автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Развитие теории, разработка и реализация средств математического моделирования для эффективного управления электротехническими комплексами нефтяной отрасли

г

1

На правах рукописи

Кубарьков Юрий Петрович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ НЕФТЯНОЙ ОТРАСЛИ

Специальность 05.09.03 — «Электротехнические комплексы и системы»

г 1 ноя 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Самара - 2013

У05539176

005539176

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедрах "Автоматизированные электроэнергетические системы" и "Электрические станции".

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Гольдштейн Валерий Геннадьевич, доктор технических наук, профессор. Лоскутов Алексей Борисович, доктор технических наук, профессор, Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева, проректор по научной работе. Ляхомский Александр Валентинович, доктор технических наук, профессор, Московский государственный горный университет, зав. кафедрой.

— Таджибаев Алексей Ибрагимович, доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ДПО «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», ректор.

Ведущее предприятие: - Национальный Исследовательский «Томский

политехнический университет», г.Томск.

Защита состоится « 25 » декабря 2013 г. в 10 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при Самарском государственном техническом университете (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Молодогвардейская ул., д. 244, корпус, ауд. 4А.

Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00; e-mail: aleksbazarov@vandex.ru.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета (г. Самара, ул. Первомайская, 18).

Автореферат разослан 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д212.217.04, доктор

технических наук, доцент Crz&p / Базаров A.A.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

1. Актуальность темы. В многоуровневой иерархической структуре современных энергосистем с разветвленными горизонтальными и вертикальными связями важнейшим иерархическим звеном является уровень распределения электроэнергии - системы энергоснабжения и электрические сети (СЭЭС). Современные тенденции по энергосбережению и повышению энергоэффективности СЭЭС предъявляют беспрецедентно высокие требования к качеству и результативности управления режимами и техническим состоянием электрооборудования (ЭО) их электротехнических комплексов (ЭТК). Поэтому, не умаляя значимости других уровней иерархии, остановимся на решении проблем совершенствования их управления.

Высокие качество, надежность и технико-экономические показатели СЭЭС можно обеспечить только при наличии в системе управления мощной универсальной информационно-вычислительной системы. Ее основа — обобщенная виртуальная модель СЭЭС, включающая в себя многоцелевую виртуальную модель (МВМ) СЭЭС, построенную на принципе графического управления составом, взаимными связями элементов, их технических и режимных параметров, результатов расчетов и компьютерных экспериментов, нормативно-справочной информации и др.

Несмотря на большое количество работ, выполненных в этом направлении, создание МВМ далеко от исчерпывающего завершения по целому ряду направлений и требует обоснования и инновационных решений постоянно возрастающего ряда научных проблем и технических задач. Их рост обусловлен, с одной стороны, развитием современных технологий в эксплуатации и проектировании ЭТК, а с другой, - лавинообразным увеличением возможностей и технических характеристик средств информационно-вычислительной техники. При этом в современных условиях роль этих средств все больше смещается в сторону комплексного логического анализа технических данных наблюдения и моделирования разнообразных процессов, принятия решений и определения стратегии и тактики управления ЭТК.

Эксплуатация и проектирование СЭЭС в современных условиях важной научно-технической проблемой и требует решения комплекса разнообразных взаимосвязанных задач планирования основной деятельности, оперативного и диспетчерского управления режимами, определения направлений и реализации производственной деятельности (включая энергоснабжение, сбыт, ведения договоров, обслуживания и ремонта электрооборудования и т.д.), планирования ресурсов (финансовых ресурсов человеческих и материальных затрат), всех видов энергоучета, планирования и анализа деятельности предприятия и др.

Не умаляя общности подхода можно констатировать, что эти задачи имеют общую основу в виде неразрывно связанных производственных процессов, условий, технической базы, специфических интерактивных взаимоотношений между людьми, оборудованием, автоматическими и автоматизированными системами, окружающей средой. В названных задачах все эти ингредиенты

функционируют в виде обобщенной виртуальной модели в едином информационном пространстве с общей базой схемно-топологической нормативно-справочной информации. Поэтому необходимо построение, наполнение данными и поддержание в работоспособном состоянии разнообразных моделей СЭЭС: обобщённых виртуальных; имитационных; диагностических, геоинформационных и др. Для них характерно использование общих подходов и средств, таких как: изображение схем с учетом коммутационных элементов; возможность получения пользователем информации об объектах на схеме; наличие баз данных по оборудованию; решение различного рода технологических задач анализа состояния СЭЭС.

Эти положения находят отражение в разработках технологических комплексов с использованием специализированного программного обеспечения (ПО): расчет стационарных и аварийных режимов работы СЭЭС, определение балансов, потерь мощности и электроэнергии, определение токов КЗ, оценка статической устойчивости, расчет возможности группового самозапуска электродвигателей, выбор уставок и анализ релейной зашиты и автоматики и т.д.); разработка систем электронного документооборота и проектирования; решение диспетчерских задач, взаимодействие с оперативно-информационными комплексами (ОИК); разработка советчиков диспетчера по управлению мнемосхемой и ведение электронного журнала; различных коммутационных и режимных тренажерах; справочно-информационных комплексах; и др.

В диссертационной работе с помощью научного подхода решены многие системные задачи с учётом различных аспектов (методологических, технических, и информационных, экономических и организационных, которые опираются на основополагающие принципы моделирования СЭЭС, предложенные и обоснованные В.А. Вениковым. Все выше сказанное определяет научную актуальность темы диссертационной работы. Представленная диссертационная работа выполнялась в соответствие с научно-технической программой СамГТУ «Энергосбережение и управление энергоэффективностью» на 2005-2010 гг. (Решение ученого совета ог 23.04.05, протокол № 8) в рамках выполнения основных задач программы "Энергосбережение" Минобразования РФ до 2020 г.

2. Цель работы и задачи исследования - теоретическое обоснование решений комплекса научных и технических проблем в ЭТК и многокомпонентных СЭЭС на основе имитационного моделирования для повышения эффективности и совершенствования методов управления режимами их работы. Решение производится с помощью виртуального представления и графического отображения субъектов для организации двух процессов: реализации основных функций системы по распределению и потреблению электрической энергии и управления режимами для оптимизации и повышения надежности. Для достижения этой цели рассмотрены следующие технические и научные задачи.

Научные задачи,

1. Построение виртуальных моделей СЭЭС для актуальных технологических состояний и электрических режимов по геоинформационным,

графическим, функциональным, статистическим представлениям и технической документации с помощью топологических, табличных, диагностических, телемеханических, информационных и других аналогов.

2. Теоретическое обоснование графотабличных методов, в которых виртуальные модели электротехнических комплексов и систем электроснабжения представлены в виде топологических таблиц и характеристик электрооборудования, необходимых для решения широкого круга технологических задач отображения режимов, анализа и управления.

3. Разработка концептуальных положений и состава моделей для оперативной подготовки персонала СЭЭС и ЭТК с помощью режимных и диспетчерских тренажеров.

4. Построение единой графотабличной структуры для имитационного моделирования электротехнических комплексов с учетом многоцелевого использования информационных, диагностических, коммутационных и расчетных моделей.

Технические задачи.

5. Разработка и реализация виртуальных графических моделей в виде информационно-аналитического комплекса (ИАК) для получения информации о режимах СЭЭС, по данным расчётов, или по данным систем телемеханики (в режиме on-line), а также устройств оценки текущего состояния оборудования и учета электропотребления.

6. Разработка средств визуализации текущего состояния СЭЭС и использования графической модели как средства отображения данных технологических объектов.

3. Основные методы научных исследований. В диссертационной работе научные разработки основаны на теоретических положениях топологического анализа, теории множеств, анализе многомерных пространств и структур направленных графов, применения положений имитационного и графоаналитического моделирования для оценки нормальных, ремонтных и аварийных режимов изменения состояний СЭЭС и др. Выполнена оценка корректности построенных моделей путем сравнения расчетных значений с результатами опытных и контрольных измерений, полученных по данным служб эксплуатации СЭЭС, а также сопоставления экспериментальных данных и результатов комплексных тестов на имитационных моделях.

4. Основные положения, выносимые на защиту.

• Обоснование, разработка и реализация адаптивной информационно-

вычислительной среды на основе многоуровневой имитационной модели

СЭЭС для управления ЭТК нефтяной отрасли.

• Принципиальное совершенствование методов моделирования при расчете

режимов СЭЭС, позволяющих получать параметры оборудования и режи-

мов непосредственно по графотабличным моделям - графическим представлениям геоинформационных структур СЭЭС.

• Определение функциональных характеристик имитационных моделей, использующих геоинформационное графотабличное представление топологии сети (коммутационное положение аппаратов при диспетчеризации, геоинформационное распределение объектов, проектные решения, оперативная телемеханическая информация, технико-экономические показатели, организационные решения и др.) и основанные на ней экспертные задачи (определение технико-экономических характеристик, замеры технологических параметров и контроль правильности переключений, составление бланков переключений в режиме шаблонов), удовлетворяющие требованиям предприятий СЭЭС.

• Методика моделирования режимов по графотабличным структурам СЭЭС, которые являются их виртуальными отображениями.

• Иерархическая архитектура доступа и преобразования геоинформации и топологических графотабличных данных, связанных с объектами СЭЭС.

• Построение структуры и реализация информационно - вычислительных и тренажерно-учебных комплексов (ИВК и ТК) для СЭЭС.

5. Научная новизна работы может быть обоснована следующими результатами выполненных исследований.

• Виртуальные имитационные графотабличные модели СЭЭС для актуальных технологических состояний и электрических режимов по геоинформационным, графическим, функциональным, статистическим представлениям и технической документации.

• Методика преобразования схем СЭЭС в графоаналитические табличные структуры с сохранением при этом возможности обратного перехода к графическому изображению на основе рассмотренного топологического метода условных потенциалов.

• Разработка и научное обоснование методики получения значений параметров режимов непосредственно по виртуальным графотабличным структурам, без составления уравнений состояния для замкнутых и разомкнутых СЭЭС (установившихся и аварийных режимов).

• Разработка положений виртуального имитационного моделирования при создании учебных и эксплуатационных моделей для тренировки оперативного и диспетчерского персонала СЭЭС.

6. Практическая ценность работы. Разработаны и доведены до практического внедрения следующие элементы ИВК:

• Система преобразования геоинформационных представлений СЭЭС в топологические модели на основе библиотечных модулей графических элементов.

• Система положений для многоразового использования уже подготовленных данных в различных информационных средах на основе полнофункциональной графической системы имитационного моделирования.

• Базовая платформа интеграции с информационными системами, имеющимися в составе АСУ различных электротехнических комплексов и систем электроснабжения (БД по оборудованию, системы телемеханики - ОИК, шаблоны паспортов и протоколов, бланки заявок энергосбытовых организаций и др.).

• Внедрение прошедших независимую сертификацию ИВК и ТК для электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

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

Результаты представляемой диссертационной работы реализованы в виде разработок и проектов, выполненных под руководством и при непосредственном участии автора за последние 15 лет на целом ряде предприятий нефтеперерабатывающей и электроснабжающей отрасли. В 2004-2010 г.г. они реализованы на Новокуйбышевском и Рязанском нефтеперерабатывающих заводах, Пермский комбинат нефтеоргсинтеза; в 5 ПЭС ОАО «Самараэнерго» и др.

Программное обеспечение, описанное в диссертационной работе и изложенное в публикациях автора лично и в соавторстве, используется в учебном процессе Самарского государственного технического университета, Санкт-Петербургского энергетического института повышения квалификации и др.

8. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, а также практического использования программных продуктов опирается на принципы использования топологических методов анализа структурных схем электроснабжения, теории направленных графов и подтверждается результатами расчетов режимов моделей по сравнению с процессами на реальных энергетических комплексах, а также результатами измерений и внедрения ПО в составе ИАС «Пегас» и программного комплекса «Модус» на предприятиях электротехнической и нефтяной промышленности и др.

9. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на: семинарах по использованию и внедрению программных продуктов фирмы «Модус» (1995-2011 гг.); Международной конференции ВНИИЭ «Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях - 2004»; 4-й международный научно-технический семинар-выставка «Нормирование и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях - 2006», Москва, 2006; V Международной научно-технической конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий», г. Мариуполь, 2005; Диспетчеризация в электроэнергетике: проблемы и перспективы: Материалы докладов V открытой молодежной научно-практической конференции. Казань: Казан, гос. энерг. ун-т, 2011; РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА: Семнадцатая Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. Издательский дом МЭИ, 2011 ; 12th International conference on electrical machines, drives and power systems, ELMA 2008, Sofia, Bulgaria; ELMA 2011. 21 - 22 October 2011, Varna, Bulgaria section IEEE, Proceedings. Междунар. конф. по электр. машинам и энергосистемам. 2011, - Варна: Болгарская секция IEEE, 2011; Международная

научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи», Самара, 21-25 ноября 2011; The Annual Convention of the Society of Electrical and Electronics Engineers in Israel, Eilat, Israel, November 14-17, 2012; Third Forum of Young Researchers. In the framework of International Forum "Education Quality - 2012" : Proceedings (February 20-22, 2012, Izhevsk, Russia). - Izhevsk : Publishing House of ISTU, 2012; III международная научно-техническая конференция «Энергетика глазами молодёжи», Екатеринбург, 22-26 октября 2012; Радиоэлектроника, Электротехника и энергетика: 19 международная науч,-техн. конф. студентов и аспирантов: Издательский дом МЭИ, 2013; Материалы докладов VIII международной молодежной научной конференции «Тинчурин-ские чтения» 27-29 марта 2013 г. Казань, 2013;

Кроме этого, материалы диссертации обсуждались на научно-технических семинарах кафедр «Автоматизированные электроэнергетические системы» и «Электрические станции» ГОУВПО Самарский государственный технический университет за период с 2000 по 2013 годы.

10. Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 научные работы (2 личные), зарегистрировано авторское свидетельство на программный продукт ИАС «Pegas», прошедший независимую экспертизу и сертификацию в системе ГОСТ Р Госстандарта России, выпущена монография.

11. Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 314 страниц. Библиография включает 154 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит анализ современного состояния общей теории имитационного моделирования и применяемых на практике методов виртуальной графики для анализа режимов и состояния электрооборудования СЭЭС и электротехнических комплексов. Обоснована научная новизна и практическая значимость работы, приведены выносимые на защиту основные положения, данные о внедрении результатов работы.

В первой главе произведена оценка современного состояния и дан обзор основных результатов, изложенных в работах отечественных и зарубежных авторов по актуальным проблемам моделирования схем СЭЭС и их электрических режимов. Значительный вклад в решение вопросов построения виртуальных моделей, проблем имитационного моделирования, разработки эффективных алгоритмов для корректного перехода от графических изображений схем СЭЭС к виртуальным моделям представленным в виде матриц и таблиц внесли такие известные ученые и исследователи, как: С.В.Амелин, Б.Н.Абрамович, Дж. Браун, Г.Я.Вагин, В.А.Веников, А.Э.Гамм, О.Т.Гераскин, В.Г.Гольдштейн, А.Демстер, Ю.С. Дудиков, П.М.Ерохин, Л.А.Жуков, В.И. Идельчик, Н.А.Качанова, А.М. Конторович, А.В.Липес, А.Б.Лоскутов, Ю.Я.Любарский, В.Г.Орнов, В.Г. Семак, В.А.Семенов, И.А.Стратан, В.А.Строев, О.А.Суханов, Л.В.Цукерник, Д.А. Шефер, Ф.Уоссермен, И.А.Ушаков и др.

Исследованиям, связанным с построением эффективных алгоритмов по актуальным проблемам моделирования схем СЭЭС и их электрических режимов, методам оценки потерь мощности и энергии в электрических сетях посвящены работы П.И. Бартоломея, В.Э. Воротницкого, Ю.С. Железко, В.П.Закарюкина, В.Н.Казанцева, Е.А.Конюховой, Б.И.Макоклюева,Н.С. Маркушевича, Й.И. Надтока, А.Н.Назарычева, A.B. Паздерина, Г.Е. Поспелова, В.Г. Сазыкина, А.И. Таджибаева и др.

На базе проведенного анализа существующих работ и задач, возникающих при создании и развитии СЭЭС, сформулированы основные положения виртуального имитационного моделирования СЭЭС и их режимов и структура адаптивной информационно-вычислительной среды, которые являются теоретической базой диссертационной работы..

1. Концепция теоретике - множественного подхода, являющегося основой построения графоаналитических информационных комплексов и тренажерных систем как предмета диссертационной работы [1].

Основные положения теории множеств применительно к структурам и задачам СЭЭС предполагают существование множества п физических, технологических, экономических, информационных и других процессов в СЭЭС, которое приближенно можно представить как объединение П 3 Р U С U И подмножеств - их режимов (Р), состояний (С) и информационных наборов данных (И).

Фундаментальным положением работы является представление СЭЭС в виде полного множества виртуальных моделей М, включающего в себя объединение множеств:

М 3 ОБ и КО и и О и ЗО и У А О (J Д Ü СЭ (J ДАНН, (1)

на котором производится комплексное рассмотрение множества П процессов в СЭЭС. В выражении (1) представлены множества элементов и описаний электрооборудования, соответственно, основного (ОБ), коммутационного (КО), измерительного (МО), защитного (ЗО) (от аномальных воздействий, состояний и режимов), управления и автоматики (УАО); соединительных элементов электроустановок (СЭ), входящих в множество ОБ и объединяющих их вместе с элементами множества КО в комплексы, выполняющие основные технологические функции по передаче, распределению и потреблению электроэнергии; ДАНН - текущие информационные данные, получаемые с помощью телемеханики и средств учета электроэнергии. Кроме того, в виде отдельного множества Д выделены документы, паспорта, инструкции, изображения, схемы и другие данные, необходимые для работы с названным оборудованием.

Каждое из множеств, входящих в (1), в свою очередь, составлено из подмножеств, содержание которых раскрыто в работе.

2. Формирование структуры адаптивной информационно-вычислнтелыюй среды.

Основными элементами (подсистемами) её являются:

2.1 Информационный комплекс включающий:

• базу данных электросетевого оборудования с привязкой к схемам объектов, состоящая из хранилища табличных данных и хранилища схем объектов (подстанций, линий, фидеров, вторичных цепей, поопорные схемы и др.). Однозначное соответствие данных на схеме и в таблицах обеспечивается средствами приложений интеграции схем и базы данных графического редактора;

• Внешние источники получения периодической и спорадической информации - база данных ОИКа (оперативное положение коммутационных аппаратов); база данных финансово-экономической информации (инвентарные номера, износ оборудования, списки оперативного персонала и т.п.); база данных по сбыту (информация о показаниях счетчиков на ПС).

2.2 Вычислительный комплекс, включающий:

• Запросную систему для работы специалистов и руководящих работников, не имеющих специальной подготовки, с базой данных и схемами. Строится на специальном \¥еЬ-сервере, доступном из корпоративной сети и через стандартный Интернет-браузер;

• Набор расчетных задач, работающих в локальной сети. Перечень задач может изменяться в зависимости от потребностей. В пусковой комплекс целесообразно включить задачи, входящие в состав действующего комплекса с учетом применения новых возможностей графического отображения результатов.

2.3 Методический комплекс, включающий:

• Тренажер оперативных переключений. Работа тренажера на реальных действующих схемах позволит повысить качество подготовки оперативного персонала;

• АРМ диспетчера. Набор задач для обеспечения оперативной работы диспетчера предприятия. Обработка заявок, обеспечение оперативной документацией, справочной информацией, средствами учета дефектов, отклонений, дежурств, прав и т.п. Ведение оперативного журнала. В дальнейшем может быть реализован компонент «Советчик диспетчера».

3. Требования, предъявляемые к сетевой инфраструктуре ИВС.

• Единое информационное пространство;

Ключевое требование, означающее, что любой объект/свойство должен присутствовать только в единственном экземпляре. Любое подразделение, которому необходимо получить доступ к этому объекту должно его получить, что должно обеспечиваться соответствующими техническими средствами. Физически данное требование реализуется с помощью единого сервера базы данных, либо организации системы тиражирования информации между серверами баз данных подразделений.

• Непротиворечивость информации;

Следует из задач единого информационного пространства и означает, что в базе данных не должно быть любых частей информации, которая противоречит друг другу.

• Отсутствие дублирования информации;

• Распределенность выполняемых операций.

Любая операция, которая требует участия нескольких подразделений должно быть технически реализована именно таким способом. Действие, инициированное одним подразделением должно передаваться другим по цепочке взаимодействий;

• Оперативность информации.

Оперативность информации должна быть не реже 1 раза в сутки;

• Информационная полнота.

Состав и структура информации должна обеспечивать выполнение всех существующих на данный момент в сбытовых, электросетевых предприятиях и диспетчерских службах задач. Или должна обеспечивать принципиальную возможность решения всех этих задач.

4. Основные принципы графотаблнчного метода построения графических, расчетных и информационных комплексов и тренажерных систем.

В множестве М виртуальных моделей СЭЭС широко используются модели отдельных элементов, которые визуально выглядят как общепринятые условные графические символы и виртуально объединяются в изображения - схемы СЭЭС, из которых наиболее распространенными являются диспетчерские схемы (ДС). При последовательном построении изображения ДС с помощью графического редактора параллельно создается ее цифровой аналог в виде таблицы соединений ТС - топологического множества, являющегося частной имитационной моделью полного множества М Таблица ТС является базовым множеством, поскольку включает в себя вспомогательные элементы, не участвующие в дальнейшем формировании расчетной виртуальной модели - схемы замещения (СЗ).

При этом СЗ в предлагаемом подходе является промежуточным виртуальным результатом в отличие от классических способов моделирования СЭЭС. Техника формирования СЗ включает в себя реализацию операции разности множеств: СЗ - ТС \ ТКО 1 ТИО I ТЗО\ ТУАО. В этих выражениях символьные обозначения ТКО, ТИО, ТЗО, ТУАО - соответствуют табличным виртуальным представлениям элементов СЭЭС (соответствующие введенным выше множествам КО, ИО, ЗО, УАО), непосредственно не участвующих в расчетной СЗ, за исключением коммутационных аппаратов, которые создают или разрыв (имитация двумя раздельными узлами), или соединение (объединение двух узлов с исключением одного из СЗ).

Таким образом, на основе приведенного выше теоретико-множественного виртуального представления СЭЭС можно построить расчетные табличные структуры, наиболее применимые для создания имитационных моделей.

Основными из них являются таблицы: узловых соединений (Ту); узловых

характеристик (Тух); контурных характеристик I и II рода (Ткхи Ги2); и др.

Таблицы Ту и Тух используются при анализе режимов в узловой форме, 7и1, Та2 - в контурной. Таблицы Ту и Тух в отличие от Ткх\, ТкЛ являются однозначным представлением СЭЭС и содержат всю информацию, необходимую для анализа режимов в узловой форме.

У < X < У

'л min — — max зад'

Y <Y<Y

min — — шах зад'

В настоящее время имеется большое количество алгоритмов в различных версиях для решения проектных и управленческих задач и в то же время расширяется разнообразность их применения во многих научно-технических проблемах интеллектуальной электроэнергетики (Рис.2).

Появляются возможности с их помощью решить ряд проблем, в основном, связанных с планированием, управлением и оптимизацией режимов работы электротехнических комплексов (ЭТК).

I

Повышение структурности (снижение энтропии) потока энергии

Интеллектуальная Силовая энергетика энергетика

Рис. 2. Тенденции развития современной электроэнергетики

Оптимизация в условиях неопределенности

Модели выбора решений Развитие методов анализа управления

е единая модель; ® искусственные нейронные сети;

в непрерывная область решений ® генетические алгоритмы;

(не дискретная); ® Smart Grids или интеллектуальные

& одновременно все множество сети;

неоднозначных условий; « мультиагентные системы в энерге-

е рациональные диапазоны ре- тике;

шений; в математический аппарат теории

с несколько критериев выбора нечетких множеств;

решений. • многокритериальный регрессион-

ный анализ.

Рассмотрим основные методы управления режимами работы электротехнических комплексов, используемые в современных ИАС.

Искусственные нейронные сети

Перечень основных задач, решаемых нейрокомпьютерами в современных энергетических системах, постоянно растет

а) прогнозирование нагрузки при изменении температуры окружающей среды;

б) диагностика энергосистем с целью определения неисправностей и т.д.;

Прогнозирование нагрузок (в том числе с учетом температуры) с использованием ИНС чаще всего математически опирается на анализ временных рядов. Широкое распространение получили методы авторегрессии.

Для авторегрессии зависимость можно выразить следующим уравнением: X, =4 + <р} ■ Х,_х + (р2 ■ х,_2 + ... + £

^ - константа (свободный член), ^ - параметры авторегрессии.

(2)

где

Применение ИНС для поиска повреждения (КЗ) рассмотрим на примере двухцепной ВЛЭП (Рис.3).

Возможны два принципиально разных подхода:

а) применение единичной ИНС для всех десяти типов КЗ,

б) применение модульной (или блочной) ИНС, состоящей из четырех единичных.

Решение задачи с помощью единичной ИНС сводится к блок-схеме:

В-^уаЖ 1НШЖЭ

IО

ми

Расчетное расстояние до места кз

9 вводов

40 нейронов

1 выход

Рис. 3. Блок-схема единичной ИНС

Функции для входа и выхода определяются следующим образом:

X = [УаГ,Уьг,УсГ,1а1П1Ь1Г,1с1Г,1а2Г,1Ь2ГЛс2Г] у = [Ьг]

Генетические алгоритмы

(3)

хз'!

Критерии эффективности

Появляются возможности с их помощью решить ряд проблем, в основном, связанных с планированием, управлением и оптимизацией режимов работы электротехнических комплексов (ЭТК).

Применение генетических алгоритмов (Рис.4):

» для обучения ИНС в электроэнергетике;

» для оптимизации распределения нагрузки между генерирующими станциями в энергосистеме £(х;,х,) с распределенной генерацией;

для поиска кратчайших путей электроснабжения.

Рис. 4. Циклическая структура процедуры численной оптимизации характеристик проекта.

Критериями могут быть падение напряжения, потери мощности, стоимость и прочие.

Важной особенностью этого подхода является то, что он применим не только как основной метод.

При использовании достаточно эффективных традиционных способов, например, одного из алгоритмов нелинейного программирования, универсальность применения генетических алгоритмов по ряду показателей не уступает этим методам.

Применение математического аппарата теории нечетких множеств

На сегодняшний день нечеткие множества и нечеткая логика используются почти во всех традиционных математических областях, предназначенных для применения этих методов в энергетических системах.

В современных технологических комплексах растет объем и неопределенность информации с одновременным повышением точности получаемого решения.

Ошибки расчетных алгоритмов в основном определяются:

ошибками исходных данных;

ошибками выбранной модели;

ошибками используемого метода решения (численного метода).

В современных системах энергетики при расчете установившихся режимов соотношение между составляющими ошибки составляют: • неточность входных данных - 82-84%, « несоответствие выбранной модели - 14-15%, ® погрешности метода решения - 2-3%.

Нечеткие правила могут быть сформированы как описание связей для причинно-следственных пар IF-THEN.

В принципе, существуют четыре подхода к выводу нечетких правил:

(1) от эксперта с опытом и знаниями,

(2) от поведения человека-оператора,

(3) от нечеткой модели процесса,

(4) от процесса обучения. Для нечеткого множества А:

а = [(.х,ца(я0)1* едо, (4)

где Х-множество, /ил(х) представляет функцию принадлежности для нормированного набора ц; х -> [о, l] •

Чаще всего, логические операции (пересечение, объединение и дополнение) на множестве определяются как:

-"лов (*) = minGUA О), Мв (*));

(*) = тах0uA(x),/JB(x)) ' М-а(Х) = \-Ма(х)- (5)

Заметим, что если вложенный набор определяется как

А^В if VxeX /иА(х)< fj,B(x) , (6)

тогда следующие соотношения всегда имеют место

А с A U В and А о В с А. (7)

Метод многокритериального регрессионного анализа

Для прогнозирования потерь электроэнергии был принят метод многокритериального регрессионного анализа.

Регрессионная модель есть функция независимой переменной и параметров с добавленной случайной переменной.

Если для произвольного набора значений Xj = хь Х2 = х2,..., Хр = хр определено некоторое математическое ожидание у(хь х2,..., хр) = E(Y | Xi = хьХ2 = х2,...,Хр = хр) (уравнение линейной регрессии в общем виде), то функция у(хь х2,...,хр) определяется как регрессия величины Y по величинам Хь Х2,..., Хр, а её график является линией регрессии Y по Хь Х2,..., Хр, или уравнением регрессии.

Линия регрессии чаще всего ищется в виде линейной функции У= ¿о + Ь,Х, + b2X2 + ... + bNXN (линейная регрессия) или Y =b0*b\

* Ь2ЛХ2 * ... * bNAXN (экспоненциальная регрессия), которые могут лучшим образом определить искомую кривую. Такая задача решается с помощью метода наименьших квадратов, когда определяется минимальная сумма квадратов отклонений практически наблюдаемых Кот их оценок Y(прямая линия):

м

mini (8)

(М — объём выборки).

Это решение основано на том факте, что фигурирующая в выражении сумма определяет минимальное значение для того случая, когда Y= y(xl,x2,...xN).

Для решения задачи регрессионного анализа методом наименьших квадратов вводится понятие функции невязки:

_ 1 м

a{b) = -Y{Yk-fkf . (9)

к=1

Условие минимума функции невязки:

к = 1..JV

Полученная система является системой N + 1 линейных уравнений с N+ 1 неизвестными bo...bN

Если представить свободные члены левой части уравнений матрицей

dv(b) = { ■ dbi i - 0...N

в =

■гчМ

Ъ^улл

■^м

Л ,>'А-,.л-

а коэффициенты при неизвестных в левой части матрицей

(П)

М у-^М 2-ч=1

Л-Л ■чг-лМ

А = - -г-*« ■чг^М

Ем

у-^М

1М

Ем

Ем

,=1 Чихк2

Ем

(12)

то получаем матричное уравнение: ,4 X Л = В.

Эта система решается с автоматическим или ручным выбором стандартными методами. Результат решения вектор-столбец, содержащий коэффициенты уравнения линии регрессии, удобнее записать в транспонированном виде : ХТ = | Ь0, Ьь..., Ьк|.

В качестве критериев, учитываемых в модели, были выбраны прием электроэнергии в сеть, установленная мощность трансформаторов, длина линий электропередач и мероприятия по снижению потерь. Что позволяет учесть состояние сети в целом и электросетевого оборудования.

Рассмотренные подходы к управлению режимами работы ЭТК, при описании их топологической структуры табличными способами, реализованы в программной информационно-вычислительной системе «Пегас», разработанной на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы» СамГТУ.

В третьей главе приводится классификация набора моделей для решения задач, связанных с тренажерной подготовкой персонала. Тренажеры для электроэнергетики обычно подразделяются на следующие типы: тренажеры по переключениям, режимные тренажеры, тренажеры для эксплуатационного персонала, экзаменаторы.

Для каждого класса тренажеров характерно использование своего набора моделей. В основном в рамках работы рассматриваются тренажеры по переключениям и режимные тренажеры. Подчеркнем, что наиболее ценным качеством тренажера является его способность реагировать на любые действия обучаемого так же, как реагировал бы реальный энергообъект. Обосновывается, что для этого необходимо реализовать соответствующий необходимому уровню подробности представления набор моделей.

Вводится понятие интерактивной и функциональной моделей. При графоаналитическом подходе к моделированию можно условно считать, что модель, представляющая собой набор объектов, используемых в тренажере, представлена в виде рисунка - электрической схемы, реального изображения диспетчерского щита, сцены с изображением силового оборудования. Рассматриваемая в работе графическая объектно-ориентированная система дает широкие возможности создания таких моделей, для которых вводится термин интерактивные.

Термин «функциональная» объединяет модели, реализующие: взаимосвязи между элементами и их согласованное поведение; численные расчеты параметров; различные блокировки и более сложную логику поведения объектов; логику работы релейных защит и т.п.

Отмечается необходимость разбиения модели энергообъекта на более простые функциональные модели - декомпозиции, дается краткая характеристика моделей — коммутационной, релейной защиты, противоаварийной автоматики, иерархической, модели блокировок, организационной, модели режима, модели конструктива (сцены).

Рассматривается методика построения технологических моделей - коммутационной и модели защит и автоматики на основе графического схемного представления.

Далее проводится сравнительный анализ алгоритмов построения многоуровневых коммутационных моделей для схем больших СЭЭС, с точки зрения оптимальных способов организации хранения данных о моделях и быстродействия алгоритмов обработки.

В работе ставится задача выбора оптимального алгоритма построения модели режима системы электроснабжения за счет сборки этой модели из готовых фрагментов и использования заранее заготовленных фрагментов, а также данных с предыдущего шага моделирования. Рассматриваются два варианта разбиения модели на фрагменты:

1. модели подстанций и модель объединяющей их схемы сети (2 уровня);

2. модели контейнеров (неограниченное число уровней, "рекурсивно вглубь").

Кроме этого, построение совокупной модели сети может производиться:

1. в плоской структуре данных, описывающей все элементы сети;

2. в виде совокупности моделей отдельных фрагментов, между которыми

выполняется операция "согласования".

Соответственно, необходимо произвести обоснованный выбор между 4-мя алгоритмами. В работе приводятся краткие описания этих алгоритмов, выполняются оценки сверху временной сложности алгоритмов и обосновывается выбор наилучшего из них.

В результате расчетов получаем оценки времени работы алгоритмов в соответствии со следующими обозначениями: j - порядковый номер контейнера; 1 — количество подстанций (контейнеров 2-го уровня); 3 - количество контейнеров.

Считается, что ] = 0 — номер схемы сети; 1 < ] < I — номера схем подстанций; ^ — номера вложенных контейнеров; С] - схема или контейнер с номером пу — количество (задействованных) портов контейнера С^ гу — количество топологических узлов в схеме контейнера С], без учета топологических узлов яложенных контейнеров; - количество топологических узлов в схеме контейнера С], с учетом топологических узлов вложенных контейнеров,

+ Xй* >

к:Ск«С1

п - суммарное количество топологических узлов, п = п0 = .

Для наилучшего алгоритма расчетное время работы составляет:

Предобработка:

+ X {^-Х + ^-^п^ + СуП . (13)

2 ¿0</2./ 2

Начальное построение модели:

Снп+ + I + (14)

/Ск J<J ^ j.0<j<J _/:/0< ]'.! 2

Перестроение модели при включении КА:

2+п^ + Зт^+р,,(1+пО/2+ +р15(1 + й, /2))) . (15)

Перестроение модели при отключении КА

- - «п

2 (Зиу+А^(йу-1 + ^-1о&1и/+Сяй/))), (16)

/0</<./ 2

здесь:у* — номер подстанции, на которой производится коммутация, рхх — вероятности реализации условий ограничения распространения возмущения модели.

Перестроение модели режима в ответ на изменение положения одного коммутационного аппарата является наиболее частой операцией. Время выполнения именно этой операции является определяющим при выборе алгоритма.

Считаем также, что пО = }\\Л (схема сети - это схема двухточечных соединений), и, соответственно, п = } ¡3 + ,1р/2 = + 1рУ2.

При этом для простоты принимается, что схема имеет трехуровневую иерархию сеть — подстанция — контейнер.

Производительность алгоритма обеспечивается двумя свойствами: • локализацией вычислений (по сравнению с плоской моделью)

• ограничением распространения возмущений, т.е. использованием данных предыдущего состояния сети

Для оптимизации алгоритма было выполнено следующее:

• проведено ускорение алгоритма за счет введения обратных ссылок от зон к топологическим узлам и от цепей к зонам.

• операцию перестройки модели реализовывать было необязательно, т.к. преобладают операции отключения коммутационных аппаратов (КА) при анализе токов и эффект от быстрой перестройки на включение КА невелик. В то же время необходимо учитывать направление коммутации для правильного и эффективного вычисления условий ограничения распространения возмущений.

В четвертой главе обосновывается необходимость и рассматривается реализация объектной модели предметной области (электроснабжение и электроэнергетика), создаваемой в ИАС на основе схемного представления.

Решение многих информационно-аналитических задач в области электроэнергетики (в т.ч. задач диспетчерского управления, расчета режима и потерь, эксплуатации энергетического оборудования, расчетов РЗА, тренировки персонала и др.), связано с созданием различных моделей СЭЭС.

Одним из самых трудоемких этапов при моделировании СЭЭС, учитывая сложность программной реализации, является создание инструментов для подготовки данных. Традиционный подход с использованием реляционных баз данных позволяет смоделировать необходимую структуру данных как набор взаимосвязанных реляционных таблиц, однако на этапе ввода информации чрезвычайно сложно обеспечить удобство и наглядность ее ввода, в том числе данных о топологических связях между объектами. Еще сложнее реализовать программные инструменты, обеспечивающие проверку их согласованности и корректности.

В соответствии с характером представляемой информации, наиболее удобным средством для работы специалистов-технологов служит электрическая схема СЭЭС (Рис. 5). В большинстве эксплуатируемых в настоящее время систем расчетная модель готовится отдельно от такой схемы.

В работе предлагается подход, позволяющий готовить данные моделирования одновременно с подготовкой схемы, поскольку схема наглядно представляет в легко воспринимаемом виде состав оборудования, индивидуальные характеристики оборудования (типы, паспорта, параметры), электрические связи между ними (топологию).

Разработка графической системы, удовлетворяющей этим требованиям, является трудоемкой и дорогостоящей задачей, поэтому нецелесообразно проводить ее в рамках узкоспециализированного программного комплекса, либо корпоративной информационной системы. Система должна быть разработана на принципах модульной открытой программной архитектуры.

Фактически, наиболее удачным стандартом для построения программной платформы интеграции является технология COM (Component Object Model -компонентная объектная модель).

Пример схемы электроснабжения

Рис.5. Схемное представление электроснабжения установки. Схему как рисунок можно просматривать на экране и распечатывать. Для этого нужно подготовить ее с помощью графического редактора. Однако использование какого-либо графического редактора в качестве средства подготовки моделей накладывает дополнительные требования к его функциональности: !. Схема должна состоять из объектов, представляющих предметную область. Эти объекты соответствуют символам на мнемосхеме, которые, в свою очередь, представляют реальное оборудование.

2. Встроенная возможность подготовки анимированных, то есть отображающих текущее состояние оборудования схем, в том числе с отображением числовых параметров, характеризующих режим.

3. Формирование топологического описания схемы СЭЭС по рисунку, предоставление доступа внешних программ к этому описанию.

4. Повторное использование данных и программного кода, заключающееся в том, что одно и тоже представление схемы может быть использовано в разных службах, в составе разных программных комплексов. Одна схема может наполняться и оживляться данными из разных внешних источников, к примеру, телеизмерениями или данными прогноза режима потоко-распределения.

5. Обеспечение унифицированной устойчивой библиотеки элементов схем. Базовый набор элементов для моделирования СЭЭС должен предоставляться поставляемой системой, однако для реализации нестандартных возможностей библиотека может расширяться.

6. Сервис по идентификации и поиску элементов схемы. Идентифицируется как сам схемный элемент, так и представляемое им реальное оборудование.

7. Развитая функциональность графического редактора (основные операции редактирования, масштабирование, организации слоев, вывода на разные типы печатающих устройств, в том числе по ЕСКД, возможность модификации изображения в зависимости от масштаба отображения и типа устройства вывода - дисплей, плоттер, экран коллективного пользования).

8. Высокое быстродействие, обеспечивающее возможность редактирования сверхбольших схем (до 100 тысяч объектов), и отображение быстро меняющихся данных по состоянию схемы в реальном времени, в том числе и на экране коллективного пользования.

Архитектурно, система может состоять из трех основных частей.

• Графический редактор, обеспечивающий базовую функциональность подготовки схем.

• Модуль отображения для встраивания схемной графики в разрабатываемые в рамках корпоративной информационной системы приложения. Основными его функциями, помимо отображения, являются доступ к списку объектов на схеме, их свойствам и топологическим связям, включающий возможности чтения и записи параметров объектов, что позволяет осуществлять анимацию схем в соответствии с текущим, либо моделируемым состоянием.

• Модули внешних данных (плагины) используются для доступа к данным специфических внешних подсистем и создания инструментов привязки. С их помощью реализуется интеграция данных из различных баз данных, используемых на предприятии, а также других источников данных, имеющих возможность подключения по стандартизованным протоколам (ОРС - OLE for Process Control, COM и др.). Это обеспечивает: визуализацию данных на схемах; отображение данных по оборудованию на схемах, проведение различных расчетов и т.д.

В идеологии СОМ доступ к объектам на схеме осуществляется с помощью специального программного интерфейса, называемого объектной моделью. В предлагаемом автором подходе, эта объектная модель используется единообразно во всех приложениях программного комплекса, что позволяет избежать излишнего дублирования - один и тот модуль расширения может подключаться к разным приложениям. В объектной модели реализованы концепции инкапсуляции, полиморфизма, наследования, принятые в объектно - ориентированном программировании.

Данные о топологии схемы, классификации элементов и их состоянии доступны в графической системе, поэтому на ее платформе возможно решать типовые задачи работы со схемами СЭЭС: раскраска по схеме обесточенных участков и участков, находящихся под напряжением; полуавтоматическое формирование диспетчерских имен на оборудовании; автоматическое формирование типовых наборов защит для присоединений. Подсистемы и алгоритмы, предназначенные для решения подобных задач, целесообразно реализовать в виде надстроек над графической системой и предоставить к ним доступ

с помощью программных интерфейсов, что позволяет снизить трудозатраты при реализации сложных программных комплексов.

Для хранения дополнительных технологических данных могут использоваться внешние базы данных (одна или несколько), обеспечивающие ведение всех объектов СЭЭС и их параметров. Они содержат справочную систему, которая включает данные по типовому оборудованию, типовые схемы подстанций.

Также в четвертой главе рассматриваются проблемы реализации предлагаемых выше теоретических положений в ИАС «Пегас», предназначенной для решения разнообразных задач управления и эксплуатации в предприятиях СЭЭС. При его создании были решены следующие вопросы.

1. Составление схемы системы электроснабжения предприятия,

2. Составление схем ТП- 0,4 - 110 кВ.

3. Разработка структуры интегрированной базы данных по основным элементам системы электроснабжения.

4. Формирование топологических таблиц для схемы электроснабжения.

5. Разработка системы привязки внешних источников информации.

6. Разработка использования интегрированной базы данных для решения прикладных задач (расчет режимов, уставок РЗА, ДГК и т.д.).

Для автоматического построения таблиц узловых соединений (7>), узловых характеристик (Тух) и контурных характеристик использован табличный метод описания электрической схемы, заключающийся в представлении информации о схеме сети в виде списковых (реестровых) структур. Расчет режимов работы СЭЭС формируется с использованием итерационных процедур табличных модификаций методов Гаусса-Зейделя, Ньютона-Раффсона и наискорейшего спуска (градиентного). Рассмотренные подходы к расчетам режимов КЗ и установившихся режимов СЭЭС с использованием табличного способа описания ее топологической структуры реализованы в программном комплексе «Пегас».

Метод Гаусса-Зейделя для табличной модификации расчетов УР использует узловые напряжения

+ £ кпи/рч + 2 кЧР ич¥чр

I] =__1_'

ч ч

Рр и 0Р - суммарные активная и реактивная мощности в узле р;

(17)

и — и\р + ]и2р и ир = и\ р — ]111р - напряжение и сопряженный комплекс напряжения в узле р\ и = и\д + ]и2? - напряжение в узле ц\

Ур,, - У\рч - ]У2рч - проводимость ветвир-с/;

п — число узлов схемы; (¡+1) - номер итерации.

Необходимое условие сходимости

|с/2(,) -и2{':л)\

(18)

Метод Ньютона-Рафсона для табличной модификации расчетов УР заклю-

w(x)=o

'Дд Ди

чается в том, что система нелинейных узловых уравнении итерации заменяется линейным уравнением

ах V откуда х" = Х(-" + ДХ(,) =Х'

~здр эдр

Эд

здо

I Зд

"Дд

на каждой

(19)

ЗХ

аи адо эи

дх« =

Д и.

\у(х

И)

др

ДО.

(20)

Н N Дд ДР или А х х = Ь. (21)

Г. К Ж. да.

I

И

Далее решение проводится методом сопряженных градиентов для симметричной положительно определенной матрицы А , вектора неизвестных х и вектора правых частей Ь.

Информационное обеспечение (ИО), показанное на Рис.6, подсистемы АСУ ПТД, содержит накапливаемую в базах данных на серверах и рабочих станциях компьютерной сети информацию, предназначенную для использования в различных прикладных программах и для длительного хранения.

Все изменения по развитию распределительной сети, в первую очередь,

проходят через производственно-технический отдел. Эта служба, которая осуществляет первичный ввод информации о сети, располагает всеми необходимыми документами для определения параметров оборудования, откуда информация поступает на производственные участки, в бухгалтерию, службу режимов и др.

кёщш» О

У?-»! Ш

■¡бвжта* с к

овеь'ам^!.;««

Рис. 6. Информационно-справочное обеспечение сетевой инфраструктуры «Энергосистема»

Следует отметить, что для разных технических служб разработаны рабочие места: инженера ПТО или архива; мастера производственного участка; инженера по режиму; диспетчера; мастера релейной защиты и автоматики; по телемеханике и др.

ИО представляет собой распределенную базу данных электротехнического оборудования ПЭС. Назовем ее наиболее существенные компоненты:

• база данных электросетевого оборудования (БДЭО), состоящая из двух основных частей - раздела силового электротехнического оборудования и раздела оборудования вторичных цепей, которые организуются в соответствии со списком подстанций предприятия; база размещается на сервере локальной сети предприятия;

• электронное хранилище электрических схем (исполнительных и оперативных) сетей и подстанций в специальном формате, обеспечивающем использование таких схем для всех возможных применений (для оперативных целей, расчётов режимов, подготовки персонала) и др.

На основе названной базы данных строится программное обеспечение по параметрам электрооборудования, характеристикам потребителей и их нагрузкам, оперативной и справочной информации, необходимой при эксплуатации системы электроснабжения. Полученная информационная система должна отражать иерархию и взаимосвязи оборудования и линий распределительной электрической сети.

База данных обеспечивает ведение и поиск (по заданным параметрам) картотек паспортов подстанций, линий, кабельных сооружений, силовых трансформаторов, потребителей и др. и имеет справочник по типовому оборудованию, типовые схемы подстанций.

Справочник организован как библиотека типового оборудования (нормативно-справочная информация - НСИ). Информация распределена по элементам схем и состоит из таблиц-классификаторов, принятых на сетевом предприятии, в соответствие с уровнями напряжений, сечений, номинальных токов, номинальных мощностей и др. В справочнике оборудования электрических сетей на основе ГОСТ сформированы каталожные и паспортные данные о силовых трансформаторах, выключателях, разъединителях, приводах к коммутационным аппаратам (КА), трансформаторах тока и напряжения, рубильниках, защитных аппаратах, автоматических выключателях, кабелях, проводах воздушных линий (ВЛ) др.

В пятой главе рассматриваются принципы семантического описания имитационных моделей систем электроснабжения.

Обосновывается целесообразность применения языка XML и его подмножества RDF для использования в качестве основы для разработки обменного формата описания моделей систем электроснабжения.

Дается обзор EPRI CIM (Electric Power Research Institute Common Information Model — Общей Информационной модели Института Энергетических Исследований) - модели, являющейся сегодня перспективным направлением унификации обмена данными семантических представлений систем электроснабжения.

Обосновывается возможность построения С1М - описания систем электроснабжения на основе информации, подготовленной с помощью графического редактора схем.

Рассматривается возможность применения С1М - модели, изначально предназначавшейся для описания энергосистем, для описания систем электроснабжения. Рассматриваются ограничения С1М - модели для этого случая и предлагаются способы расширения классов базовой модели, обеспечивающие требуемую детализацию описания. Выделим следующие из них.

Расширение модели линии.

1. Возможность пофазного описания параметров оборудования, в том числе линий электроснабжения.

2. Раздельное представления параметров воздушных и кабельных линий.

3. Моделирование участков линий, состоящих из разных проводов.

4. Описание геометрических атрибутов воздушных линий, описывающих расположение проводов на опоре.

Расширение модели регулирования напряжения со следующими возможностями представления.

1. Трехфазных, двухфазных и однофазных регуляторов напряжения.

2. Обмоток типа звезда, треугольник, открытый треугольник.

3. Обмоток автотрансформатора.

4. Параметров РПН, компенсаторов падения напряжения, и других характеристик регуляторов напряжения.

Расширение модели нагрузки.

1. Представление подключений (точек подключения нагрузки к сети)

2. Распределение нагрузки по фазам (трехфазное, подключение звездой или треугольником, однофазное, распределенная нагрузка и др.).

3. Представление типа нагрузки (постоянное напряжение и мощность, постоянное сопротивление или постоянный (в смысле, неизменный) ток).

Рассмотрена задача моделирования электрических сетей с использованием ГИС-технологий

Использование ГИС при эксплуатации электротехнических комплексов и систем электроснабжения должно учитывать ряд особенностей их представления как объекта управления (режимами работы, оптимизацией затрат). Применение ГИС должно быть связано с решением целого ряда проблем, учитывающих динамическое изменение топологических связей (коммутация, добавление и удаление объектов) и с адекватностью отображения объекта на топографической подложке (координаты объекта на местности для улучшения условий эксплуатации), а также с правовыми вопросами применения ГИС-технологий.

Электрические сети сложны по конфигурации и динамичны по времени — их топология постоянно изменяется в соответствии с текущим состоянием коммутационных аппаратов.

Различные пользователи в службах ПЭС и РЭС, таких как служба распределительных сетей, диспетчерская служба, производственно-техническая

служба и другие, требуют доступа к использованию одной и той же информации, но часто для разных служебных задач. В этом случае ГИС должна обеспечивать как детализированное, так и общее или схематизированное отображение одной и той же информации, подготовленной с разной степенью детализации.

Поскольку электрические сети являются весьма динамичным объектом, и их топология определяется реальном временем, состояние таких устройств, как выключатели и разъединители, ГИС должна отображать и моделировать динамически, а не с помощью статического отображения топологических связей.

Важной проблемой при моделировании электрических сетей является то, что необходимы различные представления сети: детальное (картографическое) и схематическое. Детальное картографическое представление, так называемая карта-схема, должно отображать сеть различного номинального напряжения в различных масштабах, с требуемой для этого масштаба детальностью, с сохранением фактических углов поворота трасс линий, привязкой электрических сетей к объектам на местности, к другим инженерным коммуникациям и т.п.

Следующим этапом применения ГИС-технологий в АСУ электрических сетей является использование созданных графических и тематических баз данных для решения расчетно-аналитических задач. Разработка математических моделей и алгоритмов расчетов с использованием возможностей ГИС активно ведется в настоящее время и уже имеются достаточно значимые результаты.

Задачи использования ГИС-технологий в электрических сетях можно разбить натри большие группы:

• информационно-справочные;

• расчетно-аналитические;

• оперативно-управленческие.

В настоящий момент в нашей стране бурно развивается направление, связанное с приложениями интеллектуальных технологий в управлении эксплуатацией, состоянием и режимами ЭЭС. В последние годы в мировой электроэнергетике это направление развития определяется на базе новой концепция создания интеллектуальных электроэнергетических систем (ИЭС) с активно-адаптивными электрическими сетями (ААС) и системами электроснабжения.

Они объединены термином SMART (Self Monitoring Analize Report Technology) GRIDS. Иначе их называют - «умные» или интеллектуальные сети и технологии. SMART GRID с точки зрения совершенствования электросетевой структуры - это инновационная реализация электрической сети со следующими характерными свойствами и особенностями:

• полностью интерактивная;

• имеющая сетевую топологию;

• имеющая максимально развернутые информационные базы:

- квазистатическую (нормативно-справочная информация - НСИ);

- динамическую (эксплуатационные характеристики - текущие параметры режима, технической диагностики и электромагнитной совместимости, ре-

В простейшем случае, решение о необходимости отключения или включения ветви РМС принимается на основе, соответственно, пропадания или появления перетока мощности (параметр «нагрузка_есть» в терминах коммутационной модели) на данном присоединении (для простоты, на выключателе присоединения).

Также рассматривается переход от коммутационной модели к её расчетной и обратный переход. Формулируются требования к архитектуре, показателям производительности и ограничениям ПО РМС.

Построена структура технологического базиса концепции Smart Grid (Рис. 8), которая может быть разделена в рамках интеллектуальных технологий на отдельные подсистемы решающие задачи, соответствующие своему уровню [5].

Управляемая модель электрической сети

Одной из важнейших задач в области интеллектуализации современной электроэнергетики является задача моделирования и ведения режимов электроэнергетических систем, требующая обработки больших объемов информации с дальнейшим отображением этих результатов. Необходима развитая информационная поддержка по всей совокупности данных о технологическом оборудовании станций, РУ, подстанций, сетей, трассах коммуникаций, нагрузках, ретроспективная информация о различных событиях и др.

Во многих случаях решать технологические задачи и проводить анализ результатов расчетов удобнее всего на единой модели, понятной персоналу эксплуатационных служб различного уровня. Модель может использоваться в тренировочной практике в качестве диспетчерского щита, а также как советчик диспетчера.

Модель может использоваться как визуальное средство для оперативного управления режимами работы, переключениями коммутационных аппаратов, оптимизации режима по напряжению и реактивной мощности, определения экономического обоснованного распределения нагрузок и текущего учета потребления электроэнергии. Модель может служить визуализированной информационной базой для персонала, по проектированию и эксплуатации линий электропередачи, подстанций и др.

Рис. 9. Графическая система - как ядро интеграции

Отсюда следует, что при выборе инструментальных средств экономически обоснованным решением будет интефационный подход, при котором весь набор указанных функций реализуется в подсистемах интеллектуальной системы энергетического комплекса (ИС ЭК), основанной на технологии Smart Grid.

}= \,2, ... ш - порядковый номер трансформатораТП, 5„ - полная мощность в ¡-й линии и ]-м трансформаторе, Я,, К, - активные сопротивления ¡-й линии и )-го трансформатора.

Максимальный ток головного участка зависит от активной и реактивной мощности на этом участке, полученным при расчете потокораспределения, и определяется по формуле

_ + бтах _ (27)

та* ~ л/зс/„м,

Расчетные значения максимального тока сопоставляются с их фактическими значениями, полученными по показаниям приборов или выявленными на основе соответствующих замеров и проверяется условие

/Ф _ ГР

та*_ <- „ , (28)

,Ф - "I

тах

где а! - допуск на погрешность расчета.

При невыполнении этого условия производится соответствующая корректировка нагрузок ТП пропорционально их расчетной загрузке и расчет повторяется.

Таблица 1. Основные параметры график нагрузки НПЗ

Час Часовые активные мощности (кВт) Часовые реактивные мощности (кВар) С'ОБ фи р отн.ед <2 отн.ед Р*Р отн.ед 0*0 отн.ед

Максимальное значение . иШИ - 000 1 ¡¡¡¡И

Среднее зна- ¿6000 чение 3(5 000 0,™

Т шах (час) 21.300 21 Ь>

тау (час) 18,997 19,253

Однако, величины потерь в отдельных элементах в условиях эксплуатации не могут быть определены абсолютно точно. Допустимые погрешности их оценки обусловливаются в каждом конкретном случае ставящимися техническими задачами. При анализе потерь энергии в пределах заводской системы электроснабжения и разработке мероприятий по их снижению можно допустить погрешность не более 5%.

В условиях действующих предприятий электробаланс составляют для отдельных агрегатов или их групп, цехов или предприятия в целом. Он охватывает все основные части прихода и расхода электроэнергии, затрачиваемой на технологический процесс, вспомогательные работы и процессы, а также на потери в оборудовании и электрических сетях.

Преобладающее значение фактических потерь в элементах системы электроснабжения (Рис.12) имеет место в кабельных линиях (43,9%) и потери хо-

Такой подход решает все проблемы по вводу, хранению и выводу информации, от автоматизированного создания унифицированной документации до отображения на диспетчерский пульт схемы энергосистемы со всеми параметрами режима. Примером комплексного подхода могут служить интегрированные друг с другом «Модус» и ИАС «Пегас». Они хоть и не идеальны, но решают большой круг задач, в том числе и по визуализации информации (Интерактивные схемы в «Модусе», таблицы, графики и документация в «Пегасе»).

В заключении отражены основные результаты исследований в соответствии с поставленными задачами, решение которых обеспечило достижение цели диссертационной работы.

1. Решены задачи имитационного моделирования СЭЭС нефтяной отрасли с учетом топологии схемы и многоцелевого использования коммутационной модели электрической сети и основанных на ней задач.

2. На основе табличных и виртуальных моделей с использованием топологических связей и характеристик элементов ЭТК нефтепереработки и нефтедобычи создана информационно-аналитическая система для решения технологических задач анализа, управления и прогнозирования режимов работы СЭЭС.

3. Реализована концепция открытой программной архитектуры и обеспечена возможность использования системы и подготовленных с ее помощью данных для решения основных технологических задач проектирования, эксплуатации, оперативного управления и подготовки персонала.

4. Построена единая графическая среда и создан программный комплекс, позволяющий использовать единую информационно-вычислительную среду, работающую со схемной графикой в приложениях различных классов.

5. Разработаны и используются в ЭТК нефтяной отрасли положения подготовки, отображения схемной и режимной информации на предприятиях и обмена данными между ними и другими структурами систем электроснабжения.

6. Разработаны и реализованы принципы использования графической системы как средства подготовки и хранения данных технологических моделей.

7. Предложены принципы использования разработанного ИАС для задач диагностики и оценки состояния электрооборудования нефтепереработки.

8. Разработаны принципы и способы использования ИАС в качестве компонентной составляющей в интеллектуальных сетях СЭЭС нефтяных предприятий.

9. Реализованы способы визуализации принципиальных электрических схем параметров режима их работы (расчетных и on-line данных от ОИК) для оценки режимов работы электротехнических комплексов и систем электроснабжения.

10. Результаты работы широкомасштабно используются в промышленности и в учебном процессе в Вузах.

Основные научные результаты диссертации изложены в следующих работах.

Статьи в изданиях из Перечня ВАК

1. Кубарьков Ю.П., Покровский A.B., Степанов В.П., Челпанов В.В. Исследование причин несимметрии и смещения нейтрали в сети 35 кВ. Электромеханика, Известия высших учебных заведений, №3-4, 1996, с.65.

2. Кубарьков Ю.П., Ефимов Б.В., Дроздов A.B., Заблоцкая Р.Н. Численный анализ процессов формирования интенсивного электронного пучка наносекундной длительности в сильноточных ускорителях. "Письма в ЖТФ",

1975, т.1, с.24.

3. Кубарьков Ю.П. Методика расчета волновых процессов в мощных генераторах наносекундных импульсов. Журнал технической физики, т.46,

1976, № 4.

4. Кубарьков Ю.П., Дубовой A.A., Дроздов A.B., Ефимов Б.В., Заблоцкая Р.Н., Использование мощного вакуумного диода с холодным катодом в режиме сверхбыстрого прерывания тока. Письма в ЖТФ т.2, Вып. 10, 1976, с. 42.

5. Кубарьков Ю.П., Разработка элементов экспертных систем для информационного моделирования режимов работы электрически сетей 6-35 кВ. Вестник Самарского государственного технического университета. Выпуск 15, серия «Технические науки», 2002, Самара, с, 76.

6. Кубарьков Ю.П., Гуляев И.В., Юшков И.С. Моделирование работы зависимого инвертора напряжения с управлением по фазе тока. Вестник Самарского государственного технического университета. Выпуск 26, серия «Технические науки», 2010, Самара, с.215.

7. Кубарьков Ю.П., Гальченко В.М. Оценка технической возможности применения быстродействующего АВР в сетях электроснабжения нефтеперерабатывающего завода. Электромеханика, 2010, с. 68.

8. Кубарьков Ю.П., Гольдштейн В.Г., Амелин C.B. Моделирование режимов электрических объектов с помощью информационно-аналитического комплекса «Pegas». Промышленная энергетика, №9,2010. с. 56.

9. Кубарьков Ю.П., Гольдштейн В.Г., Амелин C.B. Задачи моделирования и расчета режимов электротехнических комплексов и автономных систем электроснабжения. Вестник Самарского государственного авиационного университета. Выпуск 20, серия «Технические науки», 2011, Самара, с. 88.

10. Кубарьков Ю.П., Гольдштейн В.Г., Инаходова JI.M. Основные положения использования статистических Марковских моделей для анализа электромагнитной совместимости автономных электроустановок. Вестник Самарского государственного авиационного университета. Выпуск 20, серия «Технические науки», 2011, Самара, с. 66.

Статьи в других изданиях

И. Кубарьков Ю.П., Гольдштейн В.Г., Степанов В.П., Амелин C.B. Методы моделирования систем управления режимами и техническим состоянием

электрооборудования электротехнических комплексов. Монография. М.: Энергоатомиздат, 2009. -290с.

12. Кубарьков Ю.П., Шелушенина О.Н., Дашков В.М. Обеспечение резервного питания потребителей от энергосистемы при работе мини-ТЭС в автономном режиме. Труды Кольского научного центра РАН № 3/2012 СЮ), Энергетика, выпуск 5 Апатиты 2012, с.92.

13. Кубарьков Ю.П., Рыгалов А.Ю. Применение мультиагентных систем в электроэнергетике. Труды Кольского научного центра РАН № 1/2012 (8), Энергетика, выпуск 4 Апатиты 2012, с.102.

14. Кубарьков Ю.П., Степанов В.В., Копырюлин П.В., Рыгалов А.Ю. Система контроля данных для принятия решения при нормировании потерь электроэнергии. Труды Кольского научного центра РАН № 1/2012 (8), Энергетика, выпуск 4 Апатиты 2012, с.105.

15. Кубарьков Ю.П., Фомин П.В. Некоторые особенности построения математической модели для устройства адаптивного отключения нагрузки. Труды Кольского научного центра РАН № 3/2012 (10), Энергетика, выпуск 5 Апатиты 2012, с.86.

16. Кубарьков Ю.П., Гольдштейн В.Г., Ревякина Е.В., Рыгалов А.Ю. Применение информационных технологий для оценки уровня надежности и риска энергетических объектов. Труды Кольского научного центра РАН № 2/2011 (5), Энергетика, выпуск 5 Апатиты 2011, с. 149.

17. Кубарьков Ю.П., Кожевникова Е.С., Синельникова С.Н., Челпанов В.В. Повышение надежности схемы электроснабжения нефтеперерабатывающего предприятия. Труды Кольского научного центра РАН № 2/2011 (5), Энергетика, выпуск 5 Апатиты 2011, с.169.

18. Кубарьков Ю.П., Амелин C.B., Гольдштейн В.Г., Тихомиров A.A., Шишков М.А. Использование информационно-аналитического комплекса "ПЕГАС" для анализа потерь в электрических сетях и системах электроснабжения. Сб. инф. матер. III межд. научн.-техн. конф. "Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях - 2004", 15-19 ноября 2004 г. М.: ВНИИЭ.

19. Кубарьков Ю.П., Амелин C.B., Гольдштейн В.Г., Тихомиров A.A., Шишков М.А. Информационно-аналитический комплекса "ПЕГАС" и его использование в сетевых предприятиях энергосистем. Сб. тез. докл. XI Межд. науч.-тех. конф. "Радиотехника, электротехника и энергетика". Том 3. МЭИ(ТУ). -М. 2005, с. 124.

20. Кубарьков Ю.П., Амелин C.B., Гольдштейн В.Г., Гурьянов Я.И., Тихомиров A.A. Программа для ЭВМ «ПЕГАС». Св-во об официальной регистрации № 2003611244. Российское агентство по патентам и товарным знакам (Роспатент). Заявка № 2003610679, дата поступления 01.04.03 г., дата регистрации 27.05.03 г.

21. Кубарьков Ю.П., Амелин C.B., Гольдштейн В.Г., Самойлов М.В. Тихомиров A.A. Разработка и внедрение информационно-вычислительного комплекса для решения задач управления в электрических сетях и системах электроснабжения. Сб. мат. I Межд. науч.-практ. конф. «Энергетика, материальные

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный технический университет

На правах рукописи

/(^Г^с/

05201 450380 Кубарьков Юрий Петрович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ, РАЗРАБОТКА И РЕАЛИЗАЦИЯ СРЕДСТВ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДЛЯ ЭФФЕКТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ НЕФТЯНОЙ ОТРАСЛИ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант -доктор технических наук, профессор Гольдштейн В.Г.

Самара 2013

Оглавление

Введение.............................:.........................................................................................7

Глава 1. Сложные системы в контексте энергетики..............................................16

1.1. Процесс эволюции современных электрических комплексов.................16

1.2. Представление о сложных системах и их взаимодействии.....................22

1.3. Свойства и особенности сложных систем.................................................24

1.3.1. Возникновение и развитие сложных систем..........................................24

1.3.2. Метрики сложных сетей...........................................................................26

1.3.3. Типы сложных сетей.................................................................................29

1.3.4. Комплексная теория сложных сетей.......................................................34

1.3.5. Управляемость сложных систем.............................................................36

1.4. Электрические или энергетические системы и комплексы.....................37

1.5. Производство электроэнергии.....................................................................39

1.6. Стандартный профиль нагрузки.................................................................43

1.6.1. Потребление электроэнергии.................................................................43

1.6.2. Прогнозирование потребления электроэнергии....................................44

1.6.3. Метрики для кривых нагрузки................................................................46

1.6.4. Регулирование спроса (DSM)..................................................................48

1.7. Современные энергетические системы Smart Grids (Умные сети)............49

1.7.1. Интеллектуальная сеть.............................................................................49

1.7.2. Двухуровневая модель.............................................................................52

Глава 2. Информационные модели электротехнических комплексов и процессы управления режимами их работы...........................................................................54

2.1. Главные методы исследования взаимодействия элементов в системах управления..............................................................................................................54

2.2. Теория подобия...............................................................................................56

2.3. Оптимизация методов управления в условиях неопределенности............61

2.3.1. Искусственные нейронные сети..............................................................64

2.3.2. Генетические алгоритмы..........................................................................73

2.3.3. Применение математического аппарата теории нечетких множеств.. 76

2.3.4. Метод многокритериального регрессионного анализа.........................79

2.4. Теория графов..................................................................................................81

2.4.1. Кратчайшие пути и контуры графа.........................................................81

2.4.2. Решение задач неопределенности при управлении системами...........83

2.5. Мультиагентные системы в энергетике........................................................86

2.6. Понятие системы управления как объекта исследования..........................95

Глава 3. Разработка принципов графоаналитического моделирования электротехнических комплексов.............................................................................99

3.1. Использование табличного представления топологических структур СЭЭС для графоаналитического моделирования схем......................................99

3.2. Классификация набора моделей для решения задач, связанных с тренажерной подготовкой персонала................................................................100

3.3. Разработка табличных методов заменяющих действия с матрицами для решения уравнений установившихся режимов СЭЭС.....................................103

3.4. Графоаналитическое табличное моделирование квазистационарных режимов.................................................................................................................106

3.4.1. Табличный способ описания схемы электрической сети...................106

Глава 4. Разработка методических основ анализа моделей электротехнических

комплексов как объекта управления.....................................................................114

4.1. Классификация средств математического обеспечения и модели структурных элементов.......................................................................................114

4.2. Обобщенные модели структурных элементов...........................................117

4.3. Построение единого информационно-топологического пространства... 120

4.4. Имитационное моделирование СЭЭС на основе теоретико-множественного подхода....................................................................................122

4.5. Формирование виртуальных имитационных моделей..............................127

4.6. Метод условных потенциалов.....................................................................128

4.7. Табличное моделирование как основа для модификации методов анализа режимов СЭЭС.....................................................................................................131

4.7.1. Метод Гаусса-Зейделя...........................................................................131

4.7.2. Формализованная запись узловых уравнений для узлов с заданным балансом реактивной мощности.....................................................................133

4.7.3. Ускорение сходимости метода Гаусса-Зейделя...................................134

4.7.4. Метод Ньютона-Рафсона......................................................................135

4.7.5. Градиентный метод................................................................................139

4.8. Алгоритмы расчета режимов СЭЭС с применением табличных структур. ................................................................................................................................145

4.8.1. Табличная модификация метода Гаусса-Зейделя с использованием списочных структур..........................................................................................145

4.8.2. Табличная модификация метода Ньютона-Рафсона с использованием списочных структур..........................................................................................146

4.8.3. Табличная модификация градиентного метода с использованием списочных структур..........................................................................................147

4.8.4. Программная реализация рассмотренных методов.............................147

4.9. Практическое исследование реализованных расчетных методов.............148

4.9.1. Использование улучшенного метода Гаусса-Зейделя с табличными структурами.......................................................................................................148

4.9.2. Практические соображения применения метода Ньютона-Рафсона. 152 Глава 5. Современные средства имитационного моделирования для управления режимами работы электротехнических комплексов...........................................153

5.1. Основные принципы применения имитационного моделирования для управления режимами работы электротехнических комплексов.....................153

5.2. Моделирования электрических сетей с использованием ГИС-технологий ................................................................................................................................159

5.3. Тенденции развития моделей данных в ГИС.............................................160

5.4. Постановка и решение задач моделирования электротехнических комплексов с применением ГИС-технологий....................................................161

5.5. Задачи использования ГИС-технологий в электрических сетях..............162

5.6. Применение ГИС-технологий для информационных и управленческих задач.......................................................................................................................164

5.7. Информационно-аналитическая система для управления электротехническими комплексами и системами электроснабжения.............165

5.7.1. Основные характеристики системы.....................................................166

5.7.2. Корпоративная система по оборудованию и режимам электрических сетей....................................................................................................................169

5.7.3. Основные задачи, решаемые на базе информационно-аналитической системы..............................................................................................................170

5.7.4. Вопросы использования информационно-аналитических комплексов для задач интеллектуализации управления режимами ЭЭС........................172

Глава 6. Организация взаимодействия графоаналитической системы с моделью

СЭЭС, имеющей топологические связи...............................................................178

6.1. Реализация взаимодействия коммутационной модели с подсистемой расчета режима.....................................................................................................178

6.2. Управляемая модель электрической сети...................................................179

6.3. Система Управления Передачей Электроэнергии...................................183

6.4. Полная Система Энергетических Приложений ИАС «Пегас».................187

6.5. Назначение разработанной системы для решения технологических задач. ................................................................................................................................194

Глава 7. Разработка новых и совершенствование существующих методов

управления и принятия решения при расчете режимов работы

электротехнических комплексов...........................................................................196

7.1. Создание единой корпоративной информационно-справочной и расчетно-аналитической системы.......................................................................................196

7.2. Практическая реализация проекта системы...............................................200

7.3.Технология решения задачи ТУ с помощью ПО «Модус-Пегас»............204

7.4. Технология решения задач расчета нормальных и аварийных режимов СЭЭС с помощью ПО «Модус-Пегас»..............................................................209

7.4.1. Расчет потерь мощности и энергии в сети электроснабжения........209

7.4.2. Алгоритм расчета потерь мощности и энергии...................................211

7.5. Расчет токов короткого замыкания в системе электроснабжения..........213

7.6. Анализ электроснабжения, электропотребления, расчет потерь энергии и баланс по производствам нефтеперабатывающего комплекса.......................219

7.6.1. Анализ графиков нагрузки источников питания НПЗ........................219

7.6.2. Составление электробаланса технологических установок.................222

7.7. Определение точек с низким уровнем коэффициента мощности и анализ режима реактивной мощности............................................................................234

7.7.1. Режим реактивной мощности в системе электроснабжения НПЗ.....234

7.7.2. Анализ возможности оптимизации реактивной мощности...............236

7.7.3. Оценка показателей качества электроэнергии.....................................236

7.8. Анализ отказов и неполадок........................................................................241

7.9. Анализ значений коэффициента мощности по фидерам ГПП завода.... 243

7.10. Расчет самозапуска электродвигателей....................................................248

7.10.1.Общие сведения.....................................................................................248

7.10.2. Последовательность выполнения работы..........................................249

7.10.3. Пояснения к выполнению расчетов....................................................250

7.10.4. Определение возможности самозапуска............................................254

7.11. Оценка технической возможности применения БАВР в сетях электроснабжения НПЗ ......................................................................................256

Заключение..............................................................................................................261

Библиографический список....................................................................................263

Приложение 1. Подготовка и оформление схем электрических сетей 220-6(10)-0,4 кВ систем электроснабжения предприятия....................................................277

П1. Введение.........................................................................................................277

П2. Требования к электрическим схемам..........................................................279

П2.1 Общие требования к электрическим схемам........................................279

П2.2. Главная схема ПЭС....................................................................................284

П2.3. Электрические схемы подстанций...........................................................286

П2.4. Электрические схемы фидеров 6-10 кВ...................................................288

П2.5. Электрические схемы фидеров 0,4 кВ.....................................................289

ПЗ. Информационное наполнение схемы..........................................................290

Приложение 2. Описание структуры базы данных используемой в ИАС «Пегас» ...................................................................................................................................291

Общая структура построения БД.......................................................................292

Приложение 3. Схемы и расчеты контрольных примеров.................................295

Контрольный пример 1. Нормальная схема Фидер № 1 ПС Алексеевка.......295

Контрольный пример 2. Нормальная схема Фидер Неприк-0,4 ПС Неприк.297

Контрольный пример 3. Схема электроснабжения предприятия...................300

Введение

В многоуровневой иерархической структуре современных энергосистем с разветвленными горизонтальными и вертикальными связями важнейшим иерархическим звеном является уровень распределения электроэнергии - системы энергоснабжения и электрические сети (СЭЭС). Современные тенденции по энергосбережению и повышению энергоэффективности СЭЭС предъявляют беспрецедентно высокие требования к качеству и результативности управления режимами и техническим состоянием электрооборудования (ЭО) их электротехнических комплексов (ЭТК). Поэтому, не умаляя значимости других уровней иерархии, остановимся на решении проблем совершенствования их управления.

Высокие качество, надежность и технико-экономические показатели СЭЭС можно обеспечить только при наличии в системе управления мощной универсальной информационно-вычислительной системы. Ее основа - обобщенная виртуальная модель СЭЭС, включающая в себя многоцелевую виртуальную модель (МВМ) СЭЭС, построенную на принципе графического управления составом, взаимными связями элементов, их технических и режимных параметров, результатов расчетов и компьютерных экспериментов, нормативно-справочной информации и др.

Несмотря на большое количество работ, выполненных в этом направлении, создание МВМ далеко от исчерпывающего завершения по целому ряду направлений и требует обоснования и инновационных решений постоянно возрастающего ряда научных проблем и технических задач. Их рост обусловлен, с одной стороны, развитием современных технологий в эксплуатации и проектировании ЭТК, а с другой, - лавинообразным увеличением возможностей и технических характеристик средств информационно-вычислительной техники. При этом в современных условиях роль этих средств все больше смещается в сторону комплексного логического анализа технических данных наблюдения и моделирования разнообразных процессов, принятия решений и определения стратегии и тактики управления ЭТК.

Эксплуатация и проектирование СЭЭС в современных условиях является важной научно-технической проблемой и требует решения комплекса разнообразных взаимосвязанных задач планирования основной деятельности, оперативного и диспетчерского управления режимами, определения направлений и реализации производственной деятельности (включая энергоснабжение, сбыт, ведения договоров, обслуживания и ремонта электрооборудования и т.д.), планирования ресурсов (финансовых, человеческих и материальных затрат), всех видов энергоучета, планирования и анализа деятельности предприятия и др.

Не умаляя общности подхода, можно констатировать, что эти задачи имеют общую основу в виде неразрывно связанных производственных процессов, условий, технической базы, специфических интерактивных взаимоотношений между людьми, оборудованием, автоматическими и автоматизированными системами, окружающей средой. В названных задачах все эти ингредиенты функционируют в виде обобщенной виртуальной модели в едином информационном пространстве с общей базой схемно-топологической нормативно-справочной информации. Поэтому необходим анализ, разработка и оптимизация разнообразных моделей СЭЭС:

обобщённых виртуальных; имитационных; диагностических; геоинформационных и др.

Для них характерно использование общих подходов и средств, таких как: изображение схем с учетом коммутационных элементов; возможность получения пользователем информации об объектах на схеме; наличие баз данных по оборудованию; решение различного рода технологических задач анализа состояния СЭЭС.

Эти положения находят отражение в разработках технологических комплексов с использованием специализированного программного обеспечения (ПО): расчет стационарных и аварийных режимов работы СЭЭС; определение балансов;

расчет потерь мощности и электроэнергии;

определение токов КЗ;

оценка статической устойчивости;

расчет возможности группового самозапуска электродвигателей; выбор уставок и анализ РЗА и т.д.); решение диспетчерских задач;

взаимодействие с оперативно-информационными комплексами (ОИК); разработка советчиков диспетчера по управлению мнемосхемой и ведение электронного журнала;

разработка коммутационных и режимных тренажеров; разработка справочно-информационных комплексов и др. В диссертационной работе с помощью научного подхода решены многие системные задачи с учётом различных аспектов (методологических, технических, и информационных, экономических и организационных, которые опираются на основополагающие принципы моделирования СЭЭС, предложенные и обоснованные В.А. Вениковым [1 - 5]. Этим определяется научная актуальность выбранной темы диссертации. Представленная работа выполнялась в соответствие с научно-технической программой Самарского государственного технического университета в целях выполнения основных задач по программе энергосбережения, определенной Минобразования РФ на период 2013-2020 гг.

Получение новых �