автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Планирование выработки электроэнергии гидроэлектростанций с учетом стокообразующих и атмосферных факторов

На правах рукописи

ООЗ 158133

ЛОБАНОВ Николаи Юрьевич

ПЛАНИРОВАНИЕ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ С УЧЕТОМ СТОКООБРАЗУТОЩИХ И АТМОСФЕРНЫХ ФАКТОРОВ

Специальность 05.14.08 Энергоустановки на основе возобновляемых видов энергии

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

Работа вьшолнена на кафедре «Нетрадиционных и возобновляемых источников энергии» в Московском энергетическом институте (техническом университете) (МЭИ)

Научный руководитель. доктор технических наук, профессор

Александровский Алексей Юрьевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

заслуженный деятель наук РФ Исмайылов Габил Худуш-оглы

кандидат технических наук Лелюхин Николай Владимирович

Ведущая организация, филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» - институт «Гидропроект».

Защита состоится "22" 2007 г. в /5~гас О О шуга в аудитории

Г-200 на заседании диссертационного совета №Д 212.157 03 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу . 111250 , г. Москва, Красноказарменная 17

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке МЭИ (ТУ)

Отзывы в двух экземплярах, заверенных печатью, просим высылать по адресу 111250, г Москва, Красноказарменная, д 14, Ученый совет МЭИ (ТУ)

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03 к т.н., доцент

Бердник Е Г

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одними из основных генерирующих установок, производящих электрическую энергию Они обладают целым рядом особенностей, которыми объясняется особое внимание, уделяемое им как в мировой, так и в российской энергетике.

Создание Федерального (общероссийского) оптового рынка электрической энергии (мощности) (ОРЭМ) существенным образом изменило место и роль гидроэлектростанций в энергетической системе и позволило наиболее полно реализовать их режимные преимущества.

Себестоимость электрической энергии, вырабатываемой ГЭС, значительно ниже, чем на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. Это объясняется более высокой производительностью труда по эксплуатации, отсутствием затрат на добычу и транспортировку топлива, меньшим потреблением электроэнергии на собственные нужды, низким процентом амортизационных отчислений и меньшими затратами на ремонт электрооборудования Вместе с тем, себестоимость электрической энергии ГЭС зависит от характера водности года Чем ниже водность года, тем выше себестоимость вырабатываемой электроэнергии Кроме того, повышение экономичности работы энергетических систем обусловлено не только низкой себестоимостью вырабатываемой ГЭС электроэнергии, но и снижением удельных расходов топлива на тепловых электростанциях, для которых при наличии ГЭС и ГАЭС обеспечивается более равномерный, а значит, более экономичный режим работы ТЭС

Актуальность темы диссертации связана с необходимостью заблаговременного определения выработки электрической энергии гидроэлектростанций страны для повышения экономичности работы энергетических систем и снижения удельных расходов топлива на тепловых электростанциях

Экономически, в условиях рыночных отношений, проблема рационального использования энергоресурсов, за счет более раннего

получения прогноза выработки электроэнергии ГЭС приобретает особо важное значение

Целью работы является разработка методики долгосрочного планирования выработки электрической энергии гидроэлектростанций на второй квартал.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований

- провести анализ существующих методов планирования выработки электрической энергии ГЭС;

- разработать методику планирования выработки электрической энергии на основе стокообразующих факторов в виде запаса воды в снежном покрове и атмосферных факторов, а именно особенностей атмосферной циркуляции давления на уровнях НИ 100мб и Н=500мб,

- апробировать методику планирования выработки электрической энергии ГЭС, на примере планирования выработки электроэнергии ГЭС Волжско-Камского каскада (ВКК) на второй квартал.

Объектами исследований являются девять гидроэлектростанции Волжско-Камского каскада Рыбинская ГЭС, Нижегородская ГЭС, Чебоксарская ГЭС, Жигулевская ГЭС, Саратовская ГЭС, Волгоградская ГЭС, Камская ГЭС, Воткинская ГЭС, Нижнекамская ГЭС

Для решения поставленных задач исследования проводились в следующих направлениях- анализ существующих типов прогнозов и используемых методик планирования выработки электроэнергии ГЭС;

- анализ имеющихся данных о стокообразующих факторах и гидрометеорологических условиях, и их связь с выработкой электрической СКергии ГЭС.

- разработка методики планирования выработки электрической энергии на второй квартал на основе данных о запасе воды в снежно." псхрове и особенностей атмосферной циркуляции давления.

количественная оценка отклонения величины выработки электроэнергии ГЭС Волжско-Камского каскада, планируемой по предлагаемой методике, от ее фактического значения на второй квартал

Научная новизна. В работе реализован переход от существующих методик планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе гидрологических характеристик к планированию выработки электроэнергии ГЭС на основе, определяющих речной сток, данных о запасе воды в снежном покрове и особенности атмосферной циркуляции давления.

Практическое значение работы заключается в обеспечении надежного использования топливо- и энергетических ресурсов и баланса электрической энергии страны за счет планирования выработки электрической энергии ГЭС с максимальной заблаговременностью.

Личный вклад автора заключается:

- в постановке задач исследований;

- в разработке методики определения параметров математической модели для оценки выработки электроэнергии ГЭС;

- в обработке и интерпретации результатов численных экспериментов Апробация результатов исследований. Основные положения и

результаты диссертации на разных этапах работы доложены и обсуждены на Международных Научно-технических конференциях студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (МЭИ, 2005-2007г.).

Публикации. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Нетрадиционных и возобновляемых источников энергии» Московского энергетического института (технического университета) и нашла отражение в опубликованных автором статьях и докладах По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы

Достоверность полученных результатов работы базируется на большом объеме исходной информации и корректном использовании апробированных методов моделирования, а также методов проведения натурных исследований, и подтверждается согласованностью результатов,

полученных с помощью расчетных моделей с материалами фактических наблюдений

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и приложения Работа изложена на 112 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков, 18 таблиц и список литературы из 95 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели и задачи, определены основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость

Первая глава посвящена анализу существующих, и используемых в настоящее время, методов планирования выработки электроэнергии ГЭС

В настоящее время планирование выработки электрической энергии ГЭС основывается на прогнозе величины притока воды в бассейны рек с использованием водноэнергетических расчетов

Выделяют три практических метода долгосрочных прогнозов весеннего

стока

1) Прямой водобалансовый расчет, в основе которого лежит алгебраическое суммирование за период половодья составляющих водного баланса речного бассейна

При всей простоте алгебраического уравнения водного баланса бассейна определение составляющих потерь трудоемко, требует дополнительных наблюдений и содержит ряд неопределенностей и допущений, которые нуждаются в дополнительной проработке и проверке

2) Физико-статистический водобалансовый метод

Метод базируется на условии водного баланса речного бассейна за период половодья, но отличается от первого метода тем, что в основу расчета водопоглощения и стока положена более определенная теоретическая модель.

3) Статистические методы, включающие главным образом корреляцию, в том числе множественную, с отбором предикторов методами просеивания.

Для определения выработки электрической энергии ГЭС на второй квартал применяется планирование по среднемноголетней величине При рассмотрении такого планирования, в периоды маловодных лет расход топлива в энергетических системах превышает планируемый, а в периоды многоводных лет оказывается меньшим При таком режиме в маловодных условиях полезный объем воды в водохранилищах ГЭС оказывается израсходованным раньше окончания маловодного периода, и ГЭС вынуждены вырабатывать значительно меньше электроэнергии, чем проектная гарантированная величина.

Кроме того, в результате повышенной величины сработки водохранилищ, в течение продолжительного периода времени ГЭС работают с пониженными, по сравнению с проектными, напорами. За счет этого дополнительно снижается возможность участия гидроэлектростанций в покрытии переменной части графика нагрузки, и теряется потенциально возможная выработка электрической энергии ГЭС

В результате этого, не полностью удовлетворяются требования водохозяйственных потребителей, например, водного транспорта или сельского хозяйства (орошения посевов)

За рубежом получили большое распространение методы прогнозирования речного стока, основанные на использовании нейронных сетей (Neural Networks), методов размытых множеств (Fuzzy) и их гибридов (Neurofuzzy)

Для перехода от величины притока воды в бассейны рек к прогнозной величине выработки электроэнергии ГЭС используются водно-энергетические расчеты.

При проведении водоэнергетических расчетов в настоящее время используются два метода

-8-

детерминированный метод, вероятностный метод Первый метод основан на использовании данных календарных рядов наблюдений за стоком прошлых лет Этот метод может быть реализован в графической или табличной форме.

Точность расчета табличным способом выше, чем при расчете по интегральным кривым стока, используемым в графическом методе

Несмотря на имеющиеся недостатки, календарный метод в настоящее время остается одним из основных математических инструментов при расчетах регулирования стока.

Второй, вероятностный, метод основан на использовании методов теории вероятности и математической статистики

При использовании вероятностных методов расчета возможны два приема вычисления, композиционный метод и метод статистических испытаний (метод Монте-Карло)

В первой главе показано, что использование существующих методов расчета планируемой выработки электроэнергии ГЭС без существенной доработки не эффективно, это приводит к получению результатов прогноза с малой заблаговременностью и увеличению капитальных затрат связанных с неточностью прогноза

Необходима разработка, выбор и применение новых методов, позволяющих планировать выработку электрической энергии с большей заблаговременностью и точностью прогноза

В работе исследованы три варианта модели планирования выработки электрической энергии ГЭС на второй квартал.

• учет влияния запаса воды в снежном покрове на водосборе на выработку электроэнергии ГЭС,

• учет влияния особенностей атмосферной циркуляции на выработку электроэнергии ГЭС,

• учет совместного влияния запаса воды в снежном покрове и особенностей атмосферной циркуляции на выработку электроэнергии ГЭС

Вторая глава посвящена разработке модели планирования выработки электроэнергии ГЭС на основе данных о запасе воды в снежном покрове на водосборе

Для планирования выработки электрической энергии ГЭС применялись аналитические методы планирования

Весьма важным фактором формирования гидрографа половодья является процесс стекания воды, который непосредственно связан с атмосферными факторами и физико-географическими характеристиками речного бассейна

Рациональным при планировании выработки электрической энергии ГЭС, является переход от объема притока воды в бассейны рек к стокообразующим факторам, то есть проведение планирования на основе данных о величине стокообразующих факторов

В первом варианте модели планирования рассматривается зависимость величины выработки электрической энергии ГЭС во втором квартале от величины запаса воды в снежном покрове на водосборе.

Расчет планируемой выработки электроэнергии ГЭС основывался на определении коэффициентов взаимной корреляции г между величинами запаса воды в снежном покрове в первом квартале, и величиной выработки электрической энергии ГЭС на второй квартал, с использованием корреляционного анализа.

Третья глава посвящена исследованию модели планирования выработки электроэнергии ГЭС на основе учета влияния особенностей атмосферной циркуляции давления, и модели учета совместного влияния запаса воды в снежном покрове и особенностей атмосферной циркуляции давления

Нельзя с полной уверенностью только по запасу воды в снежном покрове сказать об объеме притока воды, который будет притекать к водохранилищам ГЭС в весеннем сезоне, в связи с тем, что огромную роль при формировании притока играют значения атмосферной циркуляции давления, преобладающие в первом квартале в период таяния снега

Важной особенностью современных статистических методов планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе данных об особенности атмосферной циркуляции давления является получение устойчивых зависимостей при использовании небольшого числа физически значимых параметров состояния атмосферы, которые характеризуют метеорологические поля на больших пространствах. К числу способов получения таких параметров относятся разновидности компонентного анализа - разложение метеорологических полей в ряд по ортогональным полиномам Чебышева, по естественным ортогональным функциям, по рядам Фурье и по сферическим функциям.

В модели планирования выработки электроэнергии ГЭС, при учете особенностей атмосферной циркуляции, представление поля давления с помощью так называемых естественных ортогональных функций (ео.ф), позволяет найти разложение поля, имеющее оптимальную сходимость. Естественные ортогональные функции определяются непосредственно из совокупности атмосферных метеорологических полей

Расчленение на периоды естественных сезонов производиться по принципу сохранения в течение нескольких дней на пространстве значительной части северного полушария определенного характера барического поля в тропосфере

Третий вариант модели планирования выработки электроэнергии ГЭС на второй квартал основывается на совместном учете запаса воды в снежном покрове и особенностей атмосферной циркуляции давления

Использование всех теоретических и накопленных эмпирических знаний об атмосферных и стокообразующих факторах, позволяет выявить

прогностические зависимости между данными факторами и выработкой электрической энергии ГЭС посредством проведения статистического анализа материалов наблюдений

Четвертая глава посвящена апробации трех моделей планирования выработки электроэнергии ГЭС и выбору одной из предложенных моделей для дальнейшего использования при планировании выработки электроэнергии ГЭС на второй квартал

Апробация методики проводилась на примере ГЭС ВКК При этом использовались ежегодные данные о запасе воды в снеге за период наблюдения с 1980 по 1998гг, с ежедекадной частотой измерения с января по март, и показатели особенностей атмосферной циркуляции над Северным полушарием (от 40° до 90° с.ш), за период наблюдения с 1980 по 1998гг, с ежемесячной частотой измерений.

Период с 1980 по 1998 гг принят как период для получения расчетной модели Оценка качества прогнозных значений выработки электроэнергии ГЭС на второй квартал проводилась на основе статистических методов за период с 2002 по 2006 гг

В работе детально была выполнена апробация предлагаемых моделей планирования выработки электроэнергии ГЭС на примере Боткинской и Рыбинской ГЭС Волжско-Камского каскада Для остальных рассматриваемых ГЭС каскада результаты расчетов приведены в сводной таблице

В качестве аппроксимирующей зависимости, в результате расчетов и проверки критерия минимальности квадрата отклонений от фактических значений, была принята линейная функция вида

у=а*х+Ьо, (1)

где b(r свободный член уравнения, а- коэффициент уравнения Значения коэффициентов а и Ь0 определены с использованием метода наименьших квадратов для всех дат замера запаса воды в снеге в первом квартале

Для Боткинской ГЭС прогнозные уравнения имеют вид на 28 февраля: у=0,028*х+0,082 на 31 марта у=0,034*х-г0,200 где1 у - фактическая выработка электроэнергии во втором квартале, ТВт*ч, х - запас воды в снеге на соответствующую дату замера, км3.

Аналогично проведя вычисления для Рыбинской ГЭС, получили прогнозные уравнения следующего вида на 28 февраля у=-0,007*х+0,390 на 31 марта. у=-0,003 *х+0,334 В вариантах моделей планирования выработки электроэнергии ГЭС, основанных на учете влияния значений особенностей атмосферной циркуляции давления в северном полушарии на величину выработки электроэнергии, использовались методы дискриминантного анализа и разложения на естественные ортогональные составляющие-функции, с последующим использованием полученных ортогональных функций и коэффициентов разложения при корреляционно-регрессионном методе планирования выработки электроэнергии ГЭС на второй квартал Исследования проводились с целью

1) выявления оптимальных районов (точек пространства), в которых влияние атмосферных процессов на выработку электроэнергии ГЭС на второй квартал наиболее значимо;

2) разложения полей геопотенциала на уровнях 100мб и 500мб в первом квартале по естественным ортогональным функциям и выбор оптимальных предикторов;

3) выбора периода заблаговременности планирования выработки электрической энергии ГЭС и выявлении значимых переменных (собственных векторов разложения поля геопотенциала по е о ф), для использования в прогнозных регрессионных уравнениях

Определение прогнозной выработки электроэнергии ГЭС на второй квартал при трех и более независимых переменных облегчается при

использовании функциональных возможностей программных комплексов расчета STATISTICA 6 0 или MicroStat

В модели планирования использовались только первые пять коэффициентов разложения, в связи с тем, что при большом периоде наблюдений, уже первые пять-шесть коэффициентов отражают в среднем 80% информации о ходе разложения поля циркуляции

Полученное уравнение регрессии на основе данных о величине геопотенциала для Боткинской ГЭС имеет вид.

Г = 0,70 тХ\ + 4,78 W'X\ + 86,08, (3)

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

Аналогично, проводя расчеты для Рыбинской ГЭС, получили уравнение планирования выработки электрической энергии на второй квартал, на основе данных об особенностях циркуляции давления на 28 02 следующем виде.

Y = 2,74 S00x22 - 0,58 mX¡ - 33,30 (4)

Последовательность расчета по третьему варианту модели планирования аналогична выше рассмотренному второму варианту модели -планирования выработки электроэнергии ГЭС, но с дополнительным учетом, в качестве независимой переменной, величины запаса воды в снеге.

Уравнение планирования выработки электрической энергии ГЭС при одновременном учете запаса воды в снеге и значения циркуляции давления на 28.02 для Боткинской ГЭС имеет вид

У = 3,27 X, + 5 74 тХ\ - 4 39 (5)

Для Рыбинской ГЭС уравнение планирования выработки электроэнергии ГЭС на 28 02 соответственно имеет вид

У = 2,74 тХг2 - 0,58 mX¡ - 33,30 (6)

Значения фактических и прогнозных выработок электроэнергии Боткинской ГЭС и Рыбинской ГЭС, соответственно, приведены на рис. 1 и 2 Также, для сравнения, на рис. 1 и рис 2 нанесены значения прогнозов выработки электроэнергии ГЭС, рассчитанные по первым двум рассмотренным вариантам структуры модели планирования

й 0,4

0,2 -

-прогнозное значение на основе данных о запасе воды в снеге

прогнозное значение на основе данных об особенностях атмосферной циркуляции

прогнозное значение на основе совместного учета данных запаса воды а снеге и особенностей атмосферной циркуляции фактическое значение выработки электроэнергии ГЭС

2002

2003

2004

2005

2006

Рис 1 Значения фактической и прогнозных выработок электроэнергии Боткинской ГЭС, рассчитанных по трем рассмотренным моделям планирования на 28 02

0,45-

»— прогнозное значение на основе данных о запасе воды в снеге

■ 0,15 -и-*- прогнозное значение на основе данных об особенностях атмосферной циркуляции

прогнозное значение на основе совместного учета данных о запасе веды в снеге и 0,1 -г; особенностей атмосферной циркуляции

д- фактическое значение выработки электроэнергии ГЭС

0,05-

2002

2003

2004 годы

2005

2006

Рис 2 Значения фактической и прогнозных выработок электроэнергии Рыбинской ГЭС, рассчитанных по трем рассмотренным моделям планирования на 28 02

Качество метода прогноза, наряду с коэффициентом корреляции г, оценивается по коэффициенту эффективности S/a. Где S -стандартная ошибка расчета, а а - стандартное отклонение ряда значений выработки электрической энергии, рассчитываемые по формулам1

S = v--:-, = 1

Yjw-wf

(2)

и-1 Ï п-1

где W, - значения фактической выработки электроэнергии, W, -прогнозные значения выработки электроэнергии, a W - среднее значение фактической выработки электроэнергии

Если S/a< 0 80 полученное расчетное уравнение можно отнести к категории прогностических уравнений, с приемлемой степенью точности

Прогноз считается оправдавшимся, если прогнозная величина отличается от фактической не больше чем на± А, где Л = 0,674 а

Коэффициенты эффективности S/a при планировании выработки электрической энергии Боткинской ГЭС и Рыбинской ГЭС и ГЭС ВКК в целом для трех выше приведенных методов и для всех дат замера воды в снежном покрове в первом квартале приведены соответственно в табл 3 и 4

Таблица 3

Значения коэффициента эффективности S/a для Боткинской ГЭС и Рыбинской ГЭС при планировании выработки электроэнергии на второй квартал

Название ГЭС Дата замера параметра Метод планирования выработки электрической энергии

на основе данных о запасе воды в снеге на основе данных о циркуляции давления на основе данных о запасе воды в снеге и данных о циркуляции давления 1.04

Боткинская ГЭС 31 янв 1.03 1.26

10 фее 0,95 1,26 0,85

20 фее 0,86 1,26 0,68

28 фее 0,75 0,99 0,36

10 мар 0,44 0,99 0,37

20 мар 0,53 0,99 0,46

31 мар 0,85 0,99 0,77

Таблица 3 (продолж )

Рыбинская ГЭС 31 яне 1.17 2.69 2.93

10 фее 1,83 2,69 2,69

20 фее 1,91 2,69 2,69

28 фее 1,51 1,16 1,16

10 мар 1,70 1,16 1,16

20 мар 1,26 1,16 1,16

31 мар 1,10 1,16 1,16

Таблица4

Значения коэффициента эффективности S/a при планировании выработки электрической энергии ГЭС Волжско-Камского каскада на второй квартал

годы Значены я вьраба гшэлекг щшескт "¡энергии, МВт*ч

31лне Шфев 20фев Жфее Юмор 20жр 31мср факт

Учет запаса 2002 13150 та 12952 13036 13082 13070 13153 14450

ведав 2003 13258 13158 13157 13084 13085 13115 33088 13130

сшжном 2004 12832 12928 12828 12935 13020 13025 13212 13490

покрове 2005 13323 13182 13112 13081 13110 13128 13095 13285

Êf (вариант!) 2006 13294 13224 13112 13093 13107 13122 13087 12190

$ 31янв 10 фее 20 фее Жфее Юмор 20мар 31мар факт

ч Учет 2002 13443 13443 13443 13082 13082 13082 13082 14450

ашосфдиой 2003 13384 13384 13384 13370 13370 13370 13370 13130

►i царкуяядаи 2004 13850 13850 13850 13282 13282 13282 13282 13490

й давления 2005 13056 13066 13066 12975 12975 12975 12975 13285

(вэркаш2) 2006 14072 14072 14072 12720 12720 12720 12720 12190

À 31 лив Шфев 20.фев Жфее Южр 20жр 31мср факт

Учетзапаса 2002 14Q28 13443 13443 13305 13082 13082 13082 14450

воды в снеге и 2003 14460 13384 13384 13151 - 13370 13370 13370 13130

щрвушщи 2004 14173 13850 13850 13333 13282 13282 13282 13490

давления 2005 14604 13066 13066 13449 12975 12975 12975 13285

(шриангЗ) 2006 13934 14072 14072 12702 12720 12720 12720 12190

Коэффициент Bapl 1,13 1,16 1,17 1,10 1,06 1,07 1,00

эффекпшвэст Вар2 135 135 135 0,95 0,95 0,95 0,95

S/a ВфЗ 1,66 135 135 0,79 0.95 0Д5 0,95

Из приведенных в табл 3 и 4 значений коэффициентов эффективности S/a следует, что для планирования выработки электроэнергии рассмотренных ГЭС на второй квартал, необходимо использовать данные наблюдений о запасе воды в снеге и данные об особенностях циркуляции атмосферного давления на 28 февраля, так как на эту дату значение коэффициента эффективности минимально

-17-

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Задача повышения заблаговременности при сохранении точности расчета плановой выработки электроэнергии ГЭС является актуальной в связи с переходом на рыночные отношения в энергетике Данные выработки электроэнергии необходимы при учете ежегодного планирования топливоснабжения в энергетике, и главное, при планировании надежного функционирования энергетических систем страны и целесообразного использования водных ресурсов. Заблаговременное планирование выработки электрической энергии ГЭС позволяет ежегодно экономить на ТЭС большой объем топлива и атмосферного кислорода, необходимого для его сжигания

2. Анализ существующих методов планирования выработки электрической энергии ГЭС. выявил, что большинство методов планирования выработки электроэнергии ГЭС основываются на прогнозе величины речного стока Недостаток данного метода заключается в низкой оправдываемости, недостаточной заблаговременности и необходимости определении всех составляющих уравнения водного баланса

3 Для повышения точности и заблаговременности расчета выработки электроэнергии гидроэлектростанций на второй квартал кроме запаса воды в снежном покрове на водосборе, в качестве дополнительного фактора рассмотрена циркуляция атмосферного давления

4 Рациональным при планировании выработки электрической энергии ГЭС, является переход от объема притока воды в бассейны рек к запасу воды в снежном покрове и особенности атмосферной циркуляции давления, определяющим процессы снеготаяния и ход половодья

5 Разработана методика планирования выработки электрической энергии ГЭС, позволяющая перейти от используемых в настоящее время методов, основанных на данных об объеме притока воды в водохранилища ГЭС, и являющихся краткосрочными прогнозами, к планированию

выработки электроэнергии ГЭС на основе запаса воды в снеге и особенностей атмосферной циркуляции

6. Разработанная методика базируется на разложении полей геопотенциала в значимых точках земной поверхности Получены коэффициенты разложения по естественным ортогональным функциям и собственные векторы, позволяющие составить регрессионное уравнение для планирования выработки электрической энергии ГЭС

7 Разработанная методика расчета плановой выработки ГЭС апробирована на ГЭС Волжско-Камского каскада Оптимальная заблаговременность расчета плановой выработки на второй квартал получена в пределах 1.0-1.5 месяца Достоверность полученных плановых показателей подтверждается наличием фактических данных запаса воды в снеге и особенностей атмосферной циркуляции давления. Значение данных факторов достоверно известно на момент составления прогноза и получение их значений не вызывает трудностей.

8 При использовании предлагаемой методики планирования выработки электрической энергии ГЭС для каждой конкретной гидроэлектростанции необходимо проведение предварительного исследования и подбор структуры и параметров расчетной модели

9 Оптимальной датой получения исходной информации по запасу воды в снеге и особенностям атмосферной циркуляции давления для планирования выработки электрической энергии ГЭС Волжско-Камского каскада является дата - 28 февраля

Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях:

1 Александровский А Ю., Лобанов H Ю Разработка методики планирования выработки электрической энергии во втором квартале на гидроэлектростанциях Волжско-Камского каскада // XII Международная Научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" Тездокл В 3-х т.-M МЭИ, 2006-ТЗ.-С 406-407

2 Александровский АЮ., Лобанов НЮ Планирование выработки электрической энергии на гидроэлектростанциях Волжско-Камского каскада на примере второго квартала // XIÎI Международная Научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика". Тез.докл . В 3-х т. - M * МЭИ, 2007 - Т 3 - С 361-362

3 Александровский А Ю, Борщ C.B., Лобанов H Ю. Методика планирования выработки электрической энергии на ГЭС во втором квартале с учетом стокообразующих и климатических факторов // Гидротехническое строительство - 2007 - №4- С.41 - 47.

Печ л Тираж (00 Заказ 0

Полиграфический центр МЭИ. Красноказарменная, 13

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГЭС.

1.1 Общее представление о выработке электрической энергии на гидроэлектростанциях.

1.2 Анализ применяемых методов планирования величины речного стока

1.3 Анализ методов водноэнергетических расчетов.

1.4 Использование математического моделирования, в водноэнергетических расчетах.

Выводы:.

2. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГЭС НА ОСНОВЕ УЧЕТА СТОКООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

2.1 Математические модели методики планирования выработки электрической энергии ГЭС.

2.2 Постановка задачи.

2.3 Исследование влияния стокообразующих факторов на выработку электрической энергии на гидроэлектростанциях.

2.3.1 Постановка задачи.

2.3.2 Состав и источники данных.

2.3.3 Планирование выработки электрической энергии ГЭС на основе данных о величине запаса воды в снеге.

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ГЭС НА ОСНОВЕ УЧЕТА АТМОСФЕРНЫХ И СТОКОБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ.

3.1 Постановка задачи.

3.2 Планирование выработки электрической энергии на основе данных об атмосферных факторах.

-33.3 Исследование влияния стокообразующих и атмосферных факторов на выработку электрической энергии ГЭС.

3.4 Проверка адекватности регрессионной модели.

Выводы.

4. АПРОБАЦИЯ МЕТОДИКИ ПЛАНИРОВАНИЯ ВЫРАБОТКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ВО ВТОРОМ КВАРТАЛЕ НА ПРИМЕРЕ ГИДРОЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ВОЛЖСКО-КАМСКОГО КАСКАДА.

4.1 Апробация методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе данных о стокообразующих факторах.

4.2 Апробация методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе атмосферных факторов.

4.3 Апробация методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе стокообразующих и атмосферных факторов.

4.4 Проверка адекватности регрессионной модели.

4.5 Применение регрессионной модели планирования выработки электрической энергии на примере ГЭС Волжско-Камского каскада.

Выводы.

Гидроэлектростанции (ГЭС) являются одними из основных генерирующих установок, производящих электрическую энергию. Они обладают целым рядом особенностей, которыми объясняется особое внимание, уделяемое им как в мировой, так и в российской энергетике.

К особенностям гидроэлектростанций следует отнести [9]:

- использование возобновляемых источников энергии, что делает эти станции наиболее надежными и экономически эффективными;

- высокую маневренность оборудования и способность практически мгновенно принимать и сбрасывать нагрузку, что позволяет использовать гидроэлектростанции с большей эффективностью при покрытии переменной части графика нагрузки;

- низкую себестоимость электроэнергии, производимой на гидроэнергетических установках, которая объясняется как низкими эксплуатационными издержками, что связано с высоким уровнем автоматизации процесса производства электрической энергии, так и низким расходом электроэнергии на собственные нужды.

Объем выработки электроэнергии, производимой на гидроэлектростанциях, позволяет ежегодно экономить сотни млн. т. условного топлива и атмосферного кислорода, необходимого для сжигания этого топлива на тепловых электростанциях, тем самым предотвращать выбросы сотен млн.т. двуокиси углерода, десятки млн.т золы, серы, токсичных окислов азота, а также многих других вредных веществ [24, 33, 34].

Большинство гидроэлектростанций входят в состав двух систем -энергетической и водохозяйственной, каждая из которых обеспечивает развитие многих отраслей народного хозяйства [9, 29].

Роль гидроэнергетики особенно повысилась в связи с созданием Единой энергетической системы (ЕЭС) России и введением рыночных отношений в процесс производства, передачи и распределения электроэнергии.

Создание Федерального (общероссийского) оптового рынка электрической энергии (мощности) (ОРЭМ) существенным образом изменило место и роль гидроэлектростанций в энергетической системе и позволило наиболее полно реализовать их режимные преимущества [9].

Создание энергетических систем продиктовано технико-экономическими соображениями. Объединение в единую систему потребителей, имеющих различный характер спроса на электрическую энергию (промышленность, быт, транспорт), улучшает использование установленной мощности каждой электростанции. График суммарной нагрузки системы становиться в этом случае менее пиковым, что при снижении суммарного максимума нагрузки системы дает уменьшение капитальных вложений при строительстве новых электростанций и снижает себестоимость электрической энергии существующих электростанций.

Планирование выработки электрической энергии гидроэлектростанций представляет собой определение (предвычисление) с той или иной заблаговременностью объема выработки электроэнергии, основанное на знании закономерностей развития природных процессов, определяющих соответствующие явления в конкретных физико-географических условиях.

Потребность в различного рода гидрологических прогнозах возрастает с каждым годом по мере развития гидроэнергетики, водного хозяйства и транспорта, и в конечном итоге определяется особенностями режима рек, спецификой водохозяйственных систем и их целевым назначением.

Характер гидрологического режима и изменчивость его элементов связаны непосредственно с климатом и изменчивостью погодных условий на территориях речных бассейнов. В силу этого в гидрологии, в отличие от таких наук, как физика и химия, в основе развития которых лежали и лежат лабораторные эксперименты, приходиться использовать данные практических гидрометеорологических наблюдений. Ограниченные возможности постановки таких наблюдений связанны со сложностью, неравномерностью и изменчивостью природных процессов и многообразием физико-географических условий. Они являются главной причиной того, что, имея, в принципе, правильное физическое представление о гидрологических процессах в целом, гидрология пока не может дать достаточно полного математического описания этих процессов и рассчитывать их с высокой степенью точности [68, 69, 89].

Основные метеорологические элементы (осадки, температура воздуха, атмосферное давление) в определенных масштабах времени носят характер стохастических переменных и обуславливают аналогичный характер зависящих от них гидрологических характеристик. Это, бесспорно, отражается на методологии и возможностях гидрологических прогнозов и обуславливает существенную роль в них элементов вероятности.

Все переменные факторы, определяющие речной сток, его распределение во времени и другие элементы водного режима рек и озер с точки зрения возможностей прогноза делятся на две категории [68]: а) Известные (начальные) факторы, которые определяют уже сложившиеся к моменту выпуска прогноза условия в речном бассейне и могут с той или иной степенью точности быть определены или оценены по данным гидрометеорологических наблюдений. б) Неизвестные (будущие) метеорологические факторы, влияние которых сказывается в течение периода заблаговременности прогнозов, и вносят в них большую или меньшую неопределенность.

Отсюда следует, что 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, в конечном счете, 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.

Уровень влияния будущих условий погоды является отнюдь не единственным фактором, определяющим практическую возможность долгосрочных прогнозов стока и других, зависящих от стока, элементов [68].

Природа гидрологических процессов такова, что не только оправдывает, но и требует использования методов математической статистики и теории вероятностей при разработке и оценке эффективности практических приемов прогнозов, а также вероятностного выражения этих прогнозов [30, 50, 57,68]. Значение величины погрешностей и распределение их вероятности определяет ту максимальную заблаговременность прогнозов, при которой последние не утрачивают своей практической значимости.

Себестоимость электрической энергии, вырабатываемой ГЭС, значительно ниже, чем на тепловых (ТЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. Это объясняется более высокой производительностью труда при эксплуатации, отсутствием затрат на добычу и транспортировку топлива, меньшим потреблением электроэнергии на собственные нужды, низким процентом амортизационных отчислений и меньшими затратами на ремонт электрооборудования. Вместе с тем, себестоимость электрической энергии ГЭС зависит от характера водности года. Чем ниже водность года, тем выше себестоимость вырабатываемой электроэнергии. Кроме того, повышение экономичности работы энергетических систем обусловлено не только низкой себестоимостью вырабатываемой ГЭС электроэнергии, но и снижением удельных расходов топлива на тепловых электростанциях, для которых при наличии ГЭС и ГАЭС обеспечивается более равномерный, а значит, более экономичный режим работы ТЭС.

Актуальность темы диссертации связана с необходимостью заблаговременного определения выработки электрической энергии гидроэлектростанций страны для повышения экономичности работы энергетических систем и снижения удельных расходов топлива на тепловых электростанциях.

Экономически, в условиях рыночных отношений, проблема рационального использования энергоресурсов, за счет более раннего получения прогноза выработки электроэнергии ГЭС приобретает особо важное значение.

Целью исследования является разработка методики долгосрочного планирования выработки электрической энергии гидроэлектростанций на второй квартал.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи исследований:

- провести анализ существующих методов планирования выработки электрической энергии ГЭС;

- разработать методику планирования выработки электрической энергии на основе стокообразующих факторов в виде запаса воды в снежном покрове и атмосферных факторах, а именно особенностей атмосферной циркуляции давления (величины геопотенциала) на уровнях Н=100мб и Н=500мб;

- апробировать методику планирования выработки электрической энергии ГЭС, на примере планирования выработки электроэнергии ГЭС Волжско-Камского каскада (ВКК) на второй квартал.

Объектами исследований являются девять наиболее мощных гидроэлектростанций Волжско-Камского каскада (ВКК):

Рыбинская ГЭС, Нижегородская ГЭС, Чебоксарская ГЭС, Жигулевская ГЭС, Саратовская ГЭС, Волгоградская ГЭС, Камская ГЭС, Боткинская ГЭС, Нижнекамская ГЭС.

Для решения поставленных задач исследования проводились в следующих направлениях:

- анализ существующих типов прогнозов и используемых методик планирования выработки электроэнергии ГЭС;

-9- анализ имеющихся данных о стокообразующих факторах и гидрометеорологических условиях, и их связь с выработкой электрической энергии ГЭС;

- разработка методики планирования выработки электрической энергии ГЭС на второй квартал на основе данных о запасе воды в снеге и особенности атмосферной циркуляции давления.

- количественная оценка отклонения планируемой по предлагаемой методике величины выработки электроэнергии ГЭС Волжско-Камского каскада, от ее фактического значения во втором квартале.

Научная новизна. В работе реализован переход от существующих методик планирования выработки электрической энергии ГЭС на основе гидрологических характеристик к планированию выработки электроэнергии ГЭС на основе, определяющих речной сток, данных о запасе воды в снежном покрове и особенности атмосферной циркуляции давления.

Практическое значение работы заключается в обеспечении надежного использования топливо- и энергетических ресурсов и баланса электрической энергии страны за счет планирования выработки электрической энергии ГЭС с максимальной заблаговременностью.

Достоверность полученных результатов работы базируется на большом объеме исходной информации и корректном использовании апробированных методов моделирования, а также методов проведения натурных исследований, и подтверждается согласованностью результатов, полученных с помощью расчетных моделей с материалами независимых фактических наблюдений.

Апробация результатов исследований на разных этапах работы проведена на следующих конференциях и семинарах: на XI Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2005 г. на XII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2006 г. на XIII Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика", МЭИ, Москва, 2007 г.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Нетрадиционных и возобновляемых источников энергии» Московского энергетического института (технического университета) и нашла отражение в опубликованных автором статьях и докладах. По теме диссертации опубликовано 3 печатные работы.