Виртуальное моделирование электрических сетей на основе табличных методов

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО "Самарский государственный технический университет"

Виртуальное моделирование электрических сетей на основе табличных методов

Д.А. Гнетова,

В.Г. Гольдштейн,

В.Д. Можаев

Аннотация -- Анализ надежности, построение схем электрических сетей (ЭС), а также организация их эксплуатации и диспетчерского управления требуют значительного пересмотра, в связи со стремительным развитием электроэнергетики. Кроме того в условиях развития интеллектуального подхода к ЭС меняется специфика определения и использования расчетных параметров режимов, а также решения задач экологии и электромагнитной совместимости, подготовки оперативного и ремонтного персонала посредствам интерактивных информационных средств и т.д. Поскольку современные диспетчерские и коммутационные схемы ЭС состоят из большого количества элементов, следовательно, для решения вышеперечисленных задач необходима гибкая управляемая схемная графика, взаимодействующая с их виртуальными информационными представлениями. Основа виртуального моделирования ЭС - табличные методы анализа топологических структур и их графических моделей, положения теории «распознавания образов» и виртуальных имитационных моделей на базе табличного представления, а также соответствующие информационные банки данных с гибкой диалоговой системой управления. Представлены основные положения табличных методов к решению задач виртуального моделирования электрических сетей для решения задач проектирования, эксплуатации, диагностики состояния и управления современных ЭС.

Ключевые слова - виртуальное моделирование, теория распознавания образов, виртуальная имитационная модель, электрические сети, диспетчерские и коммутационные схемы.

Abstract --The security analysis, electric power system creation and their operation organization and dispatching management demand considerable revision, in connection with rapid development of power industry. Besides in the conditions of development of intellectual approach to electric power system specifics of definition changes, and calculated parameters of the modes using and also ecology problems solutions and electromagnetic compatibility, training of operation and repair personnel by means of interactive information means, etc. As modern dispatching offices and circuit diagrams electric power system consist of the large elements number, therefore the flexible operated circuit graphics interacting with their virtual information representations is necessary for the solution of above-mentioned tasks. Basis of virtual modeling of electric power system is the tabular methods of the topological structures analysis and their graphic models, the provision of the theory of "pattern-classification" and virtual imitating models on the basis of tabular representation and also the corresponding information databanks with a flexible dialogue control system. The modified methods and algorithms realizing solutions of classical nodal and planimetric equations of electric power system state for the analysis of their set standard and emergency modes in case of topology change of electric power system diagrams. Basic provisions of tabular methods to the virtual modeling problems solution of electric networks for the solution of design, operation, diagnostics problems of a state and management of modern electric power system are presented.

Keywords -- virtual modeling, image discrimination theory, virtual imitating model, electric networks, dispatching offices and circuit diagrams.

В процессе современного развития систем электроснабжения (СЭС) возникает необходимость в пересмотре традиционных подходов к решению ряда задач таких, как проектирование электрических схем энергообъектов и анализ их надежности, организация диспетчерского управления и эксплуатации, получение объективной информации об измеренных и расчетных параметрах 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. 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. (Не перечисляю)

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 табличного представления, которые являются в этом направлении одними из наиболее эффективных методологических инструментов. Системы электроснабжения (СЭС) являются сложными многокомпонентными технологическими комплексами, ориентированными на транспорт, распределение и потребление электрической энергии. Реализация этих основных функциональных назначений производится при проектировании и эксплуатации на основе упорядоченного и целенаправленного взаимодействия отдельных элементов и частей СЭС в рамках решения разнообразных производственных задач. Их основными направлениями:

1. Паспортизация оборудования - сбор, обработка и накопление разнообразных паспортных данных, характеристик и других сведений об элементах, комплексах и других составляющих СЭС.

2. Составление строительных, рабочих, диспетчерских и других схем СЭС - топологических представлений об объединениях технологических элементов СЭС в комплексы, реализующие основные функциональные направления, названные выше.

3. Получение информации о технологических параметрах СЭС, учет и контроль электроэнергии с помощью измерений и различных видов расчетов и моделирования.

4. Оценка параметров режима на основе таблично-топологических методов и реализация мероприятий, позволяющих повысить достоверность и оперативность получения информации от системы учета электроэнергии, в частности, АСКУЭ, и каналов телемеханики для обеспечения надежной работы диспетчерского управления СЭС.

5. Своевременное и качественное отслеживание и устранение сбоев ошибок в измеряемой и анализируемой информации о режимах СЭС.

6. Подготовка, повышение квалификации, тестирование персонала и другие способы подъема технического уровня, эффективности принимаемых текущих и перспективных технологических решений в условиях оперативного управления СЭС - на базе совершенствования и использования разнообразных тренажеров [6].

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.

Суть ИМ заключается в создании объектов, физических, информационных процессов, документов, аудио и видеоизображений и др., которые, отражая реальные объекты, приводят в соответствие им конкретное отображение или имитацию. Условиями обеспечения необходимой эффективности новых разработок в этой области является реализация основополагающего принципа ИМ - построения ЕИТП. Идея ЕИТП в сочетании с применением широко распространенных в настоящее время в эксплуатации СЭС графических редакторов основана на концепции табличных методов ИМ.

На данном слайде отмечены положительные свойства табличных списочных структур.

* Исчерпывающее математическое описание стандартизованного представления графических схем соединений СЭС, с необходимой полнотой описывающее топологию схем замещения.

* Однозначный переход от графического представления схемы к ее математическому списочному описанию.

* Связь табличных списков с базами данных и паспортами оборудования, обеспечивающая, соответственно, каждый элемент топологического описания значениями необходимых параметров.

* Отображение в неявном виде основных законов электротехники, используемых в качестве математической основы для расчетов режимов. Иначе говоря, таблицы соединений дают возможность получения решений уравнений состояния СЭС без их составления и подготовки.

В качестве математического описания ЕИТП, 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 - параметры режимов СЭС, измеренные и переданные в информационную модель с помощью средств телеизмерений (ТИ) и телесигнализации (ТС).

Основным назначением множественного описания (1) является реализация следующих основных информационных и расчетных процессов ИМ.

1. Решение, связанное с определением топологических подмножеств, обладающих заданными свойствами:

- ветвей (В_эр) и узлов (У_эр), находящихся в едином электрическом режиме и (В_нэр) и (У_нэр), не участвующих в нем;

- ветвей (В_п) и узлов (У_п), образующих некоторый заданный разомкнутый или замкнутый путь (контур) в схеме;

- ветвей дерева (В_д) и замыкающих ветвей (В_з); ветвей (В_снк), образующих некоторую систему независимых контуров, отвечающих данному составу В_д, В_з;

- независимых узлов (У_снк);

- контролируемых узлов (У_ку), то есть узлов, в которых установлены устройства ТИ и ТС, обеспечивающие измерения активной (Р) и реактивной (Q) мощности по присоединениям и модуля напряжения (U) в узле.

Решение выше перечисленных задач производится с помощью метода условных потенциалов (МУП).

2. Решение задач по определению параметров режимов СЭС с помощью табличных методов (табличных подмножеств):

- вспомогательная задача умножения матриц узловых проводимостей и контурных сопротивлений по соответствующим таблицам;

- разработка приемов учета и использование только ненулевых элементов матриц для получения решения систем уравнений установившихся режимов (УР) с учетом комплексных коэффициентов трансформации на основе табличного представления информации о СЭС;

- расчет всевозможных подрежимов КЗ без изменения матриц контурных сопротивлений (Z) и узловых проводимостей (Y) основного режима с помощью метода наложения;

- решение задач анализа режимов для СЭС большого объема на базе метода сопряженных градиентов (МСГ);

- выполнение адекватных расчетов по оцениванию состояния режимов СЭС, позволяющих получить искомые параметры режима в комплексной форме по напряжениям и по составляющим Р и Q на основе таблично-топологического узлового метода.

Названные информационные и расчетные процессы ИМ определяют множество П физических, технологических, экономических и других процессов и явлений в СЭС. Множество П в некотором приближении можно представить как объединение подмножеств их режимов (Р), состояний (С) и информационных наборов данных (И) [1-5]

(2)

Имитационный подход предполагает установление по возможности пунктуального количественного соответствия процессов, явлений документов и др. между моделью и натурой. При этом сохраняется общепринятое разнообразие моделей для одной и той же натуры, и действуют общие положения теории моделирования. Они предполагают, что модель является некоторым отражением натуры, и их сходство обеспечивается теми или иными критериями подобия.

Наиболее распространенной реализацией концепции ИМ является виртуальный подход. В этом случае каждому (или некоторой выделенной части) объектов, процессов, явлений и документов приводится в соответствие его аналог, функционирующий в процессоре, памяти и устройствах отображения ПЭВМ. Эти аналоги могут взаимодействовать между собой и с натурой или существовать независимо друг от друга, динамически изменяя свое состояние под управлением оператора и без него, создавая при этом новые информационные продукты и корректируя старые.

Анализируя теоретико-множественное описание СЭС в виде выражения (2), можно разделить его на следующие имитационные модели, адекватные составляющим множества П:

1. Виртуальные отображения комплекса объектов и электроустановок СЭС.

2. Математические модели режимов Р и состояний С СЭС.

3. Виртуальные отображения документов, данных и результатов моделирования.

Использование расчётных методов и алгоритмов, реализуемых по ВИМ, построенным на основе хорошо известных схем замещения СЭС, действительно позволяет отказаться от составления уравнений режимов. При этом сами схемы замещения строятся автоматически на основе виртуальной графической реализации реальных технологических схем и паспортных данных оборудования, сконцентрированных в исчерпывающих базах данных (централизованно подготовленных справочниках) по электрооборудованию или на основе индивидуальных сведений, полученных в результате испытаний и измерений.

Общий подход к созданию имитационных моделей, адекватных составляющим множества П, реализован, в частности, для СЭС в информационно-аналитическом комплексе ”ПЕГАС”, построенном на основе графического редактора “МОДУС”.

В настоящее время единственным средством для эффективного использования концепции ИМ, предложенной выше и реализованной для СЭС являются высокопроизводительные вычислительные системы, программные комплексы для решения технологических и экономических задач, системы машинной графики и управления базами данных. Развитием общего концептуального подхода является положение о представлении СЭС в виде полного множества М, записанного выше. В частности, подмножества П_д, Х_о и П_и можно описать следующим объединением множеств:

(3)

на котором производится комплексное рассмотрение множества П в СЭС.

В выражении (3) представлены множества:

ОБ - элементов электрооборудования (линии электропередачи, силовые трансформаторы и автотрансформаторы, компенсирующие устройства и др.);

КО - элементов и описаний состояний коммутационного оборудования;

ИО - элементов и комплексов измерительного оборудования;

ЗО - элементов и комплексов оборудования для защиты от аномальных воздействий, состояний и режимов;

УАО - элементов и комплексов оборудования управления и автоматики и др.;

Д - документов на электрооборудование СЭС;

СЭ - соединительных элементов электроустановок, входящих в множество ОБ, и объединяющие их вместе с элементами множества КО в технологические комплексы, выполняющие основные технологические функции по передаче, распределению и потреблению электроэнергии;

ДАНН - текущих информационных данных, получаемых с помощью телемеханики.

Техника формирования основана на реализации операции объединения и разности множеств, рассмотренных выше. При этом могут добавляться информационные потоки и документы, связанные с некоторыми специфическими особенностями решаемых и возникающих вновь задач. В числе таких задач, например, таких как новые нормативные и законодательные акты, приказы и распоряжения в области экономической и производственной деятельности предприятий СЭЭС, их взаимодействия на уровне оптового рынка электроэнергии, реструктуризации электроэнергетики и др.

Проведенный анализ показал возможность коррекции традиционных подходов к проблемам анализа, оценки и контроля состояния СЭС на основе применения виртуальной имитационной модели (ВИМ) на базе табличного представления, которое является в этом направлении одними из наиболее эффективных методологических инструментов.

электрический сеть виртуальный моделирование

Список литературы

2. Амелин С.В. Графоаналитическое имитационное моделирование систем электроснабжения и электрических сетей [Текст]: автореф. дис. …канд. техн. наук / Амелин С.В. - Самара, 2006. - 23 с.

3. Алиев Р.А. Управление производством при нечеткой исходной информации [Текст] / Р.А. Алиев, Г.А. Мамедова, Л.Э. Церковный. - М.: Радио и связь, 1990. - 241 с.

4. Артемьев А.В. Расчёт, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов [Текст] / А.В. Артемьев, Ю.С. Железко, О.В. Савченко - М.: ЭНАС, 2006. 280 с.

5. Бартоломей П.И. Наблюдаемость распределения потоков электрической энергии в сетях [Текст] / П.И. Бартоломей, А.В. Паздерин // Проблемы энергетики. - 2004. - №9-10.

6. Бартоломей П.И. Определение оптимальных и допустимых режимов в задачах оперативного управления ЭЭС [Текст] / П.И. Бартоломей, Н.И. Грудинин, В.Г. Неуймин // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1991. - №4. - С. 62-69.

7. Бартоломей П.И. Эффективность оперативной коррекции режима ЭЭС [Текст] / П.И. Бартоломей, Е.А. Голубин, М.В. Зайцева, В.И. Порошин // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. - 1982. - №4. - С. 19-23.

Размещено на Allbest.ru