Оптимальное использование водных ресурсов при долгосрочном планировании режимов работы гидроэнергетических систем

Оглавление 
 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
В. И. Пантелеев, С. С. Труфакин 
 
 
ОПТИМАЛЬНОЕ  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ  
ВОДНЫХ  РЕСУРСОВ  
ПРИ  ДОЛГОСРОЧНОМ  ПЛАНИРОВАНИИ  
РЕЖИМОВ  РАБОТЫ  
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМ 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2022 

 

 

Оглавление 
 

2 

УДК 627.8:624.139 
ББК 38.799 
        П166 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы:  
Б. В. Лукутин, доктор технических наук, профессор Инженерной школы 
энергетики Томского политехнического университета; 
Ю. А. Секретарев, доктор технических наук, профессор кафедры 
СЭСП Новосибирского государственного технического университета 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Пантелеев, В. И. 
П166           Оптимальное использование водных ресурсов при долгосрочном 
планировании режимов работы гидроэнергетических систем : 
монография / В. И. Пантелеев, С. С. Труфакин. – Красноярск : Сиб. 
федер. ун-т, 2022. – 160 с. 
ISBN 978-5-7638-4535-8 
 
Рассмотрены методы оптимизации долгосрочных режимов работы гидроэнергетических 
систем и комплексов. Изложены основанные на методах стохастической 
оптимизации методики планирования долгосрочных водноэнерге-
тических режимов гидроэнергетических систем, обеспечивающие максимальный 
эффект от использования электроэнергии в энергетической системе и минимальные 
риски нарушения требований остальных водопользователей. 
Предназначена для специалистов предприятий Системного оператора 
ЕЭС России, занимающихся планированием режимов энергосистем, а также сотрудников 
организаций-водопользователей. Может быть полезна для научных 
работников, аспирантов и магистрантов соответствующих направлений. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 627.8:624.139  
ББК 38.799 
 
ISBN 978-5-7638-4535-8                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2022 

 

 

Оглавление 
 

3 

 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ ........................................................................................................... 4 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 5 
1. ПРОБЛЕМЫ  УПРАВЛЕНИЯ  РЕЖИМАМИ  РАБОТЫ   
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМ   
И  МЕТОДЫ  ИХ  РЕШЕНИЯ ................................................................................ 9 
1.1. Режимы работы гидроэнергетических систем ................................................ 9 
1.2. Методы управления режимами гидроэнергетических систем .................... 11 
1.3. Особенности работы гидроэлектростанций  
в электроэнергетических системах ................................................................ 20 
1.4. Методы оптимизации режимов работы  
гидроэнергетических систем ........................................................................ 22 
2. ОЦЕНКА  ЭФФЕКТИВНОСТИ  РЕЖИМОВ  РАБОТЫ  
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМ .............................................................. 37 
2.1. Расчет рисков нарушения требований .......................................................... 38 
2.2. Особенности расчета рисков нарушений требований  
для каскада ГЭС ............................................................................................... 47 
2.3. Расчет рисков нарушения технологических требований ............................ 52 
2.4. Расчет экономического эффекта  
от выработки электроэнергии на гидроэлектростанции ............................. 56 
3. СТОХАСТИЧЕСКАЯ  ОПТИМИЗАЦИЯ   
ДОЛГОСРОЧНЫХ  РЕЖИМОВ  РАБОТЫ   
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМ .............................................................. 61 
3.1. Выбор метода оптимизации долгосрочных режимов работы 
гидроэнергетических систем ........................................................................... 62 
3.2. Расчет состояния системы .............................................................................. 65 
4. ИМИТАЦИОННЫЕ  РАСЧЕТЫ  РЕЖИМОВ  РАБОТЫ  ГЭС   
АНГАРО-ЕНИСЕЙСКОГО  КАСКАДА   
ОБЪЕДИНЕННОЙ  ЭНЕРГОСИСТЕМЫ  СИБИРИ .......................................... 86 
4.1. Условия функционирования Ангаро-Енисейского каскада ГЭС  
и исходные данные для имитационного расчета ......................................... 86 
4.2. Оптимизационные расчеты долгосрочных режимов работы  
Ангаро-Енисейского каскада ГЭС ................................................................. 94 
4.3. Анализ результатов расчета ......................................................................... 117 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 119 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 120 
ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................................ 130 
Приложение 1 ............................................................................................................ 130 
Приложение 2 ............................................................................................................ 133 

 

Введение 
 

4 

 
 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
В настоящее время особое внимание уделяется эффективному использованию 
водных ресурсов. Большинство гидроэлектростанций (ГЭС) 
имеет многоцелевое назначение и удовлетворяет интересы различных отраслей. 
В современном планировании режимов работы ГЭС эффективность 
электроэнергетических систем (ЭЭС) уже не является исключительно 
приоритетной, хотя и имеет существенную значимость. Использование 
водных ресурсов для целей производства электрической энергии должно 
осуществляться с учетом интересов других водопользователей (водный 
транспорт, питьевое и хозяйственно-бытовое водоснабжение, сплав древесины, 
орошение, сброс сточных вод и т. д.). Модель управления водными 
ресурсами должна основываться на принципах рационального использования 
и охраны окружающей среды. 
Для эффективного управления гидроэнергетическими системами         
актуальной является разработка методики планирования долгосрочных 
водноэнергетических режимов, обеспечивающей максимальный эффект от 
использования электроэнергии в энергетической системе и минимальные 
риски нарушения требований водопользователей. Решению именно этой 
проблемы и посвящена настоящая монография. 
Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам: профессору 
Б. В. Лукутину (Национальный исследовательский Томский политехнический 
университет) и профессору Ю. А. Секретарёву (Новосибирский государственный 
технический университет) и надеются, что монография окажется 
полезной для специалистов, занимающихся планированием режимов 
работы гидроэнергетических систем и режимов ЭЭС. 

 

Введение 
 

5 

 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
В современных экономических условиях важной задачей является 
выбор оптимального режима работы гидроэнергетических систем. Заблаговременное 
планирование выработки электроэнергии гидроэнергетических 
систем необходимо для повышения экономической эффективности 
и надежности их работы, а также рационального использования водных 
ресурсов. Это является основным условием, соблюдение которого дает 
возможность выполнить требования, предъявляемые к современным энергетическим 
и водохозяйственным комплексом. 
Для энергетических систем восточных регионов Российской Федерации 
характерной является ситуация, в которой темпы освоения гидроэнергетического 
потенциала существенно превосходят развитие энергоемкой 
промышленности. Вследствие чего при вынужденном пропуске воды, например 
во время навигации или паводка, наблюдается высокий уровень 
выработки электроэнергии Ангаро-Енисейского каскада гидроэлектростанций. 
Несмотря на возможность водохранилищ регулировать и аккумулировать 
сток, возникает проблема передачи электроэнергии в западную 
часть энергосистемы [73]. Это связано с недостаточной пропускной способностью 
линий электропередачи системообразующей сети, особенно во 
время проведения ремонтной кампании объектов электросетевого хозяйства. 
Учитывая вероятностную природу стока, в системе заблаговременного 
планирования выработки электроэнергии ГЭС, планирования графика 
ремонтов объектов электросетевого хозяйства и определения показателей 
баланса электроэнергии и мощности необходимо предусматривать наступление 
любого притока воды в водохранилища и вырабатывать решения на 
основании показателей комплексной эффективности всех технологических 
процессов, зависящих от режима работы гидроэнергетических систем. 
Традиционно на этапах долгосрочного (в пределах календарного года) 
планирования балансов энергетических систем применяются подходы 
и методики, основанные на детерминированном представлении исходных 
данных и решений. При этом выбирается несколько вариантов исходных 
данных и рассчитываются оптимальные загрузки электростанций, а также 
другие режимные показатели. Этому подходу посвящены работы Е. В. Цветкова [
92], Т. А. Филипповой [81–84], В. М. Горнштейна [17; 18], M. Pereira 
[102] и др. При таком подходе степень учета вероятностной природы стока 
определяется количеством использованных вариантов исходных данных. 

 

Введение 
 

6 

Поэтому для принятия обоснованных решений, учитывающих вероятностную 
природу стока, возникает проблема большого количества вычислений. 
Из работ, учитывающих вероятностную природу стока, можно отметить 
основанные на использовании деревьев условий функционирования 
систем (сценарных деревьев) А. М. Клера [29; 30], П. Ю. Елсукова [23–25], 
E. С. Finardi [108]. Сценарные деревья могут порождать оптимизационные 
задачи весьма большой размерности (с тысячами и десятками тысяч оптимизируемых 
параметров), поэтому рассматриваются методы декомпозиции, 
уменьшающие размерность задач. Учитывая вероятностную природу 
стока, методы, основанные на использовании сценарных деревьев, в сочетании 
с методами декомпозиции не решают проблему согласованности 
технологических ограничений или требований к режимам работы гидроэнергетических 
систем. Например, в существующей ситуации высокого 
уровня выработки электроэнергии ГЭС в условиях пропуска воды для целей 
навигации в период проведения ремонтной кампании объектов электросетевого 
хозяйства остается нерешенным вопрос о том, какие именно 
требования необходимо соблюдать и в какой степени, если они несопоставимы 
друг с другом. 
В работах А. Х. Мардиханова [50–52], Р. А. Сатдыкова [70], В. Н. Ша-
рифуллина [95] представлена методика, основанная на методе многокритериальной 
оптимизации, учитывающей наличие несопоставимых ограничений. 
В соответствии с методом «уступок», она определяет компромиссный 
водноэнергетический режим работы гидроэнергетических систем при условии 
частичного удовлетворения несопоставимых требований. При этом 
степень удовлетворения зависит от ранжирования требований по важности, 
что является необходимым при использовании метода «уступок». Однако 
эта особенность является недостатком, так как ранжирование требований 
по важности противоречит нормативным документам [4; 26], в которых 
указывается только нормативная обеспеченность основных категорий 
требований. Также стоит отметить, что методика разработана в рамках детерминированной 
постановки задачи, не учитывающей вероятностную 
природу стока. 
В рамках направления по рационализации использования водных ресурсов 
водохранилищ и согласованию стратегий водопользования в работе 
В. И. Данилова-Данильяна [19] представлена модель учета вероятностной 
природы стока, основанная на методологии гарантированного водопользования [
34] и построении функций эффективности использования водных 
ресурсов от вероятности притоков воды. Приток воды в водохранилища 
в такой модели представлен характеристикой распределения вероятностей. 
Применяя функции эффективности использования водных ресурсов, можно 
определять показатели эффективности, не прибегаяк моделям большой 

Введение 
 

7 

размерности. Основной недостаток этой методики – в сложности описания 
зависимостей эффективности, основанных на полном знании о получении 
эффекта от использования водных ресурсов в конкретной отрасли. Поэтому 
ее целесообразней применять для целей проектирования, а не управления 
режимами работы гидроэнергетических систем, так как при управлении 
необходимо исходить из уже определенных требований водопотребителей, 
на практике описанных в правилах использования водных ресурсов водохранилищ. 

На основе анализа работ, посвященных оптимизации режимов работы 
гидроэнергетических систем, в том числе энергосистем с большой долей 
ГЭС и рационализации использования водных ресурсов водохранилищ, 
следует отметить ряд не до конца решенных задач: 
● в работах по оптимизации режимов энергосистем, включающих 
ГЭС, используются только модели с детерминированными исходными 
данными. Для учета вероятностной природы в исследованиях рассматриваются 
различные методы прогнозно-ситуационного планирования, диспетчерского 
управления и сценарных деревьев. Однако такие методы не 
позволяют обоснованно и точно определить режим гидроэнергетических 
систем в целях долгосрочного планирования при условии наличия различных 
требований водопользователей; 
● в работах по рациональному использованию водных ресурсов и согласованию 
стратегий водопользования применяются стохастические        
модели. Однако исследования ограничены рассмотрением функций эффективности 
некоторых процессов и в качестве их показателей выбраны экономические. 
Для показателей эффективности для систем управления режимами 
работы гидроэнергетических систем экономические показатели  
не подходят, так как на практике отсутствует точная связь технологических 
требований и экономической эффективности процессов; 
● стохастические модели, описывающие показатели эффективности, 
целесообразно формировать на основании методологии гарантированного 
водопользования. Однако методология ограничена рассмотрением только 
требований по поддержанию минимальных параметров, в то время как существуют 
и требования по непревышению максимальных параметров 
(максимальный расход воды или максимальные перетоки мощности 
в энергосистеме); 
● критерии оптимальности режимов работы гидроэнергетических систем 
определялись в зависимости от исследуемых авторами задач. В то 
время как для крупных гидроэнергетических систем критерием оптимальности 
целесообразнее считать эффективность всех процессов в составе 
электроэнергетического и водохозяйственного комплексов; 

Введение 
 

8 

● можно отметить, что для эффективного управления гидроэнергетическими 
комплексами актуальной является разработка методики планирования 
долгосрочных водноэнергетических режимов гидроэнергетических 
систем, обеспечивающей максимальный эффект от использования электроэнергии 
в энергетической системе и минимальные риски нарушения 
требований остальных водопользователей. Решению именно этой задачи 
и посвящена настоящая монография. 

1. 1. Режимы работы гидроэнергетических систем 
 

9 

 
 

 
1. ПРОБЛЕМЫ  УПРАВЛЕНИЯ  
РЕЖИМАМИ  РАБОТЫ   
ГИДРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМ   
И  МЕТОДЫ  ИХ  РЕШЕНИЯ 
 
Проблемы управления режимами работы гидроэнергетических систем 
являются комплексными. При их решении необходимо учитывать 
многообразие критериев эффективности. Каскады ГЭС, особенно такие 
крупные, как Ангаро-Енисейский, Волжско-Камский, на реке Янцзы и на 
реке Хуанхэ и т. д., оказывают значительно большее влияние на различные 
сферы жизнедеятельности человека и экологию, чем одиночные ГЭС; это 
связано с использованием огромных водохранилищ, большими расходами 
воды через гидроузлы и значительными мощностями ГЭС. 
Трудности при управлении крупными каскадами ГЭС заключаются 
в необходимости согласования стратегий или требований различных технологических 
систем; особенно значительны они в периоды ледостава 
и паводков. У каждого каскада ГЭС существуют собственные естественные 
особенности управления, например: 
● Волжско-Камский каскад ГЭС, расположен в центральной Европейской 
части России, где проживает большое количество населения, поэтому 
необходимо учитывать многообразие запросов потребителей водных ресурсов 
водохозяйственного комплекса, а также экологические нормы [9; 40; 50]; 
● в Ангаро-Енисейский каскад входят ГЭС с большой установленной 
мощностью при относительно небольшом местном потреблении электроэнергии. 
Поэтому необходимо учитывать особенности выдачи мощности 
и ограничения ее перетоков в энергосистеме [73]; 
● каскад на реке Хуанхэ имеет относительно большое местное потребление 
электроэнергии. ГЭС расположены вблизи крупных населенных 
пунктов, поэтому необходимо учитывать надежность электроснабжения 
местных энергосистем, а также риски затопления [104]. 
 
 
1.1. Режимы работы гидроэнергетических систем 
 
Большинство отечественных ГЭС имеет многоцелевое назначение 
и обеспечивает работу различных отраслей. В соответствии с основными 
нормативными документами [4; 26] водные объекты могут использоваться 
для следующих целей: 

 

1. Проблемы управления режимами работы гидроэнергетических систем и методы их решения 
 

10 

● производство электрической энергии; 
● функционирование водного транспорта; 
● сплав древесины; 
● питьевое и хозяйственно-бытовое водоснабжение; 
● орошение; 
● сброс сточных вод и т. д. 
Учитывая многообразие водопользователей и потребность каждого из 
них в определенной надежности и эффективности водопользования, возникает 
множество проблем в обеспечении всех требований. Можно также 
отметить, что использование водохранилищ ГЭС осуществляется в соответствии 
с правилами использования водохранилищ (ПИВР), в которых 
описаны все требования водопользователей [4]. 
Долгое время в системе экономических отношений с точки зрения 
эффективности использования водных ресурсов в приоритете была эффективность 
режимов работы электроэнергетических систем (ЭЭС). В этом 
направлении были исследованы и разработаны различные модели оптимизации 
режимов энергосистем, включающих гидравлические и тепловые электростанции. 
Этому этапу посвящены работы таких авторов, как Е. В. Цветкова [
92], Т. А. Филиппова [81; 84], В. М. Горнштейн [17; 18], А. Г. Руси-
ной [57; 103], M. Pereira [102], R. Ferrero [109] и др. 
В настоящее время повышение эффективности режимов работы ЭЭС 
уже не является исключительно приоритетным, хотя и имеет существенную 
значимость. В соответствии с регламентирующими документами [4; 26] 
использование водных объектов для целей производства электрической 
энергии должно осуществляться с учетом интересов всех водопользователей. 
Модель управления водными ресурсами должна основываться на 
принципах рационального использования и охраны окружающей среды, 
при этом охрана водных объектов является главной задачей. 
Современная трактовка эффективности использования водных ресурсов 
уравнивает всех водопользователей. Однако наибольший эффект от 
использования излишков водных ресурсов имеет электроэнергетика. Это 
объясняется тем, что большинство водохозяйственных систем построено 
исходя из условия поддержания некоторого гарантированного минимального 
уровня водного режима. Поэтому при превышении параметров режима 
над гарантированными такие водохозяйственные системы не дают дополнительного 
эффекта. 
Традиционно требования водохозяйственных систем при построении 
оптимизационных моделей определяют систему ограничений. Однако на 
практике недостаточно точно соблюдать систему ограничений при определении 
планового режима. Причина этой особенности заключается в вероятностной 
природе притока воды в водохранилища ГЭС. Точно спрогнози-

1. 2. Методы управления режимами гидроэнергетических систем 
 

11 

ровать приток воды можно только на следующий месяц или (в лучшем 
случае) квартал. Поэтому при определении планового режима на длительный 
период (до года) в месяцы, на которые отсутствуют достоверные прогнозы, 
нужно учитывать вероятность наступления «любого» притока воды. 
На основании этого положения предлагаем критерий эффективности –  
риск нарушения заявленных требований для водопользователей, которым 
необходимо поддержание некоторого уровня водного режима. 
С учетом индивидуальных особенностей требования водопользователей 
и водопотребителей, а также связанных с технологическим режимом 
ГЭС процессов можно разделить на группы (табл. 1.1). 
 
Таблица 1.1 

Требования водопользователей и водопотребителей 

Показатель 
Контролируемый параметр
Цель оптимизации 

Производство электрической 
энергии 
Выработка электроэнергии 
ГЭС 
Максимальная 
выработка 
электроэнергии (прибыль от 
продажи электроэнергии) 

Обеспечение навигационных 
попусков 
Попуск воды, отметки  
в контрольных створах 
 
 
 
 
 
 
Минимальная 
вероятность 
нарушения требуемых параметров 


Обеспечение надежности 
энергосистемы 
Баланс электроэнергии  
и мощности, перетоки 
мощности в контролируемых 
сечениях 

Обеспечение попусков для 
водоснабжения, орошения 
и др. 

Попуск (сток) воды, глубины (
отметки) в контрольных 
створах 

Обеспечение надежности 
гидротехнических сооружений 
в нижнем бьефе  

Попуск (сток) воды 

 
Из табл. 1.1 можно выделить показатель производства электрической 
энергии, а также те, которые в функции оптимизации являются вероятностными 
функциями рисков нарушения требований. 
 
 
1.2. Методы управления  
режимами гидроэнергетических систем 
 
В работах Е. В. Цветкова [92], Т. А. Филиппова [81; 84], В. М. Горн-
штейн [17; 18], А. Г. Русиной [57; 103], M. Pereira [102], R. Ferrero [109] 
и др., посвященных исследованию и разработке моделей оптимизации 
электроэнергетических режимов ГЭС и тепловых электростанций, отмечено, 
что при планировании режимов энергосистем на любой момент или период