Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông đà trong mùa cạn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HỒ NGỌC DUNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ
THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN
SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

HỒ NGỌC DUNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ
THỐNG BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN
SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN

Chuyên ngành: Xây dựng công trình thủy
Mã số: 62 58 40 01

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS Hồ Sỹ Dự

2. GS. TS Hà Văn Khối

HÀ NỘI, NĂM 2017


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một
nguồn nào và dƣới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã
đƣợc thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Hồ Ngọc Dung

i


LỜI CÁM ƠN
Trƣớc tiên, từ đáy lòng mình tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đến
các thầy hƣớng dẫn khoa học PGS.TS Hồ Sỹ Dự và GS.TS Hà Văn Khối đã tận tình
định hƣớng, chỉ bảo theo sát tác giả trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Xin
cảm ơn các thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ trong thời gian tác giả thực hiện luận
án.
Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Trƣờng đã có những
đóng góp quý báu, thiết thực và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Đại học và Sau
Đại học, Khoa Công trình, Bộ môn Thủy điện và năng lƣợng tái tạo trƣờng Đại học
Thuỷ lợi đã tạo điều kiện thuận lợi về mọi mặt, hỗ trợ tác giả trong quá trình thực hiện
nghiên cứu của mình.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô và đồng nghiệp trong Bộ môn Thủy điện và

năng lƣợng tái tạo đã dành thời gian, công sức hỗ trợ tác giả hoàn thành Luận án.
Và sau cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới bạn bè, đồng nghiệp và gia đình
luôn sát cánh động viên, khích lệ, ủng hộ rất lớn về tinh thần cũng nhƣ vật chất cho tác
giả trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu.
Tác giả xin trân trọng cám ơn.

ii


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC VẬN
HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN .......................8
1.1

Nguyên lý chung về vận hành hồ chứa thủy điện ..............................................8

1.1.1

Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối ......................................8

1.1.2

Vận hành hồ chứa theo thời gian thực ........................................................9

1.2 Tổng quan các phƣơng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa
đa mục tiêu.................................................................................................................10
1.2.1

Phƣơng pháp mô phỏng ............................................................................10

1.2.2

Phƣơng pháp sử dụng kỹ thuật tối ƣu hóa.................................................14

1.3

Hiện trạng vận hành hồ chứa thủy điện hệ thống sông Hồng ..........................30

1.3.1 Tổng quan những nghiên cứu phục vụ vận hành các công trình thủy điệnthủy lợi hệ thống sông Hồng trong thời kỳ mùa cạn .............................................32
1.3.2

Các quy trình vận hành liên hồ chứa hệ thống sông Hồng .......................35

1.4

Định hƣớng nghiên cứu của luận án ................................................................ 37

1.5

Kết luận chƣơng 1 ............................................................................................40

CHƢƠNG 2
CƠ SỞ KHOA HỌC VẬN HÀNH TỐI ƢU BẬC THANG HỒ
CHỨA THỦY ĐIỆN .....................................................................................................41
2.1

Khái quát về bài toán tối ƣu đa mục tiêu .........................................................41

2.1.1

Hàm mục tiêu ............................................................................................41

2.1.2

Các phƣơng pháp giải bài toán tối ƣu đa mục tiêu....................................41

2.1.3

Lựa chọn phƣơng pháp tối ƣu hóa ............................................................43

2.2

Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện ......44

2.2.1

Đặc điểm chế độ vận hành của hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện ....44

2.2.2 Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu và phạm vi nghiên cứu đối với hệ thống
hồ chứa bậc thang thủy điện ..................................................................................46
2.2.3

Cân bằng nƣớc và các ràng buộc của hệ thống .........................................50

2.2.4

Không gian nghiệm tối ƣu.........................................................................57

2.3 Xây dựng thuật toán quy hoạch động DP-DP đối với hệ thống bậc thang hồ
chứa thủy điện ...........................................................................................................58
2.3.1
(DP)

Nguyên lý chung giải bài toán tối ƣu bằng phƣơng pháp quy hoạch động
…………………………………………………………………………...58
iii


2.3.2

Thuật toán quy hoạch động DP-DP ..........................................................60

2.3.3

Thuật toán quy hoạch động cho bài toán 1 ...............................................63

2.3.4

Thuật toán quy hoạch động của bài toán 2 ................................................67

2.3.5

Thiết lập sơ đồ thuật toán và chƣơng trình tính toán ................................ 71

2.4

Kết luận chƣơng 2 ............................................................................................76

CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG HỒ
CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN .......................77
3.1 Hiện trạng quy hoạch và xây dựng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện
trên hệ thống sông Đà ................................................................................................ 77
3.1.1

Vị trí địa lý ................................................................................................ 77

3.1.2 Hiện trạng các công trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện trên hệ thống bậc
thang sông Đà ........................................................................................................78
3.1.3
3.2

Nhu cầu dùng nƣớc hạ lƣu sông Hồng ......................................................79

Xây dựng mô hình toán vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà
81

3.2.1

Cơ sở thiết lập bài toán tối ƣu ...................................................................81

3.2.2 Thiết lập mô hình tối ƣu điều khiển hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện
sông Đà ..................................................................................................................82
3.2.3

Thiết lập lƣới thực hiện cho mô hình ......................................................102

3.3 Kết quả nghiên cứu tính toán điều tiết tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy

điện sông Đà ............................................................................................................103
3.3.1

Các kịch bản tính toán .............................................................................103

3.3.2

Kết quả tính toán .....................................................................................104

3.4

Xây dựng quy trình vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa Sơn La- Hòa Bình
………………………………………………………………………………116

3.4.1

Cơ sở khoa học đề xuất điều khiển hồ chứa............................................116

3.4.2

Vẽ biểu đồ điều phối tối ƣu .....................................................................118

3.4.3

Vận hành phát điện theo biểu đồ điều phối tối ƣu ..................................119

3.5

Kết luận chƣơng 3 ..........................................................................................124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................126
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................129
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................130

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1- 1: Sơ đồ nội dung nghiên cứu ..........................................................................39
Hình 2- 1: Sơ đồ hệ thống hồ chứa bậc thang .............................................................45
Hình 2- 2: Đặc tính vận hành của turbin thủy điện Sơn La ..........................................52
Hình 2- 3: Sơ họa xác định vị trí làm việc của TTĐ và giá đơn giá công suất .............56
Hình 2- 4: Sơ đồ mô tả sự thay đổi trạng thái theo chiều thời gian với biến trạng thái là
tổng dung tích trữ của các hồ chứa ................................................................................64
Hình 2- 5: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán điều tiết tối ƣu bậc thang hồ
chứa với thuật toán DP-DP (Bài toán 1)........................................................................73
Hình 2- 6: Sơ đồ khối thuật toán quy hoạch động bài toán phân bổ tối ƣu dung tích trữ
bậc thang hồ chứa (Bài toán 2). .....................................................................................74
Hình 3- 1: Vị trí trạm thủy điện hệ thống sông Hồng ...................................................78
Hình 3- 2: Sơ đồ bậc thang mô hình tối ƣu ...................................................................84
Hình 3- 3: Biểu đồ phụ tải các ngày điển hình của các tháng năm 2020 ......................91
Hình 3- 4: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Bmax .....................107
Hình 3- 5: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Bmax ................107
Hình 3- 6: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Emax .....................108
Hình 3- 7: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình theo tiêu chuẩn Emax .................108
Hình 3- 8: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu
chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................111
Hình 3- 9: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu
chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................111
Hình 3- 10: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 2002-2003 theo các tiêu chuẩn

Bmax và Emax ................................................................................................................112
Hình 3- 11: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hòa Bình năm 2002-2003 theo các tiêu
chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................112
Hình 3- 12: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hòa Bình và Sơn La trong các
năm thủy văn ...............................................................................................................113
Hình 3- 13: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hòa Bình và Sơn La trong năm
1949-1950 tính theo hai tiêu chuẩn Bmax và Emax ........................................................114
Hình 3- 14: Công suất phát điện thời đoạn hồ Hòa Bình và Sơn La theo 2 tiêu chuẩn
Bmax và Emax .................................................................................................................114
Hình 3- 15: Biểu đồ điều phối hồ Thuỷ điện Sơn La ..................................................120
Hình 3- 16: Biểu đồ điều phối tối ƣu hồ Thuỷ điện Hòa Bình ....................................122

v


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2- 1: Bảng đơn giá công suất SN áp dụng cho thị trƣờng cạnh tranh năm 2017 .55
Bảng 3- 1: Các thông số chính của một số công trình thủy điện vừa và lớn.................80
Bảng 3- 2: Mực nƣớc tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát ..........................81
Bảng 3- 3: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .........87
Bảng 3- 4: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .........88
Bảng 3- 5: Biểu giá công suất theo Quyết định 86/QĐ-ĐTĐL ngày 23/12/2016 .........89
Bảng 3- 6: Dự báo phụ tải điện các ngày điển hình năm 2020 .....................................90
Bảng 3- 7: Biểu giá công suất thị trƣờng điện tháng 1 ..................................................92
Bảng 3- 8: Khống chế mực nƣớc hồ Hòa Bình và Sơn La ............................................94
Bảng 3- 9: Khống chế mực nƣớc hồ Hòa Bình và Sơn La ............................................95
Bảng 3- 10: Lƣu lƣợng tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát .....................96
Bảng 3- 11: Quan hệ hồ chứa thủy điện Sơn La ........................................................100
Bảng 3- 12: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Sơn La .......................100
Bảng 3- 13: Quan hệ hồ chứa thủy điện Hòa Bình......................................................101

Bảng 3- 14: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Hòa Bình ...................101
Bảng 3- 15: Kết quả tính toán điều tiết tối ƣu theo tiêu chuẩn Bmax và Emax ...............104
Bảng 3- 16: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Sơn La........121
Bảng 3- 17: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Hoà Bình ....123

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANN

Mạng trí tuệ nhân tạo

CGA

Thuật toán di truyền có điều kiện

DDDP
DDP

Quy hoạch động sai phân (Discrete Differential Dynamic
Programming)
Quy hoạch động vi phân (Differential Dynamic Programming)

DP

Quy hoạch động (Dynamic Programming)

DPFRB

Quy hoạch động dựa trên quy luật tập mờ (Dynamic Programming
Fuzzy Rule-Based)
Quy hoạch động xấp xỉ liên tục (Dynamic Programming Successive
Approximation)
Thuật toán tiến hóa (Evolutionary algorithm)

DPSA
EA
EMPSO
FUZZY

Kỹ thuật tối ƣu tinh hoa đột biến bầy đàn (Elitist-Mutated Particle
Swarm Optimization)
Lý thuyết Mờ

GA

Thuật toán di truyền (genetic algorithm )

GAMS

Phần mềm tối ƣu GAMS

HEC

Bộ phần mềm thủy văn, thủy lực của Cục Công binh Hoa kỳ

IDP

Quy hoạch động tăng (Incremental Dynamic Programming)

LP

Quy hoạch tuyến tính (Linear programming)

MIKE11
MNC

Bộ phần mềm thủy văn, thủy lực dòng 1 chiều của Viện Thủy lực Đan
Mạch
Mực nƣớc chết

MNDBT

Mực nƣớc dâng bình thƣờng

NLP

Quy hoạch phi tuyến (Nonlinear programming)

NSGA-II

Một dạng tối ƣu mạng trí tuệ nhân tạo (Non-dominated Sorting Genetic
Algorithm II)
Kỹ thuật tối ƣu bầy đàn (Particle Swarm Optimization)

PSO

vii

SDP

Quy hoạch động ngẫu nhiên (Stochastic dynamic programming)

SSARR

Mô hình tổng hợp dòng chảy và điều tiết hồ chứa (Streamflow
Synthesis and Reservoir Regulation)

TTĐ

Trạm thủy điện

viii


MỞ ĐẦU
1. T nh c p thi t củ

tài

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc, điện năng đóng vai trò vô
cùng quan trọng, để đáp ứng yêu cầu phát triển nền kinh tế nƣớc ta trong những năm
kỷ đầu thế kỷ 21, theo “Quy hoạch phát triển điện lực Quốc gia giai đoạn 2011-2020
có xét đến năm 2030” (Tổng sơ đồ VII [1]) thì yêu cầu phát triển nguồn điện của nƣớc
ta trong thời gian sắp tới là rất lớn:
 Năm 2020: Tổng công suất các nhà máy điện khoảng 60.000 MW, trong đó thủy
điện (cả thủy điện tích năng) 21.600 MW chiếm 36%; nhiệt điện than khoảng
42,7%; nhiệt điện khí 14,9%; các nguồn năng lƣợng tái tạo và các nguồn khác

6,4%.
 Năm 2025: Tổng công suất các nhà máy điện khoảng 96.500 MW, trong đó thủy
điện (cả thủy điện tích năng) 24.600 MW chiếm 25,5%; nhiệt điện than khoảng
49,3%; nhiệt điện khí 16,5%; các nguồn năng lƣợng tái tạo và các nguồn khác
8,7%.
 Năm 2030: Tổng công suất các nhà máy điện khoảng 129.500 MW, trong đó thủy
điện (cả thủy điện tích năng) 27.800 MW chiếm 21,5%; nhiệt điện than khoảng
42,6%; nhiệt điện khí 14,7%; các nguồn năng lƣợng tái tạo và các nguồn khác
21,2%.
Với hơn 2200 hệ thống sông có chiều dài hơn 10 km, trữ năng thủy điện Việt Nam
đƣợc đánh giá tƣơng đối phong phú. Theo đánh giá của chƣơng trình “Xây dựng chiến
lƣợc và chính sách năng lƣợng bền vững” [2] thì trữ năng kỹ thuật của các trạm thủy
điện vừa và lớn (công suất >30MW) của nƣớc ta khoảng 123 tỷ kWh (trữ năng lý
thuyết 300-320 tỷ kWh) tƣơng đƣơng công suất lắp đặt khoảng 31.000 MW. Thủy
điện nhỏ công suất <30 MW đƣợc đánh giá khoảng 4.000 MW (16,4 tỷ kWh) cũng là
tiềm năng đáng kể. Hiện nay công suất lắp đặt tại các trạm thủy điện đang vận hành
khoảng 17.000 MW chiếm 49% tiềm năng kỹ thuật.

1


Nhu cầu phát triển đa dạng theo cơ chế thị trƣờng của nền kinh tế nƣớc ta đòi hỏi tính
chất của các nguồn điện cung cấp có biến động lớn trong ngày và trong các thời kỳ. Hệ
số phụ tải dự báo trong tƣơng lai của biểu đồ phụ tải Việt Nam ở mức tƣơng đối thấp
khoảng 65% với hai khoảng cao điểm và một khoảng thấp trong ngày. Điều đó đòi hỏi
tính linh hoạt của các nguồn cung cấp điện năng và gây khó khăn lớn trong vận hành.
Cùng với các định hƣớng chiến lƣợc phát triển năng lƣợng ở Việt Nam, xu thế hình
thành các hƣớng nghiên cứu phát triển các lĩnh vực liên quan đến khai thác tối ƣu và
hợp lý các công trình làm việc trong hệ thống bậc thang thủy điện. Một số định hƣớng
nghiên cứu mang tính ứng dụng công nghệ cao và tối ƣu hóa khai thác nguồn tài

nguyên đang đƣợc hình thành. Nghiên cứu khai thác tối ƣu nguồn tài nguyên nƣớc
luôn là mục tiêu của các nhà khoa học trong và ngoài nƣớc. Trong lĩnh vực phát triển
thủy điện, vấn đề nghiên cứu các quy trình vận hành tối ƣu nhằm khai thác bền vững
nguồn tài nguyên đang là một xu thế quan tâm cấp bách và nhạy cảm trong tình hình
khí hậu toàn cầu có những biến đổi tiêu cực. Cùng với tình hình phát triển thủy điện ở
Việt Nam hiện nay hệ thống bậc thang thủy điện công suất lớn về cơ bản đã hoàn
thành, tuy nhiên các hệ thống bậc thang thủy điện đều chƣa có quy trình vận hành
chung cho cả hệ thống mang tính sử dụng tối ƣu tổng hợp nguồn tài nguyên nƣớc. Ví
dụ nhƣ hệ thống bậc thang sông Đà, sông Sê San, sông Đồng Nai, sông Ba..., việc xây
dựng và giải quyết bài toán tối ƣu vận hành hồ chứa trong các hệ thống bậc thang này
cho tới nay vẫn chƣa đƣợc nghiên cứu đầy đủ và chƣa có quy định cụ thể trong công
tác vận hành chung của toàn hệ thống.
Hiện nay hầu hết các hệ thống sông lớn của Việt Nam nhƣ sông Đà, sông Sê San, sông
Đồng Nai, sông Ba.... việc quy hoạch và khai thác nguồn năng lƣợng thủy điện trên cơ
bản đã hoàn thành, các công trình chính có ảnh hƣởng lớn đến quy trình khai thác các
hệ thống sông này trên cơ bản đã hoàn thành và đƣa vào sử dụng. Chính phủ đã ban
hành các quy trình vận hành liên hồ chứa cho các hệ thống sông lớn. Tuy nhiên, các
quy trình vận hành liên hồ chứa về cơ bản đƣợc xây dựng trên cơ sở tính toán đảm bảo
an toàn công trình trong mùa lũ. Việc tính toán vận hành trong mùa lũ trong các “Quy
trình vận hành liên hồ chứa” không phải dựa trên nguyên lý tối ƣu lợi ích các ngành
tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu trên cơ sở tính toán điều tiết lũ đảm bảo an

2


toàn chung cho hệ thống và giảm thiểu ngập lụt hạ lƣu các công trình. Trong mùa cạn
“Quy trình vận hành liên hồ chứa” không quy định một nguyên tắc cụ thể của việc vận
hành liên hồ, chƣa xuất phát từ vận hành tối ƣu hệ thống công trình và lợi ích của các
ngành tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu đƣa ra quy định bắt buộc để đảm bảo
dòng chảy tối thiểu hạ lƣu của hệ thống bậc thang. Tuy nhiên, ngay cả các quy định về

dòng chảy tối thiểu cũng chƣa nghiên cứu cùng với hiệu quả lợi dụng tổng hợp. Nói
tóm lại, hiện nay các công trình thủy điện trong các hệ thống bậc thang tuy có “Quy
trình vận hành liên hồ chứa” nhƣng chủ yếu phục vụ cho vận hành an toàn trong mùa
lũ, chƣa đƣa ra các quy trình cụ thể nhằm tối ƣu lợi ích tổng hợp nói chung và đặc biệt
là trong mùa cạn.
Khi vấn đề an toàn công trình không còn bị đe dọa thì việc vận hành tối ƣu của hệ
thống liên hồ là cần thiết, đem lại lợi ích cho các ngành và cho toàn xã hội. Do đó
nghiên cứu chế độ vận hành đặc biệt là vận hành tối ƣu trong mùa cạn rất cần thiết và
đây là bài toán phức tạp chƣa đƣợc giải quyết đầy đủ và hợp lý khi xây dựng các “Quy
trình vận hành liên hồ chứa” và cần đƣợc đầu tƣ nghiên cứu.
Nội dung nghiên cứu của đề tài sẽ tập trung vào giải quyết bài toán tối ƣu hóa điều tiết
hồ chứa trong hệ thống bậc thang, đặc biệt trong thời kỳ kiệt nƣớc làm cơ sở phục vụ
cho việc khai thác tổng hợp nguồn nƣớc một cách có hiệu quả. Hƣớng đề tài tập trung
vào nghiên cứu cơ sở khoa học, xây dựng thuật toán và mô hình bài toán tối ƣu điều
tiết các hồ chứa của bậc thang thủy điện. Kết quả có thể phục vụ việc xây dựng quy
trình vận hành hợp lý và bền vững của hệ thống liên hồ chứa đảm bảo tối ƣu khai thác
năng lƣợng và cấp nƣớc hạ lƣu ổn định và bền vững trong mùa cạn. Việc nghiên cứu
sẽ đƣợc áp dụng đối với hệ thống sông Đà là một sông có tiềm năng thủy điện lớn nhất
Việt Nam với một số hồ chứa dung tích lớn có nhiệm vụ sử dụng tổng hợp. Việc điều
tiết vận hành tối ƣu đối với hệ thông sông này sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn.
Do vậy, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu cơ sở khoa học vận hành tối ưu hệ thống
bậc thang hồ chứa thủy điện trên sông Đà trong mùa cạn” với mong muốn nghiên cứu
cơ sở khoa học để xây dựng chế độ vận hành tối ƣu các hồ chứa bậc thang Hòa Bình
và Sơn La nhằm nâng cao hiệu quả phát điện và đảm bảo cấp nƣớc hạ du. Kết quả
nghiên cứu có thể sử dụng làm công cụ hỗ trợ quyết định vận hành các công trình hồ
3


chứa bậc thang thủy điện nói chung và bậc thang thủy điện sông Đà nói riêng. Ngoài
ra còn giúp cho việc đề xuất quy trình vận hành hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà

đảm bảo cấp nƣớc hạ du và phát điện hiệu quả.
2. Mục ti u nghi n cứu củ luận án
 Nghiên cứu cơ sở khoa học nhằm xây dựng mô hình toán tối ƣu điều tiết phát điện
và cấp nƣớc của hệ thống bậc thang thủy điện nhằm mục đích sử dụng làm công cụ
hỗ trợ quyết định vận hành các công trình hồ chứa bậc thang thủy điện.
 Phân tích các tiêu chuẩn tối ƣu áp dụng cho bài toán vận hành hệ thống bậc thang
thủy điện có xét tới nhiệm vụ cân bằng hệ thống điện nhằm nâng cao hiệu quả lợi
dụng tổng hợp, đảm bảo cấp nƣớc ổn định, an toàn hạ lƣu.
 Áp dụng phƣơng pháp tối ƣu hóa do luận án đề xuất cho một hệ thống cụ thể nhằm
kiểm chứng tính đúng đắn và hợp lý của phƣơng pháp kiến nghị.
3. Đối tượng và ph m vi nghi n cứu
Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện làm nhiệm vụ cấp
nƣớc phát điện và cấp nƣớc hạ du theo yêu cầu lợi dụng tổng hợp. Nghiên cứu tập
trung vào bài toán vận hành thời kỳ mùa cạn nên sự kết hợp với nhiệm vụ phòng lũ
không đƣợc đề cập trong luận án.
Phạm vi nghiên cứu: Bài toán mô phỏng và tối ƣu vận hành cho hệ thống các hồ
chứa bậc thang thủy điện có kết hợp cấp nƣớc đáp ứng yêu cầu dòng chảy hạ du, tham
gia cân bằng năng lƣợng cho hệ thống điện. Nghiên cứu tập trung vào bài toán vận
hành thời kỳ mùa cạn áp dụng cho bậc thang thủy điện Sơn La- Hòa Bình trên sông Đà
với nhiệm vụ phòng lũ không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án.
4. Phư ng pháp nghi n cứu
Phƣơng pháp nghiên cứu thực hiện trong luận án gồm có:
 Phương pháp kế thừa
Thu thập số liệu thủy văn và các số liệu lƣu lƣợng, mực nƣớc, cột nƣớc vận hành đã có
của các trạm thủy điện cụ thể thực hiện trong đề tài để sử dụng nhƣ một dữ liệu cơ sở
phục vụ cho tính toán trong luận án.

4

 Phương pháp phân tích
Nghiên cứu phân tích đặc điểm (ƣu nhƣợc điểm) hệ thống công trình trên bậc thang
thủy điện để xây dựng cơ sở dự liệu về các yếu tố liên quan đến vận hành tối ƣu hệ
thống.
Nghiên cứu các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nƣớc. Phân tích ƣu nhƣợc điểm của
các phƣơng pháp nghiên cứu đã thực hiện để từ đó lựa chọn các phƣơng pháp và công
cụ hỗ trợ phù hợp nhằm giải quyết bài toán hệ thống bậc thang thủy điện với những
mục tiêu đã nêu ra.
 Xây dựng mô hình toán mô phỏng trạng thái hệ thống
Ứng dụng và phát triển các mô hình toán làm công cụ phần mềm chuyên dụng để sử
dụng cho mục tiêu nghiên cứu. Sử dụng mô hình toán mô phỏng quy trình vận hành
với các kịch bản cho trƣớc. Từ đó, thiết lập đƣợc mô hình mô phỏng quá trình làm việc
của hệ thống hồ chứa bậc thang theo các phƣơng án kịch bản đƣa ra.
 Sử dụng và cải tiến các phương pháp tối ưu thông dụng
Phân tích các bài toán tối ƣu trong vận hành hồ chứa để chọn lựa công cụ tối ƣu phù
hợp với mục tiêu của đề tài. Xây dựng các thuật toán tối ƣu và áp dụng tính toán cho
hệ thống một số công trình thủy điện cụ thể trên bậc thang sông Đà.
5. Ý nghĩ kho học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Vận hành tối ƣu hệ thống các hồ chứa bậc thang thủy điện là một
bài toán phức tạp đã và đang là sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học. Hiện
nay đang tồn tại nhiều phƣơng pháp khác nhau khi giải bài toán vận hành tối ƣu hệ
thống hồ chứa bậc thang phát điện, mỗi phƣơng pháp có những ƣu nhƣợc điểm nhất
định. Trong những năm gần đây rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới tiếp tục đƣợc
thực hiện trong lĩnh vực này nhằm hoàn thiện những phƣơng pháp có sẵn hoặc đề xuất
những phƣơng pháp hoàn toàn mới. Luận án phát triển phƣơng pháp quy hoạch động 2
chiều DP-DP là một hƣớng tiếp cận mới khi giải quyết bài toán vận hành hệ thống hồ
chứa bậc thang thủy điện thời kỳ mùa cạn. Kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng
góp thêm về mặt lý luận đối với bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa lợi dụng

5

tổng hợp. Ngoài ra, kết quả nghiên cứu của luận án sẽ bổ sung về mặt phƣơng pháp
luận đối với công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học.
Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án đã có thành công bƣớc đầu khi
giải quyết bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang phát điện theo phƣơng
pháp mà luận án đã đề xuất. Nếu hƣớng nghiên cứu này tiếp tục đƣợc nghiên cứu và
hoàn thiện sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và vận hành một loạt các hệ thống
hồ chứa bậc thang thủy điện ở Việt Nam.
6. Nh ng

ng g p m i củ luận án

 Phát triển thuật toán quy hoạch động 2 chiều DP-DP áp dụng cho bài toán vận hành
tối ƣu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện. Xây dựng mô hình và phát triển phần
mềm tính toán tối ƣu vận hành hệ thống hồ chứa thủy điện có cấu trúc bậc thang
đơn, bƣớc đầu áp dụng thành công cho hệ thống hồ chứa Sơn La-Hòa Bình trên
sông Đà.
 Đƣa tiêu chuẩn lợi ích điện năng có xét đến chế độ làm việc của các trạm thủy điện
trong cân bằng phụ tải của hệ thống điện vào mô hình bài toán tối ƣu chế độ vận
hành hệ thống bậc thang trong mùa cạn mang lại tính hợp lý và hiệu quả của việc
vận hành tối ƣu.
7. C u tr c củ luận án.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án đƣợc trình bày trong ba chƣơng,
bao gồm:
Chương 1: Tổng quan về nghiên cứu trong lĩnh vực vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa
bậc thang thủy điện. Chƣơng này trình bày tổng quan các nghiên cứu vận hành tối ƣu
hệ thống bậc thang thủy điện trong nƣớc và trên thế giới, phân tích các mô hình và
phƣơng pháp vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa từ đó xác định hƣớng nghiên cứu của
đề tài

Chương 2: Cơ sở khoa học vận hành tối ưu bậc thang hồ chứa thủy điện. Nội dung
chƣơng này gồm các nội dung: (i) Thiết lập bài toán tối ƣu và xây dựng thuật toán quy
hoạch động hai chiều DP-DP đối với hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện; (ii) Xây

6


dựng cơ sở khoa học lựa chọn hàm mục tiêu của mô hình bài toán vận hành tối ƣu hệ
thống công trình thủy điện tham gia cân bằng phụ tải của hệ thống điện lực.
Chương 3: Nghiên cứu chế độ vận hành tối ưu hệ thống hồ chứa bậc thang thủy điện
sông Đà trong mùa cạn. Nội dung chƣơng này bao gồm các nội dung: (i) Giới thiệu
những nét cơ bản hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà; (ii) Giới thiệu khái quát mô
hình và phân tích, xử lý các điều kiện biên của bài toán; (iii) Phân tích kết quả tính
toán ứng dụng mô hình cho hệ thống bậc thang thủy điện sông Đà. Phân tích khẳng
định tính hợp lý và tin cậy của mô hình; (iv) Xây dựng biểu đồ điều phối tối ƣu và đề
xuất phƣơng pháp vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối tối ƣu và theo thời gian
thực.

7


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TRONG LĨNH VỰC
VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG HỒ CHỨA BẬC THANG THỦY ĐIỆN
1.1 Nguyên lý chung v vận hành hồ chứa thủy iện
Phụ thuộc vào mức độ tin cậy của dự báo dòng chảy đến (tình hình thủy văn) mà hiện
nay trên thế giới tồn tại hai xu hƣớng cơ bản trong việc quản lý điều hành hồ chứa:
1.1.1 Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối
Khi khả năng dự báo dòng chảy đến hồ không đủ tin cậy, để đảm bảo cho hồ chứa
hoặc hệ thống hồ chứa đảm bảo cấp nƣớc ổn định đáp ứng yêu cầu sử dụng nƣớc của

các hộ dùng theo mục đích sử dụng tổng hợp, tốt hơn hết là sử dụng biểu đồ điều phối.
Các biểu đồ điều phối đƣợc sử dụng cả đối với hồ chứa độc lập và các hồ chứa nằm
trong hệ thống bậc thang là căn cứ chính cho việc ra quyết định hàng ngày khi vận
hành hồ chứa. Có 3 loại biểu đồ điều phối đƣợc sử dụng: (i) Biểu đồ điều phối thông
thƣờng: lập theo yêu cầu sử dụng nƣớc không đƣợc tối ƣu hóa. Loại này thƣờng đƣợc
lập cho hồ chứa có một nhiệm vụ hoặc nhiều nhiệm vụ nhƣng chỉ quan tâm đến nhiệm
vụ chính; (ii) Biểu đồ điều phối tối ƣu: là loại biểu đồ đƣợc xây dựng trên cơ sở
nghiên cứu tối ƣu quá trình vận hành hồ chứa. Loại này thƣờng đƣợc lập với hồ chứa
độc lập phát điện hoặc hồ chứa sử dụng nƣớc đa mục tiêu; (iii) Biểu đồ điều phối của
hồ chứa thuộc hệ thống hồ chứa lợi dụng tổng hợp: là loại biểu đồ điều phối đƣợc xây
dựng trên cơ sở làm rõ vai trò cấp nƣớc và nhiệm vụ vận hành của nó trong hệ thống.
Đây là loại biểu đồ mà quá trình xây dựng nó phải đƣợc xem xét trong mối quan hệ
tƣơng tác giữa các hồ chứa khác về mặt thủy văn, thủy lực và thủy lợi.
Căn cứ vào tài liệu dòng chảy lịch sử (số liệu thực đo hoặc kéo dài nhân tạo) xây dựng
các đƣờng giới hạn quy định các nguyên tắc vận hành của hồ chứa hoặc hệ thống hồ
chứa đảm bảo các yêu cầu bắt buộc và tối ƣu mục tiêu sử dụng. Đối với bậc thang hồ
chứa biểu đồ điều phối quy định mực nƣớc theo từng thời đoạn trong năm đảm bảo các
hồ chứa trữ đủ lƣợng nƣớc cho các yêu cầu sử dụng của các bậc hoặc các hộ dùng phía
hạ lƣu.
Việc xây dựng các đƣờng giới hạn của biểu đồ điều phối hồ chứa đƣợc thực hiện bằng
loạt tính toán điều tiết dòng chảy theo các yêu cầu về lƣu lƣợng nhất định đƣợc xác lập
8


bởi các hộ dùng trong các điều kiện khác nhau về dòng chảy đến. Sử dụng liệt năm
thủy văn lịch sử để tính toán điều tiết lƣu lƣợng. Kết quả tính toán sẽ đƣa ra đƣợc quy
luật vận hành hồ chứa hoặc hệ thống hồ chứa trong các thời điểm trong năm.
Trên biểu đồ điều phối vận hành hồ chứa bắt buộc phải thể hiện ba vùng quy định
nguyên tắc vận hành:
 Vùng đảm bảo an toàn công trình trong đó chỉ thị yêu cầu vận hành khi tất cả các

cửa xả qua công trình cũng nhƣ qua tất cả các tổ máy để đảm không cho phép mực
nƣớc hồ vƣợt quá giới hạn cho phép đồng thời đảm bảo an toàn cho hạ du.
 Vùng làm việc với lƣu lƣợng đảm bảo yêu cầu lợi dụng tổng hợp.
 Vùng cho phép làm việc với lƣu lƣợng lớn hơn lƣu lƣợng đảm bảo. Trong vùng này
cho phép vận hành đảm bảo hiệu ích theo những tiêu chí nhất định.
 Ngoài ra, thông thƣờng biểu đồ điều phối còn quy định vùng làm việc với lƣu lƣợng
nhỏ hơn lƣu lƣợng đảm bảo.
1.1.2 Vận hành hồ chứa theo thời gian thực
Khi có thông tin dự báo lƣu lƣợng dòng chảy đến đáng tin cậy ở thời đoạn tiếp theo,
căn cứ vào tình trạng hiện tại của hồ chứa và biểu đồ điều phối ngƣời vận hành có thể
đƣa ra quyết định trên cơ sở tính toán hợp lý đảm bảo các yêu cầu lợi dụng tổng hợp.
Khác với cách quản lý theo biểu đồ điều phối khi vận hành theo thời gian thực, các
quyết định vận hành đƣợc xác lập bởi kết quả tính toán tối ƣu (hợp lý) trên cơ sở tài
liệu dự báo dòng chảy đến trong tƣơng lai, các dự báo về nhu cầu sử dụng nƣớc của
các ngành tham gia lợi dụng tổng hợp, trạng thái hiện tại của hồ chứa và các hồ chứa
khác trong hệ thống, đối với bài toán phòng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nƣớc hạ du
ở thời đoạn tiếp theo. Tuy nhiên, vì các dự báo không thể hoàn toàn chính xác và tin
cậy, do đó Biểu đồ điều phối đƣợc sử dụng làm điều kiện tham chiếu để đảm bảo vận
hành an toàn hồ chứa theo nhiệm vụ thiết kế. Do dự báo dòng chảy đến hồ và diễn
biến mực nƣớc hạ du có độ chính xác và mức độ tin cậy nhất định nên quyết định vận
hành tại thời điểm ra quyết định vẫn có thể không chuẩn xác và có thể mực nƣớc hồ
vƣợt ra khỏi các vùng của Biểu đồ điều phối, bởi vậy quyết định vận hành vẫn phải
điều chỉnh liên tục theo sự cập nhật của kết quả dự báo.

9


Xu thế hiện nay với trình độ dự báo ngày càng chuẩn xác, việc vận hành tối ƣu và an
toàn là cần thiết và việc tính toán đƣa ra quyết định hợp lý theo thời gian thực không
phải là việc làm quá phức tạp. Việc xây dựng mô hình điều tiết tối ƣu hồ chứa và bậc

thang hồ chứa cho từng hệ thống riêng biệt đang là mục tiêu nghiên cứu của nhiều
chƣơng trình trong và ngoài nƣớc, nhiều phần mềm chuyên dụng đƣợc xây dựng để
giải quyết một số bài toán tối ƣu vận hành của những hệ thống riêng biệt, mang tính
đặc thù.
1.2 Tổng qu n các phư ng pháp xây dựng quy trình vận hành hệ thống hồ chứa
mục tiêu
Ngày nay bài toán tối ƣu hóa tính toán vận hành hệ thống hồ chứa đã đƣợc nhiều tác
giả trong và ngoài nƣớc nghiên cứu và đề xuất một số phƣơng pháp nhằm giúp cho
việc ra quyết định phù hợp với đặc điểm từng hồ chứa, từng hệ thống bậc thang trong
các kịch bản điều hành nhằm mang lại hiệu quả kinh tế và an toàn công trình, đáp ứng
yêu cầu hạ lƣu chống lũ cũng nhƣ an toàn cấp nƣớc. Bài toán tính toán điều tiết tối ƣu
hệ thống hồ chứa đa mục tiêu là bài toán phức tạp, việc giải bài toán tối ƣu hiện nay
thƣờng sử dụng một số phƣơng pháp sau:
1.2.1 Phương pháp mô phỏng
Phƣơng pháp mô phỏng giúp mô tả các trạng thái của hệ thống đang hoạt động hoặc
đƣợc quy hoạch thông qua các biểu thức toán học tƣơng ứng với các trạng thái vận
hành theo thời gian. Việc mô hình hóa các trạng thái và đặc trƣng của hệ thống giúp
hiểu rõ hơn về hoạt động của hệ thống và từ đó rút ra đƣợc những quy luật để đề xuất
quy trình quản lý hệ thống. Về nguyên lý, mô phỏng có nghĩa là xây dựng mô hình mô
tả các trạng thái quy luật vận hành của các công trình trong hệ thống. Nó phản ánh gần
với thực tế quản lý vận hành và đề xuất giải pháp khai thác khả thi.
Trong nghiên cứu vận hành các hồ chứa thủy điện lợi dụng tổng hợp việc xây dựng mô
hình vật lý phản ánh hiện trạng thực của hệ thống để thí nghiệm vận hành là không khả
thi. Do đó, các mô hình mô phỏng toán học đƣợc ứng dụng phổ biến trong nghiên cứu
xây dựng các quy trình vận hành của hệ thống và phát triển với sự phát triển của tin
học. Mô hình mô phỏng sẽ cung cấp những hiểu biết sâu hơn về bài toán vận hành. Mô
hình mô phỏng toán học kết hợp với kinh nghiệm điều hành hồ chứa cho phép giải các
10

bài toán cân bằng nƣớc của đầu vào, đầu ra hồ chứa và quy luật biến đổi lƣợng trữ
trong hệ thống hồ chứa.
Ƣu điểm của mô hình mô phỏng toán học là dễ dàng trong việc thiết lập số liệu đầu
vào và các yêu cầu tính toán khác ít hơn nhiều so với mô hình tối ƣu hóa. Các kết quả
của mô hình mô phỏng dễ dàng hội tụ trong trƣờng hợp hồ chứa đa mục tiêu bằng cách
thỏa hiệp các điều kiện đầu vào.
Các nghiên cứu ở nước ngoài: Hiện nay để mô phỏng và phân tích chuyên sâu về
phƣơng thức hoạt động của hồ chứa và tác động của chúng đối với lƣu vực có thể áp
dụng rất nhiều mô hình khác nhau nhƣ: mô hình HEC-RESSIM, mô hình MIKE11, mô
hình MIKEBASIN.... Trong đó hai mô hình mô phỏng vận hành hệ thống hồ chứa lợi
dụng tổng hợp có đặc điểm sau đây: (i) HEC-RESSIM đƣợc phát triển từ mô hình
HEC-5 mô phỏng khá đầy đủ chế độ vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu (phát
điện, phòng lũ hạ du, cấp nƣớc); (ii) Mô hình MIKE11 có thể sử dụng cho lƣu vực
sông chịu ảnh hƣởng thủy triều, tuy nhiên mô phỏng hoạt động của hồ chứa còn hạn
chế. Ngoài ra, còn có một số mô hình mô phỏng nổi tiếng khác nhƣ: mô hình tổng hợp
dòng chảy và điều tiết hồ chứa SSARR, mô hình mô phỏng phân tích vận hành hệ
thống hồ chứa WRAP.
Mô hình HEC-5 [3] là một trong những mô hình đƣợc sử dụng phổ biến trong mô
phỏng hệ thống hồ chứa tổng quát. Mô hình này do Bill S.Eichert của Trung tâm thủy
văn công trình quân đội Hoa Kỳ (Hydrologic Engineering Center, U.S. Army Corps of
engineering) xây dựng với mục đích ban đầu để kiểm soát trận lũ đơn năm 1973. Hiện
nay, chƣơng trình này đƣợc mở rộng và phát triển mạnh, trong đó đã đƣợc bổ sung
thêm nhiều ứng dụng nhƣ: vận hành cho các mục tiêu duy trì và diễn toán theo thời
gian.
Mô hình HEC-RESSIM (Resevoir System Simulation) đƣợc xây dựng và phát triển từ
mô hình HEC-5 [3]. Đây là mô hình hỗ trợ nghiên cứu quy hoạch nguồn nƣớc, đặc biệt
trong việc mô phỏng hệ thống điều hành, kiểm soát lũ bằng hồ chứa đơn và hệ thống
hồ chứa nối tiếp hoặc song song, cũng nhƣ xác định dung tích hiệu dụng trong bài toán
đa mục tiêu của hệ thống. HEC sử dụng HEC-DSS (Data Storage System) với mục

11


đích lƣu trữ và sửa đổi các hệ thống số liệu vào ra. RESSIM là phần kế thừa của HEC5 gồm 3 mô đun: thiết lập lƣu vực (Watershed setup), mạng lƣới hồ (Reservoir
Network) và mô phỏng (Simulation). Mô hình này thích hợp vận hành hồ chứa theo
biểu đồ điều phối tìm ra đƣờng vận hành tối ƣu.
Mô hình MIKE11 do Viện Thủy lực Đan Mạch (DHI) xây dựng và phát triển, đƣợc
ứng dụng để mô phỏng chế độ thủy lực, chất lƣợng nƣớc và vận chuyển bùn cát của
vùng cửa sông, trong sông, hệ thống tƣới, kênh dẫn và các hệ thống dẫn nƣớc khác.
MIKE11 bao gồm nhiều mô đun nhƣ: mô đun mƣa dòng chảy (RR), mô đun thủy động
lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun
khác. Trong đó, mô đun thủy lực (HD) đƣợc coi là phần trung tâm của mô hình. Tuy
không có mô đun riêng cho diễn toán hồ chứa, nhƣng có thể áp dụng cấu trúc mô đun
thủy lực (HD) của mô hình để mô phỏng chế độ thủy lực của dòng chảy để liên kết vận
hành hồ chứa.
Mỗi một hồ chứa hay hệ thống hồ chứa đều có những đặc thù riêng về đặc tính thủy
văn và mục tiêu khác nhau, do đó việc thiết lập một mô hình tổng quát phù hợp với
mọi hệ thống là rất khó khăn. Vì vậy, tùy thuộc vào từng hệ thống hay từng hồ chứa
mà các nhà nghiên cứu đã thiết lập những mô hình mô phỏng khác nhau để điều khiển
vận hành.
T.G. Bosona và G.Gebresenbet (2010) [4] nghiên cứu vận hành đơn hồ chứa với mục
tiêu tăng cƣờng sản lƣợng điện hàng năm và cải thiện tính đồng đều của việc sản xuất
điện, áp dụng cho TTĐ Melka Wakana thuộc lƣu vực sông Wabi Shebelle, Ethiopia.
Nghiên cứu đã sử dụng phần mềm mô phỏng Powersim viết nền windows để tạo ra hệ
thống mô hình động để mô hình hóa và mô phỏng các hành vi của hệ thống theo thời
gian. Do đó, ngƣời vận hành có thể quan sát ảnh hƣởng của các quyết định trong toàn
bộ thời gian, phát hiện các vùng tiềm ẩn và thực hiện các điều chỉnh trong môi trƣờng
không rủi ro. Nghiên cứu dùng dữ liệu lƣu lƣợng trung bình tháng của 36 năm để phân
tích. Các trƣờng hợp mô phỏng đƣợc thực hiện bằng cách thay đổi các giá trị lƣợng
nƣớc trữ trong hồ chứa ban đầu và lƣợng nƣớc dẫn qua tuabin để phát điện với mục

tiêu thu đƣợc tối đa sản lƣợng điện hàng năm. Kết quả cho thấy, việc sử dụng biểu đồ
quan hệ theo mô hình mô phỏng để vận hành hồ chứa sẽ giúp tăng điện năng trung
12


bình năm 25,97 GWh và chênh lệch giữa điện năng tối đa và tối thiểu trong năm giảm
từ 8,97 GWh xuống 1,88 GWh giúp cho việc phát điện trong các tháng đƣợc đồng đều.
Do đó, áp dụng mô hình mô phỏng này có thể đƣa ra đƣợc chính sách vận hành theo
thời gian thực giúp tăng khả năng phát điện của hồ chứa đối với trạm thủy điện Melka
Wakena.
Cheng Chun-tian, et al. (2010) [5] đề xuất mô hình hỗ trợ ra quyết định trong việc lập
kế hoạch vận hành hệ thống, đƣợc áp dụng cho hệ thống thủy điện quy mô lớn chịu sự
quản lý của nhiều công ty lƣới điện Trung Quốc. Mô hình đã giải quyết thành công các
vấn đề lập kế hoạch vận hành trung hạn, dài hạn và ngắn hạn. Giao diện xây dựng trên
nền Java, cơ sở dữ liệu Oracle và môi trƣờng tích hợp JBuilder9.0 mô hình có mô đun
chính, gồm: mô đun vận hành trung và dài hạn thực hiện kế hoạch vận hành theo năm,
tháng tuần; mô đun vận hành ngắn hạn lên kế hoạch vận hành theo từng ngày hoặc
một vài ngày; mô đun quản lý dữ liệu cho phép xác định một số dữ liệu mới hoặc thay
đổi thông tin cơ bản và đƣờng vận hành hồ chứa…Mô hình hỗ trợ ra quyết định gồm 3
phần: Một là, tự động liên kết các nhà máy trên bậc thang thủy điện để tự động xác
nhận trật tự tính toán đúng trong hệ thống hồ chứa bậc thang. Hai là, tự động thiết lập
kế hoạch trên bộ nhớ thông minh và điều khiển các kịch bản vận hành. Ba là, tƣơng tác
của dữ liệu liên tục với những hệ thống khác. Hệ thống hỗ trợ ra quyết định đạt đƣợc
sự tƣơng tác hoàn hảo với nền dữ liệu của hệ thống thủy điện, hệ thống nhiệt điện-thủy
điện, hệ thống quản lý thông tin nhanh nhạy, hệ thống bảo trì và hệ thống dự báo dòng
chảy giữa một loạt các chƣơng trình.
Nghiên cứu trong nước: Ở Việt Nam hồ chứa trên các hệ thống sông với nhiều mục
đích khác nhau đã và đang đƣợc tiến hành xây dựng, nhƣ hệ thống hồ chứa trên sông
Hồng, sông Ba, sông Sê San, sông Đồng Nai v.v.. để vận hành một hệ thống không
nhỏ các hồ chứa nhiều nhà nghiên cứu trong nƣớc đã sử dụng các mô hình mô phỏng

khác nhau, phổ biến hiện nay là mô hình HEC-RESSIM một mô hình vận hành có điều
khiển phát triển lên từ HEC-5 [3]. Nghiên cứu của Nguyễn Hữu Khải và Lê Thị Huệ
(2007) [6] áp dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng điều tiết lũ hệ thống hồ chứa
trên lƣu vực sông Hƣơng, cho phép xác định trình tự và thời gian vận hành hợp lý các
hồ chứa bảo đảm kiểm soát lũ hạ lƣu sông Hƣơng tại Kim Long và Phú ốc. Nguyễn

13


Hữu Khải, Lê Xuân Cầu (2009) [7] “Nghiên cứu xây dựng công nghệ điều hành hệ
thống liên hồ chứa đảm bảo ngăn lũ, chậm lũ, an toàn vận hành hồ chứa và sử dụng
hợp lý tài nguyên nƣớc về mùa kiệt lƣu vực sông Ba” (đề tài KC.08.30/06-10) đã sử
dụng nhiều công nghệ trong đó có mô hình Hec-Ressim để mô phỏng vận hành liên hồ
chứa sông Ba, sử dụng mô hình Mike 11 để diễn toán lũ về hạ lƣu. Lê Hùng, Tô Thúy
Nga [8] áp dụng mô hình HEC-RESSIM mô phỏng hệ thống hồ chứa trên lƣu vực
sông Vu Gia-Thu Bồn, từ đó đề xuất quy tắc vận hành hồ chứa ứng với trƣờng hợp
mực nƣớc trƣớc khi lũ về nhỏ hơn mực nƣớc đón lũ, nhằm xả lũ an toàn cho hạ du
đồng thời không ảnh hƣởng lớn đến mục tiêu phát điện của các hồ chứa.
1.2.2 Phương pháp sử dụng kỹ thuật tối ưu hóa
Trong quá trình vận hành các trạng thái của hệ thống thay đổi (theo thời gian) và đƣợc
đánh giá bằng cách lƣợng hóa chúng bằng các hàm mục tiêu. Mô hình mô tả hàm mục
tiêu đƣợc gọi là mô hình tối ưu. Việc xây dựng hàm mục tiêu tùy thuộc vào nhiệm vụ
của bài toán quy hoạch và đặc điểm của bản thân từng hệ thống. Mô hình tối ƣu lợi
dụng tổng hợp nguồn nƣớc thƣờng gặp là các bài toán với các mục tiêu cho những
mục đích khai thác khác nhau của các thành phần tham gia lợi dụng tổng hợp nguồn
nƣớc. Những mục tiêu tối ƣu của các thành phần mang tính đặc thù riêng của mục đích
sử dụng nguồn nƣớc.
Phƣơng pháp tối ƣu hóa đƣợc ứng dụng trong tính toán điều hành hệ thống hồ chứa
lợi dụng tổng hợp nguồn nƣớc tƣơng đối phổ biến, đặc biệt đối với các hồ chứa có
mục tiêu phát điện. Sử dụng mô hình tối ƣu để xác định quyết định vận hành của hồ

chứa nhằm đạt kết quả tối ƣu chung cho hệ thống công trình sẽ mang lại hiệu quả kinh
tế chung. Kết quả nghiên cứu của các mô hình tối ƣu có thể đƣợc sử dụng để lập Biểu
đồ điều phối tối ƣu, đồng thời làm cơ sở cho việc ra quyết định trong việc giải quyết
các tranh chấp giữa các mục tiêu khác nhau.
Tất cả các bài toán tối ƣu có hai thành phần chủ yếu: Hàm mục tiêu và tất cả tập hợp
các ràng buộc. Hàm mục tiêu mô tả tiêu chuẩn cần đạt đƣợc của hệ thống. Các ràng
buộc mô tả hệ thống hay quy trình đang đƣợc thiết kế. Các ràng buộc thể hiện dƣới
dạng các biểu thức toán học là các đẳng thức và bất đẳng thức. Nghiệm của bài toán
tối ƣu là một tập hợp các giá trị biến quyết định hàm mục tiêu đồng thời thỏa mãn các
14


ràng buộc. Nghiệm của bài toán tối ƣu có thể không duy nhất, nó là tập hợp nhiều giá
trị. Miền nghiệm là miền mà các nghiệm chấp nhận đƣợc, xác định bởi ràng buộc. Một
nghiệm tối ƣu là một tập hợp các giá trị của biến quyết định thỏa mãn các ràng buộc và
cho ta một giá trị tối ƣu của hàm mục tiêu.
Trong một bài toán tối ƣu, hàm mục tiêu có dạng tối thiểu
( ), cùng với tập hợp các ràng buộc
. Trong đó
( )

( )

( ) hoặc tối đa
,

( )

là véc tơ n biến (các biến quyết định),

( )

,

là các ràng buộc dƣới dạng bất đẳng thức và đẳng thức. Tùy thuộc bản chất

của các hàm mục tiêu và các ràng buộc mà một bài toán tối ƣu có thể: tuyến tính, phi
tuyến, tất định, xác suất, tĩnh, động. Tham số có thể dƣới dạng phân phối hay tham số
tập trung.
Vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa thủy điện, đặc biệt là hệ thống hồ chứa thủy điện
bậc thang, là một bài toán lớn và phức tạp. Bởi vậy, một số lƣợng lớn các nghiên cứu
trên thế giới về bài toán này đã đƣợc thực hiện, nhƣng cho đến nay vẫn còn nhiều tồn
tại và đang là đối tƣợng đƣợc nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Các kỹ
thuật tối ƣu trong vận hành hệ thống hồ chứa đƣợc phát triển theo 3 hướng chính sau
đây:
(1) Tối ưu tất định bao gồm: (i) Quy hoạch tuyến tính (LP); (ii) Quy hoạch phi tuyến
(NLP); (iii) Quy hoạch động (DP) đƣợc phát triển theo các hƣớng khác nhau, bao
gồm: Quy hoạch động vi phân (DDP), quy hoạch động sai phân (DDDP), Quy
hoạch động xấp xỉ liên tục (DPSA) v.v...
(2) Tối ưu ngẫu nhiên: Quy hoạch động ngẫu nhiên (SDP); Quy hoạch động dựa trên
quy luật mờ (DPFRB), v..v
(3) Kỹ thuật trí tuệ nhân tạo, bao gồm: Giải thuật di truyền (GA); Thuật toán tiến hóa
(EA); mạng Nơtron nhân tạo (ANN) cũng đƣợc phát triển theo nhiều hƣớng khác
nhau nhằm hoàn thiện phƣơng pháp tìm nghiệm tối ƣu.
Nghiên cứu nước ngoài: Kỹ thuật tối ƣu hóa bằng quy hoạch tuyến tính (LP) và quy
hoạch động (DP) đã đƣợc áp dụng rộng rãi trong bài toán tài nguyên nƣớc với những

15