CC BY
14Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2009 2) 194-202
УДК 007:681.518.2
Структурное проектирование информационно-технологической подсистемы многоцелевой оптимизации управления качеством электроснабжения
В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных
Сибирский федеральный университет, 660041 Россия, Красноярск, пр. Свободный, 79 1
Received 6.05.2009, received in revised form 27.05.2009, accepted 17.06.2009
В статье рассматривается системная модель структурного проектирования информационно-технологической подсистемы управления качеством электроснабжения в составе технологической автоматизированной системы управления электроэнергетической системой (АСУ ЭЭС).
Ключевые слова: многоцелевая оптимизация, управление качеством, качество электроснабжения, электромагнитная совместимость, динамическое состояние, автоматизированная система управления электроэнергетической системой (АСУ ЭЭС), автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ), автоматизированная система управления качеством электроэнергии (АСУ КЭ), автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), объект управления (ОУ), оперативный операционно-управляющий комплекс (ОИУК), универсальный решатель системных задач (УРСЗ), компенсация реактивной мощности (КРМ).
Стратегическим направлением развития электроэнергетики России, сформулированным в «Основных направлениях реформирования электроэнергетики Российской Федерации», определено создание эффективной системы управления функционированием и планированием развития энергосистем, объединённых энергосистем и ЕЭС России, включая управление на рынке мощности и энергии [1].
Проблема управления качеством электроснабжения (УКЭС) рассматривается в мировой практике в составе понятия «качество электроснабжения» ("power quality"), объединяющего в себе две обширные проблемы обеспечения электромагнитной совместимости и бесперебойности (надёжности) электроснабжения [2]. Комплексному решению проблемы УКЭС способствует развитие новых информационных технологий принятия решений и их синтез в существующие или вновь создаваемые технологические подсистемы АСУ ЭЭС (АСДУ, АСУ КЭ, АСКУЭ и др.) [3-5].
Формулируется задача структурного проектирования подсистемы многоцелевой оптимизации (МО) УКЭС в составе АСДУ ЭЭС в следующем виде [6]. Для заданного объекта управ-
* Corresponding author E-mail address: pvi0808@rambler.ru
1 © Siberian Federal University. All rights reserved
Рис. 1. Подсистема МО УКЭС
ления (ОУ) и среды его функционирования, определяемой динамическим состоянием качества электроснабжения (ДС КЭС), спроектировать на базе типового комплекса задач ОИУК АСДУ управляющий орган принятия решений МО УКЭС, обеспечивающий с помощью среды принятия решений алгоритмический учёт основного комплекса кибернетических свойств ОУ Управляющий орган принятия решений в составе технологической АСУ ЭЭС вместе с ОУ образуют сложный системный объект количественного и качественного исследования - информационно-технологическую подсистему МО УКЭС (рис.1).
Проектирование подсистемы МО УКЭС производится на основе структуралистского системного подхода по Дж. Клиру с использованием архитектуры экспертной системы, представленной универсальным решателем системных задач (УРСЗ) [7]. Выделенная подсистема рассматривается в ортогональной системе координат двух фундаментальных критериев различия:
а) подсистема базируется на определенных типах элементов;
б) подсистема базируется на определенных типах отношений.
В соответствии с критерием а) элементами подсистемы назначаются типовые блоки комплексов задач ОИУК АСДУ (сбор, хранение, передача, обработка информации; контроль, анализ состояния и режимов работы ЭЭС и др.), укрупненно сформулированные как задачи первичной и вторичной обработки информации АСДУ [8]. Критерий б) характеризуется типами отношений между элементами подсистемы, выраженными через проявления в них комплекса кибернетических свойств ОУ.
Применительно к подсистеме МО УКЭС направленная алгоритмическая последовательность комплексов задач ОИУК АСДУ представляется в виде множества элементов В^ баз объекта в/ вг - задачи сбора и первичной обработки информации МО УКЭС; в2 - задачи учёта, контроля состояния и неэкстремального анализа режимов КЭС; в3 - задачи формирования критериев и целевых условий оптимизации; в4 - задачи расчётов компромиссных параметров МО УКЭС; в5 - задачи расчётов прогнозных компромиссных параметров МО УКЭС; в6 - задачи расчётов межсистемных компромиссных параметров МО УКЭС; в7 - за- 195 -
дачи оценки эффективности компромиссного УКЭС. Отношения элементов подсистемы МО УКЭС в управляющем органе принятия решений характеризуются множествами алгоритмических проявлений А/ учитываемых свойств ОУ а, которые генерируются средой системы принятия решений (рис.1): а1 - управляемость; а2 - динамичность; а3 - иерархичность; а4 - неопределённость; а5 - многокритериальность; а6 - адаптивность; а7 - устойчивость; а8 - экономическая эффективность.
Моделирование подсистемы МО УКЭС для заданных элементов и их свойств производится по уровням эпистемологической иерархии: уровень 0 - исходная система; уровень 1 - система данных; уровень 2 - порождающая система; уровень 3 - структурированная система.
Уровни эпистемологической иерархии отличаются друг от друга уровнем знаний по отношению к переменным, представляющим исследуемую исходную систему. В системах более высоких эпистемологических уровней используются все знания соответствующих систем более низких уровней иерархии, а также содержатся дополнительные знания, ранее недоступные более низким уровням иерархии.
Исходная система является источником эмпирических данных, т.е. источником описания на языке УРСЗ абстрактных представлений об объекте. Она служит также источником интерпретации абстрактных данных, которые определяются пользователем или выводятся с помощью УРСЗ.
Уравнение исходной системы записывается в виде
5 = (0,1I, Q, $,
(1)
где О, i, I - уравнения примитивных систем: О - уравнение системы объекта
(2)
i - уравнение конкретной представляющей системы
(3)
I - уравнение общей представляющей системы
(4)
Q, % - уравнения отношений между примитивными системами (2) - (4):
Таблица!. Нейтральная система данных свойства а1
На гъг а
| 1 1 * 1 <■ 1 -
Параметры и'г явожктми 1
и 1 % 4 л
ч 1 В а в В в в
1 В 1 в в В в в
2 В 1 I 1 в в 1
а т И & } 1 9 I 9 1 а 1
£ г- 4 1 в I в в 1 1
21 ^ ГЧ * $ В в в 1 / 1 в
6 п 9 в 1 / I 9
Я 7 В в 1 1 в в в
Я в в в а 1 1 0
£е Иш, £}. (6)
Уравнение (1) отражает семантические аспекты исходной системы. С абстрагированием связаны функции о¡, т, е-1: V« — V« , %-1: WVj — Wj. Конкретизация характеризуется функциями е,, и разбиениями о,-1=А1 / о,, о)]-1= Bj / т. Прагматические аспекты уравнения исходной системы вводятся на дометодологическом уровне формулирования цели исследования и ограничений наопределённые действия.
Упрощение операций с уравнениями примитивных систем 0,1,1 достигается тем, что свойствам а^^Ып) соответствуют переменные а базам Ыт) соответствуют параметры Wj'Wj. Принимается также, что чёткий полный канал наблюдения Q между системой объекта и общей представляющей системой состоит из отдельных каналов наблюдения, по одному для каждого свойства а, и базы в].
Уравнение (1) описывает нейтральную систему данных с семантикой SD = ^, d), где d: W —V . Система данных для канала наблюдения свойства а1 подсистемы МО УКЭС пред-ставлека втабл. 1.
Преобразование нейтральной системы S в направленный аналог £ производится после введения понятий среды системы, входных и выходных переменных, удовлетворяющих утверждению "если х, то у". Направленная систем а с поведением представляется в виде уравнени я
^ = (I , М,/в), (7)
где M¡ - маска свойства а,-; /в - функция поведения.
С помощью функции поведения В ¡¿С.—>{0,1} задаётся параметрически инвариантное ограничение на множество переменных V , уравнения общей представляющей системы (4).
Система с поведением (7) может принять порождающий характер через представление маски М в порождающую маску направленной системы в виде
MiG = (М, Ме( Мф М -), (8)
%
где Ме - подмаска, определяющая среду системы; - подмаска порождаемых переменных;
М— - подмаска порождающих переменны}. к
Направленная система с поведением (7) преобразу ется в порожд ающую направленную систему с поведением
л л л л
В10Б=( 1,М) (9)
л _
где fiGв : Е; О^ • 01 ^-[0, 1] - порождающая функция поведения, соответствующая структуре
л
маски М iG.
Нормализованное значение порождаемой нечёткости направлен ной системы с поведением, генерируемой заданной средой системы и порождающими переменными определяется по формуле
я" (ед()= Н1(С) ~ Н1(Е1'КК. сю)
гУ '' 1°ё2 (КК{)
Здесь Н - показатель нечёткости направленной системы с поведекием, выраженный через вероятностное представление фу нкц ии шведения порождающих и порождаемых нечётких данных.
N..(0 )
/т(си)= Л —, с11)
гн 5 У N (С ) ^ г у
а е С
г (
где Су - подмножества состояний переменных.
Практические расчёты показали, что наименьшей порождаемой нечётностью обладает структура моделируемой подсистемы МО УКЭС, представленная свойством многокритериаль-ности (а5) как наиболее структурно разработанная —гИ^Е^ ' И) = 0,29^.
Описание подсистемы МО УКЭС ST-функциями учёта отдельных свойств а1 удовлетворяет целевым критериям структурной оптимизации с заданными структурными ограничениями. В этом случае проектируемая подсистема МО УКЭС рассматривается как обобщённая система с поведением. Взаимоотношения между обобщённой системой и разными множествами её подсистем ^Т-функциями) сводятся к задаче идентификации вариантов множества подсистем по некоторому показателю, характерном}' только для этой обобщённой системы. Задача идентификации вариантов подсистем, вытекающая из условия непро тиворечивости обобщённой системы МО УКЭС, решается в два этапа:
1) формируется реконструктивное семейство в виде множества всех структурированных подсистем;
2) производится выбор из реконструктивного семейства такой подсистемы, которая задаёт в определённом смысле лучшую гипотезу относительно реальной обобщённой системы с поведением.
Размер реконструктивного семейства оценивается показателем
= П
сеА
1 + /БР(с)
(12)
Таблица 2. Реконструктивное семейство обобщённой системы с поведением
Vl V2 V3 V4 f
1 2 3 4 5 6 7 8
Cl 0 0 1 1 0,059 0,091 0,182 0,077 0,035 0,083 0,083 0,071
С2 0 1 1 0 0,059 0,182 0,091 0,077 0,035 0,083 0,083 0,071
Сз 1 1 0 0 0,176 0,091 0,091 0,077 0,07 0,083 0,083 0,071
С4 0 1 0 1 0,176 0,091 0,182 0,231 0,31 0,166 0,333 0,142
С5 1 0 1 0 0,176 0,091 0,182 0,231 0,172 0,166 0,166 0,071
Сб 1 0 0 1 0,176 0,182 0,182 0,231 0,172 0,25 0,166 0,142
С7 0 0 2 1 0,176 0,273 0,091 0,077 0,207 0,166 0,083 0,429
где fSF(c) - максимальный элемент реконструктивного семейства из множества возможных преобразований входных переменных в выходные (с е А). Показатель реконструктивной нечёткости обобщённой системы определяется как
uSF =
log2 T7[l + fSF(c)\= Xlog21 + fSF(c)
ceA
(13)
°<uaF <\C\-
Степень идентифицируемости альтернативных обобщённых систем, сопоставимых с заданным реконструктивным семейство м, определяется коэффициентом идентифицируемости
!SF = 1~ 0 * ISF *1 • (14)
Для заданной реконструктивной нечётности всего множества возможных преобразований входных переменных в выходные |C| = 16 реконструктивная нечёткость подсистемы МО УКЭС с лучшим набором свойств f ровна U^f = 2,245. Коэффиgиент идентифицируемости системы равен ISf = 0,86.
Задача реконструкции несмещённой системы f hрассматривается как требование определения набора её свойств а\ в заданном реконструктивном семействе. Каждый из наборов свойств считается гипотетической реконструкцией обобщённой системы в целом. Близость сопоставимых систем, представленных лучшим набором свойств f * и несмещённой реконструкцией fh, определяется ра зностью информации, содержащейся в их функциях поведения и представляется как потеря информации при замене f * на множество её проекций fh. Мера потери информации в информационной теории систем называется информационным расстоянием, которое применительяо к по рождающей направленной системе с поведением определчется по формуле [8]
ВчГ,гкКе-1 у f(Te у foOKio^f^l, 4 UFfê? Oh 2 fh(oloK (15)
Таблица 3. Информационное расстояние Во/*/)-10-8
в, В2 В3 В4 А В6 В7 В8
798 939 948 672 516 713 709 647
Рис. 2. Структурная схема свойства многокритериальности
0<DG(f*,fh)<1.
В табл. 3 приведены результаты расчётов информационного расстояния между обобщённой системой с поведением, спроектированной по гиаотезе h (подсистема МО УКЭС характеризуется свойствами a0 и смещён ной обобщённой системой с поведением, представленной лучшими (максимальными) элементами реконструктивного с емейства табл. 2
Расчёты производились для полного множества состояний выборочных переменных |G| = 119. Из табл. 3 видно, что в заданном реконструктивном семействе наименьшим информационным расстоянием оИладает проекция о бобщённой системы с поведением, представлен* h —8
ная свойством многокритериальности DG(f ,f ё = К,51В-10"° . Реконструктивная нечёткость данной проекции =1,316, что значительно меньше реконструктивной нечёткости
Cr
обобщённой системы с лучшим набором свойств U=2,245. Коэффициент идентифицируемости свойства многокритериальности получается выше, чем у обобщённой системы lf>F = К,917> Ig. = К,86, что характеризует1 наибольшую разработанность структуры данного свойства в обобщённой системе с поведением.
На рис. 2 приведена структурная схема свойства многокритериальности а5 проектируемой подсистемы МО УКЭС.
Разработанная структура в последующем может быть использована для разработки адаптивных функциональных алгоритмических моделей МО УКЭС [3].
Выводы
1. Проектирование информационно-технологической подсистемы МО УКЭС производится на элементной и информационной базе существующих ОИУК АСДУ ЭЭС. Наиболее полные сведения о проектируемой подсистеме МО УКЭС содержатся в структурах алгоритмического учёта кибернетических свойств ОУ.
2. Использование структуралистского системного подхода на основе УРСЗ обеспечивает управляемость процесса проектирования сложного системного объекта и автоматизацию проектных решений.
3. Создание адаптивных структур, характеризующих отдельные свойства ОУ, позволяет проектировщику осуществлять направленный контроль и количественную оценку сравниваемых вариантов структур.
Список литературы
1. Волков Э.П., Баринов В.А., Маневич А.С. Направления развития электроэнергетики России с учётом долгосрочной перспективы // Промышленная энергетика. 2001. № 1. С.2-8.
2. Карташёв И.И. Качество электроснабжения в распределительных системах (По материалам 17-й Международной науч. конф. по распределению электроэнергии, Барселона, 2003 г.) // Электричество. 2003. № 12. С. 65-69.
3. Поддубных Л.Ф. Многоцелевая двухуровневая модель автоматизироваванного управления качеством электроснабжения // Изв. РАН. Энергетика. 1995. № 5. С.142-146.
4. Любарский Ю.Я., Моржин Ю.И. Отечественные оперативно-информационные комплексы АСДУ энергосистемами // Электрические станции. 2001. № 12. С.27-31.
5. Информационное обеспечение автоматизированных систем управления распределительными электрическими сетями / Мозгалёв В.С., Тодирка С.Н., Богданов В.А. и др. // Электрические станции. 2001. № 10. С.13-19.
6. Пантелеев В.И., Поддубных Л.Ф. Системология решения задач автоматизированного управления качеством электроснабжения // Вестник Хакасского технического института филиала КГТУ Абакан. 2002. № 13. С.93-98.
7. Клир Дж. Автоматизация решения системных задач. М.: Радио и связь, 1990. 544 с.
8. Орнов В.Г., Рабинович М.А. Задачи оперативного и автоматического управления энергосистемами. М.: Энергоатомиздат, 1988. 223 с.
9. Higashi M., Klir G.J. On the nation of distancerepresenting information closeness: Possibility and probability distributions. International Journal of General Systems, 9. - № 2. - 1983. - P. 103-115.
Structural Designing of an Information-Technological Subsystem of Multi-Purpose Optimization of Management of Power Quality
Vasilij I. Panteleev and Leonid F. Poddubnich
Siberian Federal University, 79 Svobodny, Krasnoyarsk 660041 Russia
In clause the system model of structural designing of an information-technological subsystem of management ofpower quality in structure of the technological automated control system of an electro-power system is considered.
Key words: Multi-purpose optimization, power quality, quality management; quality of electrosupply, electromagnetic compatibility, the dynamic condition, the automated control system of an electropower system (ACS EPS), the automated system of dispatching management (ASDM), the automated control system of quality of the electric power (management information system ACS QE), the automated system of the commercial account of the electric power (ASCAEP), object of management (OM), an operative operational-operating complex (OOOC), universal the calculator system problems (UCSP), indemnification of jet capacity (IJC).
