автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Графоаналитическое имитационное моделирование систем электроснабжения и электрических сетей

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. КОНЦЕПЦИЯ ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОГО ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

1.1. Классификация производственных задач в электрических сетях и системах электроснабжения.

1.2. Виртуальный подход к имитационному моделированию СЭЭС.

1.3. Основные положения описания СЭЭС с помощью теории множеств.

1.4. Формирование виртуальных моделей для задач анализа электрических режимов СЭЭС.

ГЛАВА 2. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО РЕЖИМА СЭЭС.

2.1. Методы построения табличных аналогов матричных операций при решении уравнений режимов систем электроснабжения.

2.2. Построение виртуальной имитационной модели электрического режима СЭЭС с помощью метода сопряжённых градиентов.

2.3. Применение табличного метода в расчетах установившихся режимов СЭЭС.

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИСКРЕТНЫХ МОДЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ.

3.1. Классификация моделей, используемых при тренажерной подготовке персонала.

3.2. Методология формирования коммутационных моделей систем электроснабжения на основе их графических схемных представлений.

3.3. Анализ и выбор алгоритма построения коммутационной модели режима сети.

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ ОБЪЕКТНОЙ МОДЕЛИ ГРАФОАНАЛИТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ.

4.1. Требования к реализации объектно-ориентированной графической системы

4.2. Методы, алгоритмы и сравнительные характеристики быстродействия 109 реализации языка объектных запросов.

4.3. Вопросы идентификации в графоаналитической модели.

4.4. Методика полуавтоматической расстановки диспетчерских наименований на схеме энергообъекта.

ГЛАВА 5. УНИФИКАЦИЯ СЕМАНТИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ ИМИТАЦИОННЫХ МОДЕЛЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИХ ГРАФИЧЕСКИХ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ.

5.1. Принципы семантического описания имитационных моделей систем электроснабжения.

5.2. Использование формата XML для обмена моделями в электроэнергетике.

5.3. Модификация CIM - модели для использования в системах электроснабжения.

ГЛАВА 6. АРХИТЕКТУРА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА.

6.1. Обоснование необходимости декомпозиции задач имитационного моделирования систем электроснабжения.

6.2. Модульная архитектура и адаптивные решения программных комплексов для конкретных систем электроснабжения.

6.3. Программная реализация инфраструктуры комплекса на основе платинной архитектуры.

6.4. Принципы построения интегрированного коммутационно-режимного тренажера.

ВЫВОДЫ.

1. Актуальность темы. В настоящее время основные аспекты управленческой деятельности в сетевых предприятиях и системах энергоснабжения (СЭ-ЭС) сформированы в едином информационном пространстве: оперативное и диспетчерское управление режимами, составление и выполнение планов производственно-хозяйственной деятельности (включая снабжение, сбыт, ведение договоров, обслуживание и ремонт электрооборудования и т.д.), планирование ресурсов (финансовых, человеческих, материальных), все виды учета, анализа результатов работы предприятия и др.

Для успешного решения этих задач необходимо построение, наполнение данными и поддержание в работоспособном состоянии обобщённой виртуальной информационно-имитационной модели СЭЭС, основанной на следующих средствах и решениях:

• отображение схем с учетом их состояния;

• возможность доступа пользователя к данным объектов на схеме;

• создание баз данных оборудования;

• решение технологических задач качественного или количественного анализа состояния СЭЭС.

Названные средства и решения широко используются в следующих классах технологического программного обеспечения (ПО):

• ПО расчета установившихся и переходных режимов СЭЭС и связанных с ними задач (баланс, потери мощности и электроэнергии, короткие замыкания (к.з), устойчивость, самозапуск электродвигателей, выбор условий и проверка работы релейной защиты и автоматики и т.д.);

• системах электронного документооборота и проектирования;

• системах диспетчеризации, оперативно-информационных комплексах (ОИК);

• ПО ведения диспетчером мнемосхемы и электронного журнала;

• тренажерах (коммутационных, режимных);

• справочно-информационных комплексах (паспортизация);

• советчиках диспетчера и др.

Все более широкое применение находят интегрированные программные комплексы, совмещающие несколько из вышеперечисленных функций в одной среде работы пользователя.

В диссертационной работе системный научный подход к этим задачам с учётом технических, методологических, организационных, экономических и информационных аспектов опирается на современные принципы имитационного моделирования СЭЭС. Сказанное выше определяет научную актуальность темы диссертационной работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы СамГТУ "Энергосбережение и управление энергоэффективностью" на 2001-2005 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основных направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2005 г.

2. Цель работы и задачи исследований - разработка положений, методологии построения, создание и внедрение систем имитационного моделирования на базе виртуальной графики для обеспечения информацией задач управления и анализа режимов СЭЭС, имеющих многокомпонентную структуру. Для реализации этой цели в настоящей работе решаются следующие научные и технические задачи.

Научные задачи

• Построение виртуальных имитационных моделей, соответствующих исследуемому состоянию и электрическому режиму СЭЭС по графическим представлениям и связанной с ними технической документацией с помощью табличных топологических и информационных (в виде упорядоченных наборов данных) аналогов.

• Теоретическое обоснование табличных методов, использующих виртуальные модели в виде топологических таблиц и паспортов оборудования для решения широкого круга технологических задач анализа, управления и отображения режимов СЭЭС.

• Разработка концепции набора моделей для системной подготовки персонала СЭЭС с помощью эксплуатационных и диспетчерских тренажеров. Технические задачи

• Разработка и реализация методики параметризации виртуальных графических моделей для представления информации о режимах СЭЭС, полученных расчётным путём, либо с помощью систем телемеханики (в режиме реального времени), а также средств учета и контроля текущего состояния и электропотребления.

• Построение единой графической среды для имитационного моделирования электротехнических комплексов и СЭЭС с учетом многоцелевого использования информационных, коммутационных и расчетных моделей.

• Разработка методики отображения состояния СЭЭС и использования графической системы как средства доступа к данным технологических моделей.

3. Основные методы научных исследований. Научные исследования в диссертационной работе основаны на теориях топологического анализа, множеств, многомерных пространств и направленных графов, имитационного и графоаналитического моделирования режимов для изменяющихся квазистационарных состояний СЭЭС и др. Оценка корректности моделирования путем сравнения с результатами, полученными по данным эксплуатации СЭЭС, с помощью измерений, экспериментов и комплексных тестов работы моделей.

4. Основные положения, выносимые на защиту.

• Концепция автоматизированного построения многоуровневой виртуальной модели структуры электрической сети.

• Методы анализа режимов СЭЭС, позволяющие получать параметры режимов непосредственно по табличным моделям, построенным по графическим представлениям схем СЭЭС.

• Набор моделей, использующих табличное представление топологии сети (коммутационная, диспетчерская, геоинформационная, проектная, модель РЗиПА, телемеханическая, технико-экономическая, организационная и др.) и основанных на ней экспертных задач (определение технологических параметров и технико-экономических характеристик, проверка правильности переключений, автоматизированное составление бланков переключений), удовлетворяющих требованиям предприятий СЭЭС.

• Создание открытой программной архитектуры доступа к данным, связанным с объектами схемы (в т.ч. паспортной, телемеханической, эксплуатационной и др. информации).

• Построение и реализация информационно — аналитических и тренажерных комплексов (ИАК и ТК) для СЭЭС.

5. Научная новизна работы определяется следующими результатами выполненных исследований.

• Разработана методика преобразования схемного представления СЭЭС в графоаналитические табличные представления с сохранением возможности обратного отображения на основе предложенного топологического метода условных потенциалов.

• Адаптированы известные методы анализа режимов СЭЭС (установившихся режимов и коротких замыканий) в соответствии с положением о получении значений параметров режимов непосредственно по табличным структурам, являющимися виртуальным отображением СЭЭС и их расчетных схем замещения.

• Разработаны принципы виртуального ситуационного моделирования при создании имитационных моделей для тренажеров оперативного персонала СЭЭС.

• Предложена концепция доступа к данным по объектам СЭЭС и топологическим моделям в виде открытой программной архитектуры.

6. Практическая ценность работы. Разработаны и доведены до широкого внедрения следующие разработки:

• Система подготовки топологических моделей на основе библиотеки графических элементов СЭЭС.

• Полнофункциональная графическая система имитационного моделирования, в которой обеспечена возможность многократного использования подготовленных данных в различных информационных системах.

• Платформа интеграции с разнообразными информационными системами, функционирующими в составе АСУ предприятий электрических сетей и систем электроснабжения (базы данных (БД) телемеханики - ОИК, паспортизации, энергосбыта, заявок и др.).

• ИАК и ТК для СЭЭС, прошедшие независимую сертификацию.

7. Реализация в промышленности, проектной практике, учебном процессе и внедрение результатов.

Результаты представленной диссертационной работы реализованы в ряде проектов, выполненных за последние 10 лет под руководством и при непосредственном участии автора на большом числе предприятий СЭЭС. В частности, за 2004-2005 г.г. они реализованы на Новокуйбышевском и Рязанском нефтеперерабатывающих и Чепецком механическом заводах, Магнитогорском металлургическом комбинате; в 5 ПЭС ОАО «Самараэнерго», а также в Пятигорских, Ханты-Мансийских, Брянских и Липецких городских электрических сетях и др.

Кроме того, реализованы системы отображения и ведения мнемосхемы на экране коллективного пользования (ЭКП) диспетчерского пункта АО «Мосэнерго», комплект подстанционных тренажеров для Восточных сетей АО «Мосэнерго» и др. Пользователями графической системы «МОДУС», у которых проведена инсталляция программного обеспечения, являются более 2000 предприятий и организаций.

Материалы диссертационной работы, изложенные в публикациях [1-8] автором лично и в соавторстве, используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета, Самарской академии путей сообщения и Санкт-Петербургского энергетического института повышения квалификации, в учебных центрах Красноярскэнерго, Сибнефтепровод, в Московском центре подготовки кадров Мосэнерго и др.

8. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, а также практических выводов и программных продуктов базируется на корректном применении математических методов топологии, теории графов и подтверждается адекватным поведением моделей по сравнению с процессами на реальных энергообъектах, а также результатами измерений в многочисленных проектах внедрения графического редактора "Модус", тренажера по оперативным переключениям, ИАК "ПЕГАС" и др.

9. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: семинарах по программным продуктам фирмы «Модус» (ежегодно, начиная с 1995 г.); «Современные средства телемеханики, организации рабочих мест и щитов управления» (ВНИИЭ, г. Москва) (ежегодно, начиная с 2000 г.); Международной конференции «Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях - 2004» (ВНИИЭ); V Международной научно-технической конференции "Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий", г. Мариуполь, 2005 г., XI Международной научно-технической конференции "Радиотехника, электротехника и энергетика", МЭИ(ТУ), г. Москва, 2005.

10. Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ (2 личных), зарегистрировано 4 программных продукта, тренажер по оперативным переключениям имеет «Сертификат Соответствия нормам годности средств подготовки оперативного персонала в энергетике», ИАК «ПЕГАС» прошёл независимую экспертизу и сертификацию в системе ГОСТ Р Госстандарта России.

11. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 199 страниц. Библиография включает 116 наименований.

• Результаты работы широкомасштабно используются в промышленности.

1. Максимович Н.Г. Методы топологического анализа электрических цепей. Изд-во Львовского ун-та. Львов. 1970.

2. Сешу С., Балабанян Н. Анализ линейных электрических цепей. Госэнерго-издат.-М. 1963.

3. Гольдштейн В.Г. О применении метода сопряженных градиентов в задачах автоматизированного проектирования электрических сетей. Сб. научн. тр. "Автоматизация проектирования и конструирования". КПтИ. — Куйбышев: 1977.

4. Брэнин Ф. Численный анализ схем. Машинное проектирование (обзор). Ч. IV. — «Электроника», т. 40, 1967, № 1.

5. Тьюарсон Р. Разреженные матрицы. М., «Мир», 1977.

6. Sato N., Tinney W. F. Techniques for Exploiting the Sparsity of the network admittance matrix, Transactions PAS, IEEE. Vol. 82, Dec. 1963, pp. 944—950.

7. Hansen J. R. A new procedure for topologically controlled eliminations, proceedings of PSCC, 1972.

8. Тинней В., Уолкер Дж. Прямые решения квазиблочных уравнений цепей оптимального упорядоченным разложением матрицы на треугольные сомножители. Т. 55. ТИИЭР, 1967, №11.

9. Фаддеев Д. К., Фаддеева В. Н. Вычислительные методы линейной алгебры. М., Физматгиз, 1960.

10. Уилкинсон Дж., Райнш С. Справочник алгоритмов на языке АЛГОЛ. М., «Машиностроение», 1976.

11. Демидович Б.П., Марон И.А.Основы вычислительной математики, Наука, гл. ред. ФМЛ. -М: 1970, 664 с. илл. (гл. VII стр. 232, гл. VIII стр. 305-307, гл. X стр. 375, 376, 380, 381.

12. Гольдштейн В.Г., Гурьянов Я.И. Применение табличного метода в решении уравнений установившихся режимов электрических сетей // Математическое моделирование и краевые задачи: Тр. XI межвуз. конф., Самара: СамГТУ, 2001.

13. Гольдштейн В.Г., Гурьянов Я.И. Разработка методики расчета подрежимов коротких замыканий в электрической системе. Вестник СамГТУ. Серия 1,1Технические науки". Выпуск 15. Самара, 2002.

14. Фаулер, М. Архитектура корпоративных программных приложений. М, «Вильяме», 2004

15. Буковников Ю.В., Головинский И.А., Любарский Ю.Я. Интеграция экспертных систем в диспетчерском управлении энергообъединения. «Электричество», 2005 № 2.

16. Головинский И.А. Методы анализа топологии коммутационных схем электрических сетей. «Электричество», 2005 № 3.

17. Елманова Н, Трепалин С, Тенцер A. Delphi 6 и технология СОМ. СПб.: Питер, 2002 (Серия «Мастер-класс»).

18. Максименко И.М., Карасев Ю.Д. Общая информационная модель энергетических объектов. «Новое в российской электроэнергетике» 2004 № 1.

19. Правила устройств электроустановок. 6-е изд. -М.: Изд. «Энергосервис», 1998. - 607 с.

20. Карчевский A.A. Анализ задачи подготовки оперативного персонала. М, 1998, Материалы 3-го ежегодного семинара фирмы Модус

21. Common Information Model (CIM 10 Version). EPRI, Palo Alto, California, 2001.

22. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации (ПТЭ электростанций и сетей РФ).- М.: СПО ОРГРЭС, 1996, с учётом изменений № 1 от 17.07.2000 г.

23. Проект РД. Правила организации технического обслуживанияи ремонта оборудования, зданий и сооружений электростанций и сетей ОАО «ЦКБ Энергоремонт». 2002 г.

24. РД 153-34.3-09.166-00 «Типовая программа проведения энергетических обследований подразделений электрических сетей».

25. РД 153-34.3-20.573-2001 «Указания по учету и анализу в энергосистемах технического состояния электрических сетей 0,38 20 кВ с воздушными линиями электропередачи».

26. РД 153-34.3-46.304-00 «Положение об экспертной системе контроля и оценки состояния и условий эксплуатации силовых трансформаторов, шунтирующих реакторов, измерительных трансформаторов тока и напряжения»

27. Типовая инструкция по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении: РД 34.09.101-94. М.: СПО ОРГРЭС, 1995.

28. Кубарьков Ю.П. Разработка элементов экспертных систем для информационного моделирования режимов работы электрически сетей 6-35 кВ. Вестник Самарского государственного технического университета. Выпуск 15, серия «Технические науки», 2002,Самара.

29. Орнов В.Г. Интегрированная АСДУ ЕЭС. Электрические станции, 1992, т. 6.33,34.