Введение к работе
Актуальность проблемы. Происходящие в последнее десятилетие в России экономические и структурные преобразования затронули все без исключения компоненты электроэнергетического комплекса страны. Изменились принципы взаимодействия участников электроэнергетического рынка (поставщики и потребители электроэнергии и электротехнического оборудования) и качественный состав потребления электроэнергии. Введенные новые нормативные документы (ГОСТ 13109-97 и др.), координирующие деятельность участников этого рынка по управлению качеством электрической энергии, радикально ужесточили требования к обеспечению ее качества. В это же время произошло кардинальное обновление компьютерной техники и стандартных программных продуктов, что дало возможность существенно изменить подходы к организации информационного обеспечения задач управления качеством электроэнергии на всех его уровнях: от измерения первичных сигналов до многоуровневых интегрированных информационных систем, таких как автоматизированная система диспетчерского управления (АСДУ) ЕЭС России.
Это привело к необходимости развития работ в направлении совершенствования технологии производства, передачи и распределения электрической энергии с целью обеспечения эффективности управления электрическими режимами электроэнергетических систем (ЭЭС) и их объединений (ОЭС) в новых условиях.
Важнейшими компонентами систем, обеспечивающих качество электроэнергии и снижение ее потерь, являются подсистемы управления электрическими режимами на всех этапах ее производства, передачи, распределения и потребления. Современные требования к таким подсистемам может удовлетворить развитие АСДУ в части управления электрическими режимами на базе информации, формируемой и адаптируемой к текущему состоянию ЭЭС в реальном времени.
Значительный вклад в развитие теории и методов исследования задач
управления электрическими режимами, повышения качества электроэнергии
и снижения ее потерь в электрических сетях внесли Д.А.Арзамасцев,
Г.Т.Адонц, В.А.Баринов, Я.Б.Баркан, П.И.Бартоломей, Г.Я.Вагин,
М.Х.Валдма, В.А.Веников, В.Э.Воротницкий, А.З.Гамм, И.И.Голуб,
ОТ Гераскин, В.М.Горнштейн, И.В.Жежеленко, Ю.С.Железко,
В.Г.Журавлев, В.И.Идельчик, И.И.Карташев, В.Г.Китушин, Л.А.Крумм, В.Г.Курбацкий, В.З.Манусов, С.И.Паламарчук, М.Г.Портной, В.И.Розанов, Ю.Н.Руденко, В.А.Семенов, С.А.Совалов, В.А.Строев, Д.В.Тимофеев, Х.Ф.Фазылов, Т.А.Филиппова, А.Г.Фишов, Е.В.Цветков, Ю.В.Щербина и многие их коллеги.
Однако современные условия выдвинули на передний план ряд ранее нерешенных вопросов формирования моделей для управления электриче-
скими режимами, контроля качества и потерь электроэнергии применительно к ЭЭС. Отсутствие единого концептуального подхода к проблеме информационного обеспечения этих задач в условиях неполноты и неоднородности данных об электрическом режиме сети и параметрах схемы замещения привело к тому, что существующие методы формирования данных для различных задач не взаимоувязаны, ориентированы на решение отдельных задач и не всегда обеспечивают соответствие параметров модели состоянию объекта управления. При этом слабо инициируется развитие самих методов расчета и оптимизации электрических режимов, учитывающих процесс перехода системы из одного состояния в другое на интервалах времени краткосрочного и оперативного управления.
Особенностью задачи формирования адекватной модели ЭЭС для управления электрическими режимами является то, что в качестве основного источника информации используются измерения, получаемые в процессе нормального ее функционирования, и их невозможно получить вновь для тех же условий. При этом известно, что все параметры модели в различной мере претерпевают изменения в силу воздействия на систему множества факторов различной природы.
Такое состояние рассматриваемой в диссертационной работе проблемы делает актуальной разработку и совершенствование моделей и методов информационного обеспечения систем управления электрическими режимами, контроля качества и потерь электроэнергии в электрических сетях, позволяющих формировать общую адаптивную информационную среду, обеспечивающую представление объекта управления адекватной его состоянию моделью.
В данной работе отражены вопросы, поставленные в комплексной целевой программе Минвуза СССР на 1986-1990 гг. "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах"; в межвузовской научно-технической программе "Автоматизация научных исследований"; в "Координационном плане дальнейшего развития и внедрения работ и мероприятий по снижению расхода электроэнергии на ее транспорт в электрических сетях энергосистем" на 1981-1985гг. и 1986-1990 гг.; в темах в составе научной программы Министерства образования по единому заказ - наряду 1994-1999 гг. "Разработка теоретических основ и математическое обеспечение систем диспетчерского управления для оптимизации текущих режимов при частично неопределенной и нечеткой информации", "Разработать научные основы и математическое обеспечение для управления развитием, функционированием и подготовкой инженеров и оперативного персонала электроэнергетических систем" и ряде других, в том числе по согласованию с Департаментом стратегии развития и НТП РАО "ЕЭС России".
Цель работы состоит в развитии теоретических основ и разработке комплекса моделей и методов формирования и адаптации параметров модели
ЭЭС к ее текущему состоянию, применительно к задачам управления электрическими режимами, контроля качества и потерь электроэнергии.
Реализация сформулированной цели требует решения ряда теоретических, методологических, научно-исследовательских и конкретных технических задач, основными из которых являются:
разработка методических основ адаптивной системы формирования и прогнозирования нагрузок узлов и ЭЭС для краткосрочного и оперативною управления электрическими режимами как системы непрерывных и сб&тан-сированных моделей и ее практическая реализация;
теоретические исследования и разработка методов идентификации параметров схемы замещения электрической сети, обеспечивающих адаптацию ее модели к текущему состоянию, на базе новых информационных технологий, и их апробация;
развитие теоретических основ идентификации параметров и характеристик электроэнергетической системы путем их представления сложными аддитивными функциями на интервалах времени для изучения и адекватного представления ЭЭС в качестве объекта управления и их экспериментальная апро-эация;
разработка методов определения интегральных характеристик нагрузок уз-10В в условиях неполноты и неоднородности информации и расчета потерь )лектроэнергии на длительных интервалах времени с целью анализа и формирования мероприятий по их снижению;
разработка универсального регистратора - анализатора параметров элек-гроэнергии, предназначенного для экспериментальных исследований в об-іасти применения новых информационных технологий в задачах адаптивной адентификации параметров модели электроэнергетической системы и кон-гроля качества электроэнергии.
Методы исследования. Разработанные в диссертации научные поло-кения базируются на системном подходе к управлению качеством электро-шергии с целью повышения эффективности ее производства, распределения і потребления. Для решения поставленных задач в работе применялись методы с использованием фундаментальных законов теоретических основ электротехники, методы математической статистики, теории вероятностей, функціонального анализа, теории распознавания образов, методы теории подобия і математического моделирования, экспериментальные исследования реаль-шх процессов.
Обоснованность и достоверность научных положений, теоретических (ыводов, основных результатов и рекомендаций диссертационной работы юдтверждеиы их проверкой в реальных условиях применения, документами метрологической аттестации, а также сопоставлением результатов расчета с ікспериментальньїми данными.
Научные результаты и их новизна. В результате проведенного в ходе подготовки диссертации комплекса исследований разработаны основные положения прикладной теории (методы и технические решения) адаптивной идентификации параметров модели электроэнергетической системы, а именно:
-
Предложен комплексный подход для представления наїрузок узлов в виде нелинейных аддитивных моделей на интервалах краткосрочного и оперативного управления режимами ЭЭС, на основе которого разработана система моделей нагрузок узлов (СЫНУ) как совокупность подсистем, обеспечивающая решение задач по формированию, достоверизации и прогнозированию нагрузок в узлах ЭЭС на заданных интервалах времени с обеспечением баланса мощности и энергии.
-
Теоретически обоснованы новые методы адаптивной идентификации эквивалентных параметров линий электропередачи и трансформаторов, использующие измерения параметров электрического режима многоканальными цифровыми регистраторами электрических сигналов (цифровых регистраторов аварийных процессов и др.), применяемые в режиме реального времени.
-
На основе статистической аппроксимации аддитивными функциями процессов изменения параметров электрического режима впервые предложена методология количественной идентификации их взаимных зависимостей (связей), применяемых при управлении электрическими режимами. Разработана унифицированная система обслуживания технолога (СОТ), представляющая собой многопараметрическую модель идентификации параметров нестационарных процессов для изучения объекта управления.
-
Предложены методы формирования интегральных характеристик параметров модели ЭЭС (нагрузок узлов) в условиях неоднородности и неполноты первичных данных об этих параметрах.
-
Проведено исследование методов расчета потерь электроэнергии в электрических сетях и разработаны методы расчета потерь электроэнергии для изолированных ЭЭС и ЭЭС в составе объединенной энергосистемы (ОЭС) на основе интегральных характеристик нагрузок (ИХН) узлов, которые позволяют определять потери как в элементах сети, так и в сети в целом с высокой точностью.
-
Усовершенствованы методы определения параметров электрического режима, а также предложены новые методы измерения периода гармонических колебаний основной частоты при наличии значительных помех и идентификации динамических возмущений в электрических сетях для их применения в многоканальных цифровых регистраторах электрических сигналов.
Практическая ценность
Использование разработанных методов, новых подходов адаптивного формирования данных о ЭЭС, а также предложенные технические решения обеспечивают существенное повышение правильности оценки текущего режима ЭЭС и выработку эффективных действий управления электрическими
іежимами для обеспечения надлежащего качества электроэнергии и уровня
:Є ПОТерь.
В работе обеспечивается возможность независимо применять результата отдельных ее разделов, полученные в виде аналитических зависимостей, овокупности характеристик, алгоритмов и схемных отображений для реше-[ия отдельных задач анализа и управления электрическими режимами, кон-роля качества и потерь электроэнергии. Эти результаты также могут исполь-оваться в целом ряде задач релейной защиты, противоаварийной автоматики, іерспективного развития и проектирования.
Представление нагрузки нелинейными моделями на интервалах врсме-[и позволило обеспечить компактность и унификацию информационной базы і нагрузках узлов. Свойство ортогональности предложенных моделей обес-іечило эффективное согласование данных (балансировку), относящихся к іазньш иерархическим уровням управления, а также сокращение объема вы-іислений для работы в режиме реального времени.
Предложенные модели нагрузок ЭЭС в виде непрерывных во времени зункций предоставляют возможность для разработки качественно новых ме-одов расчета и оптимизации электрических режимов, учитывающих переход ібьекта управления из одного состояния в другое. При этом параметры элек-рического режима и схемы замещения также могут быть представлены пункциями времени.
Реализация результатов работы
Разработанные в диссертации методы и алгоритмы легли в основу про-раммного комплекса СМНУ, формирующего информационную базу о пове-,ении нагрузок узлов, для решения задач краткосрочного планирования и 'перативного управления режимами ОЭС ОДУ Урала. В частности, результа-ы краткосрочного прогноза нагрузок узлов используются для решения зада-и краткосрочного планирования и оптимизации режимов ОЭС. Результаты перативного прогноза нагрузки могут использоваться диспетчером при веянии режима, а также для решения ряда задач оперативного харакгера, на-ример, оценки допустимости предстоящего режима, оперативной дооптими-ации текущего режима и т.д.
Разработанные методы, алгоритмы и программы внедрены в ОДУ ОЭС Уралэнерго". Программный комплекс СМНУ является составной частью :ИО (КИО-3) ОЭС Урала. СМНУ реализован на ПЭВМ локальной сети ОДУ 'рала и находится в промышленной эксплуатации, обеспечивая информацией нагрузках в узлах расчетных схем замещения электрической сети ОЭС Ура-а задачи управления электрическими режимами. На основе результатов дис-ертационной работы ведется дальнейшая разработка методов и алгоритмов ля реализации распределенной СМНУ, которая позволит обеспечить инфор-іационную связь между ОДУ ОЭС Урала и ЭЭС. Ведется подготовка к экс-ериментальному исследованию изменения параметров действующих линий
электропередачи и трансформаторов на длительных интервалах времени. Выполняются измерения параметров электрической энергии с целью контроля et качества на подстанциях МЭС Урала.
Разработаны с участием автора и утверждены Госэнергонадзором, Госстандартом и Минэнерго нормативно-технические документы но расчету и анализу потерь электроэнергии в электрических сетях ЭЭС и контролю и анализу качества электроэнергии в сетях общего назначения.
Научные результаты работы использованы при определении структуры аппаратных средств измерения в системе управления качеством электроэнергии, разработке и внедрении в эксплуатацию многоканальных цифровых приборов для измерения параметров электроэнергии "Уран-100" и "Уран-100М", которые , в свою очередь, применялись для научных исследований, выполненных в диссертационной работе.
Предложенный в работе метод расчета потерь электроэнергии в системообразующей сети ЭЭС по скорректированным нагрузкам узлов, реализованный в виде программного комплекса "Rpot-78", нашел широкое применение в энергосистемах.
Основные методические положения, алгоритмы, программы и рекомендации, полученные в работе, были использованы и используются при выполнении научно-технических работ в УГТУ-УПИ, Уралтехэнерго, ОДУ Урала и др. организациях. Полученные результаты подтверждены соответствующими документами.
Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 49 печатных работ, в том числе монография, выпущено более 20 отчетов по научно-исследовательским работам по теме диссертации, в ряде которых автор являлся руководителем или ответственным исполнителем работ, подана и зарегистрирована заявка на изобретение.
Апробация работы. Полученные результаты исследований докладывались и обсуждались на Всесоюзном семинаре "Экономия топлива и электроэнергии на тепловых электростанциях, в тепловых и электрических сетях" (Москва, 1976 г.); Всесоюзном совещании "Оптимизация и снижение потерь энергии в электрических сетях" (Тернополь, 1978 г.); Всесоюзном семинаре "Пути снижения потерь электроэнергии в электрических сетях" (Москва, 1979 г.); региональной научной конференции "Применение математических методов и вычислительной техники в энергосистемах" (Свердловск, 1982 г.); Всесоюзном семинаре "Расчет и анализ потерь электроэнергии в электрических сетях и мероприятия по их снижению"(Москва, 1982 г.); седьмом Всесоюзном совещании работников служб электрических режимов ОДУ и энергосистем (Дивногорск, 1986 г.); восьмой научно-технической конференции УПИ с международным участием "Оптимизация производства, распределения и потребления тепловой и электрической энергии и других энергоносителей, разработка и усовершенствование оборудования для этих целей" (Свердловск, 1988 г.); Всесоюзном совещании "Информационное обеспече-
ниє задач реального времени в диспетчерском управлении "(Каунас, 1989 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения и транспорта" (Днепропетровск, 1990 г.); Всесоюзном семинаре "Вопросы создания АСДУ нового поколения" (Баку, 1990 г.); 10-й научной конференции ИФТПЭ АН Литвы "Моделирование электроэнергетических систем" (Каунас, 1991 г.); Всероссийской научно - технической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (Иркутск, 1994 г.); региональной научно-технической конференции "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири" (Иркутск, 1995 г.); региональном совещании начальников АСУ (ИВЦ) энергосистем Урала (Екатеринбург, 1996 г.); международной научно-технической конференции "Современные технологии экономичного и безопасного производства и использования электроэнергии" (Украина, 1997 г.); 3-й научно-технической конференции "Метрологическое обеспечение народного хозяйства России" (Москва 1997 г.); международной конференции "Proceedings of the Ural-Electro project" (Gent, 1997 г.); международной научно-технической конференции "Качество, безопасность и энергосбережение" (Самара, 1998г.); 4-м Всероссийском научно-техническом семинаре "Энергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 1998 г.); научно-технических конференциях Уральского государственного технического университета (УГТУ-УПИ) (Свердловск-Екатеринбург, 1978-1999 гг.) и других научно-технических конференциях и семинарах.
Диссертация обсуждалась на факультете энергетики ЫГТУ (Новосибирск, 1999 г.); расширенном заседании секции ученого Совета ВНИИЭ (Москва, 2000 г.); научном семинаре электротехнического факультета УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2000 г.).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 263 страницы машинописного текста с приложениями; иллюстрирована 38 рисунками; содержит 21 таблицы; список литературы на 35 страницах, включающий 297 наименований.
