Автоматизация интеллектуальной поддержки процессов оперативного управления электроснабжением промышленного предприятия

В последние годы на многих промышленных предприятиях все в большей мере уделяется внимание повышению качества электроэнергии, снижению риска её отключения и возможности добиться более высоких эксплутационных характеристик как действующего, так и проектируемого оборудования [59]. Это обусловлено введением новых энергоемких технологий, использованием импортного оборудования и высокой стоимостью простоя установок.

Следует отметить, что система электроснабжения (СЭ), создаётся не сразу, а эволюционным путем, по мере появления новых потребителей (производств). Поэтому, с точки зрения СЭ в целом, структура и принятые уровни параметров не всегда являются удачными [1].

В связи с этим службами управления главного энергетика постоянно проводятся мероприятия по повышению качества и надежности СЭ: перенесение кабельных трасс на эстакады, применение быстродействующих тиристорных систем автоматического ввода резерва ТАВР-6 кВ, ввод систем быстродействующей релейной защиты и т. п. Данные мероприятия практически исчерпали запас надежности, однако предприятия продолжают нести убытки по причине аварий в СЭ [47].

Это вынуждает искать новые способы улучшения работы СЭ в целом. Одним из таких способов является поиск новых топологий СЭ как в рамках уже проложенных линий и установленного оборудования, так и путем модификаций СЭ. Помимо этого, возможность переконфигурирования СЭ постоянно используется при аварийной подаче напряжения на часть СЭ, при выводе на ремонт части СЭ, ввода или элемента, при осуществлении оперативных переключений.

При переконфигурировании СЭ и замене оборудования приходится учитывать следующие факторы: ограничение токов короткого замыканиявыбор между параллельным и автономным режимами работы различных источников электроэнергии, питающих предприятие, и силовых трансформаторов на понизительных подстанцияхобеспечение требуемого качества электроэнергии (ГОСТ-13 109−97) — обеспечение чувствительности и селективности работы релейной защиты и автоматики в различных режимах работы СЭ [46,64,55].

Учет данных факторов вместе с перебором вариантов топологий СЭ связан с чрезвычайной трудоемкостью обзора множества всех конкурентоспособных вариантов искомой структуры за ограниченное время. Трудоемкость обусловлена комбинаторным характером задачи. Привлечение вычислительной техники к решению этой задачи лишь незначительно расширяет пределы множества проверенных вариантов [53]. Кроме этого, часто приходится действовать в условиях ограниченного времени, и тогда принимается не лучшее и даже не хорошее, а первое найденное допустимое решение.

Поэтому поиск решений нужно доверить человеко-машинной системе интеллектуальной поддержки процессов оперативного управления электроснабжением, устанавливаемой между оператором и реальной электросетью. Применение такой системы обусловлено тем, что для принятия решений в реальных ситуациях требуется не только формальное решение задачи оптимизации, но и учет специфики производства. Очевидно, что учет специфики производства более эффективно выполняет человек, а решение формализованных задач — машина [36].

Актуальность решения указанных задач нашла отражение в научно-технической программе № 202 «Инновационная деятельность высшей школы», подпрограмме № 202.03 «Инновационные научно технические проекты по приоритетным направлениям науки и техники», разделе научно-технической подпрограммы № 202.03.01, в проекте НИР № 03.01.59 «Создание программного комплекса для моделирования и оптимизации миниэнергосистем на базе автономных электростанций», а также программой гранта РФФИ 99−02−18 088 «Теоретические основы и исследования динамических свойств больших электроэнергетических объединений и решение проблем управления устойчивостью их режимов» и гранта «Синтез законов квазимодального управления устойчивостью больших распределенных динамических систем при ограниченной измеряемой информации» Министерства Образования РФ в области технических наук по направлению «Автоматика и вычислительная техника», а также многочисленными исследованиями, проводимыми во многих странах мира [30].

Целью работы является разработка человеко-машинной программной системы для выполнения многовариантных расчетов и оптимизации режимов СЭ. Для достижения поставленной цели в работе ставятся и решаются следующие задачи:

— сформулировать и решить задачи структурной и параметрической оптимизации СЭ, для номинальных и для аварийных режимов работы;

— разработать методику решения однокритериальных многопараметрических задач, не зависящую от размерности и вида критериальной функции, обладающую высокой устойчивостью получения решения;

— разработать алгоритмы решения задач структурной и параметрической оптимизации СЭ;

— разработать «конструктор» электрических схем, то есть графический редактор для формирования расчетной схемы системы электроснабжения (энергосистемы), автоматически проверяющий правильность соединения элементов и формирующий математическую модель системы.

Решение поставленных задач в работе службы энергетики позволит повысить скорость и качество принимаемых решений в штатных и нештатных ситуациях.

Научная новизна диссертации состоит в следующем.

1. На основе метода узловых потенциалов построены и обоснованы критерии, применимые для структурной и параметрической оптимизации систем электроснабжения любой конфигурации.

2. На основе эволюционно-генетического метода разработана методика нахождения решений для различных классов дискретных оптимизационных задач (безусловных, нелинейных и многопараметрических), которые в традиционных подходах решались своими собственными методами. Данная методика не зависит от класса задачи, позволяет эффективно находить оптимальные или квазиоптимальные и оптимальнокомпромиссные решения, сводя исходные задачи к единой модели поиска оптимальных вершин в многомерном гиперкубе.

3. Разработаны алгоритмы структурной и параметрической оптимизации системы электроснабжения.

На основе предложенных в работе теоретических подходов:

— разработан программный комплекс «Энергетика» (свидетельство об официальной регистрации № 2 002 611 687 от 4 октября 2002 года), позволяющий набирать схемы СЭ и автоматически формировать матрицы данных для задач параметрической и структурной оптимизации, моделировать статические и квазистационарные режимы работы СЭ, решать задачи структурной и параметрической оптимизации для набранных схем;

— разработана инструкция для пользователя к данному программному комплексу;

— выполнено исследование режимов работы распределительной подстанции ЦРП-7 на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» и показано, что можно добиться определенного снижения издержек на оплату электроэнергии при сохранении производительности механизмов на заданном уровне;

— выполнено исследование инструкций по аварийной подаче напряжения ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» (предлагаемых ими решений) и математически показана их эффективность.

Положения выносимые на защиту:

— постановка задач интеллектуализации принятия решений для служб электроэнергетики;

— математические модели структурной и параметрической оптимизации;

— методика решения полученных многопараметрических задач структурной и параметрической оптимизации;

— алгоритмы решения задач структурной и параметрической оптимизации;

— программная среда интеллектуальной поддержки процессов оперативного управления электроснабжением промышленного предприятия, разработанная на основе полученных математических моделей и алгоритмов их решения.

Основные положения диссертации были представлены на V международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002), IV международной научно-практической конференции «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2001), III международной научно-практической конференции «Проблемы энергои ресурсосбережения в промышленном и жилищно-коммунальном комплексах» (Пенза, 2002), всероссийской научно-практической конференции «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2001), II конференции «Информация, инновации инвестиции» (Пермь, 2001), IV всероссийской научной internet конференции «Компьютерное и математическое моделирование в естественных и технических науках» (Тамбов, 2002).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате построения интеллектуальной системы для быстрого поиска эффективных решений по конфигурированию и замене оборудования СЭ в штатных, и нештатных ситуациях были поставлены и решены следующие задачи: 1) для структурной и параметрической оптимизации СЭ построены и обоснованы критерии на основе метода узловых напряжений применимые к СЭ любой конфигурации, 2) критерии задач оптимизации дополнены ограничениями, 3) максимально упрощены полученные задачи математического программирования с целью увеличения скорости их решения, 4) для поученных задач разработана методика нахождения решения на основе эволюционно-генетического метода, не зависящая от класса этих задач, позволяющая эффективно находить оптимальные или квазиоптимальные и оптимально-компромиссные решения, 5) разработан «конструктор» электрических схем (то есть графический редактор для формирования расчетной схемы СЭ), автоматически проверяющий правильность соединения элементов и формирующий математическую модель системы в виде матриц соединений для последующего использования этой информации для проведения расчетов, 6) разработана программная среда для моделирования СЭ, 7) данная среда моделирования интегрирована с методами поиска структуры и параметров оборудования СЭ.

При решении поставленных задач, был дополнен метод потенциалов таким образом, что он стал пригоден для расчета схем СЭ с различными уровнями напряжения (с трансформаторами и источниками ЭДС различного напряжения) и в различных режимах работы. Ранее для расчета установившихся режимов без КЗ и установившихся режимов КЗ использовались свои собственные методы, совершенно не похожие друг на друга, а метод потенциалов применялся только для расчета схем в установившихся режимах без КЗ. Метод основан на использовании метода потенциалов. В результате расчета таким методом будут получены значения, отличные от реальных (значения в именованных единицах, для пересчета которых существует специальная методика, аналогичная подобному переводу при классических расчетах режимов КЗ в именованные единицы и обратно).

Для оптимизации режимов работы СЭ предложена модель, позволяющая получать оптимальные с точки зрения потерь мощности конфигурации системы и подбирать оптимальные характеристики элементов СЭ для любой схемы СЭ. Предлагаемые ранее модели были ориентированы на использование с конкретными схемами СЭ, а методы построения не были универсальными и требовали персонального подхода при построении моделей. Т.к. метод потенциалов записывается в матричной форме то, и критерий тоже. Критерием может быть любая величина, которая выражается из метода потенциалов (для минимизации потерь мощности это квадрат тока). Отдельными матрицами задается структура СЭ и ее характеристики. Матрицы имеют однообразную форму для СЭ любой конфигурации.

Помимо перечисленных задач были решены задачи, которые не ставились в ходе исследования: выполнено исследование режимов работы ЦРП-7 ПНОС и показано, что при рациональном управлении уровнями напряжения можно добиться определенного снижения издержек на оплату электроэнергии при сохранении на заданном уровне производительности механизмов. Выполнено исследование инструкций по аварийной подаче напряжения ПНОС и предлагаемых ими решений и математически показана их эффективность в сравнении с решениями найденными разработанными алгоритмами.

Использование полученных результатов в работе служб энергетики позволит повысить скорость и качество принимаемых решений в нештатных ситуациях, а также облегчить поиск номинальных режимов работы электрического комплекса предприятия и выбор оборудования в условиях постоянной модернизации и расширения СЭ.