Совершенствование средств управления эксплуатацией систем электроснабжения на основе имитационного моделирования

Вид материала

Автореферат

Содержание Гольдштейн Валерий Геннадьевич Таджибаев Алексей Ибрагимович Сенько Владислав Владимирович Общая характеристика диссертационной работы Научные задачи. Основные методы научных исследований. Основные положения, выносимые на защиту. Научная новизна Практическая ценность работы Реализация в промышленности, проектной практике, учебном процессе и внедрение результатов. Обоснованность и достоверность Апробация работы. Структура и объем диссертации. Краткое содержание работы В первой главе Во второй главе Рис.1 Зависимости отношения числа итераций к числу узлов для схем сетей количеством узлов у В третьей главе В четвертой главе В изданиях по списку ВАК ... Полное содержание

Подобный материал:

• Программа дисциплины Имитационное моделирование экономических процессов Семестры, 11.15kb.
• Алгоритмы и программные средства имитационного моделирования для управления эколого-экономическими, 352.92kb.
• Становление и развитие имитационного моделирования в украине, 227.76kb.
• Коллегия Управления Федерального казначейства по Самарской области (далее Управление), 11.83kb.
• Сравнение качества генерирования случайных чисел в системах имитационного моделирования, 22.53kb.
• Ачи оптимального управления, задачи оптимизации на основе имитационного моделирования, 119.11kb.
• Удк 004. 94 Взаимодействие агентов в распределенной дискретно-событийной системе имитационного, 84.04kb.
• Программно-аппаратные средства функциональной эмуляции микропроцессорных систем управления, 28.14kb.
• Исследования, научную и практическую значимость проводимых исследований; выбирать оптимальные, 147.35kb.
• Задачами дисциплины являются, 22.42kb.

На правах рукописи


ДУДИКОВ Юрий Сергеевич


СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СРЕДСТВ УПРАВЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ


Специальность 05.09.03 – «Электротехнические комплексы и системы»


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Самара – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском государственном техническом университете на кафедре «Автоматизированные электроэнергетические системы».

Научный руководитель:	–	доктор технических наук, профессор Гольдштейн Валерий Геннадьевич, Самарский государственный технический университет
Официальные оппоненты:	–	доктор технических наук, профессор Таджибаев Алексей Ибрагимович, Петербургский энергетический институт повышения квалификации, г. Санкт-Петербург
	–	кандидат технических наук, доцент Сенько Владислав Владимирович, Тольяттинский государственный университет, г. Тольятти
Ведущее предприятие:	–	Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Защита состоится «17» февраля 2009 г. в 13 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 ГОУВПО Самарский государственный технический университет (СамГТУ) по адресу: г. Самара, Первомайская ул., д. 18, 1-й корпус, ауд. 4.


Отзывы по данной работе в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: Россия, 443100, г. Самара, Молодогвардейская ул. 244, Главный корпус, ГОУВПО Самарский государственный технический университет, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04,

тел.: (846) 278-44-96, факс (846) 278-44-00, e-mail: aees@samgtu.ru.


С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СамГТУ.


Автореферат разослан «15» января 2009 г.


Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.04, кандидат

технических наук, доцент Е.А. Кротков




ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность темы. В процессе современного развития систем электроснабжения (СЭС) возникает необходимость в пересмотре традиционных подходов к решению ряда задач таких, как проектирование электрических схем энергообъектов, анализ их надежности, организация диспетчерского управления (отслеживание текущего состояния схемы) и эксплуатации, получение объективной информации об измеренных (ИП) и расчетных параметрах (РП) режимов, расчет и анализ топологически близких режимов, подготовка персонала и проведение тренировок посредством тренажеров и аниматоров, диагностика оборудования. Для эффективного решения этих задач необходима гибкая схемная графика, при применении которой возникает специфичная ситуация, когда диспетчерские (ДС) и коммутационные (КС) схемы содержат до нескольких тысяч элементов, что значительно превышает топологические размеры традиционных расчетных схем.

Даже для современных вычислительных устройств решение режимных задач при этом усложняется. Хотя эти схемы содержат наиболее полную информацию, для анализа режимов все-таки необходимы расчетные схемы замещения, а его результаты должны возвращаться на ДС (КС). Кроме этого текущие изменения в реальной сети на расчетной схеме своевременно не отражаются.

Можно констатировать актуальность возникающих при этом проблем:

- создание модели, которая наиболее полно отражает реальное состояние сети,

- гибкий учет всех происходящих в ней изменений,

- реализация ее преобразования в расчетную схему замещения и выполнение на ней расчета режима,

- переход и отражение результатов анализа режима на исходную схему для их оперативного использования в процессах управления, в тренажерах и др.

Проведенный анализ показал возможность коррекции традиционных подходов к проблемам анализа, оценки и контроля состояния СЭС на основе совместного применения положений теории «распознавания образов» (ТРО) и виртуальной имитационной модели (ВИМ) на основе табличных операторов, которые являются в этом направлении одними из наиболее эффективных методологических инструментов.

Важность решения задач совершенствования методов и средств управления состоянием СЭС неоднократно отмечалась на международных и отечественных семинарах, конференциях, форумах, посвященных проблемам их эксплуатации, а также в правительственных и отраслевых решениях. Сказанное выше подтверждает актуальность проблемы и темы диссертации.

Представленная диссертационная работа поддерживается грантом Ученого Совета СамГТУ № 5 от 2008 г.

Цель работы заключается в повышении эффективности и оперативности решения эксплуатационных задач управления СЭС в части анализа режимов, оценки, контроля состояния и реализации процессов тренажирования на основе совершенствования табличных методов.

Для реализации этой цели в настоящей работе решаются следующие задачи.

Научные задачи.

1. Научное обоснование развития возможностей тренажеров и имитаторов для СЭС на основе табличных методов (ТМ).
   
2. Разработка методов моделирования режимов и подрежимов СЭС большого топологического объема на основе применения табличных операторов, адекватных системам уравнений режимов СЭС.
   
3. Оценка состояния СЭС по данным телеизмерений (ТИ) и систем учета электроэнергии с учетом различий и наличия дефектов в составе ТИ с помощью ТМ.
   

Практические задачи.

1. Практическая реализация методов анализа установившихся (УР), аварийных режимов и подрежимов КЗ в тренажерах и имитаторах СЭС.
   
2. Создание программного модуля для выполнения многовариантных расчетов режимов в тренажерах и оценки состояния СЭС.
   
3. Построение алгоритма и разработка программного модуля для определения параметров состояния СЭС по данным ТИ и систем учета электроэнергии с различной полнотой и достоверностью информации с помощью таблично топологических методов.
   

Основные методы научных исследований. Научные исследования в диссертационной работе основаны на ТРО, топологического анализа, множеств, многомерных пространств и направленных графов, теории ИМ и графоаналитического моделирования режимов для изменяющихся квазистационарных состояний СЭС и др. Оценка корректности моделирования проведена путем сравнения с результатами, полученными по данным эксплуатации СЭС, с помощью измерений, экспериментов и комплексных тестов работы моделей.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Научное обоснование и реализация взаимных переходов от реальной схемы к виртуальным имитационным моделям, построенным на основе их графических представлений.
   
2. Совершенствование систем управления и тренажирования режимами и подрежимами с помощью табличных модификаций методов анализа УР и аварийных режимов СЭС на базе метода наложения.
   
3. Инвариантная оценка состояния СЭС с поиском и устранением дефектов телеинформации.
   

Научная новизна работы определяется следующими результатами выполненных исследований.

1. Развитие систем тренажирования по технологическим режимам СЭС с помощью виртуальных имитационных моделей и теории распознавания образов в рамках единого информационно-топологического пространства.
   
2. Совершенствование методов моделирования режимов и подрежимов для оперативного управления эксплуатацией СЭС непосредственно по табличным структурам, являющимися их виртуальными отображениями.
   
3. Методика оперативного восстановления параметров режимов СЭС при наличии полной, избыточной и недостаточной информации по данным ТИ с достоверизацией «портрета» этих режимов на основе отбраковки ошибочных данных в исходной и расчетной информации.
   

Практическая ценность работы определяется результатами следующих разработок.

1. Практическая реализация в режимных и коммутационных тренажерах и проверка работоспособности методов анализа УР, аварийных режимов и подрежимов КЗ СЭС различного объема.
   
2. Реализация программного комплекса для оценки параметров режимов СЭС по данным ТИ и систем учета электроэнергии с различной степенью полноты исходной информации.
   
3. Применение предложенных методов и программных средств в производственных, учебных и научно-исследовательских организациях.
   

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

Результаты представленной диссертационной работы реализованы в ряде проектов для предприятий СЭС. В частности, за 2006-2008 г.г. они внедрены в ПО филиала ОАО «МРСК Волги», Новокуйбышевском нефтеперерабатывающем заводе и др.

Материалы, изложенные в диссертационной работе и публикациях [1-12], выполненных автором лично и в соавторстве, используются в учебном процессе Петербургского энергетического института повышения квалификации, Самарского, Ульяновского, и государственных технических университетов Тольяттинского государственного университета, Самарского университета путей сообщения и др.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, а также практических выводов и программных продуктов базируется на корректном применении математических методов топологии, теории графов и подтверждается адекватным поведением моделей по сравнению с процессами на реальных энергообъектах, а также результатами измерений и внедрения в составе ИАК "ПЕГАС" и программном комплексе «МОДУС».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 5 международных и 5 всероссийских научно-технических конференциях, а также научно-технических семинарах кафедры «АЭЭС» СамГТУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ (2 работы в журнале по списку ВАК).

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 144 страницы. Библиография включает 105 наименований.


КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается научная и практическая актуальность, формулируются идея, цель, научные и практические задачи диссертационной работы. Показана научная новизна и практическая значимость работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, сведения об апробации и внедрении результатов работы.

В первой главе освещено современное состояние вопросов имитационного графоаналитического динамического представления топологических структур СЭС на основе табличного моделирования. Приведен подробный анализ современного состояния теории и методов анализа режимов СЭС. Выработан единый подход к задачам оценивания параметров режимов СЭС на основе ИМ и ТРО. Дана также оценка основных результатов, которые изложены в работах отечественных и зарубежных авторов, применяются в практических приложениях и предлагаются к практическому применению по актуальным направлениям математического моделирования схем СЭС и их электрических режимов.

Большой вклад в решение вопросов построения ВИМ, построения эффективных алгоритмов формирования перехода от графических изображений схем СЭС к виртуальным моделям в виде матриц и таблиц внесли такие известные ученые и исследователи, как: Бартоломей П.И., Браун Дж., Гамм А.З., Гераскин О.Т., Голуб И.И., Гольдштейн В.Г., Демстер А., Егоров А.О., Жуков С.А., Жуков Л.А., Идельчик В.И., Качанова Н.А., Кохлас Дж., Крылов В.А., Крумм Л.А., Мельников Н.А., Паздерин А.В., Стратан И.А., Строев В.А., Счастливый Г.Г., Цукерник Л.В., Уоссермен Ф., Ушаков И.А., и др.

Основным в работе современного диспетчера СЭС и функциями тренажера является: наблюдение за состоянием объекта; диагностика и анализ различных ситуаций; планирование и выполнение действий по нормализации ситуации и принятие решений. Причем вся информация об операциях накапливается в соответствующих журналах и базах данных.

Выполнение всех этих функций, равно как и анализ режимов опирается на создание ВИМ. В работе выработан общий подход к решаемым задачам на основе ТМ и ИМ. ВИМ режимов и топологии СЭС использует концепцию единого информационно-топологического пространства (ЕИТП), которая реализуется с помощью ТМ и широко распространенных в настоящее время в эксплуатации СЭС графических редакторов. Эта концепция включает в себя методологию, информационное и алгоритмическое обеспечение решения широкого круга технологических задач качественного и количественного анализа режимов и оценки состояния СЭС, которые выполняются с помощью информационно – аналитических и графических программных комплексов.

Здесь для схем, моделирующих СЭС, основным инструментом служат графические представления, построенные с помощью стандартных графических отображений элементов СЭС. В процессе их задания непосредственным образом строится ВИМ СЭС в виде таблицы, содержащей диспетчерские и цифровые обозначения (топологию), формальные данные (марки оборудования, длины ЛЭП и др.) элементов и расчетные параметры их схем замещения. Эти параметры автоматически формируются на основе сведений из базы данных по оборудованию.

На основе проведенного анализа известных работ и задач, возникающих при управлении СЭС, сформулированы основные положения виртуального ИМ СЭС и их режимов с помощью теоретико-множественного подхода, являющегося теоретической основой построения ЕИТП.

В качестве математического описания ЕИТП, не претендуя на исчерпывающую полноту, можно предложить имитационную модель СЭС в виде глобального информационно-топологического множества

М →{М_г, М_ту, М_тк, П_д, Х_о, П_с, П_р, П_и,…}, (1)

представленного здесь следующими подмножествами:

М_г – виртуальная графическая схема замещения, состоящая из множества графических изображений элементов СЭС, соединенных между собой в соответствие с реальным состоянием СЭС;

М_ту, М_тк – табличные структуры в виде топологических списков, построенные, соответственно, по узловому и контурному принципам;

П_д, Х_о – паспортные данные и характеристики оборудования;

П_с – параметры схем замещения элементов СЭС, определенные в соответствие с П_д и Х_о;

П_р – параметры режимов СЭС, найденные с помощью расчетных процедур;

П_и, П_у – ИП режимов СЭС, переданные в информационную модель, соответственно, с помощью средств ТИ, телесигнализации, а также средств учета электроэнергии, в частности, АСКУЭ.

Основным назначением множественного описания (1) является реализация ряда основных информационных и расчетных процессов ИМ, в полном объеме, которые представлены в диссертации.

ТМ описания электрической схемы заключается в представлении информации о схеме сети в виде списковых табличных операторов. Основными из них являются таблицы: узловых соединений (Т_у); узловых характеристик (Т_ух); контурных характеристик I и II рода (Т_кх1, Т_кх2) и др. Эти таблицы строятся автоматически редактором «МОДУС”» при формировании графического изображения схемы, являясь составной частью ИМ, они дают возможность получить решений уравнений состояния СЭС без их составления и подготовки.

Во второй главе реализуются табличные модификации основных методов анализа и расчета УР и токов КЗ и, в частности, с помощью метода сопряженных градиентов (МСГ). При использовании тренажеров в промышленных масштабах объем данных, которые необходимо моделировать и анализировать, очень большой. Так, например, при моделировании городской сети в КС число ТП и РП вместе с коммутационными аппаратами составляет несколько тысяч.

Управление нормальными и аварийными режимами в этом случае ограничивается тем, оперативно-диспетчерский персонал (ОДП) не сможет использовать большинство собираемой информации из-за ее разнообразия, огромного количества и отсутствия ЕИТП, что делает бессмысленным само внедрение АСУ-систем. Фактически они выполняют только функции измерения и хранения данных. В работе показано, что результаты расчета УР для СЭС, имеющих несколько ступеней номинальных напряжений, могут быть получены с использованием итерационных процедур метода Гаусса-Зейделя, Ньютона-Рафсона и градиентного метода с помощью ТМ без формирования соответствующих уравнений.

Уравнения режимов в таких сетях составлены с учетом того, что: задано положительное направление от узла начала ветви (УНВ) p к узлу конца ветви (УКВ) q; продольное сопротивление ветви Z вычислено для ступени номинального напряжения сети, где находится УНВ p; идеальный трансформатор принимается без потерь и находится всегда в УКВ; известен коэффициент трансформации .

Сущность табличной модификации расчета УР по методу Гаусса-Зейделя состоит в использовании узловых уравнений, которые для произвольного узла р могут быть реализованы с помощью табличного оператора Т_ух:

, (2)

В выражении (2) в числителе и знаменателе присутствуют по две суммы. В каждой паре сумм первая составляется по всем ветвям, для которых узел р является УНВ; вторая – по всем ветвям, для которых узел р является УКВ. Самым целесообразным способом построения вычислительного процесса в этом случае представляется способ суммирования, при последовательном просмотре всех строк Т_ух. При этом для каждого пакета узловых характеристик p производится набор сумм, участвующих в выражении (2) и вычисляется новое значение напряжения узла p. По окончании просмотра Т_ух оказываются определены напряжения во всех узлах схемы.

При построении итерационного процесса решения УР по методу Ньютона-Рафсона система нелинейных уравнений W (X) = 0, где переменными являются модули U и фазы δ напряжений узлов, а функция W соответствует узловым небалансам активной ∆P и реактивной ∆Q мощности на каждой i-ой итерации последовательно заменяется линейной системой, реализуемой с помощью табличного оператора Т_у

Т_у, где , (3)

Ее решения дают значения неизвестных X_i, более близкие к решению названной нелинейной системы, чем предыдущие приближения X_i-1.

Элементы матрицы Якоби – это частные производные небалансов активной и реактивной мощности по модулям и фазам напряжений узлов, , которые в расчетной процедуре по методу Ньютона-Рафсона реализуются в табличной форме с помощью оператора Т_у:

Т_у, где H =, N =, L =, K =.

При построении итерационного процесса по градиентному методу в системе нелинейных УУР, W (X) = 0, где вектор Х и W и составлены из вещественных U1, I1 и мнимых U2, I2 значений узловых напряжений и токов, а функция W соответствует вещественным и мнимым значениям узловых небалансов по току. Вводится неотрицательный функционал =(WW_Т), равный квадрату эвклидовой длины вектора W. Здесь обозначены символами «