Разработка методики планирования систем электроснабжения районов с малой плотностью нагрузок с учетом неопределенности исходной информации

Актуальность проблемы.

Планирование систем электроснабжения (СЭС) районов с малой плотностью нагрузок — выбор оптимальных систем напряжений, радиусов электрических сетей, плотности тока в проводах воздушных линий (ВJI), числа и мощности питающих центров — задача, решаемая для крупных регионов или для всей страны в целом. До сих пор она решалась по критерию минимума приведённых затрат без учёта надёжности электроснабжения и качества электроэнергии у потребителей. Поиск оптимальных параметров СЭС (радиусов электрических сетей, плотности тока в проводах BJI) осуществлялся без учёта их взаимосвязи, динамики электрических нагрузок и других факторов.

Вместе с тем, СЭС — большая, сложная, динамическая система с множеством целей функционирования. Кроме того, планирование СЭС — задача решаемая на перспективу и поэтому требует учёта неопределённости исходной информации.

В последнее время появилось новое направление оптимизации параметров СЭС, основанное на теории принятия решений, которая позволяет осуществлять более обоснованный выбор по нескольким критериям в условиях неопределённости части исходной информации. В такой постановке решены задачи выбора варианта развития СЭС конкретного района, средств обеспечения надёжности, мероприятий по снижению потерь электрической энергии и некоторые др. Задача планирования СЭС по многокритериальной модели с учётом двух неопределённых факторов (электрических нагрузок и тарифов на электроэнергию на перспективу) не решалась.

Появление современной вычислительной техники и развитие информационных технологий позволяют усложнить модель СЭС и осуществлять комплексную оптимизацию её параметров, учитывая их взаимосвязи, техникоэкономические ограничения, динамику электрических нагрузок и тарифов на электроэнергию.

СЭС районов с малой плотностью нагрузок имеют большой удельный вес в системе электроснабжения страны, более половины их сетей выработали свой ресурс и нуждаются в замене [30, 91]. Необходимо также отметить, что в России около 30% населения живёт в районах с малой плотностью нагрузок — деревнях, сёлах, посёлках городского типа. От надёжности и качества электроснабжения потребителей в значительной степени зависит развитие этих районов и уровень жизни их населения. Поэтому планирование СЭС в масштабах всей страны приведёт к значительному экономическому эффекту.

Объектом исследования является СЭС напряжением 10—110 кВ.

Предметом исследования являются методы многокритериальной оптимизации, позволяющие выбирать системы напряжений и оптимальные параметры СЭС в условиях неопределённости части исходной информации.

Цель работы.

Цель работы заключается в разработке методики планирования систем электроснабжения районов с малой плотностью нагрузок по многокритериальной модели с учётом неопределённости исходной информации и получении на её основе практических рекомендаций для проектирования и сооружения СЭС.

Достижение данной цели потребовало решения следующих задач:

— разработки топологической и математической моделей СЭС для решения задачи планирования (выбора систем напряжений) по нескольким критериям в условиях неопределённости электрических нагрузок и тарифов на электроэнергию;

— разработки алгоритма многокритериальной оптимизации параметров СЭС с учётом нескольких неопределённых факторов;

— выбора частных критериев оценки СЭС 10—110 кВ, вывода их аналитических уравнений и обоснования способа свёртки;

— выявления неопределённых факторов, существенно влияющих на принимаемое решение и выбора способа получения дополнительной информации;

— разработки программы для проведения имитационного моделирования и расчёта параметров СЭС 10—ИОкВ по многокритериальной модели в условиях неопределённости исходной информации на ПЭВМ;

— выбора оптимальных систем напряжений и параметров СЭС 10 110 кВ в различных информационных ситуациях и их анализа.

Методы исследования.

Методика исследования включает методы теории принятия решений, в том числе теории нечётких множеств, теории вероятностей и математической статистики, в том числе байесовского статистического выводаметоды математического и топологического моделированияметоды функционального системного анализа и др.

Научная новизна.

Научная новизна исследований состоит в:

— методике выбора оптимальной системы напряжений СЭС 10—110 кВ (решения задачи планирования) по многокритериальной модели в условиях неопределённости исходной информации;

— топологической и математической моделях для решения задачи планирования и оптимизации параметров СЭС по нескольким критериям с учётом неопределённости части исходной информации, позволяющих рассматривать СЭС 10—110 кВ в комплексе (питающие и распределительные линии, питающие и потребительские подстанции), учитывать число распределительных линий, количество трансформаторов на подстанциях, средства повышения надёжности электроснабжения и качества электроэнергии;

— аналитических уравнениях частных критериев оценки, в качестве которых выбраны показатели эффективности СЭС — чистый дисконтированный доход, надёжности электроснабжения — дисконтированный недоотпуск электроэнергии, качества электроэнергии у потребителей — дисконтированная неодинаковость напряжения;

— методике учёта нескольких неопределённых факторов на перспективу (электрических нагрузок и тарифов на электроэнергию) при выборе оптимальных параметров СЭС 10—110 кВ на основе функции принадлежности, полученной в результате экспертного опроса;

— полученных оптимальных параметрах СЭС 10−110 кВ (системах напряжений, радиусах распределительных линий, плотностях тока в проводах BJI, числе и мощности питающих центров) при различной плотности электрических нагрузок.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность разработанных научных положений, методов, сделанных выводов и рекомендаций подтверждается результатами вычислений, проведённых с помощью разработанной для ПЭВМ программы многокритериальной оптимизации параметров СЭС с учётом неопределённости части исходной информации.

Практическая ценность работы.

Разработанная в диссертации методика позволяет выбирать оптимальные системы напряжений и параметры СЭС с учётом региональных особенностей, что может быть использовано службами перспективного развития энергосистем при решении задач планирования.

Результаты выполненных исследований могут быть использованы при проектировании СЭС, разработке инвестиционных проектов, а также при формировании нормативных материалов по проектированию СЭС.

Реализация результатов работы.

Разработанная в диссертации методика многокритериальной оптимизации параметров СЭС с учётом нескольких неопределённых факторов, а также полученные результаты и сформулированные рекомендации относительно оптимальных значений параметров приняты и используются в ОАО «РОСЭП» при решении задач планирования и развития систем электроснабжения, их проектировании и рассмотрении инвестиционных проектов, что подтверждается актом внедрения от 28.11.03.

Результаты исследований относительно оптимальных систем напряжений, радиусов BJI 10 кВ, плотности тока в проводах BJI учитываются при выборе вариантов развития электрических сетей 10−110 кВ, при их реконструкции и проектировании в Подольских электрических сетях ОАО «Мосэнерго» (акт внедрения от 22.12.03).

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Девятой Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 4—5 марта 2003 года), совещаниях, посвященных развитию распределительных электрических сетей в Орловских электрических сетях ОАО «Орёлэнерго» (16 июня 2003 года), ОАО «Рязаньэнерго» (10 июня 2003 года) и на техническом совете в ОАО «РОСЭП» (28 ноября 2003 года).

Публикации.

Основные положения диссертации приведены в следующих публикациях:

1. Метельков А. А., Лещинская Т. Б. Обоснование набора критериев выбора оптимальных параметров систем электроснабжения (СЭС) в условиях неопределённости исходной информации // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Девятой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. Т. 3. — М.: Издательство МЭИ, 2003. С. 282 — 283.

2. Метельков А. А., Лещинская Т. Б. Неопределённость части исходной информации при решении оптимизационных задач электроснабжения // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Девятой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. В 3-х т. Т. 3. — М.: Издательство МЭИ, 2003. С. 283 — 284.

3. Лещинская Т. Б., Метельков А. А. Разработка методики планирования систем электроснабжения районов с малой плотностью нагрузок с учётом неопределённости исходной информации. — М.: Агроконсалт, 2003. — 116 с.

Структура диссертации и её объём.

Диссертация состоит из введения, пяти глав (с выводами по каждой из них), заключения, списка литературы и шести приложений. Общий объём работы 205 страниц. Основная часть 163 страницы, 31 таблица, 59 рисунков. Библиография включает 100 наименований. Приложения содержат 42 страницы.

Анализ результатов выбора оптимальных систем напряжений и парамет ров СЭС в условиях неопределённости по разработанной методике с помо щью программы на ПЭВМ позволил сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. На основе анализа расчётов оптимальных параметров СЭС выявлена их зависимость от различных факторов. Установлено, что оптимальная плотность тока в проводах ВЛ СЭС определяется не только числом часов использования максимума нагрузки и материалом проводов, как указано в ПУЭ, но и номинальным напряжением В Л, а также плотностью по требления электроэнергии. Оптимальная плотность тока возрастает с увеличением плотности потребления электроэнергии и тем выше, чем ниже номинальное напряжение. Причём значения оптимальной плотно сти тока в проводах В Л районов с малой плотностью нагрузки значи тельно меньше, чем рекомендованные ПУЭ. Оптимальный радиус рас пределительных электрических сетей зависит от плотности потребления электроэнергии, номинального напряжения сети, числа распределитель ных линий, отходящих от подстанции и не зависит от средней установ ленной мощности потребительских подстанций и системы номинальных напряжений.2. Расчёт частных критериев выбора оптимального варианта развития СЭС показал, что при наличии ограничения потерь напряжения в распредели тельных электрических сетях, критерий качества напряжения у потреби телей во всех вариантах одинаковый. Это позволяет не учитывать дан ный критерий в расчётах и тем самым упростить их.3. Анализ надёжности и экономической эффективности вариантов позволя ет осуществлять неформальный выбор вариантов наряду с формальным. Наиболее целесообразными являются схемы с двухступенчатой транс формацией 110/35, 110/20 и 110/10 кВ, причём система 110/35 кВ имеет значительное преимущество в надёжности лишь при двухцепном испол нении ЕЛ 35 кВ, двухтрансформаторных подстанциях 35/0.4 кВ и эффек тивна в районах с крупными потребителями. На нецелесообразность сис темы 110/35/10 кВ указывают критерии эффективности и надёжности. Полученные решения достаточно устойчивы при изменении показателей значимости частных критериев в широком диапазоне.4. Анализ изменения технико-экономических показателей СЭС в условиях отсутствия ограничений потерь напряжения и отступления от оптималь ных решений указал на необходимость использования трансформаторов с РПН. Увеличение радиусов распределительных сетей за счёт установки ВДТ допустимо в исключительных случаях.5. Исследования влияния стоимости сооружения СЭС, тарифов на электро энергию и электрических нагрузок на оптимальные параметры электри ческих сетей показали, что существенное влияние оказывает коэффици ент роста электрических нагрузок за расчётный период. Остальные фак торы заметно влияют лишь на оптимальную плотность тока в проводах питающих сетей.6. Анализ экономической устойчивости сооружения СЭС, как инвестици онного проекта выявил высокую чувствительность к внешним факторам и параметрам самого проекта, которые влияют и на оптимальные параметры СЭС. Это указывает на необходимость более точного планирова ния параметров проекта и прогнозирования внешних факторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации получены следующие основные результаты:

1. Выбраны частные критерии оценки СЭС 10−110 кВ, позволяющие учиты вать основные факторы, влияющие на принимаемое решение — эффектив ность сооружения СЭС, надёжность электроснабжения и качество элек троэнергии. В результате выполненных расчётов показано, что при огра ничении потерь напряжения в распределительных электрических сетях критерий качества напряжения не влияет на выбор стратегии развития СЭС и его можно не учитывать. В качестве критериев эффективности и надёжности целесообразно принять чистый дисконтированный доход и дисконтированный недоотпуск электроэнергии потребителям из-за веро ятных отключений, рассчитанные на единицу площади.2. Обоснован рациональный набор неопределённых факторов и способ по лучения дополнительной информации, что дало возможность повысить эффективность учёта неопределённости части исходной информации (с информационно-вычислительной точки зрения) в оптимизационных зада чах СЭС и решать их с помощью статистических методов, в частности критерия Байеса. Критерий Байеса с мультипликативной формой свёртки частных критериев выбора оптимального решения позволяет получить конкретный результат в задачах планирования СЭС.

3. Разработанный алгоритм выбора оптимальных параметров СЭС позволяет решать задачи планирования в многокритериальной постановке с учётом нескольких неопределённых факторов.4. Разработанная в настоящей диссертации модель СЭС 10—ПОкВ, в отли чии от моделей, использовавшихся в предшествующих работах, позволяет повысить точность расчётов, осуществлять многопараметрическую опти мизацию с учётом ограничений, динамики электрических нагрузок и та рифов на электроэнергию, рассматривать различные системы номинальных напряжений при сохранении взаимосвязей между сетями разного, но минального напряжения, моделировать разное число отходящих от под станции распределительных линий, двухцепные линии и двухтрансформа торные подстанции.5. Полученные на основе модели СЭС аналитические выражения для расчёта показателей эффективности сооружения СЭС, надёжности электроснаб жения и качества электроэнергии позволяют оценивать степень достиже ния целей функционирования СЭС при выборе варианта, устойчивость и чувствительность принимаемых решений к внешним и внутренним факто рам, тарифы на электроэнергию и др. Анализ показателей эффективности дал возможность обосновать продолжительность расчётного периода (25.

лет) и показать целесообразность единовременных капиталовложений в начале расчётного периода.6. По разработанной методике с помощью программы на ПЭВМ выбраны оптимальные параметры СЭС в различных информационных ситуациях. Анализ параметров позволил выявить основные технико-экономические зависимости и сформулировать рекомендации по проектированию и раз витию СЭС.