Разработка моделей и алгоритмов оптимального проектирования режимов электрических сетей ПЭС

Актуальность темы

Проектирование режима высоковольтной электрической сети (ЭС) требует учета множества факторов и очень большого объема вычислений (для расчета одного режима ЭС необходимо решение системы нелинейных уравнений большого размера (-1000)). При этом практически невозможна экспериментальная проверка принимаемых решений, поэтому любое принятое решение является окончательным и должно быть тщательно выверенным.

Современные компьютерные программы расчета режима ЭС позволяют автоматизировать вычислительный процесс с использованием высокоточных математических моделей и выполнять проектирование режима методом модельного эксперимента. Каждая такая программа является фактически имитационной моделью электрических сетей, так как дает возможность интерактивно смоделировать любую ситуацию и получить полную и достоверную информацию о соответствующем режиме без ручных вычислений. Это позволяет за короткое время проанализировать несколько десятков вариантов режима и существенно повышает возможности поиска оптимального режима по сравнению с ручным счетом. Однако при этом за пользователем остается вся интеллектуальная работа по выработке решений, то есть анализ режимов и выбор оптимального режима.

Как показывает практика, при ручном анализе режимов реальной электрической сети трудно достичь высокого качества проектных решений, так как чрезвычайно сложно освоить весь объем информации и принять оптимальное решение. В связи с этим возникает актуальная задача автоматизации не только вычислительного процесса, но также процесса принятия решений, а это означает необходимость создания имитационной модели более высокого уровня, способной выполнять не только расчет, но также анализ режимов, и давать рекомендации по выбору оптимального режима. Для этого необходимо обеспечить автоматизированное выполнение оптимизационных процедур, поэтому наиболее актуальной задачей становится разработка и программная реализация эффективных методов, моделей и алгоритмов оптимизации режима.

Сложность данной задачи на уровне предприятия электрических сетей (ПЭС) определяется не столько теоретическими проблемами, сколько недостатками общей методологии электроэнергетических САПР, в которой данный уровень не выделен и не учтена его специфика. В то же время ПЭС является важным элементом в структуре электроснабжения, который непосредственно контактирует с потребителями и самостоятельно решает проблемы режима подчиненных сетей, поэтому насущной необходимостью является анализ особенностей данного уровня и разработка специализированного программного обеспечения. С другой стороны, быстрое развитие всех видов технического обеспечения и информационных технологий, а также выявленные недостатки существующих программных средств требуют изменения подходов к разработке информационного и программного обеспечения. По этим причинам актуальной задачей является создание нового комплекса средств моделирования электрических сетей (КСМ ЭС), которое предполагает существенное повышение качества проектных решений за счет оптимальной организации процесса проектирования режимов и разработки эффективного информационного и математического обеспечения на основе анализа специфики уровня ПЭС.

Тема диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «САПР и системы автоматизации производства» .

Цель работы и задачи исследования. Целью работы является разработка комплекса средств моделирования электрических сетей, обеспечивающего автоматизированное принятие решений при проектировании режимов электрических сетей уровня ПЭС, с целью сокращения сроков, снижения трудоемкости и повышения качества проектных решений.

В соответствии с поставленной целью основными задачами работы являются: определение структурных и функциональных требований к КСМ ЭС с учетом необходимости автоматизации процесса принятия решений при проектировании режимовопределение целей и средств оптимизации режима электрических сетей ПЭС на основе анализа особенностей уровня ПЭС, структуры и состава оборудования сетейразработка и обоснование математических моделей, методов и алгоритмов оптимизации режима электрических сетей ПЭСформирование информационной модели КСМ ЭС с определением основных параметров и структуры программного обеспеченияреализация КСМ ЭС в форме программного продукта с внедрением в промышленную эксплуатацию.

Методы исследования. При выполнении работы были использованы: теория электрических цепей, теория и методы математического и машинного моделирования, теория множеств, элементы теории графов, методы дискретной оптимизации, математическое программирование, методы вычислений, технология разреженных матриц.

Научная новизна. Получены следующие научные результаты: схема оптимизации режима электрических сетей на основе метода декомпозиции и целенаправленного перебора значений управляемых параметров с помощью локальной оптимизации, позволяющая получить качественное проектное решение за практически приемлемое времякомплекс локальных оптимизационных задач, выделенных на основе анализа особенностей ЭС уровня ПЭС, имеющих самостоятельное практическое значение, отличающихся относительной простотой при моделировании и алгоритмизации, и обеспечивающих в совокупности возможность решения единой задачи многокритериальной структурно-параметрической оптимизации режима электрических сетей ПЭСкомплекс математических моделей, алгоритмов и процедур оптимизации, разработанных на основе методов дискретной оптимизации, обеспечивающих решение локальных задач и отличающихся простотой, надежностью и экономичностьюпринципы построения и схема объединяющего алгоритма, разработанного на основе анализа наиболее существенных связей между локальными задачами и обеспечивающего согласованность процедур оптимизации при комплексном решении двух или более локальных задач в одном сеансе оптимизацииструктура информационной модели и основные элементы информационного обеспечения комплекса средств моделирования электрических сетей, обеспечивающие полноту и унификацию описания технических и режимных параметров в различных подсистемах комплекса и возможность оптимальной организации процесса проектирования режимов.

Практическая ценность. Результаты диссертационной работы положены в основу создания комплекса средств моделирования электрических сетей в виде программы РОПРЭС (расчет, оптимизация и проектирование режимов электрических сетей) на базе персональных компьютеров IBM PC или совместимых с ними. В программе РОПРЭС реализованы средства адаптации в программно-технический комплекс автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ), что позволяет использовать для расчетов оперативные данные и ретроспективу телеизмеренийэто дает возможность использовать программу РОПРЭС как для различных видов проектирования режимов электрической сети, так и для оперативных расчетов в реальном времени с целью получения информации, необходимой для решения оперативных задач управления режимом.

Созданные программные средства переданы на ряд предприятий электрических сетей, входящих в объединения Воронежэнерго, Липецк-энерго, Орелэнерго. Программа РОПРЭС в полном объеме (с интеграцией в состав комплекса АСДУ-АРМ Диспетчера) внедрена на предприятии Северные электрические сети объединения Воронежэнерго и находится в промышленной эксплуатации с 1994 г. (с последующим развитием, последняя версия 1999 г.). Внедрение программы позволило снизить затраты труда диспетчерской службы при проектировании режимов в среднем в 4 раза по сравнению с использованием других программных средств и в 20-ь40 раз по сравнению с ручным проектированием. Программное обеспечение внедрено в учебный процесс кафедры «Электрификации сельского хозяйства» Воронежского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах: Российское совещание-семинар «Оптимальное проектирование технических устройств и автоматизированных систем» (1992, г. Воронеж) — Всероссийское совещание-семинар «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине» (26−29 июня 1996, г. Воронеж) — Всероссийское совещание-семинар «Математическое обеспечение информационных технологий в технике, образовании и медицине» (28−31 мая 1997, г. Воронеж).

Диссертация в целом обсуждалась на семинаре кафедры САПРИС Воронежского государственного технического университета.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений и списка литературы, состоящего из 71 наименования. Основной текст изложен на 121 страницах. Работа содержит 10 приложений на 47 страницах, 17 рисунков, 17 таблиц.

Основные выводы четвертой главы.

1. Выделение уровней абстрактности математических моделей приводит к необходимости разработки многоуровневой схемы структуризации информационного и программного обеспечения и позволяет определить требования к структуре и составу средств, необходимых для автоматизации принятия решений при проектировании режимов ЭС.

2. Основные требования к качеству и возможностям программного обеспечения должны определяться общими требованиями к автоматизированным информационным системам диспетчерского управления в электроэнергетических системах.

3. Использование современных математических методов, в первую очередь методов теории графов, методов вычислений и технологии разреженных матриц, а также принципов структурного и объектно-ориентированного программирования, позволяет создать эффективное и надежное программное обеспечение по проектированию режимов ЭС.

4. Применение программного обеспечения, реализующего активную имитационную модель ЭС, в условиях промышленной эксплуатации позволяет существенно повысить качество проектных решений и многократно повысить оперативность принятия решений при проектировании режимов электрической сети.

Заключение

.

Основным результатом работы является всестороннее исследование проблемы автоматизации принятия решений при проектировании режимов электрических сетей уровня ПЭС. В совокупности разработанные теоретические положения и практические методы позволили решить актуальную научно-техническую проблему в области автоматизации систем проектирования — существенное повышение эффективности и уровня автоматизации средств моделирования и проектирования режимов электрических сетей ПЭС. Для этого решены следующие задачи:

1. Определены требования к средствам моделирования и автоматизированного проектирования режимов электрических сетей ПЭС и разработана схема реализации данных средств в виде активной имитационной модели, способной выполнять оптимизацию режима путем перенастройки управляемых параметров и структуры.

2. Определены цели, средства и локальные задачи оптимизации режима электрических сетей ПЭС путем редукции общих проблем электроэнергетики на основе анализа особенностей уровня ПЭС, главным образом структуры и состава оборудования сетей. Все задачи поставлены заново или переформулированы для более точного соответствия целям и средствам оптимизации.

3. Разработана схема оптимизации режима электрических сетей ПЭС путем целенаправленного перебора значений управляемых параметров на основе согласованного решения локальных оптимизационных задач, позволяющая получить качественное решение за практически приемлемое время.

4. Разработаны математические модели и алгоритмы решения локальных задач на основе методов дискретной оптимизации, а также объединяющий алгоритм, определивший порядок решения локальных задач. Обоснован выбор математических моделей, методов и алгоритмов расчета режима электрических сетей ПЭС.

5. Определены основные параметры программного обеспечения и разработана многоуровневая схема структуризации ПО. Разработана и реализована информационная модель, определившая структуру информационного обеспечения и основных данных на всех уровнях системы, а также информационные потоки между уровнями.

6. Выполнена разработка и внедрение в промышленную эксплуатацию программного обеспечения, включающего три основных блока (уровня): математический блок как комплекс программных средств для решения больших разреженных систем линейных и нелинейных уравнений, расчетно-оптимизационный блок как комплекс программных средств моделирования электрических сетей, расчета и оптимизации установившегося режима, и пользовательская интегрированная среда как комплекс сервисных средств управления данными и человеко-машинного диалога, имитирующего проектирование режимов электрических сетей на базе расчетно-оптимизационного блока.

Можно выделить ряд направлений дальнейшего развития средств моделирования электрических сетей и автоматизации проектирования режимов с учетом роста производительности вычислительной техники, развития информационных технологий и технического обеспечения АСДУ, роста потребностей диспетчерских служб ПЭС в автоматизации информационного обеспечения, а также возможностей совершенствования методов моделирования:

1. Развитие комплекса моделей, методов и алгоритмов оптимизации режима путем совершенствования разработанных методов и алгоритмов, учета дополнительных требований (например, ограничений нагрузки ЛЭП), а также расширения списка видов оборудования, подлежащих учету при автоматической оптимизации (например, средств компенсации реактивной мощности). Особый интерес представляет учет автотрансформаторов как трехобмоточных трансформаторов.

2. Учет динамики изменения нагрузок потребителей, то есть переход от оптимизации установившегося режима к оптимизации режима, динамически изменяющегося в течение некоторого временного промежутка, например, суточного режима.

3. Подключение к расчету и оптимизации сетей 6−10 кВ вместе с потребительскими трансформаторами 6−10/0.4 кВ для более точной оптимизации режима напряжений. Это приведет к увеличению размеров решаемых задач на один-два порядка, что, однако, с учетом возможностей современной вычислительной техники, не является принципиальной проблемой.

4. Развитие информационной модели и программного обеспечения. В частности, необходим интерфейс, соответствующий современным требованиям, с графическим представлением и «оживлением» схемы электрических сетей.