Система прогнозирования
водно-энергетических режимов ГЭС

О проекте

По результатам работы над проектом нами была разработана информационная система, предназначенная для прогнозирования условий работы гидроагрегатов для достижения плановых показателей выработки мощности и водопотребления. Диспетчерский центр собирает и анализирует информацию, создает модель предсказания. На основе этих данных принимается решение о режимах работы гидроагрегатов и водосбросов.

Система предназначена для автоматизации деятельности по планированию водных и энергетических режимов ГЭС и каскадов ГЭС в долгосрочной, среднесрочной и краткосрочной перспективе, сбору и представлению оперативной и аналитической информации в части управления водными и энергетическими режимами.

Цели исследования

Разработать модель, позволяющую рассчитать следующие параметры ГЭС:

Уровни и расходы воды на ГЭС с учетом инерции движения водных масс;
Диспетчерский график работы гидроузла;
Сбросной расход гидроузла;
Средняя за расчетный интервал мощность ГЭС;
Суммарная пропускная способность гидроузла.

Задачи

Соответствовать целевым показателям энергосбережения и энергетической эффективности для одного из каскадов ГЭС крупной энергетической компании.
Обеспечить требуемый уровень безопасности и надежности эксплуатации гидротехнических сооружений и основного оборудования за счет увеличения точности расчета возможных водно-энергетических режимов работы ГЭС и каскадов ГЭС на всех горизонтах планирования.

Принцип работы и модули системы

Модуль долгосрочного планирования

Модуль среднесрочного планирования

Модуль краткосрочного планирования

Модуль долгосрочного планирования водно-энергетических режимов позволяет осуществлять сценарные расчеты режимов ГЭС и каскадов ГЭС на период от одного года и более с дискретностью интервалов декада и месяц.

Основные функции:

построение сценарных прогнозов режима работы ГЭС и/или каскадов ГЭС в долгосрочной перспективе с использованием данных из единой базы данных в единой для всех филиалов и дочерних обществ компании логике и форматах;
экспорт и отображение прогнозов режима работы ГЭС и/или каскадов ГЭС в установленном формате и по определенным правилам;
настройка механизма экспорта результирующих данных в формат Excel, XML.

Модуль имитационного моделирования на среднесрочном горизонте предназначен для моделирования функционирования водохозяйственных систем и движения водных масс в русловой сети. Он позволяет проводить весь спектр водохозяйственных и водно-энергетических расчетов и может использоваться в качестве инструмента поддержки принятия решений при назначении режимов работы водохозяйственных систем, а также при проведении проектных и научно-исследовательских работ.

Модуль позволяет рассчитывать те же показатели и выполняет те же функции, что и модуль долгосрочного планирования, но на среднесрочном горизонте планирования.

Модуль краткосрочного планирования предназначен для расчетов сценариев и планирования водно-энергетических режимов ГЭС на горизонте от одного до трех суток с дискретностью по часам. Модуль позволяет производить расчёт планового режима (верхний бьеф, нижний бьеф) работы ГЭС по заданному графику нагрузки с учётом плана открытия водосбросов.

Краткосрочное планирование в системе реализовано на основании обработки архивов данных телеметрии уровней воды ГЭС с использованием алгоритмов машинного обучения.

Основные функции:

определение ожидаемого режима ГЭС по мощности, уровню верхнего бьефа, расходу в нижнем бьефе;
определение оптимального состава гидроагрегата по критерию максимума КПД по режимной генерирующей единице;
планирование графика открытия холостых водосбросов;
расчет располагаемой мощности.

Программный комплекс, используемый в системе, позволяет рассчитывать следующие водохозяйственные и энергетические показатели:

уровни воды: средние по длине водохранилища, у плотины гидроузла и в его нижнем бьефе (средние за интервал регулирования и на конец интервала);
уровни воды в створах, расположенных на речных участках водохозяйственной системы (средние за интервал регулирования и на конец интервала);
сбросные расходы гидроузла, включая расходы через турбины, водосбросы, фильтрационные расходы и расходы на шлюзование (средние за интервал регулирования);
напоры нетто, турбинные расходы, генерируемую мощность ГЭС (средние за интервал регулирования), выработку электроэнергии на ГЭС;
напоры, подачу воды, потребляемую мощность (средние за интервал регулирования) и потребляемую электроэнергию на насосных станциях.

Интерфейс

Сводная информация по ГЭС

Совместный график фактической и прогнозной модели

Постпрогноз режимов ГЭС

Отчет по контролю выполнения режимов

Результаты работы

Применение алгоритмов и внедрение ИС позволило:

добиться фактической экономии водно-энергетических ресурсов;
повысить эффективность использования водных ресурсов;
сократить удельные расходы энергетических ресурсов на собственные, производственные и хозяйственные нужды.

В данный момент ведутся работы по улучшению точности прогноза путем учета дополнительных характеристик объектов и добавления в модель связи с другими ГЭС, входящими в каскад.

Частые вопросы

Какие ограничения необходимо учитывать при прогнозировании работы ГЭС?

Производя расчет водно-энергетических режимов, необходимо учитывать ограничения, накладываемые различными участниками водохозяйственного комплекса, энергосистемы, а также требованиями безопасности эксплуатации ГТС на следующие параметры:

ограничения по величине объема глубины сработки водохранилища за планируемый период;
ограничения по максимальным и минимальным значениям:
- уровня воды в верхнем бьефе в определенные временные интервалы;
- скорости сработки и наполнения водохранилища в каждом расчетном интервале;
- уровня воды в нижнем бьефе по расчетным интервалам на весь период планирования;
- среднеинтервальной мощности ГЭС за весь период планирования;
- расхода воды через турбины ГЭС.
отсутствие детерминированного прогноза объема притока воды в водохранилище на планируемый период;
отсутствие информации о фактических запасах воды в водохранилищах на начало планируемого периода;
ограничения на рабочую мощность, связанные с вводом или выводом оборудования (план ремонта основного оборудования ГЭС);
ограничения по выдаче мощности ГЭС в электрическую сеть.

По каким критериям производится оптимизация режимов ГЭС?

При заданном ожидаемом расходе ресурса модель итерационно рассчитывает прогноз изменения уровней верхнего и нижнего бьефов. При расчете прогноза расхода необходимо выбрать и учесть критерий оптимизации, используемый в дальнейшем и при работе гидроузла. Доступен выбор следующих критериев:

Оптимизация по КПД – работа ГЭС с максимально возможной выработкой (при заданных ограничениях по суточному расходу).
Оптимизация по составу работающих ГА – работа ГЭС с приоритетом загрузки гидроагрегатов по следующим критериям:
- Минимум пусков/остановов.
- Приоритет загрузки генераторов/блоков.
- Комбинированный метод, сочетающий оба подхода.
Оптимизация по мощности.
Оптимизация по выработке (расчет оптимального режима ГЭС по критерию максимума выработки электроэнергии).
Оптимизация по выручке (расчет оптимального режима ГЭС по критерию максимума выручки от реализации электроэнергии).
Комбинированный метод, сочетающий все перечисленные подходы.

На основе каких данных производится прогноз верхнего и нижнего бьефов?

Для оптимизации режимов работы ГЭС большое значение имеет прогноз условий, в которых функционируют гидроагрегаты. Прогнозирование верхнего и нижнего бьефов с использованием искусственной нейронной сети учитывает следующие параметры:

текущий уровень верхнего бьефа и средние значения верхнего бьефа за несколько часов до периода начала прогноза;
факт и прогноз притока к створу ГЭС, суммарный (косвенный учет скорости сработки/наполнения водохранилища) – для прогноза нижнего бьефа данный параметр не используется;
прогноз расхода ГЭС (почасовой) на период прогноза;
прогноз атмосферного давления (учет фильтрации);
прогноз направления и скорости ветра (учет нагонных явлений летом);
средняя температура за заданный период перед прогнозом (оледенение зеркала акватории верхнего бьефа, таяние льда, испарение);v
факт объема сброса за предыдущий период (косвенный учет скорости наполнения/сработки водохранилища);
месяц года (характеризует период паводка, межени, зимнего периода и, косвенно, совместно с параметром «средняя температура», наличие оледенения).