Hydromodelovanie vážskej kaskády

Obsah práce

1.	Základné teoretické rovnice prúdenia v otvorených korytách
2.	Opis modelovaného systému a jednotlivých častí hydromodelu
3.	Hydromodelovanie vážskej kaskády

Modelovanie a simulácia je jednou z hlavných metód ako overovať chovanie analyzovaných systémov. Matematický model je abstrakcia pretransformovaná do počítačového programu, ktorý je podobný pôvodnému objektu, na ktorom vykonávame experimenty. Modelový experiment je riešenie vhodne formulovanej matematickej úlohy s rešpektovaním vzťahov opisujúcich model pre konkrétne podmienky. Komunikácia užívateľa s programom prebieha cez príkazy a cez zadanie počiatočných a koncových podmienok konkrétnych parametrov. Výsledky sú z dôvodu prehľadnosti zobrazené v grafickej aj číselnej forme. Optimalizovaným modelovaním hľadáme také riešenie úlohy, ktoré spĺňa naše predpoklady výsledku, prípadne nám umožní sa vyhnúť problémovým situáciám v modelovanom systéme. Našou úlohou, ktorú budeme ďalej rozoberať, je optimalizované modelovanie vážskej kaskády. V druhej kapitole boli uvedené všetky časti a moduly súvisiace so samotným hydromodelovaním. Postupnosť krokov modelovania je nasledovná:

• Vstup pre zadanie počiatočných a koncových podmienok;
• Hydromodelovanie;
• Analýza výsledkov hydromodelovania.

Vstup pre zadanie počiatočných a koncových podmienok

Hydromodel je komplexný nástroj pozostávajúci z jednotlivých modulov, ktoré sú naprogramované v prostredí VBA. Práca s nástrojom si však vyžaduje hlbšie znalosti v danej problematike. Pre zadávanie vstupov, počiatočných a koncových podmienok, nám slúži súbor s programom Hydromodel.xls, prostredníctvom ktorého je možné editovať vstupy pre celý model. Vstupy sú kontrolované proti zadaniu nekorektných údajov a zároveň v prípade, že zadaná hodnota presahuje obmedzujúce parametre, model príslušné vstupy vyznačí (podfarbí pozadie a zmení farbu písma) a zablokuje spustenie hydromodelovania. Takéto zadávanie vstupov môžeme nazvať - zadávanie vstupov naslepo.

Pri spustení (otvorení súboru Hydromodel.xls) sa zobrazí priestor s výsledkami tvorený číselným zobrazením nasadeného výkonu jednotlivých objektov VE, ktorých výkony sumarizuje skupina SVK. Nakoniec súčet všetkých skupín je vyjadrený v položke DDZ Váh a graficky zobrazený spolu s položkou Ocenenie DDZ (Obr. 3.1). Suma ocenenia DDZ vyjadruje prácu a veľkosti hodnôt ocenenia vyjadrujú pomer nasadenia v priebehu celého dňa.

Obr. 3.1 Ovládací panel

V súčasnej dobe nástroj nedisponuje databázou vzhľadom k rozsahu aktuálne riešenej úlohy. Rozšírenie bude vyžadovať analýzu a následne tvorbu vhodne nastaveného manažmentu dát, ktorý zabezpečí rozumné riešenie pre použitie rozšírenia na týždennú, mesačnú a ročnú prípravu prevádzky a väzbu na riadiaci systém. V súčasnej dobe databázu nahrádza interná pamäť, ktorá zabezpečuje potrebný manažment údajov v rámci D-1, D a D+1. Plánovanie nasadenia výkonu počas dňa pomocou modelu vieme realizovať v rozsahu 23 až 25 hodín.

Do jednotlivých medzipovodí sú prítoky vstupom, ktorý kryje časť výroby. Model sám nedokáže na požadovanú výrobu samočinne nastaviť odtoky z vyrovnávacích nádrží TV a BE tak, aby kryl ostatnú časť výroby. Na tento účel je modul, súčasť hydromodelu, ktorý umožňuje aproximovať výrobu s presnosťou, ktorú rozoberieme neskôr. Modul sprehľadňuje zadávanie vybraných vstupov a v okamihu zadania dáva odozvu v podobe odhadu výroby. Modul sa volá zo súboru Hydromodel.xls. Pri tomto volaní si odovzdajú informácie o aktuálnych pomeroch prietoku a výkonu. V prípade veľkých vôd, keď dochádza k odstaveniu skupín SVK a prietokové, výkonové pomery sa rovnajú nule, modul s názvom Aproximácia_výroby_Váh.xls, ktorý aproximuje výrobu, použije prednastavené technické parametre TG jednotlivých objektov VE. Prostredie modulu je na obrázku 3.2. Pri odovzdávaní informácii o pomeroch modul aproximácie výroby preberie z riadiacej časti aj prítoky za D-1 z jednotlivých medzipovodí a v rámci výpočtu prostredníctvom aktuálnych prítokov z D-1 a priemerných hodnôt prietoku cez skupiny SVK počas dňa D stanový najlepší odhad výroby pre hydromodel. Tak ako riadiaca časť programu aj modul aproximácie používa časť hydraulickej časti pre vodné nádrže a modul pre dotok vody. Modul aproximácie integruje prvky prehľadného nastavenia celého riadiaceho súboru Hydromodel.xls.

Obr. 3.2 Panel aproximácie výroby

Jednotlivé položky sú:

1. Minimálny počet nasadenia TG skupiny SVK do prevádzky;
2. Maximálny počet nasadenia TG skupiny SVK do prevádzky;
3. Maximálny prietok cez skupiny SVK;
4. Hodnotu počiatočnej hladiny VN;
5. Hodnotu plánovanej koncovej hladiny VN;
6. Prítoky vody do jednotlivých medzipovodí;
7. Biologické odtoky z medzipovodí do koryta;
8. Priemerný denný prietok cez SVK;
9. Stanovenie špičkovej alebo priebežnej prevádzky skupín SVK;
10. CheckBox tlačidlá stanovujeme prepúšťanie Qj do hltnosti kanálov cez kanál alebo hať;
11. Prepínač umožňujúci prenášať obmedzenia oblastí 1, 2, 3;.
12. CheckBox povolenia priebežného výpočtu po zadaní hodnôt v oblastí 4, 5, 6, 7.

Celý nástroj zabezpečuje integritu dát, nekorektné vstupy výstražne označí a v prípade odoslania (napr. záporný priemerný prietok SVK) blokuje odoslanie. Samotná presnosť aproximácie je závislá od oblasti prietokov, v ktorej sa modeluje. Pri prevádzke do hltnosti kanálov a mierne nad túto hltnosť je odhad uspokojivý. V oblasti prietokov veľkých vôd, kde nastáva aj odstavenie SVK z prevádzky a pomerové hodnoty prietoku a výkonu sú načítané z technických parametrov TG objektov VE, je odhad slabý. V tomto prípade sa využíva prednosť v jednoduchosti zadávania údajov, nie presnosť odhadu.

Príklad presností odhadov: Zaujímavosť zistená pri analýze odpúšťania vody z VN TV na krytie výkonu Váhu je v tom, že plné výkonové nasýtenie Váh dosiahne približne za štyri dni. Hladiny sú pritom modelované tak, aby počiatočná sa rovnala koncovej hladine. Dotoky z dňa D model po ukončení modelovania SVK pripraví pre D+1. V modelovom príklade nebudeme uvažovať jalovú vodu starým korytom. Všetky medzipovodia majú nastavený bočný prítok rovnajúci sa biologickému odtoku a odtok z vyrovnávacích nádrží TV, BE je nastavený na minimálny odtok.

Tab. 3.1 Výkonová nasýtenosť VE Váh

P.č.	Aproximácia [MWh]	Hydromodel [MWh]	Rozdiel [MWh]	Čas spracovania úlohy [sek.]
1.	1517,6	1693,7	176,1	16,55
2.	3280,4	3383,7	103,3	25,14
3.	4699,2	4827,9	128,7	17,94
4.	4928,4	5066,7	138,3	18,88
5.	4946,4	5110,8	164,4	20,59

V tabuľke 3.1 prvý bod je počiatočný stav Váhu s minimálnymi prítokmi do medzipovodí a odtokmi z vyrovnávacích nádrží. V druhom bode je zmenený iba odtok z VN TV z 4 m3.s-1 skokovo na 65 m3.s-1. Je vidieť postupné výkonové nasycovanie na Váhu a plné nasýtenie nastáva na štvrtý deň. Pri aproximácii výroby je v tomto príklade rozdiel v rozsahu od 100 MWh do 180 MWh, čo môžeme považovať za uspokojivý výsledok. Chyba je spôsobená spriemerovaním odtokov z SVK počas dňa, pričom hydromodel nasadzuje prietok do špičiek a väčšina objemu ostáva v dni D a nie je presunutá do dňa D+1. Pokiaľ by modul aproximácie nevyužíval model dotokov vody, hodnota rozdielu odhadu voči hodnote z hydromodelu by mohla presiahnuť 1500 MWh v čase väčších zmien prítokov, čo je neprípustné!

Odľahčenie výroby namodelujeme analogicky. VN TV nastavíme pôvodný odtok 4 m3.s-1. Tabuľka 3.2 opisuje tak, ako v prípade nasýtenia výkonu v prvom bode, počiatočný stav Váhu a v nasledujúcom bode zníženie odtoku z VN TV. Rozdiel odhadu je pri odľahčovaní v rozsahu od 160 MWh do 220 MWh, čo môžeme opäť považovať za uspokojivé. Opäť dostávame štyri dni do úplného odľahčenia výroby VE.

Tab. 3.2 Odľahčenie výroby VE Váh

P.č.	Aproximácia [MWh]	Hydromodel [MWh]	Rozdiel [MWh]	Čas spracovania úlohy [sek.]
1.	4946,4	5110,8	164,4	20,59
2.	3195,2	3412,9	217,7	29,38
3.	1828,5	2031,7	203,2	20,41
4.	1526,1	1709,3	183,2	17,41
5.	1514,6	1693,7	179,1	16,98

Časy boli namerané na PC s procesorom Intel® Core™2 CPU 6400 @ 2,13 GHz, 1,99 GB RAM, OS Microsoft Windows XP Professional a Office 2003.

Hydromodelovanie

Po úspešnom zápise vstupov do modelu, priamo alebo pomocou aproximácie výroby, máme model pripravený na spustenie. V tejto časti popíšeme jednotlivé interakcie medzi modulmi hydromodelu. Po spustení nasleduje načítanie vstupných dát optimalizačným modelom, ktorý na základe vstupov z kapitoly 2.9 navrhne nasadenie prietoku cez aktuálne počítanú kaskádu. SVK sú postupne spracovávané v smere toku vody tak, aby bola zabezpečená hydrologická a hydraulická väzba.

Poradie modelovania stupňov vážskej kaskády:

1. SVK OR-TV
2. SVK LM-BE
3. SVK KR-SU-LI
4. SVK ZI
5. SVK HR-MI-PB
6. SVK NO
7. SVK LA-IL-DU-TN
8. SVK KO-NM-HS
9. SVK MA
10. SVK KA

Prekročenie prevádzkových hladín optimalizačný model kontroluje prostredníctvom hydraulického modelu vodných nádrží. Prekročenie koriguje a po poslednej hodine dňa hľadá riešenie dosiahnutia plánovanej koncovej hladiny. Počas optimalizácie verifikuje maximálne nasadenie prietoku cez SVK a jednotlivo cez TG, z ktorých vyberá pre výpočet najmenšiu hodnotu maximálneho obmedzenia. Tieto kontroly prebiehajú aj zo strany minimálnych prietokov cez TG. Vo výpočte optimalizácie SVK prebieha priebežný výpočet pohybu nábehových hladín v derivačných kanáloch. V čase veľkých vôd optimalizačný model porovnáva obmedzenia SVK pred prítokom a po prítoku veľkej vody starým korytom. V prípade rozdielu celú optimalizáciu daného stupňa opakuje s tým, že časť vody nad obmedzením prevedie z kanála na hať. Celý proces sa opakuje do chvíle rovnosti obmedzení pred prítokom a po prítoku vody starým korytom pod poslednú VE danej kaskády. Tento stav vidieť na dialógu Priebeh spracovania výpočtu počas hydromodelovania (Obr. 3.3) v položke Hodiny (SVK bez zmeny a cyklicky sa opakujúce hodnoty tejto položky).

Obr. 3.3 Dialóg - priebeh spracovania

Po ukončení optimalizácie sú postupne údaje importované do hydraulicko-transformačného modulu, kde výpočet prebehne veľmi rýchlo. Výpočet nastaví hydrauliku v kanáloch a na prietokové a spádové pomery transformačný model stanový počet strojov a výkonové zaťaženie v danej hodine. Výsledky sú poslané späť do súboru Hydromodel.xls.

Analýza výsledkov hydromodelovania

Pri prehliadaní výsledkov a kontrole v súbore Hydromodel.xls prechádzame záložkami prostredníctvom tlačidiel na obrázku 3.4.

Obr. 3.4 Panel ovládania - hydromodel

Postupne budeme prechádzať prostredím pre zadávanie údajov. Vstupy, ktoré môžeme editovať na obrázku 3.5, sú podfarbené modrým pozadím. Ostatné údaje nie je možné meniť. Ovládanie celého programu je jednoduché a intuitívne. Pri prepínaní sa zobrazia grafické výstupy. Je možné prepnúť sa na dátovú časť tlačidlom alebo sa prerolovať myšou. Na každej záložke pre SVK je v ľavom rohu príznak spustenia modelu. Pokiaľ je tento príznak v stave Stop model, na záložke je problém nekorektných údajov, ktoré treba opraviť.

Obr. 3.5 Panel zadávania vstupov a prehliadanie výstupov - hydromodel

Záver

V práci sme rozobrali problematiku hydromodelovania vážskej kaskády, ktorej praktický výstup je nástroj na modelovanie. Postupne, ako sme prechádzali jednotlivé kapitoly, mali sme možnosť zoznámiť sa s danou problematikou navrhovania hydrologického, hydraulického, transformačného a optimalizačného modelu. Spolu jednotlivé časti tvoria systém umožňujúci veľmi náročné matematicko-logické výpočty. Rozobrané nové prístupy modelovania v tejto oblasti, oproti stávajúcemu modelu na HED, umožnili hydraulické spojenie jednotlivých skupín SVK, prácu s hladinami v derivačných kanáloch, lepšiu metódu transformácie dotoku vody, modelovanie veľkej vody od bežných prevádzkových prietokov až po prietoky storočných vôd, autonómnosť optimalizácie, integritu údajov a celého modelu. Veľký rozdiel v nastavovaní hydromodelu oproti pôvodnému na HED je v zadávaní vstupov. Pôvodný model umožňuje nastaviť vstupy odhadom, využívajúc chybu ľudského faktora – multinásobná korekcia vstupných dát s postupným približovaním dosiahnutia požadovanej výroby, kontrola nasadenia turbogenerátorov do prevádzky a v mnohých prípadoch nutnosť manuálne tvarovať DDZ. Ak by sme porovnali obidva hydromodely zistíme, že pôvodný je kompilovaný, ale časová náročnosť výpočtu je porovnateľná s časom výpočtu nástroja vytvoreného v aplikácii Excel pomocou interpretovacieho jazyka VBA. Pokiaľ by sme mali vyhodnotiť celkovú časovú náročnosť modelovania jednej úlohy, stávajúci model vyžaduje plné nasadenie užívateľa v rozsahu jednej hodiny prípadne dlhšie. Naproti tomu aktuálne vytvorený model je schopný poskytnúť výsledok úlohy v priebehu pár minút od začiatku modelovania. Ak by sme chceli riešiť úlohu veľkej vody, pôvodný model na HED nie je schopný riešiť takúto úlohu.

Literatúra

1. Mäsiar, E., Kamenský, J. Hydraulika pre stavebných inžinierov II, Bratislava, ALFA 1989.
2. Dušička, P., Šulek, P., Popis algoritmov hydromodelovania navrhnutých pre SW model prípravy prevádzky VE, Bratislava, Technická dokumentácia 2006.
3. Walkenbach, J. Excel 2003 – Programování ve VBA, Brno, Computer Press 2006.
4. Weber, M., Breden, M. Veľká kniha řešení Excel VBA, Brno, Computer Press 2007.
5. Benický J.: Manipulačný poriadok pre vodné stavby Orava a Tvrdošín. Bratislava, Výskumný ústav vodného hospodárstva 2003.
6. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre vodné stavby Liptovská Mara a Bešeňová. Ružomberok, SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany, závod Povodie horného Váhu 2004.
7. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre vodnú stavbu Krpeľany - Súčany - Lipovec. Ružomberok, SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany, závod Povodie horného Váhu 2004. Aktualizácia vydania z roku 1989 vypracovaného Hydroconsultom Bratislava.
8. Cábel J.: Vodné dielo Žilina. Dočasný manipulačný poriadok IV. časť. Bratislava, VVB š.p. 1998.
9. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre vodné dielo Hričov - Mikšová - Považská Bystrica. Púchov, SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany, závod Púchov 1999. Aktualizácia vydania z roku 1987 vypracovaného Hydroconsultom Bratislava.
10. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre vodné dielo Nosice. Púchov, SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany, závod Púchov 2003.
11. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre kaskádu Dolné Kočkovce - Ladce - Ilava - Dubnica - Trenčín. Púchov, SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany, závod Púchov 2002.
12. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre vodnú stavbu II Važská kaskáda Trenčianske Biskupice - Kostolná - Nové Mesto - Horné Streda. Piešťany, SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany 2004.
13. Benický J. a kol.: Manipulačný poriadok pre vodné stavby Drahovce - Madunice. Bratislava, Hydroconsult Bratislava 1989. Prepracoval: SVP. š.p. Odštepný závod Piešťany a závod Povodia stredného Váhu II, Piešťany 2005.
14. SVP. š.p.: Manipulačný poriadok pre vodné dielo Kráľová. Šaľa, SVP. š.p. Odštepný závod Šaľa 1997.

Príloha A

Tabuľka hodnôt rýchlostného súčiniteľa C k parametrom R a n [1]

n [-] R [m]	0,014	0,017	0,020	0,025	0,028	0,030	0,035	0,040
0,20	55,21	43,35	35,65	26,76	23,56	21,23	17,34	14,48
0,40	61,72	49,41	41,25	31,80	28,40	25,80	21,51	18,30
0,60	65,86	53,41	44,90	35,20	31,67	28,90	24,40	21,03
0,80	68,93	56,35	47,70	37,84	34,25	31,30	26,66	23,18
1,00	71,43	58,82	50,00	40,00	36,36	33,33	28,57	25,00
1,20	73,29	60,47	51,50	41,40	37,71	34,63	29,79	26,18
1,40	74,86	61,88	52,75	42,64	38,91	35,76	30,86	27,20
1,60	76,29	63,11	53,90	43,72	39,96	36,80	31,83	28,13
1,80	77,57	64,23	54,95	44,72	40,91	37,70	32,71	28,95
2,00	78,72	65,29	55,85	45,64	41,78	38,56	33,51	29,73
2,20	79,79	66,23	56,70	46,48	42,58	39,33	34,26	30,45
2,40	80,72	67,05	57,50	47,24	43,30	40,06	34,94	31,13
2,60	81,64	67,88	58,25	47,96	44,03	40,73	35,60	31,75
2,80	82,50	68,64	58,95	48,64	44,69	41,46	36,20	32,35
3,00	83,29	69,35	59,60	49,28	45,30	42,00	36,70	32,80
3,20	84,07	70,05	60,25	49,88	45,89	42,56	37,00	33,00
3,40	84,72	70,64	60,80	50,40	46,10	42,80	37,30	33,20
3,60	85,43	71,29	61,35	50,70	46,50	43,15	37,60	33,45
3,80	86,07	71,88	61,90	51,00	46,90	43,50	37,90	33,70
4,00	86,72	72,41	62,40	51,30	47,20	43,75	38,10	33,90
4,20	87,29	72,94	62,90	51,55	47,50	44,00	38,30	34,15
4,40	87,86	73,47	63,40	51,80	47,70	44,20	38,45	34,35
4,60	88,43	73,94	63,85	52,00	47,90	44,50	38,60	34,45
4,80	89,00	74,41	64,25	52,25	48,10	44,70	38,70	34,55
5,00	89,50	74,88	64,70	52,50	48,30	44,90	38,80	34,65

Príloha B

Súčasťou tejto diplomovej práce je CD médium s nasledujúcim obsahom:

1. Dokument tejto práce vo formáte DOC;

2. Výber z plnej verzie hydromodelu pre SVK OR-TV, LM-BE, KR-SU-LI.

• Hydromodel.xls
• HMVN_Váh.xls
• HT_modul.xls
• Dotok_vody_modul.xls
• MLP_Qmax_Váh.xls
• MLP_Qmax_kanál_Váh.xls
• MLP_Qmin_kanál_Váh.xls