Nội dung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ NGỌC SƠN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC KẾT HỢP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG – TỐI ƯU – TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU, ÁP DỤNG CHO LƯU VỰC SÔNG BA LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI LÊ NGỌC SƠN NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC KẾT HỢP MÔ HÌNH MÔ PHỎNG – TỐI ƯU – TRÍ TUỆ NHÂN TẠO TRONG VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU, ÁP DỤNG CHO LƯU VỰC SÔNG BA Chuyên ngành: Xây dựng Công trình thủy Mã số: 62 58 40 01 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Hồ Sỹ Dự 2. GS.TS. Lê Đình Thành HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Lê Ngọc Sơn i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Hồ Sỹ Dự và GS.TS. Lê Đình Thành đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ tác giả trong suốt thời gian thực hiện và hoàn thành luận án. Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các cấp lãnh đạo của Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Khoa Năng lượng, Khoa Công trình, Bộ môn Thủy điện và Năng lượng tái tạo, các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi, chia sẻ, tư vấn cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện Luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học, các cơ quan đã tạo điều kiện cung cấp các thông tin và tài liệu cần thiết, giúp đỡ tác giả trong quá trình nghiên cứu, thực hiện Luận án. Cuối cùng tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, bạn bè, người thân đã luôn là chỗ dựa vững chắc cả về vật chất và tinh thần trong suốt quá trình nghiên cứu đến khi hoàn thành bản Luận án này. ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH.....................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................... vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài luận án ...........................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................3 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ......................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ......................................................4 6. Những đóng góp mới của luận án ...................................................................5 7. Cấu trúc của luận án ........................................................................................5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA ........................................................................................................6 Hồ chứa và phương pháp VHHTHC ...............................................................6 1.1 1.1.1 Khái quát về hồ chứa ...................................................................................6 1.1.2 Phương pháp VHHTHC ..............................................................................7 Tổng quan về tình hình nghiên cứu VHHC trên thế giới ................................9 1.2 1.2.1 Các mô hình mô phỏng và ứng dụng trên thế giới ......................................9 1.2.2 Các mô hình tối ưu và ứng dụng trên thế giới ...........................................11 1.2.3 Phương pháp kết hợp mô hình mô phỏng - tối ưu và ứng dụng trên thế giới................ .........................................................................................................23 1.3 Nghiên cứu ứng dụng các mô hình vận hành hồ chứa ở Việt Nam ..............24 1.4 Lưu vực sông Ba và tình hình nghiên cứu VHHTHC trên lưu vực ..............27 1.4.1 Lưu vực sông Ba........................................................................................27 1.4.2 Tình hình nghiên cứu VHHTHC trên sông Ba..........................................28 1.5 Những tồn tại, hạn chế trong VHHTHC .......................................................33 1.6 Hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán VHHTHC của Luận án .......................................................................................................................34 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC VỀ NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA .........................................................................39 2.1 Mô hình mô phỏng hệ thống hồ chứa HEC-ResSim .....................................39 iii 2.1.1 Tính năng của chương trình.......................................................................40 2.1.2 Cấu trúc mô hình .......................................................................................40 2.1.3 Quy tắc vận hành và các Bối cảnh vận hành .............................................43 2.1.4 Các chỉ tiêu đánh giá khả năng phát điện, cấp nước .................................44 2.1.5 Kết quả đầu ra của mô hình HEC-ResSim và kết nối với DP ...................45 Mô hình tối ưu DP .........................................................................................45 2.2 2.2.1 Các khái niệm cơ bản ................................................................................45 2.2.2 Thuật toán DDDP ......................................................................................46 2.2.3 Lập trình bài toán quy hoạch động cho HTHC thủy điện .........................50 2.2.4 Kết quả từ mô hình DP và kết nối với ANN .............................................57 2.3 Mô hình ANN ................................................................................................59 2.3.1 Cấu trúc của mạng ANN ...........................................................................59 2.3.2 Quá trình quét xuôi ....................................................................................59 2.3.3 Phương pháp lan truyền ngược..................................................................64 2.3.4 Phần mềm tính toán ANN .........................................................................64 2.3.5 Các bước xác lập mạng ANN và áp dụng vào vận hành thực .................65 Kết luận Chương 2.........................................................................................66 2.4 CHƯƠNG 3 ÁP DỤNG MÔ HÌNH NÂNG CAO HIỆU QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG HỒ CHỨA THỦY ĐIỆN TRÊN SÔNG BA .................................................69 3.1 Tình hình số liệu quan trắc khí tượng thủy văn.............................................69 3.2 Số liệu HTHC và các yêu cầu dùng nước trên lưu vực sông Ba ..................73 3.2.1 Hệ thống các hồ chứa thủy điện trên lưu vực sông Ba ..............................73 3.2.2 Số liệu về tình hình sử dụng nước trên lưu vực ........................................73 3.3 Thiết lập hệ thống vật lý lưu vực sông Ba.....................................................79 3.4 Sử dụng mô hình HEC-ResSim để định lượng tình hình VHHTHC lưu vực .......................................................................................................................81 Định lượng và ảnh hưởng của các ràng buộc nhu cầu sử dụng nước hạ lưu ...................................................................................................................81 3.4.1 3.4.2 Định lượng và ảnh hưởng của các ràng buộc dòng chảy môi trường tối thiểu hạ lưu ............................................................................................................87 Kết quả tính toán từ mô hình HEC-ResSim sử dụng cho DP ...................97 3.4.3 3.5 Thiết lập và chạy mô hình DP cho HTHC sông Ba ......................................98 iv 3.5.1 Hàm mục tiêu và ràng buộc .......................................................................98 3.5.2 Điều kiện biên và ràng buộc ......................................................................99 3.5.3 Chuỗi tính toán ANN-DP cho HTHC sông Ba .......................................101 3.6 Thiết lập mạng ANN-DP và đánh giá .........................................................102 3.7 Kết luận Chương 3.......................................................................................105 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................106 1. Kết quả đạt được của luận án ......................................................................106 2. Những đóng góp mới của luận án. ..............................................................107 3. Những tồn tại và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo của luận án. ...................107 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................110 PHỤ LỤC ....................................................................................................................117 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Bản đồ vị trí lưu vực và HTHC trên sông Ba .................................................31 Hình 1.3 Sơ đồ khối mô tả kết hợp các mô hình cho VHHTHC..................................36 Hình 1.2 Đường vận hành dự kiến cận tối ưu sau khi dùng kết hợp ANN-DP.............37 Hình 2.1 Các mô-đun của phần mềm HEC-ResSim .....................................................43 Hình 2.2 Quá trình ra quyết định theo trình tự của DP .................................................47 Hình 2.3 Lưới chia các giai đoạn và trạng thái của bài toán DP theo phương pháp DDDP ............................................................................................................................52 Hình 2.6 Phạm vi biến đổi của mực nước hồ sử dụng DDDP ......................................52 Hình 2.5 Giới hạn vùng làm việc của tua bin và đường đặc tính vận hành công suất N =f(Q, H) .........................................................................................................................55 Hình 2.6 Các bước tính toán Mô hình Quy hoạch động –DDDP..................................60 Hình 2.7 Xử lý ràng buộc trong mô hình DP ................................................................61 Hình 2.8 Cấu trúc mạng ANN .......................................................................................62 Hình 2.9 Các bước phát triển mạng ANN .....................................................................63 Hình 2.10 Sơ đồ khối thuật toán lan truyền ngược (BP) ...............................................67 Hình 3.1 Sơ họa cắt dọc HTHC trên sông Ba ...............................................................75 Hình 3.2 Sơ họa mặt bằng HTHC trên sông Ba ............................................................76 Hình 3.3 Sơ đồ tính toán cho hệ thống Sông Ba ...........................................................77 Hình 3.4 Đồ thị tổng điện lượng trung bình năm các phương án..................................82 Hình 3.5 Đồ thị điện lượng trung bình năm từng hồ thủy điện .....................................82 Hình 3.6 Đồ thị thể hiện tổng điện lượng trung bình mùa kiệt các phương án .............85 Hình 3.7 Đồ thị thể hiện tổng lượng nước cấp trung bình năm các phương án. ...........85 Hình 3.8 Đồ thị thể hiện lượng nước cấp trung bình năm từng khu tưới ......................86 Hình 3.9 Tổng điện lượng trung bình mùa kiệt các phương án ....................................93 Hình 3.10 Điện lượng trung bình mùa kiệt các hồ thủy điện ........................................93 Hình 3.11 Tổng lượng nước cấp trung bình mùa kiệt các phương án ...........................95 Hình 3.12 Lượng nước cấp trung bình mùa kiệt các khu tưới ......................................95 Hình 3.13 Lượng nước cấp trung bình mùa kiệt cho các tuyến ....................................95 Hình 3.14 Phạm vi biến đổi mực nước các hồ chứa......................................................97 Hình 3.15 So sánh dung tích hồ Sông Hinh trong các trường hợp tính khác nhau (2001-2005) .................................................................................................................104 Hình 3.16 So sánh kết quả dung tích hồ chứa qua kiểm định ANN với dung tích tối ưu DP ................................................................................................................................104 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Mô tả các bước liên kết các mô hình giải quyết bài toán VHHTHC ............41 Bảng 3.1 Các trạm thủy văn trên lưu vực Sông Ba .......................................................70 Bảng 3.2 Thống kê chuỗi số liệu thủy văn ....................................................................70 Bảng 3.3 Các trạm đo bốc hơi trên lưu vực...................................................................71 Bảng 3.4 Các trạm đo mưa trên lưu vực........................................................................71 Bảng 3.5 Diện tích lưu vực tính đến các vị trí công trình .............................................72 Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật chính của hồ chứa thủy điện. ...........................................74 Bảng 3.7 Tổng hợp diện tích tưới ..................................................................................78 Bảng 3.8 Nhu cầu tưới hàng tháng ................................................................................78 Bảng 3.9 Nhu cầu nước hàng năm cho sinh hoạt, công nghiệp và cấp nước đô thị ......78 Bảng 3.10 Các bước thiết lập mô hình và giải quyết bài toán VHHTHC .....................79 Bảng 3.11 Các hồ chứa chính trên hệ thống Sông Ba ...................................................80 Bảng 3.12 Các khu tưới trên hệ thống ...........................................................................80 Bảng 3.13 Các nút cấp nước sinh hoạt, công nghiệp, đô thị. ........................................80 Bảng 3.14 Nút chuyển nước hệ thống ...........................................................................81 Bảng 3.15 Nút kiểm tra dòng chảy môi trường. ............................................................81 Bảng 3.16 Các phương án tính toán cho hệ thống.........................................................81 Bảng 3.17 Tổng hợp đánh giá các yêu cầu về điện lượng năm .....................................83 Bảng 3.18 Tổng hợp đánh giá các chỉ tiêu yêu cầu khu tưới ........................................84 Bảng 3.19 Đặc trưng dòng chảy trung bình thời kỳ ......................................................88 Bảng 3.20 Dòng chảy môi trường tuyến 1 ....................................................................89 Bảng 3.21 Dòng chảy môi trường tuyến 2 ....................................................................89 Bảng 3.22 Dòng chảy môi trường tuyến 3 ....................................................................89 Bảng 3.23 Dòng chảy môi trường tuyến 4 ....................................................................90 Bảng 3.24 Dòng chảy môi trường tuyến 5 ....................................................................90 Bảng 3.25 Một số giá trị dòng chảy môi trường đề xuất ...............................................91 Bảng 3.26 Các phương án tính toán cho hệ thống đánh giá dòng chảy môi trường. ....91 Bảng 3.27 Kết quả tính toán về điện lượng trong mùa kiệt ..........................................92 Bảng 3.28 Kết quả tính toán về cấp nước tưới trong mùa kiệt ......................................94 Bảng 3.29 Kết quả tính toán về dòng chảy môi trường qua tuyến trong mùa kiệt .......96 Bảng 3.30 Phạm vi biến đổi mực nước hồ chứa từ HEC-ResSim ................................98 Bảng 3.31 Yêu cầu về cấp nước hạ lưu tối thiểu trong mùa kiệt ...............................100 Bảng 3.32 Giá trị điện lượng trung bình năm theo DP ...............................................101 Bảng 3.33 Lưu lượng đến đập Đồng Cam và cấp nước tưới cho Ayun Hạ ................101 Bảng 3.34 So sánh giá trị hàm mục tiêu - điện năng trung bình năm giữa: (i) Vận hành thực tế;(ii) DP; (iii) ANN-DP (đ.vị: triệu kWh) ..........................................................103 Bảng 3.35 Chênh lệch dung tích cuối thời đoạn giữa mô hình DP và ANN .............103 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANN Mạng nơ-ron nhân tạo (Aritificial Neural Network) BĐKH Biến đổi khí hậu BP Thuật toán truyền ngược sai số (Backward Propagation) DCMT Dòng chảy môi trường DCTT Dòng chảy tối thiểu DDDP DP vi phân rời rạc (Discrete Differential DP) DP Quy hoạch động (Dynamic Programming) DSS Hệ thống trợ giúp quyết định (Decision Support System) GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System) HEC-ResSim Phần mềm mô phỏng vận hành hồ chứa do Hiệp hội các kỹ sư quân đội Mỹ lập ra HTHC Hệ thống hồ chứa HTNN Hệ thống nguồn nước KTTV Khí tượng thủy văn LP Quy hoạch tuyến tính (Linear Programming) MCDM Quyết định đa mục tiêu (Multiple Criteria Decision Making) NLP Quy hoạch phi tuyến (Non Linear Programming) QLTHTNN Quản lý tổng hợp tài nguyên nước RS Viễn thám (Remote Sensing) VBA Ngôn ngữ lập trình Visual Basic for Applications VHHTHC Vận hành hệ thống hồ chứa viii