автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок

005012124

ЕНИКЕЕВ Тимербулат Узбекович

СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ НА БАЗЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАР 2012

Уфа-2011

005012124

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет» на кафедре электроники и биомедицинских технологий

Научный руководитель

д-р техн. наук, проф. ЕФАНОВ Владимир Николаевич

Официальные оппоненты

д-р техн. наук, проф. Павлов Сергей Владимирович,

заведующий кафедрой геоинформационных систем ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет»

Ведущая организация

канд. техн. наук, доцент Ахмеджанов Фарит Маратович,

доцент кафедры информационно-управляющих систем ФГБОУ ВПО «Уфимская государственная академия экономики и сервиса»

ФГБОУ ВПО «Башкирский государственный университет»

Защита состоится 16 марта 2012 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д-212.288.03 при Уфимском государственном авиационном техническом университете по адресу: 450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12, УГАТУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан «_ » февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д-р техн. наук, проф.

В. В. Миронов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Проблема широкого использования локальных энергетических сетей ЛЭС) на базе возобновляемых источников энергии приобретает особую акту-1ьность в силу целого ряда объективных причин, среди которых можно на-вать постоянный рост стоимости углеводородного сырья, рост эмиссии вред-ых выбросов в атмосферу, а также недостаток существующих мощностей для есперебойного и качественного энергообеспечения территорий, не охвачен--ых электрическими сетями и удаленных от крупных электростанций.

Особая роль среди возобновляемых источников энергии отводится уст-ойствам, использующим энергию ветра. Современные технологии позволяют тнести энергию ветра к числу возобновляемых источников, имеющих самый начительный экономический потенциал. По оценкам экспертов экономический отенциал ветровой энергии России составляет примерно 260 млрд кВт ч/год, о есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростан-иями страны. При этом установленная мощность ветровых электростанций в гране на 2011 год не превышает 20 МВт. Такое положение во многом связано низкой эффективностью ветроэнергетических установок (ВЭУ), эксплуати-уемых в автономном режиме.

Объединение отдельных объектов электроэнергетики в локальные сети обеспечивает целый ряд преимуществ, связанных с существенным снижением стоимости электроэнергии, повышением надежности электроснабжения и снижением потерь электроэнергии, а также обусловленных высокой устойчивостью к различного рода возмущениям в смежных зонах и возможностью предотвращения аварийных режимов за счет реконфигурации электрической схемы и изменения состава включенных в работу элементов.

Вместе с тем, построение электроэнергетических сетей требует решения целого ряда научных и технических проблем, среди которых приоритетное место занимает задача оперативного (в реальном масштабе времени), автоматического управления режимами энергосистемы. Дело в том, что сравнительно малая энергоемкость ЛЭС обуславливает существенное влияние изменения потребляемой мощности на режимы их функционирования. К тому же отличительным признаком ВЭУ является нестабильность выходной мощности, связанная с непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. В этих условиях для надежного энергоснабжения потребителей необходимо обеспечить оперативное управление режимами работы ЛЭС за счет гибкого перераспределения активной и реактивной мощности в зависимости от конкретной складывающейся ситуации, связанной с изменением нагрузки или изменением параметров ветра и соответствующим изменением выходных мощностей ВЭУ.

Значительный вклад в развитие теории и практики построения электроэнергетических систем внесли отечественные ученые - В. М. Горнштейн, В. И. Идельчик, В. А. Веников, А. А. Амбарцумян, И. В. Прангишвили, М. А. Беркович, В. Г. Холмский, Л. А. Крумм и др.

Важное место в решении задач оптимизации и управления электроэнерге тическими системами занимают результаты, полученные в трудах Б. Н. Пет рова, С. Н. Васильева, А. А. Воронова, А. А. Красовского, В. Ю. Рутковского В. А. Подчукаева, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, В. Г. Крымского, Н. И. Юсу повой, W. S. Chan, С. A. Desoer, М. Darwish, М. Ikeda, A. Macfarlane, Н. Rosen brock, D. D. Siliak, M. K. Sundareshan, S. Weisenberger, L. Zade.

Тем ие менее, ряд важных вопросов, связанных с обоснованием критери ев оптимизации при использовании возобновляемых источников энергии (осо бенно даровых), оптимизацией режимов работы энергетических систем по вы бранным критериям в реальном масштабе времени и согласованным управле нием всей совокупностью ВЭУ в составе ЛЭС, нуждается в дополнительны исследованиях. Указанное обстоятельство обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок.

Цель работы состоит в повышении эффективности использования локальных энергетических сетей на базе ветроэнергетических установок за счет согласованного управления генерирующими узлами энергосистемы для обеспечения оптимальных режимов генерации и распределения активной и реактивной мощности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющей в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности.

2. Обоснование и формирование критериев комплексной оценки эффективности работы локальных энергетических сетей, построенных с применением ветроэнергетических установок.

3. Разработка методики оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия.

4. Разработка метода согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети.

5. Оценка эффективности системы оперативного управления локальной энергетической сетью с использованием программного модуля оптимизации режимов ее работы.

Методика исследования. При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы оптимизации электроэнергетических систем, системного анализа, векторной оптимизации, математического программирования, теории автоматического управления, а также принципы модульного и объектно-ориентированного программирования.

На защигу выносятся:

1. Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющая в реальном масштабе вре-

ени обеспечивать оптимальный режим генерации я распределения активной и еактивной мощности.

2. Критерии комплексной оценки эффективности работы локальных энер-етических сетей, построенных с применением ветроэнергетических установок.

3. Методика оптимизации локальных энергетических сетей на основе ультипликативной свертки векторного критерия.

4. Метод согласованного управления первичными и групповыми пара-1етрами локальной ветроэнергетической сети.

5. Результаты оценки эффективности системы оперативного управления скальной энергетической сетью с использованием программного модуля оп-имизации режимов ее работы.

Научная новизна

1. Система оперативного управления локальной энергетической сетью на азе ветроэнергетических установок отличается тем, что в рамках ее трехуров-евой структуры реализуются процедуры оптимизации текущего режима рабо-ы, согласованного управления активной и реактивной мощностью во всей се-и, а также регулирования частоты и напряжения в каждой электрогенерирую-¡ей установке.

2. Впервые предложены критерии, позволяющие комплексно оценивать ффективность использования даровых источников энергии, эффективность аспределения энергии между потребителями и эффективность использования оплива балансировочным узлом.

3. Методика оптимизации локальных энергетических сетей на основе ультипликативной свертки векторного критерия, отличается тем, что за счет ационального сочетания гибридного метода штрафных функций и пошагового етода расчета статического режима решение находится в темпе протекания инамических процессов в сети.

4. Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети, отличается тем, что вектор переменных состояния переводится в заданную область за один такт координирующего управления, в результате чего вектор выходных координат движется по желаемой траектории, формируемой временной последовательностью оптимальных значений комплексного критерия эффективности.

5. Разработанный программный модуль оптимизации режимов работы энергетической сети реализован на основе предложенных критериев и методов, что обуславливает новизну и обеспечивает эффективность системы оперативного управления локальной энергетической сетью.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Предложенная в работе трехуровневая система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок позволяет в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности, в результате чего достигается снижение потерь электрической энергии в сети на 15-25 %.

Практическая значимость методики оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия заключается в сокращении расхода топлива в компенсирующем узле в среднем на 5-7 %.

Метод согласованного управления первичными и групповыми парамет-: рами локальной ветроэнергетической сети гарантирует бесперебойное снабжение потребителей электрической энергией требуемого качества.

Практическая значимость программного модуля оптимизации режимов работы локальной энергосистемы на базе ВЭУ заключается в том, что он позволяет автоматизировать трудно формализуемые этапы проблемного анализа и концептуальных исследований, в результате чего время, затрачиваемое на рас-четно-теоретические работы, сокращается в среднем на 20-30%. Разработанный программный модуль зарегистрирован в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2010615682 «Модуль оптимизации локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок»).

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается результатами их внедрения в производственную деятельность ЗЛО «Электрощит» (г. Альметьевск) и ООО «Беннинг Пауэр Электронике» (г. Москва).

Апробация работы

Результаты работы, а также отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 2-я международная научно-техническая конференция «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2006);

• Международная научно-техническая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006);

• Международная молодежная научная конференция «XVI Туполев-ские чтения» (Казань, 2008);

• Международная конференция «Инноватика-2008» (Ульяновск, 2008);

• 4-я всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2009);

• Всероссийская молодёжная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009);

• Международная молодежная научная конференция «XVIII Туполев-ские чтения» (Казань, 2010);

• IV международная научно-практическая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2010).

Публикация результатов

По теме диссертационной работы опубликованы -19 печатных работ: 10 статей, в том числе 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК; 8 трудов конференций; 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ по теме диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка принятых . сокращений, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования и занимает 8 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, новизна и практическая значимость выносимых на защиту результатов.

В первой главе рассматриваются особенности энергосистем, построенных с применением ветроэнергетических установок, а также систем автоматического управления сложными техническими объектами на примере энергетических систем подобного типа. На основе проведенного анализа формулируются цель и основные задачи исследования.

Во второй главе излагаются результаты разработки системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, на которую возлагается решение следующих задач:

- оптимизация режимов генерации и распределения активной и реактивной мощности;

- согласованное управления активной и реактивной мощностью для обеспечения оптимального режима работы сети;

- автоматическое регулирование частоты и напряжения в каждой электро-генерирующей установке.

Для комплексного решения сформулированных задач предлагается трехуровневая структурно-функциональная схема системы управления, представленная на рис. 1.

На верхнем (третьем) уровне управления формируются оптимальные программы управления генерирующими узлами энергосистемы, в состав которых, помимо ВЭУ, входит индустриальная газотурбинная установка (ГТУ). ГТУ используется в качестве балансировочного узла, чтобы сохранять требуемый баланс генерируемых и потребляемых мощностей в условиях недостаточной.производительности ВЭУ.

Второй уровень образует система координирующего управления активной и реактивной мощностью (СКУАРМ), которая осуществляет согласованное управление генерирующими узлами с целью обеспечения оптимальных режимов энергосистемы.

На нижнем (первом) уровне выполняется автоматическое регулирование частоты и напряжения, которое производится при помощи многосвязных систем первичного регулирования частоты и напряжения (МСПРЧН) ВЭУ и ГТУ.

Для комплексной оценки оптимальности режимов работы ЛЭС, включающей эффективность использования энергии ветра, величину потерь при распределении и передаче электроэнергии потребителям, а также затраты топ-

лива в балансировочном узле, предлагается следующая совокупность показателей.

Коэффициент использования ВЭУ: с _ $ вэу

>вэу

+ sr

О)

где Бвэу - полная (активная Рвзуі и реактивная СІвзУі) мощность, вырабаты-

п

ваемая всей совокупностью ВЭУ: (и ~~ число генерирующих

і

пунктов с ВЭУ), 5ЮУ/ = Рвзуі +0взуі) > - аналогичная величина для балансировочного узла 5'г - Рр + ) ■

Контур оптимизации режимов ЛЭС

Третий уровень управления

Второй уровень управления

Первый уровень управления

<>

н n2 ---

Рисунок 1 - Структурно-функциональная схема системы оперативного управления ЛЭС: gíi и gia - уставки по частоте и напряжению, поступающие от СКУАРМ; у и и yt2 - частота и напряжение на выходе энергетической установки; Gyj и Í/Bо - расход топлива и напряжение возбуждения ГТУ; pt и ubk -угол установки лопастей и напряжение возбуждения для ВЭУ; N\r.. JVm - потребители сети

Коэффициент эффективности энергораспределения в ЛЭС:

; _ sH

є2--

_ $вэу +sr~ii

sвэу $вэу ° г

+ Sr

(2)

где - полная мощность, потребляемая нагрузкой; п - величина потерь пол-

ной мощности.

Коэффициент полной мощности балансировочного узла:

3 ^тах ' 4 '

где - максимальная мощность балансировочного узла.

При известных расходных характеристиках балансировочного узла этот показатель однозначно определяет расход топлива и, следовательно, оценивает затраты на энергию, генерируемую балансировочным узлом.

Проведенный в работе анализ свидетельствует о том, что показатели (1)-(3) являются взаимно независимыми и непротиворечивыми. В связи с этим предлагается использовать комплексный критерий оптимизации, полученный путем мультипликативной свертки следующего вида

Е = е|"1Е21е3. (4)

Минимизация критерия (4) проводится в рамках ограничений, определяющих условия балансов активной и реактивной мощности, а также ограничений на максимальную допустимую нагрузку для каждой ВЭУ и для балансировочного узла по активной и реактивной составляющим. Первая группа ограничений имеет вид

№Р = £РВЭУ(+Рг-П-Рн=0. (5)

1=1

т

где ж - суммарные потери активной мощности в сети; рн = црш ~ суммарная

<=1

нагрузка потребителей (т - число пунктов подключения потребителей).

П'в = £<2Юу1+вг-д-в„=0, (6)

)=1

где £ (<23 ,+Ц]) - сумма зарядных мощностей и потерь реактивной мощности в линиях электропередачи (О - множество номеров линий электропере-

т

дач в составе ЛЭС); <2Н = Е От ~ суммарная реактивная мощность потребите-/=1

лей.

В свою очередь, ограничения на максимальную допустимую нагрузку имеют вид следующих неравенств:

Рвэу! - РвТу,: <2вэу1 - бвэу;- ' ~ 1>и:

рг<рг: йг^ог- (?)

Выбор метода оптимизации критерия (4) в рамках ограничений (5}-(7) осуществлялся с учетом следующих соображений. Чтобы исключить возможность возникновения аварийных режимов работы ЛЭС, поиск должен проводиться в пределах допустимой зоны. Кроме того, метод должен обладать достаточно простой вычислительной схемой, чтобы обеспечить поиск оптимального решения в реальном масштабе времени.

В наибольшей степени сформулированным требованиям отвечает метод внутренних штрафных функций. Однако, поскольку в рассматриваемой задаче оптимизации фигурируют ограничения вида равенств и неравенств, в работе предлагается модифицированный метод комбинированных штрафных функций. Суть этого метода заключается в следующем. Вводится вспомогательная функция, которая представляет собой сумму исходной минимизируемой функции (4) и двух специальных функций штрафа. Штрафные функции строятся на базе ограничений (5)-(7) таким образом, что они возрастают тем больше, чем ближе к границе допустимой области находятся параметры оптимизации

Е(2,Па)= г(г) + ущ (с}^(2)+с2д1¥^))-

~ Ак\£ЦРЮУгЪэя)+ ^ЮУ^ВЭУ^ 1п(/ГХ-РГ)+ Ь^-бг)], (8) / ;

где г-{рвэу1,...,рвэуп,рг,двэу11...£взуп£г} . совокупность параметров оптимизации, сР, се - постоянные коэффициенты с размерностями, соответственно, кВт"1 и кВАР"1.

Далее, задается монотонно убывающая, сходящаяся к нулю, последовательность положительных чисел тц, к =1, 2, ..., - значений коэффициентов штрафа, для каждого из которых решается задача безусловной минимизации вспомогательной функции (8). С этой целью используется метод Флетчера-Ривса:

2Лщ) = г* (г\к-\)+а\<1\Ык)+- + агЯг(щ), (9)

где г*(ща) = вхвех1г е{г,т\к_{)-, аг = агв1шп£(гг_1(щ)+аг^(т1^:));

аг

Поскольку задача оптимизации режимов работы ЛЭС имеет высокую размерность и число итераций на этапе поиска решения достаточно велико, то возникает опасность потери направления поиска из-за накопления погрешностей. Для устранения этой проблемы используется процедура обновления алгоритма за счет обнуления составляющих вектора уг после достижения заданного числа итераций.

Начальная допустимая точка гоСлО. удовлетворяющая ограничениям (4)-(7), находится на основе модели ЛЭС, которая включает следующую совокупность уравнений.

Уравнения движения роторов генераторов ВЭУ

= мт-мш, /'=1,2,..„и; (10)

где ¡т - скольжение ротора, мт = мт{г,.,ь,ут) - вращающий момент ветро-генератора, У,- - скорость ветра, Мв=Р1П/тт - электромагнитный момент, приложенный к ротору ветрогенератора, - ак-

тивная мощность, соответствующая электромагнитному моменту,

Ei = Е^ият) - ЭДС генератора ВЭУ, иш - эквивалентное напряжение возбуждения, вычисленное с учетом управляющего напряжения тиристорного преобразователя, 5„ = 8т -5,, 8т- и 6г - абсолютные углы, определяющие положение, соответственно, ротора ветрогенератора и вектора ЭДС относительно некоторой синхронно вращающейся оси с угловой скоростью сос, 5,- - скольжение вектора ЭДС.

Уравнение движения ротора турбогенератора балансировочного узла:

Тят+В*т=М0-М, (И>

где м0 = ма(0т,з№й) - вращающий момент ротора ГТУ, от - расход топлива; м = ра / со ц/о - электромагнитный момент, приложенный к ротору ГТУ, Р0 =Ро('£0,г70<800,%0,л0,С/г0; - активная мощность турбогенератора, Е0=Е0(ит^№0) - ЭДС турбогенератора, ио,8т,ац,п^)¥а,5а,ив(> - имеют смысл, аналогичный рассмотренным для ВЭУ.

Уравнения для мощностей генерирующих узлов:

Рщг <2т ¿=0.1.2,...,«. (12)

Уравнения нагрузки в узлах потребителей:

рт = р,п(ийт = (13)

Уравнения мощностей для линий электропередачи ЛЭС:

рц =р9(и(,и,,Ь^.1,). д, (14)

где Ру и ^ характеризуют мощности в линиях, соединяющих узлы / и у при замере в узле г.

Уравнения балансов активной и реактивной мощностей в узлах сети:

Рп¥=рш+ + 1а/;М,2,...,т, (15)

где Ц - множество номеров линий электропередач, связанных с г'-м узлом.

Дополнительные уравнения связи:

{%,.=%+£ос; =%,.; 5, = /=0,1,2,...,и. 8&. =5, (у)еа. (16)

Описанная последовательность задач безусловной минимизации вспомогательной функции обеспечивает сходимость к оптимальному решению исходной задачи - минимуму комплексного критерия г(г). В качестве критерия остановки процедуры оптимизации используется следующее условие:

Жр*+1)М*№5, (17)

где 5 - заданная величина погрешности.

В результате решения задачи оптимизации формируются программы генерации активной и реактивной мощности в каждом генерирующем узле сети

кроме того, найденное решение позволяет оценить потенциальную эффективность работы ЛЭС, а также определить значения потоков, потерь и относительных приростов потерь активной и реактивной мощности в энергосети.

В третьей главе предлагается метод синтеза согласованного управления первичными и групповыми параметрами ЛЭС на основе принципа координации электроэнергетических процессов во всех элементах сети.

Математическая модель нижнего уровня управления включает две группы уравнений. Первая группа получена на основе линеаризации уравнений (10)-(11) и описывает процессы в узлах электрической сети, к каждому из которых подключается определенная совокупность ветрогенераторов с приблизительно одинаковыми характеристиками, что позволяет рассматривать подобные совокупности как единый генерирующий элемент, а также процессы в балансировочном узле

&т=(-ц/т()а*т +(1/т{)амт-{щ)шв, /=1,2,..„и;

мщ = (- в/т)азщ + (1/т)ам0 - (]/т)ам;

амт = + ат2а^+ат^т;

ШЕ1 = ааЕ1,5АиШ

= «сдДСт+«0,2^0; АЛ/= аодД6го-кхо12А5оо+ао,3Л!'0+«0,4^Г0+«0,5^0 • (18)

Сюда же относятся уравнения, описывающие системы первичного регулирования частоты и напряжения:

ДхЛ- = Ду,-; Aw¡ = TjAxp; +G¡Av¡, ¿ = 0,1,..„и, (19)

где Ахр; - вектор отклонений переменных состояния ¡-ой МСПРЧН;

= Я/_ Уг - вектор отклонений входных переменных, представляющий собой рассогласование между задающими воздействиями и текущими значениями, соответственно, скольжений роторов турбогенераторов и напряжений в 1-м узле; Дт1>о = [аСГо АИщУ, =[ДР; ДС/д/Г, (1 = 1,....и)-векторы отклонений управляющих воздействий.

Вторая группа уравнений, полученная на основе линеаризации (12)-(15), устанавливает взаимосвязь между параметрами отдельных узлов в соответствии с топологией линий электропередачи: п

а^ = + цаг; г = 1,2.....ш; (20)

/=1

где Д^ = [Д£/,-;Д6,г;Ат1-]г.

Матрицы Ку, описывают связи между узлами внутри электрической

сети, отображая взаимное влияние узлов, а также влияние линий передачи.

Объединение уравнений (18)-(20) позволяет получить централизованную модель нижнего уровня управления параметрами энергосистемы в следующем виде

ах(1) = а}ах0) + в180), (21)

где Лг(7) = [л5»'0(аср0У;...;Азц>п;(дхр^У^ - обобщенный вектор переменных состояния.

Уравнение наблюдения

Д2(1)Г=САХ(1), (22)

описывает поведение вектора отклонений генерируемых ВЭУ и ГТУ активных

и реактивных мощностей, управление которыми возлагается на СКУАРМ с целью обеспечения оптимальных режимов энергосистемы.

Предложенный в работе метод согласованного управления активной и реактивной мощностью ЛЭС на основе координации процессов, протекающих во всех основных элементах сети, предусматривает использование дискретной модели нижнего уровня управления в форме разностных уравнений следующего вида:

Ах(к + \) = ААк{к) + В8(ку,

Аг(к) = САх(к), (23)

где А и В ~ числовые матрицы, однозначно соответствующие, для выбранного времени дискретизации Т0, матрицам А] и В] непрерывной модели (21).

Условия существования согласованного режима требуют, чтобы вектор переменных состояния энергосистемы принадлежал к области, удовлетворяющей следующему соотношению:

САх*(к) = Аг*(к). (24)

Случай, когда Дх(к) е Ах*(к) означает, что в системе протекают согласованные процессы, обеспечивающие оптимальные значения обобщенных координат. Если же Ах(к)&Ах(к), то в силу (24) глобальная цель не достигается, и в системе протекают несогласованные процессы, требующие их координации. Расстояние в дискретном пространстве между фактическими Ах(к) и желаемыми Ах*(к) значениями переменных состояния определяется минимальной длиной вектора

р(к)^Ах*(к)-Ах(к). (25)

Из выражений (24) и (25) следует, что для вектора рассогласования р(к) справедлива система уравнений

Ср(/с) = С Ах* (к) - САх(к), т.е.

Ср(к) = Аг*(к) - САх(к). (26)

Так как матрица С является неквадратной, то для системы (25) находится нормальное псевдорешение

р(к) = СТ (сСТI"1 (аг* (к) - САх(к)\ (27)

имеющее наименьшую евклидову длину среди всех векторов р(к), принося-

Ср(к) - (/\г* (к) - СДх(Ж:) |.

Координирующее управление g(k) предлагается искать, исходя из условия минимизации ожидаемого расстояния между желаемыми и текущими состояниями энергосистемы, т.е. р(£ + 1) = Лх*(& + 1)-Дх(& + 1)-»0. Сформулированному условию соответствует уравнение

р(к +1) = СТ(сСТУ[А2\к + \)-СААх{к)-СВё{к)]= 0. (28) Решение этого уравнения позволяет получить искомый закон координи-

щих минимум величине

рующего управления активной и реактивной мощностью ЛЭС, обеспечивающий согласованное управление генерирующими узлами энергосистемы

g(k) = ~(СВ)Т (cB(CBf J"' (сАЛх(к) +1)). (29)

В работе показано, что в системе (23), замкнутой координирующим управлением (29), достигается полное согласование динамических процессов для всех генерирующих и потребляющих элементов ЛЭС. Это выражается в обеспечении движения вектора обобщенных выходных координат Az(k) системы по желаемой траектории Дг*(к), формируемой временной последовательностью оптимальных значений глобального критерия.

Эффективность согласованного управления в значительной степени зависит от внешних возмущений, обусловленных изменением нагрузок, характеристик ветра и рядом других причин. В связи с этим в работе предлагается метод синтеза многофункционального координатора для сетей, подвергающихся воздействию внешних сигнальных возмущений. При этом модель нижнего уровня управления принимает вид

Дх(к +1) = А &х(к) + Bg(k) + Df( к);

Az(k) = CAx(k), (30)

где f(k) - вектор возмущений.

Показано, что полученное управление

g(k) = -(СВ? [СВ(СВ)Т j4 (С(2[&х(к) - Ахт (*)]- [&.х(к -1) - Ахт (к -1)])+

+ САЛх(к) - ¿я*(к +1)) (31)

обеспечивает поддержание оптимальных процессов в сети как в невозмущенной среде, так и в среде кусочно-гладких возмущений. Указанный эффект достигается за счет введения в состав многофункционального координатора специальной структурной составляющей, осуществляющей вычисление прогноза Ахт (к) величины отклонения вектора состояния, возникающего вследствие действия возмущающих факторов. В соответствии с полученным прогнозом производится координация процессов в сети, которая сопровождается компенсацией нежелательных внешних воздействий.

В четвертой главе приводится описание разработанной программной системы, позволяющей автоматизировать основные этапы оптимизации режима работы локальной энергетической системы на базе ВЭУ.

Программная система реализует предложенный метод оптимизации в среде визуального программирования Borland С++. В структуре программной системы можно выделить два основных блока: интерфейсный и блок обработки данных (рис. 2). Интерфейсный блок обеспечивает взаимодействие пользователя с программой, а также взаимодействие между основными органами управления и элементами алгоритмического блока. Блок обработки данных, в свою очередь, реализует алгоритмы оптимизации, описанные выше в разделах 2 и 3.

Интерфейсный блок включает в себя следующие модули: Main.pas, Ра-rameters.pas, Disp.pas, StringProcedures.pas. Здесь модули Main.pas, Parame-ters.pas и Disp.pas представляют собой программные части описания оконных

форм, которым соответствуют одноименные *.сИт-файлы, содержащие описание визуальной части (Мат.ййп, Рагате^гзЖт и Б1зр.с1&п). Модуль же ЗЬгнщ-Ргосес1игез.раз является вспомогательной библиотекой, содержащей функции работы со строками.

■ Модуль Utlls і

I I

Рисунок 2 - Структура программной системы

Блок обработки данных включает в себя модули Math и Optimization. Модули блока обработки данных представляют собой библиотеки, содержащие различные функции, процедуры и типы данных, общие для основных оконных форм (Main.pas и Parameters.pas). Библиотечными модулями алгоритмического блока, в свою очередь, используются стандартные модули среды С++ (Types и Utils). Модуль Math осуществляет расчет первичных параметров, модель Optimization осуществляет процедуру оптимизации в соответствии с алгоритмом, описанным в разд. 2.

В качестве примера, позволяющего оценить эффективность предложенных методов оперативного управления ЛЭС на базе ВЭУ, рассмотрена кольцевая ЛЭС, состоящая из 3 нагрузочных £н1—£нз> 3 генерирующих узлов Sr, 5вэУЬ 5вэУ2 и 6 линий связи Z,.. .z6 (рис. 3).

¿г

Рисунок 3 - Схема замещения кольцевой ЛЭС

Для указанной ЛЭС был рассчитан оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности с использованием метода согла-

и

сованного управления первичными и групповыми параметрами сети на основе принципа координации электроэнергетических процессов. На рис. 4 приведены результаты расчетов, которые свидетельствуют о том, что величина потерь в сети снижается на 5-15%, а расход топлива в балансировочном узле снижается на 4-6%.

Й.Г" МВА

1,-1 г—

1,0

0,9

0,8 0,7

1

50

100 150 а

200 250 к

Е

0,03 0,075 0,07 0,065 0,03,

V-

ч„ \2

50 100 150 200 250 /с б

П,

МВА 0,24

0,235 0,23 0,225 0,2

Рисунок 4 - Результаты процедуры оптимизации: а - величины мощности ВЭУ (графики 1 и 2) и ГТУ (график 3); б - величина потерь мощности в энергетической сети (1) и величина комплексного критерия оптимизации (2)

При этом система координирующего управления активной и реактивной мощностью обеспечивает постоянное поддержание рассчитанного оптимального режима за счет согласования процессов, протекающих в узлах электрической сети, что гарантирует бесперебойное снабжение потребителей электрической энергией требуемого качества.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе сформулированы и решены задачи оптимизации локальных энергосетей на базе ВЭУ, а также оперативного управления режимами их работы с использованием принципа координирующего управления.

1. Разработана система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющая в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности.

2. Предложена совокупность локальных критериев, позволяющих оценивать эффективность использования энергии ветра, величину потерь при распределении и передаче электроэнергии потребителям, а также затраты топлива в балансировочном узле.

3. Разработана методика оптимизации ЛЭС на основе мультипликативной свертки локальных критериев, организованная на рациональном сочетании гибридного метода штрафных функций и пошагового метода расчета статических режимов, что позволяет осуществлять поиск в пределах допустимой области и исключать за счет этого возможность возникновения аварийных режимов работы ЛЭС.

4. Разработан метод синтеза согласованного управления первичными и групповыми параметрами ЛЭС на основе принципа координации

лектроэнергетических процессов во всех элементах сети для обеспечения птимальных режимов генерации и распределения активной и реактивной ющности.

5. Разработан программный модуль оптимизации режимов работы ЛЭС а базе ВЭУ, позволяющий повысить эффективность системы оперативного іравления локальной энергетической сетью. По оценке ООО «Беннинг Пауэр лектроникс» (г. Москва), применение предложешіьіх методов позволяет сни-ить потери электрической энергии в сети на 15-25 %, при этом общее сниже-ше расхода топлива в компенсирующих узлах достигает 5-7 %. Результаты недрения программного модуля (ЗАО «Электрощит», г. Альметьевск) свиде-ельствуют о том, что его применение позволяет сократить время, затраченное на расчетно-теоретические работы, в среднем на 20-30 %.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В рецензируемых журналах из списка ВАК:

1. Оптимизация режимов локальной энергетической сети на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов // Известия ВУЗов. Электромеханика. 2010. № 4. С. 37-40.

2. Система оперативного управления локальной энергетической системой на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Системы управления и информационные технологии. 2010. № 3 (41). С. 22-27.

3. Координирующее управление работой ветроэнергетических установок в составе локальной энергетической системы / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов Н Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Наука и образование. 2011. № 1 (117). С. 74—80.

4. Многокритериальная оптимизация режимов работы ветроэнергетических установок в составе локальной энергетической системы / Т. У. Еникеев // Системы управления и информационные технологии. 2011. № 1.1 (43). С. 134— 139.

5. Управление взаимодействием ветроэнергетических установок в составе локальной энергетической системы / В. Н. Ефанов, Т. У. Еникеев // Известия вузов. Приборостроение. 2011. Т. 54, № 12. С. 59-62.

В других изданиях

6. Оперативное управление режимами локальных энергетических систем на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Глобальный научный потенциал: сб. матер. 2-й междунар. науч.-практ. конф. Тамбов: Изд-во Першина Р. В., 2006. С. 107-108.

7. Вопросы оперативного управления режимами локальных энергетических систем на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. междунар. науч.-техн. конф., поев. 50-летию ЛГТУ. Липецк: изд-во ЛГТУ, 2006. С. 27-28.

8. Управление режимами работы локальных энергетических систем с учетом неопределенных факторов / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов // XVI Туполевские чтения: матер, междунар. молодежи, науч. конф. Казань: изд-

во КГТУ, 2008. Т. 2. С. 271-273.

9. Метод оптимизации режимов работы локальных энергетических систем на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Инноватика-2008: тр. междунар. конф. Ульяновск: УлГУ, 2008. С. 245-246.

10. Оперативное управление режимами локальных энергетических систем на базе ветроэнергетических установок» / Т. У. Еникеев // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2008. С. 89-94.

11. Оптимизация режимов работы локальных энергетических систем на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов // Актуальные проблемы в науке и технике: сб. тр. 4-й Всерос. зимн. шк.-сем. аспирантов и молодых ученых. Уфа: Диалог, 2009. Т. 2. С. 134-138.

12. Оптимизация режима работы локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов // Мавлютов-ские чтения: матер. Всерос. молодежи, науч. конф. Уфа: УГАТУ, 2009. Т. 3. С. 214-216.

13. Система автоматического управления режимами работы локальной энергетической сети / Т. У. Еникеев // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2010. С. 169-174.

14. Синтез оперативного управления режимом работы локальной энергетической системы с использованием ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж: Научная книга, 2010. № 3 (62). С. 334-341.

15. Разработка критерия оптимизации локальной энергетической системы на базе ветрогенераторов / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов П XVIII Туполевские чтения: матер, междунар. молодежи, науч. конф. Казань: изд-во КГТУ, 2010. Т. 4. С. 581-583.

16. Синтез оптимального управления режимом работы локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Информационные технологии моделировании я и управления. Воронеж: Научная книга, 2010. № 4 (63). С. 524-534.

17. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2010615682. Модуль оптимизации локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок/Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов. М.: Роспатент. Зарег. 01.09.2010.

18. Оценка оптимальности работы локальной энергетической системы, построенной с применением ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев, В. Н. Ефанов // Энергетика и энергоэффективные технологии: сб. докл. IV междунар. науч.-практ. конф. Липецк: изд-во ЛГТУ, 2010. С. 64-69.

19. Метод многокритериальной оптимизации работы автономной электрической системы с применением ветроэнергетических установок / Т. У. Еникеев // Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж: Научная книга, 2011. № 1 (66). С. 55-63.

Диссертант

Т. У. Еникеев

ЕНИКЕЕВ Тимербулат Узбекович

СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛОКАЛЬНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ НА БАЗЕ ВЕТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Специальность 05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 06.02.12. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 531

ФГБОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет Центр оперативной полиграфии 450000, г. Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12

Список сокращений.

Введение.

Глава 1. Исследование принципов построения локальных энергетических сетей на базе ветроэнергетических установок.

1.1. Перспективы использования возобновляемых источников энергии на примере ветроэнергетики.

1.2. Характеристики ветроэнергетических установок как источников электрической энергии и объектов регулирования.

1.3. Особенности задач оптимизации и оперативного управления локальными энергетическими системами.

1.4. Методы согласованного управления в сложных технических системах с использованием современных информационных технологий.

Глава 2. Разработка системы оперативного управления локальной энергетической сетью.

2.1. Разработка структурно-функциональной схемы системы управления режимами ЛЭС.

2.2. Формирование комплексного критерия оптимальности режимов ЛЭС.

2.3. Разработка алгоритма оптимизации ЛЭС на основе модифицированного метода внутренних штрафных функций.

Глава 3. Разработка метода синтеза согласованного управления первичными и групповыми параметрами ЛЭС на основе принципа координации электроэнергетических процессов.

3.1. Формирование локальных систем управления параметрами ВЭУ.

3.2. Разработка метода синтеза координирующего управления для ЛЭС.

3.3. Методика обеспечения качества координирующего управления при наличии сигнальных возмущений.

Глава 4. Программная система оптимизации локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок.

4.1. Разработка программного модуля оптимизации режима работы кольцевой ЛЭС.

4.2. Исследование эффективности системы оперативного управления ЛЭС с кольцевой структурой.

Актуальность темы

Проблема широкого использования локальных энергетических сетей (ЛЭС) на базе возобновляемых источников энергии приобретает особую актуальность в силу целого ряда объективных причин, среди которых можно назвать постоянный рост стоимости углеводородного сырья, рост эмиссии вредных выбросов в атмосферу, а также недостаток существующих мощностей для бесперебойного и качественного энергообеспечения территорий, не охваченных электрическими сетями и удаленных от крупных электростанций.

Особая роль среди возобновляемых источников энергии отводится устройствам, использующим энергию ветра. Современные технологии позволяют отнести энергию ветра к числу возобновляемых источников, имеющих самый значительный экономический потенциал. По оценкам экспертов экономический потенциал ветровой энергии России составляет примерно 260 млрд кВт-ч/год, то есть около 30 процентов производства электроэнергии всеми электростанциями страны. При этом установленная мощность ветровых электростанций в стране на 2011 год не превышает 20 МВт. Такое положение во многом связано с низкой эффективностью ветроэнергетических установок (ВЭУ), эксплуатируемых в автономном режиме.

Объединение отдельных объектов электроэнергетики в локальные сети обеспечивает целый ряд преимуществ, связанных с существенным снижением стоимости электроэнергии, повышением надежности электроснабжения и снижением потерь электроэнергии, а также обусловленных высокой устойчивостью к различного рода возмущениям в смежных зонах и возможностью предотвращения аварийных режимов за счет реконфигурации электрической схемы и изменения состава включенных в работу элементов.

Вместе с тем, построение электроэнергетических сетей требует решения целого ряда научных и технических проблем, среди которых приоритетное место занимает задача оперативного (в реальном масштабе времени), автоматического управления режимами энергосистемы. Дело в том, что сравнительно малая энергоемкость ЛЭС обуславливает существенное влияние изменения потребляемой мощности на режимы их функционирования. К тому же отличительным признаком ВЭУ является нестабильность выходной мощности, связанная с непостоянством характеристик ветра как энергоносителя. В этих условиях для надежного энергоснабжения потребителей необходимо обеспечить оперативное управление режимами работы ЛЭС за счет гибкого перераспределения активной и реактивной мощности в зависимости от конкретной складывающейся ситуации, связанной с изменением нагрузки или изменением параметров ветра и соответствующим изменением выходных мощностей ВЭУ.

Значительный вклад в развитие теории и практики построения электроэнергетических систем внесли отечественные ученые - В. М. Горнпггейн, В. И. Идельчик, В. А. Веников, А. А. Амбарцумян, И. В. Прангишвили, М. А. Беркович, В. Г. Холмский, Л. А. Крумм и др.

Важное место в решении задач оптимизации и управления электроэнергетическими системами занимают результаты, полученные в трудах Б. Н. Петрова, С. Н. Васильева, А. А. Воронова, А. А. Красовского, В. Ю. Рутковского, В. А. Подчукаева, Б. Г. Ильясова, В. И. Васильева, В. Г. Крымского, Н. И. Юсуповой, W. S. Chan, С. A. Desoer, М. Darwish, М. Ikeda, A. Macfarlane, Н. Rosenbrock, D. D. Siliak, М. К. Sundareshan, S. Weisenberger, L. Zade.

Тем не менее, ряд важных вопросов, связанных с обоснованием критериев оптимизации при использовании возобновляемых источников энергии (особенно даровых), оптимизацией режимов работы энергетических систем по выбранным критериям в реальном масштабе времени и согласованным управлением всей совокупностью ВЭУ в составе ЛЭС, нуждается в дополнительных исследованиях. Указанное обстоятельство обуславливает актуальность сформулированной темы диссертационной работы, направленной на разработку системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок.

Цель работы состоит в повышении эффективности использования локальных энергетических сетей на базе ветроэнергетических установок за счет согласованного управления генерирующими узлами энергосистемы для обеспечения оптимальных режимов генерации и распределения активной и реактивной мощности.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были сформулированы следующие задачи:

1. Разработка системы оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющей в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности.

2. Обоснование и формирование критериев комплексной оценки эффективности работы локальных энергетических сетей, построенных с применением ветроэнергетических установок.

3. Разработка методики оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия.

4. Разработка метода согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети.

5. Оценка эффективности системы оперативного управления локальной энергетической сетью с использованием программного модуля оптимизации режимов ее работы.

Методика исследования.

При решении поставленных задач в диссертационной работе использовались методы оптимизации электроэнергетических систем, системного анализа, векторной оптимизации, математического программирования, теории автоматического управления, а также принципы модульного и объектно-ориентированного программирования.

На защиту выносятся:

1. Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок, позволяющая в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности.

2. Критерии комплексной оценки эффективности работы локальных энергетических сетей, построенных с применением ветроэнергетических установок.

3. Методика оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия.

4. Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети.

5. Результаты оценки эффективности системы оперативного управления локальной энергетической сетью с использованием программного модуля оптимизации режимов ее работы.

Научная новизна

1. Система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок отличается тем, что в рамках ее трехуровневой структуры реализуются процедуры оптимизации текущего режима работы, согласованного управления активной и реактивной мощностью во всей сети, а также регулирования частоты и напряжения в каждой электроге-нерирующей установке.

2. Впервые предложены критерии, позволяющие комплексно оценивать эффективность использования даровых источников энергии, эффективность распределения энергии между потребителями и эффективность использования топлива балансировочным узлом.

3. Методика оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия, отличается тем, что за счет рационального сочетания гибридного метода штрафных функций и пошагового метода расчета статического режима решение находится в темпе протекания динамических процессов в сети.

4. Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети, отличается тем, что вектор переменных состояния переводится в заданную область за один такт координирующего управления, в результате чего вектор выходных координат движется по желаемой траектории, формируемой временной последовательностью оптимальных значений комплексного критерия эффективности.

5. Разработанный программный модуль оптимизации режимов работы энергетической сети реализован на основе предложенных критериев и методов, что обуславливает новизну и обеспечивает эффективность системы оперативного управления локальной энергетической сетью.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Предложенная в работе трехуровневая система оперативного управления локальной энергетической сетью на базе ветроэнергетических установок позволяет в реальном масштабе времени обеспечивать оптимальный режим генерации и распределения активной и реактивной мощности, в результате чего достигается снижение потерь электрической энергии в сети на 15-25 %.

Практическая значимость методики оптимизации локальных энергетических сетей на основе мультипликативной свертки векторного критерия заключается в сокращении расхода топлива в компенсирующем узле в среднем на 5-7%.

Метод согласованного управления первичными и групповыми параметрами локальной ветроэнергетической сети гарантирует бесперебойное снабжение потребителей электрической энергией требуемого качества.

Практическая значимость программного модуля оптимизации режимов работы локальной энергосистемы на базе ВЭУ заключается в том, что он позволяет автоматизировать трудно формализуемые этапы проблемного анализа и концептуальных исследований, в результате чего время, затрачиваемое на расчетно-теоретические работы, сокращается в среднем на 20-30%. Разработанный программный модуль зарегистрирован в Реестре программ для ЭВМ (свидетельство № 2010615682 «Модуль оптимизации локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок»).

Практическая значимость результатов диссертационной работы подтверждается результатами их внедрения в производственную деятельность ЗАО «Электрощит» (г. Альметьевск) и ООО «Беннинг Пауэр Электронике» (г. Москва).

Апробация работы

Результаты работы, а также отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• 2-я международная научно-техническая конференция «Глобальный научный потенциал» (Тамбов, 2006);

• Международная научно-техническая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2006);

• Международная молодежная научная конференция «XVI Туполев-ские чтения» (Казань, 2008);

• Международная конференция «Инноватика-2008» (Ульяновск,

2008);

• 4-я всероссийская зимняя школа-семинар аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и техники» (Уфа, 2009);

• Всероссийская молодёжная научная конференция «Мавлютовские чтения» (Уфа, 2009);

• Международная молодежная научная конференция «XVIII Тупо-левские чтения» (Казань, 2010);

• IV международная научно-практическая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (Липецк, 2010).

Публикация результатов

По теме диссертационной работы опубликованы 19 печатных работ: 10 статей, в том числе 5 в изданиях, входящих в перечень ВАК; 8 трудов конференций; 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ по теме диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка принятых сокращений, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах машинописного текста, включая 46 рисунков и 8 таблиц. Библиографический список включает 103 наименования и занимает 8 страниц.

Заключение

Проведенный в диссертационной работе анализ показал, что для повышения эффективности использования локальных энергетических сетей на базе ветроэнергетических установок требуется построение систем оперативного управления, позволяющих решать задачи оптимизации и управления в реальном масштабе времени с учетом особенностей ЛЭС, построенных на ■ базе ВЭУ. В рамках исследования была обоснована необходимость объединения ветроэнергетических установок в сети с целью повышения экономичности и надежности энергоснабжения.

Для реализации выдвинутой концепции в диссертационной работе была предложена трехуровневая система оперативного управления ЛЭС. На первом (нижнем) уровне выполняется автоматическое регулирование частоты и напряжения, которое осуществляется при помощи первичных регуляторов ВЭУ и ГТУ. На втором (среднем) уровне происходит групповое регулирование активной и реактивной мощности, целью которого является согласование режимов работы отдельных ВЭУ для обеспечения требуемого качества генерируемой энергии. На третьем (верхнем) уровне системы происходит формирование оптимальных программ управления.

Для оценки эффективности ЛЭС было предложена совокупность локальных показателей, которые характеризуют эффективность использования даровых источников энергии, эффективность распределения энергии между потребителями и эффективность использования топлива балансировочным узлом. Проведенный анализ локальных показателей позволил осуществить их мультипликативную свертку, в результате чего был сформирован комплексный критерий оптимизации.

В качестве метода оптимизации было предложено использовать сочетание гибридного метод штрафных функций и метода безусловной оптимизации Флетчера-Ривса. Метод штрафных функций позволяет учитывать специфику локальных энергосетей, согласно которой оптимизация должна осуществляться в реальном масштабе времени, причем в процессе поиска оптамалыюго режима состояние системы должно оставаться в допустимой области. В то же время метод Флетчера-Ривса позволяет сохранить направление поиска в условиях накопления погрешности вычислений и при этом не предъявляет жестких требований к виду оптимизируемой функции.

Для реализации сформированных на верхнем уровне оптимальных программ управления разработана совокупность алгоритмов, обеспечивающих первичное регулирование частоты и напряжения генерирующих узлов ЛЭС, а также координацию взаимодействия этих узлов при генерации активных и реактивных мощностей. При этом синтез многосвязных регуляторов первичных параметров для первого (нижнего) уровня системы осуществляется с использованием метода обратных операторов. Метод координирующего управления реализуется в дискретном пространстве состояний синтезируемой системы и обеспечивает перевод вектора состояний в заданную область за один такт координирующего управления.

Показано, что согласованное взаимодействие отдельных подсистем управления электроэнергетическими параметрами может нарушаться из-за внешних воздействий, связанных с изменением условий генерации и потребления мощности. Для компенсации неблагоприятного влияния внешних возмущений, характерных для ЛЭС, предлагается концепция построения многофункционального координатора, который содержит две структурные составляющие, одна из которых обеспечивает согласованное управления для расчетного режима работы системы, а вторая - сохранение устойчивости и качества координирующего управления при наличии возмущений.

В рамках диссертационного исследования был разработан программный модуль оптимизации режимов работы ЛЭС на базе ВЭУ, позволяющий повысить эффективность системы оперативного управления локальной энергетической сетью. Внедрение разработанного программного обеспечения в производственную деятельность ЗАО «Электрощит» (г. Альметьевск), показало, что его применение позволяет сократить время, затраченное на расчет-но-теоретические работы, в среднем на 20-30 %.

Применение методики оперативного управления ЛЭС на базе ВЭУ при реализации проекта, направленного на создание системы автономного энергоснабжения для АСУТП и телекоммуникационного оборудования газокомпрессорной установки в Ленинградской области, позволило, по оценке специалистов ООО «Беннинг Пауэр Электронике» (г. Москва), снизить потери электрической энергии в сети на 15-25 %, при этом общее снижение расхода топлива в компенсирующих узлах достигает 5-7 %

1. Андрианов В.Н., Быстрицкий Д.Н., Вашкевич К.П., Секторов В.Р. Ветроэнергетические станции /Под общей редакцией проф. Андрианова В.Н. М.Ленинград: Госэнергоиздат, 1960. 320с.

2. Антомонов Ю.Н. Синтез оптимальных систем. Киев: Наукова думка, 1972.-320 с.

3. Антонов A.B. Системный анализ. Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2004. - 454 с.

4. Бабак С.Ф., Васильев В.И., Ильясов Б.Г. и др. Основы теории многосвязных систем управления ЛА: Учеб. пособие для вузов / Под ред. М.Н.Красилыцикова. М.: Изд. МАИ, 1995. - 288 с.

5. Барзам А.Б. Системная автоматике 4-е изд., перераб. И доп. - М.: Энергоатомиздат, 1989.-446 с.

6. Беллман Р. Введение в теорию матриц. М.: Наука, 1979. - 320 с.

7. Беллман Р. Динамическое программирование М. : Изд-во Иностранная литература, 1960 г. 400 с.

8. Беркович М.А. Основы автоматики энергосистем / М.А. Беркович, H.A. Комаров, В.А. Семенов. -М.: Энергоатомиздат. 1981.

9. Беркович М.А. Автоматика энергосистем / М.А. Беркович, Гладышев В.А., Семенов В.А. -М.: Энергоатомиздат, 1991.-240 с.

10. Бесекерский В. А., Попов Е. П. Теория систем автоматического регулирования. М.: Наука, 1975.-768 с.

11. Бойчук Л.М. Синтез координирующих систем автоматического управления /Л.М. Бойчук. -М.: Энергоатомиздат, 1991.

12. Босс В. Лекции по математике. Т.5: Функциональный анализ. М.: КомКнига, 2005. - 216 с.

13. Васильев В.И. Многоуровневое управление динамическими объектами / В.И. Васильев, Ю.М. Гусев, В.Н. Ефанов. -М.: Наука, 1987.

14. Васильев В.И., Гусев Ю.М., Иванов А.И. и др. Автоматический контроль и диагностика электронных систем управления силовыми установками летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1989. - 240 с.

15. Васильев Ф.П., Иваиицкий А.Ю. Линейное программирование. М.: Изд-во "Факториал", 1998. - 176 с.

16. Васильев Ф.П. Методы оптимизации. М.: Факториал пресс, 2002. -824 с.

17. Веников В.А. и др. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем. М.: Энергоатомиздат, 1990 - 349 с.

18. Веников В.А., Глазунов A.A., Жуков Л.А. и др. Электрические сети. М: Высшая школа, 1971 440 с.

19. Веников В.А., Журавлев В.Г., Филиппова Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем М.: Энергоатомиздат, 1981. — 464 с.

20. Веников В.А., Идельчик В.И., Лисеев М.С. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1985.

21. Веников В.А., Строев В.А. Электрические системы. Электрические сети. М.: Высшая школа, 1998 511 с.

22. Вентцель Е.С. Исследование операций: задачи, принципы, методология М.: Наука, 1988. 2-е изд., 208 с.

23. Ветроэнергетика мира. Отчет за 2009. WWEA, 2010.

24. Ветроэнергетика мира. Отчет за 2010. WWEA, 2011.

25. Вишневский Л.В., Пасс А.Е. Системы управления асинхронными генераторными комплексами. К.: Лыбидь, 1990. - 168 с.

26. Войтов О. Н. Решение задач определения допустимых и оптимальных режимов ЭЭС Анализ и управление установившимися состояниями ЭЭС. Новосибирск: Наука, 1987.

27. Вольдек А.И. Электрические машины. 3-е изд. Л.: Энергия, 1978. -832 с.

28. Волкович В.Л., Волошин А.Ф., Ушаков И.А. Модели и методы оптимизации сложных систем. 1992. — 312с.

29. Воронов A.A. Введение в динамику сложных управляемых систем. — М.: Наука, 1985.-352 с.

30. Воронов A.A. Основы теории автоматического управления. Ч. III. Л.: Энергия, 1970. - 346 с.

31. Воронов A.A. Устойчивость, управляемость, наблюдаемость. М.: Наука, 1979.-336 с.

32. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. -М.: Наука, 1967. 575 с.

33. Герасименко А.А, Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии Ростов н/Д: Феникс, 2008 - 715 с.

34. Горнштейн В.М., Мирошниченко Б.П., Пономарев A.B. Методы оптимизации режимов энергосистем. — М.: Энергия, 1981 336 с.

35. Гусев Ю.М., Зайнашев Н.К., Игнатов А.И. и др. Проектирование систем автоматического управления газотурбинных двигателей. Под ред. В.Н.Петрова. М.: Машиностроение, 1981. - 400 с.

36. Де Рензо Д. Ветроэнергетика. Пер. с англ.; под ред. Я. И. Шефтера. — М.: Энергоатомиздат, 1982. —272 с

37. Дегтярёв Ю.И. Методы оптимизации (1980). Учебное пособие для вузов. М.: Сов. радио, 1980. - 272 с.

38. Джадж А. Газотурбинные двигатели малой мощности. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. - 422 с.

39. Евтушенко Ю.Г. Методы решения экстремальных задач и их применение в системах оптимизации. М.: Наука, 1982. - 432 с.

40. Елистратов В.В. Использование возобновляемой энергии Учеб. пособие. — СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2008. — 224 с.

41. Еникеев Т.У., Ефанов В.Н. Оптимизация режимов локальной энергетической сети на базе ветроэнергетических установок. // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. № 4. 2010. - С. 37-40.

42. Еникеев Т.У. Система оперативного управления локальной энергетической системой на базе ветроэнергетических установок. // Системы управления и информационные технологии. № 3 (41). 2010. - С. 22-27.

43. Еникеев Т.У. Многокритериальная оптимизация режимов работы ветроэнергетических установок в составе локальной энергетической системы. // Системы управления и информационные технологии. № 1.1 (43). 2011. - С. 134-139.

44. Еникеев Т.У., Ефанов В.Н. Управление взаимодействием ветроэнергетических установок в составе локальной энергетической системы. // Известия вузов. Приборостроение. № 12. 2011. - С. 59-62.

45. Еникеев Т.У., Ефанов В.Н. Свид. о гос. per. программы для ЭВМ № 2010615682. Модуль оптимизации локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок. М.: Роспатент. Зарег. 01.09.2010.

46. Еникеев Т.У. Синтез оптимального управления режимом работы локальной энергетической системы на базе ветроэнергетических установок // Информационные технологии моделировании я и управления. Воронеж: Научная книга. - № 4 (63). 2010. - С. 524-534.

47. Еникеев Т.У. Синтез оперативного управления режимом работы локальной энергетической системы с использованием ветроэнергетических установок // Информационные технологии моделирования и управления. Воронеж: Научная книга. - № 3 (62). 2010. - С. 334-341.

48. Еникеев Т.У. Система автоматического управления режимами работы локальной энергетической сети // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2010. - С. 169-174.

49. Еникеев Т.У. Оперативное управление режимами локальных энергетических систем на базе ветроэнергетических установок» // Электромеханика, электротехнические комплексы и системы: межвуз. науч. сб. Уфа: УГАТУ, 2008. - С. 89-94.

50. Жиглявский A.A. Методы поиска глобального экстремума. М.: Наука, 1991.-248 с.

51. Зубарев В.В., Минин В.А., Степанов И.Р. Использование энергии ветра в районах Севера: Состояние, условия эффективности, перспективы. Л.: Наука, Ленинградское отделение, 1989. - 208 с.

52. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины: Учебник для вузов. -М: Энергия, 1980. 927с.

53. Иванова И.Ю., Тугузова Т.Ф., Попов С.П., Петров H.A. Малая энергетика Севера: Проблемы и пути развития. — Новосибирск: Наука, 2002. — 188 с.

54. Иванова И.Ю., Тугузова Т.Ф., Симоненко А.Н. Эффективные направления развития малой энергетики на востоке России. Энергетическая политика 2009; выпуск 2. С.45-52.

55. Идельчик В. И. Электрические системы и сети. Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 592 с.

56. Ильясов Б.Г., Миронов В.В., Юсупова Н.И. Иерархические модели процессов управления: описание, интерпретация и лингвистическое обеспечение. Уфа: изд. УГАТУ. - 152 с.

57. Квейд Э. Анализ сложных систем, под ред. И. И. Андреева, И. М. Верещагина. М.: Советское радио, 1969. - 520 с.

58. Костевич Л.С. Математическое программирование. Информационные технологии оптимальных решений. Минск: Новое знание, 2003.- 424с.

59. Костин В.Н. Электропитающие системы и электрические сети: учебно-методический комплекс (учебное пособие). СПб.: Изд-во СЗТУ, 2007 -154 с.

60. Кривцов B.C., Олейников A.M., и др. Неисчерпаемая энергия. Кн. 1. Ветроэлектрогенераторы. Харьков. 2003. - 400 с.

61. Кротов В.Ф. и др. Основы теории оптимального управления. М.: Высшая школа, 1990. - 431 с.

62. Кузнецов И.В. Координация сложных процессов в системах управления и связи структурными и статистическими методами. Уфа.: 2007.

63. Манушин Э.А. Газовые турбины: Проблемы и перспективы. М.: Эн-регоатомиздат, 1986. - 168 с.

64. Мееров М.В. Системы многосвязного регулирования. — М.: Наука, 1965.-384 с.

65. Мееров М.В., Литвак Б.Л. Оптимизация систем многосвязного регулирования. М.: Наука, 1972. - 344 с.

66. Мирошник И.В. Согласованное управление многоканальными системами. -Л.: Энергоатомиздат, 1990. 160 с.

67. Мирошник И.В., Никифоров В.О., Фрадков И.Л. Нелинейное и адаптивное управление сложными динамическими объектами. — СПб.: Наука, 2000. 549 с.

68. Михалевич B.C., Волкович В.Л. Вычислительные методы исследования и проектирования сложных систем,- М.: Наука, 1982.-286 с.

69. Моисеев H.H., Иванилов Ю.П., Столярова Е.М. Методы оптимизации -М.: Наука, 1978.-352 с.

70. Морозовский В.Т. Многосвязные системы автоматического регулирования. -М.: Энергия, 1970.-288 с.

71. Новосельцев В.И. Теоретические основы системного анализа. М.: Майор, 2006. - 592 с.

72. Полак Е. Численные методы оптимизации. Единый подход. М.: Мир, 1974. - 376с.

73. Поляк Б.Т. Введение в оптимизацию. М.: Наука, 1983. - 384стр.

74. Прангишвили И. В., Амбарцумян А. А. Основы построения АСУ сложными технологическими процессами. М.: Энергоатомиздат, 1994.

75. Прангишвили И. В. Научные основы построения АСУ ТП сложных энергетических систем: монография / И.В.Прангишвили,А.А.Амбарцумян. -М.: Наука, 1992.

76. Рабии А., Шаянфар Х.А., Амажади Н. Цена реактивной мощности: проблемы и предложения в условиях конкурентного рынка. «Энергоэксперт», №2-2009, стр.80-87.

77. Радин В.И. и др. Электрические машины: асинхронные машины / Ра-дин В.И., Брускин Д.Э., Зорохович А.Е. М. Высшая школа, 1988. — 328 с.

78. Романов В.Н. Системный анализ для инженеров. СПб.: СЗГЗТУ. 2006. -186 с.

79. Рудаков В.В. и др. Асинхронные электроприводы с векторным управлением/ Рудаков В.В., Столяров И.М., Дартау В.А. Л. Энергоатомиздат, 1987. -136 с.

80. Соболев О.С. Однотипные связанные системы автоматического регулирования. -М.: Энергия, 1973. 135 с.

81. Тесленко O.A. Методы оптимизации Учебное пособие. Таганрог: Изд-во Технологического института ЮФУ, 2008. - 70с.

82. Трифонов А.Г. Постановка задачи оптимизации и численные методы ее решения. М.: Дело, 2002. www.matlab.ru/optomz/index.asp.

83. Хандожко Л.А. Оптимальные погодо-хозяйственные решения. — С-Пб.: Издательство РГГМУ, 1999. 162 с.

84. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические агрегаты М.: Всероссийский НИИ электрификации сельского хозяйства, 2006. - 280 с.

85. Хедли Дж. Нелинейное и динамическое программирование. М.: "Мир", 1967. - 508 с.

86. Хеллман О. Введение в теорию оптимального поиска Пер. с англ. / под ред. Н. Н. Моисеева. - М.: Наука Главная редакция физико-математической литературы, 1985. - 248 с.

87. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975. - 536 с.

88. Холмский В.Г. Расчет и оптимизация режимов электрических сетей/ В.Г.Холмский. -М.: Высшая школа, 1975. 280 с.

89. Шевяков А.А., Мартьянова Т.С., Ильясов Б.Г. и др. Оптимизация многомерных систем управления газотурбинных двигателей летательных аппаратов. / Под ред. А.А.Шевякова и Т.С.Мартьяновой. М.: Машиностроение, 1989.-256 с.

90. Шефтер Я. И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 200 с.

91. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты. М.: Колос, 1967. - 376 с.

92. Электротехнический справочник: В т. Т. 3. Производство, передача и распределение электрической энергии/ Под общ. ред. В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И. Попов). 9-е изд., стер. - М.: Издательство МЭИ, 2004.

93. Barnes F.S., Levine J.G. (Eds.) Large Energy Storage Systems Handbook. -CRC Press, 2011.-260 p.

94. Boyle G. (Ed.) Renewable Electricity and the Grid: The Challenge Of Variability. Earthscan Publications Ltd., London, 2007. 219 p.

95. Johnson Gary L. Wind Energy Systems, Electronic Edition, 2001

96. Kenisarin M.M., Karsli M.V. Wind power engineering in the world and perspectives of its development in Turkey. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Elsevier. 2006. V 10(4). - 341-369 pp.

97. Krause G. (Ed.) From Turbine to Wind Farms Technical Requirements and Spin-Off Products. InTech, 2011. 218 p.

98. Yousif El-Tous, Pitch Angle Control of Variable Speed Wind Turbine. American J. of Engineering and Applied Sciences 1 (2), 2008 p. 118-120.