Το πλαίσιο παραμετροποίηση-προσομοίωση-βελτιστοποίηση για τη διαχείριση συστημάτων υδροηλεκτρικών ταμιευτήρων

A. Efstratiadis, D. Bouziotas, and D. Koutsoyiannis, The parameterization-simulation-optimization framework for the management of hydroelectric reservoir systems, Hydrology and Society, EGU Leonardo Topical Conference Series on the hydrological cycle 2012, Torino, doi:10.13140/RG.2.2.36437.22243, European Geosciences Union, 2012.

[Το πλαίσιο παραμετροποίηση-προσομοίωση-βελτιστοποίηση για τη διαχείριση συστημάτων υδροηλεκτρικών ταμιευτήρων]

[doc_id=1294]

[Αγγλικά]

Ο βέλτιστος έλεγχος και η διαχείριση των υδροηλεκτρικών ταμιευτήρων μεγάλης κλίμακας παραμένουν ένα ζήτημα-πρόκληση στη μοντελοποίηση των υδατικών πόρων και η χρησιμότητά τους αυξάνει, καθώς η αυξανόμενη διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών στο σημερινό ενεργειακό σκηνικό επιφέρει επιπρόσθετες απαιτήσεις ως προς την αναρρύθμιση και αποθήκευση της ενέργειας. Σε αυτό το πλαίσιο, είναι αναγκαίο να αναθεωρήσουμε τόσο τις τρέχουσες διαχειριστικές πολιτικές όσο και τις σχετικές μεθοδολογίες για την υποστήριξη των αποφάσεων σε προβλήματα διαχείρισης ταμιευτήρων, οι οποίες είναι μάλλον ανεπαρκείς. Παλαιότερες προσεγγίσεις, που βασίζονται στην ανάλυση συστημάτων (δηλαδή γραμμικός, μη γραμμικός, δυναμικός ή στοχαστικός δυναμικός προγραμματισμός), καθώς και πιο προχωρημένες έννοιες και εργαλεία, όπως η ασαφής λογική και τα νευρωνικά δίκτυα, αποτυγχάνουν να προσφέρουν την αναγκαία ολιστική προσέγγιση, σε σχέση με τις διάφορες πολυπλοκότητες του προβλήματος. Τέτοιες δυσχέρειες προκύπτουν εξαιτίας του μεγάλου αριθμού των μεταβλητών, της μη γραμμικότητας της δυναμικής του συστήματος, την εγγενούς αβεβαιότητας των μελλοντικών συνθηκών (εισροές, ζητήσεις), καθώς και τις πολλαπλές και συχνά αντικρουόμενες χρήσεις νερού και τους περιορισμούς που εμπλέκονται στη διαχείριση τέτοιων συστημάτων. Από την άλλη πλευρά, το πλαίσιο παραμετροποίηση-προσομοίωση-βελτιστοποίηση (ΠΠΒ) παρέχει μια εφικτή και γενική μεθοδολογία που είναι εφαρμόσιμη σε κάθε τύπο υδροσυστήματος, περιλαμβανομένων και σύνθετων υδροηλεκτρικών σχημάτων. Αυτό χρησιμοποιεί τη στοχαστική προσομοίωση για την παραγωγή συνθετικών εισόδων του συστήματος και αναπαριστά όσο το δυνατόν πιο πιστά τη λειτουργία του όλου συστήματος μέσω ενός μοντέλου προσομοίωσης, χωρίς να απαιτεί κάποια ειδική μαθηματική δομή που πιθανόν θα οδηγούσε σε υπεραπλουστεύσεις. Μια τέτοια αναπαράσταση σέβεται πλήρως τους φυσικούς περιορισμούς, ενώ την ίδια στιγμή αξιολογεί τους περιορισμούς και στόχους της λειτουργίας του συστήματος σε όρους πιθανοτήτων, μέσω προσομοίωσης Monte Carlo. Τέλος, εφαρμόζεται μια διαδικασία στοχαστικής βελτιστοποίησης (συγκεκριμένα, η εξελικτική μέθοδος ανόπτησης-απλόκου) για να βελτιστοποιήσει την επίδοση του συστήματος και να αποτιμήσει τις μεταβλητές ελέγχου του. Η διαδικασία αυτή διευκολύνεται ουσιωδώς αν η όλη αναπαράσταση είναι φειδωλή, δηλαδή ο αριθμός των μεταβλητών ελέγχου διατηρείται όσο το δυνατό πιο μικρός. Αυτό εξασφαλίζεται μέσω κατάλληλης παραμετροποίησης του συστήματος, με τη μορφή παραμετρικών εκφράσεων των κανόνων λειτουργίας για τις κύριες συνιστώσες ελέγχου του συστήματος (π.χ. ταμιευτήρες, υδροηλεκτρικοί σταθμοί). Το πλαίσιο ΠΠΒ έχει υλοποιηθεί στο σύστημα υποστήριξης αποφάσεων (ΣΥΑ) Υδρονομέας, που έχει εφαρμοστεί επιτυχώς στην επιχειρησιακή διαχείριση συστημάτων υδατικών πόρων διαφόρων επιπέδων πολυπλοκότητας, περιλαμβανομένου και του υδροδοτικού συστήματος της Αθήνας. Πρόσφατα, αναβαθμίστηκαν τόσο το πλαίσιο μοντελοποίησης όσο και οι λειτουργικότητες του ΣΥΑ, ώστε να χειρίζονται και συνιστώσες υδροηλεκτρικής παραγωγής, καθώς και έργα αντλησοταμίευσης. Η νέα έκδοση δοκιμάστηκε σε μια υψηλής δυσκολίας μελέτη, που περιλαμβάνει την προσομοίωση του υδροσυστήματος Αχελώου-Θεσσαλίας. Ο Αχελώος χαρακτηρίζεται από πολύ υψηλή απορροή και φιλοξενεί το 1/3 της εγκατεστημένης υδροηλεκτρικής ισχύος της Ελλάδας. Εκτός από το υφιστάμενο σχήμα έργων, εξετάζονται και μελλοντικές διατάξεις, στις οποίες περιλαμβάνεται η εκτροπή μέρους των ανάντη υδατικών πόρων προς τη γειτνιάζουσα πεδιάδα της Θεσσαλίας. Για κάθε διάταξη, εντοπίζεται η βέλτιστη διαχειριστική πολιτική, με βάση πολλαπλά κριτήρια επίδοσης που λαμβάνουν υπόψη τους τόσο την οικονομικότητα όσο και την αξιοπιστία. Εξετάζονται διάφορες διατυπώσεις της στοχικής συνάρτησης, που συνδυάζουν διαφορετικούς τύπους οφέλους από την παραγωγή νερού και ενέργειας (διαχωρίζοντας την πρωτεύουσα και δευτερεύουσα ενέργεια) και κόστη (λόγω άντλησης). Τέλος, εξετάζεται η ευαισθησία των λύσεων έναντι των παραδοχών του μοντέλου στοχαστικής προσομοίωσης. Η έμφαση δίνεται στην επίδραση της μακράς και βραχείας κλίμακας εμμονής στις προσομοιωμένες εισροές.

PDF Πλήρες κείμενο (339 KB)

Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.36437.22243

Εργασίες μας που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία:

1. I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, Multiobjective optimisation on a budget: Exploring surrogate modelling for robust multi-reservoir rules generation under hydrological uncertainty, Environmental Modelling and Software, 69, 396–413, doi:10.1016/j.envsoft.2014.09.023, 2015.
2. I. Tsoukalas, and C. Makropoulos, A surrogate based optimization approach for the development of uncertainty-aware reservoir operational rules: the case of Nestos hydrosystem, Water Resources Management, 29 (13), 4719–4734, doi:10.1007/s11269-015-1086-8, 2015.
3. I. Tsoukalas, P. Dimas, and C. Makropoulos, Hydrosystem optimization on a budget: Investigating the potential of surrogate based optimization techniques, 14th International Conference on Environmental Science and Technology (CEST2015), Global Network on Environmental Science and Technology, University of the Aegean, 2015.
4. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Surrogate-enhanced evolutionary annealing simplex algorithm for effective and efficient optimization of water resources problems on a budget, Environmental Modelling and Software, 77, 122–142, doi:10.1016/j.envsoft.2015.12.008, 2016.
5. H. Tyralis, A. Tegos, A. Delichatsiou, N. Mamassis, and D. Koutsoyiannis, A perpetually interrupted interbasin water transfer as a modern Greek drama: Assessing the Acheloos to Pinios interbasin water transfer in the context of integrated water resources management, Open Water Journal, 4 (1), 113–128, 12, 2017.

Κατηγορίες: Εργασίες φοιτητών σε συνέδρια