CC BY
20
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ГЕНЕТИЧЕСКИЙ АЛГОРИТМ СТРУКТУРНОГО СИНТЕЗА ЭЛЕКТРОСЕТИ МЕГАПОЛИСА1 Кузьмина И.А. Email: [email protected]
Кузьмина Инна Анатольевна - старший преподаватель, кафедра РК6 (Системы автоматизированного проектирования), факультет РК (Робототехника и комплексная автоматизация), Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, г. Москва
Аннотация: в статье рассматривается задача структурного синтеза электросети мегаполиса на уровне напряжения 10 кВ, состоящая из трансформаторных и распределительных подстанций, объединенных кабельными линиями. В работе даны общие сведения о структуре электросетей мегаполиса напряжением 10 кВ, представлена математическая постановка задачи синтеза, приведен разработанный автором алгоритм решения поставленной задачи, основанный на концепциях генетического поиска, даны результаты исследования эффективности и работоспособности предложенных технических решений.
Ключевые слова: структурный синтез, электросеть мегаполиса, генетический алгоритм.
GENETIC ALGORITHM OF STRUCTURAL SYNTHESIS METROPOLIS POWER NETWORK Kuzmina I.A.
Kuzmina Inna Anatolevna - Senior Lecturer, DEPARTMENTRK6 (COMPUTER-AIDED DESING SYSTEMS), FACULTYRK (ROBOTICS AND COMPLEX AUTOMATION), BAUMAN MOSCOW STATE TECHNICAL UNIVERSITY, MOSCOW
Abstract: the problem of structural synthesis of a megacity power network at a voltage level of 10 kV, consisting of transformer and distribution substations, connected by cable lines, is considered in the article. The paper gives general information on the structure of the megacity network with a voltage of 10 kV, presents the mathematical statement of the structural synthesis problem, presents the algorithm developed by the author for solving the problem, based on the concepts of genetic search, the results of research on the efficiency and efficiency of the proposed technical solutions.
Keywords: structural synthesis, megalopolis power network, genetic algorithm.
УДК 004.02
DOI: 10.20861/2304-2338-2017-118-003
Введение
Городские распределительные сети электроснабжения имеют высокие темпы непрерывного развития. Так, в Москве ежегодно строятся около 400 новых трансформаторных подстанций (ТП) и около 50 распределительных подстанций (РП) [1]. Каждая новая подстанция должна быть включена в состав существующей сети электроснабжения. Включение новых ТП или РП в сеть электроснабжения оказывает влияние на некоторую зону электросети, состоящую из десятков энергетических
'Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ 16-37-00353.
объектов. При этом не должны быть снижены качество передаваемой электроэнергии и надежность электроснабжения других потребителей.
В работе представлен разработанный автором алгоритм решения задачи структурного синтеза электросети мегаполиса на уровне напряжения 10 кВ, основанный на концепциях генетического поиска.
1. Общие сведения об электросетях мегаполисов
В статье рассматривается задача структурного синтеза городских распределительных сетей электроснабжения, в общем случае представляющих собой объединенные кабельными линиями (КЛ) ТП и РП. В зависимости от величины потребляемой мощности объекты городской инфраструктуры подключены к ТП или РП (рис. 1).
Для современных электросетей мегаполисов характерна установка закрытых двухтрансформаторных подстанций с числом ячеек низкого напряжения, равным десяти, и высокого напряжения, равным четырем. Номинальная мощность устанавливаемых на ТП трансформаторов варьируется от 400 до 1600 кВА [2].
Рис. 1. Структура электросети мегаполиса
Для современных электросетей мегаполисов характерна установка закрытых двухтрансформаторных подстанций с числом ячеек низкого напряжения, равным десяти, и высокого напряжения, равным четырем. Номинальная мощность устанавливаемых на ТП трансформаторов варьируется от 400 до 1600 кВА [2].
Электросети напряжением 10 кВ могут быть отнесены к одному из следующих типов [3]:
• радиальные без резервирования и с резервированием (Рис. 2 а, б);
• замкнутые петлевые без резервирования и с резервированием (Рис. 2 в, г);
• с двухсторонним питанием без резервирования и с резервированием (Рис. 2 д, е);
• сложнозамкнутые (Рис. 2 ж).
РП
о—а
тп тп
-о
тп
а) Радиальные без резервирования
б) Радиальные с резервированием
в) Замкнутые петлевые без резервирования
г) Замкнутые петлевые с резервированием
ж) Сложнозамкнутые Рис. 2. Основные типы конфигураций электросети 10 кВ
О
'- РП;
■ ТП;
- КЛ
Строительство электросетей радиального типа без резервирования характеризуется наименьшими капиталовложениями. Однако в случае повреждения любой из КЛ или трансформатора, электроснабжение потребителей будет прервано до момента устранения неисправности, что может занять значительное время. Электросети радиального типа с резервированием могут функционировать в случае единичных повреждений КЛ или трансформаторов, однако, уровень их надежности считается низким.
Электроснабжение потребителей, подключенных к электросетям замкнутого петлевого типа, является более надежным по сравнению с первой схемой, тем не менее, эти сети могут быть применены для электроснабжения потребителей, относящихся только к 11-й и 111-й категориям [2].
Одними из наиболее надежных типов сетей являются электросети с двухсторонним питанием - электроснабжение потребителей, подключенных к таким электросетям, не прерывается при повреждении одной КЛ или трансформатора.
Сложнозамкнутые электросети характеризуются значительными
капиталовложениями и повышенными требованиями к технической эксплуатации. Данный тип электросетей имеет высокое качество напряжения и минимальные потери электроэнергии в сетях. Сложнозамкнутые электросети зачастую возникают при включении новых подстанций в существующую электросеть любого типа.
В электросетях мегаполисов преимущественно используют сети с двухсторонним питанием и сложнозамкнутые сети. Число ТП, включенных в цепочку, составляет 316 подстанций. В нормальном режиме функционирования сети петля (или цепочка) разомкнута [4].
1. Задача синтеза электросети мегаполиса напряжением 10 кВ
Включение новых ТП или РП в сеть электроснабжения оказывает влияние на некоторую локальную область электросети, в частности меняется загрузка КЛ участка
сети. Следовательно, для каждого варианта включения новой подстанции в электросеть должен быть рассчитан установившийся режим электроснабжения всей сети.
В работе учитывается, что электросеть мегаполиса имеет сложнозамкнутую конфигурацию или структуру с двусторонним питанием и резервированием. Это означает, что каждая ТП включена в цепочку, исходящую и входящую в РП (рис. 3).
Рис. 3. Пример цепочки кольцевой или сложнозамкнутой структуры электросети
!■ СЗ _ ТП ■ ^ - КЛ■ ^
РП; — - ТП; - КЛ; * - откпюченная КЛ
Подключение новой ТП к электросети может быть осуществлено двумя следующими способами [4].
1) включение ТП в цепочку посредством разрыва существующей цепи и добавление в нее нового звена (Рис. 4 а).
2) включение ТП посредством создания новой цепочки РП-ТП-РП (Рис. 4 б).
а) включение новой ТП в цепочку б) строительства новой цепочки РП-ТП-РП
электросети
Рис. 4. Пример включения новой ТП в структуру электросети мегаполиса
!■ СЗ - ТП ■ ^ - КЛ ■ ^
-РП; ^— —ТП; -КЛ; * - откпюченная КЛ;
* - «разорванная» КП; - новая КЛ
2. Математическая постановка задачи
Имеется сеть электроснабжения мегаполиса сложнозамкнутой конфигурации, представленная на уровне напряжений 10 кВ совокупностью ТП и РП, соединенных КЛ (рис. 5). Для упрощения задачи, уровень питающих центров (ПЦ) не рассматривается. ПЦ рассматриваются в задаче как источники неограниченной мощности.
Рис. 5. Пример топологии фрагмента электросети
- РП; - ТП; ^^ - новая ТП; ¡/^ -КЛ
Исходную электросеть электросети мегаполиса представляет собой направленный граф
^исх _ грисх |^исх^
где К исх - исходное множество РП электросети; К но в - исходное множество ТП электросети; Ьисх - исходное множество всех КЛ электросети.
Совокупность новых ТП и РП задают множества и соответственно. Ставится задача определения варианта включения новых ТП и РП в существующую сеть электроснабжения.
3. Алгоритм определения варианта включения новых подстанций в сеть электроснабжения
Решение задачи выполнено с применением концепций генетического поиска. Выбор данного подхода для решения задачи обусловлен: высокой гибкостью алгоритмов генетического поиска (возможно легко менять критерии проверки работоспособности полученного решения, при этом основные операции алгоритма останется неизменными).
Учитывая описанные выше особенности решаемой задачи, разработана следующая
т^нов
схема кодирования хромосомы: каждой новой ТП Т ^ в соответствие поставлены
два гена хромосомы; первый ген соответствует ТП/РП, от которой в /-ую ТП производится подача электроэнергии (основная связи); второй ген соответствует
нов
ТП/РП, куда передается электроэнергия от ТП Т г- . Аллелью (значением гена)
т_т т^нов
является номер ТП/РП Н ■, к которой будет подключена ТП Т . Длина
J '
хромосомы равна 2
Тн
где |ТН0В| - число новых ТП. На рисунке 6 приведена
структура хромосомы.
Рис. 6. Структура хромосомы Схема алгоритма решения задачи приведена на рисунке 7.
Исходными данными для задачи являются граф электросети Сисх , а также множества ТН0В и КН0В. Алгоритмы определения числа и мест строительства новых ТП и РП приведены в работе [6].
Рис. 7. Схема генетического алгоритма структурного синтеза электросети мегаполиса
напряжением 10 кВ
До начал работы алгоритма для каждой ТП Т^ов определяется набор ^
возможных вариантов ее включения в электросеть в соответствии со схемами, приведенными на рисунке 4. Значения генов хромосомы, соответствующих к-ой ТП, выбираются из набора ^.
Решение задачи начинается с формирования начальной популяции. После чего над особями популяции производятся основные действия генетического поиска - оценка их фитнес-функции, селекция, скрещивание, мутация. Если в результате получено решение, удовлетворяющее условию окончания вычислений, то алгоритм прекращает работу. Если решение не было получено за заданное число итераций, принимается решение о возведении новых РП.
4. Результаты численного эксперимента решения задачи структурного синтеза электросети
Оценка работоспособности и эффективности разработанного алгоритма выполнялась на тестовых задачах размерностью, соответствующей району электросети мегаполиса (около 350 - 400 ТП, 45 - 50 РП, 60 новых ТП) в интерактивном программном комплексе ELNET [7].
Среднее время решения задачи на персональном компьютере составило около 78 минут, что является допустимым для решения задачи структурного синтеза электросети. Основные затраты времени работы алгоритма пришлись на создание начальной популяции хромосом, соответствующих ограничениям (около 18% от всего времени решения задачи), а также расчет режима и оценку работоспособности получаемых в ходе решения задачи схем электроснабжения (около 74%).
Большее число получаемых в ходе решения хромосом (98,7%) не удовлетворяли ограничениям, накладываемым на сеть электроснабжения мегаполиса (допустимые нагрузки КЛ и пр.). Для повышения эффективности, разработанный алгоритм может быть усовершенствован путем реализации последовательного составления хромосомы: при выборе из набора Vk варианта
включения новой ТП Т^ов (задания 2 генов хромосомы), реализуется проверка
допустимости такого решения с учетом уже включенных в состав структуры электросети новых ТП (уже заданных генов хромосомы).
Список литературы /References
1. Годовой отчет ПАО «МОЭСК» 2016 г. / Утв. Годовым Общим собранием акционеров ПАО «МОЭСК». 08.06.2017. Москва, 2017.
2. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д.Л. Файбисовича. 4-е изд. Перераб. и доп. М.: ЭНАС, 2012. 376 с.
3. Методические рекомендации по проектированию развития энергосистем. СО 15334.20.118-2003. М.: Энергоатомиздат, 2003. 22 с.
4. СибикинМ.Ю. Электроснабжение. Учебное пособие. М.: РадиоСофт, 2014. 328 с.
5. Карпов Ф.Ф. Расчет городских распределительных электрических систем. М.: Энергия, 1968. 223 с.
6. Карпенко А.П., Кузьмина И.А. Определение числа и мест строительства подстанций при решении задачи перспективного развития городской распределительной сети энергоснабжения // Наука и образование: электронное научное издание. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014. № 12. С. 798-815. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://technomag.bmstu.ru/doc/743490.html/ (дата обращения: 24.11.2017).
7. Кузьмина И.А. Системы автоматизации проектирования объектов электроэнергетики. Интерактивный программный комплекс ELNET // Информатизация инженерного образования: труды Международной научно-практической конференции. М., 2016.
