенсаторы высшего уровня иерар­ хии управления дополняют отдачу остальных гидроузлов системы до величины общей (совокупной) гарантиро­

ванной отдачи гидроузлов, поступающей в систему с определенной обеспеченностью; собственная отдача гидроузлов-компенсаторов высшего уровня иерархии управления изменяется от минимально до максимально допустимой величины. После исчерпания возможностей компенсации в водохранилищах гидроузлов-компенсато­ ров первой очереди компенсирующие функции передают­ ся гидроузлам-компенсаторам второй очереди. Гидро­ узлы-компенсаторы первой очереди переводятся на ра­ боту с минимальной отдачей, необходимой, например, для энергоснабжения местного района или удовлетворе­ ния требований неэнергетических потребителей. После

105

исчерпания возможностей водохранилищ второй очереди их компенсирующие функции передаются водохранили­ щам-компенсаторам третьей очереди и т. д.

5. Гидроузлы-компенсаторы второй и следующих оче­ редей до момента возложения на них компенсирующих функций работают, как и компенсируемые гидроузлы, по собственным правилам управления. После возложе­ ния на них компенсирующих функций отдача' гидро­ узлов-компенсаторов второй и последующих очередей изменяется от минимально , до максимально возможной величины.

6.После восстановления компенсирующих возмож­ ностей в водохранилище гидроузла-компенсатора первой очереди иерархии управления ему вновь передаются компенсирующие функции и т. д.

7.Если водохранилищу гидроузла-компенсатора (той

или иной очереди) угрожает переполнение, то его ком­ пенсирующие функции прекращаются и гидроузел пере-

'водится на работу с максимально допустимой отдачей.

8.Все сказанное о взаимодействии компенсаторов высшего по сфере влияния уровня иерархии может быть отнесено и к компенсаторам более низкого уровня. Гид­ роузлы-компенсаторы разных уровней иерархии управ­

ления могут действовать в качестве компенсаторов как одновременно, так и в разное время в зависимости от режима работы компенсируемых гидроузлов, находя­ щихся в сфере их влияния, п от состояния их собствен­ ных водохранилищ.

9. Часть полезной емкости водохранилищ-компенса­ торов предназначается для регулирования избыточной (по отношению к гарантированной), отдачи гидроузлов. При этом на самом верхнем (по сфере влияния) уровне иерархии управления имеет место регулирование сум­ марной избыточной отдачи всех гидроузлов; на более низких (по сфере влияния) уровнях иерархии избыточ­ ная отдача регулируется в некоторые периоды времени как часть общей гарантированной отдачи, в другие же периоды как составляющая избыточной общей отдачи группы или всех водохранилищ системы.

10. Некоторая доля полезной емкости гидроузловкомпенсаторов предназначается’для выполнения компен­ сирующих функций, связанных с пропуском половодий через каскад гидроузлов. Это может иметь место на всех уровнях иерархии управления.

106

Изложенная схема управления режимом работы группы водохранилищ способствует максимальному по­ вышению их общих гарантированных отдач и тем самым максимальному снижению капиталовложений в заменяе­ мые объекты системы. При этом достигается также и наилучшее использование напоров и стока, т. е. обеспе­ чение максимальной выработки энергии или минималь­ ных затрат на топливо з энергосистеме.

Пример распределения регулирующих функций между гидроуз­ лами в системе. Рассмотрим два каскада действующих гидроузлов, расположенных на водотоках, находящихся друг от друга на значи­ тельном расстоянии. В составе гидроузлов имеются гидроэлектро­ станции, которые работают в одной энергосистеме. Водопользова­ телями каскада 1 гидроузлов (рис. 5-2) являются энергетика, водный транспорт, ирригация, рыбное хозяйство, водоснабжение; каска-

Рис. 5-2. Схема расположения гидроузлов в каскаде 1.

107

да 2 — энергетика и водный транспорт. В каскаде 1 имеется один­ надцать гидроузлов, их основные характеристики приведены в табл. 5-2.

Верхней ступенью каскада 1 является ГЭС № 1 с водохранили­ щем годичного регулирования, второй ступенью — ГЭС № 2 с водо­

хранилищем сезонного регулирования. Подпор в нижнем бьефе ГЭС № 2 от нижележащего гидроузла недостаточен для обеспечения рабо­ ты водного транспорта. Поэтому в нижний бьеф ГЭС № 2 должны

поступать гарантированные навигационные расходы, что обеспечи­ вается за счет соответствующей сработки первого водохранилища, так как собственной емкости второго водохранилища для этого нехватает. Таким образом, первое водохранилище является гидравли­ ческим компенсатором по отношению к ГЭС № 2 . Порядок сработки

первого водохранилища определяется размером притока воды к нему и на участке между ГЭС № 1 и 2 и требованиями водного транспор­

та. ГЭС № 3 с водохранилищем годичного регулирования стока является компенсатором энергоотдачи ГЭС № 1, 2 и 4, а также ги­

дравлическим компенсатором по отношению к ГЭС № 4: ГЭС № 3 обеспечивает требуемый водным транспортом режим расходов в нижнем бьефе ГЭС № 4. Таким образом, ГЭС № 3 — компенсатор третьего уровня иерархии управления. Распределение регулирующих функций между ГЭС № 1—4 является очевидным после сопоставле­ ния регулирующих возможностей их водохранилищ и величин уста­ новленных мощностей (см. табл. 5 -2 ). ГЭС № 5 работает на стоке,

зарегулированном вышележащими водохранилищами, требования водного транспорта обеспечиваются подпором от нижележащего ги­ дроузла. Полезная емкость водохранилища используется в зимний период по правилам, не зависящим от состояния наполнения других водохранилищ. Гидроузел № 5 является компенсируемым. На прито­

ке к основной реке компенсатором является верхняя ступень каска­ да — ГЭС № 6. Полезная емкость водохранилища и установленная мощность ГЭС № 6 определили ее регулирующую роль компенсато­ ра по отношению к ГЭС № 7 и 8.

Гидроузел № 9 на основной реке, обладающий водохранилищем

годичного регулирования стока и установленной мощностью, значи­ тельно превышающей мощность вышележащих гидроузлов, является компенсатором высшего уровня иерархии управления в рассматри­ ваемом каскаде. Гидроузел № 9 обеспечивает получение максималь­ ной выработки энергии на ГЭС № 9 , 10, 11 и требуемое энергосисте­

мой внутригодовое распределение энергоотдачи каскада. Требования водного транспорта, ирригации, водоснабжения на трех нижних ги­ дроузлах каскада также обеспечиваются водохранилищем ГЭС № 9. На гидроузле № 10 имеется только Недельное и суточное регулиро­

вание. Водохранилище ГЭС № 11 срабатывается лишь в тех случаях, когда емкости водохранилища ГЭС № 9 нехватает для обеспечения

гарантированных навигационных попусков в нижнем бьефе гидро­ узла № И. Поскольку регулирующее влияние гидроузла № 11 используется только для поддержания требуемого режима попусков в его нижнем бьефе, этот гидроузел отнесен к компенсируемым. Однако в таком определении есть условность, поскольку гидроузел № 11, как, впрочем, и гидроузел № 10, является дополнением по на­ пору гидроузла-компенсатора № 9 и как бы пассивным компенсато­

ром. Приведенное выше распределение регулирующих функций, т. е. иерархия управления режимом совместной работы гидроузлов каска­ да была установлена в результате водноэнергетических расчетов по

108

Т а б л и ц а 5-2

Основные характеристики гидроузлов каскада 1 и его иерархия управления