Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

КАЦАДЗЕ Теймураз Луарсабович

УДК 621.311.019

АНАЛІЗ ФУНКЦІОНУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНИХ СИСТЕМ НА ОСНОВІ СТРУКТУРНОЇ ЗВ'ЯЗНОСТІ

05.14.02 -- електричні станції, мережі і системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Київ -- 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі електричних мереж та систем Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”.

Науковий керівник -- кандидат технічних наук, професор, Сулейманов Віктор Миколайович, завідувач кафедри електричних мереж та систем НТУУ “КПІ”.

Офіційні опоненти --

д.т.н., проф. Лежнюк Петро Дем'янович

Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри електричних станцій та систем;

к.т.н. Шполянський Олег Григорович

Інститут електродинаміки НАН України

старший науковий співробітник відділу оптимізації систем електропостачання

Провідна установа --

Інститут проблем моделювання в енергетиці НАН України, відділ імітаційного моделювання.

Захист дисертації відбудеться “ 17 ” лютого 2003 р. о 1500 на засіданні спеціалізованої вченої ради К26.002.06 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ-56, пр. Перемоги 37 (корп. 20, ауд. 3).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці НТУУ “КПІ”.

Автореферат розісланий “ 10 ” січня 2002 р.

Вчений секретар НТУУ “КПІ”

доктор технічних наук В.О. Румбешта

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сучасний рівень розвитку суспільства характеризується значною залежністю від надійного і якісного енергопостачання. Цей фактор визначає колосальний розвиток і ускладнення великих енергетичних систем, у тому числі електричних (ЕС). Останні являють собою складні ієрархічні людино-машинні системи кібернетичного типу, що функціонують у ворожому агресивному середовищі.

Агресивність зовнішнього середовища виявляється в спонтанному виникненні зовнішніх несприятливих збурень, які призводять до відхилення траєкторії руху ЕС у просторі станів від прийнятого плану її функціонування. Це визначає постановку задачі дослідження здатності системи до поглинання зовнішніх несприятливих збурень, її адаптації до впливу зовнішніх умов.

Серед усієї множини зовнішніх збурень особливий інтерес викликає дослідження найбільш інтенсивних, здатних викликати часткове або повне порушення електропостачання споживачів. Тут особливу актуальність отримує задача надійного розпізнавання сформованих у системі ситуацій із метою попередження небажаного розвитку несприятливих зовнішніх збурень.

Дотепер у передпроектних роботах і розробці технічних завдань проектувальники не мають у своєму розпорядженні математичного забезпечення, спроможного оцінювати ступінь інтеграції нових об'єктів, що вводяться у структуру системи, визначати інтенсивність взаємного впливу елементів ЕС -- існуючих і нових, враховувати вплив нових електротехнічних об'єктів, що впроваджуються, на зміни умов функціонування ЕС із погляду її структурних властивостей. Безсумнівно, що перераховані вище показники деякою мірою відображають адаптованість ЕС до впливів зовнішніх умов.

У основу даної роботи покладений принцип дискретних станів. Це означає, що в роботі безпосередньо не розглядається динаміка перехідних процесів між окремими станами ЕС. Траєкторія руху системи в просторі станів представляється послідовністю квазістаціонарних режимів. Для кожного з них оцінюється деяка характеристика режиму роботи ЕС, що відбиває рівень її функціонування і виражає здатність ЕС поглинати зовнішні збурення, зберігаючи свою працездатність. Іншими словами, параметр повинен характеризувати ступінь адаптації ЕС до зовнішніх несприятливих збурень. У якості такого показника в роботі пропонується використовувати характеристики структурної зв'язності ЕС для кожного дискретного стану досліджуваної системи. Дослідження структурної зв'язності здійснюється на базі математичного апарату q-аналізу сімпліциального комплексу, який можна представити за допомогою деякого орієнтованого зваженого графу, що відбиває внутрішню структуру ЕС.

Реалізація поставлених задач пов'язана з проблемою оптимального сполучення і розподілу функцій взаємодії між людиною і комп'ютером, одним із рішень якої, як відомо, є розробка і впровадження експертних систем підтримки рішень. Зокрема, на кафедрі електричних мереж і систем НТУУ “КПІ” розроблена й експлуатується на протязі ряду років експертна система підтримки рішень диспетчера енергооб'єднання EXSYLEN. Остання використана в даній роботі в якості базового програмного інструментарію.

Дослідження в області моделювання функціонування і керування режимами сучасних енергооб'єднань за допомогою систем підтримки рішень з елементами штучного інтелекту інтенсивно проводяться в Україні, ближньому і дальньому зарубіжжі, і відображені в роботах вчених Авраменка В. М., Башликова О. О., Буткевича О. Ф., Васіна В. П., Венікова В. А., Воропай М. І., Гука Ю. Б., Гуреєва В. А., Кириленка В. О., Костерєва М. В., Лежнюка П. Д., Лепорського В. Д., Манова М. О., Мелентьєва Л. А., Руденка Ю. М., Самойлова В.Д., Стогнія Б. С., Сулейманова В. М., Тисленка В. В., Фокіна Ю. А., Чебана В. М., Черкесова Г. М., Щербини Ю. В. та ін.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційні дослідження виконувалися на кафедрі електричних мереж і систем Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” у рамках нижчезазначених науково-дослідних робіт пріоритетного напрямку науки і техніки “екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” державної науково-технічної програми “Високоефективні енергозберігаючі енерготехнології й електротехнічні системи”: “Теоретичні концепції побудови автоматизованої системи підтримки рішень диспетчера при управлінні енергооб'єднанням у надзвичайних ситуаціях”, 1996-1997 рр.; “Вибір оптимальної стратегії управління розвитком і функціонуванням великої енергетичної системи і дослідження інформаційної мережі інтегрованої інформаційно-керуючої системи енергопостачальних компаній”, 1998-1999 рр.; “Моделі і методи для розробки експертної системи аналізу й оптимізації режимів роботи енергооб'єднання в умовах надзвичайних ситуацій”, 2000-2001 рр.; “Методи і моделі дослідження процесів розвитку системних аварій при комп'ютерних тренуваннях”, 2002-2003 рр.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці методів, математичних моделей, алгоритмів і програмних засобів формального аналізу рівня функціонування великої ЕС в умовах змінного зовнішнього середовища, призначені для підвищення ефективності рішень різноманітних проектних задач. Для цього необхідно розглянути та вирішити такі підзадачі:

Провести дослідження специфічних умов функціонування національної енергосистеми України.

Розробити базову модель великої ЕС, яка буде дозволяти здійснювати ранжування об'єктів системи за ступенем їхнього впливу на режим ЕС у цілому.

Розробити метод дослідження структурної зв'язності ЕС, який буде дозволяти формально оцінити рівень функціонування ЕС, що відбиватиме її здатність поглинати зовнішні несприятливі збурення, зберігаючи свою працездатність.

Розробити структуру і математичні моделі елементів матриці чутливості, яка відбиває інтенсивність внутрішніх зв'язків між окремими об'єктами ЕС і призначена для аналізу структурної зв'язності досліджуваної енергосистеми.

Розробити моделі аналізу основних напрямків поширення зовнішніх збурень по ЕС і пошуку ефективних управляючих впливів на попередження небажаного розвитку несприятливих зовнішніх збурень.

Адаптувати нові програмні продукти до внутрішньої мови представлення й обробки знань базової експертної системи EXSYLEN, суттєво розвинути її можливості та створити новий модельний базис в модернізованій системі EXSYLEN+, призначений для оцінки рівня функціонування ЕС в умовах зовнішніх збурень.

Предметом дослідження дисертаційної роботи є оцінювання рівня функціонування ЕС в умовах зовнішніх несприятливих збурень.

Об'єктом дослідження є велика ЕС, її спроможність до поглинання зовнішніх несприятливих збурень, адаптованість до зовнішніх умов функціонування ЕС.

Метод дослідження -- математичне моделювання, теорія графів, сімпліциальні комплекси, теорія нейронних мереж, математичний апарат q-аналізу, імітаційне моделювання.

Наукова новизна результатів роботи складається в наступному:

Запропоновано загальну модель великої ЕС, яка дозволяє виконати ранжування її об'єктів за ступенем їхнього впливу на режим системи.

Розроблено новий метод дослідження структурної зв'язності ЕС, який базується на математичному апараті q-аналізу, та дозволяє здійснювати оцінювання структурної зв'язності ЕС, виявляти в її складі окремі, сильно зв'язані частини та об'єкти, а також слабкі зв'язки між ними. На відміну від існуючих розроблений метод дозволяє формально оцінювати рівень функціонування ЕС.

Розроблено загальну структуру і запропоновано математичні моделі для формування блоків матриці чутливості, яка відбиває інтенсивність взаємного впливу режимних параметрів об'єктів ЕС та дозволяє на її основі виконувати дослідження структурної зв'язності ЕС.

Розроблено моделі аналізу основних напрямків поширення зовнішніх збурень в досліджуваній ЕС і пошуку можливих управляючих впливів, які дозволяють ліквідувати або компенсувати небажане поширення в ЕС таких збурень.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблені в дисертаційній роботі концептуальні підходи, методи, математичні моделі, алгоритми і кінцеві програмні продукти постали основою для створення нової модифікованої версії експертної системи підтримки рішень EXSYLEN+, яка функціонує на новому модельному базисі. Система дозволяє здійснити формальне оцінювання рівня функціонування ЕС, який характеризує її адаптованість до зовнішніх несприятливих збурень, і надати дійову допомогу проектувальникам при оцінюванні якості прийнятих проектних рішень.

Практичне використання розробленої версії експертної системи EXSYLEN+ буде вельми ефективним у передпроектних проробках варіантів спорудження системоутворюючих ліній, введення нових генеруючих потужностей, великих навантажувальних вузлів і т.п. Нова версія системи підтримки прийняття рішень може виявитися також корисною при організації комп'ютерних тренувань, навчання і самонавчання персоналу енергосистем, при довгостроковому плануванні розвитку основних мереж ЕС.

Особистий внесок здобувача. Результати теоретичних і експериментальних досліджень знайшли відбиток у 16 наукових роботах.

У роботі [10] автором розглянутий підхід до оцінювання надійності окремих елементів і всієї ЕС у цілому на основі продукційних баз знань експертної системи. У роботі [11] автор виконав загальний аналіз надзвичайних ситуацій в енергетиці, навів визначення надзвичайної ситуації. У роботах [7, 8] автор розглянув питання формування структури загальної моделі ЕС. Модель аналізу структурної зв'язності ЕС запропонована автором у роботі [1]. У роботах [4, 13] автором наведена програмна реалізація модуля оцінювання важких, погано збалансованих режимів ЕС, що відрізняється від аналогічних програмних засобів підвищеною надійністю обчислювального процесу за рахунок комбінації різноманітних алгоритмів розв'язання систем нелінійних алгебраїчних рівнянь режиму ЕС. Роботи [2, 3, 11, 12, 15] відображають розроблені автором методи побудови структури матриці чутливості, моделей аналізу напрямків розповсюдження зовнішніх збурень та вибору можливих управляючих впливів, спрямованих на попередження небажаного розвитку несприятливих збурень. У роботі [14] автор розглянув загальні принципи побудови модельного базису для модифікованої версії системи підтримки прийняття рішень EXSYLEN+.

Апробація результатів роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на 9 міжнародних науково-технічних конференціях. У тому числі: Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної і біомедичної електроніки”, м. Київ, 27-29 травня 1997 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної і біомедичної електроніки”, м. Київ, 28-30 травня 1998 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної і біомедичної електроніки”, м. Київ, 1999 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми фізичної і біомедичної електроніки” , м. Київ, 2000 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки -- 2000”, м. Київ, 2000 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем -- 2000”, м. Донецьк, 5-7 вересня 2000 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки”, м. Київ, 2001 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки -- 2002”, м. Київ, 2002 р; Міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми електроніки”, м. Київ, 2002 р.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 16 наукових робіт, серед них 6 в провідних фахових виданнях.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаної літератури. Загальний обсяг дисертації -- 202 стор., у тому числі на 27 стор. розміщено 37 рисунків і одна таблиця, список використаної літератури з 191 найменування і 4 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розглянуті основні задачі оцінювання рівня функціонування ЕС в умовах зовнішніх збурень. Визначено мету роботи, обгрунтовано актуальність поставлених завдань та їх практичну цінність.

У першому розділі розглянуті основні закономірності виникнення і розвитку зовнішніх несприятливих збурень у великих ЕС. Виділений із загальної множини збурень особливий клас найбільш інтенсивних, які призводять до часткової або повної втрати працездатності ЕС. У якості таких збурень можуть виступати як одиночні потужні аварійні збурення, так і ланцюжки взаємозалежних каскадних аварій.

Особливо актуальна проблема виникнення і розвитку подібних аварійних збурень в умовах функціонування національної енергосистеми України, яка характеризуються зниженим рівнем надійності окремих елементів і недостатнім обсягом резервів для покриття можливих небалансів, що викликаються виникненням і розвитком у ЕС аварійних ситуацій особливого роду.

У силу певного резервування систем виробництва, передачі та розподілу електроенергії, виникнення в ЕС одиночних значних аварійних збурень не буде призводити до повного “розвалу” ЕС. Проте подібні аварійні збурення призводять до істотного зниження рівня функціонування ЕС і тому представляє певний дослідницький інтерес.

Виникнення в досліджуваній ЕС найбільш інтенсивних аварійних збурень буде характеризуватися надзвичайною ситуацією, пов'язаною з виникненням у великій технічній системі процесів, що йдуть у розріз із прийнятими нормами і спрямованими на руйнування цих норм. Виникнення в ЕС надзвичайної ситуації буде призводити до істотного зниження рівня функціонування ЕС, що відбивається наступним виразом:

,

де D -- множина усіх зовнішніх збурень; Dx -- множина аварійних збурень надзвичайного характеру; dx -- одиничне аварійне збурення надзвичайного характеру; -- вектор-функція рівня функціонування ЕС.

Очевидно, що здатність поглинати зовнішні аварійні збурення надзвичайного характеру пов'язана з проблемою живучості ЕС. Остання відбиває властивість ЕС зберігати свою, можливо обмежену, працездатність при відмові її окремих елементів.

Формальне оцінювання рівня функціонування ЕС в умовах зовнішніх збурень здійснено в роботі в обмежених термінах живучості ЕС, які характеризують зв'язність досліджуваної ЕС.

Можна виділити дві основні концепції, які використовуються при оцінюванні живучості -- побудовані на основі ймовірнісних та детермінованих показників. Для оцінювання рівня функціонування ЕС при вирішенні проектних задач автором прийнятий детермінований підхід, що забезпечує одержання достатньо надійну інформацію щодо адаптованості системи до зовнішніх несприятливих збурень.

Другий розділ дисертаційної роботи присвячений розробці методу дослідження структурної зв'язності ЕС та синтезу математичних моделей ЕС, яка функціонує в умовах зовнішніх збурень.

У роботі здійснено розробку загальної математичної моделі ЕС, яка призначена для дослідження властивостей адаптованості системи до зовнішніх збурень. Основна ідея побудови загальної моделі ЕС полягає в наступному. Сучасна ЕС являє собою сукупність об'єктів різноманітної “ваги”, які із різним ступенем впливають на формування режиму роботи системи. У складі ЕС, що моделюється, виділяється деяка її частина, називана “ядром”. Ядро являє собою сукупність найбільш потужних генеруючих вузлів, відповідальних вузлів навантаження, системоутворюючих ліній зв'язку і т. ін. У загальному випадку під ядром розуміється сукупність електротехнічних об'єктів ЕС, які визначають гранично можливий допустимий режим роботи досліджуваної системи, і виникнення в системі несприятливих зовнішніх збурень, які прикладаються до об'єктів ядра, буде викликати істотне зниження рівня функціонування ЕС, як показано в наступному виразі:

,

де S -- множина усіх елементів ЕС; Sk -- множина елементів ядра ЕС; -- вектор-функція рівня функціонування ЕС; -- значення вектора-функції при внесенні зовнішнього несприятливого обурення в об'єкт sk ядра системи.

Спроможність ЕС ефективно поглинати зовнішні збурення визначається структурною зв'язністю ядра ЕС, під якою у роботі розуміється топологічна, електрична, інформаційна і функціональна зв'язність.

Виникнення в системі зовнішніх збурень пов'язано з вивільненням і розвитком у ядрі системи сил, спрямованих на руйнування його функціональної цілісності і зв'язності. У тих випадках, коли ці сили виявляться спроможними зруйнувати функціональну зв'язність ядра, слід вважати, що система втратила свою працездатність. При цьому варто мати на увазі, що в процесі боротьби за зберігання необхідного рівня функціональності система може розділятися на окремі автономно функціонуючі частини, зберігаючи при цьому свою працездатність. Тому в роботі під зв'язністю ядра ЕС розуміється не топологічна, але функціональна цілісність системи, тобто зберігання ЕС своєї працездатності в тому числі і у випадках поділу системи на не синхронно функціонуючі частини.

Процес функціонування ЕС може бути представлений рухом деякої відображаючої його точки в гіперпросторі станів. Виникаючі в системі зовнішні збурення призводять до відхилення траєкторії такого руху. Ситуації, коли подібні збурення призводять до виходу відображаючої точки з області припустимих режимів, будуть характеризуватися частковим або повним “погашенням” системи. У свою чергу, межа припустимої області також залежить від параметрів поточного режиму. Положення зображаючої точки в просторі станів, її віддаленість від межі припустимої області існування режимів буде характеризуватися значенням деякого параметра, який відбиватиме рівень функціонування ЕС. В принципі, у якості такого параметра можуть виступати різноманітні показники роботи ЕС, наприклад, частота, обсяг гарячого резерву в системі, запаси пропускної спроможності в основних перетинах ЕС і т.п. У роботі пропонується здійснювати дослідження рівня функціонування ЕС на основі аналізу її структурної зв'язності.

Дослідження структурної зв'язності ЕС здійснено автором на базі математичного апарата q-зв'язності, який полягає в аналізі симплеціального комплексу S, що відповідає досліджуваній системі і відбиває внутрішні структурні зв'язки між об'єктами, які входять до складу ЕС:

,

де -- множина симплексів, що входять у комплекс S -- вершин відповідного орієнтованого графа; -- множина неупорядкованих пар симплексів , що відбивають зв'язки (топологічні, електричні, інформаційні, функціональні) між симплексами -- ребер орієнтованого графу.

Основна ідея апарату q-зв'язності полягає у дослідженні таких ланцюжків зв'язку в комплексі S, коли кожний симплекс у ланцюзі має спільну грань певної розмірності із сусідніми симплексами. Таким чином, два симплекси i і j комплексу S виявляться зв'язаними ланцюжком q-зв'язності, якщо існує така послідовність симплексів у комплексі S, коли

1 -- грань i;

n -- грань j;

k і k+1 мають спільну грань:

.

Розмірність ланцюжка зв'язку буде визначатися мінімальною розмірністю ланок, що входять у ланцюжок:

.

У результаті для кожного значення розмірності q=0,1,…dim S можна визначити кількість і склад підсистем, що входять у досліджуваний комплекс і зв'язних для кожного рівня розмірності вигляду:

.

На основі отриманих даних можна побудувати структурний вектор Q, що буде відбивати процеси обміну енергією (інформацією) між об'єктами, які входять у комплекс:

.

Інформація, що міститься в структурному векторі Q, виражає глобальну структуру комплексу S. Для того, щоб два симплекси i і j належали одній q-зв'язній компоненті комплексу S, необхідна наявність такого ланцюжка проміжних симплексів, щоб ланка з найменшою розмірністю мала розмірність не нижче q. Таким чином, у результаті такого q-аналізу можна виділити в досліджуваній ЕС окремі сильно зв'язні підсистеми, а також визначити слабкі зв'язки між ними.

Слід зазначити, що значення нульової компоненти структурного вектора Q0 вказує на кількість незв'язних підсистем комплексу S.

Ступінь інтеграції кожного окремого симплексу в загальну структуру комплексу в роботі пропонується оцінювати за допомогою ексцентриситету за виразом:

,

де -- розмірність симплекса ?;? -- найбільше значення q, при якому симплекс стає зв'язним із яким-небудь іншим симплексом із комплексу S.

Очевидно, для цілком ізольованих симплексів () значення ексцентриситету буде дорівнювати . Для тривіального випадку -- симплекс має єдиний зв'язок із комплексом -- . В усіх інших випадках ексцентриситет буде мати позитивне дійсне значення. Найбільші значення ексцентриситету свідчать про високу зв'язність симплексу. Іншими словами, чим вище значення ексцентриситету, тим більше каналів обміну енергією має даний симплекс, і, отже, тим менший вплив на процеси обміну енергією будуть надавати зовнішні збурення, що призводять до розриву однієї зі зв'язків симплекса.

Безпосередньо рівень функціонування ЕС із погляду зв'язності в роботі пропонується оцінювати за допомогою обчислення величини поліедральної складності за виразом:

,

де N -- розмірність комплексу S; Qi -- i-та компонента структурного вектора Q.

Очевидно, що система, яка складається з єдиного симплекса, має складність, рівну одиниці. Будь-яка підсистема має складність, не більшу, ніж увесь комплекс. Об'єднання двох комплексів утворить новий комплекс, складність якого не більша, ніж сума складностей комплексів, котрі об'єднуються.

Чим вища структурна зв'язність системи, тим більше поліедральна складність, і, отже, вище адаптованість системи до зовнішніх несприятливих збурень. Таким чином, запропонований показник поліедральної складності визначає рівень функціонування ЕС, що відбиває властивість останньої поглинати несприятливі зовнішні збурення, зберігаючи при цьому свою, хоча може бути обмежену, працездатність.

Запропонований у роботі метод аналізу структурної зв'язності ЕС базується на дослідженні властивостей зваженого орієнтованого графа, який відбиває внутрішні функціональні зв'язки між об'єктами досліджуваної системи. Ці зв'язки визначаються значеннями елементів розробленої автором матриці чутливості. Остання являє собою матрицю, елементи якої відбивають ступінь впливу об'єктів системи один на одного або, іншими словами, виражають взаємний вплив параметрів режиму ЕС.

Матриця чутливості компонується з незалежних блоків двох класів -- збурень вузлів і збурень гілок. У роботі розроблені математичні моделі елементів матриці чутливості наступних блоків -- напруг, струмо- і потокорозподілу, взаємних фазових кутів напруг, втрат потужності в елементах системи і сумарних втрат потужності, частоти, вузлових потужностей. Перераховані математичні моделі зведені в табл. 1, у котрій J -- матриця часткових похідних системи рівнянь сталого режиму основної мережі досліджуваної ЕС (матриця Якобі).

Таблиця 1. Моделі блоків матриці чутливості

Клас	Блок	Модель
Збурень вузлів	Напруг
	Струморозподілу
	Потокорозподілу
	Взаємних фазових кутів
	Втрат потужності
	Сумарних втрат потужності
	Частоти
	Вузлових потужностей
Збурень гілок	Напруг
	Струморозподілу
	Потокорозподілу
	Взаємних фазових кутів
	Втрат потужності
	Сумарних втрат потужності
	Частоти
	Вузлових потужностей

Третій розділ дисертаційної роботи присвячений розробці алгоритмів і програмної реалізації запропонованих методу та моделей оцінки рівня функціонування ЕС у модифікованій версії експертної системи EXSYLEN+, до якої адаптовані усі програмні продукти. У версії EXSYLEN+ значно розширені динамічні масиви для збереження й обробки продукційних баз знань, що забезпечило значне підвищення гнучкості створеної продукційної бази знань.

При дослідженні функціонування великої ЕС, необхідний багатократний розрахунок режимних характеристик системи. У роботі здійснена розробка нового модуля аналізу сталих режимних характеристик ЕС Newton Network+, який ефективно реалізує розрахунок методом Ньютону системи нелінійних рівнянь сталого режиму великої розмірності. При реалізації модуля здійснено комбінування декількох методів вирішення систем нелінійних алгебраїчних рівнянь сталого режиму ЕС серед різноманітних модифікацій методу Ньютону -- класичного, модифікованого, методу “по параметру”, розрахунку з оптимізацією кроку наближень. Така комбінація визначила високу надійність обчислювального процесу за рахунок реалізації вибору надійного алгоритму розрахунку.

Збіжність вирішення систем нелінійних рівнянь методом Ньютону дуже чутлива до вибору початкових наближень змінних. З метою максимального ослаблення впливу цього негативного фактора і підвищення надійності обчислювального процесу в розробленому програмному модулі передбачена опція зберігання і читання раніше архівованих даних режимів ЕС. Опція реалізує алгоритм розпізнавання образів, який побудований на базі теорії нейронних мереж і призначена для виявлення стартових значень початкових наближень змінних архівованого режиму, найбільш близького до розрахункового режиму роботи ЕС.

Однією з найважливіших задач, пов'язаних з аналізом рівня функціонування сучасної ЕС є проблема збору та передачі даних про поточний стан і режимні параметри об'єктів контрольованої системи на верхній ієрархічний рівень управління. Автором розроблені математичні моделі й алгоритми, реалізовані в програмах модуля збору, обробки, архівування і передачі на верхній ієрархічний рівень управління даних про поточний стан і режимні параметри об'єктів контрольованої ЕС S+ для розподільчих підстанцій електричних мереж напругою 6-10 кВ. Розроблений модуль дозволяє здійснювати контроль і управління мережним об'єктом у режимі реального часу. Відмінною рисою модуля є закладена в нього спільність принципів організації процесів обміну інформацією в сучасних ЕС. Ця обставина дозволяє організувати впровадження зазначеного модуля в експлуатацію без істотних змін його основних алгоритмів на всіх рівнях ієрархічного управління електричними мережами вищих класів номінальної напруги.

У роботі здійснена розробка модуля дослідження основних напрямків поширення зовнішніх збурень і вибору можливих управляючих впливів, спрямованих на поліпшення рівня функціонування системи з погляду адаптованості останньої до умов функціонування.

Елементи матриці чутливості являють собою часткові похідні, які відбивають інтенсивність впливу одних параметрів режиму на інші вигляду . Очевидно, що на основі даних матриці чутливості можна приблизно виявити основні напрямки поширення зовнішніх збурень у досліджуваній системі. У роботі показано, що для цієї мети достатньо проаналізувати певний стовпчик матриці чутливості, який відповідає елементу ЕС, що безпосередньо сприймає зовнішнє збурення. Такий стовпчик матриці чутливості буде являти собою вектор поширення обраного розрахункового зовнішнього збурення:

,

де i -- індекс елемента ЕС, який безпосередньо сприймає зовнішнє збурення.

У роботі наведене вирішення й оберненої задачі -- вибору можливих управляючих впливів, які переводять режим електричної мережі від гіршого до кращого рівня з погляду певного, заздалегідь обраного користувачем, критерію, наприклад, рівня структурної зв'язності. Тут здійснюється аналіз рядків матриці чутливості, які відповідають елементам ЕС, режим яких надає найбільш інтенсивний вплив на обраний критерій. У цій ситуації управляючі впливи, прикладені до цих елементів, будуть переводити режим ЕС у напрямку підвищення рівня функціонування ЕС.

У четвертому розділі дисертації розглянуті питання побудови нового модельного базису розробленої версії експертної системи підтримки рішень EXSYLEN+.

Усі наведені в роботі методи, математичні моделі, алгоритми і програмні продукти аналізу рівня функціонування ЕС покладені в основу розробленого нового модельного базису експертної системи EXSYLEN+. Базис побудований на принципі блочних модулів. Центром модельного є програмний процесор, який здійснює загальне управління й обмін потоками даних між наступними окремими модулями: розрахунку характеристик сталого (квазісталого) режиму основної мережі ЕС Newton Network+; збору, аналізу, архівування і передачі на верхній ієрархічний рівень управління інформації про поточний стан об'єктів контрольованої ЕС S+; побудови й аналізу матриці чутливості; дослідження структурної зв'язності ЕС QANALYSYS; пошуку основних напрямків поширення зовнішніх несприятливих збурень і вибору можливих управляючих впливів.

Усі перераховані структурні модулі оформлені у вигляді окремих автономних програм. Це дозволяє ефективно, у залежності від потреб користувача, використовувати їх незалежно один від одного.

Новий модельний базис дозволяє ефективно реалізовувати дослідження структурної зв'язності ЕС із метою формального оцінювання рівня її функціонування в умовах агресивного навколишнього середовища як у режимі реального часу (на підставі оперативної інформації про поточний стан системи), так і в автономному режимі (на підставі даних розрахунків режиму системи, яка моделюється).

Зокрема, за допомогою системи підтримки рішень EXSYLEN+ на основі аналізу структурної зв'язності досліджені варіанти спорудження ліній електропередач, призначених для повнофункціонального впровадження в структуру Південно-Західного району національної енергосистеми України генераційних потужностей Дністровської ГАЕС.

ВИСНОВКИ

Основні результати і висновки по роботі полягають в наступному:

Розроблено загальну модель великої ЕС, основною структурною частиною якої є ядро. Ядро являє собою сукупність найбільш потужних генераційних вузлів, відповідальних вузлів навантаження і системоутворюючих ліній зв'язку -- найважливіших об'єктів ЕС, які формують її режим. Цілісність ядра визначає нормальне функціонування ЕС.

Розроблено метод, математичні моделі й алгоритм аналізу структурної зв'язності ядра ЕС, які базуються на математичному апараті q-аналізу та дозволяють здійснювати дослідження топологічних, електричних, інформаційних та функціональних властивостей ЕС. На основі структурної зв'язності здійснюється формальне оцінювання рівня функціонування ЕС із погляду спроможності до поглинання зовнішніх несприятливих збурень.

Розроблено модель загальної структури і структурні блоки математичних моделей елементів матриці чутливості, яка відбиває внутрішні функціональні зв'язки між об'єктами досліджуваної ЕС. На основі даних матриці чутливості реалізовано аналіз структурної зв'язності ЕС.

Розроблено моделі аналізу основних напрямків поширення зовнішніх несприятливих збурень по досліджуваній ЕС і вибору можливих управляючих впливів, спрямованих на переведення досліджуваного режиму ЕС від гіршого до кращого рівня з погляду спроможності ЕС до поглинання таких збурень.

Розроблено математичну модель і створено новий програмний комбінований модуль розрахунку режимних характеристик основної мережі ЕС, який відрізняється високою надійністю обчислювального процесу. Модуль реалізує комбінацію різноманітних алгоритмів розрахунку систем нелінійних алгебраїчних рівнянь методом Ньютона і на основі аналізу збіжності обчислювального процесу здійснює вибір найбільш надійного алгоритму розрахунку. Відмінною рисою модуля є опція архівування і читання раніше архівованих даних про режими ЕС, реалізуючий алгоритм розпізнавання образів на базі теорії нейронних мереж та направлена на виявлення стартових значень початкових наближень перемінних архівованого режиму, найбільше близького до розрахункового режиму роботи ЕС.

Розроблено програмний модуль збору, обробки й архівування і передачі на верхній ієрархічний рівень управління оперативної режимної інформації на розподільчих підстанціях електричних мереж напругою 6-10 кВ у режимі реального часу. Впровадження модуля в експлуатацію на всіх ієрархічних рівнях управління електричними мережами вищих класів номінальних напруг забезпечується спільністю принципів організації процесів обміну інформацією в ЕС, реалізованих у його математичному забезпеченні.

Розроблена нова версія експертної системи EXSYLEN+, яка має в своєму складі програмний процесор і модулі комплексу оцінювання рівня функціонування великої ЕС на основі дослідження структурної зв'язності досліджуваної ЕС, адаптовані до внутрішньої мови представлення знань базової експертної системи підтримки рішень EXSYLEN.

ПУБЛІКАЦІЇ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

У фахових виданнях:

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Моделирование структурной живучести электроэнергетических систем // Электроника и связь. - 1997. - Ч.II, №3. - С.61-63.

Здобувачеві належить модель структурної зв'язності енергосистем.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Применение функции Ляпунова для анализа живучести электроэнергетических систем // Электроника и связь. - 1998. - №5. - С.54-56.

Здобувачеві належить розробка потенційної функції енергосистеми в умовах надзвичайних ситуацій.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Анализ структуры и моделирования процесса эволюции крупной энергосистемы в условиях чрезвычайных ситуаций // Электроника и связь. - 1999. - №7. - С.126-129.

Здобувачеві належить модель аналізу структури енергосистеми.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Алгоритм распознавания образов топологии электрических сетей при расчете тяжелых режимов электоэнергетических систем // Электроника и связь. - 2001. - №11. - С.121-122.

Здобувачеві належить модель розпізнування образів на базі нейронних мереж.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Некоторые аспекты построения специализированных тренажеров для диспетчерского персонала электроэнергетики Украины // Электроника и связь. - 2002. - №14. - С.127-129.

Здобувачеві належить аналіз систем відображення інформації.

Кацадзе Т.Л. Моделирование реакции крупного энергообъединения на возмущения чрезвычайного характера // Электроника и связь. - 2002. - №15. - С.34-39.

В інших виданнях:

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Основные принципы построения модели живучести электроэнергетической системы в условиях кризисных ситуаций // Электроника и связь. - 1997. - Ч.II, №2. - С.271-273.

Здобувачеві належить базова модель енергосистеми.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Критерий оценки живучести электроэнергетической системы // Электроника и связь. - 1997. - Ч.II, №2. - С.258-260.

Здобувачеві належить аналіз аналіз критеріїв оцінки живучості енергосистем.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Анализ чрезвычайных ситуаций в энергетике с точки зрения живучести электроэнергетических систем // Энергетика и электрификация. - 1998. - №1. - С.31-33.

Здобувачеві належить визначення терміну надзвичайної ситуації, класифікація причин надзвичайних ситуації.

Сулейманов В.Н., Котов И.А., Кацадзе Т.Л. Оценка надежности схем электрических сетей как процесс принятия решения в экспертной системе // Энергетика и электрификация. - 1998. - №2. - С.30-32.

Здобувачеві належить формування продукційної бази знаннь експертної системи EXSYLEN.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Практический подход к анализу структурной живучести электроэнергетических систем // Электроника и связь. - 1998. - Ч.II, №4. - С.206-210.

Здобувачеві належить модель структурної сталості енергосистеми.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Моделирование развития каскадной аварии в современной электроэнергетической системе // Электроника и связь. - 1999. - Т.2, №6. - С.34-38.

Здобувачеві належить модель поширення зовнішнього збурення по енергосистемі.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Модуль оценки режимных характеристик электрических сетей энергосистем в среде экспертной системы EXSYLEN в условиях чрезвычайных ситуаций // Электроника и связь. - 2000. - Т.2, №8. - С.178-180.

Здобувачеві належать алгоритми модулю оцінки режимних характеристик енергосистеми.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Принципы построения модельного базиса для системы поддержки диспетчерских решений при управлении объединенной энергосистемой в чрезвычайных ситуациях // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск - 2000. - Ч.9. - С.82-86.

Здобувачеві належить формування модельного базісу експертної системи пітримки рішень EXSYLEN+.

Сулейманов В.Н., Кацадзе Т.Л. Оптимальное управление режимами работы основных электрических сетей энергосистем на базе экспертной системы EXSYLEN+ // Технічна електродинаміка. Тематичний випуск - 2002. - Ч.8. - С.102-105.

Здобувачеві належить інтеграція модельного базісу в середовище експертної системи пітримки рішень EXSYLEN+.

Тези доповідей:

Буткевич А.Ф., Павловский В.В., Рублевский А.Н., Кацадзе Т.Л. Анализ аварийных ситуаций в электрических системах на основе искусственных нейронных сетей и экспертных систем // Тези доповідей міжнародної науково-технічної конференції “Керування режимами роботи об'єктів електричних систем-2000”. - Донецьк: ДДТУ. - 2000. - С.5.

Здобувачеві належить моделювання образів аварійних сітуацій.

АНОТАЦІЇ

Кацадзе Теймураз Луарсабович. Анализ функционирования электрических систем на основе структурной связности. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 -- электрические станции, сети и системы -- Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

В диссертации осуществлены разработка методов, математических моделей, алгоритмов и программных средств, предназначенных для формальной оценки уровня функционирования большой ЭС в условиях внешних неблагоприятных возмущений, отражающих способность последней поглощать внешние неблагоприятные возмущения. Разработана общая математическая модель ЭС, позволяющая осуществлять ранжирование объектов системы по степени их влияния на режим работы ЭС. Основной структурной частью модели является ядро ЭС, представляющее совокупность электротехнических объектов ЭС, определяющих предельно допустимый режим работы исследуемой системы в экстремальных условиях. Способность ЭС эффективно поглощать внешние возмущения определяется структурной связностью ядра ЭС. Под последней в работе понимается топологическая, электрическая, информационная и функциональная связность. Разработаны метод, математические модели, алгоритм анализа структурной связности ЭС на базе математического аппарата q-связности. Предложен ряд показателей структурной связности -- эксцентриситет, отражающий степень интеграции каждого отдельного симплекса в общую структуру комплекса, и полиэдральная сложность, характеризующая уровень функционирования ЭС с точки зрения ее связности. Разработана общая структура и математические модели блоков матрицы чувствительности, выражающей взаимное влияние режимных параметров объектов ЭС и предназначенной для осуществления на ее основе анализа структурной связности системы. Разработан новый модельный базис экспертной системы EXSYLEN+, предназначенный для осуществления анализа уровня функционирования ЭС с точки зрения способности последней поглощать внешние неблагоприятные возмущения. В состав модельного базиса включен модуль оценки режимных параметров ЭС, базирующийся на комбинации различных модификаций расчета систем нелинейных уравнений установившегося режима ЭС методом Ньютона и позволяющий значительно повысить надежность вычислительного процесса. Предложены математические модели и алгоритмы, создан в виде конечного программного продукта модуль сбора, анализа, архивирования и передачи на верхний иерархический уровень управления ЭС данных о текущем состоянии и режимных параметрах объектов контролируемой ЭС S+ для распределительных подстанций электрических сетей напряжением 6-10 кВ. Модуль позволяет осуществлять контроль и управления сетевыми объектами высших классов номинальных напряжений в режиме реального времени. Разработан программный модуль исследования основных направлений распространения внешних возмущений и выбора возможных управляющих воздействий, направленных на улучшение уровня функционирования системы с точки зрения адаптируемости последней к изменяющимся условиям функционирования. Разработанный модельный базис позволяет эффективно реализовывать исследование структурной связности ЭС с целью определения уровня ее функционирования в условиях агрессивной окружающей среды как в режиме реального времени (на основании оперативной информации о текущем состоянии системы), так и в автономном режиме (на основании данных расчетов режима моделируемой системы).

Ключевые слова: электрическая система, национальная энергосистема Украины, живучесть, поглощаемость возмущений, экспертные системы, математическое моделирование, распознавание образов, связность, симплициальный комплекс.

електричний система збурення модуль

Кацадзе Теймураз Луарсабович. Аналіз функціонування електричних систем на основі структурної зв'язності. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 -- електричні станції, мережі і системи -- Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

У дисертації здійснена розробка методів, математичних моделей, алгоритмів і програмних модулів, призначених для оцінювання рівня функціонування великої ЕС в умовах зовнішніх несприятливих збурень, який відбиває спроможність останньої поглинати зовнішні несприятливі збурення. Розроблено загальну математичну модель ЕС, основною структурною частиною якої є ядро, функціональна цілісність якого визначає нормальне функціонування ЕС. Розроблено метод, математичні моделі, алгоритм аналізу структурної зв'язності ЕС на базі математичного апарату q-зв'язності. Розроблено загальну структуру і математичні моделі блоків матриці чутливості, яка відбиває взаємний вплив режимних параметрів об'єктів ЕС і призначена для здійснення на її основі аналізу структурної зв'язності системи. Розроблено новий модельний базис експертної системи EXSYLEN+, призначений для здійснення аналізу рівня функціонування ЕС із погляду спроможності останньої поглинати зовнішні несприятливі збурення. До складу модельного базису включений модуль оцінювання режимних параметрів ЕС, модуль збору, аналізу, архівування і передачі на верхній ієрархічний рівень управління ЕС даних про поточний стан і режимні параметри об'єктів контрольованої ЕС S+. Розроблено модуль дослідження основних напрямків поширення зовнішніх збурень і вибору можливих управляючих впливів, спрямованих на поліпшення рівня функціонування системи з погляду адаптованості ЕС до умов функціонування.

Ключові слова: електрична система, національна енергосистема України, живучість, поглинання збурень, експертні системи, математичне моделювання, розпізнавання образів, зв'язність, сімпліциальний комплекс.

Teymuraz L. Katsadze. The analysis of electrical systems operation on the structural connectivity basis. - The manuscript.

Thesis for a candidate's degree on a speciality 05.14.02 -- power plants, electrical networks and systems -- National technical university of Ukraine “the Kiev polytechnic institute”, Kiev, 2003.

In a thesis are realised development of methods, mathematical models, algorithms and program modules intended for an estimate of a operation level major power system in conditions of exterior unfavourable perturbations, mirroring ability last to swallow exterior unfavourable perturbations. The common mathematical model of power system was designed. The kernel is the basic structural part of this model, which functional integrity defines normal operation of power system. The mathematical models, algorithm of the analysis of structural connectivity of power system designed a method, on the basis of a mathematical means of q-analysis. The common structure and mathematical models of blocks of a responsivities matrix, which mirroring a cross-coupling of regime parameters of power systems plants and intended for a realisation on its basis of the analysis to structural connectivity designed. The new model base of the consulting system EXSYLEN +, intended for a realisation of the analysis of a level of power system operation from a point of view of ability last designed to swallow exterior unfavourable perturbations. The unit of an estimate of regime power systems parameters, unit of collection, analysis and transfer on the upper hierarchical level of power system control of data on a flowing state and regime parameters of plants inspected S +. The unit of a research of basic directions of propagation of exterior unfavourable perturbations and choice of possible control actions, directional on improvement of a level of operation of a system from a point of view of adaptability last to varying conditions of operation designed.

Keywords: an electrical system, national electric power system of Ukraine, surveillance, perturbations, consulting models, mathematical simulation, pattern recognition, connectivity, simplicial complex.

Размещено на Allbest.ru