Báo cáo khoa học: " ỨNG DỤNG QUI HOẠCH ĐỘNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT NĂM THEO MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH CỦA HỒ CHỨA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN LÀM VIỆC ĐỘC LẬP" doc

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

66
ỨNG DỤNG QUI HOẠCH ĐỘNG XÂY DỰNG
CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT NĂM
THEO MÔ HÌNH TẤT ĐỊNH CỦA HỒ CHỨA NHÀ
MÁY THỦY ĐIỆN LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
APPLYING DYNAMIC PROGRAMMING TO CONSTRUCT
PROGRAM ON CACULATING FOR ANNUAL REGULATION
ACCORDING TO DETERMINISTIC MODEL OF INDEPENDENT –
WORKING RESERVOIR HYDROELECTRIC POWER PLANT

NGUYỄN THẾ HÙNG – LÊ HÙNG
Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

TÓM TẮT
Tính điều tiết mực nước hồ chứa nhà máy thủy điện là một vấn đề phức tạp, việc
điều tiết hợp lý tài nguyên nước trong hồ chứa có ý nghĩa hết sức quan trọng, đối
với nền kinh tế quốc dân. Để nâng cao hiệu ích điện năng thì bên cạnh việc phát
triển nguồn điện, trao đổi, nhập khẩu thì việc tìm được một sách lượt tối ưu vận
hành hồ chứa thủy điện sẽ làm tăng sản lượng điện. Bài báo này, chúng tôi giới
thiệu xây dựng mô hình toán tất định xác định chế độ vận hành điều tiết tối ưu hồ
chứa làm việc độc lập, dùng phương pháp qui hoạch động để giải và lập chương
trình tính bằng ngôn ngữ lập trình hướng đối tượng Borland Delphi.
ABSTRACT
Calculating water level regulation in reservoir for hydroelectric power plant is a
complex problem. Reasonable water resources regulation in reservoir plays an
important role in national economy. In order to increase electrical energy
effectiveness, besides the development, exchange and import of electrical power
sources, we must find out an optimization policy in opertating hydroelectric power
reservoir, because it can increase the electrical energy of hydroelectrical plant. In

this paper, we introduce the construction of deterministic mathematical model to
determine optimum regulation of independent working reservoir, applying dynamic
programming for finding its solution and establishing the programming of
caculating by Borland Delphi object-oriented language program.

1. Giới thiệu
Theo phê duyệt Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2006 –
2015, có định hướng đến năm 2025, nhằm góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển
kinh tế - xã hội của cả nước với mức tăng GDP khoảng 8,5% - 9% năm giai đoạn
2006 - 2010 và cao hơn, thì dự báo nhu cầu điện nước ta sẽ tăng ở mức 20% năm
trong giai đoạn 2006 - 2015, đồng thời chuẩn bị phương án tăng ở mức 22% năm cho
trường hợp tăng trưởng đột biến.
Để đáp ứng nhu cầu trên, bên cạnh việc phát triển nhập khẩu và trao đổi
điện năng, nhằm nâng cao hiệu ích điện năng, tiết kiệm các nguồn nguyên vật liệu
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

67
hiếm, cũng như góp phần vào việc cải thiện môi trường, ngành điện, đồng thời
phải tiến hành hai biện pháp: quản lý nhu cầu và nâng cao hiệu quả khai thác
nguồn điện.
Nếu tìm được một sách lược vận hành tốt, một trong những biện pháp có
thể thực hiện mang tính khả thi cao để khai thác điện năng có hiệu quả đó là vận
hành tốt các nhà máy thủy điện, có thể tăng hiệu suất về mặt điện năng năm của
trạm thủy điện 2-3%.
Trong bài báo nầy, các tác giả thiết lập mô hình toán và xây dựng chương
trình tính toán được thiết lập cho bài toán đơn hồ với mục tiêu phát điện làm việc
độc lập bằng ngôn ngữ Borland Delphi. Ứng dụng chương trình tính cho hồ chứa
thủy điện EA Krông Rou, kết quả tính toán được so sánh với các phương pháp
đường chỉ thẳng và phương pháp biểu đồ điều phối.
2. Mô hình toán tất định xác định chế độ vận hành tối ưu hồ chứa điều tiết

năm của nhà máy thủy điện
Hàm mục tiêu được chọn là sản lượng điện năng của nhà máy thủy điện đạt
cực đại ứng với trị số mức nước vận hành ở các khoảng thời gian trong năm của hồ
chứa làm việc độc lập. Các điều kiện giới hạn của hồ chứa trong trường hợp này là
công suất vận hành, lưu lượng qua Tuabin, giới hạn về mực nước, và một số ràng
buộc tương ứng.

MÔ HÌNH TOÁN TẤT ĐỊNH XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ
VẬN HÀNH TỐI ƯU HỒ CHỨA ĐIỀU TIẾT NĂM
CỦA NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN CHO NHƯ SAU
Hàm mục tiêu
Max 81,9 81,9
1
0



i
i
i
N
i
T
i
i
ii
QHtdtQHE

(1)
Các ràng buộc:

V
i+1
= V
i
+ W
i
- W
xả-i
(2)
),(
1
i
ii
HNf



(3)
i
iHLiTLi
HZZH 




(4)
iTL
Z



= f
2
[(V
i
+ V
i+1
)/2] (5)
iHL
Z



= f
3
[W
xả-i
/T
i
] (6)
Z
đầu
= MNDBT (7)
Z
cuối
= MNDBT (8)
MNC

Z
i


MNDBT (9)
N
min


N
i


N
gh-i


(10)
N
gh
= f
4
(
i
H

) (11)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

68
Q
min-i


Q
i

Q
max-i
(12)
Trong đó :
E
i
: Điện lượng trung bình thời đoạn i (kwh);
V
i+1
: Dung tích hồ cuối thời đoạn i (hay đầu thời đoạn i +1) (m
3
);
V
i
: Dung tích hồ đầu thời đoạn i (m
3
);
W
xả-i
: Tổng lượng nước ra khỏi hồ chứa trong thời đoạn i (m
3
) ;
 : Hiệu suất trung bình của trạm thủy điện trong thời đoạn i.
i
H
: Cột nước phát điện trung bình trong thời đoạn i (m);

iTL
Z


: Mực nước thượng lưu trung bình trong thời đoạn i (m);
iHL
Z


: Mực nước hạ lưu trung bình trong thời đoạn i (m);
i
H
: Cột nước tổn thất trong thời đoạn i;
Z
đầu
: Mực nước đầu chu kỳ điều tiết (m) ;
Z
cuối
: Mực nước cuối chu kỳ điều tiết (m) ;
MNC : Mực nước chết (m);
MNDBT : Mực nước dâng bình thường (m);
N
min
: Công suất tối thiểu của trạm thủy điện, trong trường hợp hồ chứa
điều tiết năm thì đây là công suất đảm bảo của trạm thủy điện (kw);
N
gh-i
: Công suất giới hạn trạm thủy điện trong thời đoạn được xác định
tương ứng với các kiểu Tuabin khác nhau (kw);
Q

i
: Lưu lượng nước vận hành qua Tuabin trong thời đoạn i (m
3
/s);
Q
min-i
: Lưu lượng tối thiểu phụ thuộc vào yêu cầu đảm bảo mức nước hạ
lưu trong thời đoạn i (m
3
/s) ;
Q
max-i
: Lưu lượng lớn nhất qua Tuabin trong thời đoạn i (m
3
/s);
t : Thời gian tính của thời đoạn i (hour).
3. Xây dựng thuật toán và chương trình tính
Phương trình truy toán ngược theo lý thuyết qui hoạch động ứng dụng để
cực đại giá trị hàm mục tiêu năng lượng ký hiệu E được xác định như sau:

 
)(),()(
,11,1,, knnknjnnjnOPT
ZEZZEMaxZE



(13)
Với

)(
, jnOPT
ZE
: Giá trị lũy tích tối ưu điện năng của hàm mục tiêu có được khi
hồ chứa từ thời điểm ban đầu Z
o
đến mực nước Z
n,j
vào cuối chu kỳ điều
tiết (thời điểm n);
),(
,1, knjnn
ZZE

: Giá trị điện năng khi đối tượng di chuyển từ trạng thái k
bất kỳ ở thời điểm n-1 đến trạng thái j bất kỳ ở thời điểm n;
)(
,11 knn
ZE

: Giá trị tối ưu điện năng sinh ra khi đối tượng di chuyển từ
trạng thái ban đầu Z
0
đến trạng thái Z
n-1
đã được xác định.
- Tính toán được bắt đầu tại cuối chu kỳ điều tiết (i=n) và kết thúc tại đầu
TP CH KHOA HC V CễNG NGH, I HC NNG - S 3(26).2008

69

chu k iu tit (i = 1)
- S thut toỏn v chng trỡnh tớnh c xõy dng bng ngụn ng lp
trỡnh hng i tng Borland Delphi.

4. ng dng chng trỡnh tớnh cụng trỡnh thy in Ea Krụng Rou
ng dng chng trỡnh ó thit lp, tớnh cho cụng trỡnh thy in EA
Krụng Rou v so sỏnh vi cỏc phng phỏp ng ch thng, phng phỏp biu
iu phi.
Cỏc thụng s cụng trỡnh thy in EA Krụng Rou:
Mc nc dõng bỡnh thng MNDBT =606(m); Mc nc cht MNC=590(m);
Cụng sut lp mỏy N
lm
=28 (MW);
True
True
False
False
False
True
False
True
End
In Kết quả MN hồ, Who, Ni, Ei, EltMax
Ni>Nđb

gt-i-tt-i=f(Ni,Hi)<

gt-igt-i
Giả thiết gt-i
Tính Hbq-i=Zbqtl-i-Zbqhl-i-Htt-i

WE-i=Wxả-i
Qbq-i=WE-i/Ti
Wxả-i>0
WE-i=Qmax-Ti
WE-i=Wxả-i
Wxả-i>Qmax-iTi
Tính WXả-i=Wtháng-i+Wđầu-i -Wcuối-i
Tra Wcuối ứng với mực nuớc cuối MN[k]
Tra Wđầu ứng với mực nuớc đầu MN[j]
Begin
Tra dữ liêu MN[j] đầu và MN[k] cuối
Hỡnh 1: Thut toỏn tớnh
in nng EltMax
Hỡnh 2: Chng trỡnh tớnh
vn hnh h cha NMT

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

70
Công suất đảm bảo N
đb
=7.76(MW);
Lưu lượng lớn nhất qua nhà máy Q
max
=6.52(m
3
/s);
Cột nước lớn nhất H
max
=537.24(m);

Cột nước nhỏ nhất H
min
= 494.2(m);
Cột nước tính toán H
tt
= 507.0(m).

Bảng 1 : Lưu lượng dòng chảy đến (3 năm)
Năm
T.1
T. 2
T.3
T.4
T.5
T.6
T.7
T.8
T.9
T.10
T.11
T.12
TB
năm
1999
9.34
3.79
1.62
0.8
2.11
2.13

0.97
0.51
2.32
11.22
17.61
22.94
6.28
2000
16.96
6.89
2.89
1.56
4.39
4.35
1.88
1.26
4.49
13.83
21.22
14.88
7.88
2001
6.03
2.53
1.21
0.72
0.51
0.44
0.38
0.56

1.5
11.71
11.38
5.08
3.50

Bảng 2. Đặc tính dung tích lòng hồ

F(km
2
)
0
0.01
0.08
0.36
0.81
1.57
2.25
3.02
3.71
4.96
5.77
W(10
6
m
3
)
0.00
0.02
0.21

1.23
4.08
9.93
19.43
32.55
49.35
70.95
97.75
Z(m)
570
575
580
585
590
595
600
605
610
615
620

Bảng 3. Quan hệ đặc tính mực nước hạ lưu Q=f(Z)

Q(m
3
)
0
1.3
8
20.6

53.9
104
172
254
354
465
581
714
852
1022
1246
1488
1572
Z
hl
(m)
53.5
54
54.5
55
55.5
56
56.5
57
57.5
58
58.5
59
59.5
60

60.5
61
61.5

Kết quả tính công trình thủy điện EA Krông Rou

Bảng 4. Kết quả tính dao động mực nước hồ trong 3 năm

Tháng
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
MNTL (m)
606
606
605.5
604.5
604.5
604.5
603.5
597.5

590
598
606
606
Tháng
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
MNTL (m)
606
606
606
605.5
606
605
601
594
590
601
606
606

Tháng
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
MNTL (m)
606
606
605.5
604.5
603
601.5
600
598
590
601
606
606

Bảng 5. Kết quả điện năng trong (3 năm) của
thủy điện Ea Krông Rou theo 3 phương pháp

Phương pháp điều tiết
vận hành hồ chứa thủy điện
Phương pháp
Đường chỉ thẳng
Phương pháp điều tiết
theo biểu đồ điều phối
Phương pháp
điều tiết tối ưu
E
lt
Max 10
6
(Kwh)
446.09
501.37
508.1

* Kết quả dao động mực nước hồ được biểu diễn ở hình 3
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

71
* Kết quả biểu diễn tính toán lưu lượng điều tiết (3 năm) trong toạ độ xiên
theo các phương pháp qui hoạch động, phương pháp biểu đồ điều phối và phương
pháp đường chỉ thẳng được biểu diễn ở hình 4:

Hình 4: Biểu diễn tia điều tiết (3 năm) trong toạ độ xiên theo 3 phương pháp


588
590

592
594
596
598
600
602
604
606
608
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39
Z
tl
(m)
t(tháng)
Hình 3. Biểu diễn dao động mực nước hồ chứa (3 năm) nhà máy thủy điện

0.00
10.00
20.00
30.00
40.00
50.00
60.00
70.00
80.00
90.00
100.00
110.00
120.00
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38

W(triệu, m3)
Đường lũy tích dòng chảy
đến trong tọa độ xiên
Tia điều tiết theo
đường chỉ thẳng
Tia điều tiết theo
phương pháp QHĐ
Tia điều tiết theo
Biểu đồ điều phối
t (tháng)
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(26).2008

72
5. Kết luận
- Vận hành theo phương pháp qui hoạch động sẽ cho ta điện năng lớn hơn
khoảng 1,3% so với phương pháp biểu đồ điều phối và 12,2% so với phương pháp
đường chỉ thẳng.
- Việc vận hành xác định điều tiết theo phương pháp đường chỉ thẳng có ưu
điểm là xác định lưu lượng điều tiết nhanh nhưng độ chính xác rất thấp vì mắc sai
số chủ quan của người vẽ, khi vận hành theo biểu đồ điều phối nó sẽ thiên về an
toàn không tận dụng khả năng tối ưu nhất trong vận hành để nâng cao hiệu suất
phát điện.
- Khi tính toán mực nước vận hành theo phương pháp qui hoạch động, việc
kiểm tra tự động các ràng buộc sẽ loại bỏ dễ dàng các phương án không khả thi.
- Tìm mực nước tối ưu của hồ chứa có khả năng làm tăng mực nước hồ và
làm giảm việc hạn chế công suất do thiếu cột nước.
- Để có thế ứng dụng chương trình tính nhằm giải quyết bài toán tìm chế độ
tối ưu dài hạn theo mô hình tất định trong vận hành hồ chứa thì phải dùng phương
pháp hiệu chỉnh dần chế độ theo đường quá trình dòng chảy được hiệu chỉnh dần
cho đến cuối chu kỳ điều tiết.

- Phải thường xuyên hơn trực đo đạc các số liệu dòng chảy trên các nhà
máy thủy điện đang vận hành, để có thể biết được nhiều hơn quy luật dòng chảy,
tạo điều kiện tốt cho việc khai thác vận hành hồ chứa theo phương pháp qui hoạch
động.


TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Nguyễn Nhật Lệ (2001), “Tối ưu hóa ứng dụng”, NXB Khoa học và kỹ
thuật”, Hà Nội
[2] Phạm Phụ (1975), “Cơ sở năng lượng của trạm thủy điện”, NXB Đại học và
trung học chuyên nghiệp, Hà Nội.
[3] Mohammad Karamouz - Ferenc Szidarovsky - Banafshed Zahraie (2003),
“Water resources systems analysis”, Lewis Publishers, United States of
America.
[4] Larry W.Mays, Yeou-Koung Tung (1992), “Hydrosystems engineering and
management” McGraw-Hill, Inc, Singapore.