Моделі та методи управління навантаженням систем електропостачання в умовах нечіткості вихідної інформації

Размещено на http://allbest.ru

ВІННИЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

АВТОРЕФЕРАТ

ДИСЕРТАЦІЇ НА ЗДОБУТТЯ НАУКОВОГО СТУПЕНЯ КАНДИДАТА ТЕХНІЧНИХ НАУК

05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи

МОДЕЛІ ТА МЕТОДИ УПРАВЛІННЯ НАВАНТАЖЕННЯМ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ В УМОВАХ НЕЧІТКОСТІ ВИХІДНОЇ ІНФОРМАЦІЇ

ВИКОНАВ КОМЕНДА ТАРАС ІВАНОВИЧ

Вінниця -2005

Анотація

Коменда Т.І. Моделі та методи управління навантаженням систем електропостачання в умовах нечіткості вихідної інформації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.02 - Електричні станції, мережі і системи, Вінницький національний технічний університет, 2005 р.

Детально розглянуті математичні методи моделювання добового графіка навантаження і охарактеризовані проблеми невизначеності вихідної інформації при моделюванні параметрів, що характеризують електричне навантаження. Здійснений аналіз ефективності навантаження СЕП і розглянуті методи покращення його параметрів. Здійснений аналіз показників графіка електричного навантаження підприємств.

Для покращення параметрів процесу запропонована реалізація багатокритерійної оптимізаційної моделі добового графіка навантаження. В якості технічного заходу реалізації вибрано використання споживачів-регуляторів. Здійснений детальний аналіз параметрів термічної установки в якості споживача-регулятора.

Побудована комплексна формалізація моделі графіка електричного навантаження промислового підприємства з врахуванням наявності термічних установок в якості споживачів-регуляторів. Здійснена побудова ієрархічної поліморфічної моделі енергосистеми.

електропостачання навантаження автоматизація

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дисертаційна робота присвячена дослідженню питань управління електричним навантаженням систем електропостачання (СЕП) як складової частини енергозбереження.

Аналіз факторів та межі зміни пропорцій між економічним зростанням та енергоспоживанням підтверджують, що рушійною силою енергозбереження в Україні стає перехід до ресурсо- та енергозберігаючого типу економічного зростання.

Особливої актуальності набуває задача покращення процесу споживання електричної енергії на всіх ієрархічних рівнях електроенергетичної системи, що полягає в одночасному поєднанні впровадження енергозберігаючих технологій та технологій вирівнювання графіка електричного навантаження (ГЕН) електроенергетичної системи на всіх ієрархічних рівнях.

Вирівнювання ГЕН дозволяє отримати значне покращення режиму роботи електроенергетичної системи за рахунок зменшення добової нерівномірності навантаження, що, в свою чергу, покращує параметри процесу генерації електроенергії (зменшення потужності маневрової генерації і як результат - значна економія паливо-енергетичних ресурсів) а також параметри передачі і розподілу електроенергії (зменшення втрат електроенергії в електричних мережах).

Виходячи з вищевказаного, актуальність дослідження визначається необхідністю вирівнювання графіка навантаження СЕП як складової частини енергозбереження на всіх етапах передачі, розподілу і споживання електричної енергії.

Мета роботи і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка методів покращення параметрів навантаження систем електропостачання.

Основними завданнями дисертації є:

1. Аналіз параметрів навантаження СЕП для виявлення пріоритетних ділянок застосування оптимізаційних впливів.

2. Побудова моделі, яка би дозволяла формалізувати параметри систем електропостачання і управляти навантаженням в умовах нечіткості вихідної інформації.

3. Виявлення засобів технічної реалізації моделі управління навантаженням і дослідження їх електроенергетичних характеристик.

4. Побудова моделі управління одиничним навантаженням найнижчого ієрархічного рівня як складової інтегрованої моделі графіка електричного навантаження.

5. Впровадження і практичне використання побудованих моделей прийняття рішень у виробництві.

Об'єкт дослідження - електричне навантаження систем електропостачання в умовах нечіткості вихідної інформації.

Предмет дослідження - параметри електричного навантаження СЕП.

Методи дослідження. Для розв'язання поставлених задач у дисертаційній роботі використовувались: математичний апарат математичної статистики, методи нечіткої логіки, логіко-лінгвістики і прикладні методи об'єктно-орієнтованого програмування. Розрахунки і дослідження проводилися з використанням ЕОМ.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Побудовано ієрархічну поліморфічну модель СЕП, яка дозволяє вирівнювати графік електричного навантаження на різних рівнях ієрархії та виявити шляхи покращення процесу споживання електроенергії, в якій на відміну від існуючих реалізовано новий підхід до управління навантаженням систем електропостачання, який оснований на комплексному підході під час формалізованого опису навантаження.

2. Вперше запропоновано метод управління навантаженням на основі побудованої багатокритерійної об'єктно-орієнтованої моделі, яка базується на ієрархічності, об'єктності і взаємозв'язках між ієрархічними рівнями СЕП, що дало змогу утворити універсальні моделі навантаження, які використовуються на різних ієрархічних рівнях.

3. Розроблено метод виявлення технічних засобів управління навантаженням, який спирається на багатокритерійний пошук на основі статистичної інформації про споживачів електричної енергії різних рівнів і дозволяє здійснювати автоматизовану ідентифікацію споживачів-регуляторів із врахуванням параметрів технологічного процесу.

4. Вперше запропоновано закон управління режимом роботи навантаження електричної мережі на прикладі термічної установки, який спирається на нечіткість вихідної інформації і забезпечує стійкий процес термостабілізації, що дає змогу зменшити витрати і втрати електричної енергії.

5. Здійснено об'єднання моделей навантаження різних рівнів ієрархії на основі врахування додаткових ієрархічних критеріїв, що дозволило створити інтегровану модель графіка навантаження промислового підприємства, яка включає в себе модель управління режимом роботи споживача-регулятора.

Практична значення отриманих результатів. Проведені дослідження стали основою для розробки ряду науково-прикладних рекомендацій, пакетів прикладних програм, підсистем управління для підприємств енергетичної та верстатобудівної галузі.

У вступі обґрунтовано актуальність теми, показана необхідність розробки математичних моделей, алгоритмів і програм для створення інформаційної технології підтримки прийняття рішень під час управління навантаженням СЕП. Сформульовані мета, задачі, визначені межі досліджень, показана наукова новизна і практична цінність роботи, відображені основні результати проведеного дисертаційного дослідження.

У першому розділі проаналізовані особливості використання комплексного підходу до оптимізації графіка електричного навантаження, який поєднує процес покращення споживання електроенергії та управління навантаженням. Здійснений вибір математичного апарату для моделювання параметрів навантаження та проаналізовані проблеми нечіткості інформації при моделюванні параметрів навантаження.

Вказано, що система електропостачання є динамічною ієрархічною структурою, в якій важливу роль відіграють питання управління графіком навантаження та покращення його параметрів. Відмічено, що управління може бути виконане найбільш ефективно за допомогою використання споживачів-регуляторів. При цьому істотний вплив чиниться і на підвищення надійності електропостачання, так як максимальне навантаження частково переноситься в години резерву потужності енергосистеми. Відмічено, що споживачі-регулятори можуть бути створені як на базі діючих, так і на базі тих підприємств, що проектуються.

Показано пряму залежність між вирівнюванням графіка електричного навантаження та технологічними втратами в СЕП на вищих рівнях. Наведені показники, що характеризують функціональну ефективність діючої системи електропостачання і проаналізовані тенденції їх динаміки в залежності від ефективності регулювання графіка електричного навантаження.

Проведений аналіз довів необхідність одночасного покращення процесу споживання електроенергії та реалізації процесу вирівнювання графіка навантаження по ієрархічних рівнях СЕП. Вказано, що реалізація даного підходу можлива лише за умови комплексного регулювання добових графіків електричного навантаження на всіх рівнях енергосистеми на основі використання багатокритерійних математичних моделей. Доведено, що для розв'язання даної задачі слід скористатись апаратом теорії нечітких множин.

У другому розділі здійснено аналіз показників, що характеризують навантаження СЕП і проаналізовані тенденції динаміки з точки зору їх покращення.

Будь-яка система енергетики, характеризується множиною певних особливостей і властивостей. Розкрити переваги врахування більшої кількості істотних властивостей системи енергетики можливо при використанні багатокритерійної (векторної) оптимізації. Це дозволяє в основу оптимізації, крім задачі вирівнювання графіка електричного навантаження, закласти також задачу зменшення витрат і втрат електричної енергії на підприємстві та багато інших критеріїв, що дозволить ліквідувати недоліки пов'язані зі скалярною оптимізацією процесів (екстремізація одного виявленого критерія, може призвести до погіршення стану системи вцілому).

Відмічено, що в якості критерію технічної оптимальності моделі графіка електричного навантаження доцільно вибрати мінімум дисперсії добового графіка навантаження

У відповідності з умовами оптимальності здійснено розрахунок та аналіз показників типових добових графіків навантаження за літній та зимовий період по галузях промисловості. На основі аналізу, для впровадження методів регулювання добового графіка навантаження вибрані підприємства верстатобудівної галузі промисловості.

Достатньо вагомим чинником, який змушує промислове підприємство покращувати свій графік навантаження є система тарифів, що використовується при розрахунку за спожиту електричну енергію і його вагомість значно зростає при використанні диференціації ставок тарифу. Тому, в якості критерію економічної оптимальності моделі графіка електричного навантаження доцільно вибрати мінімізацію оплати електроенергію за різних диференційованих тарифних систем.

В загальному випадку функцію економічної ефективності можна записати у вигляді з врахуванням наступного:

- якщо підприємство розраховується за двоставковим тарифом, диференційованим по зонах доби - функція лишається без змін;

- якщо підприємство розраховується за одноставковим тарифом, диференційованим по зонах доби, необхідно покласти;

- підприємство розраховується за двоставковим тарифом, необхідно покласти і прийняти - параметрами всього часу фіксації споживання;

- підприємство розраховується за одноставковим тарифом, необхідно покласти і прийняти - параметрами всього часу фіксації споживання.

Для забезпечення технічної реалізації регулювання добового графіка навантаження доцільно використовувати споживачів-регуляторів, але при цьому слід враховувати, що поняття споживача-регулятора є дуже нечітке і для кожного окремого підприємства воно набуває певних ознак. Зважаючи на це, виявлення споживачів-регуляторів слід здійснювати з використанням багатокритерійного підходу до пошуку споживачів-регуляторів.

Для остаточного прийняття рішення про належність споживача до множини споживачів-регуляторів необхідно проаналізувати динаміку функціоналів. Якщо на протязі часу дослідження не набували нульових значень і відповідні їх середні значення для споживача набувають екстремальних значень - споживача доцільно перевести в множину споживачів-регуляторів.

Робота споживача в режимі споживача-регулятора може призводити до певних збитків, тому необхідно ввести третій критерій оптимальності - мінімізація втрат споживача-регулятора.

Третій критерій оптимізації доцільно використати під час побудови моделі споживача-регулятора, оскільки він стосується лише його (він не є глобальним).

Для реалізації задачі оптимального регулювання добового графіка навантаження промислового підприємства побудована модель, яка є універсальною для будь-якого об'єкту дослідження - багатокритерійна оптимізаційна модель графіка електричного навантаження в умовах нечіткості вихідної інформації, яка базується на множині методів і властивостей моделі графіка електричного навантаження.

Для розв'язку задачі багатокритерійної оптимізації використано підхід Беллмана-Заде, за якого розв'язок вихідної багатокритерійної задачі зводиться до знаходження аргумента мінімаксної композиції відповідних функцій приналежності значень критеріїв моделі графіка навантаження до множини оптимальних розв'язків задачі - доцільного часу ввімкнення споживача-регулятора.

В об'єктно-орієнтованій формалізації добового графіка електричного навантаження з метою повного опису всіх параметрів і режимних показників графіка електричного навантаження та їх формалізації, виділено ряд властивостей і методів, які описують стан і параметри стаціонарного процесу.

Клас Graphic є базовим і на його основі внаслідок наслідування можна створити субкласи з базовими та розширеними методами й властивостями для моделювання графіків навантаження різних рівнів електроенергетичної системи, а також графіків навантаження окремих вузлів СЕП.

У третьому розділі здійснено аналіз параметрів технологічного циклу електротермічної установки з метою побудови оптимального режиму і зменшення витрат енергії в процесі її роботи. Вказано, що багато промислових печей за способом організації теплотехнічних процесів мають низький ККД. На ККД значний вплив чинить закон регулювання потужності установки та недосконалість її технічних параметрів.

Для покращення процесу управління установкою розроблено закон управління потужністю, що дозволяє в процесі реалізації значно зменшити перегрів і перевитрати електричної енергії в термічній установці.

На основі даного закону побудована математична модель управління режимом роботи термічної установки, яка лягла в основу побудови логіко-лінгвістичної моделі управління режимом роботи термічної установки, що дає змогу дослідити і описати поведінку системи, що досліджується, на природній (чи близькій до природної) мові в термінах лінгвістичних змінних.

На вході логіко-лінгвістичної моделі є два нечіткі параметри визначається параметрами технічної обробки матеріалу і температура навколишнього середовища - нечіткий метеорологічний фактор; а на виході - значення оптимальної потужності термічної установки. На основі засобів мікроелектроніки та моделі плавного регулювання запропоновано спосіб технічної реалізації моделі управління, що забезпечує швидкий вихід термічної установки на режим термостабілізації.

Для реалізації комплексного підходу необхідно об'єднати модель плавного регулювання роботи термічної установки та багатокритерійну модель добового графіка навантаження й утворити інтегровану модель оптимізації добового графіка електричного навантаження. Ієрархічний зв'язок між моделями графіка електричного навантаження підприємства та управління споживачем-регулятором полягає в створенні такого режиму роботи термічної установки в якості споживача-регулятора, який забезпечить вирівнювання графіка навантаження.

До критеріїв комплексної моделі слід перш за все, у відповідності з пріоритетністю параметрів оптимізації процесу споживання електричної енергії вцілому, віднесено отримані критерії моделі графіка електричного навантаження: економічний критерій оптимальності графіка електричного навантаження; технічний критерій оптимальності графіка електричного навантаження; додатковий критерій часової оптимальності.

Суть додаткового критерію часової оптимальності полягає в максимально можливому забезпеченні роботи споживача-регулятора не в години піку і по можливості напівпіку, визначені параметрами диференційованого тарифу.

Побудований додатковий критерій як система логічних компромісів і обмежень, функціональність яких визначається групою експертів чи експертом.

Основні завдання даного критерію полягають в наступному:

1. період нагріву термічної установки не повинен збігатись з часом пік диференційованого тарифу;

2. період витримки термічної установки може збігатись з часом пік диференційованого тарифу, але даний збіг є не бажаним.

Формалізований даний критерій у вигляді логіко-лінгвістичної моделі.

У четвертому розділі здійснений аналіз параметрів регіонального електроспоживання, розглянуто управління графіком електричного навантаження електропостачальної компанії. Зауважено, що регулювання графіка навантаження є одним з шляхів вивільнення коштів в об'єктах електроенергетики за рахунок зменшення піку потужності і відповідно не потрібності надлишкової генерації на їх покриття; зменшення втрат електричної енергії на її транспорт. Зауважено, що чим більша нерівномірність графіка навантаження (чи попиту), тим більші затрати на будівництво додаткових пікових генеруючих потужностей, надлишкових для рівномірного споживання потужностей мереж, підстанцій, додаткового обладнання як у енергетиків, так і в споживачів. Такі режими вкрай неекономічні як у енергетичному, так і у економічному відношенні, до того ж призводять до додаткових екологічно шкідливих викидів.

Для здійснення оптимального управління по всіх ієрархічних рівнях побудована ієрархічна поліморфічна модель, в якості субмоделей якої виділено наступний ієрархічний ланцюг: 0 рівень ієрархії - електроенергетична система; І рівень ієрархії - територіальна одиниця (електропостачальна компанія); ІІ рівень ієрархії - потужне промислове підприємство (споживач електропостачальної компанії); ІІІ рівень ієрархії - потужний технологічний агрегат (споживач промислового підприємства).

Оптимізація ІІ і ІІІ ієрархічного рівня здійснюється на основі впровадження інтегрованої багатокритерійної моделі графіка електричного навантаження.

Оптимізація І рівня ієрархічної поліморфічної моделі здійснюється на основі аналізу параметрів процесу електропередачі. На основі поліморфічності формалізації добового графіка навантаження утворена модель оптимізації, зокрема, вирівнювання добового графіка електропостачальної компанії за допомогою споживачів-регуляторів електропостачальної компанії (промислових підприємств). Для цього побудована загальна модель управління добовим графіком.

В даній моделі вибрано в якості основного критерій, що забезпечить максимальну рівність графіка електричного навантаження енергосистеми - мінімум дисперсії.

Цього можна досягнути на основі властивостей єдиного інформаційного простору (параметрів об'єктно-орієнтованої моделі регіонального електроспоживання) з використанням оптимізаційних і аналітичних методів єдиного інформаційного простору.

Крім основного критерію на основі об'єктно-орієнтованої формалізації втрат електричної енергії енергосистеми відокремлено ще ряд критеріїв, для задоволення часткових оптимізаційних процесів методів інформаційного простору.

Основні технічні втрати електроенергії мають місце в електропередавальному обладнанні (лініях електропередачі і силових трансформаторах).

Висновки

У роботі наведене вирішення актуальної проблеми створення методів і моделей управління навантаженням СЕП, що полягає у втіленні енергоощадних технологій та вирівнювання добового графіка навантаження з використанням моделей нечіткої логіки. Моделі дозволяють проводити ефективну оцінку параметрів процесу електропостачання на всіх ієрархічних рівнях СЕП та ініціалізацію оптимізаційного процесу, що вирішує актуальну науково-технічну проблему енергоощадності та вирівнювання добового графіка навантаження в електроенергетичних системах як на етапі проектування, так і в процесі їх експлуатації.

Виконані дослідження дозволили зробити такі висновки:

Проведений аналіз параметрів навантаження систем електропостачання дозволяє зробити висновок про необхідність комплексного підходу під час формалізованого опису навантаження, що дасть змогу змоделювати добовий графік навантаження і здійснити його вирівнювання на різних рівнях ієрархії в умовах нечіткості вихідної інформації.

До розв'язку задач оптимізації навантаження необхідно підходити з позицій багатокритерійної обчислювальної процедури, що забезпечить врахування множини критеріїв характерних для різних рівнів ієрархії, відносна важливість яких регулюється на основі деформації відповідних функцій приналежності, а результуючий оптимум системи слід знаходити на основі розв'язку задачі нечіткого математичного програмування.

Виконано системний аналіз типових добових графіків промисловості, що дало можливість зробити висновки про критерій технічної оптимальності навантаження - дисперсію добового графіка навантаження і пріоритетну галузь для втілення результатів досліджень - верстатобудівну. В якості економічного критерія оптимальності навантаження доцільно вибрати мінімум оплати за спожиту електроенергію у відповідності з тарифом, що використовується. В якості технічного заходу реалізації оптимізації навантаження доцільно вибирати споживачів-регуляторів, ідентифікацію яких слід здійснювати на основі багатокритерійного пошуку.

Для забезпечення утворення максимально можливо покращеного навантаження необхідно здійснити детальний розгляд споживача-регулятора і в якості об'єкта впровадження енергозберігаючих технологій, на основі використання оптимального закону управління його режимом роботи.

З метою спрощення процесу оптимізації графіка електричного навантаження на основі моделі споживача регулятора і моделі добового графіка навантаження слід сформувати інтегровану модель і виявляти зв'язки між її складовими.

Встановлено, що результатом управління навантаженням може бути зменшення технічних втрат електричної енергії в СЕП. Побудова ієрархічної поліморфічної моделі енергосистеми (ІПМЕ) підтвердила дієвість запропонованих методів на всіх ієрархічних рівнях систем електропостачання .

Доведено, що для оптимізації ІПМЕ необхідно використовувати модель управління добовим графіком, яка базується на створенні об'єктно-орієнтованого єдиного інформаційного простору.

Основні положення відбиті в наступних публікаціях автора

1. Коменда Т.І. Споживачі-регулятори, як основний технічний засіб оптимізації графіка електричного навантаження// Проблеми загальної енергетики. Науковий збірник № 8 (2003 р).

2. Давиденко Л.В., Коменда Т.І. Оптимізація параметрів моделі електроспоживання промпідприємства// 4^th INTERNATIONAL MODELLING SCHOOL of AMSE-UAPL Crimea 2000. - Wydrukowano w listopade 2000 r. Kserokopiowanie i oprawa w Zakladzie Energoelektroniki I Elektoenergetyki Politechniki Rzeszowskiej. - C.59-63

3. Давиденко Л., Коменда Т., Ткаченко І. Математичне моделювання управління енергоспоживанням промислових об'єктів// Вісник національного університету “Львівська політехніка”. Електроенергетичні та електромеханічні системи. - 2001 .- №421. - С. 50-56.

4. Давиденко Л.В. , Коменда Н.В., Коменда Т.І. Оптимізація режимних показників як засіб підвищення ефективності електропередачі та електроспоживання// Наукові нотатки. Луцьк: ЛДТУ 2001 - С. 101- 104.

5. Давиденко Л., Ткаченко І., Коменда Т. Моделювання оптимізаційних ієрархічних систем в умовах нечіткості вихідної інформації// Наукові нотатки. - Луцьк 2003: ЛДТУ. - С. 118- 122.

6. Давиденко Л.В., Коменда Т.І. Оптимізація роботи печі опору непрямого нагріву періодичної дії // Математичні проблеми механіки неоднорідних структур. - в 2-х т., - Львів 2000 - т.2 - 372 с.

7. Аналіз параметрів електроспоживання Волинського регіону/, Коменда Т.І.; Луцьк. держ. техн. ун-т. - Луцьк, 2003. - 13с. - Бібліограф.: 8 назв. - Укр.. - Деп.. в ДНТБ України 3.02.03, №28 - Ук2003.

8. Формалізація моделі управління добовим графіком електроспоживання регіону/, Коменда Т.І.; Луцьк.держ.техн.ун-т. - Луцьк, 2003. - 13с.- Бібліограф.: 8 назв. - Укр. - Деп. В ДНТБ України 3.02.03, №29 - Ук2003.

Размещено на Allbest.ru