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 cơng 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 CẢM ƠN
Trƣớc tiên, từ đáy lịng mình tác giả xin bày tỏ lịng 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 cơng 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 ngồi 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 Cơng trình, Bộ mơn 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
ln 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 BẬC THANG HỒ CHỨA 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 cơng 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 sơng 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 HỆ THỐNG 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 bậc thang hồ chứa thủy điện ......44

2.2.1

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

2.2.2 Thiết lập bài toán vận hành tối ƣu và phạm vi nghiên cứu đối với hệ thống
bậc thang hồ chứa 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 Nguyên lý chung giải bài toán tối ƣu bằng phƣơng pháp quy hoạch động
(DP)……………………………………………………………………………...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 tốn ................................ 71

2.4

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

CHƢƠNG 3
NGHIÊN CỨU CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƢU HỆ THỐNG BẬC
THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN SÔNG ĐÀ TRONG MÙA CẠN ..........................77

3.1 Hiện trạng quy hoạch và xây dựng các cơng trình hồ chứa thủy lợi- thủy điện
trên hệ thống sơng Đà ................................................................................................ 77
3.1.1

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

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

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

3.2 Xây dựng mô hình tốn vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện
sông Đà ......................................................................................................................81
3.2.1

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

3.2.2 Thiết lập mơ 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 mơ hình ........................................................97

3.3 Kết quả nghiên cứu tính tốn điều tiết tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy
điện sông Đà ..............................................................................................................98
3.3.1

Các kịch bản tính tốn ...............................................................................98

3.3.2

Kết quả tính tốn .......................................................................................99

3.4 Xây dựng quy trình vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện Sơn LaHịa Bình ..................................................................................................................111
3.4.1

Cơ sở khoa học đề xuất điều khiển hồ chứa............................................111

3.4.2

Vẽ biểu đồ điều phối tối ƣu .....................................................................113

3.4.3

Vận hành phát điện theo biểu đồ điều phối tối ƣu ..................................114

3.5

Kết luận chƣơng 3 ..........................................................................................119

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................121
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................124
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................125

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 [76] ...................................52
Hình 2- 3: Sơ họa xác định vị trí làm việc của TTĐ và giá đơn giá cơng 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 hệ thống bậc
thang hồ chứa thủy điện với thuật tốn DP-DP (Bài tốn 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 tốn 2). .....................................................................................74
Hình 3- 1: Vị trí trạm thủy điện hệ thống sơng Hồng ...................................................78
Hình 3- 2: Sơ đồ bậc thang mơ hình tối ƣu ...................................................................84
Hình 3- 3: Biểu đồ phụ tải các ngày điển hình của các tháng năm 2020 [1] ................87
Hình 3- 4: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Bmax .....................102
Hình 3- 5: Đƣờng q trình mực nƣớc hồ Hịa Bình theo tiêu chuẩn Bmax ................102
Hình 3- 6: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La theo tiêu chuẩn Emax .....................103
Hình 3- 7: Đƣờng q trình mực nƣớc hồ Hịa Bình theo tiêu chuẩn Emax .................103
Hình 3- 8: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu
chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................106
Hình 3- 9: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Hịa Bình năm 1930-1931 (Ptk) theo các tiêu
chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................106
Hình 3- 10: Đƣờng quá trình mực nƣớc hồ Sơn La năm 2002-2003 theo các tiêu chuẩn
Bmax và Emax ................................................................................................................107
Hình 3- 11: Đƣờng q trình mực nƣớc hồ Hịa Bình năm 2002-2003 theo các tiêu
chuẩn Bmax và Emax ......................................................................................................107
Hình 3- 12: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hịa Bình và Sơn La trong các
năm thủy văn ...............................................................................................................108
Hình 3- 13: Diễn biến công suất khả dụng của TTĐ Hịa Bình và Sơn La trong năm
1949-1950 tính theo hai tiêu chuẩn Bmax và Emax ........................................................109
Hình 3- 14: Cơng suất phát điện thời đoạn hồ Hịa Bình và Sơn La theo 2 tiêu chuẩn
Bmax và Emax .................................................................................................................109

Hình 3- 15: Biểu đồ điều phối hồ Thuỷ điện Sơn La ..................................................115
Hình 3- 16: Biểu đồ điều phối tối ƣu hồ Thuỷ điện Hịa Bình ...................................117

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 thơng số chính của một số cơng 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: Khống chế mực nƣớc hồ Hịa Bình và Sơn La ............................................89
Bảng 3- 4: Khống chế mực nƣớc hồ Hịa Bình và Sơn La ............................................90
Bảng 3- 5: Lƣu lƣợng tối thiểu thời kỳ mùa cạn tại các nút kiểm soát [68] ................91
Bảng 3- 6: Quan hệ hồ chứa thủy điện Sơn La [76] ......................................................95
Bảng 3- 7: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Sơn La ...........................95
Bảng 3- 8: Quan hệ hồ chứa thủy điện Hịa Bình [76] ..................................................96
Bảng 3- 9: Quan hệ lƣu lƣợng và mực nƣớc hạ lƣu nhà máy Hịa Bình [76] ...............96
Bảng 3- 10: Kết quả tính tốn điều tiết tối ƣu theo tiêu chuẩn Bmax và Emax .................99
Bảng 3- 11: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Sơn La........116
Bảng 3- 12: Tọa độ các đƣờng giới hạn biểu đồ điều phối hồ thủy điện Hồ Bình ....118

vi


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANN

Mạng trí tuệ nhân tạo

CGA

Thuật tốn 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 tốn 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

Mơ 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 cơng nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nƣớc, điện năng đóng vai trị vơ
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 sơng 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 địi 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 địi 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 cơng trình làm việc trong hệ thống bậc thang thủy điện. Một số định hƣớng
nghiên cứu mang tính ứng dụng cơng nghệ cao và tối ƣu hóa khai thác nguồn tài
ngun 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 tồn 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 thủy điện 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 cơng tác vận hành chung của tồn 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 hồn thành, các cơng trình chính có ảnh hƣởng lớn đến quy trình khai thác các
hệ thống sơng này trên cơ bản đã hồn thành và đƣa vào sử dụng. Chính phủ đã ban
hành các quy trình vận hành liên hồ chứa cho các hệ thống sơng lớn. Tuy nhiên, các
quy trình vận hành liên hồ chứa về cơ bản đƣợc xây dựng trên cơ sở tính tốn đảm bảo
an tồn cơng trình trong mùa lũ. Việc tính tốn vận hành trong mùa lũ trong các “Quy
trình vận hành liên hồ chứa” khơng phải dựa trên nguyên lý tối ƣu lợi ích các ngành
tham gia lợi dụng tổng hợp mà chủ yếu trên cơ sở tính tốn điều tiết lũ đảm bảo an

2


toàn chung cho hệ thống và giảm thiểu ngập lụt hạ lƣu các cơng 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 cơng 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 hồ chứa. 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 cơng 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 tồn cơng trình khơng cịn 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 tồn 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 tốn tối ƣu hóa điều tiết
hồ chứa trong hệ thống bậc thang thủy điện, 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 mơ hình bài tốn tối

ƣu điều tiết các hồ chứa của hệ thống 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 sơng Đà là một sơng 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 của hệ thống bậc
thang hồ chứa thủy điện Hịa Bình và Sơn La nhằm nâng cao hiệu quả phát điện và
3


đảm bảo cấp nƣớc hạ du. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng làm cơng cụ hỗ trợ quyết
định vận hành các cơng trình của hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện nói chung và
hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sơng Đà nói riêng. Ngồi ra cịn giúp cho việc
đề xuất quy trình vận hành hệ thống bậc thang hồ chứa 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 mơ hình tốn tối ƣu điều tiết phát điện
và cấp nƣớc của hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện nhằm mục đích sử dụng làm
công cụ hỗ trợ quyết định vận hành các cơng trình của hệ thống bậc thang.
 Phân tích các tiêu chuẩn tối ƣu áp dụng cho bài toán vận hành hệ thống bậc thang
hồ chứa 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 phịng lũ
khơng đƣợc đề cập trong luận án.
Phạm vi nghiên cứu: Bài tốn mơ phỏng và tối ƣu vận hành cho hệ thống bậc thang
hồ chứa 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 hệ thống bậc thang thủy điện Sơn La- Hịa Bình trên sơng Đà
với nhiệm vụ phịng lũ khơng 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

4


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 tốn trong luận án.
 Phương pháp phân tích
Nghiên cứu phân tích đặc điểm (ƣu nhƣợc điểm) hệ thống cơng trình trên hệ thống
bậc thang hồ chứa 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 hồ chứa thủy điện với
những mục tiêu đã nêu ra.
 Phương pháp mơ hình tốn
Ứng dụng và phát triển các mơ hình tốn làm công cụ phần mềm chuyên dụng để sử
dụng cho mục tiêu nghiên cứu. Sử dụng mơ hình tốn mơ phỏng quy trình vận hành
với các kịch bản cho trƣớc. Từ đó, thiết lập đƣợc mơ hình mơ phỏng q trình làm việc

của hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện theo các phƣơng án kịch bản đƣa ra.
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, cải tiến các thuật toán tối ƣu và áp dụng tính
tốn cho hệ thống một số cơng trình thủy điện cụ thể trên hệ thống bậc thang hồ chứa
thủy điện trên sông Đà.
5. Ý nghĩ kho học và thực tiễn của luận án
Ý nghĩa khoa học: Vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa 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
bậc thang hồ chứa thủy 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 hồn 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 bậc
5


thang hồ chứa thủy điện thời kỳ mùa cạn. Kết quả nghiên cứu của luận án có đóng
góp thêm về mặt lý luận đối với bài toán vận hành tối ƣu hệ thống hồ chứa lợi dụng
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 cơng bƣớc đầu khi
giải quyết bài toán vận hành tối ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện theo phƣơng
pháp mà luận án đã đề xuất. Nếu hƣớng nghiên cứu này có thể tiếp tục đƣợc đầu tƣ,
hồn thiện để áp dụng vào thực tế sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác và vận
hành một loạt các hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện ở Việt Nam.
6. 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 bậc

thang hồ chứa thủy điện. Chƣơng này trình bày tổng quan các nghiên cứu vận hành tối
ƣu hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện trong nƣớc và trên thế giới, phân tích các mơ
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 hệ thống 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 dựng cơ sở khoa học lựa chọn hàm mục tiêu của mơ hình bài tốn vận hành
tối ƣu hệ thống cơng 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 bậc thang hồ chứa 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 hồ chứa thủy điện sông Đà; (ii) Giới thiệu khái
quát mơ hình và phân tích, xử lý các điều kiện biên của bài tốn; (iii) Phân tích kết quả
tính tốn ứng dụng mơ hình cho hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện sơng Đà. Phân
tích khẳng định tính hợp lý và tin cậy của mơ hình; (iv) Xây dựng biểu đồ điều phối tối

6


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 BẬC THANG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN
1.1 Nguyên lý chung v vận hành hồ chứa thủy iện
Hiệu quả quản lý điều hành hồ chứa phụ thuộc vào mức độ tin cậy của dự báo dịng

chảy đến (tình hình thủy văn), hiện nay trên thế giới tồn tại hai xu hƣớng cơ bản:
1.1.1 Quản lý vận hành hồ chứa theo biểu đồ điều phối
Khi khả năng dự báo dịng chảy đến hồ khơng 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 khơng 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 q 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 từng 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 tốn điều tiết dịng chảy theo các u 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 tốn điều tiết lƣu lƣợng. Kết quả tính tốn 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 tồn cơng trình trong đó chỉ thị yêu cầu vận hành khi tất cả các
cửa xả qua cơng 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.
 Ngồi ra, thơng thƣờng biểu đồ điều phối cịn 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 thơng tin dự báo lƣu lƣợng dịng 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 tốn hợp lý đảm bảo các u 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 tốn 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 tốn phịng lũ hạ du cần thêm dự báo mực nƣớc hạ du
ở thời đoạn tiếp theo. Tuy nhiên, vì các dự báo khơng thể hồn tồn 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 khơng 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 tốn đƣa ra quyết định hợp lý theo thời gian thực không
phải là việc làm q phức tạp. Việc xây dựng mơ hình điều tiết tối ƣu hồ chứa và hệ
thống bậc thang hồ chứa cho từng hệ thống riêng biệt đang là mục tiêu nghiên cứu của
nhiều chƣơng trình trong và ngồi 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 tốn 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 cơng trình, đáp ứng
u cầu hạ lƣu chống lũ cũng nhƣ an tồn cấp nƣớc. Bài tốn tính tốn 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 thơng qua các biểu thức tốn 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, mơ phỏng có nghĩa là xây dựng mơ hình mơ
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 mơ
hình vật lý phản ánh hiện trạng thực của hệ thống để thí nghiệm vận hành là khơng khả
thi. Do đó, các mơ hình mơ phỏng tốn 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. Mơ hình mơ phỏng sẽ cung cấp những hiểu biết sâu hơn về bài toán vận hành. Mơ

hình mơ phỏng tốn 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 mơ hình mơ phỏng tốn học là dễ dàng trong việc thiết lập số liệu đầu
vào và các u cầu tính tốn khác ít hơn nhiều so với mơ hình tối ƣu hóa. Các kết quả
của mơ hình mơ 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 mơ phỏng và phân tích chun sâu về
phƣơng thức hoạt động của hồ chứa và tác động của chúng đối với lƣu vực có thể áp
dụng rất nhiều mơ hình khác nhau nhƣ: mơ hình HEC-RESSIM, mơ hình MIKE11, mơ
hình MIKEBASIN.... Trong đó hai mơ hình mơ phỏng vận hành hệ thống hồ chứa lợi
dụng tổng hợp có đặc điểm sau đây: (i) HEC-RESSIM đƣợc phát triển từ mơ hình
HEC-5 mơ phỏng khá đầy đủ chế độ vận hành hệ thống hồ chứa đa mục tiêu (phát
điện, phịng lũ hạ du, cấp nƣớc); (ii) Mơ hình MIKE11 có thể sử dụng cho lƣu vực
sơng chịu ảnh hƣởng thủy triều, tuy nhiên mô phỏng hoạt động của hồ chứa cịn hạn
chế. Ngồi ra, cịn có một số mơ hình mơ phỏng nổi tiếng khác nhƣ: mơ hình tổng hợp
dịng chảy và điều tiết hồ chứa SSARR, mơ hình mơ phỏng phân tích vận hành hệ
thống hồ chứa WRAP.
Mơ hình HEC-5 [3] là một trong những mơ hình đƣợc sử dụng phổ biến trong mô
phỏng hệ thống hồ chứa tổng qt. Mơ hình này do Bill S.Eichert của Trung tâm thủy
văn cơng trình qn 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 tốn theo thời
gian.
Mơ hình HEC-RESSIM (Resevoir System Simulation) đƣợc xây dựng và phát triển từ
mơ hình HEC-5 [3]. Đây là mơ 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 tốn
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 mơ phỏng (Simulation). Mơ hình này thích hợp vận hành hồ chứa theo
biểu đồ điều phối tìm ra đƣờng vận hành tối ƣu.
Mơ 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: mơ đun mƣa dịng chảy (RR), mơ đun thủy động
lực (HD), mô đun tải - khuếch tán (AD), mô đun sinh thái (Ecolab) và một số mô đun
khác. Trong đó, mơ đun thủy lực (HD) đƣợc coi là phần trung tâm của mơ hình. Tuy
khơng có mơ đun riêng cho diễn tốn hồ chứa, nhƣng có thể áp dụng cấu trúc mơ đun
thủy lực (HD) của mơ hình để mơ phỏng chế độ thủy lực của dịng 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 mơ hình tổng qt 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 mơ 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 mơ hình động để mơ hình hóa và mơ 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 mơ hình mơ 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 mơ hình mơ 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 mơ 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. Mơ hình đã giải quyết thành cơng 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 mơi trƣờng tích hợp JBuilder9.0 mơ hình có mơ đun
chính, gồm: mơ 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…Mơ hình hỗ trợ ra quyết định gồm 3
phần: Một là, tự động liên kết các nhà máy trên hệ thống bậc thang thủy điện để tự
động xác nhận trật tự tính tốn đúng trong hệ thống 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 dịng
chảy giữa một loạt các chƣơng trình.

Nghiên cứu trong nước: Ở Việt Nam hồ chứa trên các hệ thống sơng 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 mơ hình mơ phỏng
khác nhau, phổ biến hiện nay là mơ hình HEC-RESSIM một mơ 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 mơ hình HEC-RESSIM mơ 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 sốt lũ hạ lƣu sơng 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 cơng nghệ trong đó có mơ hình Hec-Ressim để mô phỏng vận hành liên hồ
chứa sông Ba, sử dụng mơ hình Mike 11 để diễn tốn lũ về hạ lƣu. Lê Hùng, Tơ Thúy
Nga [8] áp dụng mơ 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 tồn cho hạ du
đồng thời khơng 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. Mơ hình mơ tả hàm mục
tiêu đƣợc gọi là mơ 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. Mơ 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 mơ hình tối ƣu để xác định quyết định vận hành của hồ
chứa nhằm đạt kết quả tối ƣu chung cho hệ thống cơng trình sẽ mang lại hiệu quả kinh
tế chung. Kết quả nghiên cứu của các mơ 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 mơ 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 tốn tối ƣu có thể khơng 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 hồ chứa thủy điện, đặc biệt là hệ thống bậc thang hồ chứa thủy điện 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 tốn tiến hóa
(EA); mạng Nơtron nhân tạo (ANN) cũng đƣợc phát triển theo nhiều hƣớng khác
nhau nhằm hồn thiện phƣơng pháp tìm nghiệm tối ƣu.
Nghiên cứu nước ngồi: 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
nghiên cứu của Yakowitz (1982), Yeh (1985), Simonovic (1992) và Wurbs (1993)...

15