автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.18, диссертация на тему:Графическое моделирование и визуализация принятия решений в интегрированных системах оптимального управления региональным энергопотреблением

На правах рукописи

ЧУДШЮВ Михаил Игоревич

ГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ В ИНТЕГРИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕГИОНАЛЬНЫМ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ

Специальность: 05.13.18 - Математическое моделирование,

численные методы и комплексы программ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Вороне,к - 2008

0034535Э9

003453599

Работа выполнена в ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет»

Научный руководитель Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Подвальный Семен Леонидович

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Титов Виталий Семенович;

Ведущая организация: ГОУВПО «Воронежская государственная

Защита состоится «11» декабря 2008г. в 10 часов в конференц-зале на заседании диссертационного совета Д212.037.01 ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» по адресу: 394026, г. Воронеж, Московский просп., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет».

кандидат технических наук Назаров Виктор Николаевич

технологическая академия»

Автореферат разослан «_> ноября 2008г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Питолин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Реформирование электроэнергетической отрасли России существенно влияет на технологическую политику и стратегию всех участников рынка энергии и особенно крупные промышленные объединения, стимулируя внедрение информационных технологий как в части оптимизации управления для стимулирования энергосбережения, так и в части обоснованного с экономической точки зрения выхода на оптовый рынок электроэнергии. В связи со структурными изменениями в отрасли резко возрос интерес к построению различных локальных информационных систем (ИС), ориентированных прежде всего на достоверный учёт расхода электроэнергии в рамках автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ), а также всесторонний анализ потерь с выходом на последующее управление в рамках систем оперативно-диспетчерского управления (АСДУ). В то же время наряду с созданием локальных систем, созданных и подчинённых конкретному владельцу, в последнее время определился иерархический аспект учёта и управления и необходимость построения интегрированных информационных систем с приданием им функций принятия решений.

При разработке информационных систем учёта и управления регионального энергопотребления требуется учесть как распределенный характер объекта, наличие случайных возмущений и вероятностный аспект функционирования, так и необходимость визуализации принимаемых решений с позиций последующей оптимизации.

В любом случае речь идёт о создании специальной системы (подсистемы) принятия решений, которая обеспечивает ЛПР необходимой информацией для визуализации анализируемых режимов поведения электроэнергетической системы с учётом различных критериев и ограничений на данном временном интервале. Кроме того, необходимо развитие графических средств визуализации альтернативных вариантов управленческих решений для оперативной оптимизации.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью повышения эффективности автоматизированных систем управления регионального энергопотребления за счёт совершенствования моделей и алгоритмов принятия решений, а также графических средств их визуализации. Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», а также поддержана грантом ФСМП, раздел «У.М.Н.И.К.», «Моделирование аварийных ситуаций в электрических сетях и оптимизация принятия решений на базе комплекса ИнГИС» №888515/05-08.

Цель работы и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является разработка графических моделей сложных многоуровневых электрических систем регионального электроснабжения и их элементов, оптимизационных моделей принятия управленческих решений, в том числе в

аварийных ситуациях, а также соответо вуюших графических средств визуализации для повышения эффективности оперативного управления.

Для реализации постановленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- системный анализ проблематики автоматизированного контроля и управления в региональных распределённых энергосистемах и возможностей создания интегрированных информационных систем;

- моделирование и анализ технических потерь в распределённых энергосистемах, обеспечивающих режим энергосбережения на основе оптимизации режимов и сетевых параметров ЭЭС;

- алгоритмизация определения устойчивости в электрических сетях как на основе прямой проверки алгоритмических ограничений, так и с использованием критериев статической устойчивости в соответствующих оптимизационных задачах;

- построение оптимизационных моделей принятия решений, а также раз- -работка координирующих алгоритмов на уровне регионального энергопотребления с целью устранения дисбаланса в генерации и потреблении электроэнергии;

- разработка графических средств моделирования и визуализация вариантов принятия управленческих решений в интегрированных ИС;

- практическая реализация комплекса средств графического моделирования и визуализации принятия решений в рамках сетевых компаний на базе Ин-ГИС-Энерго.

Методы исследования основаны на использовании положений теории математического моделирования, теории электрических цепей, методов оптимизации и исследования операций, математического программирования, объектно-ориентированных баз данных, а также теории управления технологическими процессами и производствами.

Научная новизна. В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- иерархическая структура комплекса моделей задач принятия управленческих решений и иерархический способ связывания оптимизационных задач, отличающиеся учётом их вложенности по разным критериям с разрывом контуров электрических сетей для эквивалентного модельного представления;

- координирующий алгоритм оптимизации параметров процесса регионального энергопотребления с учётом знака дисбаланса между генерирующими и нагрузочными мощностями в системе с приоритетным использованием балансирующей мощности генерирующего комплекса;

- оптимизационные модели принятия решений, отличающиеся способом прямого учёта ограничений по устойчивости в форме кусочно-линейной дис-криминантной функции в процессе оптимизации регионального энергопотребления:

ч

- концепция и комплекс средств графического моделирования и визуализации вариантов управленческих решений, отличающиеся унификацией разработки территориальных и функциональных модулей, ориентированных на формирование многоуровневых графических моделей на основе единого языка описания концептуальных моделей и логических моделей данных интегрированных информационных систем.

Практическая значимость работы. Предложенные в работе модели и алгоритмы принятия решений по управлению региональным энергопотреблением могут быть реализованы в составе средств математического обеспечения интегрированных автоматизированных систем.

Разработанное программное обеспечение можно использовать для практических задач оптимизации, оценки устойчивости сложных электрических систем, а также получения кусочно-линейных ограничений по данным моделирования для типовых режимов функционирования региональных ЭЭС. Кроме того, программно-аппаратный комплекс может быть применен для обучения студентов и повышения квалификации персонала оперативно-диспетчерских служб.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты внедрены в форме программных подсистем «Визуализация и принятие решений», «Моделирование однолинейных схем подстанций», входящих в состав ИнГИС-Энерго.

Внедрение интегрированной информационной системы проведено в Воронежской и Волгоградской сетевых компаниях с годовым экономическим эффектом 200 тысяч рублей в год.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XX Международной научной конференции ММТТ-20 (Ярославль, 2007), «Информационные технологии моделирования и управления» (Воронеж, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность городов» (Волжский, 2006), «Информационные технологии моделирования и управления» (Воронеж, 2007), Всероссийской конференции «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж, 2007), Proceedings of the 17th Internationa] Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing June 18-20, 2007 • Philadelphia, USA, II Международной научной конференции «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж, 2007), «Оптико-Электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск, 2008), а также на ежегодных научных семинарах профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и научных семинарах кафедры автоматизированных и вычислительных систем в 2005-2008 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3-в изданиях рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: [3,4,5,6]-концептуапьная модель графического представления распределённой ЭЭС; [7,8,9]- критерии и оптимизационные модели регионального энергопотребления; [10,11]- модель и координирующий алгоритм устранения дисбаланса генерирующих и нагрузочных мощностей; [12,13,14,15] - иерархия оптимизационных задач и иерархический способ связывания локальных критериев и ограничений с эквивалентным представлением расчётных электрических схем.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 144 наименований. Основная часть работы изложена на 142 страницах, содержит 35 рисунков, 5 таблиц и 7 приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость результатов работы.

В первой главе проведен системный анализ проблем построения автоматизированных систем учета электроэнергии, а также определена возможность их интеграции с системами оперативно-диспетчерского управления. При этом особое внимание уделено рассмотрению функций и особенностей оперативно-диспетчерского управления при оптимизации регионального энергопотребления с учетом необходимости интеграции АСДУ и АСКУЭ. Подробно рассмотрено информационное и графическое обеспечение подсистем визуализации принятия решений при оптимизации ЭЭС и возможности существующих информационных систем. Проанализированы свойства и особенности оптимизационных моделей и методов управления в системах регионального энергопотребления и необходимость разработки дополнительных блоков и моделей для интегрированных информационно-управляющих систем. Выделены основные группы задач: прогнозирования, диагностики и устойчивости и соответствующие варианты моделей. В основу построения ИУС положен принцип многоальтернативности (многовариантности) различных моделирующих модулей, блоков в подсистемах моделирования и принятия решения. Специфика электроэнергетических систем, многолетний опыт эксплуатации ИС требует разработки моделей визуализации потоков электроэнергии и внутренних потерь на многоуровневых структурах электрических сетей с учетом баланса мощностей и токов в отдельных узлах ЭЭС. Сделан вывод о необходимости построения совокупности взаимодействующих программных блоков, объединенных общей базой данных, ориентированной как на графические, так и на аналитические модели. Все разрабатываемые подсистемы должны содержать по несколько алгоритмических вариантов моделей, используемых на раз-

пых Э1апах и временных интервалах в условиях неопределенности информационной среды.

Во второй главе рассмотрен один из главных модулей подсистем принятия решений - моделирования и анализа потерь в электроэнергетических системах как специфических обьектов контроля и управления. Проведена классификация потерь электроэнергии (рис.I) н выделены основные составляющие (технологические и коммерческие). Наибольшие возможности с точки зрения их моделирования имеют сетевые и транзитные нагрузочные потери. Относительные потери электроэнергии при ее передаче и распределении в электрических сетях можно считать удовлетворительными, если они не превышают 4-5%, а потери на уровне 10% считаются максимально допустимыми.

Общая концепция моделирования, используемая в работе, включает следующие этапные составляющие:

- создание библиотеки моделей для визуального схемотехнического моделирования с выделением нескольких уровней (от распределительных систем до генерирующих и сетевых компаний регионального и межрегионального масштаба);

- разработка математического обеспечения для численного исследования и способов визуального представления результатов аналитического моделирования;

- создание специализированных программных средств автоматической генерации моделей и форматированного представления схем разного уровня иерархии с использованием распределенных СУБД;

- осуществление параметрической и структурной идентификации схем моделирования по данным энергетических обследований;

- решение прикладных задач проектирования и оптимизации режимов существующих сетей, включая модельные оценки технических потерь.

Рис.1. Классификация потерь в электроэнергетических системах

Для достижения поставленных целей необходимо кооперированное использование теории моделирования электрических сетей, численных методов анализа и объектно-ориентированного программирования.

Осуществлено принципиальное разделение этапов визуального схемного моделирования и аналитического моделирования с элементами визуализации результатов имитационных расчетов для обеспечения эффектного взаимодействия пользователя с подсистемой принятия решения.

Используемая система моделирования и анализа потерь представлена несколькими типами аналитических соотношений, позволяющих осуществить определение:

- нормативных потерь, рассчитываемых на основе типовых отраслевых инструкций по расчету и анализу технологического расхода электроэнергии (учитываются балансовые соотношения);

- удельных потерь Д цг , рассчитываемых по каждому узлу усредненной схемы энергопотребления за расчетный период Т (обычно месяц); получение эквивалентной схемы замещения в установившемся режиме по средним значениям в контролируемых узлах из архива измерений по данным АСКУЭ. В качестве базовой модели используют соотношение для нагрузочных потерь на всех -линейных элементах сети:

К1(V/,,2 ) «

АУ,у=-Ф (1)

где Яу- активное сопротивление элемента сети; Кф - коэффициент формы нагрузки; IV^ - активные и реактивные составляющие потоков.

По направленному графу схемы радиальной сети по заданным отпускам энергии в узлах (потребителей) определяются потоки энергии в элементах сети

^ = Гц (2)

где 1УИ, - отпуск ЭЭ от узлаШРт, - потери в шунтах элемента сети.

На втором этапе производится расчет напряжений, начиная от балансирующего узла (БУ), по направлению к концу линий по данным начала ветви, и производится итеративное уточнение потерь энергии и потоков энергии до достижения желаемой точности по разнице суммарного потока ЭЭ в БУ между последними итерациями к и к-1,т.е.

К^-и^'И,, Кй-^'Ис, (з)

где и 4р - малые положительные числа.

- расчеты потерь с приведением исходной системы к эквивалентной по потокам энергии. В этом случае выбор метода расчета потерь энергии осуществляется на основе анализа топологии сети. В зависимости от возможности получения данных об изменении нагрузок узлов за расчетный период для сложно-замкнутой сети могут применяться или метод, использующий статистическое • моделирование графиков нагрузок по обучающим выборкам графиков, или метод прямого почасового интегрирования по графикам электрических нагрузок.

Для разомкнутых участков сети применякися методы средних нагрузок с учетом характерных суточных графиков нагрузок на головных участках - кроме того, в работе реализованы проекшо-расчетные модели. В основе таких моделей лежит возможность представления процессов в электрических сетях при определенных допущениях в форме математических соотношений, вытекающих из законов Кирхгофа и Ома на основе рассмотрения так называемых схем замещения. Расчет ведется по уравнениям установившихся режимов с ограничениями на конструктивные А' и режимные Z параметры:

/-'(х. Z) = о; л7™. > х > л7,™,; z„,„. > г > z........(4)

При этом потери мощности можно вычислить как квадратичные формы от активных (/: и реактивной U" составляющих напряжений узлов для полной матрицы узловых проводимосгей У,,:

AS. = ДА + уда 1

ДЛ = U'J СЛЛ + (Л' GJJl I, (5)

bOr = UiBJU[+UjBMl\ где >•,._ = а - yR; , = i/; + ju; (6)

В частных оптимизационных задачах чаще всего интересуются задачами минимизации потерь активной мощности дл при соблюдении ограничений на заданные токи и напряжения в узлах сети.

Обычно модели (4-6) имеют большую размерность и требуется использование специализированных программных комплексов и методов решения.

В работе использован программный комплекс SimPower Systems, реализующий метод Ньютона для решения системы нелинейных уравнений баланса мощностей в сочетании с методом Гаусса для решения линеаризованных систем уравнений на каждой итерации метода Ньютона. Для разомкнутых участков сети применены специальные топологические методы расчета, которые позволят существенно улучшить сходимость метода Ньютона благодаря значительному сокращению размерности решаемой системы нелинейных уравнений.

Эксплуатационный персонал (для оперативно-диспетчерского управления) получает информационную модель сети, которая хранится в общей графической базе данных (принципиальная схема, расчетные значения потерь энергии и мощности, напряжений и токов и другие характеристики) и в режиме принятия решений использует для анализа последствий оперативных переключений, особенно в аварийных режимах.

Создание подобных библиотек расчетных моделей для типовых вариантов режимных соединений, постоянное пополнение подобных библиотек новыми расчетно-графическпми моделями и их поддержание и модификация - очень важная и самостоятельная проблема.

Отдельный блок составляют модели межсистемных перетоков электроэнергии. Здесь исполыу ются следующие типы моделей:

- расчетные аналитические соотношения для определения указанных потерь по нормативным инструкциям с использованием реальных данных АСКУЭ (обычно средние за период Т-месяц (квартал, год));

- эмпирические модели, которые строятся для каждой энергосистемы. Обычно потери мощности ЛР1р и потери энергии Д\Утр имеют вид квадратичного функционала и достаточно хорошо аппроксимируются функцией :

ЛРтр=а,Рф+а2Рф: + ао, (7)

где Ртр — передаваемая мощность транзитного перетока через энергосистему, коэффициенты а0. сь получают путем аппроксимации экспериментальных данных.

В третьей главе рассмотрены методы анализа устойчивости ЭЭС. Даны основные понятия и определения динамической и статической устойчивости и -выделен подкласс задач асимптотической устойчивости для алгоритмического учета ограничений в различных оптимизационных задачах, особенно на региональном уровне при управлении в сбойных ситуациях: короткие замыкания, отключения мощных агрегатов в системе и резкие изменения мощности нагрузок, когда нарушается равновесие между выработкой и потреблением энергии. Возникающие при этом переходные процессы могут привести к значительному возрастанию углов между ЭДС работающих генераторов и напряжением сети, а также к резкому изменению напряжения в основных узлах системы. В результате отдельные генераторы и электростанции могут выпасть из синхронизма, нарушив устойчивость работы системы. Восстановление нормального режима работы систем в таких случаях связано с длительным перерывом питания большой части потребителей электрической энергии.

Для проверки условий устойчивости выбрано несколько вариантов моделей для работы с другими модулями систем моделирования ЭЭС и соответственно несколько типов критериев устойчивости: алгебраические, способ Э-разбиения и критерий Михайлова.

Проведен анализ возможностей идеализации электроэнергетических систем для упрощения исследований по статической устойчивости. Все параметры системы разделены на конструктивные (задаются на периоде проектирования), настроечные (для регуляторов возбуждения синхронного компенсатора) и режимные, которые характеризуют режим электрической системы в целом.

При анализе устойчивости рассмотрены вопросы определения предельных • режимов в условиях максимальных нагрузок. Однако при наличии устройств автоматического регулирования, делающих электрическую систему склонной к самораскачиванию, необходимо проверять устойчивость также при малых и средних нагрузках.

Проверка условий устойчивости и, если это необходимо, изменение параметров осуществляются в следующем порядке: режчмные, настроечные. Условия устойчивости в пространстве режимных параметров (напряжение в узлах, реактивные мощности и коэффициенты трансформации регулируемых транс-формаюров). 1.е условия, при соблюдении которых все вещественные части

х

комплексных корней и все вещественные корни будут отрицательными, можно найти r аналитической форме, выразив их через определенные алгебраические соотношения между коэффициентами характеристического уравнения. Само характеристическое уравнение D(p) получают из системы линеаризованных уравнений состояния ЭЭС, а искомые алгебраические соотношения - в соответствии с критерием Рауса-Гурвица. В работе разработаны программные модули как для критерия Рауса, так и для критерия Гурвица с использованием специальной его версии - приведением предпоследнего определителя Гурвица к диагональной форме, что позволяет использовать его для высоких степеней характеристического уравнения системы D(p). Указанный программный модуль реализует следующий алгоритм:

- для системы уравнений установившихся режимов F(\X,Y) = 0, характеризующих баланс мощностей или токов в узлах сети (А - режимные параметры , У - настроечные, являющееся функцией конструктивных параметров Z) находится якобиан J =\\9!у~,у\\ - те- осуществляется линеаризации системы для вектора х "'" - режимных параметров из блока оптимизации;

- строится характеристический определитель для матрицы Л=||7.р|| и определяется искомое характеристическое уравнение из условия:

D(p) = det[A] = а„ +а,р + а2р: + . а„р" = 0; (8)

- используя коэффициенты характеристического уравнения а„ строится матрица Гурвица в диагональной форме, строятся определители Гурвица Д,,А, ..Д„ и проверяется условие устойчивости Л, >0;

- параллельно, во избежание ошибок, дублируется проверка устойчивости по методу Рауса.

Если система оказывается неустойчивой, то исследуется поведение системы в пространстве управляемых параметров, в качестве которых обычно выбираются: коэффициенты регулятора возбуждения на балансирующий станции, вектор перетоков при устранении дисбаланса электропотребления на региональном уровне. Поскольку эта задача имеет небольшую размерность - используется метод D- разбиения, который позволяет детально исследовать область устойчивости в пространстве управляемых параметров}'. Такая последовательность исследования и проверки алгоритмических ограничений по устойчивости позволяет избежать «зацикливания» в задаче оптимизации регионального энергопотребления.

В четвертой главе рассмотрены оптимизационные модели принятия решений на уровне регионального энергопотребления. Выделены несколько типовых оптимизационных задач, уровень генерирующих компаний; режим электрической сети; управление региональным энергопотреблением в целом. Решение этих отдельных локальных задач необходимо согласовать между собой, чтобы обеспечить оптимальность полученного результата по отдельным критериям В работе предлагается иерархический способ связывания, когда между задачами чсгапавливаетея отношение вложенности, при котором одна задача

ч

считается внешней по отношению к другой. Полная независимость задачи регионального энергопотребления возможна только в частном случае при выполнении следующих условий:

- система остается устойчивой, как при отключении части потребителей, так и при включении дополнительных энергомощностей;

- в сети при этом соблюдается полный баланс по токам и напряжениям с соблюдением всех технических ограничений в узлах;

- неизменность потерь активных мощностей и их практическое нулевое значение.

Поскольку в общем случае эти условия, конечно, не соблюдаются, необходимо проверять соответствующие алгоритмические ограничения на втором этапе решения этой оптимизационной задачи на соответствие задачам сетевых и генерирующих компаний.

Иными словами, задача управления региональным энергопотреблением в условиях сбойных ситуаций требует 2-3 этапов реализации с последующей проверкой алгоритмических ограничений (блоки «устойчивость» и «баланс»). Общая иерархия задач оптимизации представлена на рис. 2. Заметим, что их целесообразно решать на разных временных интервалах: Л7", КАТ, тг, и\Т, где I > N > К

Рис. 2. Иерархическая структура задач оптимизации В общем случае дисбаланс выработки и потребления электроэнергии может ' быть как положительным, так и отрицательным.

= М{Ш')-- -¿/'„, -.V' |, (9)

I ■ II I

где Р,с„. Р,,,, - генерирующие н потребляемая мощность в узлах сети энергосистемы с заданной натру жоп АР^- потери активной мощности в системе Здесь

1о

I принято, что все составляющие баланса активной мощности получены по дан' ным АСКУЭ с учетом прогноза на интервал ЬДТ. Работа координирующего алгоритма зависит от знака ЭР и сводится к решению ряда задач и соответственно оптимизационных моделей Я, управления, которые удобно записать в терминах продукционных моделей <ЕСЛИ....ТО>: Я,: ЕСЛИ {ОР>0;ОР>(Р£-Р£) } (10)

ТО ищутся новые значения генерирующих мощностей Р^ по критерию

= РР+АРг

(И)

к-1 к-1 где С, - цена условного топлива на каждой станции;

" расходная характеристика каждой станции (часовой расход условного топлива В, при заданной генерирующей мощности Рп).

Я2: ЕСЛИ {оР>0;ВР<(Р™-Р™)} (12)

ТО мощность балансирующей станции ?„*„ находится с учетом дР -допустимого дисбаланса. я6'„ = ОР- Р(- дР (13)

Я3: ЕСЛИ {ВР < 0,|д?| > (Р67 (14)

ТО (компенсация дефицита ведется путем отключения части потребителей V,, включения дополнительных генерирующих станций или закупки энергии на оптовом рынке):

пипад, WJ) = V, + +

.-1 ,.1

АР = (£РУ, -¿Р/Р, + Р3) < дР 1-1

(15)

Я4: ЕСЛИ {ОР < 0;|ОР| < (Р6"„" -

Заметим, что правила Яг, рассчитаны на активное использование только балансирующей станции с мощностью:

(16) (17)

(18)

Аналогичным образом рассматриваются и задачи более низких уровней иерархии Общая структура информационных связей - на рис. 3.

Во всех вариантах постановок оптимизационных задач «узким местом» являются алгоритмические ограничения по устойчивости, т.к. их проверка в случае нарушения устойчивости может привести к повторным расчетам и этот цикл может повторяться несколько раз: «расчет - оптимизация - проверка устойчивости».

[ Проверка

алгоритмических \ ограничений по устойчивости

Рис.3. Структура информационных связей алгоритмов Представляют интерес введение ограничений по устойчивости прямо в соответствующие постановки задач оптимизации на разных уровнях. Это позволяет получить хорошие начальные приближения в системе и избежать зацикливания. Особенно это могло бы быть полезно при решении задач долгосрочного планирования и соответственно заблаговременного выбора рекомендуемых оптимальных решений.

Рассмотрим следующий подход. В общую постановку задачи оптимизации надо добавить ограничения на (А,К) в форме дополнительной функции f(A',F) > 0, если установившийся режим (Л' ,1' ) устойчив

Аналогом такой функции может быть дискриминантная функция, которая обычно используется в диагностических моделях принятия решения в условиях стохостатической неопределенности:

d(x)= Т(Л') при У = }'..........(19)

Требования к линейности D(x) являются достаточно жесткими (нормальность и равенство ковариационных матриц), и реальной статистикой по неустойчивым режимам мы можем располагать лишь по данным предварительных машинных экспериментов, более точной является нелинейная дискриминантная функция:

1хУ) = (X-MJY,,! (Х-ьГ,)' -(^-"м^Г/ (X-W,)', (20)

где L-матрица ковариации, V/.,, м, - векторы среднестатистических значений режимных параметров для устойчивых Н(> и неустойчивых Н[ состояний.

Функция D(x) является квадратичной формой (квадратичным ограничением). что може1 частично осложнить процедуру оптимизации. Поэтому целесообрашо осуществить кусочно-линейную аппроксимацию:

/J(\,l= "(Л,. (21)

При Л'е ( V, ), i).v-I2, т. ije к1 1. ill -число интервалов кусочно-линейной аппроксимации.

В работе также рассмотрены факторы, влияющие па точность использования /НЛ\), которые требуют проведения имитационных экспериментов на ЭВМ в фоновом режиме и запоминания 1)(Х) в ГБД вместе с проектно-расчетными моделями.

В пятой главе описаны особенности реализации концепции графического моделирования и визуализации принятия решений на базе ИнГИС-Энерго. Рассмотрены подсистема графического моделирования, программные средства поддержки графической подсистемы, связь с подсистемой аналитического моделирования. Для обеспечения функций визуализации принятия решений реализованы процедуры отображения, которые:

- соотносят динамические файлы значений показателей, формируемых из устройств сбора данных АСКУЭ, АСДУ с их наименованиями и объектами в моделях энергосистем;

-производят все требуемые расчеты по оперативным, диагностическим, отчетным задачам функциональных подсистем управления производством, ремонтом, сбытом с использованием программных средств Delphi, Excel и Word;

-выводят текущие значения показателей на схемы и обновляют их в темпе коммерческого диспетчирования.

В состав ИнГИС дополнительно включены задачи и средства реализации с графической поддержкой:

• Разработка моделей, методов, алгоритмов и программных средств интерактивного формирования баз данных энергооборудования и коммуникационной аппаратуры для всех видов однолинейных схем распредуст-ройств подстанций.

• Расчёты режимов потребления и потерь электроэнергии на основе расчётных схем сетей, выделенных из общей схемы Единой национальной электрической сети ЕЭС.

• Разработка моделей, методов и программ расчетов перетоков электроэнергии в сечениях (границах разделов) электрических сетей субъектов оптового рынка (ОРЭ) для сравнения и результатов расчета с фактическими данными контрольных замеров ОИК и АСКУЭ максимального и минимального режимов.

При этом особое внимание уделено моделированию однолинейных схем распределительных устройств подстанций в атрибутивных базах данных и их графическому отображению.

Как и в С1М. понятийное содержание предметных областей проектируемых систем представляется информационными моделями «сущность - связь» в виде диаграмм классов объектов (ДКО), отображаемых в базах данных. Сущности включают все классы объектов энергосистем, необходимые для нормировании процессов в этой области, установленные семантические связи

отображают отношения между ними в реальных энергосистемах. При формировании моделей однолинейных схем PY в БД используются созданные в них таблицы классов объектов схемных элементов РУ.

Алгоритм генерирования графических отображений и визуализации схем РУ из сформированных для них в атрибутивных БД топологических моделей определяет логику конструирования изображения схем с последовательным выводом из специально созданной графической библиотеки условных обозначений энергооборудования и коммутационной аппаратуры, систем шин и их схемных токоведущих элементов схем РУ (участков присоединений ВЛ и обмоток трансформаторов, соединительных узлов и терминалов). При этом каждый из них автоматически «привязывается» к экземплярам соответствующих таблиц классов БД, созданной топологической модели реальной схемы РУ. Предусмотрены вывод на графическую схему усеченных (без имени ПС) идентификаторов схемных объектов, так называемых «модельных» наименований.

Для генерации схем из атрибутивных БД и хранения визуального представления модели схем РУ ПС выбран формат графического файла международного стандарта SVG (Scalable Vector Graphic), который удовлетворяет требованиям широкого использования: открытости для описания структуры файла, векторного способа обработки данных, унификации хранения любого объекта схемы, применения библиотеки графических обозначений объектов, возможности использования в WEB-приложениях, поддержки анимации объектов и применения HTML - скриптов.

В формате SVG создана библиотека графических условных изображений типовых объектов, используемых в качестве конструкционных элементов для компоновки схем с типовым оборудованием сетевых компаний (рис.4). Создано автоматизированное рабочее место разработчика по моделированию и анализу однолинейных схем подстанций (рис.5). Полученная схема сохраняется в векторном WEB-совместимом формате SVG с отображением привязки конечного схемного объекта к БД; сочетание таких отображений - графическая БД с интерфейсами и подсказками для исполнителей.

; ^nfeipttuW« ффмафмлм» <->*м {»»V * -г .тгЙ

0 . .....'............. ............................................ f

■12Ш,4 /пВД I I 4s 111: ^ f H H j,s I

О U~j I I r~l . L-; fOj i ;

•r * 8 0 0 \ 1 : f Jsb :

; Ь^лчоы a iri-дмв ;:

'yte^v^ .TH^c'«»»«.- TjfWbi-wic^*' Га ; 3 БчЗмттг«« fHiiKeTc^c^^E'ПСЧ'О;:

Рпс.4. Встроенная библиотека типовых элементов

U

—,—.—„_..„ Л-Ь» о..,------ -

Рис.5. АРМ моделирования РУ ПС,

Технологии моделирования и генерации схем РУ прошли проверку при формировании топологических моделей однолинейных схем всех распределительных устройств 144 подстанций 330 кВ и выше для проекта ОАО «ФСК ЕЭС РФ». Подготовлены альбомы их распечаток для каждого ПМЭС. В альбомы включены списки объектов и средств измерения по каждому РУ, сформированные по единому формату из БД.

Разработанные средства моделирования однолинейных схем распределительных устройств подстанций в атрибутивных базах данных и их визуализация в графических файлах и на экране предназначены для изготовления и достоверизации электронных однолинейных схем подстанций в сетевых компаниях.

Основные подсистемы графического моделирования и визуализации принятия решений проходят экспертную проверку и патентование в Роспатенте.

Внедрение осуществлено на примере Воронежской и Волгоградской РСК с общим экономическим эффектом 200 тыс. рублей в год. Акты внедрения - в приложениях диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе системного анализа проблем построения автоматизированного учёта и оперативно-диспетчерского управления выявлена необходимость их функциональной интеграции путем создания специализированных подсистем принятия решений и визуально-графического моделирования.

2. Осуществлен анализ особенностей задач оптимизации регионального энергопотребления и выявлена необходимость их модификаций за счёт блоков и модулей учёта ограничений по устойчивости и минимизации потерь активной мощности.

3. Проведена классификация потерь электроэнергии и выделены основные составляющие технических потерь: транзитные и нагрузочные - подлежащие \чёт\ п минимизации в информационных системах принятия решений.

4. Создана специализированная библиотека моделей расчёта потерь активной мощности и системных перетоков в различных режимных ситуациях с последующим визуальным представлением на электрических схемах.

5. Предложены модели критериальных оценок статической устойчивости «в малом» и реализованы соответствующие программные модули для проверки алгоритмических ограничений при оптимизации регионального энергопотребления.

6. Рассмотрена иерархия оптимизационных задач в ЭЭС и иерархический способ связывания оптимизационных моделей с учётом их вложенности по разным критериям оптимизации с разрывом контуров электрических сетей для их эквивалентного расчетного представления.

7. Разработан алгоритм прямого учёта ограничений по устойчивости путём кусочно-линейной аппроксимации нелинейной дискриминантной функции по данным имитационного моделирования.

8. Разработан координирующий алгоритм оптимизации регионального энергопотребления с учётом знака дисбаланса генерирующих и нагрузочных мощностей с приоритетным использованием балансирующей мощности генерирующей станции (генерирующего узла).

9. Предложена и реализована на примере ряда сетевых компаний подсистема визуализации и принятия решений реализующая универсальные средства разработки территориальных и функциональных подсистем и использующих единый язык описания концептуальных моделей и логических баз данных.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Формирование топологических моделей однолинейных схем подстанций в атрибутивных базах данных и автоматизация изготовления их графических представлений / М.И. Чудинов, Ю.В. Кисляков, Ю.А. Лимарев, В.П. Ульев // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2006. Т.2. №12. С.88-94.

2. Матюшевский К.Л., Чудинов М.И. Способы воздействия на электрические системы при электромеханических переходных процессах А Вестник Воронежского государственного технического университета, 2007.Т.З.№12.С.85-97.

3. Матюшевский К.Л., Чудинов М.И. Оптимизация потерь электрической энергии в сетях при ликвидации аварийного режима на подстанции//. Вестник Воронежского государственного технического университета.2007.Т.З. №5.с.33-38.

Статьи и материалы конференций

4. Кисляков Ю.В., Чудинов М.И. Системный анализ международного стандарта Общей Информационной Модели энергосистем // Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж, 2006. С. 373-377.

5. Программно-информационный комплекс моделирования и отображения однолинейных схем подстанций / Ю.В. Кисляков, В.П. Ульев, М.И. Чудинов, М.А. Щербакова // Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность городов: Всерос. науч.-практ. конф. Волжский, 2006. С. 98-104.

6. Чудинов М.И., Матюшевский К..Л., Ульев В.П. Генерация оборудования распределительных устройств подстанций в базе данных // XX Международная научная конференция ММТТ-20. Ярославль, 2007. Т.6. С. 307-309.

7. Визуализация однолинейных схем подстанций из их топологических моделей в атрибутивных базах данных / И.А. Ларин, М.И. Чудинов, К.Л. Матюшевский, В.П.Ульев // Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж, 2007. С. 583-587.

8. Матюшевский К.Л., Чудинов М.И. Генерирование объектов распределительных устройств подстанций в базе данных // Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. Воронеж, 2007. С.16.

9. Чудинов М.И., Матюшевский К.Л. Генерирование схем РУ ПС из атрибутивных БД II Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве: труды Всерос. конф. Воронеж, 2007. С.23.

10. Kisliakov J.V., Podvalyny S.L., Ulev V.P., Chudinov МЛ., Chernikova I.A. Automation of formation of topological models of circuits of substations inat-tributivedatabases and a conclusion of their graphic representations//Proceedings of the 17th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing. C.905-911. USA Philadelphia, 2007.

11. Подвальный С.Л., Чудинов М.И., Матюшевский К.Л. Автоматизация топологических моделей схем подстанций в атрибутивных базах данных и вывода их графических представлений // Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования: II Междунар. науч. конф. Воронеж, 2007. С. 156-157.

12 Чудинов М.И., Матюшевский К.Л. Анализ коммерческих потерь электроэнергии в электрических сетях // Высокие технологии энергосбережения. Воронеж, 2007. С. 82-83.

13. Подвальный С.Л., Чудинов М.И., Матюшевский К.Л. Основы построения систем моделирования и принятия решений в автоматизированных комплексах коммерческого учёта электроэнергии // Высокие технологии энергосбережения. Воронеж, 2007. С. 183-184.

14. Подвальный С.Л., Чудинов М.И. Блочное проектирование однолинейных схем распределительных устройств подстанций для их графического представления в оперативных схемах нормального режима электрических сетей // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Курск, 2008.С.62-64.

15.Подвальный С.Л., Чудинов М.И. Генерирование моделей распределительных устройств подстанций в базе данных // Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации. Курск, 2008. С. 207-208.

Подписано в печать 06.11.2008. Формат 60x84/16. Бумага для множительных аппаратов. Усл. печ. л. 1,1 • Тираж 90 экз. Заказ №

ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» 394026 Воронеж, Московский просп., 14

СОДЕРЖАНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И УПРАВЛЕНИЯ В РАСПРЕДЕЛЁННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМАХ.

§1.1 Основные функции и проблемы автоматизированного контроля и учёта электроэнергии.

§1.2 Общая структура региональной АСКУЭ.

§1.3. Информационное и графическое обеспечение процессов принятия решений в интегрированных АСКУЭ.

§1.4. Оперативно-диспетчерское управление в рамках автоматизированных систем регионального уровня.

§1.5 Оптимизационные модели и методы управления в автоматизированных системах регионального энергопотребления.

Выводы по главе 1.

ГЛАВА 2 МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ПОТЕРЬ В

АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ.

§2.1. Электро-энергетические системы, как объекты контроля.

§2.2. Моделирование электрических систем в составе специализированных программно-аппаратных комплексов.

§2.3. Моделирование распределения потоков энергии в ЭС.

§2.4. Межсистемные перетоки электроэнергии.

Выводы по главе 2.

ГЛАВА 3 УСТОЙЧИВОСТЬ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ.

§3.1 Определение статической и динамической устойчивости.

§3.2. Способы идеализации системы при исследованиях статической устойчивости.

§3.3 Постановка задачи об анализе устойчивости электрических систем.

§3.4 Математические методы, применяемые при исследовании. устойчивости.

§3.5 Виды расчетов статической устойчивости.

§3.6 Алгебраические критерии устойчивости.

§3.7 Выделение областей устойчивости (способ Д-разбиения).

§3.8 Пример анализа устойчивости автоматически регулируемой электрической системы.

Выводы по главе 3.

ГЛАВА 4. ОПТИМИЗАЦИОННЫЕ МОДЕЛИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ.

§4.1. Иерархия оптимизационных задач в электроэнергетических системах.

§4.2 Разработка координирующего алгоритма иерархии задач. оптимизации.:.

§4.3. Прямое введение ограничений по устойчивости* в задачи комплексной оптимизации.

Выводы по главе 4.

ГЛАВА 5 ГРАФИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ПРИНЯТИЯ-РЕШЕНИЙ НА БАЗЕ ИНГИС ЭНЕРГО.

§5.1 Интегрированная графическая информационная система сетевых и генерирующих энергетических компаний ИнГИС Энерго.

§5.2 Особенности реализации концепции графического моделирования и визуализации принятия решений.

§ 5.3 Моделирование однолинейных схем распределительных устройств подстанций в атрибутивных базах данных и их визуализация.

§ 5.4 Реализация и внедрение на примере Воронежской РСК.

Выводы по главе 5.

Актуальность темы

Реформирование электроэнергетической отрасли России существенно влияет на технологическую политику и стратегию всех участников рынка энергии и особенно крупные промышленные объединения, стимулируя внедрение информационных технологий как в части оптимизации управления для стимулирования энергосбережения, так и в части обоснованного с экономической точки зрения выхода на оптовый рынок электроэнергии. В связи со структурными изменениями в отрасли резко возрос интерес к построению различных локальных информационных систем (ИС), ориентированных прежде всего на достоверный учёт расхода электроэнергии в рамках автоматизированных систем коммерческого учёта электроэнергии (АСКУЭ), а также всесторонний анализ потерь с выходом на последующее управление в рамках систем оперативно-диспетчерского управления (АСДУ). В то же время наряду с созданием локальных систем, созданных и подчинённых конкретному владельцу, в последнее время определился иерархический аспект учёта и управления и необходимость построения интегрированных информационных систем с приданием им функций принятия решений.

При разработке информационных систем учёта и управления регионального энергопотребления требуется учесть как распределенный характер объекта в наличие случайных возмущений и вероятностный аспект функционирования, так и необходимость визуализации принимаемых решений с позиций последующей оптимизации.

В любом случае речь идёт о создании специальной системы (подсистемы) принятия решений, которая обеспечивает ЛПР необходимой информацией для визуализации анализируемых режимов поведения электроэнергетической системы с учётом различных критериев и ограничений на данном временном интервале. Кроме того, необходимо развитие графических средств визуализации альтернативных вариантов управленческих решений для оперативной оптимизации.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы продиктована необходимостью повышения эффективности автоматизированных систем управления регионального энергопотребления за счёт совершенствования моделей и алгоритмов принятия решений, а также графических средств их визуализации. Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» «Вычислительные системы и программно-аппаратные комплексы», а также поддержана грантом ФСМП, раздел «У.М.Н.И.К.», «Моделирование аварийных ситуаций в электрических сетях и оптимизация принятия решений на базе комплекса ИнГИС» №888515/05-08. Цель работы и задачи исследования.

Целью диссертационного исследования является разработка графических моделей сложных многоуровневых электрических систем регионального электроснабжения и их элементов, оптимизационных моделей принятия управленческих решений, в том числе в аварийных ситуациях, а также соответствующих графических средств визуализации для повышения эффективности оперативного управления.

Для реализации постановленной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:

- системный анализ проблематики автоматизированного контроля и управления в региональных распределённых энергосистемах и возможностей создания интегрированных информационных систем;

- моделирование и анализ технических потерь в распределённых энергосистемах, обеспечивающих режим энергосбережения на основе оптимизации режимов и сетевых параметров ЭЭС;

- алгоритмизация определения устойчивости в электрических сетях как на основе прямой проверки алгоритмических ограничений, так и с использованием критериев статической устойчивости в соответствующих оптимизационных задачах;

- построение оптимизационных моделей принятия решений, а также разработка координирующих алгоритмов на уровне регионального энергопотребления с целью устранения дисбаланса в генерации и потреблении электроэнергии;

- разработка графических средств моделирования и визуализация вариантов принятия управленческих решений в интегрированных ИС;

- практическая реализация комплекса средств графического моделирования и визуализации принятия решений в рамках сетевых компаний на базе Ин-ГИС-Энерго.

Методы исследования

Основаны на использовании положений теории математического моделирования, теории электрических цепей, методов оптимизации и исследования операций, математического программирования, объектно-ориентированных баз данных, а также теории управления технологическими процессами и производствами.

Научная новизна.

В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

- иерархическая структура комплекса моделей задач принятия управленческих решений и иерархический способ связывания оптимизационных задач, отличающиеся учётом их вложенности по разным критериям с разрывом контуров электрических сетей для эквивалентного модельного представления;

- координирующий алгоритм оптимизации параметров процесса регионального энергопотребления с учётом знака дисбаланса между генерирующими I и нагрузочными мощностями в системе с приоритетным использованием балансирующей мощности генерирующего комплекса;

- оптимизационные модели принятия решений, отличающиеся способом прямого учёта ограничений по устойчивости в форме кусочно-линейной дискриминантной функции в процессе оптимизации регионального энергопотребления;

- концепция и комплекс средств графического моделирования и визуализации вариантов управленческих решений, отличающиеся унификацией разработки территориальных и функциональных модулей, ориентированных на формирование многоуровневых графических моделей на основе единого языка описания концептуальных моделей и логических моделей данных интегрированных- информационных систем. Практическая значимость работы.

Предложенные в работе модели и алгоритмы принятия решений по управлению региональным энергопотреблением могут быть реализованы в составе средств математического обеспечения интегрированных автоматизированных систем.

Разработанное программное обеспечение можно использовать для практических задач оптимизации, оценки устойчивости сложных электрических систем, а также получения кусочно-линейных ограничений по данным моделирования для типовых режимов функционирования региональных ЭЭС. Кроме того, программно-аппаратный комплекс может быть применен для обучения студентов и повышения квалификации персонала оперативно-диспетчерских служб.

Реализация и внедрение результатов работы.

Основные теоретические и практические результаты внедрены в форме программных подсистем «Визуализация и принятие решений», «Моделирование однолинейных схем подстанций», входящих в состав ИнГИС-Энерго.

Внедрение интегрированной информационной системы проведено в Воронежской и Волгоградской сетевых компаниях с годовым экономическим эффектом 200 тысяч рублей в год. Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: XX Международной научной конференции ММТТ-20

Ярославль 2007), «Информационные технологии моделирования и управления (Воронеж 2006), Всероссийской научно-практичекой конференции. «Ресурсо-энергосбережение и эколого-энергетическая безопасность городов» (Волжский

2006), Информационные технологии моделирования и управления (Воронеж

2007), труды Всероссийской конференции. «Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве» (Воронеж 2007), Рго-ceedings of the 17th International Conference on Flexible Automation and Intelligent Manufacturing June 18-20, 2007 • Philadelphia, USA, II Международной научной конференции. «Современные проблемы прикладной математики и математического моделирования» (Воронеж 2007), «Оптико-Электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обработки изображений и символьной информации» (Курск 2008), а также на ежегодных научных семинарах профессорско-преподавательского состава ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет» и научных семинарах кафедры автоматизированных и вычислительных систем в 2005-2008 гг.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 15 научных работ, в том числе 3-в изданиях рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: [3,4,5,6]-концептуальная модель графического представления распределённой ЭЭС; [7,8,9]- критерии и оптимизационные модели регионального энергопотребления; [10,11]- модель и координирующий алгоритм устранения дисбаланса генерирующих и нагрузочных мощностей; [12,13,14,15] — иерархия оптимизационных задач и иерархический способ связывания локальных критериев и ограничений с эквивалентным представлением расчётных электрических схем. Структура и объём работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 144 наименований. Основная часть работы изложена на 142 страницах, содержит 35 рисунков, 5 таблиц и 7 приложений. Краткое содержание работы

Выводы по главе 5

1. Рассмотрены основные подсистемы ИнГИС и возможность дополнения её подсистемой «Визуализация принятия решений»

2. Осуществлена программная реализация общей концепции графического моделирования и принятия решений и выделены её основные этапы и дополнительные функции при решении различных прикладных задач в рамках интегрированных информационных систем.

3. Разработана подсистема моделирования распределительных устройств подстанций и показана возможность выделения автоматизированного рабочего места разработчика в отдельную подсистему ИнГИС

4. Реализация и внедрение результатов диссертационного исследования осуществляется.на примере Воронежской и Волгоградской сетевых компаний; приводится основные детали практического внедрения , в том числе для анализа потерь энергии и визуализации принятия решений.

Заключение и выводы

В диссертационном исследовании решён комплекс задач оптимизации регионального энергопотребления на основе графического моделирования и визуализации принятия решений. Основные результаты работы:

1. На основе системного анализа проблем построения автоматизированного учёта и оперативно-диспетчерского управления выявлена необходимость их функциональной интеграции путем создания специализированных подсистем принятия решений и визуально-графического моделирования.

2. Осуществлен анализ особенностей задач оптимизации регионального энергопотребления и выявлена необходимость их модификаций за счёт блоков и модулей учёта ограничений по устойчивости и минимизации потерь активной мощности.

3. Проведена классификация потерь электроэнергии и выделены основные составляющие технических потерь: транзитные и нагрузочные — подлежащие учёту и минимизации в информационных системах принятия решений.

4. Создана специализированная библиотека моделей расчёта потерь активной мощности и системных перетоков в различных режимных ситуациях с последующим визуальным представлением на электрических схемах.

5. Предложены модели критериальных оценок статической устойчивости «в малом» и реализованы соответствующие программные модули для проверки алгоритмических ограничений при оптимизации регионального энергопотребления.

6. Рассмотрена иерархия оптимизационных задач в ЭЭС и иерархический способ связывания оптимизационных моделей с учётом их вложенности по разным критериям оптимизации с разрывом контуров электрических сетей для их эквивалентного расчетного представления.

7. Разработан алгоритм прямого учёта ограничений по устойчивости путём кусочно-линейной аппроксимации нелинейной дискриминантной функции по данным имитационного моделирования.

8. Разработан координирующий алгоритм оптимизации регионального энергопотребления с учётом знака дисбаланса генерирующих и нагрузочных мощностей с приоритетным использованием балансирующей мощности генерирующей станции (генерирующего узла).

9. Предложена и реализована на примере ряда сетевых компаний подсистема визуализации и принятия решений реализующая универсальные средства разработки территориальных и функциональных подсистем и использующих единый язык описания концептуальных моделей и логических баз данных.

1. Аберсон М.Л. Оптимизация регулирования напряжения. -М.:Энергия, 1975.-160с.

2. Автоматизация энергосистем в АСУ реализацией энергии. Под ред. Л.Г.Мамиконянца.-М.:Энергоатомиздат, 1984. 72с.

3. Автоматизированные системы диспетчерского управления в энергосистемах/ В.А Забегалов., В.Г. Орнов, В.А. Семенов и др./ Под ред. В.А. Семенова-М.: Энергоатомиздат, 1984. 264с.

4. Автоматизированные системы управления режимами энергосистем/ Под ред. В.А. Венникова.М.¡Высшая школа, 1979. 170с.

5. Автоматическое регулирование перетоков мощности по межсистемным связям/Под ред. Л.Д.Стернинсона.-М.-Л.:Энергия, 1989.200с.

6. Автоматизация электроэнергетических систем / О.П. Алексеев, и др.-М.:, Энергоатомиздат, 1994.447с.

7. Айвазян С.А., Бежаева З.И., Староверов О.В. Классификация многомерных наблюдений-М.: Статистика, 1974.-229с.

8. Акритас А.Г. Основы компьютерной алгебры с приложениями. —М.: Мир, 1994.543с.

9. Александров В.В., Лачинов В.М., Поляков А.О. О рекурсивной алгоритмизации кривой, заполняющей многомерный интервал-Известие АН СССР. 1978.№ 1.С. 192-198.

10. Алиев P.A., Церковный А.Э., Мамедова Г.А.Управление производством при нечеткой исходной информации//М.: Энергоатомиздат, 1991. 201с.

11. Алимов Ю.И., Гамм А.З., Ополева Г.Н. Информационное обеспечение диспетчерского управления в электроэнергетике.-Новосибирск: Наука.Сиб.отд-ние,1985. 223с.

12. Андерсон Т. Введение в многомерный статистический анализ, М.: Физмат., 1963, С. 245.

13. Арион В.Д., Каратун B.C., Пасинковский П.А. Оптимизация систем электроснабжения в условиях неопределенности. -Кишенев: Штиинца, 1991. 160с.

14. Артре Ш. Структурный подход к организации без данных: Пер.с англ.-М.: Финансы и статистика, 1983. 253с.

15. Афанасьев В.Н., Колмановский В.Б., Носов В.Р. Математическая теория конструирования систем управления. М.: Высшая шк., 1989. 447с.

16. Ахо А., Хопкрофт Дж., Ульман Дж. Построение и анализ вычислительных алгоритмов. М.: Мир, 1979. - 536с.

17. Балашов Е.П., Пузанков Д.В. Проектирование информационно-управляющих систем-М.: Радио и связь, 1987. 203 с.

18. Баранов Г.JI., Макаров A.B. структурное моделирование сложных динамических систем. -К.: Наукова думка, 1986. 272с.

19. Барзам А.Б. Аварийные режимы энергетических систем и их диспетчерская ликвидация. —М.: Энергия, 1970. 184 с.

20. Барино В.А. и др. Автоматизация диспетчерского управления в электроэнергетике -М.: Московский энергетический институт, 2000.647с.

21. Баринов В.А. , Совалов С.А. Режимы энергосистем: методы оптимизации и управления -М.: Энергоатомиздат, 1990. 438с.

22. Батищев Д.И. Генетические алгоритмы решения экстремальных задач/ Под ред. Львовича Я.Е.: Учеб. Пособие. Воронеж, 1995.

23. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования М.: Радио и связь, 1984. 248 с.

24. Бессонов Л.А. Структуры данных М.: Статистика, 1974. 408с.

25. Бертисс А.Т. Структуры данных. -М.: Статистика, 1974. 388с.

26. Беллман Р., Заде Л. Вопросы принятия решений в расплывчатых условиях // Вопросы анализа и процедуры принятия решений./М.: Мир, 1976. — С. 172-215.

27. Блум Ф., Лейзерсон А., Хофстедтер Л. Мозг, разум и поведение, М.: Мир, 1988. 248с.

28. Богатырев Л.Л. Диагностика аварийных состояний электроэнергетических систем. Свердловск, изд. УПЦ, 1983. 80с.

29. Богатырев Л.Л. Распознавание аварийных ситуаций в электроэнергетических системах электричество, 1978, №6, с. 9-14.

30. Бойчук B.C. , Подвальный С.Л. Роль искусственного интеллекта при автоматизированном управлении сложными системами / Проблемы информации и управления: Межвуз. сб. науч.-Воронеж, ВГТУ, 1996.

31. Боккер П. Передача данных (Техника связи в системах телеобработки данных): Пер.с нем.-М.: Радио и связь, 1981. 95 с.

32. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. Вып. 1,2. М.: Мир, 1974. 220 с.

33. Борисов А.Н., Алексеев A.B., Меркурьева Г.В., Следзь H.H., Глушков В.И. Обработка нечеткой информации в системах принятия решений // М.: Радио и связь, 19889. 304 с.

34. Борисов А.Н., Крумберг O.A., Федоров И.П. Принятие решений на основе нечетких моделей: примеры использования // Рига, Зинатые, 1990, 184 с.

35. Браунли К.А. Статистическая теория и методология в науке и технике. —М.: Наука, 1977. 408 с.

36. Бурденков Г.В. Автоматика, телемеханика и передача данных в энергосистемах. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 147 с.

37. Бурковский В.Л., Харченко P.A., Копелев А.П. Модели и алгоритмы оптимального распределения ограниченных энергомощностей в распределенных энергосистемах // Труды междунар. конф.: Современные сложные системы управления: 2003. С.264 -268.

38. Бурковский В.Л., Назаров В.Н., Харченко P.A. Оптимизационная модель распределения ограниченных энергоресурсов // Материалы науч. техн. конф.: Вычислительные машины, автоматика и робототехника. Воронеж: 2002. С.77-80.

39. Бурковский В.Л., Харченко P.A. Эффективность алгоритмов обучения нейронных сетей для прогнозирования энергопотребления региональной энергосистемы // Межвуз. сб. науч. тр. Электротехнические комплексы и системы управления: Воронеж: 2005. С. 5-8.

40. Быценко С.Г. Инструментальное обеспечение рынка электроэнергии. Концепция создания автоматизированной системы контроля и управления энергопотреблением//Промышленная энергетика 1997. №8

41. Быценко С.Г. Инструментальное обеспечение рынка электроэнергии. Концепция создания автоматизированной системы контроля и управления энергопотреблением//Промышленная энергетика 1998. № 1

42. Бэнн Д., Фармер Е. Сравнительные модели прогнозирования электрической нагрузки. М.: Энергоатомиздат, 1987. 162 с.

43. Вагин В.П., Карпов В.В., Михальченко А.П. Прогнозирование нагрузки расчетного узла энергосистемы при неполной исходной информации. Липецк 1984. 146с

44. Вальтин Ю.Ю., Мельдорф М.Ф. Моделирование нагрузки электроэнергетической системы с учетом метеорологических факторов. Талин 1978. 123с

45. Васильев Д.В. Сабинин О.Ю. Ускоренное статическое моделирование систем управления. Л.: Энергоатомиздат, 1987. 136с.

46. Веников В.А., Литкенс И.В. Математические основы теории автоматического управления режимами электрических систем, Высшая школа, 1964г.

47. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах, Высшая школа, 1985г.

48. Веников В.А. Электрические расчеты, программирование и оптимизация режимов, Высшая школа, 1973г.

49. Венда В.Ф. Системы гибридного интеллекта. М.: Машинострение,1990. 448с.

50. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высшая школа, 2003. 576с.

51. Гамм А.З. Вероятностные модели режимов электроэнергетических систем. Новосибирск: Наука. Сиб.изд.фирма, 1993. 115с.

52. Геман Г.А. Автоматизированные системы управления энергоснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоиздат, 1984. 256с.

53. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. Учебное пособие для вузов. М.: Высшая школа, 1998. 479 с.

54. Гордеев В.И. Регулирование максимума нагрузки промышленных электрических сетей. -М.: Энергоатомиздат. 1986. 182с.

55. Гордеев В.И. Управление электропотреблением и его прогнозирование. -Р.-Д.: Издательство Ростовского университета, 1991. 104с.

56. Гордеев В.И. Регулирование максимума нагрузки промышленных электрических сетей. — М.: Энергоатомиздат, 1986. 62с.

57. Горский Ю.М., Информационные аспекты управления и моделирования. -М.: Наука, 1978. 132с.

58. Гребенник С.П., Казанцев В.Н. Структурный анализ потерь энергии в энергосистемах// Электрические станции. 1975. С. 34-36.

59. Грешилов A.A., Стакун В.А., Стакун A.A. Математические методы построения прогнозов. М.: Радио и связь, 1997. 112с.

60. Грунина Г.С., Деменков Н.П., Евлампиев A.A. Решение Многокритериальных задач оптимизации в условиях качественной неопределенности // Вестник МГТУ.-1998.-№1.-С.45-53.

61. Гуревич Ю.Е., Устройство нагрузки электрических систем, Энергоиздат, 1981г.

62. Гусейнов Ф.Г. Упрощение расчетных схем электрических систем -М.: Энергия, 1978. 236с.

63. Дейт К.Дж. Введение в системы баз данных. -6-е изд. К.: Диэлектрика, 1998. 784с.

64. Дидэ Э. Метод анализа данных. -М.: Финансы и статистика, 1985. 238с.

65. Дэвис Д. Вычислительные сети и сетевые протоколы: Пер.с англ. -М. :Мир, 1982.216с.

66. Елтаренко Е.А. Оценка и выбор решений по многим критериям. -М.: МИФИ, 1995. 111с.

67. Жимерин Д.Г., Мясников В.А. Автоматизированные и автоматические системы управления. -М.: Энергия, 1975. 206с.

68. Заде JI. Понятие лингвистической переменной и ее применение к принятию приблеженных решений.-М.:Мир, 1976.-167с.

69. Заенцев И.В. Нейронные сети: основные модели Воронеж 1999. 76с.

70. Зайченко Ю.П. Исследование операций. Нечеткая оптимизация // Киев, Выща школа, 1991, 191с.

71. Зуев Э.Н. Параметры и режимные характеристики линий электропередачи.-М.: Изд-во. МЭК, 1987. 75с.

72. Ивахненко А.Г. Моделирование сложных систем: информационный подход. -К.: Высшая школа, 1987. 63с.

73. Ивахненко А.Г., Юрачковский Ю.П. Моделирование сложных систем по экспериментальным данным. -М.: Радио и связь, 1987. 120с.

74. Идельчик В.И. Погрешности расчетов оптимальных режимов электросистем //Энергетика и транспорт. 1982. С.21-22.

75. Идельчик В.И. Пример анализа существования и единственности решения уравнений установившегося режима //Электричесво.1983.С.11.

76. Идельчик В.И. Расчеты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 236с.

77. Идельчик В.И. Электрические системы и сети. -М.: Энергоатом из дат, 1989. 592с.

78. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение 3-е издание, перераб. и доп. -М.: Энероиздат, 1982. 346с.

79. Казакова И.Е. Статистическая теория систем управления в пространстве состояний. -М.: Наука, 1983. 248с.

80. Картавцев В.В., Цеджинов Е.С., Козарев A.C., Бойчук B.C. Математическое обеспечение информационно-вычислительной подсистемы АСУТП предприятия электрических сетей // Проблемы информации и управления: Межвуз. сб. науч. тр. -Воронеж: ВГТУ, 1996.

81. Кисляков Ю.В., Чудинов М.И. Системный анализ международного стандарта Общей Информационной Модели энергосистем// Труды Всеросс. конф. Информационные Технологии Моделирования и Управления 2006. Воронеж: ВГТУ, 2007. С.373-377

82. Козлов B.H., Волкова B.H. Системный анализ и принятие решений -М.: Высшая Школа, 2004, С.660.

83. Козлов В.Н., Пономарев А.Г. Оператор минимизации квадратичного функционала на пересечении линейного многообразия и шара // Ведомости -СПб.: 2007, С.56-59.

84. Ларин И.А., Чудинов М.И., Матюшевский К.Л., Ульев В.П. Визуализация однолинейных схем подстанций из их топологических моделей в атрибутивных базах данных// Информационные Технологии Моделирования и Управления 2007. Воронеж 2007. С. 583-587

85. Макоклюев Б.И., Федоров Д.А. Оперативное прогнозирование нагрузки ЭЭС с учетом метеофакторов. -Иркутск, 1984. С. 89-94.

86. Маркушевич Н.С. Автоматизированная система диспетчерского управления." Энергоатомиздат, 1986. 146с.

87. Маркушевич Н.С. Регулирование напряжения и экономия электроэнергии. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 215с.

88. Мартин Дж. Организация баз данных в вычислительных системах: Пер.с англ. -М.: Мир, 1978. 317с.

89. Математическое моделирование источников энергоснабжения промышленных предприятий. Под ред. А.И. Зайцева, Е.А. Митновицкой и др.-М.: Энерго-атомиздат, 1991г. 152с.

90. Матюшевский К.Л., Чудинов М.И. Генерирование объектов распределительных устройств подстанций в базе данных // Труды Всеросс. конф. Новые технологии в научных исследованиях, проектирование, управление, производство 2007г. С. 16

91. Матюшевский К.Л., Чудинов М.И. Способы воздействия на электрические системы при электромеханических переходных процессах энергосистем // Вестник Воронежского государственного университета,Т.2, №1,2006. С.35-39.

92. Неймарк Ю.И. Динамические системы и управляемые процессы, -М.: Наука, 1978, 336с.

93. Неспелов Г.Е., Гурский С.К. Определение потерь энергии в питающих сетях электроэнергетических систем при управлении с помощью АСУ, -М.: Наука, 1988, 208с.

94. Ольшаников С.В Оптимизация режимов электроэнергетических систем, -М.: МЭИ, 1990. 188с.

95. Падалко Л.П. Критерии и методы оптимального управления электроэнергетической системой. -Минск: Наука и техника, 1979. 199с.

96. Пелисье Р. Энергетические системы: Пер.с фран. -М.: Высшая школа, 1982. 568с.

97. Первозванский A.A. Математические модели в управлении производством. -М.: Наука, 1975.208с.

98. Подвальный С.Л., Бурковский В.Л., имитационное управление технологическими объектами с гибкой структурой. -Воронеж: ВГУ, 1988. 162с.

99. Подвальный Е.С. Модели индивидуального прогнозирования и классификация состояний в системах компьютерного мониторинга. Воронеж, 1998, С.127.

100. Поспелова Г.Е. Потери мощности и энергии в электрических сетях.- М.: Энергоиздат, 1981.324с.

101. Праховник A.B. Автоматизация управления электропотреблением. -Киев: Высшая школа, 1986. 71с.

102. Применение математических методов и вычислительной техники в энергосистемах./Под ред. Д.А. Арзамасцева.-Свердловск: УПИ, 1986. 150с.

103. Пухов Г.Е., Щербина Ю.В., Качанова H.A. Статистические эквиваленты электрических систем для управления в реальном режиме // Электронное моделирование.-1983.С.23-25.

104. Расчет и анализ режимов электроэнергетических систем / Стратан И.П. и др. -Кишинев: Штииница, 1990. 104с.

105. Режимы и оптимизация электроэнергетических систем. -Ташкентский политехнический институт, 1988.70с.

106. Рейнгольд Э., Нивергельт Ю., Део Н. Комбинаторные алгоритмы. Теория и практика. -М.: Мир, 1980.476с.

107. Розанов М.Н. Управление надежностью электроэнергетических систем. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 200с.

108. Роа С.Р. Линейные статистические методы и их применение. -М.: Наука, 1979.256с.

109. Сальникова М.К., Степкин A.M. Программный комплекс расчета и исследования установившихся режимов энергосистем // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006612089 (РФ).

110. Соколов В.И. К задаче оптимизации и распределения и баланса реактивной мощности в энергетической системе // Электричество. 1974. С.24-25.

111. Солдаткина JI.A. Электрические сети и системы. -М.: Энергия, 1978. 354с.

112. Тимченко В.Ф. Колебания нагрузки и обменной мощности энергосистем. -М.: Энергия, 1975.162с.

113. Теория вероятности и ее применение к задачам электроэнергетики / Ка-домская К.П. и др. СПб.: Наука, 1992, 376с.

114. Управление режимами электроэнергетических систем в аварийных ситуациях / Чебан В.М. и др.- М.: Высшая школа, 1990.143с.

115. Ульман Дж. Основы систем баз данных: Пер.с англ. -М.: Финансы и статистика, 1983.586с.

116. Фролов В.Н., Львович Я.Е., Подвальный С.Л. Проблемы оптимального выбора в прикладных задачах, Воронеж, изд. ВГУ, 1980.180с.

117. Ханаев В.А. Пути повышения маневренности единой энергосистемы СССР. Новосибирск, Наука, 1991.144с.

118. М.И. Чудинов, К.Л. Матюшевский Генерирование схем РУ ПС из атрибутивных БД// Труды всеросс. конф. Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве Воронеж 2007.С. 23

119. М.И. Чудинов, K.J1. Матюшевский, В.П. Ульев Генерация оборудования распределительных устройств подстанций в базе данных // XX междунар. науч. конф. ММТТ-20 Ярославль 2007г. С.307-309

120. Шаталов В.И., Копач Е.Н. О возможности применения регрессионных моделей для учета влияний погодных условий на спрос электроэнергии. -Известия вузов. «Энергетика», 1977, №5.С.36-40.

121. Щербина Ю.В., Банин Д.В., Скрыпник А.Н. Анализ установившихся режимов электрических сетей на основе метода свободного выбора заданных и искомых величин. -Киев: КПИ, 1982.211с.

122. Щербина Ю.В., Бойко Н.Д., Бутенко А.Н., Снижение технологического расхода энергии в электрических сетях. -Киев: Техника, 1981. 189с.

123. Эксплуатация электрических систем. -М.: Высш.шк., 1990. 301с.

124. Электрическая часть электростанций / Под ред. C.B. Усова. -Л.: Энергия, 1977.,556с.

125. Электрические системы. Кибернетика электрических систем / Под ред. В.А. Веникова. -М.: Высшая школа, 1974.314с.

126. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях /Под ред. В.А. Веникова.-М.: Энергоатомиздат, 1983. 268с.

127. Cory В.J., Dandachi N.H., Network flow methods and their application to power system problems. London. Departament of electrical engineering. Annual review 1986-1987.

128. Irving M.R. Efficient Newton-Raphson algorithm for load-flow calculation in transmission and distribution networks. IEEE PROCEDINGS, N5, SEPTEMBER 1987.

129. De Montravel G., Tadec Y. The future regional Control Centresof EDF.-35/39-01.CIGRE,1992.

130. Zone D. The ARTERE remote control network architecture based on ISO stan-darts.-3 5/3 9-02.CIGRE, 1992.

131. Magnusson В., Pumphrey M., Transmission substation control and communication standarts — application of integrated digital techniques.-35/39-06.CIGRE, 1992.

132. Minakawa T., Upgraded control centre and organizational to meet the requirement of todays information oriented society.-35/39-04.CIGRE,1992.

133. Possibilities and expectations for improved manmachine interface in power system control.-3 5/39-03 .CIGRE, 1992.

134. Rose A. Upgrading of system control centre functionality.-35/3 9-05.CIGRE,1992.