Dùng phương pháp quy hoạch động nghiên cứu khả thi dự án thủy điện nhỏ sau cống số 2 hồ chứa nước dầu tiếng tây ninh

Chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết của phương pháp quy hoạch động dùng để giải quyết các bài toán tối ưu trong phân tích hệ thống nguồn nước, chương này cũng giới thiệu ưu và nhược điể

-

TRẦN HÙNG VƯƠNG

DÙNG PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG NGHIÊN CỨU TÍNH KHẢ THI DỰ ÁN THỦY ĐIỆN NHỎ SAU CỐNG SỐ 2-HỒ CHỨA NƯỚC DẦU

TIẾNG TÂY NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 09 NĂM 2005

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN THỐNG

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP HỒ CHÍ MINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KHẢ THI DỰ ÁN THỦY ĐIỆN NHỎ SAU CỐNG SỐ

2-HỒ CHỨA NƯỚC DẦU TIẾNG TÂY NINH

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Lập mô hình toán và vận dụng lý thuyết quy hoạch động viết chương trình tính toán thuỷ năng cho hồ chứa đa mục tiêu

- Áp dụng mô hình tính toán thủy năng trên vào nghiên cứu khả thi dự án thủy điện sau cống số 2-hồ Dầu Tiếng Tây Ninh

- Phân tích kinh tế tài chính dự án

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 09 tháng 12 năm 2004

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 01 tháng 09 năm 2005

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS NGUYỄN THỐNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM NGÀNH CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

TS Nguyễn Thống TS Nguyễn Văn Đăng TS Huỳnh Thanh Sơn

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Ngày 01 tháng 07 năm 2005

TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

PGS TS Đoàn Thị Minh Trinh TS Nguyễn Khắc Cường

LỜI CÁM ƠN

Tác giả xin chân thành cám ơn TS Nguyễn Thống về sự hướng dẫn tận tình và những tài liệu mà tác giả nhận được trong suốt quá trình học tập và làm luận văn tốt nghiệp

Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Kỹ Thuật Tài Nguyên Nước – Khoa Xây Dựng – Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh đã hướng dẫn tận tình trong suốt quá trình học tập

Tác giả xin chân thành cám ơn phòng Đào tạo Sau Đại học – Trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh về những hỗ trợ trong thời gian học tập

và làm luận văn tốt nghiệp

Tác giả xin chân thành cám ơn Ban Giám Đốc và các đồng nghiệp trong Công ty Tư Vấn Xây Dựng Điện 3 đã hỗ trợ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả hoàn thành khóa học thạc sĩ

Cuối cùng, con xin chân thành cám ơn bố mẹ và các anh em trong gia đình đã luôn động viên và khuyến khích con trên bước đường học vấn và sự nghiệp

TP Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2005 Người thực hiện

Trần Hùng Vương

Luận văn được chia thành các chương như sau:

Chương 1 Mở đầu giới thiệu tổng quan về nhu cầu Điện Lực Việt Nam và

vai trò của nó trong nền kinh tế đất nước Chương này giới thiệu mục tiêu của nghiên cứu và phương pháp để nghiên cứu đề tài

Chương 2 giới thiệu cơ sở lý thuyết của phương pháp quy hoạch động

dùng để giải quyết các bài toán tối ưu trong phân tích hệ thống nguồn nước, chương này cũng giới thiệu ưu và nhược điểm của phương pháp quy hoạch động

Chương 3 thiết lập mô hình toán học tính toán thuỷ năng cho hồ chứa đa

mục tiêu bao gồm xác định hàm mục tiêu, các điều kiện ràng buộc của bài

toán

Chương 4 Xây dựng giải thuật và viết chương trình tính toán từ mô hình

toán trên giải bài toán thủy năng trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu

Chương 5 Áp dụng chương trình trình đã được trình bày ở phần trên tính

toán thủy năng cho việc nghiên cứu đánh giá về tính khả thi của dự án thủy điện nhỏ sau cống số 2-hồ Dầu Tiếng, Tây Ninh Sau đó phân tích kinh tế tài chính của dự án

Chương 6 Kết luận kiến nghị về những vấn đề đã làm được và ưu nhược

điểm của đề tài và hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT RESEACH FEASIBILITY PROJECT SMALL HYDROPOWER AFTER CULVERT NUMBER 2-DAU TIENG WATER RESERVOIR,

TAY NINH

This thesis investigates actual state operation of Dau Tieng reservoir, to establish methmatical and use theory dynamic planning of model to programming calculation of hydraulic power for reservoir multiple objective (irrigating and generative electric) Apply programe has completed caculating hydraulic power for reseach feasibility project small hydro power after culvert number 2-Dau Tieng reservoir of Tay Ninh province Analysis some norm economic and financial of project

The outline of thesis is as follows:

Chapter 1 introduction general about Electricity of Viet Nam demans and

parts its in background economice of country This chapter introduces target and method of reseach

Chapter 2 to recommend basic theory of dynamic planning methodologies

solves problems in planning water resource This chapter commends useful and unuseful of dynamic planning methodologies

Chapter 3 Establish methmatical of model calculates hydraulic power for

reservoir multiple objective consis of determinal objective function and some condition tie together of problem

Chapter 4 To buit algorithm and programming calculation from above

model and solution the problem optimum operation reservoir multiple objective

Chapter 5 Apply to programming have showed above calculation

hydraulic power for research feasibility small hydro power project after culvert number 2- Dau Tieng reservoir Then Analysis some norm

economic and financial of project

Chapter 6 conclusion and petition some problem had finished, showing

some good point and weak of thesis To propose direction develops of thesis

MỤC LỤC

Trang

NGHIÊN CỨU KHẢ THI DỰ ÁN THỦY ĐIỆN NHỎ 0

SAU CỐNG SỐ 2-HỒ CHỨA NƯỚC DẦU TIẾNG TÂY NINH 0

LỜI CÁM ƠN i

TÓM TẮT ii

ABSTRACT iii

MỤC LỤC iv

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viiiU DANH SÁCH HÌNH VẼ ix

CÁC CHỮ VIẾT TẮT x

CHƯƠNG I 1

MỞ ĐẦU 1U 1.1 LÝ DO HÌNH THÀNH ĐỀ TÀI 1

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 1

1.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY 2

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3 U CHƯƠNG 2 4

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 4

2.1 KHÁI NIỆM VỀ QUY HOẠCH ĐỘNG 4

2.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA MỘT MÔ HÌNH QUY HOẠCH ĐỘNG 5

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG 8

CHƯƠNG 3 10

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VỀ TÍNH TOÁN THUỶ NĂNG CHO HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU 10

3.1 NGUYÊN TẮC CHUNG XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU 10

3.2 Ý NGHĨA VIỆC NGHIÊN CỨU BÀI TOÁN CHẾ ĐỘ VẬN HÀNH TỐI ƯU VỚI MÔ HÌNH DÒNG CHẢY XÁC ĐỊNH 10

3.3 MÔ HÌNH TÍNH TOÁN THỦY NĂNG VÀ GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU TRONG VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU 11

CHƯƠNG 4 16

LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIẢI 16

XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH 16

4.1 PHÂN TÍCH MÔ HÌNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIẢI 16

4.2 XÁC ĐỊNH CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA MÔ HÌNH TOÁN THEO PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG 17

4.2.1 Giai đoạn 17

4.2.2 Biến quyết định 17

4.2.3 Biến trạng thái 18

4.2.4 Kết quả giai đoạn 18

4.2.5 Hàm trạng thái 18

4.3 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐỂ GIẢI MHT 18

CHƯƠNG 5 27

ÁP DỤNG MÔ HÌNH TOÁN TRÊN TÍNH TOÁN ĐIỀU TIẾT NGHIÊN CỨU TÍNH KHẢ THI DỰ ÁN THỦY ĐIỆN NHỎ SAU CỐNG SỐ 2- HỒ DẦU TIẾNG 27

5.1 ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN 27

5.1.1 Vị trí địa lý 27

5.1.2 Đặc điểm địa hình sông suối 27

5.1.3 Khí tượng thủy văn 28

5.1.4 Dòng chảy 29

5.1.5 Dòng chảy lũ 30

5.1.6 Cơ sở trắc đạc địa hình 31

5.1.6.1 Cơ sở khống chế mặt bằng và cao độ 31

5.1.6.2 Các loại bản đồ địa hình hiện có 31

5.1.7 Điều kiện địa chất 31

5.1.7.1 Cấu tạo địa chất chung 31

5.1.7.2 Điều kiện địa chất công trình tuyến năng lượng: 31

5.2 NHIỆM VỤ CỦA CÔNG TRÌNH VÀ HIỆN TRẠNG KHU VỰC 32

5.2.1 Nhiệm vụ và cấp công trình 32

5.2.1.1 Nhiệm vụ công trình 32

5.2.1.2 Cấp công trình 32

5.2.2 Tài liệu tính toán thủy năng 33

5.2.2.1 Trường hợp tính toán 33

5.2.2.2 Thủy văn 33

5.2.3 Hiện trạng công trình thuỷ lợi Dầu Tiếng 33

5.2.3.1 Các đặc trưng thủy văn hồ Dầu Tiếng 34

5.2.3.2 Các hạng mục công trình chính 36

5.3 SỰ CẦN THIẾT CỦA DỰ ÁN ĐỐI VỚI SỰ PHÁT TRIỂN KINH TẾ ĐỊA PHƯƠNG 38

5.3.1 Hiện trạng và sự phát triển kinh tế toàn quốc 38

5.3.2 Hiện trạng điện lực việt nam và dự báo nhu cầu điện năng giai đoạn

2001 - 2010 39

5.3.2.1 Tình hình sản xuất điện năng 39

5.3.2.2 Tình hình tiêu thụ điện năng 39

5.3.2.3 Tình hình nguồn và mạng điện 40

5.3.2.4 Dự báo nhu cầu điện năng toàn quốc 2001-2020 41

5.3.3 Xác định nhu cầu điện năng tỉnh Tây Ninh 41

5.3.3.1 Hiện trạng lưới điện khu vực Dầu Tiếng- Tây Ninh và dự kiến phát triển: 41 5.3.3.2 Nhu cầu điện năng 42

5.4 THỦY NĂNG HỒ DẦU TIẾNG 43

5.4.1 Tài liệu cơ bản ban đầu: 43

5.4.2 Nguyên tắc tính toán chọn quy mô và thông số cho trạm thuỷ điện.43 5.4.2.1 Nguyên tắc tính toán điều tiết hồ Dầu Tiếng : 43

5.4.2.2 Tính toán điều tiết và lựa chọn công suất lắp máy .44

5.4.2.3 Tính toán chọn đường kính ống áp lực tối ưu 45

5.5.1 Chỉ tiêu kinh tế (*) 46

5.5.2 Chỉ tiêu tài chính (**) 46

CHƯƠNG 6 47

KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 47

6.1 KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 47

6.2 ƯU VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA ĐỀ TÀI 47

6.3 KIẾN NGHỊ: 47

CÁC PHỤ LỤC 49 PHỤ LỤC 1 PL1 CÁC CHƯƠNG TRÌNH CON PL1 PHỤ LỤC 2 PL2 THỦY NĂNG KINH TẾ NĂNG LƯỢNG PL2 PHỤ LỤC 3 PL3 PHÂN TÍCH KINH TẾ TÀI CHÍNH PL3 PHỤ LỤC 4 PL4 TỔNG MỨC ĐẦU TƯ PL4 PHỤ LỤC 5 PL5 THIẾT BỊ CÔNG NGHỆ PL5 PHỤ LỤC 6 PL6 CODE CHƯƠNG TRÌNH PL6

PHỤ LỤC 7 PL7 MỘT SỐ HÌNH VẼ TIÊU BIỂU PL7U

TÀI LIỆU THAM KHẢO 50

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 51

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 5.1: Nhiệt độ bình quân tháng của trạm Tây Ninh 28

Bảng 5.2 : Thống kê các trạm đo mưa trong lưu vực hồ Dầu Tiếng 29

Bảng 5.3 : Bốc hơi bình quân tháng tại trạm Tây Ninh thể hiện như sau: 29 Bảng 5.4 : Trạm quan trắc lưu lượng trong lưu vực hồ Dầu Tiếng 29

Bảng 5.5 : Dòng chảy đến trung bình tháng tại tuyến đập Dầu Tiếng 30

Bảng 5.6 : Kết quả tính toán lũ theo các tần suất 30

Bảng 5.7 : Đường quan hệ mực nước và diện tích mặt nước hồ Dầu Tiếng 34

Bảng 5.8 : Đường quan hệ mực nước và dung tích hồ Dầu Tiếng 34

Bảng 5.9 : Tốc độ tăng GDP toàn quốc giai đoạn 1991 – 2002 38

Bảng 5.10 : Tổng hợp các chỉ tiêu phát triển kinh tế các kịch bản 39

Bảng 5.11 : Cơ cấu nguồn (đầu năm 2003) 40

Bảng 5.12 : Cơ cấu mạng điện toàn quốc (tháng 12/2002) 40

Bảng 5.13 : Dự báo nhu cầu điện năng 2001-2020 41

Bảng 5.14 : Nhu cầu điện năng của khu vực tỉnh Tây Ninh 42

Bảng 5.15 : Tung độ đường hạn chế và dung tích hồ tương ứng 44

Bảng 5.16 : Các thông số chính của trạm thủy điện : 44

Bảng 5.17 : Kết quả phân tích các chỉ tiêu kinh tế 45

Bảng 5.18 : Kết quả phân tích các chỉ tiêu tài chính 46

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Trang

Hình 2.1 : Các thành phần mô hình quy hoạch động 7

Hình 2.2 : Mô tả bài toán 3 giai đoạn dạng tuần tự 7

Hình 2.3 : Mô tả bài toán 3 giai đoạn dưới dạng sơ đồ 7

Hình 3.1 : Mô hình toán thủy năng và giải bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu 15

Hình 4.1 : Sơ đồ điều tiết tối ưu theo phương pháp QHĐ 19

Hình 4.2 : Thuật toán truy toán ngược giai đoạn cuối cùng i = N 21

Hình 4.3 : Thuật toán truy toán ngược cho các giai đoạn i = (N-1) => 1 22

Hình 4.4 : Thuật toán truy toán ngược cho đoạn đầu i = 0 23

Hình 4.5 : Thủ tục chung cho bài toán tối ưu vận hành hồ chứa đa mục tiêu 25

Hình 4.6 : Sơ đồ tổ chức các subroutine của chương trình 26

Hình 5.1: Đường quan hệ V~F~Z của hồ chứa 35

Hình 5.2: Đường quan hệ Q~H hạ lưu nhà máy 35

CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ΔW : dung tích vào hoặc ra hồ

B/C: tỷ số lợi ích và chi phí

E : điện năng

EIRR: suất thu lợi nội tại về kinh tế

FIRR: suất thu lợi nội tại về tài chính

Ftb : diện tích mặt hồ trung bình

HMT: hàm mục tiêu

Htthất: cột nước tổn thất

Httoán: cột nước tính toán có kể đến tổn thất

IRR: suất thu lợi nội tại

Qbhơi : lưu lượng bốc hơi

Qcống 1: lưu lượng tưới ở cống số 1(Kênh Đông)

Qconst : lưu lượng tưới cho kênh Tân Hưng, nhà máy nước đá, sinh hoạt dân

cư Tây Ninh

Qđến : lưu lượng dòng chảy đến

QHD: quy hoạch động

Qnm: lưu lượng qua nhà máy

Qthấm :lưu lượng thấm lòng hồ và thấm qua đập

Q : lưu lượng tưới ở cống số 2( Kênh Tây)

Qxả : lưu lượng xả thừa

TB: trung bình

TC: thanh cái

TCXDVN: tiêu chuẩn xây dựng Việt Nam

Thv: thời gian hoàn vốn

TMTN: thương mại trong nước

TNDN: thuế thu nhập doanh nghiệp

Wcuối: dung tich hồ chứa ở cuối tháng

Wđầu : dung tích hồ chứa đầu tháng

Zhl: mực nước hạ lưu nhà máy

Ztb : mực nước hồ trung bình giữa đầu và cuối tháng

CHƯƠNG I

MỞ ĐẦU

Theo dự báo của Tổng Sơ đồ Phát triển Điện lực Việt Nam giai đoạn V từ

2001 – 2010 có xét triển vọng đến năm 2020, nhu cầu tiêu thụ điện năng năm 2005 từ 45 đến 50 tỷ kWh với mức tăng trưởng bình quân 12 – 13%/năm và năm 2010 từ 70 đến 80 tỷ kWh với mức tăng trưởng bình quân

10 – 11%/năm Hiện nay, tổng công suất lắp đặt các nhà máy điện của nước

ta là 8750MW, công suất khả dụng hơn 8450MW, trong đó thủy điện khoảng 48,8%, nhiệt điện 20,4%, tua bin khí 26,6%, còn lại diesel 4,2% Về

cơ cấu sản xuất điện, sản lượng thủy điện luôn chiếm tỷ trọng cao trong tổng số điện năng sản xuất của cả nước Qua đó cho thấy tiềm năng thủy điện của nước ta rất to lớn, đã đóng góp một phần đáng kể cho nhu cầu năng lượng của cả nước, đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân, tỉ trọng của thủy điện trong cân bằng năng lượng quốc gia rất lớn, trong tương lai thủy điện sẽ còn đóng góp nhiều hơn nữa vào việc phục vụ nguồn điện cho công cuộc công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước Vì thế, việc nghiên cứu lắp thêm trạm thủy điện nhỏ cho hồ chứa nước Dầu Tiếng là vấn đề cần thiết, nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao trong việc khai thác triệt để nguồn tài nguyên thiên nhiên này

1.2 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Trên thế giới, lịch sử khai thác và sử dụng năng lượng nước đã trải qua nhiều thế kỷ Riêng việc sử dụng năng lượng của dòng chảy mặt để xây dựng hồ chứa nước cho trạm thủy điện được áp dụng rộng rãi Ngày nay việc khai thác tiềm năng sông ngòi bằng trạm thủy điện đã rất phổ biến trên thế giới bởi vì những ưu điểm của loại hình khai thác này Nghiên cứu tính khả thi cho việc lắp đặt trạm thủy điện nhỏ sau cống số 2 hồ chứa Dầu Tiếng là tận dụng nguồn năng lượng sẵn có từ hồ chứa nước phục vụ thủy nông và đồng thời có thể phát điện Nhằm mục đích tăng khả năng khai thác

hồ chứa một cách triệt để về mặt năng lượng nhằm đáp ứng một cách hiệu quả hơn nhu cầu của con người Mục tiêu của nghiên cứu này là nghiên cứu hiện trạng vận hành hồ chứa Dầu Tiếng tỉnh Tây Ninh, lập mô hình toán(MHT) thủy năng cho hồ chứa đa mục tiêu (tưới và phát điện), dùng lý thuyết quy hoạch động lập chương trình tính giải mô hình toán trên Áp

dụng chương trình tính toán thủy năng cho nghiên cứu khả thi dự án thủy điện nhỏ sau cống số 2 hồ Dầu Tiếng, nhằm khai thác tổng hợp hồ chứa nước thủy nông này Phân tích hiệu ích kinh tế tài chính của dự án

1.3 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRƯỚC ĐÂY

Hiện tại hồ chứa nước Dầu Tiếng phục vụ cho thủy nông chủ yếu tưới tiêu cho nông nghiệp, phòng chống lụt bão khu vực các tỉnh Tây Ninh, Bình Dương, TP Hồ Chí Minh, Long An và bổ sung nguồn nước sinh hoạt cho

TP Hồ Chí Minh Trạm thuỷ điện nhỏ với công suất 1,5MW đã xây dựng ở cống số 1(Kênh Đông) vào năm 2004 Vấn đề nghiên cứu tính khả thi cho việc lắp thêm trạm thủy điện nhỏ ở cống số 2 (Kênh Tây) để khai thác hết khả năng phục vụ của hồ chứa này chưa được xem xét

Những nghiên cứu trước đây, khi nghiên cứu khả thi tiến hành tính toán thủy năng cho hồ chứa thủy điện, nguyên tắc đường chỉ thẳng để xác định lưu lượng điều tiết cho hồ chứa thủy điện Nguyên tắc này dựa trên nguyên lý: Max lưu lượng điều tiết min và Min lưu lượng điều tiết max Tính toán lưu lượng điều tiết với nguyên tắc đường chỉ thẳng thường được thực hiện bằng đồ thị trong đó chuỗi lưu lượng dòng chảy đến và đường cong bổ trợ được vẽ trong hệ tọa độ xiên Quá trình “vẽ” đường chỉ thẳng tương đối đơn giản, nhưng khi xác định lưu lượng điều tiết đòi hỏi nhiều công sức khi thay đổi các phương án dung tích hữu ích của hồ chứa Nhất là xu thế tính thủy năng hiện nay thường được thực hiện trên toàn bộ chuỗi dòng chảy thay vì tính toán điều tiết dòng chảy cho 3 năm điển hình như trước đây Lập trình ứng dụng dựa trên nguyên lý quy hoạch động để có thể tự động hóa việc xác định lưu lượng điều tiết theo nguyên tắc đường chỉ thẳng, chủ yếu là xác định công suất đảm bảo của nhà máy và được sử dụng trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi và nghiên cứu khả thi

Để tự động hóa tính toán thủy năng hồ chứa thủy điện độc lập và giải bài toán tối ưu trong vận hành là dựa trên nền của nghiên cứu ứng dụng quy hoạch động trong tính toán thủy năng bằng nguyên tắc đường chỉ thẳng với hàm mục tiêu cực tiểu đường đi (tìm đường đi ngắn nhất) từ đầu đến cuối chu kỳ điều tiết của TS Nguyễn Thống(*) có xét đến việc giải bài toán tối

ưu trong vận hành, theo 2 bài toán:

- Bài toán 1: là nâng công suất đảm bảo 90%

Chương 1: Mở đầu

- Bài toán 2: là căn cứ theo giá bán điện thay đổi theo từng tháng tương ứng mùa kiệt hay mùa lũ nâng số giờ chạy máy phát công suất cao hơn trong mùa kiệt, tận dụng tối đa điện lượng, nâng điện lượng của mùa kiệt lên để nâng cao tính hiệu ích tài chính cho dự án

(*): Tuyển tập kết quả khoa học và công nghệ năm 2002, NXB Nông Nghiệp

1.4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Quy hoạch động là một kỹ thuật phân tích định lượng được ứng dụng rộng rãi để giải các loại bài toán trong đó lời giải tìm được có dạng một loạt các quyết định liên tiếp Ứng dụng phương pháp quy hoạch động và giải bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa đa mục tiêu dựa trên nguyên lý tối ưu của R.Bellman (1957), trong lập trình sử dụng ngôn ngữ Fortran để giải Luận văn này nhằm khảo sát bài toán cơ bản nhất tính toán thủy năng hồ chứa độc lập đơn mục tiêu (chỉ phát điện) và đa mục tiêu ( hai mục tiêu tưới

và phát điện), mô hình toán học tối ưu trong vận hành hồ chứa nước thủy nông gồm có phát điện và tưới Đây là bài toán trong giai đoạn thiết kế, các thông số hồ chứa như mực nước dâng bình thường (MNDBT) và mực nước chết của hồ (MNC) đã biết Một số thông số của mô hình có liên quan đến thiết bị còn tùy giai đoạn tính toán mà xác định Nếu đây là giai đoạn tính toán thủy năng trước khi chọn thiết bị thì các thông số này có thể lấy trung bình theo kinh nghiệm hoặc thử dần Nếu đây là giai đoạn tính toán lại thủy năng sau khi đã chọn thiết bị thì các thông số đó được xác định theo quan hệ:

- Hiệu suất tổ máy: η = f(Q, H)

- Lưu lượng xả ở hạ lưu nhà máy: Q = f(H)

Tính toán thủy năng xác định các thông số cơ bản quy mô của trạm thủy điện, tiến hành phân tích kinh tế tài chính xác định tính khả thi của dự án

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Một hướng giải quyết các bài toán tối ưu trong tin học là sử dụng phương pháp QUY HOẠCH ĐỘNG(QHĐ) Tư tưởng chủ đạo của phương pháp này là dựa trên nguyên lý tối ưu của Bellman phát biểu như sau:

“Dù cho trạng thái lúc đầu và sự điều khiển (những quyết định) lúc đầu

như thế nào, các điều khiển tiếp theo sau phải làm thành một sách lược tối ưu đối với trạng thái hình thành do sự điều khiển lúc đầu tạo ra”

Khi thiết kế các thuật toán QHĐ người ta thường dùng kỹ thuật “phân vùng

để xử lý” nghĩa là để giải quyết một bài toán lớn ta chia nó thành nhiều bài toán con có thể giải quyết độc lập Trong phương pháp QHĐ việc thể hiện nguyên lý này được đẩy đến cực độ: Khi không biết chắc chắn cần giải quyết bài toán con nào chúng ta giải quyết tất cả các bài toán con và lưu trữ những lời giải này với mục đích sử dụng chúng theo một sự phối hợp nào

đó để giải quyết các bài toán tổng quát hơn

Phương pháp này tìm cách chuyển một bài toán quyết định tuần tự hay nhiều giai đoạn, trong đó có nhiều biến quyết định có liên hệ lẫn nhau, thành một chuỗi các bài toán đơn quyết định, mỗi bài toán chỉ chứa một hoặc vài biến Nói cách khác kỹ thuật quy hoạch động phân rã một bài toán

N quyết định thành một chuỗi N bài toán con đơn quyết định Kỹ thuật phân

rã rất có ích trong các bài toán lớn, phức tạp; bằng cách chia một bài toán thành một chuỗi các bài toán con nhỏ hơn sau đó tổ hợp các nghiệm của các bài toán con để nhận được nghiệm của mô hình toàn thể Lý do của việc sử dụng phân rã là ta có thể tiết kiệm rất nhiều thời gian tính toán, vì theo nguyên tắc chung là thời gian tính toán sẽ tăng theo qui luật số mũ với số lượng biến nhưng theo qui luật bậc nhất với số lượng các bài toán con Phương pháp quy hoạch động có thể vượt qua các hạn chế của phương pháp liệt kê toàn bộ bằng cách sử dụng các quan niệm sau:

- Bài toán được phân chia thành nhiều bài toán con và phương án tối ưu được chọn lựa cho mỗi bài toán con một cách tuần tự sao cho không bao giờ cần phải thống kê trước tất cả các tổ hợp của bài toán

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Bởi vì tối ưu hóa được áp dụng cho mỗi bài toán con và phương án tối ưu được chọn lựa cho mỗi bài toán con một cách tuần tự sao cho không bao giờ cần phải thống kê trước tất cả các tổ hợp của bài toán

- Các bài toán con sẽ được nối với nhau bằng một cách thức đặc biệt sao cho không bao giờ có thể thực hiện tối ưu các tổ hợp không khả thi

Giả sử ta có một mô hình toán tối ưu phân phối tài nguyên như sau:

Max∑∑ r

= =

N i

Mi j

rij là thu nhập từ phương án j của dự án i

cij là tài nguyên cần thiết cho phương án j của dự án i

xij là biến quyết định nhận giá trị 0 hoặc 1, xij = 0 có nghĩa là phương án j của dự án i không được chọn lựa, và xij = 1 là ngược lại

F là nguồn tài nguyên

N là số lượng các dự án được khảo sát

Mi là số lượng các phương án của dự án i

Ràng buộc (2.1b) nói lên rằng tổng chi phí đầu tư không vượt quá nguồn vốn sẵn có, (2.1c) nói lên rằng nhiều nhất chỉ một phương án trong mỗi dự

án được lựa chọn Hơn nữa, các phương án trong mỗi dự án là loại trừ nhau, nghĩa là chỉ một phương án trong mỗi dự án được lựa chọn Theo cách thức tiếp cận quy hoạch động đã nói ở trên ta có thể trình bày mô hình quy hoạch động như hình 2.1

Theo hình 2.1 các thành phần cơ bản và các thuật ngữ của quy hoạch động như sau:

- Giai đoạn n (stages): là các điểm của bài toán tại đó ta sẽ ra quyết định Trong mô hình phân phối tài nguyên nói trên, mỗi dự án là một giai đoạn trong mô hình quy hoạch động Nếu bài toán ra quyết định có thể phân rã thành N bài toán con thì sẽ có N giai đoạn trong mô hình quy hoạch động

- Biến quyết định dn (decision variables): là cách giải quyết được thực hiện tại mỗi giai đoạn Biến quyết định trong mô hình trên là các phương án được chọn lựa trong một dự án Số lượng các biến quyết định dn không nhất thiết phải là 1

- Biến trạng thái Sn (state variable): là các biến mô tả trạng thái của hệ thống tại bất kỳ một giai đoạn n nào Một biến trạng thái có thể là rời rạc hay liên tục, hữu hạn hay vô hạn Trên hình 2.1 ta thấy tại giai đoạn n có biến trạng thái vào Sn và biến trạng thái ra Sn+1 Các biến trạng thái của một

hệ thống trong một mô hình quy hoạch động có chức năng nối các giai đoạn tuần tự sao cho khi mỗi giai đoạn được tối ưu hóa riêng lẻ, quyết định đưa

ra là khả thi cho toàn bộ bài toán Hơn nữa, nó cho phép thực hiện quyết định tối ưu cho các giai đoạn còn lại mà không cần kiểm tra tác động của các quyết định trong tương lai hay các quyết định đã thực hiện trước đó

- Kết quả giai đoạn rn (stage return): là một đại lượng vô hướng đánh giá hiệu quả của quyết định thực hiện trong mỗi giai đoạn Nó là một hàm của biến trạng thái vào, biến trạng thái ra và biến quyết định của một giai đoạn riêng lẻ

Nghĩa là rn = r(Sn, Sn+1, dn)

- Hàm trạng thái tn (state transforrmation): là một hàm đơn trị, nó biểu diễn quan hệ giữa trạng thái vào, trạng thái ra và quyết định Nói chung thông qua hàm trạng thái, trạng thái ra tại một giai đoạn n nào đó có thể được biểu diễn như là một hàm của trạng thái vào và biến quyết định:

Sn+1 = tn(Sn, dn)

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Phương án 1

Phương án 2

Phương án 3

Phương án 1Phương án 2Phương án 3

Phương án 1Phương án 3

Hình 2.3 Mô tả bài toán 3 giai đoạn dưới dạng sơ đồ

2.3 CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG

Từ ví dụ trên, ta thấy các đặc trưng của các bài toán quy hoạch động như sau:

- Bài toán đươc phân chia thành nhiều giai đoạn, có các biến quyết định tại mỗi giai đoạn

- Mỗi giai đoạn có một trạng thái tương ứng với nó

- Tác động của mỗi quyết định tại mỗi giai đoạn sẽ cho một kết quả (tính toán được dựa trên hàm kết quả giai đoạn), và làm thay đổi biến trạng thái hiện hành thành biến trạng thái cho giai đoạn kế tiếp (thông qua hàm chuyển trạng thái)

- Khi đã cho một trạng thái hiện tại, một chính sách tối ưu cho các giai đoạn còn lại sẽ độc lập với chính sách đã sử dụng cho các giai đoạn trước Điều này được gọi là nguyên lý tối ưu Bellman, nguyên lý Bellman là nền tảng của phương pháp quy hoạch động

- Việc giải được bắt đầu bằng cách tìm quyết định tối ưu cho mỗi trạng thái

có thể của giai đoạn cuối cùng (gọi là truy toán ngược) hoặc của giai đoạn đầu tiên (gọi là truy toán thuận) Thuật toán truy toán thuận tính toán từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn cuối cùng, còn truy toán ngược tính toán từ giai đoạn cuối cùng đến giai đoạn đầu tiên

- Một quan hệ truy toán cho ta xác định chính sách tối ưu cho mỗi trạng thái tại giai đoạn n nào đó khi đã cho chính sách tối ưu của mỗi trạng thái tại giai đoạn tiếp theo, n+1

Phương trình truy toán ngược, theo hình 2.1 có thể viết:

dn n

f* = {r n (S n , d n ) o f* (S

1 +

n n+1 )

= O ptdn

{r n (S n , d n ) o f* [t(S

1 +

Trong trường hợp việc tính toán ở giai đoạn thứ N không liên quan gì đến thành phần fN+1(Sn+1) trong phương trình truy toán (2.2), đây là trường hợp hầu như chung cho thuật toán quy hoạch động truy toán ngược, ta cần viết lại phương trình (2.2) cụ thể hơn:

*

N n

S of d S r Opt

N n d

S r Opt S

f

n n n n n

n n n n

n

Mặc dù phương pháp quy hoạch động có rất nhiều ưu điểm trong việc giải quyết các bài toán nguồn nước, đặc biệt đối với các bài toán liên quan đến nhiều giai đoạn, phương pháp này vẫn có hai hạn chế về bộ nhớ và thời gian tính toán Các hạn chế này sẽ trở nên nghiêm trọng trong hai tình huống:

- Khi số lượng các biến trạng thái lớn

- Khi phương pháp quy hoạch động ứng dụng cho các không gian trạng thái liên tục bằng cách rời rạc hoá

Trong trường hợp thứ hai, sẽ rất khó khăn để nhận được một nghiệm tối ưu chính xác mà không phải tăng lên đáng kể số lượng biến khi rời rạc hóa không gian trạng thái Với sự phát triển của công nghệ máy tính, các hạn chế này ngày càng trở nên ít nghiêm trọng Tuy nhiên, có thể nói rằng sự đòi hỏi của bộ nhớ tăng lên nhanh chóng với các bài toán nhiều giai đoạn có thể tạo ra sự khác nhau giữa các bài toán giải được hay không giải được

CHƯƠNG 3

MÔ HÌNH TOÁN HỌC VỀ TÍNH TOÁN THUỶ NĂNG CHO HỒ

CHỨA ĐA MỤC TIÊU

HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU

Trong giai đoạn vận hành, vấn đề điều tiết hồ khá phức tạp và một trong những vấn đề đặt ra là do giá điện sản xuất trong mùa khô và mùa mưa có

sự chênh lệch đáng kể Trong thực tế, tùy theo vai trò nhà máy thủy điện trong hệ thống và điều kiện khí tượng thủy văn, có nhiều phương pháp để xác định chế độ vận hành hồ chứa với các hàm mục tiêu (HMT) khác nhau: cực đại điện năng trung bình năm (Etb), cực đại doanh thu trung bình năm, cực đại công suất thủy điện mùa khô, cực đại doanh thu trung bình năm kỳ vọng (Ttb)…

Thủy năng tích lũy trong một hồ chứa không chỉ là một hàm của lượng nước W mà còn là một hàm của cột nước H mà lượng nước W được tích lũy Như vậy, khi ta sử dụng một lượng nước phát điện trong một giai đoạn

ΔTi nào đó, thì nó có tác động đến toàn bộ các giai đoạn ΔT bất kỳ sau nó

TỐI ƯU VỚI MÔ HÌNH DÒNG CHẢY XÁC ĐỊNH

Chế độ vận hành hợp lý trạm thủy điện phụ thuộc chặt chẽ vào chế độ dòng chảy, trong lúc đó dòng chảy mang bản chất xác suất và khác với bài toán xác định chế độ ngày, ta chưa biết dòng chảy (và cả nhu cầu điện ) một cách tương đối xác định mà chỉ dựa theo dự báo xác suất Dòng chảy dự báo đó dựa trên những thông tin xác suất rút ra từ liệt thủy văn quan sát được và các yếu tố tạo thành dòng chảy

Dòng chảy dự báo xác suất hoàn thiện nhất là cho ở dạng các hàm phân phối xác suất Khi đó đúng đắn và chặt chẽ nhất ta phải giải quyết bài toán xác suất, các giá trị trong các tiêu chuẩn trên phải xem như là kỳ vọng toán của chúng và tính toán thủy năng tiến hành trực tiếp theo các hàm phân phối xác suất của dòng chảy Tuy nhiên trong những bài toán phức tạp việc tính toán thủy năng theo các hàm phân phối xác suất là quá khó khăn Nên

Chương 3: Mô hình tính toán học về tính thủy năng cho hồ chứa đa mục tiêu

cho đến ngày nay người ta vẫn sử dụng phương pháp tính toán thủy năng theo thứ tự thời gian làm nền tảng

Để mô tả xác suất dòng chảy người ta cho một loạt đường quá trình dòng chảy có thể trong tương lai Theo mỗi đường quá trình đó tiến hành tính toán thủy năng Cuối cùng đem các kết quả để tính toán thống kê Thực tế bằng phương pháp đó người ta xây dựng một loạt các đường điều phối của

hồ chứa

Hiện nay với sự phát triển khá mạnh của công cụ tính toán, việc mô phỏng dòng chảy theo phương pháp Monte-Carlo được áp dụng rộng rãi Qua các hàm phân phối xác suất của dòng chảy ta có thể mô hình hóa liệt thủy văn dài tùy ý Tính toán theo liệt thủy văn dài đó thực tế cho kết quả cũng giống như kết quả tính theo hàm phân phối xác suất Lúc đó phương pháp tính theo thứ tự thời gian là công cụ hình thức mà thôi

Do vậy việc giải quyết bài toán tối ưu trong vận hành hồ chứa thủy điện theo một đường quá trình lưu lượng đã cho (mô hình dòng chảy xác định) vẫn là vấn đề nền tảng cho các bài toán tối ưu

Trong vận hành trạm thủy điện, theo tài liệu thủy văn dự báo người ta xác định chế độ tối ưu của trạm thủy điện và dùng phương pháp hiệu chỉnh dần chế độ làm việc tương ứng với sự hiệu chỉnh dòng chảy cho đến cuối chu

kỳ điều tiết

TRONG VẬN HÀNH HỒ CHỨA ĐA MỤC TIÊU

Ei là điện lượng trung bình thời đoạn i

Wti : là lượng nước tưới trung bình ở thời đoạn thứ i

Cj là giá bán điện đơn vị của tháng thứ j (1Æ12) trong năm

C là giá bán nước đơn vị của tháng thứ j (1Æ12) trong năm

Nếu ta chia chu kỳ vận hành càng nhỏ (tức là i càng lớn) thì nghiệm sẽ càng chính xác, tuy nhiên việc chọn i thường phụ thuộc thời đoạn của số liệu thủy văn và tập quán vận hành các trạm thủy điện trong giai đoạn khảo sát

3.3.2 Thiết lập các quan hệ và các ràng buộc cho bài toán

- Mối quan hệ giữa dung tích hồ ở đầu và cuối thời đoạn mực nước được xác định bằng phương trình cân bằng nước như sau:

r

v QQdt

Qr: lưu lượng ra khỏi hồ (m3/s)

Viết lại phương trình (3.2a) dưới dạng sai phân ta có phương trình sau:

Trong đó :

Vi : Dung tích hồ đầu thời đoạn i (m3)

Vi+1 : Dung tích hồ cuối thời đoạn i ( hay đầu thời đoạn i+1) (m3)

Wi : Lượng nước chảy vào hồ trong thời đoạn i đã trừ các tổn thất bốc hơi mặt hồ, thấm… trong thời đoạn đó (m3)

Qi : Lưu lượng ra khỏi hồ trong thời đoạn i (m3/s)

Qi=Qinm+Qitưới

Qinm : lưu lượng qua nhà máy trong thời đoạn i (m3/s)

Qitưới : lưu lượng tưới cho nông nghiệp trong thời đoạn i (m3/s)

Ti : Là thời gian tính bằng giây của thời đoạn i

- Điện lượng trung bình E i trong thời đoạn i được xác định theo công thức tính toán thủy năng:

i i inm i

E =η Δ (kWh) (3.3) Trong đó:

Chương 3: Mô hình tính toán học về tính thủy năng cho hồ chứa đa mục tiêu

ΔTi(giờ) : số giờ trong thời đoạn i

ηi : Hiệu suất trung bình của trạm thủy điện trong thời đoạn i,

Hi (m): cột nước phát điện trung bình trong thời đoạn i, được xác định như

sau:

Hi = Zi-TLTB –ZiHLTB (3.5) Trong đó :

Zi TLTB(m) : mực nước thượng lưu trung bình trong thời đoạn i được xác

định bằng quan hệ :

ZiTLTB = f1[(Vi + Vi+1)/2] (3.6) với f1 là hàm quan hệ giữa dung tích hồ và mực nước thượng lưu, quan hệ

này được đo trên bình đồ lòng hồ và thường biểu thị dưới dạng bảng, hoặc

biểu đồ Hàm f1 có tính phi tuyến và ít khi biểu diễn được bằng một hàm

tường minh

ZiHLTB (m) : là mực nước hạ lưu trung bình trong thời đoạn i được xác định

theo quan hệ :

ZiHLTB = f2[(Qi+Qi+1)/2] (3.7) Hàm f2 cũng là một hàm phi tuyến biểu diễn quan hệ giữa lưu lượng xả và

mực nước hạ lưu tại vị trí nhà máy thủy điện, và cũng được cho dưới dạng

bảng hoặc đồ thị

- Điều kiện biên quỹ đạo mực nước:

Nhằm đảm bảo an toàn cấp điện cho mùa kiệt năm tiếp theo, cuối mùa trữ

mỗi chu kỳ điều tiết phải đảm bảo sao cho hồ đầy Như vậy đầu và cuối chu

kỳ điều tiết mực nước trong hồ đều phải ở mực nước dâng bình thường

(MNDBT)

Trong đó Zđầu (m) và Zcuối (m)là mực nước đầu tiên và mực nước cuối cùng

của chu kỳ điều tiết

Ngoài ra để đảm bảo an toàn trong vận hành người ta thường qui định mực nước trong hồ không được nhỏ hơn mực nước chết trong suốt quá trình vận hành Cũng như mực nước trong hồ không cao hơn MNDBT là mực nước cao nhất trong quá trình vận hành bình thường

Trong đó MNC và MNDBT là mực nước chết và mực nước dâng bình thường của hồ chứa

- Điều kiện công suất:

Công suất phát điện trung bình thời đoạn không được nhỏ hơn công suất bảo đảm và không lớn hơn công suất giới hạn của trạm thủy điện Nlm tại cột nước công tác Hi tương ứng :

NBD ≤ Ni ≤ Nlm (3.11) Trong đó :

Ni (kW) là công suất phát điện trung bình thời đoạn

NBD (kW) là công suất bảo đảm của trạm thủy điện

Nlm : công suất lắp máy của trạm thủy điện

Q i (m3/s) là lưu lượng của nhà máy ứng với cột nước Hi tương ứng

- Điều kiện lưu lượng:

Lưu lượng điều tiết trung bình thời đoạn không âm và không được lớn hơn lưu lượng khả năng tháo của nước tối đa của trạm:

0 ≤ Qi ≤ Qmaxi (3.13) Trong đó :

Qmax i (m3/s) là khả năng tháo của trạm thủy điện trong giai đoạn i, là một hàm của cột nước và được xác định:

Viết gọn lại ta có mô hình tính toán tối ưu cho việc kiếm quĩ đạo tối ưu

trong vận hành hồ chứa thủy điện điều tiết nhiều năm được viết như hình

n

C W

1

Với các ràng buộc:

r

v QQdt

Vi+1 = Vi + Wi - Qi Ti (3.2b)

i i inm i

CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN PHƯƠNG PHÁP GIẢI XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH

GIẢI

Mô hình toán (MHT) được thiết lập là một quy hoạch phi tuyến do các quan

hệ (3.2), (3.3), (3.4), (3.6), (3.7), (3.12), (3.14), (3.15) là các ràng buộc phi tuyến Ngoài ra đây là một bài toán quyết định tuần tự, mỗi quyết định tại một thời đoạn i nào đó đều có ảnh hưởng đến kết quả của hàm mục tiêu (3.1)

Đối với mô hình toán ở trên, nếu sử dụng phương pháp quy hoạch tuyến tính để giải ta phải xấp xỉ tất cả các quan hệ phi tuyến ở trên trở thành các quan hệ tuyến tính Tuy nhiên việc xấp xỉ này sẽ phản ảnh không tốt với thực tế công trình và nghiệm tìm được sẽ có sai số quá lớn, quỹ đạo tối ưu tìm được sẽ khác xa với thực tế

Còn nếu sử dụng các phương pháp quy hoạch phi tuyến bình thường chúng

ta cũng phải sử dụng các hàm phi tuyến tường minh để xấp xỉ các quan hệ phi tuyến, mà trong thực tế công trình các quan hệ này cho ở dạng bảng hay

đồ thị, trường hợp tổng quát ta không thể xấp xỉ bằng một hàm tường minh duy nhất cho toàn miền xác định Giả thiết nếu trong một số trường hợp đặc biệt các quan hệ phi tuyến có thể xấp xỉ bằng một hàm phi tuyến duy nhất trên toàn miền xác định thì đối với bài toán tối ưu nhiều biến và quyết định tuần tự theo thời gian như bài toán (MHT) vẫn còn là một vấn đề nan giải

mà các phương pháp quy hoạch phi tuyến vẫn chưa thấy đề cập đến

Đối với các dạng bài toán phức tạp như vậy, phương pháp quy hoạch động (QHĐ) là một phương pháp khả dĩ có thể sử dụng Phương pháp QHĐ xuất phát từ một nguyên lý tối ưu do giáo sư Bellman, lần đầu tiên đưa ra từ năm

1957 Nguyên lý này được phát biểu một cách ngắn gọn như sau:

“Dù cho trạng thái lúc đầu và sự điều khiển (những quyết định) lúc đầu

như thế nào, các điều khiển tiếp theo sau phải làm thành một sách lược tối ưu đối với trạng thái hình thành do sự điều khiển lúc đầu tạo ra”

Đây là một nguyên lý tối ưu có tính tổng quát cho một lớp các bài toán QHĐ các quá trình quyết định nhiều giai đoạn Từ đó hàng loạt các bài toán

Chương 4: Lựa chọn phương pháp giải xây dựng thuật toán và chương trình

trong kỹ thuật, vật lý, sinh vật, tổ chức sản xuất, kế hoạch hóa kinh tế v.v…

mà quá trình quyết định có nhiều giai đoạn hoặc có thể chuyển thành bài toán quyết định nhiều giai đoạn đã được giải thông qua nguyên lý này Nguyên lý tối ưu Bellman là một đóng góp to lớn cho lý thuyết quy hoạch toán học

Tuy nhiên, để giải bài toán QHĐ cho một bài toán cụ thể nào đó người giải phải tự mình thiết lập mô hình toán và tự mình lập các thuật toán để xử lý

Do sự phức tạp của bài toán thực tế mà mô hình toán MHT là một trong những minh chứng, nên gần như không có một thuật toán hay chương trình tổng quát nào được phổ biến cho đến nay

Do những phân tích nêu trên để giải mô hình toán MHT, chúng tôi cũng sử dụng phương pháp QHĐ Các nội dung giải mô hình toán MHT được trình bày tiếp theo đây

THEO PHƯƠNG PHÁP QUY HOẠCH ĐỘNG

Các thành phần cơ bản của mô hình toán MHT theo phương pháp QHĐ là:

4.2.1 Giai đoạn

Giai đoạn (i), là các điểm của bài toán tại đó ta sẽ ra quyết định Ta chia chu

kỳ điều tiết thành N giai đoạn Ta sẽ có:

4.2.2 Biến quyết định

Biến quyết định là cách giải quyết được thực hiện tại mỗi giai đoạn Lưu lượng điều tiết tại mỗi giai đoạn Q (zj, zk) và giá bán điện đơn vị của tháng thứ n (1 →12) trong năm Cn là biến quyết định

Trong trường hợp xét bài toán với giá bán điện Cn không đổi trong tháng và giá bán nước Cj cũng không đổi trong tháng Lời giải bài toán Max năng lượng trung bình năm cũng chính là lời giải bài toán cực đại điện năng trung bình năm, bài toán cực đại doanh thu trung bình năm chính là cực đại điện năng và lượng nước tưới trong năm

4.2.4 Kết quả giai đoạn

Kết quả giai đoạn là một đại lượng vô hướng đánh giá hiệu quả của quyết định thực hiện trong mỗi phương án Nó là một hàm của biến trạng thái vào, biến trạng thái ra và biến quyết định trong mỗi thời đoạn riêng lẻ

Như vậy theo mô hình toán MHT ở trên với bài toán cực đại năng lượng thì hàm kết quả giai đoạn là năng lương E (zj, zk), với bài toán cực đại doanh thu thì kết quả từng giai đoạn là năng lượng E (zj, zk) và W(zj, zk)

Trên cơ sở nguyên lý của phương pháp QHĐ của Bellman, lưu lượng qua nhà máy cho mỗi thời kỳ sẽ được xác định theo lời giải ngược dòng, trong

đó việc xác định sách lược điều tiết tương ứng sẽ xuất phát từ cuối chu kỳ điều tiết Mực nước trong hồ thay đổi từ mực nước dâng bình thường (MNDBT) đến mực nước chết (MNC) sẽ được mô phỏng thành nhiều thang (Z) tùy theo độ chính xác yêu cầu Thuật toán truy ngược để tìm lời giải tối

ưu theo nguyên lý QHĐ được mô tả bởi sơ đồ sau:

Chương 4: Lựa chọn phương pháp giải xây dựng thuật toán và chương trình

Truy ngược xác định lời giải tối ưu

Z

2 1

Z

2 1

Hình 4.1: Sơ đồ điều tiết tối ưu theo phương pháp QHĐ

AN-1(z): Giá trị hàm mục tiêu tại thời điểm (N-1) tương ứng với phương án mực nước hồ chứa z

Zđầu: Mực nước hồ ban đầu khi điều tiết

Zcuối: Mực nước hồ kết thúc chuổi điều tiết

Q (zj, zk), E (zj, zk), W(zj, zk) : Giá trị lưu lượng điều tiết và điện năng và lượng nước tương ứng khi mực nước hồ zj vào đầu tháng và đạt đến zk vào cuối tháng

z z

Cn là giá bán điện đơn vị của tháng thứ n (1 →12) trong năm

Wi: lượng nước tưới cho nơng nghiệp ở thời điểm i

C là giá bán nước đơn vị của tháng thứ j (1 →2) trong năm

Tính toán được bắt đầu ở cuối chu kỳ dòng chảy điều tiết với i = N đến i =

0 (đầu chu kỳ điều tiết) Trên cơ sở này, các giá trị Azi (i = NÆ0) sẽ được xác định

Dựa trên phương trình truy toán ngược (4.2) ta xây dựng thuật toán cho 3 giai đoạn đặc trưng của bài toán là giai đoạn cuối cùng (i = N), giai đoạn giữa (i=N-1) =>(i=1), và giai đoạn đầu tiên (i=0)

Các thuật toán này được trình bày trong các hình 4.2, hình 4.3, hình 4.4 dưới đây Trong đó:

E + k

j

z z W

Max Eltij+Wltij =

k j

z z

E + k

j

z z W

i = N -1

j = 1Max Eltij+Wltij = 0

j

z z

E + k

j

z z

W )

k = K+1

In kết quảEnd

Đúng

Hình 4.3: Thuật tốn truy tốn ngược cho các giai đoạn i = (N-1) => 1

Chương 4: Lựa chọn phương pháp giải xây dựng thuật tốn và chương trình

i = N -1

j = 1Max( Eltij+Wltij) = 0

j

z z

E + k

j

z z

Hình 4.4: Thuật toán truy toán ngược cho đoạn đầu i = 0

Trên cơ sở các thuật toán cơ bản đã được thiết lập ở trên, một thủ tục tính toán cho mô hình toán MHT được trình bày dưới đây:

1 Chuẩn bị các dữ liệu ban đầu của bài toán:

- Chuỗi dòng chảy thiên nhiên đến tại tuyến đập

- Lượng nước yêu cầu tưới cống số 2(kênh Tây)

- Lượng nước yêu cầu tưới cống số 1(kênh Đông)

- Lượng nước tưới cho sinh hoạt tỉnh Tây Ninh, lưu lượng nước tưới cho Kênh Tân Hưng, lưu lượng tưới cho nhà máy nước Đá

- Các đường đặc tính hồ F=f(Z), W = f(Z)

- Các thông số hồ chứa gồm MNDBT, MNC

- Các thông số nhà máy: Nlm, đường quan hệ Z=f(Q) ở hạ lưu nhà máy,

η1=f(H,Q)

- Đơn giá bán điện theo tháng

- Đơn giá bán nước theo tháng

2 Rời rạc hóa miền tính toán theo thời gian và theo mực nước

3 Tính toán và lưu giữ kết quả cho tháng cuối cùng

4 Tính toán và lưu giữ kết quả cho các tháng giữa (N-1) => 1

5 Tính toán và lưu giữ kết quả cho tháng đầu tiên

6 Lần vết thuận từ giai đoạn đầu tiên đến giai đoạn cuối để tìm quỉ đạo tối