Ứng dụng mô hình toán nghiên cứu chu kỳ dao động nhiều năm, sự lệch pha và mô phỏng dòng chảy trên một số sông có nhà máy thủy điện và ứng dụng nó vào vận hành tối ưu hệ thống thủy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI KHOA HỌC T ự• NHIÊN • HỌC • • •ỉc -k 'k -ie Ứ N G D Ụ N G M Ô H ÌN H T O Á N N G H IÊ N -k u CHU KỲ DAO ĐỘNG N H IÈ U N Ă M , S ự L Ệ C H PH A V À M Ô P H Ỏ N G D Ò N G C H Ả Y T R Ê N M Ộ T SÓ SÔ N G C Ố N H À M Á Y T H Ủ Y Đ IỆ N V À Ứ N G D Ụ N G N Ó V À O V Ậ N H À N H T Ó I Ư U H Ệ T H Ó N G T H Ủ Y Đ IỆ N Q U Ố C G IA M ã số: Q G 0721 C hủ trì đề tài: PG S T S N gu yễn V ăn T uần C án tham gia: N C S N guyễn Đ ứ c H ạnh T hS N gơ T hị H ịa ĐẠI H Ọ C Q U Ố C GIA HÀ N Ộ I TRUNG TÂM THÒNG TIN THƯ V ỀN Ỉ)T / £ L i H N ội - 2008 B Á O C Á O T Ó M T Ắ T B Ằ N G T IẾ N G V IỆ T a) Tên đề tài: ứ n g dụng mơ hình tốn nghiên cứu chu kỳ dao động nhiều năm, độ lệch pha mơ dịng chảy m ột số sơng có nhà m áy thủy điện ứng dụng vào vận hành tối ưu hệ thống thủy điện Quốc gia b) Chủ trì đề tài: PGS TS N guyễn V ăn Tuần c) Các cán tham gia: 1- NCS N guyễn Đức H ạnh - Trường Đại học K hoa học T ự nhiên 2- ThS N gơ Thị Hịa - Cơng ty thiết kế thủy điện I d) M ục tiêu nội dung nghiên cứu d l M ục tiêu đề tài: ứ n g dụng mơ hình tốn: đường lũy tích hiệu số nghiên cứu độ lệch pha dịng chảy dùng trình nghiên cứu khác A RIM A , X im akop, Thorm at Fiering phân tích điều hịa để mơ dịng chảy tháng năm m ột số sông cỏ nhà máy thủy điện từ lựa chọn hàm m ô tốt sau đưa vào toán điều hành nhà mày thủy điện d2 N ội dung nghiên cứu: - Khái qt m hình tốn ngẫu nhiên dường mơ dịng chảy sơng ngịi - Điều tra thu thập bổ sung tài liệu dòng chảy tháng năm m ột số sơng có nhà máy thủy điện - V iết khái quát đặc điểm địa lý tự nhiên sơng có nhà m áy thủy điện dùng để nghiên cứu - ứ n g dụng m hình tốn để nghiên cứu lệch pha, m dịng chảy tháng năm từ đỏ lựa chọn mơ hình tốn m tốt - Xây dựng phần mềm để tiến hành nhà m áy thủy điện từ hàm m ô tốt phụ tải dùng điện - Công bố báo - N ghiệm thu đề tài e) Các kết đạt được: e l Các báo công bổ: báo e2 Các báo cáo khoa học: báo cáo khoa học e3 K it đào tạo: đào tạo 01 tiến sỹ: N ghiên cứu sinh N guyễn Đức Hạnh bảo vệ cuối năm 2009 f) Tình hình kinh phí đề tài: Năm 2007: Kinh phí cấp 30 triệu đồng tốn Năm 2008: Kinh phí cấp 30 triệu đồng nộp đủ chứng từ K h o a q u ả n lý C h ủ trì đê tài (K ý ghi rõ họ tên) (K ý ghi rõ họ tên) TS N guyễn T h a n h Sơn PG S TS N guyễn V ăn T u ần T rư ò n g Đ ại học K h o a học T ự nhiên • H Ó MIỀU trư ớng GS T S K H N guyễn H o àn g L n g A best sim ulation function for m onthly and yearly stream flow has been selected; the phase lag o f stream flow in N orthsouthem and W est eastern directions has been studied - A chievem ents in practical application The results o f best sim ulation o f m onthly and yearly stream flow as w ell as the software have been transferred to Electrical Survey Com pany No - A chievem ents in training Supervising a PhD student to defend his thesis in the end o f 2009 - Publications: Published papers: 03 Published report: 01 BÁO CÁO TÓM TẮT BẰNG TIÉNG ANH a Title: A pplication o f m athem atical m odels to study the phase lag and sim ulation o f stream flow in several rivers w here hydro plants locate and their prelim inary application to optimal operation o f national hydro-plants system Code: QG-07-21 b Coordinator: A ssoc Prof Dr N guyen V an Tuan c Participants: PhD student N guyen D ue Hanh M E N go Thi Hoa d Aim and contents d l Aims To apply m athem atical m odels, i.e to apply accum ulative residual curve to study the phase lag o f the stream flow and apply A RIM A , M arcov chains, Thom atFiering and H arm onic analysis to sim ulate m onthly and yearly stream flow in several rivers w here hydro plants locate From that the best sim ulation function is selected to establish the operational rules for hydroplane system d2 C ontents - A n overview o f stochastic m odels used for stream flow sim ulation has been obtained - Survey and collection o f river flow data in several hydro-plant-located rivers have been carried out - A n overview o f natural conditions o f river basins w here hydro plants locate w as done -A pplication o f stochastic m odels to study the phase lag and sim ulation o f m onthly and yearly stream flow; from that the best m odel w as selected - D evelopm ent o f a softw are to operate the hydroplane system using the best stochastic m odel - Published scientific papers - Project defense e A chieved results - A chievem ents in Science and Technology A best sim ulation function for m onthly and yearly stream flow has been selected; the phase lag o f stream flow in N orthsouthem and W est eastern directions has been studied - A chievem ents in practical application The results o f best sim ulation o f m onthly and yearly stream flow as w ell as the software have been transferred to Electrical Survey Com pany No - A chievem ents in training Supervising a PhD student to defend his thesis in the end o f 2009 - Publications: Published papers: 03 Published report: 01 M ỤC LỤC M Ở ĐẦU Chương 1: Tổug quail mơ hình tốn dùng mơ dịng chảy phục vụ điều hành bệ thống nhà máy thủy điện 1.1 Tổng quan mơ hình tốn dùng mơ dịng chảy tháng năm 1.2 Tổng quan mô hình tốn điều khiển hệ thống thủy lợi NMTĐ 12 1.3 Kết luận chương 12 C hương 2: K hái q u át đặc điểm địa lý tự nhiên sơng có NM TĐ nghiên cứu 14 2.1 Khái quát đặc điểm địa lý thùy văn lưu vực sông Đà 13 2.2 Khái quát đặc điểm địa lý thủy văn lưu vực sông Đồng Nai 19 2.3 Khái quát địa lý thủy văn lưu vực sông Dakla 24 2.4 Khái quát đặc điềm địa lý thủy văn lưu vực sông Trà Khúc 28 2.5 Đặc điểm hệ thống nhà máy thuỳ điện sơng nghiên cứu có hệ thống 31 sơng đuợc tiến hành nghiên cứu là: Sơng Đà, Đồng Na, Sêsan sông Trà Khúc Chương 3: ứ n g dụng hình tốn mơ dịng chảy sơng ngịi 36 số sơng có nhà máy thủy điện 3.1 ứ n g dụng đường luỹ tích hiệu số dòng chảy nghiên cứu dao động dòng chảy 35 năm 3.2 ứ n g dụng phương pháp phân tích điều hồ mơ chuỗi thời gian dịng 38 chày 3.3 n g dụng mơ hình xích Markốp đề mơ dịng chày 41 3.4 ứ n g dựng mơ hình Thormat-Fiering để mơ phịng dịng chảy tháng 51 Chương 4: ứ n g 'd ụ n g kết mơ q trìn h dịng chảy để vận hành tối 53 ưu số NMTĐ 4.1 Khái niệm hệ thống nhà máy thủy điện vận hành tối ưu nhà máy thủy 53 điện 4.2 Một số nhà máy thủy điện sử dụng để vận hành tối ưu đặc trưng 54 4.3 Khái niệm phụ tài điện ứng dụng vận hành hệ thống nhà máy thùy 56 điện 4.4 Bài toán vận hành tối ưu hệ thống điện kết quà cùa việc ứng dụng mơ hinh 59 tốn mơ phịng dòng chày vận hành tối ưu nhà máy thủy điện K ÉT LUẬN 74 TÀI LIỆU TH A M KHẢO 76 PHỤ LỤC 78 M Ở Đ ÀU Đề đáp ứng u cầu cơng nghiệp hóa đại hóa cho đất nước việc cung cấp nguồn điện đặc biệt thủy điện quan trọng, đồng thời cấp điện, cấp nước cho ngành kinh tế đảm bảo an ninh lũ lụt Việc nghiên cứu mơ q trình dịng chảy dẫn vào nhà máy thủy điên (NMTĐ) sở cho việc lập toán tối ưu để vận hành hệ thống NMTĐ nước ta Cơ sờ việc mơ q trình dịng chảy vào NMTĐ ứng dụng mơ hình tốn Vì đề tài nghiên cứu khoa học đặc biệt cấp ĐHQG Hà Nội tập trung vào mục tiêu ứng dụng mơ hình tốn nghiên cứu chu kỳ dao động nhiều năm, lệch pha, mơ dịng chảy tháng năm vận dụng vào điều hành hệ thống NMTĐ Báo cáo thuyết minh đề tài tài liệu tham khảo, báo cáo gồm chương: Chương 1: Tổng quan mơ hình tốn dùng mơ dịng chảy phục vụ điều hành hệ thống nhà máy thủy điện Chương 2: Khái qt đặc điểm địa lý tự nhiên sơng có NMTĐ nghiên cứu Chương 3: ứ n g dụng mô hình tốn mơ dịng chảy sơng ngịi số sơng có NMTĐ Chương 4: ứ n g dụng kết mơ q trình dịng chảy để vận hành tối ưu số NMTĐ Do thời gian, kinh phí hạn chế, mặt khác vấn đề lớn khơng thể khơng tránh khỏi sai sót mong ủy viên hội đồng khoa học, nhà khoa học góp ý giúp đỡ để báo tốt Xin chân thành cảm ơn! Tác giả - chủ nhiệm đề tài N hững mục tiêu lượng hóa bàng hàm mục tiêu ràng buộc mục tiêu bẳng hệ thống cơng trình Các ràng buộc hệ thống mô tả bàng ràng buộc tốn học Mơ hình tối ưu Khi phân tích hệ thống điều khiển cần xác định m ục tiêu M ục tiêu hệ thống dánh giá hệ thống tiêu Hệ thống tiêu bao gồm hiệu khai thác m hệ thống m ang lại ràng buộc k ĩ thuật, kinh tế môi trường m phải thỏa mãn Hệ thống tiêu đánh giá lượng hóa theo dạng khác Ví dụ: + Hệ thống tiêu đánh giá m ột số hữu hạn hàm số m cần làm cực trị có dạng (1.1) Fj(x) => m ax(m in) với j = 1,m ,m hàm m ục tiêu (1.1) + hệ thống tiêu đánh giá mô tả băng m ột m ột số hữu hạn bất đẳng thức 1.2 Fj(y(+)) < bj với j = 1,m (1.2) + Hệ thống tiêu đánh giá bao gồm dạng 1.1 1.2 gọi hàm chất lượng hay mô hình tối ưu hệ thống M hình tối ưu m ột cơng cụ phân tích hiệu kinh tế phương pháp quy hoạch Trong thực tế quy hoạch người ta kết hợp hai loại m hình m tối ưu hóa hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ kết hợp m hình m mơ hình tối ưu (B.G Priazin Skaia - m hình tốn lĩnh vục nguồn nước, N ayK a-M ascova 1985) 10 CHƯƠNG TỐ N G Q U A N VỀ CÁC M Ơ H ÌN H TO Á N D Ù N G TR O N G M Ô PH Ỏ N G DÒNG CHẢY PHỤC v ụ ĐIỀU HÀNH HỆ THỐNG NHÀ MÁY THỦY ĐIỆN 1.1 TỐNG QUAN VỀ CÁC MƠ HÌNH TỐN DÙNG TRONG MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY THÁNG VÀ NĂM 1.1.1 Vai trị mơ hình tốn dùng Quy hoạch nguồn nước M hình hóa hệ thống đóng vai trị định lập quy hoạch nguồn nước M hình hóa hệ thống bao gồm m hình m m ô hình tối ưu Hai loại m ô hình nhằm tìm phương án tối ưu số phương án quy hoạch.Sau bàn sâu thêm vào hai loại m hình Mơ hỉnh mơ hệ thong M hình m hệ thống nhằm mơ tả q trình vật lí hệ thống, hoạt động hệ thống chế độ làm việc hệ thống Ví dụ Trên hệ thống thủy điện sơng H ồng gồm có mơ hình m tả q trình thủy văn, q trình lưu lượng vào nhà máy thủy điện H òa Bình, Thác Bà, Tuyên Q uang, Sơn L a M hình m tả hoạt động tích nước vào hồ chứa,xả nước phục vụ phát điện tưới phịng lũ hồ Đ ó m ột m hình hệ thống N hư rút định nghĩa: mơ hình mơ biểu đạt quy luật hệ thống bao gồm trình vật lý động thái hệ thống biểu thức toán học M hình m đơn giản hóa, khái quát hóa quy luật hệ thống m hình thực hệ thống va mơ hình khái qt hóa có sai khác Đ ó la tiêu chuẩn đánh giá m hình m ô M ột m ô hình m ô hệ thống gắn với m ục tiêu phương thức khai thác M ục tiêu khai thác hẹ thống bao gồm yêu cầu nước m ức độ đáp ứng yêu cầu đặt theo tiêu chuẩn khai thác bền vững Tài nguyên nước (TN N ) dịng chảy mơi trường (D CM T) Biểu mẫu 03/ KHCN/ĐHQGHN (Kèm theo quyêt định số 334/ KHCN ngày 17/01/2007 cùa Giám đốc ĐHQGHN) Đại học quốc gia Hà Nội ĐÊ CƯƠNG Đề tài KHCN đặc biệt cấp ĐHQG Tên đề tài Tieng Việt: n g dụng mơ hình tính tốn nghiên cứu lệch pha mơ dịng chay tren só sơng có nhà máy thủy điện bước đầu ứng dụng vao vạn hành tơi iru hệ thong thủy điện quốc gia Tieng Anh: Application of mathematics models to study different phase and imitation of flow in some rivers, where have Hydropower stations and it’s application for optimal management of State Hydropower station sytem 2.Thời gian thực 24 tháng Bắt đầu từ tháng năm 2007 đến tháng năm 2009 Đề tài thuộc lĩnh vực ưu tiên Nghiên cứu ứng dụng vận hành thử hệ thống nhà máy thủy điện Đe tài có trùng với đề tài tiến hành không? Nếu có nêu lý Khơng trùng Chủ trì đề tài (kèm theo lý lịch khoa học theo mẫu 02/KHCN/ĐHQGHN) - Họ tên : Nguyên Văn Tuân Nam X - Năm sinh: 10-10—1943 - Chuyên môn đào tạo: Tiến sĩ kỹ thuật thủy văn - Học hàm học vị: PGS,TS - Chức vụ: Cựu chù nhiệm môn thủy văn - Đom vị công tác: Bộ môn thủy vãn, khoa khí tượng thủy văn hải dương học - Địa chi: số nhà 40 ngõ đường sông Lừ, phường Phương Liệt quận Thanh Xuân, Hà Nội - Điện thoại: 045655155 - Email: tuanvn@vnu.deu.vn Tóm tắt hoạt động nghiên cứu cùa chù trì đề tài (các chương trinh, đề tài nghiên cứu khoa Thời gian Tên để tài/ Công trinh Tư cách tham gia Năm 1985 -1990 Đặc điểm thủy văn miền Trung có báo cáo đặc điểm thủy văn sơng ngịi miền Trung Chủ tri đê tài chương trình 52E Năm 19791983 ửng dụng mơ hình thống kê xác suất nghiêm cứu mơ hình dịng chảy sơng Hơng Có cơng trinh cơng bơ: - Lưa chon hàm phân bố suất cùa dòng Chủ đề tài luận án tiến sĩ nghiên cứu sinh Bungari Câp quản [ý/nơi công bố Nhà nước Bộ KHCN MT Đe tải luận ánNCS I hời gian ''lãm 983 Năm :004!005 Năm 2006 Tên đề tài/ Cơng ữình Tư cách tham gia dịng chảy sơng Hổng đăng tạp chí kỹ thuật thủy lợi tưới tiêu số năm 1983 - Chu kỳ dao động dịng chảy sơng Hổng, đăng tạp chí Khoa học kỹ thuạt viện hàn lâm khoa học Bungari số năm 1983 Lựa chọn hàm phân bồ xác suất phù hợp dịng chảy tháng sơng Hồng Có báo tên đăng tạp chí Khoa hoc trường Đại học tổng hợp số năm 1985 - ứ n g dụng mơ hình Thomat-Fearing mơ dịng chảy tháng số sơng có nhà máy thủy điện Đã có số báo đăng tạp chí Điện Đời sống số 79 tháng 11 nàm 2005 - Đã có số báo cáo khoa học NCS Nguyễn Đức Hạnh tham gia hội nghị khoa học trường ĐHKHTN, giải GDĐT giải thường sinh viên NCKH em Hạnh cấp khen số 7357/QĐ/BGD&ĐT ngày 22/12/2005 thân GD&ĐT cấp giấy chứng nhận số 7357/QĐ-BGD&ĐT ngày 22/12/2005 Thực để tài nghiên cứu “ứ ng dụng mơ hình tính tốn ngẫu nhiên nghiên cứu quy luật, mơ biến đổi chế độ thủy văn Việt Nam điều hành hệ thống điện quốc gia” Đã gửi cho tạp chí Đại học Quốc Gia 01 báo tiếng Anh đăng vào số năm 2007 ‘Tạp chí khoa học trái đất” (Tên báo xem lý lịch khoa học) Cấp quản lý/nơi công bố Chủ tri Trường Đại học Tổng hcrp Hà Nội Chủ trì Cấp Đại Học Quốc Gia Chủ trì Bộ khoa học công nghệ ỉ C quan phổi h ọ p Cơng' tác viên đề tài {ghi rõ đơn vị cá nhân lược mời nhận lời tham gia đề tài Mỗi cá nhân tham gia để tài phải có lý lịch khoa học 'heo mẫu 02/KHCN/ĐHQGHN ý kiến xác nhận đằng ý tham gia đằng thực để tài) Cộng tác viên rr Cơ quan phối hợp Họ tên NCS Nguyễn Đức Hạnh Trường ĐHKHTN Ngơ Thị Hịa Cơng ty khảo sát thiết kế điện Chuyên ngành Thủy Văn Thủy Văn - Thủy Năng Thuyết minh cần thiết hình thành dư án 1) Tổng quan cơng trình nghiên cứu nước liên quan tới vấn đề Ịhiên cứu đề tài (trích dân tài liệu ngồi nước) a) Tinh hình nghiên cứu nước-, thủy văn có phương hướng nghiên cứu lù yếu, thủỵ văn tất định thủy văn ngẫu nhiên Trong nhiều thập kỷ qua, phát triển thủy văn Việt Nam dường chi có thiên ướng nghiên cứu mơ hình tất định Các mơ hình tập trung giải tốn lira rào dịng chảy Hàng loạt mơ hình thủy văn đời, mơ hình SSARR, mơ ình TANK, mơ hình mạng thân kinh nhân tạo v.v Các mơ hình nhằm mục đích tính )án dịng chảy lũ phục vụ thiểt kế cơng trình Đặc biệt tính tốn lũ cho lưu vực nhỏ để ây dựng hồ chứa nhỏ miền núi, nơi tài liệu đo đạc thủy văn Phương hướng thứ hai thủy vãn thủy văn ngẫu nhiên ý gần ất Các nhà thủy văn tâm huyết với vấn đề phải k ỉ đến cố GSTS Trịnh Quang Hịa, ÌSTS Hà Văn Khôi trường ĐH Thủy Lợi GSTS Nguyễn Quý Hỷ khoa Tốn, GSTS ■íguyễn Văn Tuần trường ĐH KHTN GSTS Trịnh Quang Hịa sử dụng mơ hình Xích Ma Kốp đơn kép ứng dụng ihương pháp Montekarlo để tạo chuỗi dòng chảy nhân tạo có độ dài hàng nghìn năm để tính ốn điều tiết thủy cho nhà máy thủy điện (NMTĐ) Hịa Bình Kết lăng tập san Thủy Điện số năm 1986 GSTS Nguyễn Quý Hỷ GSTS Phạm Kỳ Anh nhiều năm hợp tác với công ty hiết kế Điện nghiên cứu ứng dụng mơ hình tốn thống kê nghiên cứu dịng chảy sơng Đà >hục vụ tính tốn thủy năng, điều tiết dịng chảy hồ chứa Hịa Bình Sơn La Trong tập san rhủy Điện số năm 1985, GSTS Nguyễn Quý Hỷ công bố kết ứng dụng mô hình A li Ma nghiên cứu dịng chảy nhánh sơng Đà Tháng 10 năm 2006, hội nghị khoa học cùa rường ĐHKHTN, GSTS Nguyễn Quý Hỷ GSTS Phạm Kỳ Anh cơng bố kết vê mơ lình điều khiển tối ưu hệ thống vài toán điêu khiên ngâu nhiên ưu nảy sinh từ việc ịiảm thiểu độ rủi ro lũ lụt, động đất cho nhà máy thủy điện Sơn La PGSTS Nguyễn Văn Tuần, GSTS Trịnh Quang Hòa PGS Nguyễn Hữu Khải (Uất “Tính tốn thủy lợi” di nhà xuất ĐHQGHN phát hành, đê cập đên nhiêu )hương pháp thống kê xác suất dùng điều tiết dòng chày thủy PGS Nguyễn Văn Tuần NCS Nguyễn Đức Hạnh công bố kết “ứ ng dụng T1Ơ hình Thomat-Fearing để mơ dịng chảy sơng có NM TĐ” ừên tạp chí Điện /à Đời sống số 79 tháng 11 năm 2005 Cũng năm này, NCS Nguyên Đức Hạnh ham gia thi tuyển chọn kết nghiên cứu khoa học GD&ĐT, giải câp )ằng khen số 7357/QĐ/BGD&ĐT Hiện nay, PGS Nguyễn Văn Tuần hướng dẫn NCS 'íguyễn Đức Hạnh thực đề tài luận án tiến sĩ thuộc vân đê b) Tính hình nghiên cứu ngồi nước: Vấn đề mơ phong dịng chảy vào hệ thống NMTĐ giới quan tâm từ lâu Sau xin kể đến số cơng trình iêu biểu: - Hội nghị quốc tế với chủ đề “Optimal Utilization of water resources” tò chực Vamar Bungan tháng năm 1983 công bố nhiều báo cáo thuộc Ịĩnh vực điềụ khiến tối JU hệ thống NMTĐ Đặc biệt đáng quan tâm báo cáo GSTS Nikolova viện sỹ Dimovelep vấn đề “Mathematical models for operative control of water resources sytems n Bulgaria” ^ s - Kak Tvelysvily xuất “Probabilitional Hydrology - Thủy văn ngâu ìhiên nhà xuất KTTV Leningrat xuât năm 1970 " ^■'^'van*lize, X PGS.ĨỈ Jfạuyia JjinA