автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики управления оперативными переключениями в сетях 110-500 кВ с целью снижения перегрузки и повышения надежности

На правах рукописи

904604830

Файницкий Олег Викторович

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УПРАВЛЕНИЯ ОПЕРАТИВНЫМИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯМИ В СЕТЯХ 110-500 КВ С ЦЕЛЬЮ

ТТ Т ТТ 7 <Т ТТТ-,"П'ПТ~'ТЛЛ7Г»Т/"ТТ ТТ ГТЛМЛТ ТТТТТЧТТ^ГТ ТТ А ПГ^ТГТ ГПЛТТ 7

\-,ПГ1МШП±1У1 Г У XI ииишшыиы ппдмши^, 1 XI

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1 о ИЮН 2010

Москва 2010

004604030

Работа выполнена на кафедре электроэнергетических систем МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА (Технического университета) Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Юрий Александрович Фокин Официальные оппоненты: доктор технических наук, зам. директора

ИСЭиЭПС по науке, Чукреев Юрий Яковлевич

кандидат технических наук, профессор, зав. кафедрой Электрических станций МЭИ, Гусев Юрий Павлович Ведущая организация: Филиал ОАО "СО ЕЭС" "Региональное

диспетчерское управление энергосистемы Москвы и Московской области" (Московское РДУ)

Защита диссертации состоится икк^ 2010 г. в ч &0 мин в

аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при Московском энергетическом институте (Техническом университете) по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, 2 этаж, корпус "Г".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03, /О

кандидат технических наук, доцент У^Л^ Бердник Е.Г.

Общая характеристика работы

Задача исследования - теоретическая и практическая разработка методики и алгоритмов формирования последовательностей переключений (ПП) с целью снижения токовой перегрузки элементов электроэнергетических систем (ЭЭС), а также последующая реализация в виде программного модуля информационно-аналитической системы.

Рост потребления электроэнергии городов, промышленных предприятий, сельскохозяйственных районов, а также существенное усложнение схем ЭЭС зачастую вызывают затруднения при попытке упрощенного решения поставленной задачи, и возникает необходимость построения и реализации новых цифровых алгоритмов применительно к использованию современной вычислительной техники.

Постоянное повышение производительности и удешевление современных вычислительных средств предоставляет новые возможности для реализации алгоритмов, позволяющих получить более точный результат при минимизации временных и материальных затрат и в значительной степени автоматизировать процесс принятия оптимального решения.

Актуальность. Задача снижения токовых перегрузок элементов ЭЭС возникла давно и, на сегодняшний день, разработаны различные методы снижения перегрузок. Большинство этих методов используют регулирование мощности генераторов (перераспределение активной мощности), мощности компенсирующих устройств (перераспределение реактивной мощности), а также, как экстренная мера, отключение нагрузок или их части. Они (кроме варианта с отключением потребителей) не всегда позволяют разгрузить перегруженный элемент. Как следствие - аварийное отключение потребителей или генерирующих мощностей.

В работе рассматривается иная возможность разгрузки элементов ЭЭС -при помощи проведения серии переключений в сетях, приводящей к снижению тока в перегруженном элементе без существенного изменения уровня тока короткого замыкания (КЗ), показателей надежности, а также сохранения в допустимом диапазоне токов в других ветвях. Этот вопрос исследовался еще в 70-80х годах прошлого века, но до сих пор не существовало универсального алгоритма формирования подобных ПП для схем сложных ЭЭС, состоящих из нескольких десятков или сотен тысяч элементов.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью работы является теоретическая и практическая разработка методик и алгоритмов формирования ПП для снижения перегрузок элементов ЭЭС, а также последующая практическая реализация в виде модуля информационно-аналитической системы. Как алгоритмы, так и их реализации должны быть рассчитаны на работу с реальными схемами ЭЭС, размер которых может достигать несколько десятков тысяч элементов. При этом время расчета должно оставаться в приемлемом диапазоне.

Для достижения указанных целей потребовалось решить следующие задачи:

• разработать способы многофункционального моделирования электроэнергетической системы, а также методику преобразования электрической схемы в схему замещения и обратно;

• разработать методику и алгоритмы, позволяющие осуществить структурно-функциональную декомпозицию сложных ЭЭС, для определения коммутационных аппаратов (КА), отключение которых приведет к снижению перегрузки рассматриваемой ветви;

• разработать методику и алгоритмы поиска КА-кандидатов на отключение с отсечением заранее неперспективных кандидатов;

• разработать методику и алгоритмы для структурной декомпозиции сложных ЭЭС и определения совокупности ТС А, включение которых приведет к снижению перегрузки рассматриваемой ветви;

• разработать методику и алгоритмы поиска КА-кандидатов на включение с отсечением заранее неперспективных кандидатов;

• разработать методик}' и алгоритмы формирования ПП с использованием выключателей-кандидатов на отключение и включение и с отсечением заранее неперспективных вариантов по сформулированным критериям;

• разработать способы проверки ПП на допустимость по уровню токов КЗ и надежности в ближайших узлах.

Методы и средства исследования. В работе активно используются методы вычислительных экспериментов (реализация различных видов алгоритмов с последующей оценкой их точности, производительности и применимости к решаемой задаче), комбинированный с теоретическим подходом для обоснования направления проведения эксперимента.

Полученные результаты проверялись с использованием существующих промышленных решений или собственных разработок.

Основные научные результаты и их новизна. Итогом работы стал модуль определения ПП в сложных ЭЭС для снижения токовой перегрузки, входящий в состав информационно-аналитической системы, готовый к использованию и проверенный на схемах различного размера и сложности и реализующий разработанные методики и алгоритмы. Данный модуль в рамках информационно-аналитической системы взаимодействует с модулями оценки токов установившегося режима, токов короткого замыкания и надежности.

Основные научные результаты:

• предложены, теоретически и практически обоснованы методика и алгоритмы декомпозиции сложных ЭЭС с использованием методов структурного анализа для определения коммутационных аппаратов

(КА), кандидатов на включение и отключение, снижающих послеаварийные перегрузки элементов системы;

• разработана методика отсечения неперспективных КА-кандидатов на основе понятия "приоритет" выключателя на включение и на отключение, приведены основные влияющие факторы и формулы вычисления приоритета выключателя на основе влияющих факторов;

• разработана методика формирования ПП из найденных КА-кандидатов и отсечения заранее неперспективных вариантов на основе понятия "приоритет" ПП, разработаны методика и алгоритмы его вычисления на основе приоритета выключателей, входящих в данную последовательность;

• разработаны принципиально новые методика и алгоритм формирования ПП, пригодный для работы с реальными схемами, насчитывающими десятки и сотни тысяч элементов, малочувствительный к параметрам схемы.

Предметом исследования является проблема диагностики и изменения коммутационного состояния ЭЭС для снятия токовой перегрузки. Ввиду большой сложности ЭЭС, даже с применением вычислительной техники самой большой производительности простой перебор коммутационных состояний всех коммутационных аппаратов ЭЭС невозможен. Поэтому необходимо ограничить область проведения коммутаций (осуществить структурную декомпозицию ЭЭС), осуществлять перебор возможных коммутационных состояний целенаправленно, а также определить критерий отбора выключателей и ПП на всех этапах формирования последовательностей.

Практическая ценность. В настоящее время существует необходимость дискретного управления потоками мощности в ЭЭС путем изменения коммутационного состояния. Основное направление - снятие перегрузок элементов сети (линий, автотрансформаторов и т.д.).

Задача формирования необходимых коммутаций в послеаварийных состояниях ЭЭС обычно целиком лежит на персонале. На практике полагаются на опыт сотрудников. Не отрицая необходимость подобного опыта, предлагается эффективный способ автоматизации процесса управления коммутациями в ЭЭС, который может быть позиционирован в качестве элемента советчика диспетчера.

Этот прием предназначен оказывать помощь при принятии решений, как по оперативным, так и по плановым переключениям, что поможет существенно сократить время принятия решения, и, следовательно, приведет к повышению надежности электроэнергетической системы.

Публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных работ.

Апробация. Основные теоретические положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на Всероссийских научных семинарах с международным участием "Методические и практические задачи

надежности систем энергетики" им. Ю.Н. Руденко (Санкт-Петербург 1997 г., 2009г., Иркутск 1998 г., Сыктывкар 1999 г, Харьков 2006 г.), семинар на кафедре ЭЭС 1999 г., а также на тематическом семинаре в г. Москва 2001 г..

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 5 приложений и содержит 219 страниц основного текста, включая 31 рисунок, 32 таблицы и 106 библиографических наименований.

Основные положения, выносимые на защиту:

• методика и алгоритмы декомпозиции схем ЭЭС для выделения группы КА-кандидатов, переключение которых, могут оказать влияние на перегрузку исходного элемента;

• методика и алгоритмы определения и отсечения заранее неперспективных КА-кандидатов;

• методика и алгоритмы формирования ПП, определения и отсечения заранее неперспективных вариантов.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, выделены направления решения вопросов, отмечена новизна исследования, перечислены основные положения работы, выносимые автором на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса исследования..." выполняется анализ существующих методов и подходов к снижению токовых перегрузок дискретными и непрерывными управляющими воздействиями, существующие алгоритмы коррекции схем замещения ЭЭС, методы формирования ПП, а также методы структурного анализа ЭЭС.

Первый этап исследования посвящен анализу существующих методов применения непрерывных и дискретных управляющих воздействий с целью снижения токовой перегрузки элементов ЭЭС.

Было проведено сравнение непрерывных и дискретных управляющих воздействий с целью снижения токовой перегрузки. В общем случае решением может являться комбинация дискретного и непрерывного управляющих воздействий. В данной работе концентрируется внимание на выработке дискретных управляющих воздействий для снижения токовой перегрузки.

Проведен анализ работ, выполненных по этой теме, обобщая которые, можно отметить два основных способа определения ПП, приводящих к необходимому снижению перегрузки элементов ЭЭС:

• целенаправленный перебор вариантов;

• определение ПП через режимные параметры.

Исследования показали, что одним из перспективных алгоритмов определения ГШ является алгоритм целенаправленного перебора вариантов с отсечением заранее неперспективных с учетом режимных параметров.

Второй этап посвящен методам и алгоритмам структурного анализа электрических сетей.

Одним из ключевых алгоритмов, используемых при выделении влияющего участка сети является алгоритм поиска по графу, поэтому большое внимание уделено существующим алгоритмам поиска. Рассматриваются как общие поисковые, базовые алгоритмы (алгоритм поиска в ширину, алгоритм поиска в глубину, так и алгоритмы поиска кратчайших путей по графу с учетом веса переходов (алгоритм Дейкстры, Йена и Беллмана-Флойда).

Третий этап исследования посвящен существующим методам декомпозиции сложных систем. Рассмотрены методы диакоптики, Применяемые для расчет режимов сложных электрических систем, задача эквивалентирования электрических систем, декомпозиция сложных систем методом выделения самобалансирующихся участков.

Во второй главе "Теоретическая разработка методики управления оперативными переключениями в сетях 110 - 500 кВ с целью снижения перегрузки и повышения надежности" проработаны методы и разработаны алгоритмы:

• декомпозиции сложных схем ЭЭС;

• формирования выключателей-кандидатов на переключение;

• формирования ПП-кандидатов на переключение;

• способы проверки найденных ГШ по уровню тока установившегося режима, токов короткого замыкания, и надежности в "окрестности" перегруженного элемента.

Для построения перечисленных алгоритмов, необходимо четко определиться с используемой моделью ЭЭС, чему и поезяшен первый раздел главы.

В работе сравниваются возможные представления модели ЭЭС - граф электрической схемы и граф схемы замещения, рассматриваются достоинства и недостатки этих представлений, формируется алгоритм перехода от графа электрической схемы к графу схемы замещения.

На втором этапе рассматриваются методы и алгоритмы структурной декомпозиции сложных ЭЭС методом выделения самобалансирующихся участков с применением методов структурного анализа. Результат декомпозиции - набор путей до источников и нагрузок, питающих перетруженную ветвь. Алгоритм декомпозиции является ядром алгоритма нахождения ГШ для снятия перегрузки ветви.

В основе метода декомпозиции лежит поиск кратчайших путей между двумя узлами, алгоритмы для которых были рассмотрены в первой главе. Два основных алгоритма поиска кратчайших путей - волновой алгоритм (алгоритм

обхода графа поиском в ширину) и алгоритм Дейкстры. В таблице 1 приведено

сравнение алгоритмов на основании тестовых расчетов схемы ЭЭС.

Таблица 1.

_Сравнение алгоритмов поиска путей__

Критерий Волновой алгоритм Алгоритм Дейкстры

Критерий веса пути. Количество вершин, пройденное от исходного до конечного узла. Вес (сопротивление элементов) пути между исходным и конечным элементами.

Количество узлов, которое надо задействовать. Ближайшие узлы к исходному элементу. Все узлы системы.

Зависимость времени поиска от количества узлов. Практически не зависит. Пропорционально квадрату числа узлов.

Зависимость времени поиска от удаленности исходного узла от ИСКОМОЮ. Время поиска растет при росте удаленности. Не зависит.

Возможность одновременного поиска нескольких узлов встроена требуется дополнительная модификация

Возможность одновременного поиска нескольких кратчайших путей до одного узла отсутствует, требуется вспомогательный алгоритм отсутствует, требуется вспомогательный алгоритм

Время поиска между двумя узлами тестовой схемы (40000 элементов) от 0,1 до 10 секунд, в зависимости от удаленности несколько часов

Из сравнения, приведенного в таблице 1 видно, что алгоритм Дейкстры дает на небольших схемах лучшие результаты (более точный поиск - путь будет кратчайшим по сопротивлению), но на больших схемах не позволяет учесть фактор удаленности и потому время поиска фиксировано и пропорционально квадрату числа узлов, что неприемлемо для практических расчетов. Следовательно, для декомпозиции ЭЭС следует принять волновой алгоритм.

Третий этап - разработка методики снижения перегрузок ветвей отключением ветвей. В работе сформулированы несколько основных предпосылок, которых следует придерживаться при разработке методов снижения перегрузок ветвей.

Для снижения тока в ветви отключением ветвей в работе предложено отключать элементы (коммутационные аппараты), по которым происходит переток мощности от источника до нагрузок через данный элемент. Чтобы выявить зону элементов, являющихся кандидатами на отключение, предлагается искать кратчайшие по сопротивлению пути от перегруженного элемента до источников и нагрузок. Причем, чтобы ограничить количество элементов-кандидатов на отключение, количество источников и нагрузок должно удовлетворять следующим ограничениям:

Р^К'РпеР> (1)

Р > к Р

И 3 л м

где Ри, Ри - активные мощности источников и нагрузок соответственно, Р„ср -активная мощность перетока, к3 - коэффициент запаса. Т. е. количество источников и нагрузок должно быть таким, чтобы их суммарная мощность покрывала с некоторым запасом переток по перегруженному элементу.

Результат работы алгоритма декомпозиции - набор путей до источников и нагрузок, суммарная мощность которых превышает с заданным коэффициентом запаса мощность перетока по перегруженной линии.

На рис. 1 показана зависимость найденных коммутационных аппаратов (КА), кандидатов на отключение от коэффициента запаса для тестовой схемы.

ь

Рис. 1. Зависимость КА-кандидатов на отключение от коэффициента запаса на

поиск путей.

На рис. 1 к3 = к311Сп. = кэпагр - коэффициент запаса на поиск источников и нагрузок (совпадают), o.e., Ne - число найденных выключателей-кандидатов на отключение. Однако, степень влияния отключения каждого из найденных выключателей на ток перегруженной ветви различна, поэтому, для отсечения на раннем этапе неперспективных кандидатов, в работе предлагается ввести понятие приоритета и ранжировать найденные выключатели по приоритету.

Приоритет - некоторое вещественное значение, численно отражающее "желательность" данной коммутации. Приоритет зависит от множества факторов и позволяет их учесть в интегрированном виде, с собственными коэффициентами влияния. Первоначальное значение приоритета:

Рга =1.0. (3)

Итоговое значение приоритета в зависимости от многих влияющих факторов:

Рг = П*/> (4)

¡=1

где Kt - коэффициент влияния на приоритет i-ro влияющего фактора, N-число влияющих факторов.

Факторы, влияющие на приоритет выключателя на отключение,

представлены в таблице 2.

Таблица 2.

_Факторы, влияющие па приоритет КА-кандидата на отключение__

Влияющий фактор Влияние на приоритет Коэффициент Возможные значения

Количество параллельных ветвей, одну из которых данный выключатель отключает () При возрастании количества ветвей приоритет падает. Степень влияния: слабая / к = (р= регул! 1 л] ' 3.5- параметр зрования) реально: 1,2,3

Мощность источников, пути до которых проходят через данный выключатель При возрастании суммарной мощности источников, приоритет возрастает. Степень влияния: сильная (р = 1.0- параметр регулирования) любые неотрицател ьные значение

Удаленность до точки расчета. При возрастании удаленности выключателя от перегруженной линии приоритет падает. Степень влияния: средняя к = парам 1 Г — | ;(р = 1.0- етр регулирования) любые неотрицател ьные значения

Номинальное напряжение для выключателя, его отличие от номинального напряжения расчетной точки. При возрастании разности номинальных напряжений между выключателем и расчетным элементом, приоритет падает, Степень влияния: средняя. К = (Р = регул г[ 1 V ^^ШКл ^рпСЧ | } 1.0, при ; \т] _Т7 1 — 0 1 еъш расч | 3.05 - параметр ■фования) любые неотрицател ьные значения

Вероятность отказа выключателя в срабатывании (£)а) При возрастании Qa приоритет падает. Степень влияния: слабая (р = 1.0- параметр регулирования) ва =0+1

Среднее время оперативных переключений для подстанции, на которой находится выключатель (Тп). При возрастании Тп приоритет падает. Степень влияния: средняя К = парам '1 у - ;(р = 1.0Л / етр регулирования) любые неотрицател ьные зкачепия

В таблице 2 р - параметр регулирования, он индивидуален для каждого влияющего фактора. В работе рассматривается природа каждого влияющего фактора.

После определения приоритета выключателя на отключение предлагается отсечь неперспективные выключатели - выключатели, чей приоритет на отключение ниже математического ожидания приоритета, взятого для всех выключателей, с определенным коэффициентом для сохранения возможности регулирования. То есть исключаем из рассмотрения выключатели, удовлетворяющие следующему условию:

1 'Ь

Рг3 — (5)

где Ргд - приоритет текущего выключателя-кандидата, Рг; - приоритет на отключение ¡-го найденного выключателя-кандидата, Nв- число найденных выключателей-кандидатов, р - параметр регулирования (по умолчаниюр = 1.0).

В работе приводится полное пошаговое описание алгоритма нахождения элементов на отключение. На рис. 2 показана зависимость КА-кандидатов, оставшихся после отсечения от параметра регулирования р из (5), рассчитанная для тестовой схемы.

Рис. 2. Зависимость КА-кандидатов на отключение от параметра регулировании

Четвертым этапом работы стала разработка методики снижения перегрузок ветвей включением ветвей. Как и на предыдущем этапе, метод снижения перегрузок ветвей включением ветвей сводится к методу декомпозиции ЭЭС для формирования кандидатов на включение, а также к методу формирования кандидатов на включение с использованием вероятностного отсечения.

В результате декомпозиции схемы сложной ЭЭС для определения ветвей, включение которых приведет к снижению перегрузки, необходимо найти

множество исходно отключенных выключателей, включение которых приведет к снижению перегрузки ветви. Для снижения тока в ветви включением ветвей в работе предлагается и обосновывается включение элементов, параллельных перегруженному элементу, находящиеся по каким-либо причинам в отключенном состоянии. Чтобы выявить зону элементов, являющихся кандидатами на включение, предлагается искать кратчайшие пути от одного присоединения перегруженного элемента до другого присоединения того же элемента. Декомпозированной зоной в данном случае будет множество отключенных элементов, входящих в найденные кратчайшие пути.

Следующим этапом разработки алгоритма формирования ГШ, снижающих перегрузку ветвей схемы ЭЭС, является алгоритм определения выключателей-кандидатов на включение.

Для отсечения неперспективных элементов на раннем этапе, как и в случае с кандидатами на включение, предлагается использовать ранжирование по приоритету. Исходное значение приоритета и формулы для его вычисления в зависимости от влияющих факторов приведены ранее в (3) и (4).

Факторы, влияющие на приоритет выключателя на включение, представлены в таблице 3.

Таблица 3.

Факторы, влияющие на приоритет КА-каидндата на включение

Влияющий фактор

Влияние на приоритет

Коэффициент

Возможные значения

Номинальное напряжение для выключателя, его отличие от номинального напряжения расчетной точки.

При возрастании разности номинальных напряжений между выключателем и расчетным элементом, приоритет падает. Степень влияния: средняя.

¡^выкл ^ расч | J

/£ = •¡1.0, при

любые

неотрицатель ные значения

р еыкл ^ рис ч | ^

(/> = 1.0- параметр регулирования)

Удаленность до точки расчета.

При возрастании удаленности выключателя от перегруженной линии приоритет падает.

Степень влияния: средняя

К =

1

7

У

любые

неотрицатель ные значения

(р = 1.0 - параметр регулирования)

Среднее время оперативных переключений для

При возрастании значения Тп приоритет падает.

К =

Л1

о = 1.0-

любые

неотрицатель ные значения

подстанции, на которой находится выключатель (Тп). Степень влияния: средняя параметр регулирования)

Вероятность отказа выключателя в срабатывании ({1а) При возрастании Qa приоритет падает. Степень влияния: слабая. (р = 1.0- параметр регулирования) е. = 0+1

Блокировка выключателя на включение (например, для обходных выключателей -задается отдельно в параметрах выключателя) Степень влияния: сильная (Р = регул* 1, (нет блокировки) (блокировка) Р 00- параметр фовання) 0,- Р

В таблице 3 р - параметр регулирования, индивидуальный для каждого влияющего фактора, '¿гх- суммарное сопротивление пути от одного присоединения расчетной точки до выключателя с учетом коэффициентов трансформации, 2Т1- суммарное сопротивление от выключателя до второго присоединения расчетной точки с учетом коэффициентов трансформации.

После определения выключателей-кандидатов на включение предлагается отсечь неперспективные кандидаты - выключатели, чей приоритет на включение ниже математического ожидания приоритета, взятого для всех выключателей, с определенным коэффициентом для возможности регулирования. Для этого отбросим выключатели, удовлетворяющие условию (5).

В работе приводится полное пошаговое описание алгоритма. Отметим, что условие сохранения связности схемы в алгоритме отсутствует, так как включение элемента не может приводить к нарушению связности, однако, оно может привести к увеличению уровня токов КЗ, а также к ухудшению надежности электроснабжения. Эти условия будут проверяться позднее, после формирования ПЛ.

В итоге получаем множество элементов, включение которых может привести к снижению перегрузки элемента.

Результаты тестовых расчетов зависимости количества выключателей-кандидатов на включение, оставшихся после отсечения от параметра регулирования р (в соответствии с (5)) приведены на рис. 3.

0.1 0.2 0.3 0,4 0.5 0,6 0,7 0,8 0.9 1 1.1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 2

Р

Рис. 3. Зависимость КА-кандида тов на включение от параметра регулирования

На пятом этапе рассматривается разработка методики снижения перегрузок ветвей, как отключением, так и включением ветвей, включающая в себя разработку методов формирования ПП для снижения перегрузок ветвей, а также методы проверки прилегающих участков по уровню тока КЗ и надежности.

Формирование ПП предлагается производить методом наращивания ПП-кандидатоз на каждом уровне в виде дерева. Также необходимо производить отсечение неперспективных ГШ-кандидатов на каждом этапе, что позволит существенно снизить как полученное в результате количество последовательностей, так и общее время формирования за счет определенного риска потери некоторых перспективных вариантов. Для компенсации этого риска можно ввести коэффициенты для регулирования алгоритма отсечения.

Для отсечения неперспективных ПП в работе вводится понятие приоритета ПП, представляющее собой вещественное число, зависящее как от самой ПП, так и от приоритетов всех элементов, входящих в эту ПП. В качестве расчетной формулы предлагается следующая формула (основано на вычислительных экспериментах):

Pf:

:РГ0Х

гг

(6)

у

где Рг, - приоритет ¡-ого элемента в ПП, N- число элементов ПП, Рг0-ссбственный приоритет ПП. Собственный приоритет ПП предлагается определять по следующей формуле (полученной по тестовым расчетам):

Рг0 = Д IxNx П А',.,

(7)

где АI - первоначальная пере!рузка исходного элемента сети, N - длина ПП (число элементов в ПП), М - число влияющих факторов для ПП, К, -

коэффициент для ¡-го влияющего фактора. Таким образом, чем больше перегрузка ветви и чем больше элементов, тем выше приоритет.

Неперспективными, и, как следствие, кандидатами на отсечение, считаются последовательности, приоритет которых удовлетворяет условию:

1 ^ Ргл/7 - Рпп ' Т7 Хрг,-

л /

(8)

" пи /=1

В (8) Ртпп - приоритет текущей ПП, рпп - параметр регулирования для отсечения неперспективных последовательностей переключений (задается в исходных данных как параметр алгоритма), Nпп - текущее количество ПП, Рг( - приоритет для ¡-ой ПП. Длину ПП следует ограничить. В реализации программы длина ПП ограничивается четырьмя элементами.

Основные влияющие факторы, а также степени их влияния представлены в таблице 4.

Таблица 4.

Влияющий фактор Влияние на приоритет Коэффициент Возможные значения

В одной последовательности находятся пв включенных выключателей, входящих в один путь. С ростом числа выключателей, входящих в один путь, приоритет последовательности падает. параметр регулирования) И„ = 1 т п реально: 1,2,3

В последовательность входят л, отключенных выключателей, входящих в один путь. С ростом числа отключенных выключателей, входящих в один путь, приоритет последовательности растет. К = (пе)"-, (р = 1.0 -параметр регулирования) И, = 1 4- И реально: 1,2,3

В последовательность входят и, включенных выключателей, входящие в пути для отключенных выключателей, входящих в ту же последовательность. С ростом числа таких включенных выключателей приоритет падает. * =[—) ; (/» = 1-0 -\п.) параметр регулирования) пв = 1 4 п реально: 1,2,3

В таблице 4 р - коэффициент, задаваемый для каждого влияющего фактора с целью возможности регулирования чувствительности алгоритма к тому или иному влияющему фактору.

В работе рассматривается пошаговый алгоритм формирования последовательностей переключений для снятия перегрузки ветви, основой которого являются ранее разработанные алгоритмы: алгоритм определения выключателей-кандидатов на отключение и алгоритм определения выключателей-кандидатов на включение.

Увеличить вероятность того, что нужные последовательности окажутся в результирующем векторе можно путем увеличения количества искомых последовательностей, а также путем варьирования коэффициентов из таблиц 2, 3 и 4. Выбрав заранее большее число последовательностей, можно проверять их по другим критериям. Предлагаются следующие критерии проверки.

1. Расчет режима для каждой последовательности, проверка допустимости токов и напряжений в окрестности

2. Расчет уровня тока КЗ после переключения,

3. Расчет уровня надежности после переключения. Из предлагаемых ПП-кандидатов, прошедших проверку на режим и на уровень тока КЗ надо выбрать ПП, оптимальные по надежности.

Была проведена серия тестовых расчетов, на основе которой была определена зависимость между количеством отсеченных ПП на каждом этапе (для двух- и трехэлементных последовательностей) и параметром регулирования алгоритма (из (8)). Результаты расчетов показаны на рис. 4. Для наглядности принят одинаковый коэффициент регулирования, как для двухэлементной, так и для трехэлементной ПП.

Рис. 4. Зависимость 2х и Зх-элементиых ПП-кандидатов от параметра отсечения

В третьей главе "Разработка программы для ПЭВМ для управления оперативными переключениями в сетях 110 - 500 кВ с целью снижения перегрузки и повышения их надежности" рассматривается реализация разработанных алгоритмов с применением современных технологий объектно-ориентированного проектирования и программирования (С++). Приведены ЦМЬ-диаграммы классов, использованные при моделировании ЭЭС,

•Nr.fi (2х) яо отстчекн» —Хг.п гога« окечсюи

рассмотрены так называемые "паттерны" проектирования (design patterns), которые активно применялись при разработке ПО,

На первом этапе рассматривается представление графов электрической схемы и схемы замещения в нотациях С++, а также реализация алгоритма преобразования электрической схемы в схему замещения. Вводятся такие понятия, как "зоны", объединяющие элементы с одним уровнем напряжения, "контейнеры" для хранения узлов и ветвей.

На втором этапе рассматривается реализация волнового алгоритма поиска путей по графу ЭЭС. Реализация абстрагируется от способа представления схемы, применяя такие паттерны объектно-ориентированного проектирования, как "делегат" (delegate) и "мост" (bridge). Приводятся как UML-диаграммы, так и подробный алгоритм волнового поиска по графу.

На третьем этапе рассмотрена реализация алгоритмов для снижения нерефузок ветвей отключением ветвей, который состоит из алгоритма декомпозиции сложной ЭЭС для поиска выключателей-кандидатов на отключение (определение декомпозированной зоны) и алгоритма определения выключателей-кандидатов на отключение (определение выключателей-кандидатов).

На четвертом этапе рассматривается реализация алгоритма определения выключателей-кандидатов на включение, который, как было показано ранее, состоит из алгоритма декомпозиции ЭЭС для нахождения зоны влияющих элементов и алгоритма отсечения неперспективных вариантов на основе вероятностных траекторий. Как и в случае с отключением выключателей, критерий отсечения выключателя основан на приоритете кандидата на включение.

На пятом этапе работы рассматривается реализация алгоритма снижения перегрузок ветвей, как отключением, так и включением ветвей. Как было показано ранее, этот алгоритм основан на алгоритме формирования последовательностей переключений для снижения перегрузок ветвей, а также на алгоритмах проверок - проверок по режиму ЭЭС, проверок по уровню токов КЗ, а также по уровню надежности ЭЭС.

В работе подробно рассматривается алгоритм формирования последовательностей переключений из множеств выключателей-кандидатов на отключение и включение. Алгоритм основан на целенаправленном переборе вариантов с отсечением неперспективных последовательностей на основании математического ожидания приоритета последовательности (см. (6)). Помимо перебора, для каждой последовательности выполняется проверка на связность схемы.

Результатом проведенной работы, описанной в третьей главе, является модуль определения ПП, входящий б состав информационно-аналитической системы.

В четвертой главе "Расчет и анализ тестовых схем" приведены результаты расчета тестовых схем, как большой схемы для проверки работоспособности программы в применении к схемам большой размерности, так и для средних для демонстрации и пояснения порядка получения решения.

В результате был разработан программный модуль для определения последовательностей оперативных переключений в сложных ЭЭС для снижения токовой перегрузки элементов ЭЭС. Основные характеристики модуля приведены в таблице 6.

Таблица 6.

Характеристики модуля определения ПП._

Область применения Сети 110-500 кВ (для перегруженных элементов сетей 110-220 кВ)

Исходные данные электрическая схема соединений; - данные по каждому элементу ЭЭС (режим, токи КЗ, надежность); - текущее коммутационное состояние; перегруженный элемент (рассчитываемый элемент);

Результаты расчета - ПП, снимающие перегрузку; - токи и напряжений в окрестности рассчитываемого элемента; - токи КЗ в окрестности; - показатели надежности узлов нагрузки в окрестности;

Время расчета от нескольких секунд до нескольких минут (тестовые схемы, объемом до 40000 элементов)

Достоверность метода - для тестовой схемы (40000 элементов) 70% ПП оказались эффективными - для других схем - 60-95%

Для исследования режимов и проверки работоспособности выключателей при отключении токов КЗ выбрана две схемы реальной ЭЭС (объемом 5400 и 40000 элементов электрооборудования соответственно), с классами напряжения в схеме 750/500/330/220/110/35/10/6 кВ. Список элементов силового оборудования (для схемы объемом 40000) приведен в таблице 7.

Таблица 7.

Список элементов силового оборудования тестовой схемы _

NN Элементы энергосистемы шт. NN Элементы энергосистемы шт.

1 Выключатели 4967 10 Воздушная линия 1373

2 Разъединители 14139 И Кабельная линия 221

3 Трансформаторы двухобмоточные 658 [ 12 Шияа (отпайка) 14584

4 Трансформаторы трехобмоточные 580 13 Заземления 63

5 Трансформаторы расщепленные 108 14 Реактор линейный 126

6 Автотрансформаторы 235 15 Реактор сдвоенный 22

7 Автотрансформаторы расщепленные 5 16 Трансформатор напряжения 9

8 Генераторы 165 ¡7 Трансформатор тока 3

9 Обобщенная нагрузка 1948 18 Эквивалентная система 39

Подстанции 650

Заключение

В данной работе была решена проблема компьютерного управления оперативными переключениями в сложных ЭЭС с целью ввода режима элемента ЭЭС в допустимую область по току. Частичная автоматизация данного процесса (в качестве советчика диспетчера) позволит существенно сократить время принятия решения диспетчером и существенно повысить уровень надежности электроэнергетической системы.

По работе получены следующие результаты.

1. Разработана и обоснована методика декомпозиции ЭЭС для выделения группы коммутационных аппаратов (КА), кандидатов на отключение и включение. В основе методики декомпозиции лежат методы структурного анализа графа, адаптированные и модифицированные для применения на реальных схемах большого объема.

2. Разработана методика отсечения неперспективных КА-кандидатов на основе введенного понятия "приоритет" КА-кандидата на переключение. Приоритет - некоторое вещественное значение, численно отражающее "желательность" проведения коммутации с учетом физических процессов и которое позволяет эффективно ранжировать КА-кандидаты и отсекать заранее неперспективные варианты.

3. Разработана методика определения численного значения приоритета КА-кандидатов на включение и отключение. В основе методики - система влияющих факторов, позволяющая построить универсальную систему определения приоритета КА-кандидата а зависимости от расположения КА в сети (топология, номинальное напряжение, удаленность от перегруженного элемента), характеристик соответствующей подстанции (продолжительность переключений и т.д.), особенности самого КА (вероятность отказа в срабатывании, количество отключенных КЗ, дата проведения ремонта и т.д.). Все это сделало возможным вычислять приоритет КА-кандидата на переключение как произведение коэффициентов влияющих факторов:

Рг = Пк:

¡=1

4. Разработана методика формирования последовательностей переключений (ПП) из найденных ранее КА с использованием метода наращивания дерева вариантов и отсечением заранее неперспективных. В основе разработанного метода лежит понятие "приоритет" ПП - вещественное значение, отражающее "желательность" коммутации для группы КА и позволяющее эффективно ранжировать найденные ПП-кандидаты и производить отсечение заранее неперспективных кандидатов на переключение на ранних этапах, не допуская необходимости анализа миллионов вариантов. Приоритет ПП может быть определен на основе приоритетов каждого КА, входящего в ПП, с учетом коэффициентов влияющих факторов, характерных

для ПП (в ПГ1 входят выключатели из одного пути протекания мощности и т.д.):

На основе разработанных методик сформированы алгоритмы определения последовательностей переключений в сетях 110-500 кВ, реализованные в виде программного модуля. Тестовые расчеты схемы реальной ЭЭС РФ показали эффективность расчета 70-95%.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях

1. Файницкий О.В. Оптимизация по уровню надежности оперативных переключений в электрических системах. // Доклад на всероссийском семинаре, 2000.

2. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C. Структурно-функциональная надежность электроэнергетических систем и их объектов. Проблемы комплексной оценки. //Изв. РАН: Энергетика, №5

3. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C., Дементьев Ю.А. Развитие принципов оценки структурно-функциональной надежности различных объектов электроэнергетических систем. // Вестник МЭИ, № - 1999.

4. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C., Дементьев Ю.А. Эксплуатационная оценка надежности объектов электроэнергетических систем. // в сб. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы. Н,: Наука, СО РАН, 1998.

5. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C., Туманин А.Е. Вычислительный комплекс анализа структурно-функциональной надежности объектов ЭЭС. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, СПб, 1997, выпуск №49.

6. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C., Туманин А.Е. Методы оценки структурной надежности сложных схем электроэнергетических систем при меняющихся коммутационных состояниях. // Изв. РАН: Энергетика, №5 - 1997.

7. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C., Туманин А.Е. Расчет показателей надежности в электроэнергетических системах при изменении их коммутационных состояний. //Вестник МЭИ, №1 - 1997.

8. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев P.C., Туманин А.Е. Структуризация понятия "надежность электроэнергетических систем". // Электричество, jYs 1 -1998.

Подписано в печать Ю Г. Зак. ¡09 Тир. itC П л / f Полиграфический центр МЭИ(ТУ) '

Красноказарменная ул.,д.13

- 1999.

Содержание.

Введение.

Общая характеристика работы.

1 Состояние вопроса исследования по данным отечественной и зарубежной литературы

1.1 Методы снижения токовой перегрузки элементов ЭЭС и последующей проверки.

1.1.1 Методы снижения токовой перегрузки элементов ЭЭС.

1.1.2 Обобщенные параметры схем и их применение для корректировки режимов сложных систем.

1.1.3 Обобщенные параметры изменения схем и их применение при корректировке режимов сложных ЭЭС.

1.1.4 Алгоритмы коррекции режимов сложных схем при ограниченном числе коммутаций.

1.1.5 Формирование последовательностей оперативных переключений с использованием отсечения неперспективных вариантов на основе вероятностных траекторий.

1.2 Методы структурного анализа, применяемые в задачах электроэнергетики.

1.2.1 Общие положения.

1.2.2 Алгоритмы поиска на графах.

1.2.3 Задача определения кратчайшего пути.

1.3 Методы декомпозиции сложных систем.

1.3.1 Методы диакоптики, применяемые для расчета режимов сложных электрических систем - общие положения.

1.3.2 Задача эквивалентирования электрических систем.

1.3.3 Декомпозиция сложных систем методом выделения самобалансирующихся участков.

1.4 Выводы по главе 1 и постановка задачи исследования.

2 Теоретическая разработка методики управления оперативными переключениями в сетях 110 - 500 кВ с целью снижения перегрузки и повышения их надежности.

2.1 Разработка методики структурной декомпозиции сложных ЭЭС для имитации модели проведения оперативных переключений.

2.1.1 Модель электрической системы, принятая для разработки и применения алгоритмов структурного анализа.

2.1.2 Структурная декомпозиция сложных ЭЭС.

2.2 Разработка методики снижения перегрузок ветвей отключением ветвей.

2.2.1 Декомпозиция схем сложных ЭЭС для определения ветвей, отключение которых приведет к снижению перегрузки ветвей.

2.2.2 Определение элементов-кандидатов на отключение для снижения перегрузки ветви

2.3 Разработка методики снижения перегрузок ветвей включением ветвей.

2.3.1 Декомпозиция схем сложных ЭЭС для определения ветвей, включение которых приведет к снижению перегрузки ветви.

2.3.2 Определение элементов-кандидатов на включение для снижения перегрузки ветви

2.4 Разработка методики снижения перегрузок ветвей, как отключением, так и включением ветвей.

2.4.1 Разработка методики формирования последовательностей переключений для снижения перегрузок ветвей.

2.4.2 Методика проверки сформированных последовательностей переключений по уровню тока КЗ.

2.4.3 Методика проверки сформированных последовательностей переключений по уровню надежности.

2.4.4 Методика проверки сформированных последовательностей переключений по режиму

2.5 Выводы по главе.

3 Разработка программы для ПЭВМ для управления оперативными переключениями в сетях 110 - 500 кВ с целью снижения перегрузки и повышения их надежности.

3.1 Реализация алгоритма структурной декомпозиции сложных ЭЭС.

3.1.1 Реализация принятой модели ЭЭС в комплексе программ для ПЭВМ.

3.1.2 Реализация алгоритма преобразования графа электрической схемы в граф схемы замещения.

3.1.3 Реализация волнового алгоритма поиска путей по графу ЭЭС.

3.2 Реализация алгоритмов для снижения перегрузок ветвей отключением ветвей.

3.2.1 Реализация алгоритма декомпозиции сложной ЭЭС для поиска выключателей-кандидатов на отключение.

3.2.2 Реализация алгоритма определения выключателей-кандидатов на отключение.

3.3 Реализация алгоритмов для снижения перегрузок ветвей включением ветвей.

3.3.1 Реализация алгоритма декомпозиции сложной ЭЭС для поиска выключателей-кандидатов на включение.

3.3.2 Реализация алгоритма определения выключателей-кандидатов на включение

3.4 Реализация алгоритмов для снижения перегрузок ветвей, как отключением, так и включением ветвей.

3.4.1 Реализация алгоритма формирования последовательностей переключений для снижения перегрузок ветвей.

3.4.2 Реализация алгоритма проверки последовательностей переключений по уровню тока КЗ.

3.4.3 Реализация алгоритма проверки последовательностей переключений по уровню надежности.

3.4.4 Реализация алгоритма проверки последовательностей переключений по режиму

3.5 Выводы по главе.

4 Расчет и анализ тестовых схем.

4.1.1 Расчет тестовой схемы объемом 40000 элементов.

4.1.2 Расчет тестовой схемы объемом 5400 элементов.

4.2 Выводы по главе.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Задача снижения токовых перегрузок элементов ЭЭС возникла давно и, на сегодняшний день, разработаны различные методы снижения перегрузок. Большинство этих методов используют регулирование мощности генераторов (перераспределение активной мощности), мощности компенсирующих устройств (перераспределение реактивной мощности), а также, как экстренная мера, отключение нагрузок или их части. Они (кроме варианта с отключением потребителей) не всегда позволяют разгрузить перегруженный элемент. Как следствие - аварийное отключение потребителей или генерирующих мощностей.

В работе рассматривается иная возможность разгрузки элементов ЭЭС - при помощи проведения серии переключений в сетях, приводящей к снижению тока в перегруженном элементе без существенного изменения уровня тока короткого замыкания (КЗ), показателей надежности, а таюке сохранения в допустимом диапазоне токов в других ветвях. Этот вопрос исследовался еще в 70-80х годах прошлого века, но до сих пор не существовало универсального алгоритма формирования подобных последовательностей переключений (ПП) для схем сложных ЭЭС, состоящих из нескольких десятков или сотен тысяч элементов.

Цели и задачи работы. Целью работы является теоретическая и практическая разработка методики и алгоритмов формирования ПП для снижения перегрузок элементов ЭЭС, а также последующая практическая реализация в виде модуля информационно-аналитической системы. Как алгоритмы, так и их реализации должны быть рассчитаны на работу с реальными схемами ЭЭС, размер которых может достигать несколько десятков тысяч элементов. При этом время расчета должно оставаться в приемлемом диапазоне.

Эту цель можно достичь путем введения в алгоритм формирования ПП алгоритмов декомпозиции схем сложных ЭЭС для выделения группы элементов, оказывающей влияние на ток в перегруженном элементе.

Для достижения указанных целей потребовалось решить следующие задачи:

• разработать способы многофункционального моделирования электроэнергетической системы, преобразования электрической схемы в схему замещения и обратно;

• разработать методику структурно-функциональной декомпозиции сложных ЭЭС для определения коммутационных аппаратов (КА), отключение которых приведет к снижению перегрузки рассматриваемой ветви;

• разработать методику поиска выключателей-кандидатов на отключение с отсечением заранее неперспективных кандидатов;

• разработать методику структурной декомпозиции сложных ЭЭС для определения совокупности КА, включение которых приведет к снижению перегрузки рассматриваемой ветви;

• разработать методику поиска выключателей-кандидатов на включение с отсечением заранее неперспективных кандидатов;

• разработать методику формирования ПП с использованием выключателей-кандидатов на отключение и включение и с отсечением заранее неперспективных вариантов по сформулированным критериям;

• разработать способы проверки ПП на допустимость по уровню токов КЗ и надежности в ближайших узлах.

Методы исследования. В работе активно используются методы вычислительных экспериментов (реализация различных видов алгоритмов с последующей оценкой их точности, производительности и применимости к решаемой задаче), комбинированный с теоретическим подходом для обоснования направления проведения эксперимента.

Полученные результаты проверялись с использованием существующих промышленных решений или собственных разработок.

Научная новизна. Итогом работы стал модуль определения ПП в сложных ЭЭС для снижения токовой перегрузки, входящий в состав информационно-аналитической системы, готовый к использованию и проверенный на схемах различного размера и сложности и реализующий разработанные методики и алгоритмы. Данный модуль в рамках информационно-аналитической системы взаимодействует с модулями оценки токов установившегося режима, токов короткого замыкания и надежности.

Основные научные результаты:

• предложены, теоретически и практически обоснованы методика и алгоритмы декомпозиции сложных ЭЭС с использованием методов структурного анализа для определения коммутационных аппаратов (КА), кандидатов на включение и отключение, снижающих послеаварийные перегрузки элементов системы;

• разработана методика отсечения неперспективных КА-кандидатов на основе понятия "приоритет" выключателя на включение и на отключение, приведены основные влияющие факторы и формулы вычисления приоритета выключателя на основе влияющих факторов;

• разработана методика формирования ПП из найденных КА-кандидатов и отсечения заранее неперспективных вариантов на основе понятия "приоритет" ПП, разработаны метод и алгоритмы его вычисления на основе приоритета выключателей, входящих в данную последовательность;

• как общий итог, разработана принципиально новая методика и алгоритм формирования ПП, пригодный для работы с реальными схемами, насчитывающими десятки и сотни тысяч элементов, малочувствительный к параметрам схемы.

Предметом исследования является проблема диагностики и изменения коммутационного состояния ЭЭС для снятия токовой перегрузки оборудования в сетях 110-220 кВ. Ввиду большой сложности ЭЭС, даже с применением вычислительной техники самой большой производительности, простой перебор коммутационных состояний всех коммутационных аппаратов ЭЭС невозможен. Поэтому необходимо ограничить область проведения коммутаций (осуществить структурную декомпозицию ЭЭС), осуществлять перебор возможных коммутационных состояний целенаправленно, а также определить критерий отбора выключателей и ПП на всех этапах формирования последовательностей.

Практическая ценность. В настоящее время существует необходимость дискретного управления потоками мощности в ЭЭС путем изменения коммутационного состояния. Основное направление - снятие перегрузок элементов сети (линий, автотрансформаторов и т.д.).

Задача формирования необходимых коммутаций в послеаварийных состояниях ЭЭС обычно целиком лежит на персонале. На практике полагаются на опыт сотрудников. Не отрицая необходимость подобного опыта, предлагается эффективный способ автоматизации процесса управления коммутациями в ЭЭС, который может быть позиционирован как в качестве элемента советчика диспетчера, так и в составе программного комплекса по обучению персонала.

Этот прием предназначен оказывать помощь при принятии решений, как по оперативным, так и по плановым переключениям, что поможет существенно сократить время принятия решения, и, следовательно, приведет к повышению надежности электроэнергетической системы.

Достоверность результатов. Все алгоритмы были реализованы и протестированы на тестовых схемах. В качестве тестовых схем использовались как небольшие схемы, на которых можно наглядно проверить результаты, так и схема реальной ЭЭС. Полученные результаты приведены и проанализированы, в результате чего сделан вывод об их близости с ожидаемыми.

Также проведены расчеты режима ЭЭС, показавшие действенность рекомендованных последовательностей.

Апробация работы и публикации. По теме работы опубликовано 8 печатных работ (как по задаче формирования последовательностей переключений, так и по смежным задачам - расчету токов КЗ и надежности) и сделан ряд выступлений на семинарах: Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики (Санкт Петербург-2009, Харьков-2006, Санкт Петербург-1997, Иркутск-1998), ряд менее значимых семинаров. Многие доклады вошли в соответствующие тематические сборники (Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, СПб, 1997, выпуск 49; Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы. Н.: Наука, СО РАН, 1998) и приведены в списке литературы.

Также было написано в соавторстве несколько статей, посвященных данной или смежным темам: Электричество (1998), Известия РАН: Энергетика (1997, 1999), Вестник МЭИ (1997, 1999). Полный список существующих публикаций по теме работы приводится в списке литературы.

8. Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка (102 наименований), пяти приложений.

Во введении изложена общая характеристика диссертационной работы: показана ее актуальность, определены цели и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая ценность, обрисована структура работы.

Основные части работы: теоретическая часть, экспериментальная часть, расчет тестовых схем и заключение по диссертации.

Теоретическая часть состоит из обзора тематической литературы и теоретической разработки методики и алгоритмов формирования последовательностей переключений. В обзоре литературы уделяется основное внимание следующим вопросам:

• сугцествуюгцие методы формирования последовательностей переключений; описываются существующие способы формирования переключений, в частности, алгоритм, использующий обобщенные параметры изменения схем и имитацию переключений с отсечением по вероятностным траекториям, проведен детальный обзор обобщенных параметров схем и обобщенных параметров изменения схем, их определение и применение для формирования последовательностей переключений;

• методы структурного анализа схем сложных ЭЭС; в частности, рассмотрены основные положения теории графов, алгоритмы поиска на графах, алгоритмы поиска кратчайших путей по графу;

• методы декомпозиции в расчетах сложных ЭЭС; приведены современные методы декомпозиции, как структурной, так и основанной на матричном анализе.

В части теоретической разработки алгоритмов формирования последовательностей переключений основное внимание уделяется следующим вопросам:

• разработка методики и алгоритма декомпозиции сложной ЭЭС для определения выключателей-кандидатов на отключение и включение;

• разработка методики и алгоритма формирования выключателей-кандидатов на отключение и включение с использованием алгоритма отсечения неперспективных вариантов;

• разработка методики и алгоритма формирования последовательностей переключений на основе известных выключателей-кандидатов на переключение с использованием алгоритма отсечения неперспективных вариантов;

• разработка методики и алгоритмов проверки сформированных последовательностей переключений по току установившегося режима (УР), току короткого замыкания (КЗ) и надежности.

Экспериментальная часть посвящена вопросам программной реализации ранее разработанных алгоритмов. Кратко излагаются основные детали реализации, обсуждаются вопросы проектирования программных систем, а также приводятся результаты тестовых расчетов и их анализ. Разделы экспериментальной части совпадают с соответствующими разделами теоретической части с той разницей, что там описываются лишь детали реализации и практическое применение.

В части, посвященной расчету тестовых схем, приведены результаты определения 1111 для разных схем, приведена продолжительность расчета, а также оценка эффективности разработанных алгоритмов на схемах реальных ЭЭС.

В заключении по диссертации подводятся итоги проделанной работы, обсуждаются варианты ее дальнейшего развития и опыт, приобретенный в процессе выполнения работы.

Основные положения, выносимые на защиту

• Методика декомпозиции схем ЭЭС для выделения группы КА-кандидатов, переключение которых, могут оказать влияние на перегрузку исходного элемента;

• Методика определения и отсечения заранее неперспективных КА-кандидатов;

• Методика формирования ПП, определения и отсечения заранее неперспективных вариантов;

4.2 Выводы по главе

В этой главе были приведены результаты расчета тестовых схем, прототипами для которых послужили схемы реальных ЭЭС. На основании тестовых расчетов можно сделать следующие выводы.

1. Программа формирования ПП работоспособна на схемах ЭЭС большой размерности (успешно пройдена проверка на схеме объемом 40000 элементов).

2. Эффективность алгоритма (количество ПП, реально снижающих перегрузку из списка предложенных с ПП с наивысшим приоритетом) составила 70-95% в зависимости от рассчитываемого элемента.

3. Продолжительность расчета и проведения необходимых проверок для схем большого объема составляет 6-7 минут (отбор и проверка 20 ПП с наивысшим приоритетом), что позволяет использовать программу на практике в качестве советчика диспетчера.

4. Расчеты показали практическую применимость разработанных алгоритмов и программы формирования ПП для снижения токовых перегрузок в сетях 110-220 кВ.

Заключение

В данной работе была решена проблема компьютерного управления оперативными переключениями в сложных ЭЭС с целью ввода режима элемента ЭЭС в допустимую область по току. Частичная автоматизация данного процесса (в качестве советчика диспетчера) позволит существенно сократить время принятия решения диспетчером и существенно повысить уровень надежности электроэнергетической системы.

По работе получены следующие результаты.

1. Разработаны и обоснованы методика декомпозиции ЭЭС для выделения группы коммутационных аппаратов (КА), кандидатов на отключение и включение. В основе методов декомпозиции лежат методы структурного анализа графа, адаптированные и модифицированные для применения на реальных схемах большого объема.

2. Разработана методика отсечения неперспективных КА-кандидатов на основе введенного понятия "приоритет" КА-кандидата на переключение. Приоритет - некоторое вещественное значение, численно отражающее "желательность" проведения коммутации с учетом физических процессов и которое позволяет эффективно ранжировать КА-кандидаты и отсекать заранее неперспективные варианты.

3. Разработана методика определения численного значения приоритета КА-кандидатов на включение и отключение. В основе методики - система влияющих факторов, позволяющая построить универсальную систему определения приоритета КА-кандидата а зависимости от расположения КА в сети (топология, номинальное напряжение, удаленность от перегруженного элемента), характеристик соответствующей подстанции (продолжительность переключений и т.д.), особенности самого КА (вероятность отказа в срабатывании, количество отключенных КЗ, дата проведения ремонта и т.д.). Все это сделало возможным вычислять приоритет КА-кандидата на переключение как произведение коэффициентов влияющих факторов:

Рг = П*,

4. Разработана методка формирования последовательностей переключений (ПП) из найденных ранее КА с использованием метода наращивания дерева вариантов и отсечением заранее неперспективных. В основе разработанной методики лежит понятие "приоритет" ПП - вещественное значение, отражающее "желательность" коммутации для группы КА и позволяющее эффективно ранжировать найденные ПП-кандидаты и производить отсечение заранее неперспективных кандидатов на переключение на ранних этапах, не допуская необходимости анализа миллионов вариантов. Приоритет ПП может быть определен на основе приоритетов каждого КА, входящего в ПП, с учетом коэффициентов влияющих факторов, характерных для ПП (в ПП входят выключатели из одного пути протекания мощности и т.д.):

5. На основе разработанных методик сформированы алгоритмы определения последовательностей переключений в сетях 110-500 кВ, реализованные в виде программного модуля. Тестовые расчеты схемы реальной ЭЭС РФ, объемом 40000 элементов, показали эффективность расчета 70-95%.

1. Bacher R., Glavitch Н. Loss reduction by network switching. // IEEE Trans, on Power Systems,, 1988, vol. 3, №2.

2. Bakirtzis A.J., Sakis Meliopoulos A.P. Incorporation of switching operations in Power System corrective control computations. // IEEE Trans, on Power Systems,, 1987, vol. 2, №3.

3. Fardo S.W., Patrick D.R. Electrical Distribution Systems. Prentice hall, 1998.

4. Glavitch H. Switching as means of control in the Power Systems. // Electric Power and Energy Systems, 1985, vol.7, №2.

5. Glavitch H., Bacher R. Network topology optimization with security constraints. // IEEE Trans, on Power Systems,, 1986, vol. 1, №4.

6. Koglin H.J., Muller H. Corrective switching: a new dimension in optimal load flow. // Electric Power and Energy Systems, 1982, vol.4, №2.

7. Makram E.B., Thornton K.P., Brown H.E. Selection of lines to be switched to eliminate overloaded lines using a Z-matrix method. // IEEE Trans, on Power Systems, 1989, vol.4 №2.

8. Mazi A.A., Wollenberg B.F., Hesse M.H. Corrective control of power system flows by line and bus-bar switching. // IEEE Trans, on Power Systems, 1986, vol.l №3.

9. Power System remedial action methodology. / A.P. Sakis Meliopoulos, G. Contaxis, R.R. Kovacs etc. // IEEE Trans, on Power Systems,, 1988, vol. 3, №2.

10. Ю.Жуков JI.A., Стратан И.П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: методы расчетов. М.: Энергия, 1979.

11. П.Файницкий О.В. Оптимизация по уровню надежности оперативных переключений в электрических системах. // Доклад на всероссийском семинаре, 2000.

12. Фокин Ю.А., Хозяинов A.M. Ввод режима электроэнергетических систем в допустимую область путем коррекции их схемы. // Электричество, №12 1990.

13. Фокин Ю.А., Хозяинов М.А. Метод поиска целесообразной топологии при планировании режимов распределительных сетей. // Тр. МЭИ: оптимизация режимов электроэнергетических систем, №230 М.: МЭИ, 1990.

14. Фокин Ю.А., Хозяинов М.А. Разработка алгоритма оперативных переключений в электрических системах с использованием ЭВМ. // Изв. вузов. Электромеханика, 1988 №9.

15. Гурский С.К. Алгоритмизация задачи управления режимами сложных систем в электроэнергетике. Минск, Наука и техника, 1977.

16. Энергетическая безопасность. Термины и определения / Отв. Редактор чл.-корр. РАН Воропай Н.И.-М.: "ИАЦ Энергия", 2005.

17. Ахо В., Хопкрофт Д., Ульман Дж. Д. Структуры данных и алгоритмы. Пер. с англ. М.: Изд. дом "Вильяме", 2000.

18. Идельчик В.И. Расчеты установившихся режимов электрическихх систем. М.: Энергия, 1977.

19. Крумм JI.A. Применение метода Ньютона-Рафсона для расчета стационарного режима сложных электрических систем. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1966, №5.

20. Крумм JI.A. Методы приведенного градиента при управлении электроэнергетическими системами. Новосибирск: Наука, 1977.

21. Фокин Ю.А., Курилко М.В. Проблемы декомпозиции сложных ЭЭС при анализе структурно-функциональной надежности. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, вып. 51, 2000.

22. Фокин Ю.А., Курилко М.В. Теоретические аспекты декомпозиции сложных схем электрических соединений электроэнергетических систем. // Вестник МЭИ, №5 -1998.

23. Фокин Ю.А., Курилко М.В., Павликов B.C. Декомпозиция в расчетах надежности сложных электроэнергетических систем. // Электричество, №12 1999.

24. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С. Структурно-функциональная надежность электроэнергетических систем и их объектов. Проблемы комплексной оценки. //Изв. РАН: Энергетика, №5 1999.

25. Сенди К. Современные методы анализа электрических систем. М.: Энергия, 1971.

26. Фокин Ю.А. Методы расчета интегральных характеристик режимов систем электроснабжения при определении расчетных нагрузок. М.: МЭИ, 1980.

27. Хачатрян B.C. Метод расчета узловых сопротивлений сложных схем. // Электричество, №7 1968.

28. Мельников Н.А. Матричный метод анализа электрических цепей. М.: Энергия, 1972.

29. Гераскин О.Т., Бяков А.Ю., Бякова Л.П. Метод расчета матриц обобщенных параметров для электрических сетей сверхсложной конфигурации. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1974, №5.

30. Жидких Н.Н. Учет изменений в электрической схеме при определении различных режимов методом оптимального исключения. // Электричество, 1972, №2.

31. Стратан И.П. К вопросу об определении собственных и взаимных проводимостей ветвей сложных схем. // Тр. МЭИ, вып. 93, 1972.

32. Стратан И.П., Ярных J1.B. Определение собственных и взаимных проводимостей схем замещения сложных электрических систем при изменении параметров отдельных элементов. // Изв. вузов: Энергетика, №10 1973.

33. Хачатрян B.C., Суханов О.А. Диакоптика и задачи определения обобщенных параметров больших энергосистем. // Электричество, 1973, №4.

34. Хэпп X. Диакоптика и электрические цепи. М.: Мир, 1974.

35. Фокин Ю.А. Вероятностные методы в расчетах систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1985.

36. Автоматизация управления энергообъединениями. / Гончуков В.Р., Горнштейн В.М., Крумм JI.A. и др.; под ред. С.А. Савалова. М.: Энергия, 1979.

37. Азаров B.C., Стратан И.П. Метод расчета электрических сетей с выделением диагональных блоков. // Энергетика и технология, 1971, вып. 26.

38. Хачатрян B.C. Метод пересчета узловых сопротивлений при изменении исходной схемы замещения. // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт, №1 1966.

39. Берж С. Теория графов и ее применение. М.: ИЛ, 1962.

40. Дал У., Дейкстра Э. Хооп К. Структурное программирование. М.: Мир, 1975.

41. Кнут Д. Искусство программирования, т.З. Сортировка и поиск. 3-е изд. Пер. с англ. М.: Изд. дом "Вильяме", 2000.

42. Пападимитриу X., Стайглиц К. Комбинаторная оптимизация. Алгоритмы и сложность. М.: Мир, 1985.

43. Харари Ф. Теория графов. М.: Мир, 1973.

44. Кнут Д. Искусство программирования, т.1. Основные алгоритмы. 3-е изд. Пер. с англ. М.: Изд. дом "Вильяме", 2000.

45. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С., Дементьев Ю.А. Развитие принципов оценки структурно-функциональной надежности различных объектов электроэнергетических систем. II Вестник МЭИ, №1 1999.

46. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С., Туманин А.Е. Вычислительный комплекс анализа структурно-функциональной надежности объектов ЭЭС. // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, СПб, 1997, выпуск №49.

47. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С., Туманин А.Е. Методы оценки структурной надежности сложных схем электроэнергетических систем при меняющихся коммутационных состояниях. // Изв. РАН: Энергетика, №5 1997.

48. Фокин Ю.А., Харченко A.M. Определение минимальных сечений для оценки надежности электрических систем. // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт, 1982, №1.

49. Кнут Д. Искусство программирования, т.2. Получисленные алгоритмы. 3-е изд. Пер. с англ. М.: Изд. дом "Вильяме", 2000.

50. J.A. Bondy, U.S.R. Murty. Graph Theory with Applications. American Elsevier, 1976.

51. Tarjan R.E. Depth First Search and Linear Graph Algorithms. // SIAM Computing, 1972.

52. Кормен Т., Лейзерсон Ч., Ривест Р. Алгоритмы: построение и анализ. М.: МЦНМО, 2000.

53. Фокин Ю.А. Вероятностные методы в расчетах надежности электрических систем. М.: МЭИ, 1983.

54. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С., Дементьев Ю.А. Эксплуатационная оценка надежности объектов электроэнергетических систем. // в сб. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы. Н.: Наука, СО РАН, 1998.

55. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С., Туманин А.Е. Расчет показателей надежности в электроэнергетических системах при изменении их коммутационных сис-тояний. // Вестник МЭИ, №1 1997.

56. Фокин Ю.А., Файницкий О.В., Алиев Р.С., Туманин А.Е. Структуризация понятия "надежность электроэнергетических систем". // Электричество, №1-1998.

57. Фокин Ю.А. Применение методов математической статистики в энергетических расчетах. М.:МЭИ, 1981.

58. Нарр Н.Н. Diacoptics and system operations: automatic generation control in multi-areas. // Proceeding IEE, 1973, vol. 120.

59. АСДУ энергосистем. B.B. Кривенков, В.Г. Орнов, B.A. Семенов. Под ред. Я.Л. Арцишевского. М.: МЭИ, 1992.

60. Руденко Ю.Н., Семенов В,А. Управление мщными энергообъединениями (исследование опыта функционирования и развития). // Изв. РАН: Энергетика, №4 1994.

61. Крон Г. Исследование сложных систем по частям диакоптика. М.: Наука, 1972.

62. Жуков JI.A. Об эквивалентных преобразованиях расчетных схем сложных электрических систем. // Электричество, 1962, №4.

63. Воропай Н.И. Эквивалентирование электроэнергетических систем при больших возмущениях. // Электричество, 1975, №9.

64. Башарин Г.П., Бочаров П.П., Коган Я.А. Анализ очередей в вычислительных сетях. Теория и методы расчета. М.: Наука, 1989.

65. Фокин Ю.А., Туманин А.Е., Дементьев Ю.А. Исследование динамической надежности коммутационной аппаратуры в сложных электроэнергетических системах. // в сб. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы. Н.: Наука, СО РАН, 1998.

66. Афанасьев В.В. Воздушные выключатели высокого напряжения. М.: Госэнергоиз-дат, 1975.

67. Беркович М.А., Семенов В.А. Основы автоматики энергосистем. М.: Энергия, 1968.

68. Веников В.А., Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока. М.: Энергоатомиздат, 1985.

69. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности. М.: Энергоатомиздат, 1985.

70. Фокин Ю.А., Мозгалев B.C., Павликов B.C. Имитационная модель каскадного развития аварий в электроэнергетической системе. // Изв. РАН: Энергетика, №4 1994.

71. Фокин Ю.А., Свешников В.И. Методы расчета и технические средства обеспечения надежности электроэнергетических систем в динамических режимах. // Изв. РАН: Энергетика, №5 1995.

72. Жуков В.В. Короткие замыкания в узлах комплексной нагрузки электрических систем. Под ред. А.Ф.Дьякова. М.: МЭИ, 1994.

73. Жуков В.В. Расчет токов короткого замыкания в узлах комплексной нагрузки больших городов. // Тр. МЭИ, 1984, вып. 621.

74. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций. М.: Энергия, 1986.

75. Переходные процессы в системах электроснабжения. В.Н. Винославский, Г.Г. Пивняк, Л.И. Несен, и др. Под ред. В.Н. Винославского. К.: ВШ, 1989.

76. Боравков А.А. Вероятностные процессы в теории массового обслуживания. М.: Наука, 1972.

77. Бочаров П.П., Печинкин А.В. Теория массового обслуживания. М.: Изд. РУДН, 1995.

78. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1988.

79. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения. М.: Наука, 1991.

80. Фокин Ю.А., Чан Динь-Лонг. Оценка надежности электроснабжения узлов нагрузки сложных систем. // Электричество, 1976, №8.

81. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. М.: Наука, 1965.

82. Чукреев Ю.Я. Модели обеспечения надежности электроэнергетических систем. Сыктывкар, Коми научный центр УрО Российской АН, 1995.

83. Чукреев Ю.Я., Чукреев М.Ю. Обеспечение надежности электроэнергетических систем при управлении их развитием в условиях реформирования электроэнергетики. Сыктывкар, Коми научный центр УрО Российской АН, 2009.

84. Надежность систем энергетики и их оборудования. / Под ред. Ю.Н. Руденко: т.1: Справочник по общим моделям анализа и синтеза надежности систем энергетики. М.: Энергоатомиздат, 1994.

85. Руденко Ю.Н., Чельцов М.Б. Надежность и резервирование в электроэнергетических системах. Новосибирск: Наука, 1974.

86. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1981.

87. Качество напряжения в системах электроснабжения. Фокин Ю.А., Калугина М.А. Под ред. В.А. Макеева. М.: МЭИ, 1987.

88. Скопинцев В.А. Методика расчета экономического ущерба от нарушений в работе энергетического оборудования. МТ-34-70-001-95, РАО "ЕЭС России", 1995.

89. Cooper James W. The Design Patterns: Java Companion. Addison-Wesley, 1998.

90. Coplien James. Advanced С++ Programming Styles and Idioms. Addison-Wesley, MA, 1992.

91. Fowler M. Analisis Patterns: Reusable Object Models. Addison-Wesley, 1997.

92. Гамма Э., Хелм P., Джонсон P., Влиссидес Дж. Приемы объектно-ориентированного проектирования. Паттерны проектирования. СПб.: Питер, 2001.

93. Jacobson I. Object-Oriented Software Engineering: A Use Case Driven Approach. Addison-Wesley, 1994.

94. Пол И. Объектно-ориентированное программирование с использованием С++. Пер. с англ. К.: Диасофт, 1995.

95. Страуструп Б. Язык программирования С++. 3-е изд. Пер. с англ. М.: Изд. "БИНОМ", 1999.

96. Booch G. Object Solutions: Managing the Object-Oriented Project. Addison-Wesley, 1995.

97. Booch G., Rumbaugh J., Jacobson I. The Unified Modelling Language. User Guide. Ad-dison-Wesley, 1999.

98. Douglass B. P. Real-time UML: developing efficient objects for embedded systems. Addison-Wesley, 1998.

99. Фаулер M., Скотт К. UML в кратком изложении. Применение стандартного языка объектного моделирования. Пер. с англ. М.: Мир, 1999.

100. Боггс У., Боггс М. UML и Rational Rose. Пер. с англ. М.: Изд. "ЛОРИ", 2000.

101. Mayers S. More Effective С++: 35 New Ways to Improve Your Programs and Designs. Reading, MA: Addison-Wesley, 1996.

102. Аммерааль Jl. STL для программистов на С++. Пер. с англ. М.: ДМК, 1999.

103. Stepanov A., Lee М. The Standard Template Library. Paulo Alto, CA: Hewlett-Packard Company, 1994.

104. Stroustrup B. The Design and Evolution of С++. 2nd ed., Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1997.