Оптимізація розрахункової моделі для автоматизованих систем диспетчерського управління нормальними режимами електроенергетичних систем з урахуванням чутливості втрат потужності

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оптимізація розрахункової моделі для автоматизованих систем диспетчерського управління нормальними режимами електроенергетичних систем з урахуванням чутливості втрат потужності

Зелінський В.Ц., Остра Н.В.

Підвищення ефективності автоматизованих систем диспетчерського управління (АСДУ) електроенергетичних систем (ЕЕС) передбачає вдосконалення методів і засобів формування розрахункових моделей ЕЕС, синтезу на їх основі керуючих впливів та автоматизацію основних функцій процесу керування нормальними режимами. Це стосується збору та обробки оперативної телеметричної інформації про стан ЕЕС, синтез адаптивних розрахункових моделей та керуючих дій з урахуванням ієрархії ЕЕС та умов практичної реалізації законів керування в АСДУ.

Мета роботи. Традиційні математичні методи не в повній мірі задовольняють новим вимогам по реалізації принципів автоматичного керування режимами ЕЕС, тому виникає потреба у вдосконаленні математичних моделей процесу оперативно-диспет-черського управління нормальними режимами ЕЕС на основі сучасних методів моделювання з використанням методів теорії оптимального керування складними технологічними системами та теорії графів [1,2]. Основною метою проведених в роботі досліджень є формування адаптивної розрахункової моделі ЕЕС, яка була б адекватна реальним умовам експлуатації ЕЕС і враховувала чутливість критерію оптимальності до параметрів, що оптимізуються.

Матеріал та результати досліджень. Оптимальне керування параметрами режимів ЕЕС на сучасному етапі розвитку АСДУ досягається шляхом вибору оптимальної конфігурації схеми ЕЕС, складу працюючого обладнання, адекватним математичним забезпеченням задач керування та рядом інших факторів [1]. Оптимізація розрахункової моделі має на меті вибір оптимальних методів і засобів управління для цілеспрямованого коригування ходу процесів і характеристик об'єктів, якими здійснюється керування [2].

Задача оптимального керування нормальними режимами ЕЕС в загальному випадку формулюється як задача теорії оптимального керування [3]:

мінімізувати функцію

(1)

динамічної системи, яка описується рівняннями

, (2)

де: відповідно вектори стану, керування і спостереження; Q, R, А, B, C, D - матриці констант, які можуть залежати від часу t; фіксовані моменти часу.

При керуванні усталеним режимом ЕЕС критерієм оптимальності служить економічний критерій - мінімум технологічних витрат електричної енергії на її передачу по електричним мережам за умов дотримання обмежень по надійності електропостачання та якості електроенергії. Ще на стадії формування цільової функції ставиться мета отримати закони керування регулюючими пристроями у вигляді, зручному для їх автоматичної реалізації. Розв'язком задачі (1)-(2) є рівняння виду:

, (3)

де матриця зворотного зв'язку, яка відображає зв'язок топології мережі з її сталими параметрами.

Вираз (3) представляє собою закон оптимального керування параметрами регулюючих пристроїв ЕЕС, та за певних умов дозволяє досягнути мінімум цільової функції (1). Для реалізації законів автоматичного керування режимами існують певні умови, основними з яких є:

- виділення областей корекції та координація роботи регулюючих пристроїв з урахуванням ранжування їх за пріоритетом керування режимами;

- побудова розрахункової моделі ЕЕС, в першу чергу дерева графа, таким чином, щоб виділити в якості хорд трансформаторні вітки з найбільшим регулюючим ефектом, що по суті є адаптацією розрахункової моделі до реальних умов експлуатації цих пристроїв.

Об'єднання цих двох принципів при реалізації оптимальних режимів дозволяє наблизити струморозподіл в ЕЕС до економічного і знизити рівень втрат активної потужності в енергосистемі. Керувати потоками потужності в неоднорідних електричних мережах можливо шляхом зміни комплексних коефіцієнтів трансформації регулюючих трансформаторів. Цілеспрямоване формування розрахункової моделі ЕЕС дозволяє ідентифікувати параметри режиму, проаналізувати склад вхідної та вихідної інформації і врахувати фактори, які мають найбільший вплив на достовірність отриманих результатів. Призначення моделі визначається її принциповою можливістю синтезувати оптимальні рекомендації та закони керування для ведення оптимального технологічного режиму в енергосистемі.

Процес моделювання дерева графа ЕЕС з врахуванням ранжування трансформаторів, що регулюються, за пріоритетом керування режимами ЕЕС побудуємо таким чином, щоб трансформаторні вітки були хордами графа. Такий підхід дозволить отримати закони керування вигляду (3) і адаптувати модель ЕЕС до реальних умов експлуатації конкретних реґулювальних пристроїв.

Для побудови моделі та її оптимізації в АСДУ енергосистеми скористаємося певними припущеннями. Важливою топологічною властивістю електричних систем з точки зору розв'язування задач моделювання є те, що кожен вузол мережі зв'язано з відносно невеликою кількістю інших вузлів. Модель дерева графа електричної системи представимо як кореневе дерево, в якому в ролі кореня вибирається балансувальний вузол. Кількість різних дерев на множині вершин електричної системи визначається:

. (4)

Оскільки кількість можливих варіантів вибору балансувальних вузлів для реальних ЕЕС обмежена і при моделюванні вони вибираються за певною методикою, то загальна кількість різних варіантів дерев моделі зменшується.

Вибором системи незалежних контурів і хорд під час моделювання дерева графа та його оптимізації необхідно керувати. Метою цілеспрямованої побудови дерева графа є включення в хорди моделі елементів регулювання режимами (трансформаторів з РПН, автотрансформаторів тощо), що дозволить одержати закони їх функціонування у вигляді (3). Алгоритм побудови безпосередньо дерева графа та в цілому адаптивної моделі ЕЕС розроблений з врахуванням аналізу неоднорідності електричної мережі, виділення зон корекції та ранжування трансформаторів за пріоритетом керування [5]. електроенергетичний мережа диспетчерське управління

Проілюструємо процес побудови алгоритму та формування моделі на прикладі простої електричної мережі (рис.1,а), граф якої має вигляд, показаний на рис.1,б.

Віткам дерева графа надамо певну вагу , що відповідає величині неоднорідності кожної з них. Задача цілеспрямованої побудови орієнтованого графа мережі зводиться до знаходження найкоротшої відстані між вершинами віток графа, які на підставі ранжування трансформаторів за пріоритетом керування режимом вибрано в якості хорд. Хорди вибираються за результатами попереднього аналізу за методикою запропонованою в [4] і формується відповідна матриця хорд , де - кількість хорд в моделі системи.

Побудова моделі дерева графа розпочинається зі знаходження оптимальної відстані між двома фіксованими вершинами графа - хордою. Хорда вибирається з масиву за результатами ранжування трансформаторів за пріоритетом керування режимом та з урахуванням їх надійності та ресурсу.

Алгоритм побудови моделі опирається на дії, які в загальному вигляді сформулюємо наступним чином:

- по заданій матриці вагових коефіцієнтів віток графа обчислюємо деяке верхнє наближення на відстані одного кроку від фіксованої точки з масиву хорд до всіх вершин, які належать даному графу;

- кожного кроку обчислень, коли встановлюємо, що

; (5)

- оцінку обмеження поліпшуємо на величину нев'язок :

; (6)

- процес обчислення продовжується до тих пір, поки подальше покращання ні одного з обмежень не можливе.

а)

б)

Рисунок 1 Схема електричних з'єднань (а) та граф електричної мережі (б).

Тобто, таким чином знаходиться найкоротша відстань від початкової вершини хорди на наступної вершини дерева графа. Значення кожної із змінних матриці фактично дорівнює , тобто відстані від початкової вершини хорди до наступної вершини дерева графа.

Для того, щоб визначити відстань від початкової вершини хорди до її кінцевої вершини , тобто знайти оптимальний шлях для незалежного контуру поступово перебирається вся матриця вагових коефіцієнтів віток . При цьому перевіряється зв'язність мережі і кожна нова вибрана вершина виключається з масиву вершин дерева .

За неможливості реалізації повного списку запланованого масиву хорд, сформованого за результатами аналізу ранжування регулюючих пристроїв, пропонується побудова дерева графа мережі шляхом виключення з цього списку трансформаторних віток, чутливість до зниження втрат яких незначна і керування якими не дає суттєвого ефекту від оптимізації режимів. Це дозволяє визначити оптимальний склад керуючих пристроїв і по суті зводиться до “прив'язки” вибраних розрахунковим шляхом місць установки регулюючих пристроїв, які реалізують в мережі оптимальний струморозподіл, до реально існуючих трансформаторів. З врахуванням дискретності регулюючих пристроїв такий підхід дозволяє без реконструкції електричної мережі реалізувати в ній струморозподіл, близький до економічного.

Проілюструємо запропонований алгоритм на прикладі графа мережі, який представлено на рис.1,б. Попередньо за методикою, запропонованою в [4] визначимо матрицю хорд . Проранжуємо трансформатори за їх регулювальним ефектом, тобто за пріоритетом керування режимом. Результати такого ранжування представимо у вигляді залежності втрат активної потужності від коефіцієнтів трансформації (див. рис.2).

Рисунок 2 Визначення регулювального ефекту трансформаторів з РПН

Як видно з рис. 2, найбільш пріоритетною з точки зору регулюючого ефекту є трансформаторна вітка 4-7. Для побудови моделі дерева графа в якості початкової вершини(балансуючого вузла) вибирається вершина 4 та, враховуючи вагові коефіцієнти , обчислюється послідовність та напрямок обходу першого контуру (рис. 3).

Для наведеної схеми заміщення (рис.1,б) перший контур складається з послідовного з'єднання віток 4-1-3-6-7 та замикається хордою 4-7, в якій змодельована трансформаторна вітка. Аналогічним чином продовжується побудова моделі дерева графа для другого контура, в якому змодельована трансформаторна вітка 1-2 (рис. 4).

Рисунок 3 Перший крок побудови графа

При синтезі моделі графа для реальних ЕЕС великої розмірності реалізація сформованого при попередньому аналізі масиву хорд повним списком буває недоцільною як з технічної, так і з економічної точки зору. Це пов'язано з тим, що чутливість до зниження втрат активної потужності трансформаторів, які мають похилі характеристики (рис.2) незначна і керування ними не дає суттєвого впливу на параметри оптимального режиму. Визначальним може бути ресурс регулюючих пристроїв, що не дозволяє ефективно використовувати ці пристрої в циклах оперативно-диспетчерського керування режимами.

Рисунок 4 Другий крок побудови графа

ВИСНОВКИ

1. Моделі ЕЕС з врахуванням чутливості втрат потужності до коефіцієнтів трансформації дозволяють підвищити ефективність оперативно-диспетчерського керування режимами, а також завдяки впорядкуванню оптимізуючих впливів, які здійснюються регулюючими пристроями на режими ЕЕС, більш раціонально використовується ресурс трансформаторів. 2. Методика цілеспрямованого формування розрахункової моделі електричної мережі забезпечує їй значну гнучкість, високий ступінь адаптивності та керованості, що є одним з визначальних факторів при розвитку та модернізації систем управління в АСДУ.

Література

1. Руденко Ю.И. Вступление к циклу статей по совершенствованию АСДУ электроэнергетических систем // Изв. АН РФ. Энергетика. -1992. -№ 4. - С. 3-5.

2. Анализ неоднородностей электроэнергетических систем / Войтов О.Н., Воропай Н.И., Гамм А.З. и др. - Новосибирск: Наука, 1999. - 256 с.

3. Лежнюк П.Д., Лук'яненко Ю.В. Принципи формування умов оптимальності нормальних режимів електроенергетичних систем // Збірн. наук. праць Дон. держ. техн. ун-ту: Серія ”Електротехніка і енергетика”. Вип. 21. - 2000. - С. 73-76.

4. Лежнюк П.Д., Зелинский В.Ц. Серова И.А. Методика координации работы регулирующих устройств при оптимальном управлении режимами электрической системы // В кн. Устройство преобразования информации для контроля и управления в энергетике. - Харьков, 1992. - С. 108-112.

5. Лежнюк П.Д., Кулик В.В. Оптимальне керування потоками потужності і напругою в неоднорідних електричних мережах. - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця, 2004. - 188 с.

Размещено на Allbest.ru