Реконфигурация электр ических сетей предприятий при нарушениях электроснабжения и дефиците мощности в электроэнергетической сист е ме

На правах рукописи

ЛУКЬЯНОВ Денис Владиславович

Реконфигурация электрических сетей предприятий

при нарушениях электроснабжения и дефиците мощности

в электроэнергетической системе

Специальность: 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Саратов 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном

образовательном учреждении высшего профессионального образования

«Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель –	доктор технических наук, старший научный сотрудник Иващенко Владимир Андреевич
Официальные оппоненты:	Ерошенко Геннадий Петрович, доктор технических наук, профессор, Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова, профессор кафедры «Эксплуатация энергооборудования и электрические машины» Сошинов Анатолий Григорьевич, кандидат технических наук, доцент, Камышинский технологический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий»
Ведущая организация –	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тольяттинский государственный университет», г. Тольятти

Защита диссертации состоится «13» декабря 2012 г. в 15 часов 30 минут на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» (410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77, СГТУ имени Гагарина Ю.А., корп. 1, ауд. 319).

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке СГТУ имени Гагарина Ю.А.

Автореферат разослан «__» ноября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ю.Б. Томашевский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование управления электроэнергетикой промышленных предприятий – ключевое звено в решении актуальной проблемы экономного использования электрической энергии. В ряде исследований показано, что затраты на сбережение электроэнергии существенно ниже, чем на дополнительное производство такого же ее количества. Решение этой проблемы невозможно без автоматизации процесса управления электропотреблением промышленных предприятий.

Среди ученых, работающих в этом направлении, следует отметить А.С. Некрасова, Ю.В. Синяка, В.Т. Мелехина, Л.А. Мелентьева, Ю.Б. Клюева, В.В. Михайлова, В.А. Веникова, А.А. Федорова, В.В. Шевченко, Б.А. Кон-стантинова, Б.И. Кудрина, Л.С. Беляева, Э.Э. Лойтера, П.И. Головкина, В.А. Непомнящего, В.С. Кахановича, Ю.С. Железко, Е.М. Червонного, А.Б. Лоскутова, Б.В. Папкова, А.Ф. Резчикова, G. Matthus, L. Zang, R. Frost.

Среди широко используемых в настоящее время АСУ энергетикой можно выделить: КТС «Энергия» и АСКУЭ «ИВК Метроника-Альфамет», эксплуатируемые на многих промышленных предприятиях малой и средней энергоемкости; комплекс «ES-Энергия», внедренный на более чем 100 промышленных предприятиях, электростанциях и объектах энергосистем; ОИК "СИСТЕЛ", предназначенный для решения задач диспетчерского управления энергообъектами – от подстанций до центров управления электрическими сетями.

Несмотря на большое количество разнообразных АСУ энергетикой, на промышленных предприятиях остро стоит проблема оперативной реконфигурации электрических сетей при дефиците электрической мощности в электроэнергетической системе (ЭЭС), аварийных ситуациях в системах электроснабжения и проведении плановых ремонтных мероприятий на электросетях предприятий. Снижение времени перебоев в электроснабжении, а также оптимизация путей распределения электроэнергии позволяют существенно уменьшить ущерб промышленных предприятий.

Для решения данной проблемы необходима разработка алгоритмов, на основе которых достигается оперативное максимально возможное восстановление электроснабжения оборудования, обесточенного в результате аварий на электрических сетях предприятий и дефиците электрической мощности в ЭЭС.

К сожалению, при значительном количестве разработок в этой области экономическая выгода от их внедрения остается низкой. В значительной степени это обусловлено сложностью использования существующих моделей реконфигурации электрических сетей в режиме реального времени и с интеграцией их в АСУ энергетикой предприятий.

Актуальность и необходимость дальнейших исследований в этом направлении и определили выбор темы, цели и задачи данной работы.

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности функционирования электроэнергетики промышленных предприятий за счет оперативной реконфигурации электрических сетей при перегрузках, аварийных ситуациях на них и дефиците мощности в электроэнергетической системе.

Объект исследования – электрические сети промышленных предприятий.

Предмет исследования – модели и методы реконфигурации электрических сетей промышленных предприятий.

Задачи исследований:

– анализ процесса транспорта и распределения электрической энергии на промышленных предприятиях, положенный в основу его структуризации, необходимой для построения моделей и методов реконфигурации электрических сетей и прогнозирование электрических нагрузок в их узлах;

– математическая постановка задачи восстановления электроснабжения потребителей электроэнергии, обесточенных в результате дефицита мощности в электроэнергетической системе, перегрузок электрических сетей и аварийных ситуациях на них;

– разработка алгоритма решения поставленной задачи, обладающего по сравнению с известными алгоритмами большим быстродействием, позволяющим сократить время восстановления электроснабжения обесточенных потребителей электроэнергии;

– разработка информационно-вычислительного комплекса и средств интерактивного взаимодействия энергодиспетчера с ним, обеспечивающих высокую скорость принятия решения в условиях перебоев электроснабжения потребителей электроэнергии;

– разработка метода прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрических сетей предприятий для принятия решения по предотвращению их перегрузок.

Методы исследований. При проведении исследований использовались методы, основанные на теоретических основах электротехники, теории графов, теории оптимизации, а также специализированные программные средства для структурной и параметрической оптимизации предложенных моделей и алгоритмов.

Выносимые на защиту результаты:

– анализ процесса управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях;

– математическая постановка задачи оперативного выбора структуры электрических сетей при автоматизированном управлении электропотреблением промышленных предприятий;

– модели и методы реконфигурации электросетей промышленных предприятий при дефиците генерируемой мощности и авариях на них;

– структура и состав информационно-вычислительного комплекса по реконфигурации электрических сетей промышленных предприятий в режиме реального времени и человеко-машинные процедуры взаимодействия энергодиспетчера с ним;

– метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрических сетей предприятий для принятия решения по предотвращению их перегрузок.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту:

1. Проведена декомпозиция управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях, обеспечивающая представление ее отдельных компонентов и связей между ними с детализацией, необходимой для формализации и реализации с помощью существующих аппаратно и программно совместимых технических средств.

2. Выполнена математическая постановка задачи реконфигурации структур электрических сетей промышленных предприятий, обеспечивающей максимально полное восстановление электроснабжения потребителей электроэнергии, обесточенных в результате дефицита мощности в электроэнергетической системе, перегрузок электросетей и аварийных ситуациях на них. Предложен алгоритм ее решения, обладающий по сравнению с известными алгоритмами меньшим временем реализации при сопоставимых показателях надежности сети и потерь мощности в ней.

3. Построены человеко-машинные процедуры взаимодействия энергодиспетчера с информационно-вычислительным комплексом, которые обеспечивают визуализацию выдаваемых комплексом рекомендаций и оперативное принятие энергодиспетчером эффективных решений по реконфигурации электросети предприятия в режиме реального времени.

4. Предложен метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрической сети, позволяющий устранить перегрузку сети, являющуюся одним из источников аварийных ситуаций на ней.

Практическая ценность работы заключается в снижении потерь промышленных предприятий от простоев электрооборудования на отключенных участках электрической сети за счет оперативного восстановления электроснабжения потребителей электроэнергии, обесточенных в результате аварийных ситуаций в системе электроснабжения промышленных предприятий (СЭПП) и дефицита мощности в ЭЭС.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением системного и статистического анализа процессов передачи электрической энергии, тестированием полученных моделей, а также их апробацией в составе действующих АСУ энергетикой промышленных предприятий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы при разработке АСУ энергетикой на ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение».

Апробация работы. Результаты работы представлены на ХХIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23» (Саратов, 2010), ХХIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24» (Саратов, 2011), ХХV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25» (Саратов, 2012), на 7-й научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление – МАУ-2010», на научных семинарах кафедры «Системотехника» (2009-2012) и на заседаниях совета факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета (СГТУ) имени Гагарина Ю.А. (2010-2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из которых 5 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 84 наименования, и приложения. Работа изложена на 93 страницах, содержит 20 рисунков и 3 таблицы.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы при разработке АСУ энергетикой на ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение», ООО «ОргЦентр», ООО «Системы управления хранением энергии».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель, отражена научная новизна и практическая ценность работы, выделены результаты, выносимые на защиту.

В первом разделе выполнен анализ состояния вопроса и проблемы повышения эффективности управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях, а также приведена постановка задачи исследования.

Анализ публикаций и других источников показал, что существующие автоматизированные системы не обеспечивают высокой оперативности реконфигурации электрической сети по причине использования в качестве математических основы традиционных методов и алгоритмов. В результате не достигается максимально возможное восстановление электроснабжения ПЭ.

Во второй части раздела формулируются задачи исследования.

Во втором разделе представлен анализ процесса управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях.

Управление транспортом и распределением электроэнергии является важнейшей подсистемой управления электроэнергетикой промышленных предприятий, определяющей эффективность их электроснабжения. Выполнена декомпозиция этой подсистемы, обеспечивающая целостность ее представления и отражающая взаимодействие представленных в работе задач по реконфигурации электрической сети и прогнозированию электрической нагрузки в ее узлах с задачами, решаемыми подсистемой. Результаты декомпозиции представлены в виде UML-диаграмм, отражающих общую картину функционирования подсистемы и облегчающих процесс ее модификации и дальнейшего развития.

Показано, что оперативный выбор топологии сети является сложным для энергодиспетчера, в связи с чем необходима его автоматизация.

В третьем разделе предложены постановка и метод решения задачи реконфигурации электрических сетей промышленных предприятий, а также метод прогнозирования электрической нагрузки в их узлах.

Постановка задачи реконфигурации электрических сетей промышленных предприятий. Электрическая сеть промышленного предприятия представляет собой сложную структуру, включающую в свой состав большое количество разнородных взаимосвязанных элементов (рис. 1).

Рис. 1. Электрическая сеть промышленного предприятия:

и – коммутационная аппаратура (соответственно на 10 кВ и 0,4 кВ);

– батареи статических конденсаторов

Как следует из рис. 1, в структуре электросети выделяется k = 1, …, 4 уровней иерархии: высоковольтные вводы электроэнергии в предприятие ВЛ 1 - ВЛ m1; комплектные трансформаторные подстанции КТП 1 - КТП m 12; силовые трансформаторы Т 1 – Т m 22; группы ПЭ ПЭ 1 - ПЭ m 5, получающих электроэнергию от одной секции распределительных шин РС 1 - РС m 3; группы ПЭ, питающиеся от одного низковольтного фидера КЛ 1 – КЛ m 4.

Для решения задачи вводится фиктивная вершина (исток) v, объединяющая вводы электроэнергии в предприятие ВЛ 1 - ВЛ m1. В качестве пропускных способностей pi1, i=1, …, m1 фиктивных ветвей (дуг), соединяющих вводы электроэнергии с истоком, выступают максимально возможные мощности, потребляемые с вводов Pi1 (t).

Аналогично вводится фиктивная вершина (приемник электроэнергии, сток) w, объединяющий низковольтные фидеры КЛ 1 – КЛ m 4. В качестве пропускных способностей pi 4, i=1, …, m4 фиктивных дуг, соединяющих фидеры со стоком, в этом случае принимаются максимально возможные мощности, потребляемые с них Pi 4 (t).

Математическая постановка задачи имеет вид

;

,

где G – граф сети; F – целевая функция, определяющая величину потока мощности через сеть, ограничиваемая номинальными (паспортными) пропускными способностями дуг; pij и Pij– соответственно номинальная пропускная способность дуги (i, j) и поток мощности, передаваемый через нее.

Опираясь на свойство фрактальности, не теряя общности рассуждений, рассмотрим в качестве графа G электросети ее фрагмент. Соответствие между обозначениями элементов электросети и ее графа G приведены в табл. 1.

Таблица 1

Соответствие между обозначениями элементов электросети и ее графа

ВЛ1, КТП1	Т1	Т2	РС1	РС2	КЛ1	КЛ2	КЛ3	КЛ4
S1	S2	S3	S4	S5	S6	S7	S8	S9

Далее представлены существующие и предлагаемые методы и алгоритмы выбора структуры электросети промышленных предприятий.

Методы решения задачи. Рассмотрены классические методы решения поставленной задачи – симплекс-метод и алгоритм Форда-Фалкерсона. Показано, что они не эффективны с точки зрения оперативности работы и позволяют получить лишь один вариант структуры сети, не всегда обеспечивающий требуемое качество других показателей эффективности, таких как потери электроэнергии в сети и надежность ее структуры. Поэтому возникает необходимость в исследовании других известных и разработке новых алгоритмов решения поставленной задачи.

В настоящее время известен целый ряд более быстрых методов и алгоритмов, чем алгоритм Форда-Фалкерсона, таких как алгоритм Диница, алгоритм Карзанова, метод расстановки пометок, алгоритм Голдберга-Таряна, алгоритм Голдберга-Рао и др. Далее рассмотрены наиболее эффективные из них по времени работы и стабильности получаемых результатов – алгоритм Диница и метод расстановки пометок.

Алгоритм Диница представляет развитие базового алгоритма Форда-Фалкерсона, направленное на увеличение его быстродействия.

Алгоритм состоит из этапов, на которых поток увеличивается одновременно вдоль всех кратчайших путей фиксированной длины. Для этого на r-м этапе строится вспомогательная бесконтурная сеть, которая содержит все увеличивающие пути, длина которых не превышает kr, где kr – длина кратчайшего пути из v в w.

Реализация алгоритма на r-м этапе состоит в следующем.

Шаг 1. Построение вспомогательной сети.

Осуществляется движение из истока v в сток w сети по допустимым дугам графа G, добавление их в поток fk и соответствующее увеличение k. Дуга u = (i, j) добавляется в путь с fk (u, v) = P (u, v) - p (u, v). При достижении стока w сети, он помечается величиной k, которая становится «фиксированной». Поиск продолжается, но не из вершины v.

Если сток w не достигнут, то работа алгоритма завершается.

Если k > kr, то осуществляется переход к этапу r + 1 с kr + 1 = k.

Шаг 2. Поиск псевдомаксимального потока.

В полученной бесконтурной сети ищется псевдомаксимальный поток – поток, для которого не существует увеличивающих путей длины k. Найденный поток переносится в исходную сеть. Затем вновь выполняется переход к шагу 1.

Поиск данного потока выполняется следующим образом.

Пусть на j-й итерации найден путь из v в w. По этому пути пропускается поток fj. Это означает, что как минимум одна дуга вспомогательной сети является насыщенной. Удаляются все насыщенные дуги. В результате могут образоваться «тупики»:

• вершины, из которых не выходит ни одна дуга (кроме стока);
• вершины, в которые не входит ни одна дуга (кроме истока);
• изолированные вершины.

Эти вершины следует удалить со всеми инцидентными им дугами. Это может привести к образованию новых тупиков. Корректировка производится до тех пор, пока во вспомогательной сети не останется ни одного тупика. Далее изменяются пропускные способности оставшихся дуг Pk (u) = Pk (u) - fj (u).

Поиск потока fj продолжается до тех пор, пока вспомогательная сеть не окажется пустой. Полученный псевдомаксимальный поток переносится в исходную сеть. После нахождения потока fj и корректировки сети, поиск можно продолжать с ближайшей к истоку v, но не подвергшейся изменениям, дуги найденного пути.

После завершения работы алгоритма исходная сеть будет содержать максимальный поток F.

Алгоритм метода расстановки пометок представляет собой поиск пути из истока v в сток w сети, для выполнения которого необходимо выполнение следующих условий:

• наличие у каждой вершины значения потока, пропускаемого через вершину на данной итерации;
• пометка вершин, выполняемая в соответствии с методом поиска в ширину (перебор вершин происходит последовательно, приоритет имеют вершины, равноудаленные от истока);
• выполнение алгоритма до тех пор, пока единственной непомеченной вершиной останется сток.

Алгоритм может начинаться с некоторого допустимого потока F0 и его распределения по дугам G или с нулевого потока. Он включает этапы расстановки пометок (этап 1) и изменения величины потока (этап 2).

На каждом шаге этапа 1 вычисления заканчиваются либо тем, что рассматриваемый поток F максимален и задача решена, либо тем, что поток может быть увеличен и следует перейти к этапу 2.

На этапе 1 каждая i-я вершина сети находится в одном из трех состояний: не помечена (Ni = Пi = 0); помечена, но не просмотрена (Ni  0); помечена и просмотрена (Ni  0, Пi = 1).

Предлагаемая реализация алгоритма состоит в следующем.

Предварительно помечается исток – Ni = 1 и Ei  = A, где i = 1, а A – большое положительное число.

Реализуется этап 1 (расстановка пометок):

1.1. Выбирается очередная помеченная, но не рассмотренная i-я вершина сети.

1.2. Для всех вершин j, для которых pi j  0, вычисляются и приписываются следующие пометки: если Pi j < pi j, то Ej = min (Ei, pi - Pi j), Nj = i; если Pi j > 0, то Ej = min (Ei, Pj i), Nj = i. Просмотренная i-я вершина помечается – Пi = 1.

1.3. При значении Ej, меньшем значения пропускной способности пути, рассчитанной для предыдущей вершины, выбранная вершина не рассматривается, переход на этап 2 не осуществляется, и цикл начинается с пп. 1.1.

1.4. Подпункты 1.1.-1.3. повторяются до тех пор, пока не будет выполнено одно из следующих условий:

• помечен, но не просмотрен сток сети w;
• нельзя пометить ни одну из вершин, сток остается непомеченным.

В первом случае осуществляется переход к этапу 2, а во втором – задача решена и выполняется переход к пп. 2.4.

Реализуется этап 2 (изменение потока):

2.1. Для всех вершин, начиная со стока w, лежащих на пути, поток по которому может быть увеличен, анализируются пометки и изменяются потоки по дугам G и общий поток F. Если вершина sj имеет пометку Nj = i, то вычисляется значение потока по дуге u = (i, j) по соотношению P'i j = Pi j + Ep, а если – Nj = - i, то по соотношению P'i j = Pi j - Ep.

2.2. Вычисляется новое значение потока через сеть Fi = Ep.

2.3. Стираются пометки П i (i = 2, p); выполняется переход к этапу 1.

2.4. Сравниваются значения элементов множества Fi ;  путь, при котором F достигает максимума, является искомым.

Эвристический алгоритм основан на применении «графа приращений». В его основу положена эвристика, исключающая при выборе путей передачи электроэнергии использование ненасыщенных дуг графа G сети.

Обозначим через (v, S1), (S1, S2), (S1, S3), (S2, S4), (S3, S5), (S2, S5), (S3, S4), (S4, S6), (S4, S7), (S5, S8), (S5, S9), (S6, w), (S7, w), (S8, w), (S9, w) дуги графа, а через  pv S 1, pS 1 S 2, pS 1 S 3, pS 2 S 4, pS 3 S 5, pS 2 S 5, pS 3 S 4, pS 4 S 6, pS 4 S 7, pS 5 S 8, pS 5 S 9, pS 6 w, pS 7 w, pS 8 w, pS 9 w  соответственно их пропускные способности.

Реализация алгоритма включает следующие этапы.

Этап 1. Из вершины v выбирается путь, по которому будет передаваться поток мощности в вершину w. В соответствии с F этот путь должен проходить через вершину Si c , i = 1, …, m 4, где i – индекс ПЭ, для которого строится поток. Величина потока определяется величиной пропускной способности pS i w дуги (S i, w).

Этап 2. Граф G преобразуется в граф G, в котором для дуги (i, j) с нулевым потоком Pi j пропускная способность p i j  сохраняется прежней, а для дуги с ненулевым потоком – заменяется на pi j = pi j - Pi j ; Pi j   0.

Этап 3. Если построены потоки для всех узлов S i, i = 1, …, m4, то выполняется переход к этапу 5, иначе – к этапу 4.

Этап 4. Если в графе G можно найти ненулевой поток из v в w, то выполняется переход к этапу 2 с новым графом G, в котором исключается из рассмотрения вершина Si, i = 1, …, m4, через которую передается поток, иначе выполняется переход к этапу 8.

Этап 5. Если синтезированная структура электрической сети содержит контуры, то из них исключаются дуги с наименьшей пропускной способностью и вновь выполняется расчет. Данная процедура выполняется до тех пор, пока не будут исключены все контуры из структуры сети.

Этап 6. На данном этапе может выполняться оптимизация по критериям: минимума потерь мощности в сети, максимума ее надежности и т.д. или их различным комбинациям, повышающим живучесть, безотказность, а также качество, безопасность и долговечность функционирования сети.

Это осуществляется путем удаления из синтезированной структуры различных сочетаний дуг (в том числе и с не минимальными пропускными способностями), оценки лицом, принимающим решения (энергодиспетчером), получаемых структур сетей по соответствующим критериям или их комбинациям и принятии на основе этой решения о структуре сети.

Этап 7. Выдача сообщения о варианте полного восстановления электроснабжения.

Этап 8. При невозможности полного восстановления электроснабжения осуществляется анализ предложенного варианта с целью исключения контуров и обеспечения электроэнергией ПЭ первой и второй категорий по надежности электроснабжения, а также ПЭ с наибольшим ущербом от перебоев в электроснабжении. Выдача сообщения о составе ПЭ, электропитание которых восстановлено.

При существенной величине недокомпенсированной реактивной мощности, циркулирующей в сети, расчет необходимо проводить для полной мощности, передаваемой через сеть.

Кроме этого, в разделе представлены результаты практического применения предложенных моделей и методов управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях.

На рис. 2 приведена экранная форма интерфейса взаимодействия пользователя с информационно-вычислительным комплексом, которая позволяет энергодиспетчеру работать с диалоговой системой в режиме оперативной визуализации.

Рис. 2. Экранная форма пользовательского интерфейса

После активизации диалоговой системы на экране появляется форма с закладками «Исходные данные», «Симплекс-метод», «Алгоритм Форда- Фалкерсона», «Алгоритм Диница», «Метод пометок» и «Эвристический алгоритм», одна из которых находится в активном состоянии.

При вызове закладки «Исходные данные» на экране появляются окна, в которых отображаются значения активных мощностей на вводах в предприятие, значения и графики активных мощностей ПЭ и максимальных из них по вводам, а также суммарная активная мощность, потребляемая предприятием, и распределение ее по вводам. В правом нижнем углу расположен справочник, позволяющий определить принадлежность ПЭ структурным подразделениям предприятия.

При вызове одной из закладок «Симплекс-метод», «Алгоритм Форда-Фалкерсона», «Алгоритм Диница», «Метод пометок» или «Эвристический алгоритм» отображается состояния коммутационной аппаратуры различных уровней электрической сети предприятия, формируя тем самым выбранную топологию сети.

При этом единицы соответствуют включенным потребителям электроэнергии, а нули – отключенным.

Метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрических сетей промышленных предприятий. Предложен метод прогнозирования на интервалы времени, достаточные для принятия решений по предотвращению перегрузки электрической сети.

Суть метода заключается в формировании на основании кластерного анализа классов близких по статистическим характеристикам выборок электрических нагрузок и вычислении их прогнозных значений. В основу построения алгоритма распознавания (отнесения выборки, используемой для прогнозирования, к одному из выделенных классов) положена эвклидова метрика.

Прогнозное значение нагрузки определяется как среднее арифметическое значений, соответствующих классу, к которому отнесена распознаваемая выборка.

В четвертом разделе приведены результаты моделирования и эксплуатации предложенных методов и алгоритмов.

Предложен программно-информационный комплекс управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях, включающий в свой состав разработанные алгоритмы и интерфейс интерактивного взаимодействия с энергодиспетчером.

Система управления строится на базе существующих сертифицированных аппаратных и программных средств и включает датчики ( измерительные преобразователи ) текущих значений активной и реактивной мощности, устройства коммутации элементов схем электропитания, контроллеры, устройства сбора и передачи данных.

Выполнена оценка эффективности рассмотренных алгоритмов, результаты которой приведены в табл. 2.

Оперативность работы алгоритма определялась как разность между моментами начала его работы и вывода полученных результатов.

Относительная величина абсолютных потерь электроэнергии в сети вычислялась как разность между суммарной мощностью на высоковольтных вводах электроэнергии в предприятие и суммарной мощностью, потребляемой ПЭ, отнесенная к суммарной мощности на вводах, выраженная в процентах.

Надежность структуры сети оценивалась по сумме паспортных вероятностей отказов ее отдельных элементов.

По мере накопления статистических данных об отключениях (количество и длительность перебоев в электроснабжении отдельных ПЭ) появляется возможность использования других показателей для оценки надежности сети, таких как коэффициент готовности, коэффициент вынужденного простоя, коэффициент отказов и др. Это открывает более широкие возможности для энергодиспетчера по выбору структуры надежно функционирующей сети.

Таблица 2

Оценка эффективности алгоритмов

Показатели эффективности	Симплекс- метод	Алгоритм Форда-Фалкерсона	Алгоритм Диница	Метод расстановки пометок	Эвристический алгоритм
Оперативность работы алгоритма, мин.	5-10	6-8	6-9	5-8	0,5-1,5
Потери электроэнергии в сети, %	14-16	13-15	13-14	13-14	12-15
Надежность структуры сети	3,0-3,4	2,8-3,2	2,8-3,2	2,8-3,2	2,6-3,2

Примечание. Таблица составлена по результатам 30 экспериментов, выполненных на ПЭВМ с процессором AMD Athlon X2 6000+, для электрической сети ОАО «СЭПО-ЗЭМ» Саратовское электроагрегатное производственное объединение», содержащей 424 приемника электроэнергии. При увеличении количества экспериментов существенно расширяются лишь границы оперативности работы алгоритма, реализующего симплекс-метод.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. Выполнена декомпозиция процесса управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях, выделены базисные компоненты процесса и связи между ними с детализацией, необходимой для его формализации и реализации с помощью существующих аппаратно и программно совместимых технических средств. Результаты декомпозиции представлены в виде UML-диаграмм, облегчающих работу, связанную с проектированием, модернизацией и дальнейшим развитием системы управления.

2. Приведена математическая постановка задачи оперативной реконфигурации структур электрических сетей промышленных предприятий, обеспечивающих максимально полное восстановление электроснабжения ПЭ, обесточенных в результате дефицита мощности в ЭЭС системе и аварий в системе электроснабжения предприятий.

3. Представлен анализ эффективности известных алгоритмов решения поставленной задачи по критерию времени реализации, который показал на их неэффективность по времени реализации. Предложен новый алгоритм решения задачи, обладающий по сравнению с известными меньшим временем реализации, позволяющий в условиях дефицита генерируемой мощности, перегрузок электросетей и аварийных ситуаций в системе электроснабжения предприятий оперативно восстановить электроснабжение обесточенных ПЭ.

4. Предложен информационно-вычислительный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку и хранение информации, необходимой для управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях. Представлены человеко-машинные процедуры взаимодействия с информационно-вычислительным комплексом энергодиспетчера.

5. Разработан метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электросетей промышленных предприятий для принятия решений по предотвращению их перегрузок.

6. Материалы диссертационной работы включены в состав специального математического обеспечения управления АСУ энергетикой ОАО «СЭПО-ЗЭМ» Саратовское электроагрегатное производственное объединение».

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРАЦИИ

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Лукьянов Д.В. Реконфигурация структур электрических сетей при нарушениях электроснабжения промышленных предприятий / Д.В. Лукьянов, Д.А. Васильев, В.А. Иващенко // Мехатроника, автоматизация, управление. 2011. № 7. С. 55-59.

2. Лукьянов Д.В. Методы и алгоритмы выбора структуры электрических сетей промышленных предприятий / Д.В. Лукьянов, Д.А. Васильев, В.А. Иващенко // Системы управления и информационные технологии.  2011. №1.1(43). С. 147-150.

3. Лукьянов Д.В. Прогнозирование активных нагрузок промышленных предприятий на основе распознавания образов / Д.В. Лукьянов, Д.А. Васильев, В.А. Иващенко // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2011. № 3-4. C. 122-126.

4. Лукьянов Д.В. Выбор структуры электрических сетей промышленных предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением / Д.А. Васильев, В.А. Иващенко, Д.В. Лукьянов, А.Ю. Шабельникова // Известия Вузов. Поволжский регион. Технические науки. 2010. № 2. С. 52-61.

5. Лукьянов Д.В. Оптимизация структуры электрических сетей промышленных предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением / Д.А. Васильев, В.А. Иващенко, Д.В. Лукьянов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. № 4 (42). С. 71-77.

Публикации в других изданиях

6. Лукьянов Д.В. Оптимизация транспорта и распределения электроэнергии на промышленных предприятиях / Д.В. Лукьянов, В.А. Иващенко // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23: сб. тр. ХХIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 5. Секция 5. СГТУ, 2010. С. 228-230.

7. Лукьянов Д.В. Оптимизация структуры электрических сетей промышленных предприятий на основе линейного программирования / Д.В. Лукьянов, Д.А. Васильев, В.А. Иващенко // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-23: сб. тр. ХХIII Междунар. науч. конф.: в 12 т. Т. 9. Сек. 10. СГТУ, 2010. С. 52-53.

8. Лукьянов Д.В. Принятие решений по электроснабжению в аварийных ситуациях на электрических сетях промышленных предприятий / Д.В. Лукьянов, Д.А. Васильев, В.А. Иващенко // Мехатроника, автоматизация, управление – МАУ-2010: тр.7-й науч.-технич. конф. с междунар. участием. М.: Новые технологии, 2010. С. 107-110.

9. Лукьянов Д.В. Выбор схемы электроснабжения при аварийных ситуациях на электрических сетях промышленных предприятий / Д.В. Лукьянов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-24: сб. тр. ХXIV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 8. Пенза, 2011. С. 111-114.

10. Лукьянов Д.В. Построение системы управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях на основе UML / Д.В. Лукьянов // Математические методы в технике и технологиях – ММТТ-25: сб. тр. ХХV Междунар. науч. конф.: в 10 т. Т. 10. Волгоград, 2012. С. 81-83.

Подписано в печать		Формат 6084 1/16
Бум. тип.	Усл.- печ. л. 1,0	Уч.- изд. л. 1,0
Тираж 100 экз.	Заказ	Бесплатно
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
410054, г. Саратов, Политехническая ул., 77
Отпечатано в РИЦ СГТУ имени Гагарина Ю.А. 410054, г. Саратов, Политехническая ул., 77