Luận án Hệ thống hỗ trợ ra quyết định trong vận hành thủy điện thác xăng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2024 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT HÀ VĂN THỦY HỆ THỐNG HỖ TRỢ RA QUYẾT ĐỊNH TRONG VẬN HÀNH THỦY ĐIỆN THÁC XĂNG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 Tiểu ban hƣớng dẫn: 1. PGS.TS NGUYỄN ĐỨC KHOÁT 2. TS HÀ NGỌC TUẤN Hà Nội – Năm 2024 i 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 Hà Văn Thủy ii LỜI CÁM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS.TS. Nguyễn Đức Khoát và TS. Hà Ngọc Tuấn 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 Mỏ - Địa chất, phòng Sau đại học, Khoa Cơ – Điện, Bộ môn Tự động hóa, các thầy, cô giáo và các bạn đồng nghiệp, Tập đoàn điện lực Kyushu 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. iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CÁM ƠN ................................................................................................................ ii MỤC LỤC .................................................................................................................... iii DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG ..................................................................................................... ix DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT.............................................................................. ix 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 ................................................................. 2 4.Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.................................................... 3 5.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án .................................................... 3 6.Những đóng góp mới của luận án ................................................................. 4 7.Cấu trúc của luận án ...................................................................................... 4 Chƣơng 1.Tổng quan về thủy điện và hệ thống hỗ trợ ra quyết định ...................... 6 1.1.Thủy điện .................................................................................................... 6 1.1.1.Khái niệm ............................................................................................ 6 1.1.2.Lịch sử phát triển ................................................................................. 6 1.1.3.Công trình thuỷ điện ............................................................................ 7 1.1.4.Vấn đề vận hành công trình thuỷ điện ................................................. 8 1.1.5.Sự cố thuỷ điện ở Việt Nam ................................................................ 9 1.2.Hệ thống hỗ trợ ra quyết định DSS .......................................................... 12 1.2.1.Tổng quan giới thiệu hệ thống hỗ trợ ra quyết định vận hành hồ chứa thủy điện.. .............................................................................................. 12 1.2.2.Tình hình phát triển hệ thống DSS vận hành hồ chứa trên Thế giới . 19 1.3.Những tồn tại, hạn chế trong bài toán ra quyết định ................................ 25 1.4.Hướng tiếp cận và phương pháp giải quyết bài toán DSSTĐ của Luận án.. ................................................................................................. 26 1.5.Kết luận .................................................................................................... 28 Chƣơng 2.Cơ sở khoa học của hệ thống hỗ trợ ra quyết định nhà máy thủy điện.. .................................................................................................. 29 iv 2.1.Mô hình hóa mưa rào - dòng chảy cho lưu vực sông ............................... 29 2.1.1.Mô hình bể chứa (Tank model) ......................................................... 30 2.1.2.Cơ sở lý thuyết hiệu chỉnh thông số mô hình .................................... 31 2.1.3.Thuật toán hiệu chỉnh mô hình .......................................................... 38 2.2.Xây dựng kịch bản vận hành .................................................................... 40 2.2.1.Mô hình hồ đập, nhà máy .................................................................. 40 2.2.2.Tối ưu hóa kịch bản vận hành ........................................................... 45 2.3.Kết luận .................................................................................................... 52 Chƣơng 3.Nghiên cứu phát triển hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng.. ........................................................................................................ 53 3.1.Nhà máy thủy điện Thác Xăng. ................................................................ 53 3.1.1.Tổng quan về nhà máy; ..................................................................... 53 3.1.2.Điều kiện tự nhiên ............................................................................. 53 3.1.3.Chức năng, nhiệm vụ ......................................................................... 57 3.2.Cấu trúc hệ thống DSS cho nhà máy thủy điện Thác Xăng ..................... 57 3.3.Hệ thu thập dữ liệu ................................................................................... 59 3.3.1.Đặt trạm thời tiết ............................................................................... 59 3.3.2.Hệ thống thu thập dữ liệu tại Nhà máy ............................................. 61 3.4.Phát triển mô hình mưa rào – dòng chảy cho thủy điện Thác Xăng ........ 65 3.4.1.Cấu trúc mô hình bể chứa: ................................................................ 67 3.4.2.Xây dựng mô hình mô phỏng ............................................................ 67 3.4.3.Kết quả phân tích và xây dựng mô hình ............................................ 69 3.5.Phần mềm mô phỏng hồ đập, nhà máy cho thủy điện Thác Xăng ........... 77 3.5.1.Chương trình (Cấu trúc) mô phỏng ................................................... 77 3.5.2.Khối xử lý số liệu đầu vào ................................................................. 78 3.5.3.Lõi tính toán ...................................................................................... 85 3.5.4.Khối hiển thị kết quả đầu ra .............................................................. 85 3.6.Kết quả ứng dụng mô hình ....................................................................... 87 3.6.1.Kịch bản vận hành chủ động ............................................................. 87 3.6.2.Kịch bản vận hành tối ưu .................................................................. 88 3.6.3.Hiệu quả kinh tế ................................................................................ 88 3.6.4.Phân tích mức độ an toàn công tác điều tiết lũ sử dụng hệ thống DSS. ............................................................................................... 92 v 3.7.Kết luận .................................................................................................... 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 96 Kết quả đạt được của luận án ......................................................................... 96 Những đóng góp mới của luận án................................................................... 96 Những tồn tại và kiến nghị nghiên cứu tiếp theo của luận án. ...................... 96 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ........................................................... 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 98 PHỤ LỤC Phụ lục 1. Matlab Script Phụ lục 2. Thuật toán tối ưu Phụ lục 3. Thông số chính của Nhà máy vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Đập thuỷ điện Itaipu (nguồn internet) .............................................................. 7 Hình 1.2 Cấu tạo tổng thể của một công trình thuỷ điện (nguồn internet) ...................... 8 Hình 1.3 Biểu đồ so sánh tổng lượng mưa trong 2 tuần tháng 10/2020 (TĐTL Kyushu) ....................................................................................................................................... 10 Hình 1.4 Sự cố tràn đập thuỷ điện (nguồn internet) ...................................................... 10 Hình 1.5 Sự cố vỡ đập thuỷ điện (nguồn internet) ........................................................ 11 Hình 1.6 Hệ thống phân tích quá trình trực tuyến OLAP (nguồn smartboost) ............. 16 Hình 1.7 Kiến trúc hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Nguồn ResearchGate) .................... 18 Hình 1.8 Kiến trúc hệ thống vận hành hồ chứa BeDam ................................................ 19 Hình 1.9 Phần mềm hỗ trợ ra quyết định dự báo lưu lượng về hồ [13] ........................ 21 Hình 1.10 Màn hình giao diện hỗ trợ ra quyết định vận hành tối ưu ngắn hạn [14] ..... 22 Hình 1.11 Các thao tác vận hành và hệ thống hỗ trợ [15] ............................................. 23 Hình 1.12 Kết quả dự báo và kết quả đo thực tế lượng nước về hồ [18] ...................... 24 Hình 1.13 Cấu trúc hệ thống DSS đề xuất ................................................................... 27 Hình 2.1 Lưu vực sông .................................................................................................. 30 Hình 2.2 Mô hình mưa rào – dòng chảy với 04 bể chứa [Jong Wook Lee] .................. 31 Hình 2.3 Mô hình toán học mô tả bể chứa .................................................................... 32 Hình 2.4 Mô hình bể tuyến tính đơn giản .................................................................... 32 Hình 2.5 Đường cong đặc tính mức nước mô hình bể chứa ......................................... 32 Hình 2.6 Đầu ra của bốn bể chứa ................................................................................. 34 Hình 2.7 Mô hình khởi tạo ............................................................................................ 34 Hình 2.8 Đồ thị lưu lượng dòng chảy theo tính toán và quan trắc ............................... 35 Hình 2.9 Tham số đầu vào và đầu ra của mô hình ....................................................... 36 Hình 2.10 Thuật toán xác định tham số mô hình bể chứa ............................................. 39 Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của nhà máy thủy điện ............................................... 41 Hình 2.12 Mô hình bể chứa cho hệ thống hồ đập ......................................................... 42 Hình 2.13 Giá trị rời rạc hóa của dòng chảy vào hồ ...................................................... 48 Hình 2.14 Giá trị rời rạc hóa của lưu lượng chảy mất khỏi hồ...................................... 48 Hình 2.15 Đồ thị với các điểm gồm các cực trị địa phương và cực trị toàn cục ........... 52 Hình 3.1 Vị trí bố trí Nhà máy thủy điện Thác Xăng .................................................... 53 Hình 3.2 Bản đồ lưu vực của thủy điện Thác Xăng ...................................................... 56 vii Hình 3.3 Hình ảnh nhà máy thủy điện Thác xăng ......................................................... 57 Hình 3.4 Cấu trúc hệ thống DSS đề xuất cho Thủy điện Thác Xăng ............................ 58 Hình 3.5 Đa giác Thiesen dùng thu thập lượng mưa lưu vực ....................................... 59 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các trạm thu thập thông tin thời tiết, dòng chảy ......................... 60 Hình 3.7 Trạm đo mưa ................................................................................................. 61 Hình 3.8 Cấu trúc hệ thống thu thập dữ liệu cho hệ thống DSS tại nhà máy .............. 62 Hình 3.9 Cảm biến Radar đo mực nước thượng/hạ lưu ................................................ 62 Hình 3.10 Hệ thống đo lường dòng chảy tự nhiên ........................................................ 63 Hình 3.11 Cảm biến siêu âm đo lượng nước qua tổ máy .............................................. 63 Hình 3.12 Hệ thống cảm biến xác định lưu lượng qua đập tràn.................................... 64 Hình 3.13 Cấu trúc dữ liệu và truyền tin cho DSS ở thủy điện Thác Xăng .................. 64 Hình 3.14 Bản đồ phân chia lưu vực cho Thủy điện Thác Xăng .................................. 65 Hình 3.15 Mô hình bể chứa cho Thủy Điện Thác Xăng ............................................... 66 Hình 3.16 Mô hình bể chứa cho lưu vực Thủy điện Thác Xăng ................................... 67 Hình 3.17 Cấu trúc bốn bể mô phỏng mưa rào dòng chảy thủy điện Thác Xăng ......... 68 Hình 3.18 Cấu trúc mô phỏng bể chứa đỉnh (Top tank) ................................................ 68 Hình 3.19 Cấu trúc mô phỏng các bể dưới .................................................................... 69 Hình 3.20 Lượng mưa trung bình tại các trạm quan trắc (1960-2006) ........................ 70 Hình 3.21 Phân bổ lượng mưa trung bình theo tháng tại các trạm .............................. 71 Hình 3.22 Lượng mưa trung bình theo mùa hàng năm ................................................ 71 Hình 3.23 Dữ liệu lưu lượng dòng chảy thu thập được tại các trạm ............................. 72 Hình 3.24 Tương quan lưu lượng dòng chảy ................................................................ 72 Hình 3.25 Dữ liệu lưu lượng dòng chảy hàng năm theo mùa ....................................... 73 Hình 3.26 Đồ thị mưa rào – dòng chảy 1960-1970 ....................................................... 75 Hình 3.27 Tương quan dòng chảy Mô hình (Qe) và dòng chảy Quan trắc (Q) ............ 75 Hình 3.28 Kết quả mô phỏng và quan trắc lưu lượng dòng chảy tại Văn Mịch (1977) 76 Hình 3.29 Kết quả mô phỏng và quan trắc lưu lượng dòng chảy tại Văn Mịch (2017- 2018) .............................................................................................................................. 76 Hình 3.30 Cấu trúc chương trình mô phỏng tổng quát .................................................. 77 Hình 3.31 Các kịch bản xả lũ ........................................................................................ 82 Hình 3.32 Định nghĩa khung giờ trong quy chế bán điện theo chi phí tránh được ....... 83 Hình 3.33 Các khung giờ trong thị trường điện dựa vào thống kê giá thị trường ......... 84 viii Hình 3.34 Giao diện vận hành và theo dõi dòng chảy Thủy điện Thác Xăng .............. 86 Hình 3.35 Giao diện hiển thị các lưu lượng và mức thực tế và dự báo theo kế hoạch vận hành ......................................................................................................................... 87 Hình 3.36 So sánh điều kiện thủy văn 2017-2018 ........................................................ 89 Hình 3.37 Ví dụ hiệu quả vận hành đón lũ .................................................................... 90 Hình 3.38 Phân tích hiệu quả kinh tế qua các năm ....................................................... 91 Hình 3.39 Tổng lượng nước tích lũy 2017, 2018, 2019 ................................................ 92 Hình 3.40 Đồ thị dòng chảy Thác Xăng mùa mưa 2019 ............................................... 93 Hình 3.41 Đồ thị dòng chảy Thác Xăng mùa mưa 2020 ............................................... 93 Hình 3.42 Đồ thị dòng chảy Thác Xăng mùa mưa 2021 ............................................... 94 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 3.1 Đặc trưng hình thái lưu vực sông Bắc Giang và trạm thủy văn..................... 54 Bảng 3.2 Các đặc trưng dòng chảy năm tuyến đập Thác Xăng .................................... 56 Bảng 3.3 Kết quả tính đỉnh lũ thiết kế tuyến Sông Bắc Giang...................................... 56 Bảng 3.4 Dòng chảy phù sa trung bình hàng năm tại tuyến công trình Thác Xăng ...... 57 Bảng 3.5 Danh sách các trạm thu thập dữ liệu .............................................................. 61 Bảng 3.6 Lượng mưa trung bình hàng năm của lưu vực (1967-2006) .......................... 70 Bảng 3.7 Lượng mưa trung bình theo tháng ................................................................. 71 Bảng 3.8 Kết quả thông số mô hình bể chứa ................................................................. 74 Bảng 3.9 Ví dụ về quy định giá bán điện theo chi phí tránh được năm 2020 ............... 84 Bảng 3.10 Thông số chính của thủy điện Thác Xăng ................................................... 16 x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DSS Hệ thống hỗ trợ ra quyết định (Decision Support System) GA Thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) SA Thuật toán Simulated Annealing (SA) GIS Hệ thông tin địa lý (Geographic Information System) HTTĐ Hệ thống thủy điện LSTM Long Short Term Memory DSSTĐ Hệ thống hỗ trợ ra quyết định nhà máy thủy điện NMTĐ Nhà máy thủy điện 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu Hiện nay, do nhu cầu phát triển nên tại các nước đang phát triển chỉ chú trọng phát triển về số lượng hồ chứa thuỷ lợi - thuỷ điện mà thiếu quan tâm đúng mức đến vận hành sao cho có hiệu quả, đem lại lợi ích lớn nhất (IAHS, 1998) [46]. Nhiều công trình nghiên cứu về vận hành hồ chứa được công bố trong thời gian gần đây trên các tạp chí quốc tế như Water Resources Research, Water Resources Planning and Management, Water Management v.v... cho thấy mối quan tâm của thế giới về vấn đề này và đòi hỏi cần có các nghiên cứu chuyên sâu để kiểm nghiệm, cải tiến và ứng dụng vào Việt Nam. Tại Việt Nam, trong những năm gần đây, thuỷ điện đóng vai trò quan trọng trong cung cấp điện cho hệ thống với nhu cầu điện tăng rất nhanh và dự báo vẫn duy trì mức trên 20% trong những năm tới. Điều này đòi hỏi cần xây dựng nhiều công trình hồ chứa thuỷ điện đáp ứng nhu cầu phát điện và cấp nước cho các ngành kinh tế. Theo quy hoạch điện VII hiệu chỉnh tháng 03 năm 2016 giai đoạn 2015 - 2030 mặc dù tổng công suất đặt của thủy điện sẽ tiếp tục gia tăng, song tỷ trọng công suất thủy điện của Việt Nam sẽ giảm từ 38% năm 2015 xuống 30,1% vào năm 2020, 21,1% năm 2025 và đạt 16,9% sau năm 2030 (tương tự với tỷ lệ trung bình của thủy điện trên thế giới) [45]. Kinh nghiệm và thành tựu nghiên cứu trong lĩnh vực phát triển và khai thác vận hành thủy điện trên thế giới cho thấy, ngoài những ưu điểm lớn như không tiêu thụ nhiên liệu, giá thành rẻ và linh hoạt trong vận hành, thủy điện cũng đã bộc lộ một số nhược điểm cần khắc phục như ngập lụt hồ chứa, tác động tiêu cực đến môi tr