Разработка метода критериального программирования для оптимизации режимов электроэнергетической системы

Актуальность темы

.

В современных условиях функционирования рынка электроэнергии и мощности в России, оптимальное управление режимами электроэнергетической системы необходимо для обеспечения надежности и эффективности ее работы.

Постоянное развитие электроэнергетики ставит дополнительные задачи оптимизации на стадиях проектирования, реконструкции и эксплуатации: выбор структуры, параметров и схем электрических соединений, расчет установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем, разработка методов контроля и анализа качества электроэнергии и мер по его обеспечению.

В процессе решения технико-экономических задач в настоящее время используются различные математические методы, таких как: нахождение экстремума функции одной и нескольких переменных методами математического анализа, решение экстремальных задач методами математического программирования (линейные, нелинейные, динамические, статистические и т. п.), нейронные сети, теория игр.

Особый интерес представляет методика решения оптимизационных технико-экономических задач обобщенными методами теории подобия, которая получила название критериального анализа. Суть метода состоит в использовании второй теоремы (71-теоремы) классической теории подобия и моделирования, применительно к различным технико-экономическим задачам электроэнергетики. Свое развитие метод критериального анализа получил в работах Веникова В. А., Астахова Ю. Н., Глазунова A.A., Карасева Д. Д., Марковича И. М, Гордиевского И. Г., Свешникова В. И., Лежнюка П.Д.

При неоспоримых достоинствах в методике критериального анализа имеется ряд недостатков, которые значительно ограничивают область ее 5 применения: модели рассматриваемых объектов должны быть представлены в виде позиномовнеобходимо, чтобы выполнялось условие каноничностиневозможность решения задач ненулевой степени трудностисложность учета дискретных и функциональных ограничений в виде равенств и неравенств.

Кроме того, оптимизационные задачи в электроэнергетике имеют большое количество оптимизируемых параметров, таких как напряжение, мощность источников и потребителей, потери электроэнергии и т. д., причем все эти величины представляются в комплексной форме и с учетом всех электротехнических законов, что создает дополнительные трудности при их решении.

Американские ученые Даффин Р., Питерсон Э., Зенер К., Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгедел К. разработали альтернативную методику оптимизации — геометрическое программирование (ГП), которая позволяет решать задачи с учетом ограничений различного вида. Однако ГП носит чисто математический характер и не использует критерии подобия исследуемых явлений в явном виде.

В связи с этим возникает актуальная научная задача в разработке метода комплексной оптимизации режимов электроэнергетических систем, позволяющего устранить имеющиеся недостатки существующих методов, расширить круг решаемых задач, учесть большее количество оптимизируемых параметров и современные экономические условия функционирования электроэнергетики.

Цель и задачи работы.

Цель работы заключается в разработке метода критериального программирования для решения технико-экономических оптимизационных задач в электроэнергетических системах.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи: — Разработан метод критериального программирования, который позволяет решать оптимизационные технико-экономические задачи электроэнергетики с учетом режимных и системных параметров электроэнергетических систем, представленных в виде комплексных величин. 6.

— Разработан алгоритм применения метода критериального программирования для комплексной оптимизации режимов сложных электрических систем.

— Рассмотрено применения метода критериального программирования для комплексной оптимизации режимов неоднородной сложнозамкнутой электрической сети 110−330кВ.

— Методом критериального программирования проведена оптимизация перетоков реактивной мощности в сетях 1 ЮкВ филиала ОАО «МРСК Центра» — «Смоленскэнерго» с целью уменьшения потерь активной мощности.

— С использованием разработанного метода проведена оценка и оптимизации потерь электроэнергии в сетях 6-ЮкВ «Смоленскэнерго». Разработана обобщенная статистическая модель потерь электроэнергии в распределительных сетях 6-ЮкВ.

Методы исследования.

Решение поставленной задачи проводилось на основании методов математического анализа, теории подобия, критериального анализа и геометрического программирования. Для исследования точности и достоверности оценки технических потерь электроэнергии в электрических сетях использовались схемотехнические и вероятностно-статистические методы расчетов режимов сети. Разработка обобщенной математической модели проводилась на основе корреляционного и регрессионного анализа статистической информации.

Достоверность научных положений и выводов.

Достоверность научных положений, теоретических выводов и практических рекомендаций диссертации подтверждена сопоставлением полученных результатов оптимизации с результатами оптимизации другими методами, используемыми при решении технико-экономических задач в электроэнергетике, а также экспериментальными исследованиями режимов электрических сетей в действующих электроэнергетических предприятий города Смоленска и Смоленской области по результатам выполненных научно-исследовательских работ.

Научная новизна.

1. Разработан метод критериального программирования, который комплексно использует достоинства теории подобия, критериального анализа и геометрического программирования для комплексной оптимизации режимов электрических сетей различного напряжения с учетом всех режимных параметров и экономических показателей: оптимизация режимов электрических сетей по перетокам активных и реактивных мощностей, минимизация потерь активной мощности и др.

2. Предложена модификация компактной записи комплексных уравнений, характеризующих состояние сети в матричной форме, которая позволяет при решении оптимизационных задач комплексно учитывать все параметры, характеризующие режимы электроэнергетических систем.

3. Разработана методика оценки погрешности при расчете потерь электроэнергии в условиях использования неполной или малодостоверной исходной информации о параметрах режима сетей, которая позволяет более точно рассчитать нормативы потерь электроэнергии.

4. На основании регрессионного и факторного анализа зависимостей переменных технологических потерь электроэнергии от основных схемных и режимных параметров сетей 6−10 кВ разработана обобщенная статистическая модель, позволяющая оценивать нормативы технических потерь электроэнергии и их погрешность в распределительных сетях б-10кВ «Смоленскэнерго».

Практические значимость и реализация результатов работы.

Разработанный метод критериального программирования использован для оптимизации режимов электрических сетей различного напряжения: оптимизация перетоков реактивной мощности в сети 110кВ филиала ОАО.

МРСК Центра" - «Смоленскэнерго» с целью уменьшения потерь активной мощности, комплексная оптимизации режимов неоднородной 8 сложнозамкнутой электрической сети 110−330кВ и оптимизация потерь электроэнергии в сетях 6−10кВ «Смоленскэнерго».

Показана возможность применения метода критериального программирования в электроэнергетических системах для уменьшения потерь энергии, выбора оптимальных режимов сети, оптимального состава включенного оборудования, числа и места установки компенсирующих устройств, использования дополнительных регулировочных устройств.

Результаты диссертационной работы внедрены на следующих электроэнергетических предприятиях: филиале ОАО «МРСК Центра» -«Смоленскэнерго», филиале ОАО «Квадра» «Смоленская западная генерация», а так же используются в учебном процессе на кафедре «Электроэнергетических систем» филиала «МЭИ» в городе Смоленске. Экономический эффект от внедрения результатов работы составляет 22 млн руб. в год.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод критериального программирования для решения оптимизационных технико-экономических задач электроэнергетики с учетом режимных и системных параметров электроэнергетических систем, представленных в виде комплексных величин.

2. Результаты оптимизации режимов неоднородной сложнозамкнутой электрической сети 110−330кВ методом критериального программирования.

3. Результаты оптимизации режима в сетях 110кВ филиала ОАО «МРСК Центра» — «Смоленскэнерго» по реактивной мощности.

4. Обобщенная статистическая модель оценки переменной составляющей технических потерь электроэнергии распределительных сетях 6−10кВ.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на VI,.

VII, IX Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2000.

2003 г.г.), Научно-практической конференции «Ресурсосбережение и экологическая безопасность» (г. Смоленск, 2001 г.), Научно-технической 9 конференции, «Электротехника, электромеханика и электротехнологии. Энергетика. Экономика и менеджмент» (г. Смоленск, 2001 г.), 14 Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (г. Смоленск, 2001 г.), Научно-практической конференции «Энергои ресурсосбережение как фактор социально-экономического развития регионов центрального федерального округа», (г. Смоленск, 2003 г.), Международной конференции «ЭНЕРГЕТИКА МОЛДОВЫ 2005» (г. Кишинев, 2005 г.), Международной научно-технической конференции «Энергетика-2008: инновации, решения, перспективы», (г. Казань, 2008 г.), Международной научной конференции «ММТТ-22», (г. Псков, 2009 г.), 7-ой Международной научно-техническая конференции «Информационные технологии, энергетика и экономика (электроэнергетика, электротехника, теплофизика и теплоэнергетика, энергосбережение в технике и технологиях)», (г. Москва, 2010 г.), 40-ой Всероссийской научно-практической конференции с элементами научной школы для молодежи (с международным участием) «Фёдоровские чтения — 2010» (г. Москва, 2010 г.).П Международная научно-техническая конференция «Энергетика, информатика, инновации-2012», (г. Смоленск, 2012 г.).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, 2 из которых в изданиях по перечню ВАК, 1 — работа в зарубежном источнике, 4 — работы в сборниках тезисов докладов.

6.6 Выводы.

В данной главе исследованы точность и достоверность оценки технических потерь электроэнергии в электрических сетях 6−10кВ при применении схемотехнических и вероятностно-статистических методов и программ расчетов.

С использованием метода критериального программирования выполнены расчеты технических потерь электроэнергии в электрических сетях 6−10кВ для всех РЭС филиала ОАО «МРСК Центра» — «Смоленскэнерго».

На основании проведенного анализа структуры технических потерь электроэнергии в электрических сетях и исследования динамики изменения составляющих потерь электроэнергии во времени по элементам электрических сетей по режимам работы, предложена методика оценки погрешностей расчета потерь электроэнергии в условиях использования неполной или малодостоверной исходной информации о параметрах режима сетей и проведен количественный анализ погрешностей расчетов потерь при отклонении параметров до минимальных и максимальных возможных значений.

На основе проведенного корреляционного и регрессионного анализа статистической информации по потерям электроэнергии разработаны обобщенные математические модели, позволяющие оценивать прогнозировать нормативы технических потерь электроэнергии в распределительных сетях РЭС и предприятия электрических сетей в целом.

Показано применение предлагаемой обобщенной модели потерь электроэнергии для следующих целей:

— Оперативные расчеты переменных потерь электроэнергии за текущий интервал времени (например, за месяц).

— Перспективные расчеты потерь для целей проектирования.

— Экспресс оценка расчетного значения потерь электроэнергии в любой линии 6−10 кВ и по сетям 6−10кВ РЭС в целом.

— Выявление линий подлежащих более детальному анализу на предмет повышенных потерь электроэнергии и необходимости применения в них мероприятий по снижению потерь.

— Сравнение вариантов реконструкции сетей с учетом потерь электроэнергии.

— Проведение анализа изменения потерь при изменении технических параметров линий, структуры отпуска электроэнергии, схемы сети (например, при выводе в ремонт элементов).

— Решение оптимизационных задач (например, выбор параметров линий и трансформаторов, выбор электрических схем сети, обеспечивающих минимум потерь электроэнергии).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена разработке метода критериального программирования для решения технико-экономических оптимизационных задач в электроэнергетических системах.

В работе проведен анализ применяемых в настоящее время методов решения технико-экономических задач в электроэнергетике и выявлены их достоинства и недостатки.

Разработанный метод критериального программирования учитывает положительные стороны теории подобия, критериального анализа и геометрического программирования и обладает следующими преимуществами:

— использование критериев технико-экономического подобия, в том числе в виде обобщенных переменных, что упрощает математический аппарат и позволяет решать неканонические оптимизационные задачи любой степени трудности.

— представление целевой функции в произвольном вещественном виде уменьшает число допущений и ограничений при оптимизации режимов сложных электрических систем, а так же позволяет учитывать любые виды ограничений, как в виде равенств, так и в виде неравенств.

При помощи методики критериального программирования выполнена оптимизация режима сложнозамкнутой электрической сети с высокой степенью неоднородности, в которой одновременно действуют узловое и контурное возбуждения на примере сети 110−330кВ.

Предложена форма компактного представления комплексных уравнений, характеризующих состояние сети в матричной форме, которая в отличие от существующих позволяет учитывать большее количество параметров при решении оптимизационных задач критериальным методом.

При использовании критериального программирования выполнена оптимизация сетей 110кВ филиала ОАО «МРСК Центра» — «Смоленскэнерго» по перетоками реактивной мощности с целью уменьшения потерь активной.

126 мощности. На основании проделанных расчетов предложены организационные и технические мероприятия по снижению потерь активной мощности.

Разработана методика оценки потерь электроэнергии в условиях использования неполной или малодостоверной исходной информации о параметрах режима сетей. Результаты применения данной методики показывают ее адекватность и возможность использования в практических целях для определения технических потерь электроэнергии.

Получена обобщенная статистическая модель, позволяющая оценивать и прогнозировать нормативы технических потерь электроэнергии в распределительных сетях 6−1 ОкВ. Расчет переменной составляющей потерь электроэнергии по техническим параметрам сети 6−1 ОкВ и отпуску электроэнергии с использованием разработанной обобщенной математической модели показал, что полученные расчетные значения потерь совпадают со значениями технических потерь по данным приборов учета за предыдущие годы.

В диссертационной работе показаны возможность и эффективность применения метода критериального программирования для решения оптимизационных задач в электрических сетях различного напряжения, что показывает широкую область применения разработанного метода.

Проведена верификация метода критериального программирования с другими методами решения оптимизационных задач, кроме того полученные результаты расчета подтверждают ряд практических и теоретических положений в электроэнергетике.

Результаты применения критериального программирования внедрены в практику эксплуатации сетевых предприятий Смоленской области, что подтверждается справками о внедрении.