автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Методика планирования выработки электроэнергии каскада ГЭС с учетом стокообразующих и атмосферных факторов

На правах рукописи

Борщ Павел Сергеевич

МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КАСКАДА ГЭС С УЧЕТОМ СТОКООБРАЗУЮЩИХ И АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.14.08 Энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 0 ФЕВ 2011

Москва 2013

005545220

005545220

ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических установок»

Научный руководитель:

Александровский Алексей Юрьевич

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

Официальные оппоненты:

Исмайылов Габил Худуш-Оглы

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедры «Гидрологии, метеорологии и регулирования стока» Московского государственного университета природообустройства Плетнев Дмитрий Евгеньевич кандидат технических наук, руководитель дирекции по строительству Гидроэлектростанций и подстанций ОАО «ВО «Технопромэкспорт»

Ведущая организация:

Учреждение Российской академии наук «Институт водных проблем РАН»

Защита состоится «_21_» марта 2014 года в 15 час.00 мин. в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» Отзывы и замечания на автореферат в 2-х экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу:

111250, г. Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан « 1£_>> <р<гвра.л& Iо¡41

Председатель диссертационного совета Д 212.157.03 д.т.н., профессор ( ф & ^

Жуков В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях работы гидроэлектростанций на оптовом рынке электроэнергии важной задачей является выбор их оптимального режима работы. Необходимость заблаговременного определения и планирования выработки электроэнергии гидроэлектростанций для повышения экономической эффективности использования водных ресурсов, предотвращения потерь выработки электроэнергии при колебании водности рек, стабильность работы энергетических систем - это основные условия, соблюдение которых дает возможность выполнения предъявляемых современным рынком электроэнергии и водохозяйственным комплексом требований.

При разработке прогнозного баланса электроэнергии на предстоящий год интервал заблаговременности представления плановых показателей выработки составляет от 120 дней до 45 дней при планировании на год. Выработка электроэнергии представляется по месяцам периода планирования.

Плановая годовая выработка ГЭС определяется для календарного года (январь - декабрь), в то время как основной объем энергоресурсов (воды) поступает в водохранилище во втором квартале (в период весеннего половодья). Для расчета выработки на календарный год необходимо знать запасы воды в водохранилище на начало года (01.01), что так же не может быть определено с требуемой заблаговременностью.

Назначение выработки электроэнергии гидроэлектростанциями на предстоящий год вызывает определенные затруднения, прежде всего по причине неопределенности гидрологической обстановки, т.к. гидрологические прогнозы приточности воды в водохранилища ГЭС на год не даются. Гидрометцентром РФ разрабатываются гидрологические прогнозы, охватывающие период от одного месяца до одного квартала. Прогноз выпускается за 2-3 дня до начала расчетного (планового периода). Эти прогнозы, совместно с данными о запасе воды в водохранилище, могут использоваться при оперативной корректировке плановой выработки на ближайший квартал и месяц, однако непригодны для годового планирования.

Для надежного топливо- и энергообеспечения необходимо планировать выработку электроэнергии на ГЭС (и каскадах ГЭС) с максимальной заблаговременностью. В настоящее время методики планирования выработки электроэнергии ГЭС основаны на данных об объеме притока воды в бассейны рек, и являются краткосрочными прогнозами, так как значения объема притока становятся известными с малой заблаговременностью.

Цель исследования. Целью данной работы является разработка методики планирования выработки электрической энергии каскада ГЭС и ее апробации на примере Рыбинской и Нижегородской ГЭС для второго квартала, на основе данных, известных на момент составления прогноза.

В рамках сформулированной цели в диссертационной работе решены следующие задачи:

1. Проведен анализ существующих методов планирования выработки электрической энергии ГЭС.

2. Разработана методика планирования выработки электроэнергии на основе использования стокообразующих факторов (величина запас воды в снежном покрове, увлажнение почвы) и атмосферных факторов, а именно особенностей атмосферной циркуляции давления (величины геопотенциала) на уровнях Н= 100мб и Н=500мб.

3. Разработана и апробирована математическая модель планирования выработки электроэнергии на ГЭС, на примере Рыбинской и Нижегородской гидроэлектростанций Волжско-Камского каскада (далее ВКК) для второго квартала на основе данных, известных на момент разработки плана.

Объектом исследования является каскад верхневолжских гидроэлектростанций: Рыбинской и Нижегородской.

Научная новизна. В работе представлен метод физико-статистического планирования выработки электроэнергии каскада ГЭС на основе факторов, влияющих на формирование речного

стока: стокообразующих и атмосферных, при этом учитывалась пространственная неоднородность формирования стока на территории водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ.

Методика исследования.

Для получения прогностических зависимостей использовалась множественная линейная корреляция с пошаговым регрессионным анализом. Учитывалась пространственная неоднородность формирования стока на территории водосбора Рыбинского и Горьковского водохранилищ путем представления их в виде совокупности однородных районов, для каждого из которых находилось свое прогностическое уравнение.

Достоверность полученных результатов подтверждена опытом эксплуатации ГЭС.

Практический выход и внедрение. Результаты могут быть использованы в рамках разрабатываемого в ОАО «РусГидро» СТО «Гидроэлектростанции. Долгосрочное, среднесрочное и краткосрочное планирование водноэнергетических режимов. Методические указания». Результаты исследований диссертационной работы были представлены и обсуждены на:

всероссийской научной конференции «Современные проблемы стохастической гидрологии и регулирования стока», г. Москва, 2012 г.;

- на XVIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электроника и энергетика», МЭИ, Москва, 2012 г.

- заседании кафедры НВИЭ НИУ «МЭИ» г. Москва, 2013г.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, приложения, выводов по работе, списка литературы, включающего в себя 96 наименований и приложения. Работа изложена на 134 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цели и задачи исследований, дана общая характеристика работы, включая практическую значимость.

Первая глава посвящена рассмотрению методов планирования выработки электроэнергии на ГЭС.

В главе дано описание современного состояния ОЭС Центра и ОЭС Средней Волги, в которых расположены рассматриваемые объекты исследования Рыбинская и Нижегородская ГЭС, а также основным методам долгосрочных гидрологических прогнозов весеннего стока.

В практике долгосрочных прогнозов весеннего стока, можно выделить три основных метода:

1. Прямой водобалансовый расчет, в основе которого лежит водный баланс речного стока, а именно алгебраическое суммирование его составляющих.

При всей простоте алгебраического уравнения водного баланса бассейна определение его составляющих достаточно трудоемко и содержит ряд неопределенностей и допущений, которые нуждаются в дополнительной проверке. При этом водобалансовый расчет весеннего стока применим практически только в условиях лесной зоны избыточного увлажнения, где водопоглотитеяьная способность речных бассейнов определяется, главным образом, свободной емкостью верхних слоев почвы, болот и других емкостей, затратой воды на пополнение грунтовых вод и потерями на испарение с заснеженной и водной поверхности в период половодья.

2. Физико-статистический водобалансовый метод, в основу которого

положена достаточно общая детерминистическая модель речного бассейна как системы, с неравномерным распределением емкости и переменной инфильтрационной способностью почвы. Вытекающие из этой модели интегральные уравнения стока и приближенные формулы дают достаточно определенное физическое представление об общем виде водобалансовых эмпирических зависимостях стока от основных его факторов.

3. Статистические методы основаны главным образом на корреляции, в том числе множественной, с отбором независимых переменных (или предикторов) методами просеивания.

В настоящее время существует два основных метода проведения водноэнергетических расчетов:

1. Детерминированный (календарный) метод, основанный на использовании данных наблюдений за стоком прошлых лет и который может бьггь реализован как в табличной, так и в графической форме.

Основными исходными данными для водноэнергетических расчетов по календарным стоковым рядам являются: календарная последовательность естественных или зарегулированных вышележащими водохранилищами расходов воды, морфометрические характеристики водохранилищ, семейство кривых связей расходов и уровней воды в верхнем и нижнем

бьефах ГЭС, характеристика гидроагрегатов и т.д.

Реализация данного метода возможна как в графической (по интегральной кривой стока, построенной на основе имеющихся наблюдений), так и в табличной форме (которая сводится к решению уравнения водного баланса по отрезкам времени).

2. Вероятностный метод, основан на использовании методов теории вероятности и математической статистики, при этом годовой сток представлен случайной величиной.

Возможны два приема вычисления при использовании вероятностного метода, а именно:

1. Композиционный метод, который основан на решении уравнения водного баланса, где композиция заключается в нахождении закона распределения суммы по заданным распределениям слагаемых.

2. Метод статистических испытаний (метод Монте-Карло). Реализация данного метода осуществляется в следующей последовательности: производится моделирование случайных величин с заданным законом распределения, строится вероятностная модель реальных процессов и производится решение задачи статистической теории оценивания.

Вторая глава посвящена формированию методики планирования выработки электроэнергии на ГЭС на основе учета стокообразующих и атмосферных факторов.

Расчеты водноэнергетических режимов ГЭС и каскадов ГЭС проводятся по требованиям правил использования водохранилищ или по заданным на период планирования значениям уровня воды в водохранилище, или мощности ГЭС.

При планировании выработки электроэнергии по среднемноголетней величине, в маловодные годы, полезный объем водохранилищ ГЭС часто оказывается израсходован, поэтому выработка электроэнергии снижается. При повышенной сработке воды из водохранилищ (в течение продолжительного периода времени) ГЭС работают с пониженными напорами, что снижает возможность участия ГЭС в покрытии графика нагрузки. Тем самым теряется и потенциально возможная выработка электроэнергии. Необходима разработка и выбор новых методов планирования выработки электроэнергии ГЭС и каскадов ГЭС с большей заблаговременностью, чем при планировании выработки на основе прогноза величины речного стока.

При разработке методики планирования выработки электроэнергии на Рыбинской и Нижегородской ГЭС, в качестве стокообразующих факторов использовались те, которые чаще всего применяются в практике гидрологического прогнозирования (с учетом пространственной неоднородности формирования стока) для зоны умеренного климата европейской части России, а именно:

1. Показатель количества влаги, поступающей на водосбор в период весеннего половодья;

2. Показатель увлажненности верхнего, обычно называемого «активным», слоя почвогрунтов;

3. Глубина промерзания почвогрунтов.

Для получения расчетной модели планирования выработки электрической энергии во втором квартале на Нижегородской ГЭС на основе учета стокообразующих факторов был принят

период о 1974 по 1994г (для Рыбинской ГЭС был принят период о 1980 по 1994г.). При этом использовались ежегодные данные о запасе воды в снежном покрове и значения увлажнения почвы с декадной частотой измерения с января по март, полученные в результате обработки материалов наблюдений на метеорологических станциях Гидрометцентра РФ, расположенных в пределах водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ. Несовпадение расчетных периодов обусловлено отсутствием данных для Рыбинской ГЭС на период с 1974 по 1979гг.

Оценка же качества расчетных моделей для Рыбинской и Нижегородской ГЭС проводилась на основе статистических методов за период с 2000 по 2005 год.

При формировании методики планирования выработки электроэнергии на основе только стокообразующих факторов расчет выработки электроэнергии основывался на определении коэффициентов взаимной корреляции г между величинами запаса воды в снежном покрове, увлажнения почвы в первом квартале, и величиной выработки электрической энергии ГЭС во втором квартале, с использованием метода корреляционного анализа. В работе использовалась множественная линейная корреляция с пошаговым регрессионным анализом для выявления прогностических зависимостей. Другими словами, если переменная Y зависит от нескольких переменных XI, Х2,...Хп, то для каждой реализации Y справедливо:

Y-Y= CjCXJ - 3Q + С2(Х2 - }Q + - + Cn(Xn - 3Q (1)

Данное уравнение называется уравнением регрессии переменного Y на переменные Хь Хг...Хп. При нахождении коэффициентов уравнения регрессии в уравнении (1) был использован метод наименьших квадратов.

Следующим шагом было определение методики планирования выработки электроэнергии на основе атмосферных факторов.

Особенностью современных статистических методов прогнозирования стока на основе атмосферных метеорологических факторов является получение устойчивых зависимостей при использовании небольшого числа физически значимых параметров состояния атмосферы, которые характеризуют метеорологические поля (синоптические положения) на больших пространствах. Аналогичный метод был применен в данной работе при разработке модели планирования выработки электроэнергии во втором квартале на основе атмосферных факторов.

Способы получения параметров, характеризующих синоптическое положение, могут быть довольно разнообразны. Чаще всего употребляются различные простейшие, так называемые, индексы циркуляции, из которых наиболее широко известны различные индексы зональной циркуляции, характеризующие интенсивность зональной циркуляции на больших пространствах вплоть до целого полушария. Более подробным образом можно охарактеризовать циркуляцию, использовав в качестве индексов циркуляции то или иное число коэффициентов разложения данного поля по сферическим функциям. При этом один из первых коэффициентов такого разложения как раз и будет характеризовать зональную циркуляцию. Для более детальной характеристики циркуляции на полушарии, надо брать большое число коэффициентов (порядка сотни).

Поэтому, для характеристики циркуляции на ограниченной территории удобнее воспользоваться какими-либо иными разложениями. Один из способов разложения - разложение барических и температурных полей по полиномам Чебышева.

Для его применения поле давления Р задается в точках пересечения прямоугольной регулярной сетки меридианов и параллелей с координатами х = 1, 2, 3, 4,..., п; у = 1, 2, 3, 4,..., т. Такое поле можно представить в виде суммы произведений,

Р(х,у) = А00 + АюЧ^х^оСу) + A0i%(x)4,1(y) + АцЧ^х)^) + - + АцЧ^х^Су) (2)

Коэффициенты Aij определяются из выражения: д = Ix.yPfry^iMS-ify)

1J ЕжЧУМЕуЧуМ {i>

Где 4*1, 4*2,... - функции (полиномы), заданные таким образом, что коэффициент Ау отражает определенное (не повторяющее других) распределение Р. Обычно вычисляются только

первые 10 членов ряда, что обеспечивает удовлетворительное совпадение расчетного и фактического поля.

Продолжительность синоптического сезона составляет обычно полтора-два месяца, поэтому если оценить развитие сезона по процессам хотя бы первых двух синоптических периодов, то можно получить представление о преобладающих процессах на один-полтора месяца вперед, т.е. на период заблаговременности прогноза.

Для построения модели планирования выработки электроэнергии на ГЭС с использованием данных об атмосферной циркуляции, необходимо выделить из всех значений только значимые факторы, которые оказывают максимальное влияние на процесс формирования стока и длительность половодья и как следствие, на выработку электроэнергии на ГЭС.

Первый этап построения модели планирования выработки электроэнергии на ГЭС во втором квартале на основе климатических факторов заключается в исследовании значений геопотенциала Северного полушария, с целью точного определения полей, синоптические процессы которых за предшествующий период оказывают влияние на выработку электрической энергии. В качестве метода проведения данного анализа использовался дискриминантный анализ.

На начальном этапе выбирается уровень барического поля геопотенциала, при котором проходят вычисления (в нижней стратосфере Н=100мб и в тропосфере Н=500мб), а также месяц, для которого проводятся вычисления. После чего необходимо получить коэффициенты разложения поля геопотенциала за многолетний период наблюдений в выбранных значимых точках.

Совокупность последовательных во времени барических полей можно представить в виде

функции F(t, х), где t - время, принимающее дискретное значение (t = 1, 2, 3..... m),

фиксированное для каждого индивидуального поля, ах- параметр координата (х = 1, 2, 3,..., п) разложением по естественным ортогональным составляющим (Хь(х), h = 1, 2, 3...), с коэффициентами разложения Th(t), изменяющимися от одного поля к другому с течением времени. Функция F(t, х) задана в виде таблицы чисел:

Fil. Fi2> F13,..., Fin

F21, F22, F23.....F2„ (4)

Fii, Fa, Fa.....Fjn

где индексы соответствуют значениям переменных t и х. Каждая строка данной таблицы описывает в п заданных точках состояние нашего поля в некоторый момент времени. Теперь необходимо найти разложение любого индивидуального поля из всей совокупности полей по некоторым функциям Хь(х) с коэффициентами Th(t), изменяющимися от одного поля к другому (в нашем случае от года к году). Иначе говоря, нужно найти такие функции Хь(х), чтобы имело место разложение:

F(t,x)=ZhTh(t)Xh(x) (5)

Для получения прогностической модели планирования выработки электроэнергии от атмосферных факторов, использован метод множественной линейной корреляции с пошаговым регрессионным анализом с применением метода наименьших квадратов для нахождения коэффициентов уравнения регрессии.

Планирование выработки электроэнергии с учетом совокупности стокообразующих и атмосферных факторов является третьим этапом получения прогностической модели. На данном этапе последовательность нахождения коэффициентов разложения, а также методика планирования выработки электрической энергии на ГЭС базируется на первых двух этапах получения прогностического уравнения. В качестве независимых переменных в варианте рассматривается учет данных об особенностях атмосферной циркуляции (величине геопотенциала), а также данные о величине запаса воды в снежном покрове и влажности почвогрунтов.

В качестве меры адекватности регрессионной модели служит теоретическое корреляционное отношение т|, представляющее собой относительную величину, полученную в

результате сравнения среднего квадратического отклонения выровненных значений результирующего признака 5, т.е. рассчитанных по уравнению регрессии, со средним квадратическим отклонением фактических (эмпирических) значений результативного признака с.

Третья глава посвящена разработке модели планирования выработки электроэнергии во втором квартале для трех ранее рассмотренных методик планирования выработки, а именно на основе:

1. Стокообразующих факторов;

2. Атмосферных факторов;

3. Совместного учета стокообразующих и атмосферных факторов.

При разработке данной модели планирования выработки электроэнергии во втором квартале на основе стокообразующих и атмосферных факторов был рассмотрен вариант модели при раздельном определении выработки каждой ГЭС. Для каждой ГЭС определялось свое прогностическое уравнение, а суммарная выработка находилась как сумма выработок каждой ГЭС.

В первом варианте структуры модели планирования учитывалось только влияние запаса воды в снеге и величина увлажнения почвы в первом квартале на всей площади водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилища на выработку электроэнергии ГЭС во втором квартале.

Значения увлажнения почвы W для i-ro года расчетной выборки находились по данным о среднедекадной температуре воздуха 0 и декадных суммах осадков Р за период от схода снега весной предыдущего (i-l)-ro года до установления снежного покрова (обычно в ноябре). В качестве начального значения показателя W для всех расчетных лет и районов водосбора водохранилища принималось значение 180 мм.

Территория водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ были разбиты по четыре района каждый с учетом ландшафтно-географических особенностей нечерноземной зоны европейской части России. Для каждого района были найдены значения снегозаласов для залесенной и открытых частей района.

Для определения прогнозного уравнения был использован метод аппроксимации. В качестве аппроксимирующих выражений использовались зависимости:

у = Ь0 + ах; (6)

у= агхг + а2х + Ь0. (7)

Для определения коэффициентов аппроксимирующих выражений применялся метод наименьших квадратов.

В результате, на 28 февраля были выбраны прогнозные уравнения:

- для Рыбинской ГЭС:

у = 0,6945х? - 0,004x1 - 21,227Xi + 2,3904xz + 78,2091 (8)

- для Нижегородской ГЭС:

у = 0,021х!2- 0.012х22+6.063х! + 4.394х2 - 441.479 (9)

В уравнении (8) и (9) у - выработка электроэнергии во втором квартале, xi- величина запаса воды в снежном покрове на 28 февраля (в мм), х2 - значение увлажнения почвы на те же даты (в мм).

Уравнения планирования выработки электроэнергии для Нижегородской и Рыбинской ГЭС на основе атмосферных факторов определялись по методике, изложенной во второй главе. Первым шагом было выявление значимых точек значений геопотенциала Северного полушария, методом дискриминантного анализа. На начальном этапе был выбран уровень барического поля, при котором проводились вычисления (в нижней стратосфере Н=100мб и в тропосфере Н=500мб) и месяц проведения вычислений. Для определения характера протекания синоптических процессов, расчеты проводились последовательно для двух месяцев, а именно для января и февраля.

8

Были получены коэффициенты близости di*2, на основании которых выбирались области полей с высокими значениями данных коэффициентов. Значение коэффициентов близости выбиралось не ниже 0,6, а количество точек для проведения дальнейших расчетов не меньше 9. Разложение выбранных полей проводилось по естественным ортогональным функциям, т.е. находились разложения, имевшие оптимальную сходимость. Собственные функции данной совокупности полей или их естественные составляющие находились с использованием формул второй главы.

После чего находилось уравнение регрессии для зависимости выработки электроэнергии во втором квартале от коэффициентов разложения, полученных при разложении поля аномалии барического поля (для уровня геопотенциала Н=100мб и Н=500мб) - уравнение (10) для Рыбинской ГЭС и уравнение (11) для Нижегородской ГЭС на 28.02.:

у - -5,669310%2 + 229,5792 (Ю)

у = -3,173710%2 + 50,527510%2 + 481,3559 (11)

где: верхний левый индекс: «100» - уровень замера величины геопотенциала равный 100мб; верхний правый индекс: «1» - месяц замера величины геопотенциала; нижний индекс соответствует номеру коэффициента разложения поля геопотенциала. Для разложения по естественным ортогональным составляющим применялась программа RAZLOZEN (разработка лаборатории прогнозов Гидрометцентра РФ), являющаяся математической моделью решения задачи разложения геопотенциала в значимых точках на естественные ортогональные функции. Исходными данными для нее являлись полученные при дискриминантом анализе пронумерованные точки для соответствующего месяца разложения и уровня измерения геопотенциала. Разложение проводилось только по первым 10 коэффициентам естественных ортогональных функций, а использовались только пять коэффициентов из ранее полученных, так как при длительном ряде наблюдений первые 5-6 коэффициентов дают полное отражение хода разложения всего поля.

Уравнение планирования выработки электроэнергии на Рыбинской и Нижегородской ГЭС во втором квартале в зависимости от стокообразующих и атмосферных факторов в первом квартале было определено аналогично предыдущим этапам, исходя из имеющихся данных запаса воды в снежном покрове, влажности почвы и коэффициентов разложения барического поля, полученных раннее.

В результате было получено уравнение выработки электрической энергии при одновременном учете запаса воды в снежном покрове, величины увлажнения почвогрунтов и значения особенностей атмосферной циркуляции давления на 28.02 для Рыбинской ГЭС вида' у = 0,376*1 - 0,021х22 - 9,91210%2 - 20,841*! + 7,749х2 - 236,532 (12)

и для Нижегородской ГЭС:

у = -0,016*î - 0,006z| + 50,31910%2 + 4,257*! + 3,398*2 - 225,571 (13)

Выбор уравнения планирования выработки электроэнергии на ГЭС из всех полученных ранее моделей проводился по величине коэффициента множественной корреляции и коэффициенту эффективности прогноза,

Мерой адекватности регрессионной модели являлось отношение S/a- т.е. коэффициента

эффективности прогноза, где S-это стандартная ошибка прогноза, рассчитанная по формуле: s=

(14)

а а - стандартное отклонение самого ряда значений выработки электрической энергии, определяемое по формуле:

ISW-tP)'

(15)

Если отношение S/a < 0,80, то расчетное уравнение можно отнести к прогностическим уравнениям с приемлемой степенью точности. После сопоставления, полученных результатов по трем методикам, выбирался вариант с наименьшим отношением S/a и одновременно удовлетворяющее условию S/a < 0,80, где S - стандартная ошибка прогноза, сг - стандартное отклонение прогнозных значений.

Прогноз может считаться оправдавшимся, если прогнозное значение отличается от фактического не более чем на ±Д, где Д= 0,674а.

Так как S/a для моделей на основе совместного использования стокообразукяцих и атмосферных факторов для Рыбинской и Нижегородской ГЭС минимальны по сравнению с другими вариантами моделей, то они были приняты в качестве расчетных.

Расчеты выработки электроэнергии во втором квартале на примере совместной работы Рыбинской и Нижегородской ГЭС проводились для 1980-1994гг. (период наладки модели) и 20002005гг. (этап апробации модели). В результате, планируемая выработка электроэнергии совместной каскадной работы, находилась, как сумма выработок и сравнивалась с суммарной фактической выработкой обоих ГЭС. В качестве расчетных моделей использовались уравнения планирования ((12) и (13)) выработки электроэнергии во втором квартале на основе совместного учета стокообразующих и атмосферных факторов для Рыбинской и Нижегородской ГЭС (полученные в главе 3).

Результат представлен в таблице 1. и на рис. 1. В результате для суммарной прогнозной выработки был получен коэффициент эффективности S/a=0.52.

Таблица 1.

Коэффициенты эффективности для совместной выработки электроэнергии во втором квартале на Рыбинской и Нижегородской ГЭС для модели планирования на основе раздельного определения

выработки каждой ГЭС.

Год Суммарная выработка планируемая

S/a 1980-1994 0,58

Апробация расчетной модели

S/a 2000-2005 0,38

S/a 1980-2005 0,52

1000

а

а"

Ё.

800

Я 600

я

ш

400

200

в %

и г

1

■1 I

1980

1990

2000

—е— прогнозные значения выработки электроэнерг ии

- фактические значения выработки электроэнерг ии

ГОД

Рис. 1. Значения суммарной фактической и прогнозной выработки электроэнергии во втором квартале на Рыбинской и Нижегородской ГЭС при индивидуальном планировании по каждой ГЭС.

Четвертая глава посвящена планированию выработки электроэнергии во втором квартале на основе прогноза притока воды в водохранилища Рыбинской и Нижегородской ГЭС с учетом их каскадной работы.

Выбор прогнозного уравнения проводился в два этапа. Первым этапом определялось прогнозное уравнение притока воды с использованием стокообразующих и атмосферных факторов.

Вторым этапом проводился расчет выработки электроэнергии для второго квартала, на основе данных, полученных с помощью разработанной ранее прогнозных уравнений притока воды с использованием стокообразующих и атмосферных факторов, известных на момент составления прогноза. Расчеты выработки проводились в программном комплексе «КАСКАД», разработанном в НИУ «МЭИ».

Формирование прогнозного уравнения притока воды в Рыбинское и Горьковское водохранилище осуществлялось аналогично ранее описанных прогнозных моделей (глава 2, 3). Таким образом, рассматривались три варианта модели на основе:

1. стокообразующих факторов (запас воды в снежном покрове, увлажнение почвы);

2. атмосферных факторов;

3. стокообразующих и атмосферных факторов совместно.

В связи с тем, что выбор прогнозного уравнения притока воды в водохранилища (Рыбинское и Горьковское) аналогичен ранее описанным прогнозным моделям, процесс выбора может быть опущен.

В результате, было найдено прогнозное уравнение притока воды на 28.02 для Горьковского водохранилища вида:

у = 1,423*1 + 2,573x2 + 1,141*! + 0,б49ж2 - 16,672100*£ (16)

В уравнении (16) X) - величина запаса воды в снежном покрове на 28.02. (мм), Хг -увлажнение почвы (мм), 16,672100 X/ - коэффициент разложения, верхний левый индекс: «100» -уровень замера величины геопотенциала равный 100мб,

верхний правый индекс: «1» - месяц замера величины геопотенциала, нижний индекс соответствует номеру коэффициента разложения поля геопотенциала.

Далее был рассмотрен алгоритм формирования расчетных гидрографов воды в Рыбинское и Горьковское водохранилища. В предлагаемом алгоритме предусмотрено использование двух вариантов моделирования расчетных гидрографов притока воды в каждом створе ГЭС данного каскада (Рыбинской и Нижегородской ГЭС). Продолжительность расчетного гидрографа принята от одного месяца до квартала. Основным вариантом моделирования расчетных гидрографов являлся выбор модели на основе использования натурного ряда наблюдений за речным стоком. Указанный метод выбора заключается в следующем.

При известном гидрологическом прогнозе на месяц и на квартал в гидрологическом ряде выбираются годы, в которых сток аналогичного месяца находится в границах прогноза на данный месяц. Указанный выбор осуществляется для каждой ГЭС каскада Из полученных лет выбираются годы общие для всех ГЭС каскада. Для оставшихся лет выполняется аналогичный анализ для квартала/Принято, что количество лет, удовлетворяющих выше указанным условиям, должно быть не менее трех.

Если количество лет менее трех, то используется второй вариант моделирования расчетных гидрографов. Этот метод заключается в следующем. Моделируются три гидрографа: один гидрограф со среднемесячным расходом, соответствующим минимальному значению прогноза притока воды к данному, створу ГЭС, второй гидрограф - максимальному значению прогноза и третий гидрограф - среднему значению прогноза. При значительной асинхронности притока воды к створам ГЭС указанные модели гидрографов корректируются.

Указанная корректировка расходов выполняется с помощью коэффициентов, определяемых степенью нарушения верхней или нижней границы прогнозных значений объема стока по сравнению с расчетным объемом стока по каскаду в целом. Моделирование расчетных гидрографов для 2-го и 3-го месяцев квартала осуществляется пропорционально отклонению прогноза квартального стока от нормы стока за данный квартал.

Таким образом, независимо от метода моделирования, для дальнейших расчетов выбиралось не менее трех расчетных гидрографов.

Расчеты прогнозной выработки электроэнергии во втором квартале на примере работы Рыбинской ГЭС проводились для 1980-1994 и Нижегородской ГЭС для 1974-1994гг. (период наладки модели) и 2000-2005гг. (этап апробации модели для обеих ГЭС). В результате, прогнозная выработка электроэнергии сравнивалась с фактической выработкой обеих ГЭС. Так как коэффициенты эффективности для прогнозных моделей на основе совместного использования стокообразующих и атмосферных факторов для Рыбинской и Нижегородской ГЭС максимальны по сравнению с другими вариантами моделей, то они и использовались для нахождения прогнозной выработки,

В пятой главе была получена модель планирования выработки электроэнергии во втором квартале для Рыбинской и Нижегородской ГЭС с учетом их каскадной работы в два этапа: на первом этапе планировалась выработка всего каскада, а на втором осуществлялось планирование отдельных ГЭС каскада.

В главе 3.5. бьшо рассмотрено получение суммарной выработки на примере Нижегородской и Рыбинской ГЭС. В связи с тем, что вышележащее Рыбинское водохранилище оказывает значительное влияние на работу Нижегородской ГЭС, то необходимо оценивать плановую выработку электроэнергии обоих ГЭС с учетом их каскадной работы. Нахождение же плановой выработки каждой ГЭС в отдельности дает недостаточно высокие по точности результаты.

Для нахождения плановой выработки электроэнергии на основе стоокобразующих и атмосферных факторов для Нижегородской и Рыбинской ГЭС с учетом их каскадной работы в пятой главе был использован следующий алгоритм:

1. С помощью уравнения (12) определялась плановая выработка электроэнергии во втором квартале Рыбинской ГЭС на основе стокообразующих и атмосферных факторов.

2. Определялась суммарная выработка электроэнергии во втором квартале Рыбинской и Нижегородской ГЭС.

3. Для определения выработки электроэнергии во втором квартале Нижегородской ГЭС из суммарной выработки вычиталась выработка Рыбинской ГЭС.

Определение суммарной выработки электроэнергии во втором квартале Рыбинской и Нижегородской ГЭС было основано на учете влияния стокообразующих и атмосферных факторов.

В качестве стокообразующих факторов рассматривались те же параметры, что и в главе 3, а именно: величина запаса воды в снежном покрове на момент составления прогноза и величина увлажнения почвы в первом квартале на всей площади водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ.

Суммарная территория водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ была разбита на восемь районов с учетом ландшафтно-геотрафических особенностей нечерноземной зоны европейской части России. Территории районов были выделены аналогично разбиению, описанному в главах 2 и 3. Аналогично были определены и значения снегозапасов для залесенной и открытой частей районов, запас воды в снежном покрове, а также средневзвешенное значение снегозапасов для общей территории водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ.

В качестве исходных данных для учета влияния атмосферных факторов применялись коэффициенты разложения поля геопотенциала по естественным ортогональным функциям, определенных в главе 3.

Для определения прогнозного уравнения был использован метод аппроксимации. В качестве аппроксимирующих выражений использовались зависимости (б) и (7). Для определения коэффициентов аппроксимирующих выражений применялся метод наименьших квадратов.

Расчет планируемой суммарной выработки электроэнергии на основе стокообразующих и атмосферных факторов для Рыбинской и Нижегородской ГЭС проводился по данным на 28 февраля. Расчеты прогнозной суммарной выработки электроэнергии во втором квартале для Рыбинской ГЭС и Нижегородской ГЭС проводились для 1980-1994гг. (период наладки модели) и 2000-2005гг. (этап апробации прогнозной модели).

В результате, на 28 февраля было выбрано прогнозное уравнение для получения суммарной выработки электроэнергии каскада Рыбинской и Нижегородской ГЭС вида: Усум = -0,02х§ - 0,06X4 + З,32х3 + 25,67х4 - 2,5б100Х? - 204,15 (17)

В уравнении (17) Хз - величина запаса воды в снежном покрове на 28.02. на территории водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ (мм), Х4 - увлажнение почвы (мм), 2,56100 Х12 - коэффициент разложения, верхний левый индекс: «100» • уровень замера величины геопотенциала равный 100мб, верхний правый индекс: «2» - месяц замера величины геопотенциала, нижний индекс соответствует номеру коэффициента разложения поля геопотенциала.

Планируемая выработка электроэнергии во втором квартале для Нижегородской ГЭС была определена как разность между суммарной выработкой (каскада Рыбинской и Нижегородской ГЭС) и плановой выработкой электроэнергии Рыбинской ГЭС: урыб = 0,376x1 - 0,021x1 ~ 9,912100Х| - 20,84^ + 7,749х2 - 236,532 (18)

(18) - плановая выработка электроэнергии во втором квартале для Рыбинской ГЭС. Униж = Усум - УРыб (19)

(19) - плановая выработка электроэнергии во втором квартале для Нижегородской ГЭС.

Проверка адекватности регрессионной модели проводилась в соответствии с моделью, представленной в главе 3. Коэффициенты эффективности для каждого из полученных прогнозных уравнений представлены в табл. 2.

Далее было произведено сравнение моделей планирования выработки электроэнергии во втором квартале на основе стокообразующих и атмосферных факторов.

В главах 3 и 5 рассмотрены две различные модели получения прогностического уравнения планирования выработки электроэнергии на основе стокообразующих и атмосферных факторов.

Первый вариант модели планирования выработки электроэнергии во втором квартале на основе стокообразующих и атмосферных факторов, рассмотренный в 3 главе, не учитывает влияния каскадной работы станций. Данной моделью не учтено влияние на нижележащее Горьковское водохранилище (суточного регулирования) работы Рыбинского водохранилища (многолетнего регулирования).

Использование подобной модели для планирования выработки электроэнергии при каскадной работе станций с различными типами регулирования может быть использовано только для предварительной прикидочной оценки плановой выработки. Кроме того данная модель подходит для планирования выработки ГЭС не работающих в каскаде или же каскада ГЭС с одинаковым типом регулирования.

Второй вариант модели планирования выработки электроэнергии во втором квартале на основе стокообразующих и атмосферных факторов, рассмотренный в главе 5, учитывает влияние каскадной работы ГЭС. Данная модель подходит для получения уравнения планирования выработки электроэнергии во втором квартале для каскадной работы ГЭС различного и одинакового типа регулирования. -

Таблица 2.

Коэффициенты эффективности двухэташой модели планировании для Рыбинской и Нижегородской ГЭС.

Год Рыбинская и Нижегородская ГЭС Рыбинская ГЭС Нижегородс каяГЭС

З/а 19801994 0,29 0,29 0,65

Апробация расчетной модели

5/(7 20002005 0,31 0,65 0,57

19802005 0,26 0,35 0,60

550

500

450

400

350

300

250

200

f[ ■яМ

h m jf*-rW -

IFV 1 ри ff

V Л 1 JS K*

к

\f h

V m V

-прогнозные значения выработки Нижегородской ГЭС по методике главы 3

прогнозные значения выработки Нижегородской ГЭС по методике главы 5

-фактические значения выработки Рыбинской ГЭС

прогнозные значения выработки Рыбинской ГЭС

-фактическое значение выработки электроэнергии Нижегородской ГЭС

1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 год

Рис.2. Сравнение результатов моделей планирования выработки электроэнергии ГЭС при индивидуальном планировании и при двухэтапном планировании о учетом каскадной работы ГЭС.

Далее было произведено сравнение результатов расчетов моделей планирования выработки электроэнергии на основе стокообразующих и атмосферных факторов, представленной в главе 5 (с учетом каскадной работы ГЭС) и модели на основе прогноза притока воды, рассмотренной в главе 4.

В результате при планировании выработки электроэнергии во втором квартале для Рыбинской и Нижегородской ГЭС с учетом их каскадной работы:

1 По модели планирования выработки электроэнергии на основе стокообразующих и атмосферных факторов, представленной в 5 главе, был получен коэффициент эффективности S/a =0.26.

2 По модели планирования выработки электроэнергии на основе прогноза притока воды коэффициент эффективности составил S/a =0.46.

Данные коэффициенты эффективности были получены для суммарной выработки Рыбинской и Нижегородской ГЭС с учетом их каскадной работы.

При этом для Рыбинской ГЭС были получены следующие коэффициенты эффективности: 1 По модели планирования выработки электроэнергии на основе стокообразующих и атмосферных факторов, представленной в 5 главе, был получен коэффициент эффективности S/a =0.35.

2 По модели планирования выработки электроэнергии на основе прогноза притока воды коэффициент эффективности составил Б/а =0.39. А для Нижегородской ГЭС:

1 По модели планирования выработки электроэнергии на основе стокообразукяцих и атмосферных факторов, представленной в 5 главе, был получен коэффициент эффективности Б/сг =0.60.

2 По модели планирования выработки электроэнергии на основе прогноза притока воды коэффициент эффективности составил Б/ст =0.66.

В результате можно сказать, что эффективность первой модели значительно выше эффективности модели на основе прогноза притока воды в Рыбинское и Горьковское водохранилище. Столь высокие коэффициенты эффективности второй модели можно объяснить, совокупностью погрешностей: погрешностью прогнозной модели притока воды и погрешностью при определении расчетного гидрографа.

стока.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ:

1. Введение оптового рынка электроэнергии и мощности приводит к повышению требований к точности и заблаговременности планирования выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях

2. Рассмотрены существующие методы планирования выработки электроэнергии каскадов ГЭС. Показано, что на плановую выработку ГЭС существенное влияние оказывают: схема использования водных ресурсов каскадов ГЭС, использование ГЭС в объединенных энергетических и водохозяйственных системах и особенности конкретных физико-географических условий расположения станций.

3. Рассмотрены два возможных подхода к планированию выработки электроэнергии ГЭС: непосредственное планирование выработки электроэнергии ГЭС на основе совместного учета стокообразующих и атмосферных факторов, включающих запас воды в снежном покрове, величину увлажнения почвогрунтов и значения особенностей атмосферной циркуляции давления; на основе прогнозирования притока воды в водохранилища и проведения водноэнергетических расчетов режима работы ГЭС.

4. На основании выполненных исследований доказана более высокая эффективность непосредственного (прямого) планирования выработки электроэнергии ГЭС.

5. Планирование выработки электроэнергии каскада ГЭС целесообразно осуществлять в два этапа. На первом этапе планируется выработка всего каскада при рассмотрении всей площади водосбора каскада, а на втором осуществляется планирование отдельных ГЭС каскада, начиная с верхней ступени каскада и далее вниз по течению реки.

6. Оценку качества планирования целесообразно осуществлять по значению коэффициента эффективности.

7.- Разработанная методика апробирована на примере работы верхневолжского каскада ГЭС (Рыбинской ГЭС и Нижегородской ГЭС) и позволяет повысить точность и заблаговременность планирования, а также эффективность использования водных ресурсов.

8. Выбор предикторов и их количества, влияющих на планирование выработки электроэнергии должно определяться для каждой ГЭС и каскада ГЭС отдельно, что связано с разной степенью влияния физико-географических условий на формирование речного стока.

Публикации по теме диссертации.

1. Александровский А.Ю., Борщ П.С. Прогнозирование выработки электроэнергии на ГЭС. // Гидротехническое строительство. - 2013. - №1

2. Александровский А.Ю., Борщ П.С. Зависимость водноэнергетических показателей Эвенкийской ГЭС от стока р. Нижняя Тупгуска и режима использования водных ресурсов водохранилища. // Гидротехническое строительство. - 2012. - №4, с.27 - 30.

3. Александровский А.Ю., Борщ П.С. Восемнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. Студентов и аспирантов: Тез. докл. В 4 т. Т. 4., М: Издательский дом МЭИ, 2012., с. 411 - 412.

4. Александровский А.Ю., Борщ П.С. Планирование выработки электроэнергии на ГЭС с водохранилищами длительного регулирования. // Труды Всероссийской научной конференции, посвященной памяти выдающегося ученого-гидролога, профессора A.B. Рождественского, М.: 2012.

5. A. Yu. Aleksandrovskii, P. S. Borshch Prediction of electric-power generation at hydroelectric power plants // Power Technology and Engineering. - Vol. 47, No 2 July, 2013, Springer US

Подписано в пбчать 0h> ДЯ' ЮЩъы. Hf Тир. ЮО П.л. Ш Полиграфический центр МЭИ, Красноказарменная ул.,д.13

ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений»

Борщ Павел Сергеевич

МЕТОДИКА ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КАСКАДА ГЭС С УЧЕТОМ СТОКООБРАЗУЮЩИХ И АТМОСФЕРНЫХ

ФАКТОРОВ

Специальность 05.14.08 Энергоустановки на основе возобновляемых источников энергии

На правах рукописи

0420.14 56609

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Александровский Алексей Юрьевич

Москва 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................................5

Глава 1. МЕТОДЫ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ 12

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ГЭС...........................................................

1.1. Общие сведения......................................................................................................................................12

1.2. Описание ОЭС Европейской части России..................................................................14

1.3. Современное состояние ОЭС Центра и ОЭС Средней 17 Волги.....................................................................................

1.4. Методы прогнозирования величины речного стока..............................................25

1.5. Методы водноэнергетических расчетов..........................................................................32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ПЕРВОЙ ГЛАВЕ....................................................................................................37

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ 38 ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ГЭС НА ОСНОВЕ УЧЕТА

СТОКООБРАЗУЮЩИХ И АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ...................

2.1. Расчет водноэнергетических режимов ГЭС и каскадов ГЭС........................38

2.2. Постановка задачи................................................................................................................................44

2.3. Учет влияния стокообразующих факторов на выработку 46 электроэнергии ГЭС..............................................................

2.3.1. Постановка задачи..............................................................................................................................46

2.3.2. Состав данных..........................................................................................................................................52

2.3.3. Формирование модели планирования выработки электроэнергии на 59 ГЭС во втором квартале на основе стокообразующих факторов...........................................................................

2.4. Учет влияния атмосферных факторов на выработку электроэнергии 64 ГЭС...................................................................................

2.5. Учет влияния стокообразующих и атмосферных факторов на 77 выработку электроэнергии ГЭС................................................

2.6. Анализ регрессионной модели..................................................................................................78

ЗАКЛЮЧЕНИЕ КО ВТОРОЙ ГЛАВЕ................................................................................................82

Глава 3. РАЗРАБОТКА МОДЕЛИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ 84

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ВО ВТОРОМ КВАРТАЛЕ НА ОСНОВЕ СТОКООБРАЗУЮЩИХ И АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ ДЛЯ КАЖДОЙ ГЭС ОТДЕЛЬНО............................................................

3.1. Разработка методики планирования выработки электроэнергии на 85 основе стокообразующих факторов...................................................

3.2. Разработка методики планирования выработки электроэнергии на 88 основе атмосферных факторов.......................................................

3.3. Разработка методики планирования выработки электроэнергии на 91 основе стокообразующих и атмосферных факторов...............................

3.4. Проверка адекватности регрессионной модели прогнозирования 93 выработки электроэнергии..............................................................

3.5. Планирование выработки электроэнергии каскада Рыбинской и 95

Нижегородской ГЭС.....................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ................................................. 97

Глава 4. ПЛАНИРОВАНИЕ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ГЭС НА 98 ОСНОВЕ ПРОГНОЗА ПРИТОКА ВОДЫ............................................

4.1. Получение прогнозного уравнения притока воды в Рыбинское и 98 Горьковское водохранилища на период половодья на основе стокообразующих и атмосферных факторов........................................

4.2. Формирование расчетных гидрографов притока воды в Рыбинское и 101 Горьковское водохранилища...........................................................

4.3. Проведение численных экспериментов по расчету электроэнергии на 104

примере Рыбинской и Нижегородской ГЭС........................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ............................................. 112

Глава 5. СРАВНЕНИЕ ВАРИАНТОВ МЕТОДИК ПЛАНИРОВАНИЯ 113 ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ КАСКАДА РЫБИНСКОЙ И НИЖЕГОРОДСКОЙ ГЭС ВО ВТОРОМ КВАРТАЛЕ.............................

5.1. Получение уравнения планирования выработки электроэнергии во 113 втором квартале для Рыбинской и Нижегородской ГЭС с учетом их каскадной работы...........................................................................

5.2. Сравнение методик планирования выработки электроэнергии во 120 втором квартале на основе стокообразующих и атмосферных факторов......

5.3. Сравнение методики планирования выработки электроэнергии во 123 втором квартале на основе стокообразующих и атмосферных факторов и методики на основе прогноза притока воды........................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ К ПЯТОЙ ГЛАВЕ........................................................................................................126

ВЫВОДЫ......................................................................................................................................................................127

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................................129

ПРИЛОЖЕНИЕ......................................................................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ.

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одними из основных генерирующих установок, производящих электрическую энергию. Им присущ целый ряд факторов, объясняющих особое внимание к ним, как в мировой, так и в отечественной энергетике.

К таким факторам следует отнести [1,2,3,4,5]:

1. Постоянная естественная возобновляемость гидроэнергетических ресурсов и достигаемая при этом экономия органического топлива.

2. Высокая маневренность и быстродействие гидроэнергетического оборудования, позволяющие эффективно использовать ГЭС для покрытия переменной части графика нагрузки, регулирования частоты тока в энергосистемах, выполнения функций оперативного и аварийного резервов и, таким образом, обеспечивать надежность и высокое качество электроснабжения потребителей.

3. Более высокая, чем на тепловых или атомных электростанциях, производительность труда, так, численность эксплуатационного персонала на ГЭС значительно ниже, чем на заменяемых ТЭС (с учетом добычи и транспортировки топлива).

4. Комплексное использование водных ресурсов и положительное влияние на народнохозяйственное развитие страны.

5. Низкая себестоимость электроэнергии, производимой на гидроэнергетических установках, что связано как с низкими эксплуатационными издержками (из-за относительно высокого уровня автоматизации процесса производства электрической энергии), так и низким расходом электроэнергии на собственные нужды.

Большинство гидроэлектростанций входят в состав двух систем: энергетической и водохозяйственной, каждая из которых обеспечивает многие отрасли народного хозяйства. При этом ГЭС одновременно с другими электростанциями участвует в покрытии общей нагрузки энергосистемы в целом. Это заставляет рассматривать задачу оптимизации режима ГЭС как

общесистемную, неразрывно связанную с особенностями всего электроэнергетического производства.

Объем выработки электроэнергии на ГЭС позволяет ежегодно экономить 5060 млн. тон условного топлива, за счет использования возобновляемых источников энергии, а высокая маневренность оборудования ГЭС и способность практически мгновенно набирать и сбрасывать нагрузку делает гидроэлектростанции практически незаменимыми при покрытии переменной части графика нагрузки. Для успешного использования ГЭС необходимо четкое планирование выработки электроэнергии. Так как процесс получения энергии на ГЭС неразрывно связан с использованием возобновляемых источников энергии, то процесс планирования неотрывно связан со знанием закономерностей развития природных процессов, основанных на конкретных физико-географических условиях. Так потребность в гидрологических прогнозах возрастает по мере развития гидроэнергетики, водного хозяйства и транспорта, поэтому улучшение методик прогнозирования гидрологического режима неотрывно связан с оптимизацией использования гидроэлектростанций.

При разработке прогнозного баланса электроэнергии на предстоящий год интервал заблаговременности представления плановых показателей выработки составляет от 120 дней до 45 дней при планировании на год. Выработка электроэнергии представляется по месяцам периода планирования.

Назначение выработки электроэнергии гидроэлектростанциями на предстоящий год вызывает определенные затруднения, прежде всего по причине неопределенности гидрологической обстановки, т.к. гидрологические прогнозы приточности воды в водохранилища ГЭС на год не даются. Гидрометцентром РФ разрабатываются гидрологические прогнозы, охватывающие период от одного месяца до одного квартала. Прогноз выпускается за 2-3 дня до начала расчетного (планового периода). Эти прогнозы, совместно с данными о запасе воды в водохранилище, могут использоваться при оперативной корректировке плановой выработки на ближайший квартал и месяц, однако непригодны для годового и квартального планирования.

Плановая годовая выработка ГЭС определяется для календарного года (январь - декабрь), в то время как основной объем энергоресурсов (воды) поступает в водохранилище во втором квартале. Не имея данных о состоянии бассейна реки (запасе снега на водосборе, промерзании почвы и т. п.) дать численный прогноз притока воды и, следовательно, прогноз выработки в октябре текущего года на следующий год невозможно.

Для расчета выработки на календарный год необходимо знать запасы воды в водохранилище на начало года (01.01), что так же не может быть определено с требуемой заблаговременностью.

Использование проектной выработки ГЭС в качестве плановой не дает объективной оценки, поскольку она рассчитывается по работе ГЭС за длительный период, как правило, порядка 50 лет, при постоянных условиях эксплуатации, которые в реальных условиях изменяются. Значительно изменяются требования водопользователей и правила использования водных ресурсов водохранилищ. Важной характеристикой, используемой при планировании выработки электроэнергии на ГЭС, является переходящий из года в год запас воды в водохранилище, определяемый отметкой уровня воды в водохранилище на 01.01 каждого года.

Гидрологические прогнозы в самом общем своем понимании представляют собой определение с той или иной заблаговременностью различных элементов гидрологического режима, основанное на знании закономерностей развития природных процессов, определяющих соответствующие явления в конкретных физико-географических условиях. Характер гидрологического режима и изменчивость его элементов непосредственно связаны с климатом и изменчивостью погодных условий на территорию реки и бассейнов. Основные метеорологические элементы (осадки, температура воздуха) в определенных масштабах времени носят характер стохастических переменных и обуславливают аналогичный характер зависящих от них гидрологических элементов. Поэтому практические возможности долгосрочных прогнозов стока и других элементов водного режима, а также других, зависящих от данных элементов характеристик,

существенно различны в различных климатических условиях и зависят от степени влияния на сток метеорологических условий за период заблаговременности прогноза. Чем меньше влияние неизвестных на момент выдачи прогноза факторов, тем меньше обусловленная ими неопределенность и тем больше возможность для гидрологических прогнозов и наоборот. Частая неполнота гидрологической информации, случайность и многофакторная сущность гидрологических процессов (степень влияния каждого из которых на формирование рассматриваемого явления учесть в полной мере не представляется возможным), а также невозможность представления их в виде определенной зависимости, вынуждает использовать статистические методы. Особую важность приобретают вопросы статистических оценок выборочных параметров распределения, искусственного увеличения информации, выбора наиболее подходящей математической модели. Т.е. в общем случае метод гидрологических прогнозов представляет собой количественную связь между предсказываемой величиной как функцией и обуславливающими факторами (предикторами). Поэтому выяснение закономерностей, свойственных совокупности явлений, формирующихся как следствие многофакторных связей, возможно лишь статистическими методами [6,7].

Актуальность темы диссертации. В современных условиях работы гидроэлектростанций на оптовом рынке электроэнергии важной задачей является выбор режима работы гидростанций и их оптимальной работы. Необходимость заблаговременного определения и планирования выработки электроэнергии гидроэлектростанций для повышения экономической эффективности использования водных ресурсов, предотвращения потерь выработки электроэнергии при колебании водности рек, стабильность работы энергетических систем - это основные условия, выполнение которых дает возможность выполнения предъявляемых современным рынком электроэнергии и водохозяйственным комплексом требований.

Цель исследования. Целью данной работы является разработка методики планирования выработки электрической энергии каскада ГЭС и ее апробации на примере Рыбинской и Нижегородской ГЭС для второго квартала, на основе данных, известных на момент составления прогноза.

В рамках сформулированной цели в диссертационной работе решены была необходимость решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих методов планирования выработки электрической энергии ГЭС.

2. Разработать методику планирования выработки электроэнергии на основе стокообразующих факторов (величина запас воды в снежном покрове, увлажнение почвы) и атмосферных факторов, а именно особенностей атмосферной циркуляции давления (величины геопотенциала) на уровнях Н= 100мб и Н=500мб.

3. Апробировать методику планирования выработки электроэнергии на ГЭС, на примере Рыбинской и Нижегородской гидроэлектростанций Волжско-Камского каскада (далее ВКК) для второй квартал на основе данных, известных на момент формирования прогноза (стокообразующих и атмосферных) с учетом их каскадной работы.

Объектом исследования являются третья и четвертая ступень верхневолжских гидроэлектростанций Рыбинская и Нижегородская гидроэлектростанции.

Для решения поставленных задач исследования проводились в следующих направлениях:

1. Анализ существующих типов прогнозов и используемых методик прогнозирования выработки электроэнергии ГЭС.

2. Анализ имеющихся данных о стокообразующих факторах и гидрометеорологических условиях, а также их связь с выработкой электрической энергии ГЭС.

3. Разработка методики прогнозирования выработки электроэнергии на основе стокообразующих факторов (величина запаса воды в снежном

покрове, увлажнение почвы) и атмосферных факторов, а именно особенностей атмосферной циркуляции давления (величины геопотенциала) на уровнях Н= 100мб и Н=500мб.

4. Количественная оценка точности прогноза выработки электроэнергии на ГЭС (Рыбинской и Нижегородской ГЭС) по предлагаемой методике планирования и сравнение с ее фактическим значением во втором квартале.

5. Выбор методики, обеспечивающей максимальную точность прогноза, из моделей на основе учета различных факторов (только стокообразующих, только атмосферных и совместного учета стокообразующих и атмосферных факторов).

Научная новизна. В работе представлен метод физико-статистического планирования выработки электроэнергии каскада ГЭС (на примере Рыбинской и Нижегородской ГЭС) на основе факторов, влияющих на формирование речного стока: стокообразующих и атмосферных, при этом учитывалась пространственная неоднородность формирования стока на территории водосборов Рыбинского и Горьковского водохранилищ.

Практическое значение работы заключается в том, что полученная методика позволит оптимизировать использование водных ресурсов, увеличить выработку, дать с необходимой заблаговременностью режим работы ГЭС и каскада ГЭС.

Методика исследования. Для получения прогностических зависимостей использовалась множественная линейная корреляция с пошаговым регрессионным анализом. Учитывалась пространственная неоднородность формирования стока на территории водосбора Рыбинского и Горьковского водохранилищ путем представления их в виде совокупности однородных районов, для каждого из которых находилось свое прогностическое уравнение.

Достоверность полученных результатов подтверждена результатами проведенных расчетов и опытом эксплуатации ГЭС.

Апробация результатов исследований диссертационной работы были представлены и обсуждены на:

всероссийской научной конференции «Современные проблемы стохастической гидрологии и регулирования стока», г. Москва