CC BY
12
УДК 519.876
Г.В. РУДАКОВА
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ОПТИМ1ЗАЦ1Я ОПЕРАТИВНОГО КЕРУВАННЯ ВЕЛИКИМИ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИМИ КОМПЛЕКСАМИ
У cmammi наведено можливi шляхи оптим1зацИ оперативного керування великою електроенергетичною системою за рахунок вдосконалення систем диспетчерського керування. Запропоновано використати безперервну математичну модель, що формуеться на основi апроксимуючих оболонок та дозволяе швидко отримати наближений опис територiально-розподiленоi системи. Полтшення роботи iнформацiйно-уnравляючоi системи керування мiститься в удосконаленнi системи пiдтримки прийняття рiшень завдяки вживанню наступних заходiв: побудовi безперервно'1' моделi для електроенергетично'1' системи; прогнозу розвитку авартно'1' ситуацп та оцiнки часу, що залишився на стабiлiзацiю ситуацИ; визначення оптимального управлтня в критичному режимi функцюнування.
Ключовi слова: автоматизована диспетчерська система керування, електроенергетична система, тформацтно-управляюча система, критичний режим функцюнування, прогнозування, оптимальне управлтня, система пiдтримки прийняття рiшення.
А.В. РУДАКОВА
Херсонский национальный технический университет
ОПТИМИЗАЦИЯ ОПЕРАТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ БОЛЬШИМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ КОМПЛЕКСАМИ
В статье рассмотрены возможные пути оптимизации оперативного управления большой электроэнергетической системой за счет усовершенствования систем диспетчерского управления. Предложено использовать непрерывную математическую модель, которая формируется на основе аппроксимирующих оболочек и позволяет быстро получить приближенное описание территориально-распределенной системы. Улучшение работы информационно-управляющей системы заключается в усовершенствовании системы поддержки принятия решений благодаря использованию следующих мероприятий: построения непрерывной модели для электроэнергетической системы; прогноза развития аварийной ситуации и та оценки времени, оставшегося на стабилизацию ситуации; нахождения оптимального управления в критическом режиме функционирования.
Ключевые слова: автоматизованная диспетчерская система управления, электроэнергетическая система, информационно-управляющая система, критический режим функционирования, прогнозирование, оптимальное управление, система поддержки принятия решений.
G.V. RUDAKOVA
Kherson National Technical University
OPTIMIZATION OF LARGE ELECTRIC POWER COMPLEX OPERATIONAL MANAGEMENT
The article discusses possible ways of optimizing the operational management of large electric power system by improving supervisory systems. It is proposed to use the continuous mathematical model which is based on approximating the membranes and allows you to quickly obtain an approximate description of geographically distributed systems. Improved performance information management system is to improve decision support system by using the following actions: building a continuous model for the electric power system; the forecast of an emergency and that estimates of the time remaining on the stabilization of the situation; finding the optimal control in the critical mode of operation.
Keywords: automated dispatch control system, electric power system, management information system, a critical mode of operation, forecasting, optimal control, decision support system.
Постановка проблеми
Визначну роль в забезпеченш сощально-економ1чного розвитку Укра1ни, И конкурентоспроможносп у световому економ1чному простор! вщграе енергетичний комплекс [1, 2]. З врахуванням значущосп економ1чного ефекту, що забезпечуеться в результат! надшного i безперебшного функцюнування електроенергетичних шдприемств, здшснюеться державна полггака Укра1ни у сферi електроенергетики. Стратепчними щлями розвитку електроенергетичного комплексу
Укра!ни е його докоршна перебудова на 0CH0Bi новггшх технологш i3 забезпеченням MaHeBpeHOCTi, енергетично! та економАчно! eфeктивностi, eкологiчностi виробництва електроенергй.
Анaлiз останшх досл1джень i публшацш
На сьогоднi основу електроенергетичного комплексу Украши складае Об'еднана енергетична система (ОЕС), яка об'еднуе 8 регюнальних електроенергетичних систем, пов'язаних мiж собою системоутворюючими та мiждepжaвними високовольтними лшями електропередач. Завдяки ОЕС здiйснюеться цeнтpaлiзовaнe енергозабезпечення eкономiки, бюджетного сектора та населения кра!ни, регулюються мiжpeгiонaльнi та мiждepжaвнi перетоки та eкспоpтнi - iмпоpтнi поставки електроенергй' [3,4].
Специфша функцюнування едино! енергетично! системи i3 збереженням !! цiльностi, оперативно-диспетчерського керування, з одночасною дiею ринкових мeхaнiзмiв вимагае бшьш виваженого подходу до розв'язання юнуючих проблем енергетики. До проблем енергетики ввдносять:
1. Дефщит маневрових потужностей, який обумовлюе невщповщшсть потрАбних споживачам гpaфiкiв електричного навантаження можливостям електроенергетично! системи, що призводить до примусового обмеження електроспоживання.
2. Необхвдшсть роботи базових енергоблок1в у режимах з глибоким розвантаженням та перюдичними зупинками для забезпечення покриття змшно! частини гpaфiкiв навантажень призводить до значно! перевитрати сировини енергоноая та прискореного зносу обладнання. Нарощування обсяпв зносу обладнання та вщсутшсть можливосп його ввдновлення вводять енергетику в зону пiдвищeного ризику, технолопчних вщмов не пльки основного обладнання, але й систем автоматичного регулювання, релейного захисту та пpотиaвapiйного керування. Витрати через використання фАзично зношеного та морально зaстapiлого обладнання складають понад 465 млн. дол. США щорАчно.
3. Стан укра!нських електричних мереж з огляду постшного розростання системи з року в рш попршуеться, що призводить до аваршних ситуацш на рАвш окремих областей, значного зростання технолопчних витрат при транспортуванш електроенергй'. Вщсутшсть достатнього фшансування ремонтних робгг, заходАв з модершзаци та реконструкци електричних мереж та шдстанцш може призвести до системно! авари в ОЕС [5].
Питання про можливють запобтання виникнення системних аварш недостатньо висвгглеш в лггератур^ Враховуючи високу стутнь складносп та рАзномаштносл узагальненого процесу функщонування електроенергетично! галузА промисловосп на макрорАвш, що замикаеться на виршенш велико! кшькосп взаемопов'язаних задач, було розгорнуто науково-пошуковА роботи по виявленню перспективних шдходАв тдвищення ефективносп керування процесом енергопостачання та тдвищення якосп прийняття ршень на основА дослвджень функцюнування електроенергетично! системи (ЕЕС).
ЕЕС - це складна, територАально розгалужена Аерарх1чна система, яка постшно розвиваеться i змшюе свою структуру. Ведомо, що якщо система складаеться з тдсистем, то, в залежносп ввд зв'язк1в мАж тдсистемами, вся система в цшому може мати або не мати властивосп цих тдсистем. Таким чином, при штеграцп рАзних тдсистем система часто набувае новА властивосп i якосп, що призводить зА збАльшенням кшькосп елеменпв до неспостережливосп i некерованосп вае! системи. Як1сно шша поведшка системи пов'язана з !! переходом до класу великих систем [6].
Виникнення катастроф в енергосистемах рАзних кра!н можна пояснити вщсутшстю вщповвдних моделей таких великих систем i методАв керування електроенергетичними комплексами в критичних режимах функцюнування, при яких з'являеться реальна загроза виникнення авари або катастрофи. На сьогодення науковими колами енергетики вже взято курс на розвиток методАв дослщження й засобАв тдвищення ефективносп функщонування електроенергетичних систем, великий обсяг дослщжень традицшно проводиться в шституп електродинашки НАН Укра!ни. З огляду на тенденщю розвитку мжропроцесорних технологш i впровадження енергозбериаючих винаходАв вже сформували засади впровадження нових прогресивних комп'ютерних шформацшних технологш для керування електроенергетикою [7].
Формулювання мети дослiджень
Метою дослщжень е визначення шляхАв ошташзацй оперативного керування великою енергетичною системою (особливо в критичних режимах функцюнування) за рахунок впровадження в !! шформащйно-управляючу систему нових моделей та методАв для прогнозу, оцшки стану, щентифжацй критичних ситуацш та визначення додаткового керування енергосистемою в критичних режимах функцюнування.
Викладення основного мaтерiaлу дослвдження
Система керування електроенергетичними об'ектами мае Аерарх1чну структуру i мютить у собг
1. Автоматизоваш системи диспетчерського керування (АСДК), як1 функцюнують на вах рАвнях оперативного керування (на об'еднаних електроенергетичних системах, тдприемствах електричних мереж, районних електричних мережах).
2. Автоматизоваш системи керування технолопчними процесами (АСК ТП) електростанцш, енергоблок1в, пiдстанцiй, електромереж.
3. Системи автоматичного керування (САК) (локальна автоматика).
АСДК здшснюе управлшня АСК ТП i САК та безпосередньо енергооб'ектами на кожному рiвнi iерархiчноl системи. Характерним для вое! системи диспетчерського керування е те, що з переходом вщ нижньо! ланки iерархil до верхньо! функцп управлiння розширюються за рахунок збiльшення об'ему i ускладнення задач по веденню режиму, а об'ем оперативних задач ввдносно скорочуеться, але вiдповiдальнiсть за 1х виконання зростае.
Прояви структурно! фрактальносп сучасних виробничих комплексiв i 1'хшх систем керування, а також прояв фрактальних властивостей у процесах, що пропкають у системi, дае можливють описання об'ектiв розподшено! системи у категорiях «джерело-споживач» однаковим чином незалежно вiд рiвня iерархil, тобто формування параметрично фрактального опису. Це дае можливють на рiзних рiвнях iерархil використовувати однотипний (самоподiбний) опис й дозволяе для аналiзу подсистем рiзних рiвнiв використовувати единий математичний апарат для аналiзу 1хньо1 роботи й формування керування ними [8].
Для моделювання територiально розгалужених електроенергетичних структур необхвдне використання оболонок (поверхонь), що апроксимують, двох типiв: для джерел - постачальник1в енергп (модель енергопостачання) i для споживачiв енерги (модель енергоспоживання). Модель
енергопостачання враховуе, як елементи, ус джерела енерги I в регiонi (I = 1, к), мае вигляд поверхш та характеризуе рiвень потужносп електроенергп, який може бути доступним споживачу у будь-як1й точцi репону з урахуванням втрат на транспортування.
Б(х,у) = ^Р1 • , (1)
¿=1
де р. - частина потужностi джерела енерги, що призначена для енергозабезпечення; - коефiцiент втрат потужностi при транспортуванш енерги;
(Х1, У1) - координати джерела;
(х, у) - координати будь-яко! точки репону;
к - кшькють вузлiв джерел енерги.
При врахуванш iснуючих дротових електропостачальних мереж е можливють записати б№ш уточнену модель енергопостачання в видi:
х, У) = X XV Р (Ь) • еаЦз , Р (Ь) = Р • е аг^ , (2)
¿=1 ¿=1
де ау - коефщент втрат на лши мiж вузлами ¿у,
Ь е [0,1] - коефщент ввддалення вiд джерела ¿;
Уу - компонент матриц з'еднань електромережi.
Модель енергоспоживання в регюш складаеться з сумарного споживання всiх вiдомих споживачiв i (г = 1, п) в регiонi i буде мати вигляд поверхш енергоспоживання:
п I 2 2
С(х, у) = Рс +Х (Рт, - Р) • е (х-хг) +(у-у) , (3)
¿=1
де Рт1 - максимальна потужнють енерги, яка споживаеться в цен^ областi локалiзацi! ¿-го споживача;
Рс - середня потужнiсть споживання в заданому районi;
п - к1льк1сть вузлiв споживання енергИ;
а1 - коефщент загасання експоненти; п = V (х-х )2+(У-У1 )2 - ввдстань ввд центру областi локалiзацi! ¿-го споживача (х1, у1) до будь-яко! точки району з координатами (х, у).
Безперервш моделi у виглядi апроксимуючих оболонок (рис.1), що побудоваш з рiзним ступенем деталiзацi! (порядком наближення), можуть використатися для виршення задач рiзного типу. Для керування в критичному режимi й прискорення розрахунк1в можна використовувати безперервну модель меншого ступеня деталiзацi!, а для оптимального керування великою системою в нормальному режимi функцюнування порядок наближення (деталiзацil) може бути бшьшим.
Безперервну модель можна отримувати у виглядi так звано! «поверхш запасу» (рис. 2), що знаходиться як рiзниця м1ж поверхнями постачання та споживання:
Z(x,y, t) = D(x, y,t) - C(x, y, t).
(4)
Така динамiчна безперервна модель дае можливють проводити аналiз поведiнки та прогнозування стану енергосистеми у чаа. З використанням безперервно! моделi можливо оцiнювати поточний стан функцюнування електроенергетично! системи. А також визначати методи i алгоритми керування енергосистемою в критичному режимi функцюнування.
Pi
1Ш _i
х
S(x,y)
S(xy)
а) нульового
б) першого
в) другого
Рис. 1. Моделi piîHoro порядку наближення: (xi,yi) = (20, 15), P = 100 ; (x2,y2) = (80, 10), P2 = 50 ; (x3,y3) = (10, 60) Ръ = 20
Рис. 2. Приклад безперервно'1 моделi територiально розподшеноТ системи
Момент переходу системи з нормального режиму роботи в критичний режим функцюнування можна визначити за допомогою перевiрки умови:
Zmm < Z (X, У, t) < Zmax , (5)
де Zmin i Zmax - гранично припустимi значения поверхнi запасу для нормального режиму функцюнування системи в кожнш точщ з координатами (х, у) заданого району.
Якщо умова (5) не виконуеться, це сввдчить про те, що система перейшла у критичний режим роботи та виникае необхвдшсть прийняття ршень про керування для стабiлiзацiï ситуацп.
Час стабiлiзацiï tCT, протягом якого необхвдно розрахувати оптимальне керування для нормалiзацiï стану велико! системи в критичному режим^ можна оцшити по швидкостi змiни поверхнi запасу ресурсу Z ( x, y, t )
гст
2
шт(шах)
- 2 (х, у, г)
2 (х, у, г)
(6)
Фрактальна структуризащя велико! системи у свою чергу дозволяе обмежити меж й напрямки поширення можливо! катастрофи. При виявленш критично! ситуацi! у вузлi фрактала, де можливе зародження катастрофи, область Г! поширення буде обмежуватися вСма фракталами щдлеглими аварiйному вузлу, як показано на рис. 3.
Засоби стабшзацп стану розподшено! системи мають мету пвдвищити рiвень поверхнi запасу, що можливо за рахунок наступних заходiв:
1. Щдвищення потужностi джерела на попередньому рiвнi фракталу.
2. Щдключення аварiйного вузла до автономного джерела ресурсу.
3. Змша топологи Стки способом повного або часткового вщключення деяких споживачiв.
4. Змша топологи Стки за рахунок щдключення вузла аварiйного сегмента до другого вузла.
Рис.3. Структура системи з можливим розповсюдженням аварп
Заходи 1- 4 зводяться до двох випадшв: збiльшення потужностi енергопостачання (рис. 4,а), або зменшення потужностi енергоспоживання (рис. 4,б):
Рк (г) = Рвк (г)+^ (г), Р*. (г) = Рг (г) - ис„ (г),
(7)
де
Рв (г) (Рс (г)) - потужнють, що постачаеться к-м джерелом енерги (споживаеться п—м вузлом
системи) при критичному управлшш.
На рис. 4 наведет наступнi моменти часу: г0 - момент, коли система переходить у передаваршний режим функцюнування; гпР - час прийняття рiшення, вибору стабiлiзуючого управлiння, передачi iнформацi! про керування у ввдповщт вузли системи; гСТ - час стабшзацп стану системи (задля виводу системи з передаваршно! ситуацп); гВ - момент часу коли стае можливим ввдновлення нормального режиму роботи системи; гН - момент переходу в нормальний режим функцюнування.
_ г
tпp гст гв гн а) - за рахунок пiдвищення потужностi постачальнишв
б) - за рахунок зменшення потужностi споживачiв;
Рис. 4. Заходи щодо стабШзаци критично'1 ситуаци
Щоб визначити оптимальне управлшня великою енергосистемою в критичному режимi функцюнування функцiонал мети необхвдно формувати з урахуванням всiх можливих збитшв вiд катастрофи.
Задача оптимального управлшня енергосистемою формулюеться наступним чином: визначити вектор управлшня и (') = (ис, ..., иСк , uDí, ..., и^ )т , що мiнiмiзуе функцюнал збитк1в J, тобто:
u*(0 ^ min{j = Jsd + JsC + JВ + Jз } ,
(8)
де Jм = — [sт (')ИDs(t- функцюнал урахування надлiмiтного використання енергп джерел, 2
>1
(') = и(') / РПк ('0) - частина на яку було тдвищено потужшсть джерела; ЯD - матриця штрафiв за використання енергп автономного джерела ресурсу; 1 '
Jс = — I dт (')ЯС- функцiонал урахування вiдключених споживачiв, 2 ^
'1
dn (') = ис (') / РСп ('0) - доля ввдключених споживачiв; ЯС - матриця штрафiв за вiдключення споживачiв;
1 '
JЗ = — Jur (t)Qu(t)dt - функцiонал витрат на керування;
ti
Q - матриця затрат на керування;
J в = 1112(Х, У'') Вг (2(х, У' '))dxdyd' - функцiонал урахування витрат по вщновленню
'1 (X ,т)
нормального режиму функцюнування системи, де 2(х,у,') = —^(х'у'') < — - нормована поверхня
^ тт
Щ1П
запасу енергп, Br (z) = jBr ^^О - бар'ерна функцiя.
Обмеження задачi формуються з урахуванням шнцевих можливостей системи:
О < uDt (t) < max PDi - PDk (t), 0 < uCn (t) < PCn (t) , k = 1, K , n = 1, N (9)
де max PDi - максимально можливе значення потужностi k-го джерела енергп. Оптимальне управлiння може бути визначено як :
u*(t) = -A-1 Vu J z(x, y) • Br(z(x, y))dxdy ,
u
Q
(—0)
де А = [ ^Сг^— | + О - матриця сукупних витрат на керування з урахуванням штрафiв.
V 0 !КD )
Розв'язанням задачi оптимального управлiння в критичнiй ситуаци буде значення вектора оптимального управлшня и*(>) = (и*, и*, ..., и*м+к)т, що мютить в собi iнформацiю про ва перепiдключення окремих вузлiв.
Таким чином, для пошуку оптимального управлiння при критичному керуванш електроенергетичною системою з метою попередження виникнення катастрофи необхвдно перiодично виконувати наступнi ди:
1. Розрахувати i вiзуалiзувати безперервну модель прогнозу поточного стану системи.
2. По отриманш моделi перевiрити умови переходу системи в критичний режим функцюнування.
3. У випадку переходу системи до критичного стану локалiзувати координати аваршного вузла i меж1 можливого розповсюдження катастрофи.
4. Оцшити час на стабiлiзацiю ситуацп.
5. Розрахувати необхщне оптимальне управлiння.
6. Передати шформацш про аваршне управлшня в аваршний вузол та вСм електроенергетичним об'ектам, що знаходяться в зонi можливого розповсюдження катастрофи.
За визначений час на стабшзацш ситуацiï необх1дно прийняти ршення щодо оптимального управлiння чисельними методами, розрахувати вектор необх1дних перепвдключень i передати керуючий вплив на електроенергетичш об'екти для ïx реалiзацiï.
Таким чином для тдвищення надiйностi функцюнування електроенергетичноï системи у систему тдтримки прийняття рiшень доцiльно додати наступи компоненти:
- у пiдсистему моделювання - модель передаварiйного режиму, що побудована на основi безперервноï моделi енергосистеми у виглядi оболонок, що апроксимують;
- додати пiдсистему прогнозу розвитку аварiйноï ситуацiï, що аналiзуe стан системи на основi поверхш запасу енергiï та оцiнюe час, що залишився на стабiлiзацiю;
- блок прийняття ршень необхвдно доповнити методом розрахунку вектора управлiння в критичному режимi функцiонування.
Висновки
При керуванш великою електроенергетичною системою, особливо в критичних режимах функцiонування, пвдвищення надiйностi функцiонування системи необxiдно здшснювати за рахунок оптимiзацiï управлiння шляхом вдосконалення ïï iнформацiйно-управляючоï системи на основi створення можливостi прогнозу i вдентифшацп критичних ситуацiй та пошуку додаткового керування енергосистемою в критичних режимах функцюнування.
Список використано'1 лггератури
1. Тiтенко С.М. Довгостроковi перспективи розвитку енергетики Украши i заходи по науково-теxнiчному забезпеченню ïï розвитку / С.М. Тггенко, П.Я. Большаков // Енергетична стратепя Украши. Погляд громадськостi. - К.: Енергетика та електрифжащя, 2003. - С. 17-29.
2. Кулик М.М. Стратепчш напрями розвитку електроенергетики Украïни до 2030 року та подальшу перспективу / М.М. Кулик, С.В. Дубовський, Б.А. Костюковський // Енергетична стратепя Украши. Погляд громадскосп. - К.: Енергетика та електрифшащя, 2003. - С.30-39.
3. Демидюк Б.С. Стратепя розвитку електричних мереж 330-750 кВ ЩЕС Украïни в перiод до 2030 року / Б.С. Демидюк, В.М. Бабушкш, О.М. Лшк // Енергетична стратепя Украши. Погляд громадскосп. - К.: Енергетика та електрифжащя, 2003. - С. 107-111.
4. Шидловський А.К. Инновационно - технологические приоритеты модернизации в электроэнергетике / А.К. Шидловський, Г.М. Федоренко // Электротехника. - 2004. - № 6. - С.3-6.
5. 1нновацшш прюритети паливно-енергетичного комплексу Украши / [тд заг. ред. А.К. Шидловського]. - Кшв: Украшсьш енциклопедичнi знання, 2005. - 512с.
6. Перегудов Ф.И. Введение в системный анализ / Ф.И. Перегудов, Ф.Л. Тарасенко - М: Высшая школа, 1989. - 452 с.
7. Сарафанникова Н.В. Повышение надёжности и устойчивости работы информационно -управляющей системы электроэнергетическими объектами / Н.В. Сарафаншкова // Адаптивш системи автоматичного управлшня. Системш технологи. - 2008. - №1(27). - С.112 - 118.
8. Головащенко Н.В. Енергосистема як об'ект управлшня з фрактальною структурою / Н.В. Головащенко, Г.В. Рудакова, 1.В. Саратовцева // Автоматика. Автоматизация. Электротехнические комплексы и системы. - 2006. - № 1(17). - С. 164 - 170.
