автореферат диссертации по энергетике, 05.14.10, диссертация на тему:Разработка экспертной системы проектирования энергокомплексов на базе возобновляемых источников энергии

Р Г Б ОД

2 ЙПР 1995

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

ЛУШНЙКОВ ОЛЕГ ГЕОРГИЕВИЧ

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРТНОЙ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОКОМПЛЕКСОВ НА БАЗЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Специальность: 05.14.10 - Гидроэлектростанции и

гидроэнергетические установки

05.14.08 - Преобразование возобновляемых видов энергии и установки на их основе

Автореферат дкссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена на кафедре Гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников Московского энергетического института (ЮН ТУ).

Научный руководитель: Ведущий научный сотрудник, кандидат технических наук М.Г.Тягуноь

Официальные оппоненты: Академик АЕН. доктор

физико-математических наук, профессор В.В.Алексеев

кандидат технических наук, доцент О.А.Муравьев

Ведущая организация: Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства

Зашита состоится " 12 " мая 1995 г. в 15 час. 00 мин. на заседании диссертационного Совета К 053.16.17 в Московском энергетическом институте по адресу: Москва, Красноказарменная ул., д. 17, зуд. Г-201.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 105335 ГСП, Москва Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ. Автореферат разослан " " 1995 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

К 053.16.17 канд.техн.наук. доц.

Ю. А.Барабанов

Актуальность работы.

Непрерывный рост стоимости топлива, приводящий к резкому повышению энергозатрат, постоянная угроза энергетического кризиса, вызванного возрастающей нехваткой органического топлива для целей энергетики, а также отрицательное социально-экологическое воздействие ТЭС и АЭС на окружающую среду и общество, привело к тому что в последние годы значительно возрос интерес к проблемам развития нетрадиционных и возобновляемых источников энергии (ВИЭ).

В последнее десятилетие наибольшее внимание уделяется проблемам промышленного использования солнечной и ветровой энергии, а также гидроэнергопотенциала с помощью малых ГЭС.

Наиболее выгодным с энергетической и экономической точек зрения. является комбинированное, т.е. комплексное использование различных видов возобновляемых источников энергии. Комбинирование различных способов выработки электроэнергии повышает эффективность использования установок и качество энергоснабжения .

Перспективность энергокомплексов с использованием разных видов возобновляемых источников энергии (ЭК с ВИЭ) актуальна как в условиях энергоснабжения автономного потребителя, так и при работе с энергосистемой.

Для России, с ее разнообразием климатических и географических условий и богатейшим энергопотенциалом ВИЭ. решение этой проблемы имеет большое значение.

Одним из основных путей развития энергетики на базе ВИЭ является типизация проектных решений, что обеспечивает массовость производства энергоустановок, снижает сроки проектирования, уменьшает себестоимость и повышает качество объекта в целом.

Это можно реализовать построением интеллектуальных вычислительных систем автоматизированного проектирования (САПР) энергетических объектов с ВИЭ.

Совершенствование систем автоматизированного проектирования достигается за счет разработки и использования унифицированных баз данных и строгих, обобщенных математических моделей энергоустановок на базе ВИЭ и их технологических процессов.

Создание в рамках САПР энергообъектов экспертной системы на основе формализации моделирования технологических процессов в виде системы логических процедур, позволит разрешить проблемы информационной некомпетентности и повысить качество проектных решений.

Цели работы: создание обобщенной математической модели технологических процессов в ЭК с ВИЭ и построение элементов экспертной системы, позволяющей автоматизировать процесс проектирования энергообъектов с ВИЭ и энергокомплексов на их основе.

В соответствии с поставленной целью в диссертации решались следующие задачи:

- оценка перспективности использования энергокомплексов на базе ВИЭ:

- анализ и оценка существующих методик проектирования ЭК с

ВИЗ:

- выбор методики моделирования ЭК с ВИЗ и метода оптимизации его параметров;

- обоснование целесообразности применения технологии экспертных систем к САПР ЭК с ВИЭ;

- разработка структурно-функциональных моделей основных технических систем участников ЭК с ВИЗ. обладающих регулярной структурой и конечным числом правил функционирования;

- построение математической модели типовой технической системы. входящей в состав ЭК с ВИЗ и экспериментальная проверка ее на условие достижения цели, соответствующей реальной технической системе;

- решение задачи оптимизации основных энергетических параметров участников ЭК на базе ВИЗ с использованием методов динамического программирования и элементов экспертной системы.

- проверка эффективности использования методики и элементов экспертной системы для решения задач реального проектирования.

' Методика исследования. Работа выполнялась по единому плану, включающему теоретическую постановку задачи исследования, выбор технических и программных средств и методик создания экспертной системы, компьютерную реализацию основных элементов ее элементов.

Исследования проводились с использованием современных методов системного и структурного анализа, математического моделирования и динамического программирования с применением методики структурно-функционального моделирования, разработанной на кафедре ГЭВИ МЭИ (ТУ).

Научная новизна результатов, полученных в работе заключается в следующем.

1. Определены обобщенные модели структур и основные параметры элементов ЗК с ВИЗ. режимы работы отдельных его генерирующих и аккумулирующих элементов.

2. Разработана система базисных предположений и правил для построения математических, логических и функциональных моделей разных видов энергоустановок на базе ВИЗ. входящих в состав ЭК. Адаптирован к условиям ЭК с ВИЭ и дополнен метод декомпозиции и синтеза технических систем.

3. Разработаны структурно-функциональные модели элементов ЭК с ВИЭ и их вспомогательных систем, соответствующие базисным предположениям и правилам.

4. На основании экспериментальной проверки созданных моделей элементов ЭК с ВИЭ на условия полноты и непротиворечивости, временной. функциональной и параметрической согласованности доказана возможность применения методики структурно-функционального моделирования в задачах САПР ЭК с ВИЭ;

5. Впервые построена база знаний экспертной системы проекта-

рования ЭК с ВИЭ.

Практическая ценность работы состоит в том. что она дает возможность создания обобщенных, формализованных математических моделей ЭК с ВИЭ для задач проектирования, эксплуатации и обучения.

Полученная методика повышает качество принятых проектных решений при построении ЭК с ВИЭ и позволяет в значительной степени автоматизировать процесс проектирования энергообъекта, повысить степень обоснованности проектных решений, снизить сроки проектирования и. следовательно, общую стоимость ЭК.

Экспертная система, построенная на основании данной методики, позволит эффективно использовать формализованные знания при выборе структуры, параметров и режимов различных элементов ЭК с ВИЭ. что позволит полнее использовать их физико-технические особенности и в свою очередь приведет к повышению их эффективности.

Защищаемый подход использован при проектировании программно-технического комплекса автоматизации расчета режимов Курейской ГЭС как элемента распределенной АСУ ТП ГЭС.

Элементы базы знаний использованы в техническом проекте программно-технического комплекса автоматизации расчета режимов Курейской ГЭС, сданного в эксплуатацию в 1991 году, в подсистеме "Гидрорежимы" информационно-вычислительной системы ЦДУ ЕЭС России и совместном российско-германском проекте (МЭИ-Высшая Техническая школа г.Констанц) при имитационном моделировании фотоэлектрической установки.

Апробация работы. Результаты исследований используются в работах научно-исследовательских (ВНИИЭ). проектных и эксплуатационных организаций ( ЦДУ ЕЭС России. Курейская и Богучанская ГЭС), а также в тренажерных центрах и в учебном процессе МЭИ (ТУ).

Основные положения работы докладывались.и обсуждались на научных семинарах кафедры гидроэнергетики и электроэнергетики возобновляемых источников МЭИ (ТУ) в период с 1987 по 1995 г. на научных конференциях и семинарах:

"XI научная конференция болгарских аспирантов в СССР с международным участием" (Болгарский научно-технический центр . Москва. 1989 г.) :

"Компьютер и искусственный интеллект" г.Батуми. ( 1989 г.):

"Автоматизированное проектирования в энергетике и электротехнике " г. Ташкент ( 1990 г.);

"IX Международный солнечный форум" г.Штуттгарт. 1994.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 121 наименование и приложения, содержащего акты о внедрении и результаты расчетов. Работа содержит 149 страниц машинописного текста, 59 рисунков. 7 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и сформулированы цели и задачи исследования. Сформулирована научная новизна, методы исследования, практическая ценность полученных результатов, дается краткая характеристика работы.

В первой главе проводится анализ современного состояния энергетики и использования возобновляемых источников энергии на основании обзора отечественной и зарубежной литературы.

Рассматриваются конструктивные и технологические особенности основных видов энергоустановок на базе ВИЗ: фотоэлектрических станций (ФЭС). малых гидроэлектростанций (МГЭС). ветроэнергетических станций (ВЭС).

Особое внимание в главе уделяется анализу отечественного и зарубежного опыта использования энергоустановок на базе ВИЗ, включая особенности проектирования и эксплуатации, а также перспективам их развития.

Характер режимов поступления, рассматриваемых возобновляемых видов энергии (солнца, ветра, гидравлической) приводит к несовпадению процессов производства с процессом потребления энергии. Одним из возможных способов улучшения технико-экономических показателей и надежности работы ФЭС, МГЭС и ВЭС является их совместное-комплексное использование.

В результате анализа российских и зарубежных научных публикаций делается заключение о том. что наиболее перспективно комплексное использование ВИЗ в условиях, где режимы поступления энергии при хронологическом сопоставлении дополняют друг друга. При этом повышается эффективность и расширяются масштабы экономически оправданного использования возобновляемых источников энергии. В ряде случаев создание энергокомплексов на основе использования ВИЗ. работающих на автономного потребителя, является единственно экономически целесообразным решением.

Одним из ключевых вопросов при создании ЭК с ВИЗ разных видов является вопрос выбора его оптимальной, функциональной и параметрической структуры.

На этапе проектирования необходимо определить не только состав знергокомплекса с ВИЗ, но и основные связи (по времени, по параметрам и др.) составляющих его элементов.

В работе отмечается, что в отечественной и зарубежной практике не используются типовые модели элементов энергоустановок, несмотря на их генетическое сходство, выражающееся прежде всего в неопределенности поступления энергоресурса и следовательно, в методах учета этой неопределенности, а также в структурах технических процессов преобразования энергии ВИЗ.

Актуальность проблемы автоматизации проектирования энергокомплексов на базе ВИЗ подтверждается, по мнению экспертов, и экономическими показателями. Доля затрат на проектирование объектов

традиционной энергетики составляет лишь 5-6 % от стоимости объекта. а для объектов на основе использования ВИЗ. мощностью менее 30 МВт, она составляет иногда до 20-22 %.

Использование современных средств вычислительной техники в значительной степени упрощает и ускоряет работу проектировщиков за счет увеличения скорости обработки данных и числа рассматриваемых вариантов. Использование адаптивных систем автоматизированного проектирования . программ имитационного моделирования, специализированных баз данных, экспертных систем (ЭС) позволяет существенно снизить трудозатраты, и повысить качество проекта.

В главе рассматриваются отечественные и зарубежные методики автоматизированного проектирования энергообъектов и компьютерного моделирования процессов в сложных технических системах и делается вывод о необходимости использования методики, основанной на системном подходе в построении сложных формализованных математических моделей, учитывающих значительно большую, чем в традиционных САПР, часть внешних и внутренних связей как самого объекта, так и всех его систем. Для выполнения задачи исследования в данной работе предполагается создание и использование механизма моделирования процессов в интеллектуальной, самообучаемой среде - экспертной системе.

Механизм экспертных систем в задачах энергетики использовался в работах ВНИИЭ, МЭИ. ВЭИ и др.. но проектирование ЭК с ВИЗ с использованием экспертных систем в настоящее время является актуальной, малоразработанной проблемой.

В главе приводятся результаты классификация существующих оболочек экспертных систем, их сравнительный анализ и характеристики, а также формулируется подход к решению основной задачи работы: разработать методику структурно-функционального моделирования энергокомплекса и оптимизации параметров участников ЭК с ВИЗ в технологии экспертных систем.

Во второй главе рассматриваются основные концепции построения структурно-функциональной модели энергокомплекса на базе ВИЗ, используя положения теории систем и дополненный метод структурных инвариантов.

В результате системного анализа технологических процессов (ТП) в ЭК с ВИЭ были выявлены особые системообразующие, интегрированные связи, которые позволили определить базовую структурную модель ТП с общим законом функциональных отношений входящих в нее элементов для. построения технологически полной многоуровневой иерархической структуры энергокомплекса.

Предлагаемая модель отношений позволяет избавиться от замкнутых технологических схем и реальных многомерных и многосвязных звеньев ТП в ЭК с ВИЭ.

Согласно методу структурных инвариантов каждый управляемый ТП является структурным элементом, лежащим в основе композиции своей

V,

собственной системы управления. Тогда базисная целе-ресурс-про-дуктная (ЦРП) модель ТП представляется триадой вида:

г, х х, - Р! х у, . (1)

2о * Х0 И0 х У0 . где У0 - ЦРП модель основного преобразования;

VI - ЦРП модель подготовки основного причинного ресурса, порождающего У0 ;

Уг - ЦРП модель подготовки вспомогательного ресурса, создающего условия для качественного преобразования У0;

Н.г.Х.У - (результат процесса, цель, ресурс, продукт соответственно) терминальные входы и выходы базисной модели, в которой преобразования У2 находятся в отношении предпочтения и объединения по схеме "И" к преобразованию У0.

Технологически связанные по ресурс-продуктным (Р-П) связям элементы одного уровня - Ч0. V,. У2 -объединяются общностью конечной достигаемой цели 1- получить на выходе У0 конечный продукт У0 заданного количества и качества.

Эти элементы образуют одноуровневую трехцелевую координируемую систему, что позволяет объединить У0. V,. У2 в единый управляемый макропроцесс с интегрированным ресурсом Х- {Х,.Х2> и конечным продуктом У0 и координирующим воздействием и в виде задания множеств локальных целей как подмножеств 1 макросистемы У3 более высокого уровня иерархии управления. При этом условиями внутреннего согласования (свертки) элементов в триаде будут:

У - «„ / п е [0.2]}

и » (2, / Л е 10.2]} (2)

Х0 - У, и У2

где 0 , У -множества информационных характеристик соответствующих одноименных множеств.согласующих взаимодействие модулей преобразования: Уц . .

Объединение моделей У0. V,. У2 в единый макропроцесс образует элемент структурной композиции более высокого уровня описания в виде одноцелевой макросистемы У3. в основе которой лежит координируемый макропроцесс преобразования интегрированного ресурса Х"{Х,.Х2> в продукт У-У0 .

При этом условия включения (согласования) триады в управляемый процесс более высокого уровня описания (управления) будут:

и С г; У с В; (3)

х - {х,.хг): У - у„.

Таким образом базисная система управления, как композиционный структурный элемент (1). формируется из элементарных систем управления на основе общего правила:

(1*11 1 (1*11 (1*1) Уу - {Уп / п е [0.2]} ; Уу С Уз (4 >

Множество {Уп} определяется в результате декомпозиции по ЦРП признаку (Л) •

<1есд £ " - / п е [0.2]} (5)

где У3<1М) - базисная система управления (1 + 1)-го уровня декомпозиции искомой системы управления;

(V,,1 / п е [0.2]} -множество элементарных систем, образующих базисную.

Семантический анализ базисной системы управления с учетом постулата о необходимости и достаточности указывает на то. что она является полной, если включает в себя три элементарные системы, а

объединение, элементарных систем Уп1 удовлетворяет условиям полноты и согласования:

{гп 1 / п е [0.2]) с г11М > :

(6)

{IV / п е [0.2]} С

У,1 и Уг1

■>2 { 1

у(1М) . уо1 .

Сущность метода синтеза модели ЭК состоит в том, что при помощи стандартной формальной процедуры строится целостная и структурно инзариантная на всех уровнях описания модель объекта, в которой структура управления ТП является отображением структуры системы управления, а структурная инвариантность отражает способ регуляризации структуры системы на основе бинарных отношений включения и предпочтения.

В соответствии с условиями ( 6 ) модель любого объекта может быть образована либо путем последовательной иерархической композиции ЦРП моделей составляющих ее элементов: свертки модели по терминальным входам и выходам по правилу (2) и включение в модель ТП системы верхнего уровня описания по правилу (3). либо путем последовательной ЦРП декомпозиции ТП по тем же правилам на соответствующие ЦРП модели.

Процедура композиции осуществляется на основе общих правил ( 6 ) путем объединения и иерархического включения систем данного уровня в системы более высокого уровня интеграции функций.

Оценка качества структурно-функциональной модели заключается в оценке полноты и непротиворечивости модели, полученной на этапе синтеза. Критерием полноты и непротиречивости в теории систем, является разрешимость задачи управления, то есть принципиальная достижимость целей .

Работоспособность (достижимость) структурно-функциональной модели может быть проведена различными методами моделирования, из-

вестными ив теории моделирования и в том числе с помощью сетей типа Петри. Предложенная сеть для модели циклически безопасна и достижима за конечное время, что может быть определено на основе дерева достижимости, вершинами которого являются состояния маокиров-ки после каждого из выполненных переходов .

Согласование времени реакции иерархически вложенных систем, входящих в рассматриваемую модель Функционирования, осуществляется путем задания каждой из подчиненных систем допустимого времени взаимодействия их элементов Т® .удовлетворяющего условию согласования Т* >Т3р. Тбр - собственное время реакции системы на изменение ее терминальных входов/выходов. Тогда, при строгом равенстве в последнем условии, предельное число циклов определяется из:

р N

Т0 - Е (7)

где Тег _ собственное время соответствующего перехода:Уа; дЪ*- продолжительность одного такта циклического процесса достижения цели системы. Это позволяет обеспечить достижимость сети бее изменения ее принятой структуры. Это в свою очередь означает достижимость цели системы при задании ее в виде регулярной, иерархически вложенной структуры предлагаемого вида.

Предложенная методика описания системы управляемых, иерархически взаимосвязанных ТП позволяет произвести переход к соэданию базы внаний (БЗ) управляемых ТО в ЭК с ВИЗ и построить на ее основе экспертную систему моделирования и прежде всего использовать ее для создания "интеллектуальной" системы автоматизации проектирования.

В третьей главе рассматривается задача проектирования ЭК с ВИЗ, которая представлена в виде последовательности этапов создания: основных правил проектирования (базисных гипотез), структурно-функциональной модели, технической модели и социально-экономической модели.

Основное назначение экспертной системы проектирования ваклю-чается в создании совместно с проектировщиком точных моделей как технологических процессов, так и технических систем для их реализации. Кроме этого ЭС проектирования призвана решать задачи как оптимизации принимаемых проектных решений, так и оптимизации управления процессом проектирования. Это не может быть осуществлено без использования баз внаний и данных, заполненных полной, непротиворечивой и по возможности формализованной информацией об объекте. Структуру вадачи проектирования энергообъекта схематически можно представить как последовательность этапов: анализ среды це-леполагания (природа объекта); создание и анализ базисных гипотез о способах использования знеогообъекта, методах реализации, функциях, правилах взаимодействия элементов и др.; разработка полной структурно-функциональной модели объекта со всем набооом координирующих параметров: разработка технической модели объекта (техни-

ческое конструирование) с учетом как новых, так и традиционных технических решений; создание социально-экономической модели "н-7-гообьекта на основании учета экологических и социальных условий, входящих в состав базисных гипотез.

В соответствии с этим задачи следующего этапа работы формулируются следующим образом:

- сформулировать структуру основных положений базисных гипотез проектирования ЗК с ВИЗ;

- создать на основании обобщенных базисных гипотез и методики моделирования, изложенной во 2-й главе структурно-функциональные модели участников ЭК: "Гидроагрегат". "Ветроагрегат", "Фотоэлектрическая установка" и их объединение "Энергокомплекс", использование которых позволит обосновать распределение функций между уровнями и элементами энергокомплекса и определить содержания функций управления на каждом уровне;

- проверить реализуемость достижения цели функционирования энергсобъекта и создать механизм использования базы знаний для построения его технической модели;

В общем случае, декомпозицию энергокомплекса необходимо проводить для комплексной задачи моделирования энергоустановок и всего ЭК. Однако для более строгого определения функций для независимых друг от друга ситуаций целесообразно процедуру анализа и синтеза разделить на части и проводить ее для каждого класса задач отдельно (нормальное состояние, аварийное состояние, диагностика, защита и т. д. ).

ЭК с ВИЭ с конструктивной точки зрения могут быть различного типа, который зависит от климатических, топографических, социально-экономических. характеристик потребителя электроэнергии, и других факторов конкретной местности.

Некоторые из этих конструктивных ЭК с ВИЭ могут быть приемлемы как для работы энергокомплекса в составе электроэнергетической системы, так и для работы в изолированном автономном районе с учетом вышеуказанных факторов.

Работа ЭК с ВИЭ на изолированную нагрузку, предполагает предусматривать при их проектировании аккумуляторные системы или дополнительные источники, для надежного непрерывного энергоснабжения потребителю.

Совместная работа ЭК с ВИЭ_^на изолированную нагрузку, с одной стороны. позволяет улучшать технико-экономические показатели участников ЭК. увеличивать эффективность использования энергоустановок с ВИЭ , увеличивать надежность энергоснабжения и снизить в целом затраты.

С другой стороны, использование МГЭС в качестве аккумулятора энергии, полученной на ФЭС или ВЭС, приводит к тому, что при проектировании очень часто отпадает потребность в других видах аккумуляторов и это в свою очередь является одним из направлений уменьшения

общих затрат в энергокомплекс.

Энергокомплекс ЭК с ВИЗ в зависимости от факторов, может быть различных вариантов, некоторые из них рассматриваются в работе:

- все виды электрических станций комплекса работают на один аккумулятор:

- для ВЭС, ФЭС и МГЭС предусматривается свой собственный аккумулятор. что значительно надежнее, но существенно дороже;

- МГЭС аккумулирует энергию, за счет экономии воды и покрытия части графика нагрузки элекроэнергией ФЭС и ВЭС.

При структуризации исследуется вариант, при котором функции аккумуляции энергии возложены на водохранилище МГЭС и отдельные аккумуляторные системы, а выработанная электроэнергия подается потребителю в виде переменного тока.

Показываются в работе варианты энергокомплексов, когда нет необходимости в аккумуляторных системах и ВЭС. ФЭС и МГЭС могут полностью удовлетворять потребности нагрузки.

Вообще, во всех вариантах при наличии аккумулятора или при его отсутствии МГЭС может, в зависимости от ее возможностей, аккумулировать часть избыточной энергии комплекса, и может играть главную роль в регулировании энергоснабжения потребителя.

Для технической системы "Энергокомплекс ВЭС-ФЭС-МГЭС" внешняя цель может быть достигнута в процессе основного последовательного энергетического преобразования суммы подведенных энергий: Эгэс. Эфэс. Эвэс в электрическую энергию Ээк. Полученные ранее структуры основных преобразований и технологических процессов в технических системах "Гидроагрегат". "Ветроагрегат". "Фотоэлектрическая установка" используются в виде макросистем (См рис. 1..2..3,).

На основе свойства аддитивности модели ЭК с ВИЗ формулируется задача параметрической оптимизации ЭК (ФЭС-ВЭС-ГЭС). как задача динамического программирования.

Разработана модель оценки объема обобщенного, аккумулятора энергии в виде водохранилища МГЭС.

Для определения основных связей между выработкой ФЭС. ВЭС и МГЭС. и основных параметров энергокомплекса, используется метод балансовых расчетов, основных на балансе энергии и стока в энергокомплексе.

При совместной работе МГЭС-ФЭС-ВЭС на изолированную нагрузку можно представить баланс мощности энергокомплекса в виде аналогичном энергобалансу энергосистемы:

РвалШ = РнП> - Нгэси) - НФЭС(П- N,,<.(0 » 0 (8)

где: РНШ -нагрузка в любой момент времени (допускается, что потери в сетях энергокомплекса равны 0): Нгэс(и -мощность ГЭС; Ыфэси) -мощность ФЭС; ЫВЭСШ -мощность ВЭС.

Мощность выработанная ГЭС в любой момент времени определяется

НС -

7 В -

а.н -

Рис. 1. Вариант структуры знергскомплекса ФЗС-ВЗС-ГЗС для энергоснабжения изолированных потребителей

м С ВА

АБ 1

МС

ФЭУ

АБ 2

МС ГА

Р |

АБ 3

И

* у

А

-4'

Рис. 2. Структурная схема технической системы "Энергокомплекс" МС ФЭУ. МС ВА. МС ГА -макросистемы: фотоэлектрическая установка, ветроагрегат. гидроагрегат; АБ- аккумуляторные батареи; И-инвертор; ТП-токопровод. Х- проводимость; Р- потери мощности; Б-перемещение.

ВА-

ТП1-

ФЭУ— ТП2— ГА— ТПЗ—|

©

Ин-

ТП4-

•© '© —е

1ПЗ

-'э

ьг

Т П 4

И н

Э

э

Рис. 3. Схема декомпозиции процессов производства

энергии технической системой "Энергокомплекс"

по формуле:

ЫРЭС (= 9.81 * Нгэс(0 * й„с(С) * П») О)

где: НГЭС(П - напор; 0ГЭС(1) - расход; цШ - КПД ГЭС в промежутке (1); тогда расход ГЭС определяется так: Лг,си)

аг.е(1)- --(10)

9.81*Нг,сШ*пШ из уравнения (8) и (10) можем представить 0ГЗС в таком виде:

Р„(П-Швэс(и+ И9ЭС(())

аГ1С(о- - (ш

9.81*НРЭСШ*пи)

и получаем окончательный вид уравнения для объемов :

к к С Г

«О - «к + I 0.гэс(и<И -I 0пр (; ) 1

о о

к к г р„ахп г

)9.81*НгэсШ*пи) ^9.81*НГЭС о о

* N,„(1)04 *

-I--ЮпрШсП ; (12)

)9.81*Нгэс(1)*п(Ь) )

о о

где: - объем водохранилища в начальный момент времени и

в конце расчетного времени К;

Уравнения (12) можно представить следующим образом:

" Ин-Мпр-Шфэс-Ивэс (13)

Анализируя уравнение (13) можно сделать такой вывод о том. что при совместной работе МГЭС.ФЭС и БЭС, при поступлении энергии ветра и солнечной энергии, снижается требуемая мощность МГЭС и тем самым аккумулируется вода и энергия в водохранилище МГЭС и следовательно можно будет решать задачи других водопользователей.

Таким образом можно написать балансовые уравнения для выработанной энергии и используемой, а также аккумулированной за расчетный период времени: ■

к к к к Г Г Г г

Эо=Эк + | РнШ(П-|Мфэс(1;)(1Н 11вэс (1)оИ-|Игэс (14)

1111

Эо= Эк+э„ Эгэс Э4эс ЭВ5С (15)

В уравнениях (14). (15), определяющих производительность ЭК т. е. выработка энергии ВЭС и ФЭУ за промежуток времени с где 1=1,2.....к, определяется по известным зависимостям.

Для определении выработки ВЭУ за требуемый промежуток времени ( не более 1 часа ) целесообразно использовать зависимость, учитывающую особенности ветроколеса, ветровые условия местности. 1.-1

Э,,е1 = 0-5' к„(Ывэс.У)- рв -(Уо. V)3- (16)

1».о

р„- массовая плотность воздуха; Г - ометаемая ветроколесом площадь;

Д1 - промежуток времени в интервале от 0 до 1 часа;

У0,У- соответственно расчетная и среднечасовая скорости ветра;

к„ - зависимость коэффициента использования энергии ветра при мощности Лвэс и особенностях ветрового потока. Этот коэффициент был введен М.В.Келлером и он учитывает влияние коэффициентов полезного действия элементов ВЭУ: т

I Я, ■ дг,

с»I о

кц= --(17)

0.481-Б2 I У^-ДЦ

где : Л-,- мощность ВЭС; 0 - диаметр ветроколеса ; V,-скорость ветра, д- промежуток времени в интервале от 0 до 1 часа;

Энергия за промежуток времени ¿1 вырабатываемая ФЭУ определяется как:

Эф э у - Исэ- Пи'Ку»' 1з" Эо Ы (18'

где: Псэ" к. п. д. солнечного элемента; ци - к. п. д. инвертора. Ку. - фактор, учитывающий метеоусловия; 13 - интенсивность солнечной радиации на наклонную поверхность при постоянном угле наклона; Зп - площадь поверхности солнечных батарей; д1 - промежуток времени ;

Уравнения (14),(15) решаются путем последовательного приближения и численного интегрирования и по ним определяются все водохозяйственные и энергетические параметры: выработка ФЭС, выработка ГЭС. выработка ВЭС, дефицит и избыток воды и энергии, необходимый обьем аккумуляции и другие показатели энергокомплекса ФЭС-ВЭС-МГЭС.

Суммируя все значения избытка и дефицита объемов воды и энергии за каждый промежуток времени, за весь период регулирования

Ц=1,..к) можно определить общие объемы дефицита и избытка таким образом:

\/из=Х ДИизШ; Удеф=1 ДШдефШ : (19)

Эиз-1 ДЭизЦ); Эдеф=1 ДЭдефЦ) ; (20)

1-1 (»1

Вычисляя разницу между избытком и дефицитом объемов воды и энергии таким образом:

ДУ -Удеф -Уиз (21)

ДЭ -Эдеф -Эиз (22)

можно определить необходимые количества воды и энергии, которые нужно аккумулировать, чтобы ЭК с ВИЗ (ФЭС-ВЭС-МГЭС) мог надежно снабжать потребителя.

В четвертой главе рассматривается этап расчетной проверки правильности методики моделирования при проектировании энергокомплекса с ВИЗ.

Первой задачей этого этапа является проверка работоспособности полученной на этапе синтеза структурной модели. Для этого необходимо на основе структурной модели и процедурного описания ее элементов (функционального наполнения) доказать разрешимость модели системы управления и сходимость процесса управления за заданное время, а следовательно достижимость глобальной цели рассматриваемой системы при выполнении функции каждого из включенных в модель элементов с координацией времени выполнения этих функций.

С практической точки зрения, наиболее удобно процедуры координации описать на языке алгебры логики в виде правил-продукций, составляющих основу продукционных экспертных систем.

Цель эксперимента заключается в том. чтобы подтвердить - сходимость процессов управления и достижимость цели управления за заданное время для обобщенной динамической модели системы "Агрегат".

Условия постановки эксперимента:

- модели функционирования управляемого объекта : релейная (безинерционное звено), линейная (интегрирующее звено) и нелинейная (апериодическое звено 1-ого порядка);

- цикл управления вариируется в диапазоне от 0,02 до 100с. что характерно для скорости протекания процессов в обобщенной энергетической установке;

- вычислительный процесс организован по схеме управления " от данных" (потоковая модель).

Результаты вычислительного эксперимента показали сходимость рассматриваемого итерационного процесса за конченное число шагов, сумма которых не превышает заданного времени достижения цели системы (см. табл.1, рис. 4).

Второй задачей .являлась оптимизация основных энергетических

Таблица l

N0 Пара- Началь. Желаемый Желаемое Фактич Фактиче- Ста

Р Модель метр шаг целевой время еское ское ту.-

е процесса объкта управл. параметр достиж. значение время

ж цели продукта дост.цели

[То] ГАС] [Уж] [Тж] [Ут] [Т]

1 /О,если Т<То 0, 02 0. 02 1, 00 0. 02 1. 0000 0. 02 0

и, если Т>То

при ихлк

2 V, = . 5 +1)хД1/То 0, 1 0.02 0, 100 0.02 0. 0000 0. 02 5

3 " 0.2 0. 1196 0.2 0

4 II И И 1.0 0. 09993 0.46 0

5 ~ и — 2.0 С. 09991 0. 96 0

6 0.7 0.2 0. 10055 0. 2 5

7 «4- 1.0 0. 10010 1.0 0

8 _ н _ • 1 2.0 0. 09991 1.98 0

9 II 70 ~~ II 2.0 0. 00000 0.04 3

10 60 и 0745000 50 0.45 14.4 0

+ехр(и-дс-Т/То)

11 100 И 0.45000 100 0.45 20. 0 0

12 у^+идит/то)2 100 » 0.45000 100 0.45 58.4 0

Сводная таблица результатов вычислительного эксперемента

Статус ] может принимать значения: 0- цель достижима; 5-цель не достигнута по причине недостатка времени: 3- цель не достигнута пс причине отказа объекта или его большой инертности по сравнению с заданным временем реакции системы. График сходимости

3-го режима представлен на рис. 4

параметров участников ЭК с ВИЗ (ВЭС-ФЭС-МГЭС).

В задачу исследования входит определение значений мощности участников ЭК с ВИЗ и емкости аккумулятора, необходимых для покрытия заданного графика нагрузки. Задача решалась с использованием разработанной автором программы "КОМПЛЕКС" для географических и климатических условий Казахстана.

Для экономической оценки эффективности вариантов параметров участников энергокомплекса используются средние значения коэффициентов удельных капитальных вложений и эксплуатационных издержек для энергетических установок мощностью до 10 МВт.. срок службы и КПД энергоустановок, а также весовые коэффициенты приоритетного использования конкретных видов ВИЗ на основе социально-экологических требований.

В качестве базовых вариантов для сравнения использовались варианты полного покрытия графика нагрузки за счет преобразования одного вида ВИЗ.

Оптимизация параметров ЭК позволила снизить стоимость энергокомплекса на 34000 долларов, что составляет 10.36 % от стоимости капиталовложений в ГЭС, работающей на покрытие полного графика нагрузки (328 тыс.долл.). В результате оптимизации удалось уменьшить объем водохранилища, а следовательно площадь затопления, что также может быть выражено в стоимостных показателях.

Результаты контрольного расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2.

1 1 1ТИП станции! 1 1 Основные показатели 1 Стоимость I 1

1 1 11. МГЭС | 1 1 Нгэс=55 кВт;гнпу=122 м.; 0пр=2 м3/с; 1 220 тыс.ДОЛ | 1

I 1 12. ВЭС | 1 1 Мвэс- 28,5 кВт; 0вк=12(х2) или 24 м: 1 42.8 тыс. ДОЛ I 1

1 1 13. ФЭС I 1 1 ВДэс=10.5 кВт; Зсб-138 м2 ; 1 31.5 тыс. дол I 1

1 1 1 1 1 . Сумма: 1 294.2тыс.дол| 1

Предложенная методика проектирования и типовые модели технологических процессов были использованы при разработке и внедрении элементов АСУ ТП Курейской ГЭС.

Разработанный программно-технический комплекс предназначается для решения следующих основных задач:

- расчет оптимального режима работы гидроэнергетического комплекса, состоящего из 2-х ГЭС (Курейской и Хантайской ГЭС),расположенных на различных водотоках:

- расчет водноэнергетического баланса ГЭС и ведения контроля водноэнергетического режима по периодам года для различной водности ;

- расчет энергетического баланса ГЭС и контроль электроэнергетического режима по временам года ;

- формирование и печать отчетной документации ;

- создание и поддержка информационной базы параметров ГЭС для эксплуатационного персонала .

Программно-технический комплекс введен в эксплуатацию персоналом Курейской ГЭС в 1991 г.

Типовые описания технологических процессов в гидроэнергетических установках и схемы обработки информации о фактических режимах ГЭС ЕЭС практически использованы при разработке подсистемы "ГИДРОРЕЖИМЫ" в ЦДУ ЕЭС РОССИИ. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ

1. В работе показано, что эффективность энергокомплекса на базе ВИЭ связана с несовпадением во времени поступления энергсре-сурсов и максимальным использованием специфических для каждой из энергоустановок свойств.

2. Сформулирован вывод о целесообразности применения технологии экспертных систем к САПР энергокомплекса на базе ВИЭ в связи с наличием слабо структуризированных и неформализованных задач проектирования . Выявлена необходимость разработки методики структурно-функционального моделирования энергокомплекса и оптимизации параметров участников ЭК с ВИЭ в технологии экспертных систем.

3. Показаны основные свойства структурно-функциональных моделей установок и основные достоинства метода их построения, заключающиеся: в максимальной структуризации модели; простоте формулы синтеза; в использовании при моделировании развитого аппарата теории графов и алгебры логики.

4. Разработаны и обобщены структурно-функциональные модели технических систем: "Гидроагрегат", "Ветроагрегат". "Фотоэлектрическая установка" и их объединения в комплекс, с регулярной структурой и конечным числом правил функционирования. Построена структурно-функциональная модель обобщенной технической системы "Агрегат".

5. Показана эффективность использования метода динамического программирования к решению задачи параметрической оптимизации участников ЭК.

6. Создана база знаний экспертной системы проектирования энергокомплекса на этапе структурно-функционального моделирования.

7. Экспериментально проверена работоспособность концептуальной модели обобщенного элемента ЭК с ВИЭ на условие достижения цели управления.

8. Доказана работоспособность прототипной экспертной системы проектирования ЭК, состоящего из ВЭС. ФЭС и ГЭС на основании результатов расчетов основных энергетических параметров условного энергокомплекса. которые определили снижение мощностей каждого участника ЭК и их стоимостных показателей.

9. Применимость разработанных моделей, алгоритмов согласования и информационно-программных средств подтверждены использованием в составе АРМ АСУ ТП Курейской ГЭС и распределенной информационно-вычислительной подсистеме "ГИДРО" в ЦДУ ЕЭС России. По теме диссертационной работы опубликованы :

1.Тягунов М.Г.. БойчевЧ.Ч., Лушников О.Г..Соболенко H.A. Синтез системы управления непрерывным технологическим процессом (на примере ГЭС) //Изв. вузов. Энергетика. -1990. -No3.-С.114-119

2. Тягунов М. Г.. Соболенко Н. А.. БойчевЧ.Ч.. Лушников О.Г. Метод построения сетевой модели системы управления // Электронное моделирование.-1991.-т. 13. -No 3.-С.81-85

3.Бойчев Ч.Ч.. Лушников О.Г.. Соболенко Н. А., Тягунов М. Г. Подсистема оценки комплекса технических средств САПР АСУ ТП ГЭС //Автоматиз.проект, в энергетике и электротехнике: Тез.док.Респ. на-уч-техн. конф. -Иваново.1991.-С.77-78

4. Тягунов М.Г.. Соболенко H.A.. Бойчев Ч.Ч.. Лушников О.Г. Экспертная система управления обобщенным технологическим процессом на примере гидроагрегата ГЭС// Тр.ин-та/ Моск. энерг. ин-т. -1991. -вып. 638. -С.79-86

5.Тягунов М.. Соболенко Н.. Лушников 0., Бернет X. Структурное моделирование установок на основе возобновляемых источников энергиии // 9-й Международный солнечный форум: Сб. Докладов.

Ч. 2. -Штуттгарт: -1994. С. 1676-1679

Подписано к печати Л— /лл

Печ. л. IZ5 Тираж /00 Заказ $90

Типография МЭИ, Красноказарменная, 13.