Моделі і методи оперативного керування режимами регіональних електроенергетичних систем при випадковому характері навантаження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 519.81: 621.311

МОДЕЛІ І МЕТОДИ ОПЕРАТИВНОГО КЕРУВАННЯ РЕЖИМАМИ РЕГІОНАЛЬНИХ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ СИСТЕМ ПРИ ВИПАДКОВОМУ ХАРАКТЕРІ НАВАНТАЖЕННЯ

Спеціальність 01.05.04 - системний аналіз і теорія оптимальних рішень

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Тімофєєва Тетяна Борисівна

Харків 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки, Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник доктор технічних наук, професор, Тевяшев Андрій Дмитрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, завідувач кафедри прикладної математики

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Сіроджа Ігор Борисович, Національній аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідувач кафедри програмного забезпечення;

доктор технічних наук, професор Михайленко Віктор Мефодійович, Український науково-дослідний центр системних досліджень стабілізації і розвитку економіки при Європейському університету, директор

Провідна установа

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, кафедра математичних методів системного аналізу, Міністерство освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться “_23__” листопада 2001 р. о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.052.01 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14, тел: (0572) 40-94-51.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, пр. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “22” _жовтня_ 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради B.І. Саєнко

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Ситуація, що склалась останнім часом в електроенергетиці України, потребує практичної реалізації нових інформаційних, ресурсозберігаючих і екологічно безпечних технологій у системах електроенергетиці, застосування яких дозволить знизити втрати, підвищити надійність і ефективність функціонування електроенергетичних систем (ЕЕС).

Розвиток обчислювальної техніки й оснащення нею диспетчерських служб регіональних ЕЕС відкривають нові можливості підвищення ефективності керування режимами функціонування ЕЕС. Тому особливо актуальною є задача системного аналізу сучасного стану регіональних ЕЕС і створення на його основі більш ефективних методів керування і відповідних їм інформаційних систем, що забезпечують розв'язання задачі оперативного керування режимами регіональних ЕЕС.

Вагомий внесок в теорію і практику моделювання та оптимізації подібних систем внесли видатні вчені - А.З. Гамм, В.А. Веніков, А.Д. Тевяшев, А.Г. Євдокімов та інші. Але в цьому напрямку існує багато невирішених проблем, серед яких, в першу чергу, слід зазначити задачі розроблення математичних моделей та методів оперативного керування режимами регіональних ЕЕС, що враховують випадковий характер використання електроенергії споживачами.

Сьогодні у регіональних ЕЕС виявляється стійка тенденція до зростання непродуктивних втрат електроенергії пов'язаних з передаванням потужності через випадковий характер навантаження у вузлах ЕЕС. В існуючих підходах до проблеми аналізу й оптимізації усталених режимів ЕЕС використовуються детерміновані математичні моделі. При цьому випадковий характер зміни навантаження практично не враховується, що знижує ефективність керування і, отже, ефективність функціонування ЕЕС.

Тому для підвищення ефективності керування необхідно розробити моделі і методи оперативного керування режимами функціонування регіональних ЕЕС, що враховують випадковий характер використання електроенергії споживачами, застосування яких дозволить підвищити якість і надійність електропостачання споживачів при зниженні витрат на передавання і розподіл електроенергії і, отже, збільшити ефективність функціонування регіональних ЕЕС.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконана в рамках д/б тем “Розробка теорії, методів та алгоритмів для створення інтелектуальних інформаційно-аналітичних систем керування в енергетиці” (№ДР 110-0100U001718) і “Розробка та дослідження нових інформаційних енергозберігаючих і екологічно безпечних технологій в системах енергетиці” (№ДР 496-0197U014153), на яких аспірант Тімофєєва Т.Б. працювала як виконавець.

Мета і задачі досліджень. Метою дисертаційної роботи є розробка математичних моделей і методів оперативного керування режимами регіональних ЕЕС при випадковому характері навантаження, застосування яких дозволить зменшити фактичні втрати потужності в ЕЕС і, отже, збільшити ефективність функціонування регіональних ЕЕС. Для досягнення поставленої мети на основі системного аналізу сучасного стану проблеми в дисертаційній роботі необхідно вирішити такі задачі:

розробка математичної моделі системи оперативного керування режимами регіональної ЕЕС при випадковому характері навантаження;

розробка математичної моделі усталеного потокорозподілу регіональної ЕЕС, що функціонує в стохастичному середовищі;

розробка стохастичної моделі навколишнього середовища, у якій функціонує регіональна ЕЕС;

розробка методу вирішення задачі оперативного керування режимами функціонування регіональних ЕЕС при випадковому характері навантаження;

розробка методу вирішення задачі оперативного планування режимів роботи регіональної ЕЕС;

реалізація розробленої технології вирішення задачі оперативного планування режиму роботи ЕЕС у вигляді прикладної інструментальної системи керування режимами функціонування ЕЕС для апробації теоретичних та алгоритмічних розробок дисертації, а також розв'язання практичних задач і впровадження у виробництво;

дослідження ефективності розробленого методу вирішення задачі оперативного планування режиму роботи регіональної ЕЕС.

Об'єкт дослідження - регіональні електроенергетичні системи (ЕЕС).

Предмет дослідження - моделі і методи дослідження та керування режимами функціонування регіональних ЕЕС.

Методи дослідження. У роботі використовувались методи системного аналізу (при аналізі сучасного стану об'єкта і проблеми дослідження), методи математичного програмування (при розробці методу вирішення задачі планування режиму ЕЕС), методи теорії моделювання і формальних мов (при побудові й удосконаленні моделей). Для оцінки якісних показників розроблених методів застосовувалися методи імітаційного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів. В результаті розв'язання поставлених задач у дисертаційній роботі автором отримані такі нові наукові результати: електроенергетична система планування оперативний

1. Удосконалено математичну модель усталеного потокорозподілу регіональної ЕЕС, що враховує випадковий характер навантаження в ЕЕС і роботу локальних систем автоматичного регулювання ЕЕС. Використання даної моделі дозволяє найбільш адекватно описувати поводження ЕЕС і вирішувати на її основі широкий клас задач оперативного керування режимами ЕЕС.

2. Запропоновано нову математичну модель системи оперативного керування режимами регіональних ЕЕС у вигляді задачі дискретно - безперервного нелінійного стохастичного програмування М-типу з порядковими імовірнісними обмеженнями, що відрізняється від відомих спроможністю врахування випадкового характеру споживання електроенергії в ЕЕС. Використання даної моделі дозволяє забезпечити надійне постачання всіх споживачів електроенергією необхідної якості при мінімально можливих утратах потужності усередині ЕЕС.

3. Запропоновано новий ефективний метод вирішення сформульованої задачі оперативного керування режимами функціонування регіональними ЕЕС, що враховує специфічні властивості ЕЕС як об'єкта керування і відрізняється від відомих тем, що розглянута задача зводиться до двохетапної задачі нелінійного стохастичного програмування, рішення якої представляється у вигляді суми детермінованого і випадкового векторів керування. Застосування такого підходу дозволяє забезпечити найбільш адекватну реакцію ЕЕС на внутрішні і зовнішні збурювання.

4. Запропоновано новий метод вирішення задачі оперативного планування режимів роботи регіональної ЕЕС, що враховує дискретний характер керуючих впливів, особливості і властивості цільової функції й обмежень поставленої задачі й забезпечує досягнення локального мінімуму, що знаходиться в - околі точки глобального оптимуму при твердих обмеженнях на час вирішення задачі. Це дозволяє скоротити час формування вектора керування і збільшити ефективність оперативно-диспетчерського керування регіональними ЕЕС.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблені в роботі моделі і методи доведені до інженерних методик і алгоритмів, що можуть використовуватися при розробці різних систем аналізу і керування режимами регіональних ЕЕС.

На базі розроблених автором моделей і методів створена інформаційно-аналітична система керування режимами функціонування регіональних ЕЕС, застосування якої дозволяє значно скоротити час прийняття керуючих рішень, підвищити точність розрахунків і знизити втрати потужності в ЕЕС.

Результати дисертаційної роботи у вигляді прикладної інструментальної системи впроваджені у відділ проектування енергосистем державного науково-дослідного інституту “Укренергомережпроект”, а також в оперативно-диспетчерську службу Нижнєвартовського підприємства електричних мереж, що засвідчено відповідними актами впровадження результатів дисертаційної роботи №5 від 14 травня 2001 р. та №19 від 31 травня 2001 р.

Особистий внесок здобувача. У роботі [1] здобувачем побудована математична модель усталеного потокорозподілу регіональної ЕЕС. У роботі [2] запропонований ефективний метод вирішення задачі оперативного керування режимами ЕЕС. У роботі [3] здобувачем сформульована формальна і змістовна постановка задачі оперативного керування потокорозподілом у ЕЕС. Розглянуто основні етапи її вирішення. У роботі [4] здобувачем запропонований алгоритм оптимального стохастичного керування багатопродуктовими запасами. У роботі [5] розроблена постановка задачі оперативного планування режиму роботи ЕЕС, що враховує специфічні властивості розглянутої задачі. У роботі [6] здобувачем обґрунтований стохастичний підхід до вирішення задачі оперативного керування режимами ЕЕС. У роботі [9] запропоновано при вирішенні задачі оперативного керування режимами ЕЕС як критерій оптимізації розглядати функціонал вартості електричної енергії, що відпускається споживачам. У роботі [10] здобувачем проведене вирішення задачі оперативного планування режимів ЕЕС за допомогою диференціального алгоритму.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися на:

- 2, 4 та 5 Міжнародних науково-технічних форумах “Радіоелектроніка і молодь у XXI сторіччі” (Харків, 1998р., 2000 р., 2001 р.);

- Загальноросійських наукових семінарах з міжнародною участю “Методичні питання дослідження надійності великих систем енергетиці” (Іркутськ, 1998 р., Вишній Волочок, Москва - 2000 р.);

- 6-й Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні й енергозберігаючі технології життєзабезпечення людей” (Харків, 1999 р.);

- 6-й Міжнародній конференції "Теорія і техніка передачі, прийому та обробки інформації" (Туапсе, 2000 р.);

- Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми енергозбереження та енергозабезпечення в АПК України” (Харків, 2000 р.);

- I-му Міжнародному науковому конгресі “Державне управління та місцеве самоврядування” (Харків, 2001 р.);

- Додаткову апробацію дисертаційна робота пройшла на об'єднаному засіданні наукових семінарів “Енергозбереження в сільському господарстві” і “Автоматизація і комп'ютерні технології”, що відбулося у Харківському державному технічному університеті сільського господарства (Витяг з протоколу №2 об'єднаного засідання наукових семінарів від 25 травня 2001 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертаційної роботи досить повно викладені у 10 друкованих працях, у тому числі у 2 монографіях, 5 статтях і 3 тезах доповідей, з них 5 в наукових фахових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, шістьох розділів, висновків і трьох додатків. Загальний обсяг роботи становить 194 сторінки, у тому числі 3 додатки на 35 сторінках, 19 рисунків, 29 таблиць, список літературних джерел із 100 найменувань на 9 сторінках.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, сформульовані основна мета і завдання досліджень, наведені відомості про зв'язки обраного напрямку досліджень із планами організації, де виконана робота. Дано стислу анотацію отриманих у дисертації рішень, відзначена їх практична цінність, наведені дані про використання результатів проведених досліджень у народному господарстві.

У першому розділі дисертаційної роботи проведено системний аналіз сучасного стану регіональних ЕЕС як об'єкта дослідження, проблеми мінімізації втрат потужності при оперативно-диспетчерському керуванні регіональними ЕЕС і аналіз моделей дослідження. Проведений аналіз показав, що проблема підвищення ефективності оперативно-диспетчерського керування режимами регіональних ЕЕС у сучасних економічних умовах є дуже актуальної. Показано, що однієї з основних задач, що існують у комплексі оперативного керування нормальними режимами регіональних ЕЕС є задача вибору такої стратегії оперативно-диспетчерського керування, застосування якої дозволить зменшити фактичні втрати потужності в ЕЕС і забезпечити надійне постачання споживачів електроенергією заданої якості. Результати проведеного аналізу показують, що для підвищення ефективності оперативного керування регіональними ЕЕС необхідно враховувати стохастичний характер споживання електроенергії споживачами.

Огляд існуючих підходів до проблеми оперативного керування режимами ЕЕС показав, що при розв'язанні даної проблеми найбільш доцільно як модель усталеного потокорозподілу використовувати підхід, заснований на складанні нелінійних рівнянь вузлових напруг, які варто вирішувати методами Ньютона, а для складання моделі навколишнього середовища доцільно використовувати методи, засновані на застосуванні моделей авторегресії.

На основі проведеного аналізу сучасного стану проблеми, відповідно до побудованої моделі цілей дисертаційної роботи, були поставлені вищеназвані задачі дослідження.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений побудові математичної моделі усталеного потокорозподілу регіональної ЕЕС, що функціонує в стохастичному середовищі. Запропоновано структуру ЕЕС інтерпретувати за допомогою графа, кожній дузі якого ставиться у відповідність визначений набір елементів ЕЕС. Визначено принципи побудови дуг і галузей графа. Проведено побудову математичних моделей елементів ЕЕС, а саме, ліній електропередачі, двохобмоткових і трьохобмоткових трансформаторів, генераторів, синхронних компенсаторів, батарей статичних конденсаторів, шунтуючих реакторів і масляних вимикачів.

Показано, що математична модель усталеного потокорозподілу в регіональної ЕЕС у момент часу t являє собою систему нелінійних рівнянь балансів активної і реактивної потужностей у вузлах ЕЕС (1-2), що цілком визначає стан ЕЕС у момент часу t.

(1)

,(2)

де РГ,i, QГ,i - активна і реактивна потужності, що генеруються у вузлі i;

РH,i, QH,i - активна і реактивна потужності, що споживаються у вузлі i;

РШ,i, QШ,i - утрати потужності в шунтах; f - частота в ЕЕC;

Pi,j, Qi,j - активна і реактивна потужності вихідні з вузла i у вузол j.

У рівняннях (1-2) врахований стохастичний характер споживання електроенергії у вузлах ЕЕС, а виконання рівнянь балансів з імовірністю 1 визначається роботою локальних систем автоматичного регулювання режиму ЕЕС. У результаті вирішення системи (1-2) одержуємо інформацію про значення модулів і фаз напруг у кожнім вузлі ЕЕС у момент часу t.

Проведено вирішення системи рівнянь математичної моделі усталеного потокорозподілу методом Ньютона. Для забезпечення одержання достовірної оперативної вихідної інформації про параметри ЕЕС необхідно вирішувати задачу оцінювання стану в ЕЕС. Розглянуто статичний і динамічний підходи до вирішення задачі оцінювання стану ЕЕС. Показано, що при оперативному керуванні потокорозподілом у ЕЕС доцільно використовувати динамічне оцінювання стану.

Розглянуто алгоритми розрахунку втрат активної і реактивної потужності в ЕЕС при прийнятій інтерпретації структури ЕЕС у вигляді графа. Показано, що сумарні втрати активної і реактивної потужності в ЕЕС у момент часу t мають вигляд:

(3)

(4)

де Ua,Ur - дійсна і уявна складові напруги.

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений розробленню та дослідженню математичної моделі навколишнього середовища у який функціонує ЕЕС. Розглянуто вплив метеорологічних, хронологічних і організаційних факторів на процеси споживання електроенергії в ЕЕС.

Урахування впливу метеорологічних і організаційних факторів забезпечується моделями лінійних дискретних передатних функцій.

Урахування хронологічних факторів здійснюється у вигляді загальної мультиплікативної моделі авторегресії - проінтегрованого ковзного середнього виду:

,

де , - множина періодичних компонентів процесу;

- період -ого періодичного компонента, причому ;

- поліноми ступенів , що визначають авторегресійну складову періодичної компоненти;

- поліноми ступенів , що відповідають складовій ковзного середнього періодичної компоненти.

Отримана модель дозволяє одержувати адекватні моделі стохастичних процесів споживання електроенергії в ЕЕС. Сформульовано, вирішено і досліджено задачі ідентифікації структури і параметрів моделі, перевірки адекватності моделі, обчислення і корекції прогнозів.

Проведено експериментальне дослідження і прогнозування процесів споживання електроенергії споживачами ділянки реальної ЕЕС. На цій ділянці знаходиться 18 навантажувальних вузлів. Для статистичних даних, про споживану в цих вузлах активну і реактивну потужність, приведених у додатку Б, застосовані алгоритми ідентифікації структури і параметрів моделі процесу споживання електроенергії, перевірки її адекватності й обчислення прогнозу. Для всіх навантажувальних вузлів і типів моделей мінімальні і максимальні помилки прогнозу з попередженням в одні діб відповідно рівні 2,04, 6,29, тобто точність обчислення прогнозів добових витрат електроенергії достатня для вирішення на їхній основі комплексу задач оперативно-диспетчерського керування режимами роботи ЕЕС.

У четвертому розділі проведено побудову математичної моделі системи оперативного керування режимами регіональних ЕЕС при випадковомухарактері навантаження і розроблений метод її вирішення.

Показано, що цільова функція задачі оперативного керування режимами ЕЕС на інтервалі має вигляд:

, (5)

де - критерій оптимальності;

Х(t) - вектор керування ЕЕС;

Y(t) - вектор детермінованих параметрів режиму;

- вектор випадкових параметрів режиму.

Як критерій оптимальності можна розглядати:

сумарні втрати активної і реактивної потужності в ЕЕС:

,(6)

функціонал вартості втрат активної потужності, що відпускається споживачам:

,(7)

де - сумарні втрати активної і реактивної потужності в ЕЕС у момент t обчислюються по формулах (3)-(4);

- коефіцієнт витрат, що обчислюється відповідно до діючого тарифу на споживання електроенергії і коефіцієнта добової нерівномірності.

Вектор керування ЕЕС у момент часу t має вигляд:

, (8)

де - вектор булівих перемінних, що характеризує положення перемикачів комутаційної апаратури ЕЕС;

- вектор значень коефіцієнтів трансформації;

- вектор потужностей синхронних компенсаторів;

- вектор кількості включених блоків статичних конденсаторів.

У ролі обмеження у даній задачі виступають рівняння балансу активної і реактивної потужності у вузлах ЕЕС (1-2), обмеження на регульовані параметри режиму та режимні обмеження.

Обмеження на регульовані параметри режиму:

1. На коефіцієнти трансформації трансформаторів

,. (9)

2. На потужність синхронних компенсаторів

. (10)

3. На число включених у мережу блоків статичних конденсаторів

, . (11)

Для дотримання умов надійності електропостачання і якості електроенергії розглядаються наступні режимні обмеження:

, (12)

де - граничні значення модулів вузлових напруг.

, (13)

де - допустимі значення струмів по елементах.

Складний характер впливу різних груп факторів на процеси споживання електроенергії привів до того, що ці процеси можна описати як стохастичні, що містять детерміновані і випадкові складові. Це привело до необхідності вибору такої структури оптимального керування, що також містить дві складові: детерміновану і стохастичну. Детермінований вектор керування визначається в момент часу , у результаті вирішення задачі оперативного планування режиму ЕЕС. Випадковий вектор керування визначається для кожного моменту часу спостереження реалізацій стохастичних процесів споживання електроенергії, у результаті вирішення задачі стабілізації режиму ЕЕС.

Дискретний аналог задачі (5), (1-2), (8-13) має вигляд:

, (14)

де область визначається рівняннями (1 -2), (9-13).

Умови фізичної реалізованості процедури керування привели до необхідності прийняття рішень у момент часу , тобто до спостереження реалізації випадкового вектора . Після спостереження реалізації в моменти часу з'являється можливість провести корекцію первісного рішення . Запропоновано шукати оптимальне рішення у вигляді двох векторів , де - детермінований вектор, що обчислюється в нульовий момент часу, - випадковий вектор, що обчислюється в кожен момент часу .

У дисертаційній роботі показано, що розглянуту задачу можна представити у вигляді двохетапної задачі стохастичного програмування:

,(15)

де - область, котра зумовлена рівняннями (1), (2), (9-13);

- умовне математичне сподівання, що обчислюється в момент часу з випередженням k,

- дисперсія величини навантаження у вузлі i у момент часу k;

- коефіцієнт кореляції між величинами навантажень у i-тому та j -тому вузлах у момент часу k.

Перший доданок визначає цільову функцію задачі планування режиму ЕЕС (задача першого етапу), а друга складова частина - цільову функцію задачі стабілізації режиму ЕЕС (задача другого етапу).

П'ятий розділ присвячений розробленню методу вирішення задачі оперативного планування режимів роботи регіональної ЕЕС при випадковому характері навантаження, що забезпечує одержання детермінованої складової вектора керування ЕЕС.

Показано, що задача оперативного планування режиму роботи ЕЕС є задачею дискретно-безперервного нелінійного математичного програмування з нелінійною мінімізуємою функцією, нелінійними обмеженнями у вигляді рівностей і обмеженнями у вигляді нерівностей.

Урахування дискретного характеру зміни частини компонент вектора керування веде до того, що розглянута задача є задачею дискретно-безперервного програмування. Показано, що застосування методів дискретного математичного програмування, що дозволяють знайти глобальний мінімум даної задачі вимагає великих витрат у часі, що неприйнятно при роботі в комплексі оперативного керування режимами ЕЕС. Запропоновано алгоритм, що дозволяє звести вирішення задачі дискретно-безперервного математичного програмування до вирішення задачі безперервного математичного програмування, що забезпечує попадання рішення в - околу точки глобального оптимуму при твердих обмеженнях на час вирішення задачі (рис. 1).

Проведено аналіз можливих методів вирішення задачі планування режиму ЕЕС і показано, що найбільш доцільно для її розв'язання використовувати диференціальний алгоритм. Аналіз вигляду і властивостей цільової функції й обмежень задачі планування режиму в ЕЕС дозволив модифікувати диференціальний алгоритм з урахуванням особливостей розглянутої задачі. Розглянута модифікація диференціального алгоритму більш ефективна і менш енергоємна, ніж традиційний метод.

Проведено вирішення задачі планування режиму ЕЕС відповідно до такого алгоритму:

1. задаємо початкове наближення і точність обчислень , де - вектор обмежень на регульовані параметри режиму (9-11);

2. перевіряємо виконання необхідних умов точки мінімуму (аналіз умовних частинних похідних):

якщо по всіх компонентам вектора ці умови виконуються, то переходимо до кроку 5;

інакше , формуємо множину (), що складається з індексів тих перемінних, для яких відбувається порушення необхідних умов, і переходимо до наступного етапу;

3. проводимо аналіз частинних похідних цільової функції, з метою з'ясування характеру порушень необхідних умов по , для усіх, виходячи з виду порушень, обчислюємо :

якщо , , то

якщо , , то

4. для усіх обчислюємо ; переходимо до кроку 2;

5. перевіряємо виконання достатніх умов:

якщо ці умови виконуються, то - рішення задачі, .

У шостому розділі проведено дослідження ефективності розробленого методу планування режиму роботи ЕЕС. Розроблено критерії, за якими можна оцінити економічну ефективність планованого режиму.

Ефективність пропонованого методу планування режиму роботи ЕЕС перевірялася методом імітаційного моделювання на базі експериментальних даних регіональної ЕЕС. Об'єктом імітаційного моделювання є ділянка реальної ЕЕС Нижневартовського підприємства електричних мереж (рис. 2).

Для аналізу ефективності розробленого методу оптимізації режиму роботи ЕЕС у момент часу t проведений обчислювальний експеримент № 1. Оптимізація проводилася за критеріями мінімізації втрат активної і реактивної потужності в ЕЕС (критерій ) і мінімізації вартості втрат активної потужності, що відпускається споживачам (критерій ). Аналізуючи результати обчислювального експерименту № 1, можна зробити висновок, що для фіксованого моменту часу t застосування розробленого методу оптимізації дозволяє значно підвищити якість функціонування ЕЕС. А саме, втрати активної і реактивної потужності в ЕЕС зменшуються на 6,3 %, а втрати вартості активної потужності, що відпускається, зменшуються на 10,2 % порівняно з базовим режимом.

Для аналізу ефективності розробленого методу планування режиму роботи ЕЕС на інтервалі планування [0,T] зроблений обчислювальний експеримент № 2. Як інтервал планування обраний період, рівний 1 добі. Інтервал керування дорівнює 1 години. Як вектор керування приймаються всі трансформаторні галузі імітаційної моделі. Проведено розв'язання задачі планування режиму ЕЕС. Інтегральний показник ефективності при оптимізації за критерієм дорівнює 5,70 %, при оптимізації за критерієм - 8,85%.

При реалізації методу планування режиму ЕЕС значення навантажень у вузлах ЕЕС на інтервалі планування приймалися постійними (рівними середньостатистичним значенням величин навантажень за добу). Однак, фактично величини навантажень в ЕЕС протягом доби не однакові. Заміна такого неоднорідного поводження навантаження на усереднене значення приводить до погрішності рішення. Для аналізу впливу такої заміни на ефективність роботи методу проведений обчислювальний експеримент № 3.

У процесі проведення експерименту використовувалися експериментальні дані фактичних значень навантажень вузлів ЕЕС, обумовлені щогодини протягом інтервалу планування. У процесі проведення експерименту для кожної години доби проводилося планування режиму при інтервалі прогнозування навантаження - 1 доба (розрахункове навантаження постійне на всьому інтервалі планування, видача керуючих впливів на інтервалі планування здійснюється 1 раз) і планування режиму при інтервалі прогнозування навантаження рівному 1 години (розрахункове навантаження змінюється кожну годину і видача керуючих впливів здійснюється на кожнім інтервалі керування). Інтегральний показник ефективності роботи методу планування режиму при першій стратегії керування дорівнює 6,85 %, а при другій стратегії - 5,70 %. Таким чином, показано, що кращий ефект від застосування розробленого методу досягається при видачі керуючих впливів щогодини, однак ця задача сьогодні технологічно не може бути реалізована, тому запропонована стратегія видачі керуючих впливів один раз на весь інтервал планування є найбільш доцільною.

У додатку А розглянута побудована на основі вищеназваних моделей і методів інформаційно-аналітична система керування режимами функціонування регіональних ЕЕС. Розглянуто призначення, структуру і функції даної системи. Розроблена система може бути використана як у ролі прикладної інструментальної системи - порадника диспетчера для роботи в комплексі оперативно - диспетчерського керування нормальними режимами роботи ЕЕС, так і при плануванні режимів роботи ЕЕС при виводі в ремонт ліній електропередач і електроустаткування розподільних підстанцій.

Висновки

На базі проведеного системного аналізу сучасного стану регіональних ЕЕС як об'єкта дослідження і проблеми мінімізації втрат потужності при оперативно-диспетчерському керуванні регіональними ЕЕС у дисертаційній роботі наведене теоретичне узагальнення і нове вирішення наукової задачі, що виявляється в розробці математичних моделей та методів оптимального оперативного керування режимами регіональних ЕЕС при випадковому характері навантаження, застосування яких дозволить зменшити фактичні втрати потужності в ЕЕС і, отже, збільшити ефективність функціонування регіональних ЕЕС. Проведені дослідження дозволяють зробити такі висновки:

1. Обґрунтована необхідність розробки таких моделей і методів оперативного керування режимами регіональних ЕЕС, що враховують стохастичний характер споживання електроенергії в ЕЕС. Показано, що облік випадкового характеру навантаження в ЕЕС в умовах розвитку обчислювальної техніки й оснащення нею диспетчерських служб ЕЕС дозволить підвищити ефективність оперативно-диспетчерського керування і знизити втрати потужності в регіональних ЕЕС. Це дозволило визначити напрямок досліджень, сформулювати мету і задачі дисертаційної роботи.

2. Удосконалено математичну модель усталеного потокорозподілу регіональної ЕЕС (1-2). Урахування у даній моделі стохастичного характеру споживання електроенергії і роботи локальних систем автоматичного регулювання ЕЕС дозволяє найбільш адекватно описувати поводження регіональної ЕЕС і ефективно використовувати її при створенні математичної моделі системи оперативного керування режимами ЕЕС.

3. Розроблена стохастична модель навколишнього середовища, у якій функціонує регіональна ЕЕС. Сформульовано і розв'язано задачі ідентифікації структури і параметрів моделі, перевірки адекватності моделі, обчислення прогнозів процесів енергоспоживання та їхніх корекцій. Проведено експериментальне дослідження і прогнозування процесів споживання електроенергії споживачами ділянки реальної ЕЕС.

4. Запропоновано нову математичну модель системи оперативного керування режимами регіональних ЕЕС (5-13). Урахування у даній моделі стохастичного характеру навантаження дозволяє найбільш адекватно описувати процеси, що відбуваються в ЕЕС. Дана модель представлена у вигляді задачі дискретно-безперервного нелінійного стохастичного програмування М-типу з порядковими імовірнісними обмеженнями. Використання даної моделі дозволяє забезпечити надійне постачання всіх споживачів електроенергією необхідної якості при мінімально можливих утратах потужності усередині ЕЕС.

5. Запропоновано ефективний метод вирішення задачі оперативного керування режимами функціонування регіональних ЕЕС. Дана задача зведена до двохетапної задачі нелінійного стохастичного програмування, рішення якої представляється у вигляді суми детермінованого і випадкового векторів керування. Детермінований вектор керування визначається в початковий момент часу в результаті вирішення задачі оперативного планування режиму ЕЕС, випадковий вектор керування визначається для кожного моменту часу спостереження реалізацій стохастичних процесів споживання електроенергії в результаті вирішення задачі стабілізації режиму ЕЕС. Визначено умови і процедури формування задач першого і другого етапу і знаходження детермінованої і випадкової складової вектора керування ЕЕС.

6. Розроблено метод вирішення задачі оперативного планування режимів роботи регіональної ЕЕС. Показано, що ця задача є задачею дискретно-безперервного нелінійного математичного програмування з нелінійної мінімізуємою функцією, нелінійними обмеженнями у вигляді рівностей і обмеженнями у вигляді нерівностей.

7. Запропоновано алгоритм вирішення безперервної задачі планування режиму ЕЕС та алгоритм переходу від задачі дискретно-безперервного програмування до задачі безперервного програмування, у яких враховані особливості і властивості цільової функції й обмежень задачі оперативного планування режимів роботи регіональної ЕЕС. Дані алгоритми дозволяють знайти значення вектора керування регіональної ЕЕС, який забезпечить надійне функціонування ЕЕС при мінімальному значенні обраного критерію оптимальності, що дозволяє забезпечити підвищення ефективності оперативно-диспетчерського керування регіональними ЕЕС.

8. Проведено аналіз ефективності застосування розробленого методу вирішення задачі оперативного планування режимів регіональної ЕЕС. Аналіз результатів проведених обчислювальних експериментів показав, що розроблений метод планування режиму роботи ЕЕС є ефективним і його можна використовувати для розв'язання задач оперативного диспетчерського керування.

9. Для апробації теоретичних та алгоритмічних розробок дисертації, а також розв'язання практичних задач і впровадження у виробництво розроблена інформаційно - аналітична система керування режимами функціонування регіональних ЕЕС. Використання даної системи в державному науково-дослідному інституті “Укренергомережпроект” дозволило значно скоротити час прийняття проектних рішень і підвищити точність розрахунків. Використання розробленої програми в Нижнєвартовському підприємстві електричних мереж дозволило скоротити час прийняття керуючих рішень і знизити втрати активної і реактивної потужності в ЕЕС в середньому на 3 %.

Список опублікованих автором праць за темою дисертації

1. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы / Воропай Н.И., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д., Тимофеева Т.Б., Смирнов А.В. и др. Новосибирск: Наука, 1999. 443 с.

2. Современные проблемы надежности систем энергетики: модели, рыночные отношения управления реконструкцией и развитием / Манов Н.А., Сеннова Е.В., Сухарев М.Г., Тевяшев А.Д., Тимофеева Т.Б. и др. М.: Нефть и газ, 2000. 74 с.

3. Тевяшев А.Д., Тимофеева Т.Б., Смирнов А.В. Оперативное управление потокораспределением в электроэнергетических системах при случайном характере нагрузки // Радиоэлектроника и інформатика. 1999. №3. С. 36 - 43.

4. Тевяшев А.Д., Тимофеева Т.Б. Информационно-аналитическая система оптимального стохастического управления многопродуктовыми запасами // Информационные технологии: наука, техника, технология, образование, здоровье: Сборник научных трудов ХГПУ. Вып. 6. В четырех частях. Ч. 4. Харьков: ХГПУ, 1998. С. 370-372.

5. Тевяшев А.Д., Тимофеева Т.Б. Минимизация потерь в региональных системах электроснабжения // Вісник Харківського державного технічного університету сільского господарства. Питання електриффікаії сільского господарства. Випуск 3. Харків, 2000. C. 14-16.

6. Тимофеева Т.Б., Смирнов А.В. Стохастическая оптимизация режимов электроэнергетических систем // Cучасні інформаційні та енергозберігаючі технології життєзабезпечення людини. Збірник наукових праць. Випуск №6. Харків, 1999. С. 97-100.

7. Тимофеева Т.Б., Смирнов А.В. Стохастический подход к проблеме оптимизации режимов электроэнергетических систем // Сборник научных трудов по материалам 4-го международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке ”, часть 2. Харьков: ОНТИ ХТУРЭ, 2000. С. 92-94.

8. Тимофеева Т.Б., Огиенко В.А. Информационно - аналитическая система управления режимами функционирования электроэнергетических систем // Сборник научных трудов по материалам 6-й Международной конференции “Теория и техника приема передачи и обработки информации”. Харьков: ОНТИ ХТУРЭ, 2000. С. 169-172.

9. Тевяшев А.Д., Тимофеева Т.Б Оптимальное управление региональными системами электроснабжения в условиях энергорынка // Збірник наукових праць Української Академії державного управління при Президентові України, випуск 1/2001, частина 5. Харків: УАДУ ХФ, 2001. С. 70-74.

10. Синельникова О.И., Тимофеева Т.Б. Дифференциальный алгоритм минимизации потерь в электроэнергетической сети // Сборник научных трудов по материалам 5-го международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в 21 веке ”, часть 1. Харьков: ОНТИ ХТУРЭ, 2001. С. 388-389.

Анотація

Тімофєєва Т.Б. Моделі і методи оперативного керування режимами регіональних електроенергетичних систем при випадковому характері навантаження. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 01.05.04 - системний аналіз і теорія оптимальних рішень. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2001.

Дисертація присвячена питанням розроблення нових моделей і методів оперативного керування режимами регіональних електроенергетичних систем (ЕЕС) при випадковому характері навантаження. На базі проведеного системного аналізу сучасного стану регіональних ЕЕС як об'єкта дослідження і проблеми мінімізації втрат потужності при оперативно-диспетчерському керуванні регіональними ЕЕС у дисертаційній роботі розроблені математичні моделі і методи оптимального оперативного керування режимами регіональних ЕЕС при випадковому характері навантаження, застосування яких дозволить зменшити фактичні втрати потужності в ЕЕС і, отже, збільшити ефективність функціонування регіональних ЕЕС.

На основі отриманих у дисертаційній роботі результатів створений комплекс програм розрахунку і мінімізації втрат у системах електропостачання призначений для рішення задач оперативного планування і керування технологічними процесами електропостачання на рівні регіональних ЕЕС. Використання розробленого комплексу дозволило значно скоротити час прийняття керуючих рішень, підвищити точність розрахунків і знизити втрати активної і реактивної потужності в регіональних ЕЕС.

Ключові слова: електроенергетичні системи, оперативне керування, стохастичні моделі, нелінійне стохастичне програмування, двохетапна задача, вектор керування.

Аннотация

Тимофеева Т.Б. Модели и методы оперативного управления режимами региональных электроэнергетических систем при случайном характере нагрузки. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 01.05.04 - системный анализ и теория оптимальных решений. - Харьковский национальный университет радиоэлектроники, Харьков, 2001.

Диссертационная работа посвящена вопросам разработки новых моделей и методов оперативного управления режимами региональных электроэнергетических систем (ЭЭС) при случайном характере нагрузки. На основе проведенного системного анализа современного состояния региональных ЭЭС, как объекта исследования и проблемы минимизации потерь мощности при оперативно-диспетчерском управлении региональными ЭЭС в диссертационной работе разработаны математические модели и методы оптимального оперативного управления режимами региональных ЭЭС при случайном характере нагрузки, применение которых позволит уменьшить фактические потери мощности в ЭЭС и, следовательно, увеличить эффективность функционирования региональных ЭЭС.

В работе была предложена новая математическая модель системы оперативного управления режимами региональных ЭЭС и усовершенствована математическая модель установившегося потокораспределения региональной ЭЭС, функционирующей в стохастической среде. Использование данных моделей позволяет обеспечить надежное снабжение всех потребителей электроэнергией требуемого качества при минимально возможных потерях мощности внутри ЭЭС.

В работе был предложен эффективный метод решения сформулированной задачи оперативного управления режимами функционирования региональными ЭЭС применение которого позволяет обеспечить оптимальную реакцию ЭЭС на внутренние и внешние возмущения. В работе, также, предложен метод решения задачи оперативного планирования режимов работы региональной ЭЭС, учитывающий дискретный характер управляющих воздействий, особенности и свойства целевой функции и ограничений поставленной задачи и обеспечивающий попадание решения в -окрестность точки оптимума и быстрое время решения данной задачи на ПЭВМ.

На основе полученных в диссертационной работе результатов создан комплекс программ расчета и минимизации потерь в системах электроснабжения предназначенный для решения задач оперативного планирования и управления технологическими процессами электроснабжения на уровне региональных ЭЭС. Использование разработанного комплекса программ позволяет значительно сократить время принятия управляющих решений, повысить точность расчетов и снизить потери активной и реактивной мощности в региональных ЭЭС в среднем на 3 %.

Ключевые слова: электроэнергетическая система, оперативное управление, стохастические модели, нелинейное стохастическое программирование, двухэтапная задача, вектор управления.

Abstract

Тimofeeva Т.B. Models and methods of operating control by modes of regional electrical power systems at random character of load. - Manuscript.

Thesis for candidate's degree by a speciality 01.05.04 - systems analysis and theory of the optimum solutions. - Kharkov national university of radioelectronics, Kharkov, 2001.

Thesis is devoted to problems of mining of new models and methods of operating control by modes of regional electrical power systems (EPS) at random character of load. On the basis of the conducted systems analysis of state of the art regional EPS, as object of research and the problems of minimization of power losses at operative - supervision regional EPS in thesis are developed mathematical models and methods of optimum operating control by modes regional EPS at random character of load, the application which one will allow to reduce actual power losses in EPS and, therefore, to increase efficiency of operation regional EPS.

Key words: electrical power system, operating control, stochastic models, non-linear stochastic programming, two-steps problem, command vector.

Размещено на Allbest.ru