автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы учета питающей сети для задачи комплексной оптимизации эксплуатационных схем распределительных электрических сетей по потерям электроэнергии

Министерство общего и профессионального образования Российской федерации

Южно - Уральский государственный университет

На правах рукописи

ПАВЛЮКОВ Валерий Сергеевич

МЕТОДЫ УЧЕТА ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ ДЛЯ ЗАДАЧИ КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПО ПОТЕРЯМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы, включая их управление и регулирование»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент Б.Г. Булатов Научный консультант -кандидат технических наук, доцент Н.И. Фомин

Челябинск 1999

АННОТАЦИЯ

В работе выполнены теоретические и экспериментальные исследования методов учета питающей сети для задачи комплексной оптимизации эксплуатационных схем распределительных электрических сетей по потерям электроэнергии.

Разработаны методы и алгоритмы учета питающей сети, предназначенные для решения задачи комплексной оптимизации объединенных сетей методами многомерного поиска и позволяющие при разнородности графиков нагрузок узлов получить решения, оптимальные по потерям электроэнергии в сетях.

Разработанные алгоритмы реализованы в виде программ информационно-вычислительного комплекса распределительных электрических сетей.

Диссертационная работа содержит 137 страниц машинописного текста, 12 рисунков, 3 таблицы, библиографический список из 232 наименований отечественных и зарубежных авторов и приложений на 55 страницах, в том числе 4 акта внедрения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

АННОТАЦИЯ..............................................2

ВВЕДЕНИЕ................................................6

1 . ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ УЧЕТА ПИТАЮЩЕМ СЕТИ........16

1.1. Общая характеристика задачи..................16

1.2. Основные допущения..............24

1.3. Моделирование узловых нагрузок........25

1.4. Методы расчета потерь электроэнергии.....35

1.5. Выводы. ...................44

2. МЕТОДЫ УЧЕТА ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ ДЛЯ ЗАДАЧИ КОМПЛЕКСНОЙ ОПТИМИЗАЦИИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СХЕМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ....................................45

2.1. Вопросы учета питающей сети..................45

2.2. Математическая модель зависимости режима питающей сети - • -у................46

2.3. Алгоритм оптимизации точек размыкания. ... 52

2.4. Метод учета питающей сети на базе решения уравнений установившегося режима..................57

2.5. Метод определения относительных приростов потерь электроэнергии............................67

2.6. Метод определения целевой функции посредством

коэффициентов токораопределения..........74

2.Т. Вычислительный эксперимент..........80

2.8. Выводы....................82

3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ......................87

3.1. Особенности задачи расчета..........87

3.2. Математическая модель задачи.........88

3.3. Решение задачи методом замены переменных. . . 92

3.4. Условия сходимости метода расчета узловых напряжений....................100

3.5. Вычислительный эксперимент..........105

3.6. Выводы....................111

4. ВОПРОСЫ АЛГОРИТМИЗАЦИИ МЕТОДОВ УЧЕТА ПИТАЮЩЕМ СЕТИ.. 113

4.1. Основные положения алгоритмизации учета. . . 113

4.2. Краткая харктеристика ИВК РЭС-2.2......114

4.3. Структурная схема функционирования

ИВК РЭС-2.2....................119

4.4. Блок обмена межсетевой информацией......124

4.5. Алгоритм комплексной оптимизации сетей. . . .129

4.6. Выводы....................134

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.......................135

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............138

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................166

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 . ОСНОВНЫЕ АЛГОРИТМЫ И СТРУКТУРА

ИВК РЭС-2.2.................167

П1.1. Алгоритм оценивания моделей узловых

нагрузок................168

П1.2. Алгоритм оптимизации разрезов.....169

П1.3. Структурная схема ИВК РЭС-2......172

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. АЛГОРИТМЫ БЛОКА ПИТАЮЩЕЙ СЕТИ

ИВК РЭС-2.2.................173

П2.1. Алгоритм образования расчетной

информации...............174

Таблица П2.1..............182

Таблица П2.2..............183

Таблица П2.3..............184

112.2. Алгоритм точного метода моделирования

потерь электроэнергии.........185

П2.3. Алгоритм приближенного метода

моделирования потерь электроэнергии. . 188

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. АЛГОРИТМЫ БОМИ ИВК РЭС-2.2........193

ПЗ.1. Алгоритмы формирования нагрузок в узлах

связи сетей..............194

П3.2. Алгоритм определения разностей узловых

напряжений.............. 195

ПЗ.З. Алгоритм вычисления контурных

сопротивлений питающей сети......196

П3.4. Алгоритм определения относительных

приростов потерь электроэнергии. ... 197 П3.5. Алгоритмы расчетов градиента потерь

электроэнергии питающей сети......199

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ..............202

ВВЕДЕНИЕ

В развитии народного хозяйства определяющую роль играют базовые отрасли индустрии, в том числе и энергетика. В ряд особо важных ставят задачи оптимального развития и управления режимами энергосистем, как составной части проблемы экономии топливно-энергетических ресурсов. Эти задачи относятся к числу основных и наиболее актуальных, решаемых при разработке стратегии развития и функционирования энергетических систем как больших кибернетических систем.

В современных сложных системах электроснабжения задача снижения потерь электроэнергии решается без учета существующей иерархии управления и ведомственной принадлежности электрических сетей. Выбор оптимальных решений проводится независимо для питающих и распределительных сетей, что противоречит принципам системного подхода /1/.

Потери электроэнергии в распределительных сетях, эксплуатируемых по разомкнутым схемам, зависят от их конфигурации, определяемой положением точек размыкания в контурах /2...6/. Определение и реализация оптимальных положений точек размыкания являются одним из эффективных и малозатратных эксплуатационных мероприятий, обеспечивающих значительное снижение потерь электроэнергии в распределительных сетях /4,7,8/.

Поиск оптимальных точек размыкания осуществляется решением соответствующей задачи оптимизации эксплуатационной схемы распределительной электрической сети. Эта задача характеризуется большой размерностью и является по своей природе дискретной. С учетом ограничений по балансам в узлах и допустимым токам ветвей сети она относится к классу задач

дискретного программирования с линейными ограничениями в форме равенств и неравенств.

В большинстве существующих алгоритмов решения данной задачи используется метод покоординатного дискретного спуска. Однако в общем случае этот метод, как приближенный метод дискретной оптимизации, не может гарантировать нахождение условного минимума целевой функции за приемлемое время /9... 12/. Применение точных методов дискретной оптимизации комбинаторного типа связано с трудностями их реализации. Кроме того, точные методы не могут гарантировать получение оптимального решения задачи большой размерности за приемлемое время, так как с ростом числа переменных объем вычислений резко возрастает.

Для преодоления основного "недостатка" задачи оптимизации схемы распределительной электрической сети - дискретности -на кафедре "Электрические станции, сети и системы" ЮжноУральского государственного университета (ЮУрГУ) разработан метод сведения данной дискретной задачи к непрерывной задаче /10,13,14/. Метод предполагает условное замыкание распределительной сети и условно-непрерывное перемещение точек размыкания одновременно во всех контурах схемы. При этом в качестве независимых непрерывных переменных, с помощью которых моделируются новые положения точек размыкания, рассматриваются контурные токи от источников тока, условно включенных в исходные точки размыкания контуров схемы сети. Использование указанного метода позволяет сформулировать задачу поиска оптимальной схемы распределительной сети в непрерывной многомерной постановке и открывает широкие возможности решения этой задачи непрерывными методами нелинейного программирования.

Изменение конфигурации распределительной сети влияет на потери электроэнергии в питающей сети. Принятие обоснованных решений, способствующих экономии электроэнергии в сетях энергосистемы, требует комплексного подхода к оптимизации режима работы электрических сетей. Такой подход отвечает сложной природе электрических сетей энергосистемы, характеризующийся "...наличием функционально разных, но взаимосвязанных частей, позволяющих различать структуру и назначение элементов системы (питающие и распределительные сети), определять характер взаимодействия их между собой..."/1/. Актуальность комплексного решения задачи оптимизации распределительной сети с учетом режима питающей сети возрастает в связи с формированием в районных энергетических управлениях специальных групп по управлению уровнем потерь энергии в сетях энергосистем. В этих условиях при выборе оптимальной схемы распределительной сети в качестве критерия оптимизации важно использовать суммарные потери электроэнергии в сетях.

Работы в указанном направлении проводятся в ряде научных организаций страны и СНГ (Киевском политехническом институте; Институте электродинамики АН УССР (бывшем); Урал-техэнерго, г. Екатеринбург; Ереванском политехническом институте, в том числе и на кафедре "Электрические станции, сети и системы" ЮУрГУ, где в результате проведенных исследований разработаны методы и алгоритмы учета питающей сети для задачи непрерывной оптимизации схемы распределительной электрической сети по потерям электроэнергии.

Разработка методов учета режима питающей сети имеет важное значение в решении вопроса выбора оптимальной схемы распределительной сети и отвечает одному из основных принципов повышения качества совместной работы электрических се-

тей. Однако в реальных условиях разнородности узловых нагрузок существующие методы учета питающей сети по потерям мощности /15...17/ не могут обеспечить в задаче оптимизации схемы распределительной сети получения решений, оптимальных по потерям электроэнергии. Поэтому в настоящее время наряду с развитием и совершенствованием статистических моделей нагрузок электрических сетей все более актуальной становится задача повышения эффективности учета питающей сети при оптимизации схемы распределительной сети по потерям электроэнергии. Работа выполнена в рамках целевой Межвузовской программы "Экономия электроэнергии" в соответствии с координационным планом Минвуза СССР и приказом от 9 февраля 1987 г. Решению данной задачи учета питающей сети и посвящена настоящая диссертационная работа.

Актуальность работы. Для электроэнергетики России актуальной является задача снижения технологических потерь электроэнергии, связанных с ее транспортом и распределением. Общие потери в сетях составляют 10-12%, значительная часть которых приходится на питающие сети напряжением 110 кВ и выше и распределительные сети 6-35 кВ.

Наиболее эффективным и относительно малозатратным мероприятием по снижению потерь в распределительных электрических сетях является поиск и реализация оптимальных точек или мест размыкания контуров схемы. Поиск оптимальных точек размыкания путем оптимизации эксплуатационной схемы распределительной электрической сети по потерям электроэнергии без учета питающей сети приводит к снижению потерь электроэнергии только в распределительной сети. При этом потери электроэнергии в питающей сети становятся неконтролируемыми и могут даже возрастать. Для снижения суммарных потерь элек-

троэнергии в сетях актуальной является комплексная оптимизация схемы распределительной сети с учетом питающей сети. Таким образом, питающая и распределительная сети рассматриваются как единый электротехнический комплекс.

В теории управления электроэнергетическими системами большое число методов и алгоритмов, посвященных экономии потерь электроэнергии, разработано для обособленного применения в питающих и распределительных электрических сетях, тогда как вопросы комплексного снижения потерь в объединенных сетях исследованы в меньшей степени. Методы учета питающей сети по потерям электроэнергии для комплексной оптимизации схем распределительных сетей до сих пор еще не разработаны.

В диссертационной работе в развитие подхода непрерывного перемещения точек размыкания разработаны методы учета питающей сети, позволяющие перевести дискретную по своей природе задачу комплексной оптимизации схемы распределительной сети в область непрерывных методов нелинейного программирования и впервые решить ее путем минимизации потерь электроэнергии в электротехническом комплексе методами многомерного поиска.

Актуальность работы подтверждается так же и тем, что она выполнялась в соответствии с координационным планом межвузовской программы научно-исследовательских работ по проблеме "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах".

Цель работы - разработка методов, алгоритмов и программ учета питающей сети для задачи оптимизации эксплуатационных схем распределительных электрических сетей по потерям электроэнергии. Исходя из указанной цели, в работе решались следующие основные задачи:

- моделирование режима питающей сети в зависимости от положений точек размыкания контуров схемы распределительной сети;

- получение целевой функции потерь электроэнергии, ориентированной на применение многомерных непрерывных методов нелинейного программирования и учитывающей графики нагрузок сетей на заданном отрезке времени;

алгоритмизация учета питающей сети в задаче непрерывной многомерной оптимизации точек размыкания схемы распределительной электрической сети;

- реализация разработанных алгоритмов учета питающей сети в виде программ информационно - вычислительного комплекса распределительных электрических сетей.

Идея работы заключается в разработке комплексного подхода для оптимизации эксплуатационных схем распределительных электрических сетей с учетом питающей сети по суммарным потерям электроэнергии.

Научные положения, разработанные лично соискателем, и новизна.

1. Математическая модель зависимости режима питающей сети от конфигурации схемы распределительной сети соответствует реальным условиям задачи комплексной оптимизации объединенных сетей по потерям электроэнергии в том случае, если учитывает графики нагрузок узлов сетей.

2. Методы учета питающей сети определены не столько стремлением решить дискретную задачу комплексной оптимизации точек размыкания контуров схемы распределительной сети непрерывными методами многомерного поиска, сколько актуальностью повышения эффективности работы объединенных сетей энергосистем путем наибольшего снижения в них суммарных потерь

электроэнергии.

3. Особенности задачи комплексной оптимизации обусловливают необходимость применения таких методов учета питающей сети, которые обеспечивали бы независящую от разнородности узловых нагрузок сетей точность определения потерь электроэнергии.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются корректным использованием методов математического моделирования, теории графов, теории управления электроэнергетическими системами, нелинейного программирования и численных методов рения систем уравнений.. Адекватность математической модели зависимости режима питающей сети от положений точек размыкания контуров схемы распределительной электрической сети подтверждена экспериментальным статистическим материалом.

Значение работы. Научное значение работы заключается в разработке не имеющих аналогов методов и алгоритмов учета питающей сети, отвечающих требованиям оптимизационной модели с условно-непрерывным многомерным перемещением точек размыкания в контурах схемы распределительной сети и обеспечивающих в задаче комплексной многомерной оптимизации нахождение условного минимума функции суммарных потерь электроэнергии в сетях.

Практическое значение работ заключается в разработке пакета прикладных программ в составе информационно-вычислительного комплекса распределительных электрических сетей, позволяющих повысить качество, надежность и оперативность принимаемых решений при их эксплуатации.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Научные положения, выводы и рекомендации, реализованные в виде

программ информационно-вычислительного комплекса МВК РЭС-2.2 для ЕС ЭВМ, внедреш в промышленную эксплуатацию в Ижевских электрических сетях ПО Удмурткоммунэлектро и в Челябинских городских электрических сетях ПО ЭиЭ Челябэнерго.

Первая версия комплекса, разработанная для IBM PC, внедрена на предприятии Восьмой дистанции электроснабжения Челябинского отделения Южно-Уральской железной дороги.

Пакет прикладных программ первой версии информационно -вычислительного комплекса для IBM PC используется в учебном процессе кафедры электрических станций, сетей и систем ЮжноУральского государственного университета в дисциплинах "Информатика", "Математиче�