Введение к работе
Актуальность. Основная задача электроэнергетической системы (ЭЭС) - снабжение потребителей электроэнергией требуемого качества и надежности при максимальной экономичности. При выполнении этих функций не должны нарушаться системные ограничения. Под надежностью энергосистем понимается способность обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей в течение заданного промежутка времени электроэнергией заданного качества.
В процессе проектирования развития ЭЭС на всех этапах активно привлекакпся методы анализа и синтеза надежности, позволяющие проектировать экономически рациональные и высокоэффективные в использовании системы. Выбор того или иного варианта развития ЭЭС основывается на оптимизации приведенных затрат, либо на использовании ряда критериев, полученных из анализа ретроспективы. Методы анализа и синтеза должны учитывать значительное количество факторов, оказывающих влияние на показатели надежности (ПН), на выбор варианта развития ЭЭС.
Появление новых элементов системы, усиление требований к точности моделей, постоянное совершенствование вычислительной техники делает актуальным совершенствование существующих и разработку новых моделей и алгоритмов расчета показателей надежности ЭЭС. С другой стороны, актуальным является также процесс совершенствования критериев надежности, поиска и разработки новых критериев.
При проектировании развития энергетического сектора и, в частности, электроэнергетического широкое применение во многих странах (в т.ч. Польше и России) нашел пакет программ ENPEP, разработанный в Argonne National Laboratory (США), и распространяемый бесплатно через Международное агентство по атомной энергетике (МАГАТЭ) среди стран участников. В состав пакета в качестве одного из модулей входит известная проірамма WASP-Ш, служащая для оптимизации развития структуры генерирующих мощностей и использующая вероятностное моделирование для расчетов энергии недоотпуска и топливных затрат.
Работа с данным пакетом в Центре информатики энергетики (Варшава) обнаружила (что было также отмечено участниками рабочей группы по обмену опытом использования ENPEP - Будапешт, июль 1994 г.), слабые стороны программы WASP-Ш, которые заключаются в отсутствии возможностей в полной мере учитывать гидроаккумулирующие электростанции, теплоэлектроцентрали, пиковые блоки. Моделирование гидроэлектростанций в WASP-Ш осуществляется с использованием упрощений, в результате чего не учитывается аварийность блоков и стохастический характер стока.
В связи с этим, актуальность работы вытекает также из потребностей проектных организаций разных стран в учете вышеперечисленных факто-
ров и совершенствовании алгоритмов и моделей при оптимизации развития структур генерирующих мощностей энергосистем.
Цель и задачи. Целью работы является совершенствование методов исследования надежности энергосистем на уровне концентрированной системы с использованием показателей, характеризующих состояния отказа но частоте и длительности, средней энергии недоотпуска на отказ, и создание моделей элементов, позволяющих учитывать отказ из-за недостатка энергетических ресурсов, а для объединений энергосистем - разработка метода определения частот дефицитов для схем произвольной конфигурации. Созданные методики позволили бы расширить возможности проектировщика в учете дополнительных факторов и усовершенстовать процесс выбора и оптимизации: резерва мощности, структуры генерирующих мощностей и межсистемных связей. Создание моделей таких элементов энергосистемы как накопители энергии позволили бы оптимизировать их параметры и определять оптимальные режимы и структуру генерирующих мощностей с накопителем.
Для достижения поставленной цели потребовалось:
-
Разработать метод оценки надежности генерирующей части ЭЭС, предназначенный для использования в задачах оптимизации структуры генерирующих мощностей и позволяющий наряду с интегральными рассчитывать единичные показатели надежности, отражающие частоту и длительность дефицитов мощности, учитывать ограниченность энерюресурсов гидро- и гидроаккумулирующих электростанций.
-
Разработать принципы и алгоритмы учета накопителей энергии, позволяющие учитывать его в существующих методах оценки надежности генерирующих систем и в комбинированном методе.
-
Разработать аналитический метод расчета показателей частоты и длительности дефицитов для многоузловых схем объединения энергосистем произвольной топологии.
Методы исследования. Теоретической основой разработанных методов, моделей и алгоритмов являются теории: вероятности, надежности, случайных процессов, математической статистики, электроэнергетических систем, графов. Прн разработке программ для ЭВМ использовались методы высшей алгебры и вычислительной математики, а также языки программирования - Фортран-77, Паскаль и Си.
Основные научные результаты и их новизна.
1. Разработан комбинированный метод, позволяющий за один проход определять ПН энергосистемы (в т.ч. показатели частоты и длительности дефицитов), а также вьфаботку электроэнергии отдельными блоками или электростанциями, что сделало возможным использовать его при оптимизации структуры генерирующих мощностей. Данный метод позволил учесть генерирующие агрегаты, имеющие ограниченный энергоресурс, а
также дополнительные режимные факторы такие, как степень участия в резервировании, последовательность загрузки агрегатов, разделения режима на базисный и пиковый, циклический характер работы пиковых установок, учитывать вращающийся резерв и др.
-
Разработан оригинальный алгоритм учета стохастичности стока рек и аварийности блоков при моделировании гидроэлектростанций в комбинированном методе, основанный на классификации их по типам регулирования гидроресурсов и определению режимов работы в базисной и пиковой частях графика нагрузки.
-
Разработаны два типа моделей (имитационная и аналитическая) и алгоритмы учета накопителей энергии в традиционных методах оценки надежности генерирующей части ЭЭС, отличающиеся от существующих тем, что представляют накопитель как единый элемент, функционирующий в принципиально разных режимах - в качестве нагрузки и в качестве пикового генерирующего агрегата. Решена задача учета надежности элементов накопителей и взаимозависимости зарядно-разрядньгх циклов.
-
Впервые разработан алгоритм определения частот дефицитов в схеме объединения энергосистем произвольной топологии. На основе теории марковских процессов и принципа объединения случайных состояний но принадлежности к определенному минимальному сечению, ограничивающему поток через расчетный граф сети, предложен алгоритм определения частот переходов между объединенными состояниями и на их основе - частот возникновения дефицитов в отдельных энергосистемах и выхода аварийных перетоков но межсистемным связям на предел по пропускной способности.
5. Разработан эффективный алгоритм определения минимальных
сечений, используемый при определении частот дефицитов в объединении
энергосистем, основанный на преобразовании двоичных кодов порядковых
номеров минимальных сечений, отображающих множества дефицитных и
избыточных узлов.
Практическая значимость. Разработанные в диссертационной работе методы, алгоритмы и программы позволяют проектировщику, по сравнению с существующими методами, учесть ряд дополнительных факторов и более объективно принимать решения при планировании развития энергосистем и могут быть использованы в проектных и научно-исследовательских организациях при решении задач: выбора резерва мощности и пропускньгх способностей межеистемньгх связей, оптимизации структуры генерирующих мощностей, выбора параметров и стратегий использования накопителей энергии, формировании требований к надежности различных элементов энергосистем, оптимизации затрат на повышение надежности; в учебном процессе по теме "Надежность электроэнергетических систем".
Апробация. Отдельные разделы диссертации докладывались на всесоюзном научном семинаре по проблемам надежности в электроэнергетике (Иркутск, 1988 г.) и на научном семинаре кафедры "Электроэнергетические системы" МЭИ (Москва, 1995 г.).
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы в виде методик и программ были использованы в ПИиНИИ "Энергосетьпроект" при разработке предложений по формированию структуры генерирующих мощностей электроэнергетических систем с учетом накопителей энергии, в научно-исследовательских работах кафедры "Электроэнергетических систем" Московского энергетического института и в частности в работе "Методика обоснования дальних реверсивных связей" выполненной по заказу Министерства энергетики и электрификации СССР в 1988-1989 г.г., а также в Центре информатики энергетики в Варшаве при формировании стратегии развития польского энергетического сектора.
Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 7 приложений и содержит 164 страницы основного текста, включая 36 рисунков, 17 таблиц и 77 библиографических наименований.
