CC BY
31
УДК 621.316.3: 519.6: 004.4
ФОРМИРОВАНИЕ БАЗЫ ДАННЫХ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ СТРУКТУРЫ СИСТЕМООБРАЗУЮЩЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
© И.Ю. Усов1, О.М. Попова2
1 2
' Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, 1Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск ул. Лермонтова, 83.
Выделены главные функции системообразующей электрической сети. Приведена постановка задачи оптимизации развития сети. Рассмотрен упрощенный алгоритм оптимизации структуры основной сети. Показаны особенности формируемой базы данных, представлен ее состав. Отмечена целесообразность создаваемого программно-вычислительного комплекса. Ил. 4. Библиогр. 6 назв.
Ключевые слова: системообразующая электрическая сеть; оптимизация; база данных; программно-вычислительный комплекс.
DATABASE FORMATION TO OPTIMIZE BACKBONE ELECTRIC NETWORK STRUCTURE I.Yu. Usov, O.M. Popova
L.A. Melentiev Energy Systems Institute SB RAS, 130 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664033. Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
The article identifies the key functions of the backbone electric network. It formulates the problem of network development optimization, examines a simplified algorithm to optimize the main network structure, demonstrates the features of the database being formed, and presents its composition. The authors describe the specific features of the database to be constructed and its composition. The advisability of the created software package is shown. 4 figures.6 sources.
Key words: backbone electric network; optimization; database; software and computing system.
Системообразующая электрическая сеть (СЭС) электроэнергетических систем (ЭЭС) выполняет следующие главные функции [3]:
• выдача мощности крупных электростанций;
• электроснабжение крупных узлов нагрузки (промышленных агломераций, мегаполисов и др.);
• осуществление совместной работы энергосистем в составе Единой энергетической системы России.
Целью управления процессом развития СЭС является формирование совокупности наиболее экономичных вариантов сети и выбор наилучшего варианта. Для решения задачи оптимизации развития СЭС в ИСЭМ СО РАН разработан программно-вычислительный комплекс (ПВК), составной частью которого является геоинформационная система (ГИС) [4]. В настоящее время создается вторая версия этого комплекса, что обусловлено как развитием исходных алгоритмов, так и накопившимися проблемами информационного обеспечения [5].
Задача оптимизации структуры СЭС В статье [3] представлен программно-
1Усов Илья Юрьевич, кандидат технических наук, младший научный сотрудник, доцент кафедры электроснабжения и электротехники ИрГТУ, тел.: 89149055292, e-mail: ilyaus@bk.ru
Usov Ilya, Candidate of technical sciences, Junior Researcher, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering of ISTU, tel.: 89149055292, e-mail: ilyaus@bk.ru
2Попова Ольга Михайловна, кандидат экономических наук, старший научный сотрудник, тел.: 89149521365,
e-mail: pom@isem.sei.irk.ru
Popova Olga, Candidate of Economics, Senior Researcher, tel.: 89149521365, e-mail: pom@isem.sei.irk.ru
вычислительный комплекс, разработанный в ИСЭМ СО РАН для решения задачи оптимизации развития СЭС на основе линейной модели [4]. Ее целевая
функция имеет вид
( \
min
^,нов.сеть ^,нов.сеть ^,ген ^
LLC и Xij + LCi Xi
(1)
то есть минимум дисконтированных затрат при соблюдении балансов узлов (г = 1, N)
хг+Е (1 - р )Х7Ъ -Е ХГ = Рпо,р, (2)
3 3
где перетоки мощности по всем элементам СЭС -воздушным линиям (ВЛ) и трансформаторам - удовлетворяют условиям о < хсегь < XГ4"" + Х"°всегь с ограничениями на потоки мощности по существую-
гкг-^гк / т^сущ. сеть ---.нов. сеть ,
щим, новым элементам СЭС (ру , р ), в
сечениях (рпред ) и на располагаемые мощности станций:
0 * X
сущ.сеть ^ ^суш;.сеть
_ P ii 1
о < ^ хг;еть < P 1
q ^ ---^нов.сеть ^ „нов.сеть < Xij < Pj пред
(3)
(4)
0 < Хгген < рген. (5)
Неизвестными величинами являются Хсущсеть, хнов'сеть (потоки мощности по существующим и новым элементам СЭС между узлами / и у ) и мощности генерации в узлах Хгген . В (2) р. - удельный коэффициент потерь мощности при передаче по связи между узлами / и у .
Исходные данные: рабочие мощности станции (Р{ ген), мощности нагрузок в узлах (Р{ потр) определяются из решения задач развития ЭЭС «верхнего» уровня (оптимизации структуры генерирующих мощностей и прогнозирования электропотребления). Данные об удельных приведенных затратах на единицу передаваемой мощности по новым элементам сети (с™. сеть), включающие капиталовложения и постоянные издержки, определяются согласно следующему выражению:
С" = (Ен • К + И%к)/Ршм, (6)
где Е - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (о.е.), принимаемый для объектов электроэнергетики равным 0,12; К - капиталовложения в новый элемент сети (руб.); И%Л. - постоянные издержки, вычисляемые в процентах от К; Р - номинальная мощность элемента сети, принимаемая для линий электропередач равной натуральной мощности, а для трансформаторов, произведению полной номинальной мощности на коэффициент мощности (0,9).
Для узлов графа, в которых размещены электрические станции, рассчитываются удельные переменные затраты на генерируемую мощность:
Сгген = Ьгуд • а • Н, (7)
где Цд - удельный расход топлива в генерирующих установках I -го узла (т.у.т./МВт*час); а - цена топлива в узле , (руб/т.у.т.); Н - среднегодовая длительность режима работы генерирующего оборудования (час).
Пропускные способности элементов сети
Лсущ. сеть ---.нов. сеть
) принимаются в соответствии с
, пс)щ сеть т-чн
( РУ ' РУ
паспортными данными оборудования для каждого элемента схемы электрической сети (трансформатора и линии электропередач).
В качестве ограничений по пропускной способности сечений (Р пред ) на первом этапе оптимизации используются сумма пропускных способностей связей, входящих в сечение.
Для выбора вариантов развития СЭС с учетом предельных передаваемых мощностей в сечениях по условиям статической устойчивости, программно реализована структурная модель, использующая методы и алгоритмы структурного анализа ЭЭС [1]. В модели для расчета предельных по статической устойчивости
мощностей в сечениях СЭС (рпред ) используются показатели структурного анализа ЭЭС:
- взаимные структурные мощности генераторов:
W = EEy
(8)
где Ei, Е. - переходная ЭДС генераторов в модели "шины - переходное сопротивление - переходная ЭДС", а у,, - взаимная проводимость между узлами с
* У
Е и Еу ;
- собственные структурные мощности генераторов:
Щ = Е ЕЯ, (9)
где - активная составляющая собственной проводимости узла ,.
Исходными данными для структурной модели ЭЭС (8)-(9) являются проводимости элементов, входящих в схему замещения электрической сети и переходная ЭДС генераторных узлов.
Значения проводимостей элементов сети рассчитываются по следующим формулам:
- для генераторов:
S„
У г =-
jX* U
2
ном
(10)
где yr - проводимость генератора (См); X d* - продольное реактивное сопротивление генератора в о.е.;
SH0M - номинальная полная мощность генератора
(МВА).
- для трансформаторов:
■ S S
У =-но^ +-но^, (11)
AP ■U2 jU ■U2
к з . ном J к з . ном
где yT - проводимость трансформатора (См); SH0м,
Uном- номинальная полная мощность (МВА) и
напряжение (кВ) трансформатора; APK3 - потери
мощности короткого замыкания; UK3 - напряжение короткого замыкания трансформатора в о.е. (для автотрансформаторов UK3 на соответствующей стороне высокого, среднего или низкого напряжения).
- для линий электропередач:
У лэп = ((ro + jx о )■!) ,
(12)
где у лэп - проводимость линии (См); г0, хд- погонное сопротивление линии (Ом /км); l - длина линии (км).
у
Значение переходной ЭДС (Ег) в узлах, где размещены электростанции, рассчитывается по выражению
Е
(ином ■ С08^ом/ +
■л/э ■ 1Г ■ Х'У
* ном а/
, (13)
У + (ином ■ вШ^ом +'
где ином, 1 нГом С0^ном, - номинальное напряжение (кВ), ток (кА) и коэффициент мощности генератора (о.е.); Хй - продольное реактивное сопротивление
генератора (Ом).
Для определения собственных и взаимных структурных мощностей расчетная схема замещения ЭЭС (рис. 1, а) любым из известных методов эквиваленти-рования приводится к виду полного графа (рис. 1, б), в вершинах которого лежат узлы с ЭДС (Е).
С помощью структурной модели ЭЭС (8)-(9) в процессе оптимизации сети каждый из выбираемых вариантов СЭС проверяется по упрощенным критериям статической устойчивости в сечениях [6], которые могут быть отнесены к двум типам: генераторные и сетевые.
Предельная по статической устойчивости мощность для первого типа сечений
Рпред = (1 - ^ ) щ , (14)
где
щ = щ +£щу. -
3 - максимальная мощность
/=1
генератора, равная собственной структурной мощности и сумме взаимных структурных мощностей генератора по всем его связям в эквивалентной схеме;
кз - коэффициент запаса по активной мощности в сечении.
Для второго типа сечений предельная по статической устойчивости мощность в I -м сечении, разделяющем систему на подсистемы A и B при передаче потока мощности из A и B:
Г) пред Р1
(1 - К) щ
где
3 - максимальная мощ-
/еА
/еА ]ЧА
ность сечения 1, равная сумме собственных мощностей генераторов подсистемы A и сумме взаимных мощностей генераторов подсистем A и B, получаемая при условии
(16)
Щ >£ ■ Рг .
/ г ном,/
(15)
В выражении (16) ргоми - номинальная мощность
г -го генератора подсистемы A; ет - малая величина, применяемая для оценки связности -го генератора подсистемы A с генераторами подсистемы В.
Упрощенно алгоритм решения задачи оптимизации СЭС (рис. 2) может быть представлен пятью основными процедурами (этапами):
1) формированием исходных данных для линейной модели согласно (6)-(7);
2) расчетом сетевой задачи на линейной модели (1)-(5);
3) дискретизацией решения линейной модели, то есть трансформацией ее непрерывного решения (потоков мощности) в дискретное (схему развития сети);
4) проверкой в модели допустимости потоков мощности в сечениях;
5) формированием в структурной модели (8)-(9) ограничений на предельные передаваемые в сечениях мощности по условиям статической устойчивости (14)-(15).
В случае, если потоки мощности не превышают предельно допустимые во всех рассматриваемых сечениях, то полученная после дискретизации перспективная схема СЭС (вариант схемы) считается определенной. Результаты расчета сохраняются в базе данных.
В противном случае производится следующий цикл оптимизации структуры СЭС, в котором используются рассчитанные в блоке структурного анализа ограничения (14)-(15). На основе нового решения линейной модели формируется уточненная схема развития сети с увеличенными за счет ввода новых элементов пропускными способностями сечений. Итеративный процесс проверки и уточнения схемы продолжается до тех пор, пока схема СЭС не будет удовлетворять условиям статической устойчивости.
а)
Укк Уп\ б)
Рис. 1. Схема замещения ЭЭС: а - расчетная; б - эквивалентная (взаимные проводимости генераторных узлов
обозначены сплошными линиями)
где Рщ - наименьшая из предельных мощностей по
нагреву или по выражениям (14)-(15) 1-го сечения в базовой схеме, в которой присутствуют только существующие на начало расчетного периода элементы
электрической сети; р1 - предельная мощность 1-го
сечения в схеме ^, которая получена из базовой добавлением в-й новой линии.
Эта процедура позволяет не только определить наибольшую пропускную способность новых элементов основной сети с учетом ее полной схемы, но также формализованно отобрать и обосновать совокупность конкурирующих в процессе оптимизации новых ВЛ (в эту совокупность не включаются те варианты сооружения новых электропередач основной сети, которые не дают существенного прироста пропускной способности усиливаемых сечений)
Упрощенный анализ надежности сформированной совокупности рациональных вариантов развития СЭС будет осуществляться по критерию N-1. При этом выбранные варианты развития электрической сети должны обеспечивать выдачу всей располагаемой мощности электростанций, как в нормальном режиме, так и при отключении любого элемента отходящего от генерирующего узла. Для межсистемных (сетевых) сечений при отключении любого элемента сети, входящего в рассматриваемое сечение, также должна обеспечиваться передача максимального расчетного потока в нормальном режиме. Каждый из указанных критериев надежности требует создания отдельного алгоритма.
Использование упрощенных алгоритмов анализа надежности для генераторных и сетевых сечений поз-
Рис. 3. Состав базы данных ПВК оптимизации развития СЭС
Совершенствование расчетного алгоритма ПВК (рис. 2) предполагается осуществить за счет его реализации на единой программной платформе, создания процедур расчета длин новых электропередач, предварительного отбора новых трасс прокладки электропередач с учетом их влияния на пропускную способность сечений, упрощенного расчета надежности схемы сети, предоставления возможностей полной автоматизации расчета.
Рис. 2. Упрощенный алгоритм оптимизации структуры СЭС
Расчет фактических длин новых электропередач будет реализован посредством геоинформационных технологий с учетом ландшафта и условий прокладки каждой новой линии.
В целях сокращения области поиска оптимального решения предварительный отбор новой (в-й) трассы прокладки электропередачи в сечении может быть осуществлен по выражению:
Р" = шнх(Р/ - Раз) , (17)
Рис. 4. Отображение пространственных данных из БД
волит определить совокупность дополнительных новых элементов электрической сети, необходимых для обеспечения надежной выдачи мощности электростанций и транзита мощности в сечениях ЭЭС.
Для формирования рациональной структуры электрической сети в автоматизированном режиме необходимо выполнять дискретизацию решения линейной модели без участия эксперта. В этом случае должен быть задан коэффициент минимального потока по новому элементу электрической сети, при котором он автоматически включается в список элементов электрической сети, подлежащих вводу в расчетный период.
Формирование базы данных
Крупным недостатком существующего информационного обеспечения является дублирование имеющихся баз данных (или их частей) в зависимости от решаемой задачи. На данный момент формируется единая БД Elnetworks. Проведено проектирование БД, в результате которого определены состав необходимых таблиц БД и связи между ними.
Таблицы формируемой Бд разделены на четыре крупные группы (рис. 3):
> словари объектов ЭЭС и дополнительных показателей;
> развернутые реквизиты выделенных объектов ЭЭС;
> паспортные данные объектов ЭЭС;
> режимы объектов ЭЭС.
В группе «Словари» размещены коды и описание основных групп объектов, видов их территориальной и технологической принадлежности.
Группа «Варианты» содержит описание базовых состояний схем СЭС единой энергосистемы России или ее части (ОЭС, РЭЭС), для которых планируется проведение оптимизационных расчетов. Эти состояния представляют совокупность всех существующих и возможных к строительству генерирующих и потребляющих узлов, а также схему их соединения посредством всех возможных в рассматриваемом варианте существующих и новых элементов электрической сети с указанием типа энергетического оборудования. В этой группе также задана информация о значении постоянных величин (коэффициента запаса по статической устойчивости в сечении, базисного напряжения, коэффициента минимального потока ввода по новому элементу сети и др.), используемых в процессе расчета.
Номинальные данные о параметрах типового электрического и энергетического оборудования энергосистем (мощности, сопротивлении, стоимости и др.) содержатся в группе «Паспорта».
Группа таблиц «Режимы» содержит данные о состоянии и загрузке оборудования в рассматриваемом режиме. В таблицы указанной группы осуществляется запись результатов оптимизационного расчета СЭС, включая перечень новых элементов электрической сети, требуемых к сооружению. На основе данных таблиц этой группы осуществляется визуализация
получаемого решения оптимизационной задачи.
С позиций уменьшения избыточности информации и ускорения доступа к данным формируемую БД в процессе ее нормализации предполагается привести к третьей нормальной форме. В отношении геоданных, характеризующих объекты ЭЭС, важно установить взаимосвязи с создаваемой в Российской Федерации инфраструктурой пространственных данных. Пример пространственной привязки данных приведен на рис. 4. Построение геоинформационной системы развивающихся электрических сетей представлено в [2].
Заключение. Формируемая БД Elnetworks является основой информационного обеспечения создаваемого программно-вычислительного комплекса. Использование ПВК при разработке генеральной схемы развития электроэнергетики на долгосрочную перспективу, схем и программ развития Единой энергетической системы России, схем и программ развития энергосистем субъектов Российской Федерации на
среднесрочную перспективу, стратегий развития и инвестиционных программ крупных сетевых операторов (ОАО «ФСК», холдинг «МРСК» и др.) позволит обеспечить принятие обоснованных и взаимоувязанных управленческих решений, снизит вероятность ошибок проектирования вследствие влияния «человеческого фактора», обеспечит сокращение затрат времени на разработку и корректировку указанных документов.
Разрабатываемый ПВК будет обеспечивать передачу полученных результатов решения задачи оптимизации развития СЭС для дальнейших вариантных технико-экономических расчетов с использованием оценочных экономических моделей развития и детальных моделей электрических режимов ЭЭС также в более близком горизонте планирования.
Работа поддержана грантом НШ-1507.2012.8.
1. Абраменкова Н.А., Воропай Н.И., Заславская Т.Б. Структурный анализ электроэнергетических систем. Новосибирск: Наука, 1990. 224 с.
2. Попова О.М. Построение геоинформационной системы электрических сетей // Вестник ИрГТУ. 200б. № 2. С. 101104.
3. Попова О.М, Усов И.Ю. Оптимизация развития системообразующей электрической сети с помощью геоинформационных технологий // Проблемы управления. 2010. № 4. С. 66-73.
4. Попова О.М., Такайшвили В.Р., Труфанов В.В. Пакет программ для анализа развития электрических сетей с использованием геоинформационных технологий. Иркутск, 2001
ский список
(Препр. / ИСЭМ СО РАН; № 8). 27 с.
5. Усов И.Ю., Попова О.М, Труфанов В.В. Проблемы информационного обеспечения задач развития системообразующей электрической сети // Труды Пятой международной конференции «Управление развитием крупномасштабных систем (MLSD'2011)». Том I. М.: ИПУ РАН, 2011. С. 395399.
6. Usov I.Yu. A Linear Model and Structural Analysis for Main Grid Expansion Optimization // Liberalization and Modernization of Power Systems: Congestion Management Problems. The International Workshop Proceedings. Irkutsk, Energy System Institute, 2003. P. 113 - 116.
