Повышения эффективности функционирования электротехнического комплекса городских электропитающих систем

На правах рукописи

АНДРЕЕВ ДМИТРИЙ ЕВГЕНЬЕВИЧ

повышения эффективности ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ электротехнического комплекса

ГОРОДСКИХ ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Тула – 2013

Работа выполнена в Новомосковском институте (филиале) федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева»

Научный руководитель: Жилин Борис Владимирович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Панарин Владимир Михайлович,

доктор технических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «ТулГУ», профессор

Фомин Андрей Васильевич,

кандидат технических наук, ЗАО «Нидек

АСИ ВЭИ», технический руководитель

проектов

Ведущее предприятие: ФГБОУ ВПО «Национальный

исследовательский университет «МЭИ»

(Технический университет)

Защита состоится «16» октября 2013г. в 14 час. 00 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.271.12 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: г. Тула, пр. Ленина, 92 (учебный корпус 9, ауд. 101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «13» сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Елагин Михаил Юрьевич

Д 212.271.12

д.т.н., проф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В энергетике России за последние 15 лет произошли большие изменения. Изменились формы собственности, энергетика стала сферой бизнеса, создан и развивается рынок электроэнергии и мощности. Это необходимо учитывать при разработке моделей и методов расчета режимов электропитающих систем, создании гибкой динамики топологии управления ими.

Разработке математических моделей и методам расчета режимов работы электроэнергетических систем, теории и способов управления электроэнергетическими режимами посвящены труды многих ученых: Д.А. Арзамасцева, П.И. Бартоломея, В.А. Веникова, А.З. Гамма, О.Т. Гераскина, В.М. Горниггейна, Журавлева В.Г, Идельчика В.И., Крумма, В.З. Манусова, И.М. Марковича, Т.А. Филипповой, Е.В. Цветкова, A.M., Н.М. Merrill, В.W. Erickson, F.C. Schweppe, M.C.Caramanis.

Усовершенствование существующих и создание новых топологий систем, алгоритмов и программ с учетом современных требований развивают методологию и научный аппарат управления режимами электроэнергитических систем (ЭЭС).

Одной из главных задач управления ЭЭС является составление баланса электрической мощности и энергии. От балансов зависят технические, экономические и коммерческие решения по управлению ЭЭС. К достоверности балансов предъявляются очень высокие требования, так как это влияет на коммерческие результаты многих участников рынка. И на региональном и особенно на оптовом рынках сейчас большое внимание уделяется определению электропотребления и графиков нагрузки, которые являются основой составления энергетических балансов. В настоящее время в практике широкое использование нашли методы прогнозирования графиков нагрузки и электропотребления, что приводит к достаточно большим погрешностям прогнозов. Проблема повышения точности прогнозов является важной научной задачей для энергосистем. Если при управлении технической деятельностью прогнозы графиков нагрузки (ГН) могут иметь погрешности 2-5%, то существующие положения на электроэнергетическом рынке требуют повышения достоверности прогнозов ГН и электропотребления, и на их основе разработка математических методов прогнозирования и создания гибкой топологии управления режимами работы электропитающих систем с использованием современных компьютерных технологий обработки информации является важной научной задачей.

Цель работы - повышение эффективности функционирования электротехнического комплекса городских электропитающих систем путем обоснования их рациональных режимных параметров и гибкой динамики топологии управления, учитывающих характеристики условий его работы на оптовом рынке электроэнергии и мощности.

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие задачи исследования:

1. Анализ методов расчета, моделирования, прогнозирования и способов управления режимов работы электропитающих систем и условий их эксплуатации.

2. Разработка математической модели формирования электропитающих систем, учитывающая топологию транзитных потоков мощности не связанных и несмежных участков сетей, сложнозамкнутую конфигурацию сети и требующая информативность исходных данных.

3. Разработка метода оперативного прогнозирования электропотребления, учитывающего ценологические свойства распределения состояния электроэнергетического объекта, и, математического моделирования нагрузок сетевых компаний на основе нейронных сетей.

4. Определение требуемой точности краткосрочного прогноза суточного графика нагрузки, и, разработка системы прогнозирования и управления динамики топологии и формирования управляющих воздействий в электросетевых компаниях на основе нейронных сетей с прямой передачей сигнала при почасовом прогнозировании изменения структуры управления.

5. Разработка декомпозиционного метода расчета режимных параметров электропитающих систем (непосредственный расчет с использованием топологии сетей ВН, СН1, СН2 и НН, расчет по укрупненным показателям), учитывающий уровень изменения гибкой динамики топологии и формирования управляющего воздействия в зависимости от условий их эксплуатации.

6. Обоснование рациональных режимных параметров и гибкой динамики топологии управления электропитающих систем, в комплексе учитывающих характеристики условий их эксплуатации на оптовом рынке электроэнергии и мощности, и, потери электроэнергии с декомпозицией по уровням напряжения.

7. Численное и эксперементальное исследование оперативного прогнозирования суточных графиков нагрузки, режимов работы электропитающих систем и гибкой динамики топологии управления ими, и, оценка нагрузочных потерь электроэнергии для определения эффективности их функционирования.

8. Моделирование режимов электропотребления подстанций 6-10 кВ на основе восстановления недостающей информации с корректировкой баланса по точкам поставки электроэнергии, формирование графиков нагрузки потерь мощности сети и годового расхода электроэнергии на период регулирования методами анализа временных рядов электропотребления.

Идея работы заключается в достижении требуемого уровня функционирования электропитающих систем на основе гибкой динамики топологии управления их режимами работы и эффективных условий реализации рациональных режимных параметров систем.

Объект исследования - электротехнический комплекс городских электропитающих систем.

Предмет исследования - электромагнитные и электромеханические процессы, протекающие в электропитающих системах, и, влияющие на их режимные параметры и потери электроэнергии.

Методы исследования, используемые в работе, основаны на совокупности теории электрических цепей, управления, вероятности и математической статистики, прогнозирования, регрессионного анализа, имитационного проведения вычислительных экспериментов, экспертного анализа, эксперимента с использованием современных компьютерных средств.

Автор защищает:

1. Математическую модель формирования электопитающих систем, учитывающую топологию транзитных потоков мощности, не связанных и несмежных участков сетей, сложнозамкнутую конфигурацию сети и требуемую информативность исходных данных.

2. Формализованную методику оперативного прогнозирования элекропотребления, учитывающую ценологическое свойства распределения состояния электроэнергетического объекта, и, закономерности формирования нагрузок сетевых компаний на основе нейронных сетей.

3. Закономерности формирования управляющих воздействий в электропитающих системах для гибкого управления динамикой их топологии на основе нейронных сетей с прямой передачей сигнала при почасовом прогнозировании изменения структуры управления.

4. Декомпозиционный метод расчета рациональных режимных параметров электропитающих систем, в комплексе учитывающих характеристики условий их эксплуатации на оптовом рынке электроэнергии и мощности, и потери электроэнергии с декомпозицией по уровням напряжения путем учета в комплексе характеристик фактов, влияющих на формирование управляющих воздействий для повышения эффективности их функционирования.

5. Установлено, что наибольшую точность расчета рациональных режимных параметров электропитающих систем обеспечивают интеллектуальные адаптивные системы, устанавливающие недостающие исходные данные в соответствии с их условиями эксплуатации.

Научная новизна заключается в обосновании рациональных режимных параметров и гибкой динамики топологии управления электропитающими системами. Она представлена следующими результатами:

- определены зависимости для расчета рациональных режимных параметров электропитающих систем, в комплексе учитывающие характеристики условий их эксплуатации на оптовом рынке электроэнергии и мощности, и, потери электроэнергии с декомпозицией по уровням напряжения;

- установлены закономерности формирования управляющих воздействий в электропитающих системах для гибкого управления динамикой их топологии на основе нейронных сетей с прямой передачей сигнала при почасовом прогнозировании изменения структуры управления;

- определены зависимости для оперативного прогнозирования электропотребления, учитывающие ценологические свойства распределения состояния электроэнергетического объекта, и, закономерности формирования нагрузок сетевых компаний на основе нейронных сетей;

- разработан алгоритм формирования электропитающих систем, учитывающий топологию транзитных потоков мощности, несвязанных и несмежных участков сетей, сложнозамкнутую конфигурацию сети и требуемую информативность исходных данных;

- установлено, что наибольшую точность расчета рациональных режимных параметров электропитающих систем обеспечивают интеллектуальные адаптивные системы, устанавливающие недостающие исходные данные в соответствии с их условиями эксплуатации;

- установлены зависимости для определения требуемой точности формирования управляющих воздействий, учитывающие погрешность оценки потерь и расчет режимных параметров сети (коэффициента мощности головного участка, доли потребления промышленной нагрузки, номенклатуры и суммарной длины линий).

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций диссертационной работы обеспечены физически обоснованными допущениями, адекватностью результатов теоретических и экспериментальных исследований, расхождение между которыми составляет 10,5%.

Практическое значение. Разработаны методика расчета рациональных режимных параметров электропитающих систем и алгоритм гибкого управления динамикой их топологии на основе нейронных сетей с прямой передачей сигнала при почасовом прогнозировании изменения структуры управления, инфорационно-программное обеспечение их реализации, учитывающее в комплексе характеристики условий их эксплуатации на рынке электроэнергии и мощности, и, погрешности электроэнергии с декомпозицией по уровням напряжения.

Реализация результатов работы.

1. Результаты работы используются в ООО «ПромЭнергоСбыт» при формировании рациональных режимов работы и управляющих воздействий в электропитающих системах, в комплексе учитывающих характеристики условий их эксплуатации на оптовом рынке, и, потери электроэнергии с декомпозицией по уровням напряжения.

2. Разработанный комплекс программных средств, предназначенный для расчета параметров установившихся режимов электропитающих систем внедрен в учебный процесс в курсах: «Переходные процессы в СЭС», «Электропитающие сети и системы», в комплексном курсовом проекте по дисциплине «Электроснабжение» на кафедре «Электроснабжение промышленных предприятий ГОУ ВБПО «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева».

Апробация результатов работы. Результаты диссертационной работы докладывались автором и обсуждались: на кафедре “Электроснабжение промышленных предприятий” национального исследовательского университета «Московский энергетический институт» в 2009-2011 гг., на научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» Московского энергетического института (технического университета) в 2011 и в 2012 гг., V-VII научно-технической конференции молодых учёных и аспирантов НИ РХТУ им. Д.И. Менделеева (Новомосковск, 2006-11 г.), XXIX сессии Всероссийского семинара «Кибернетика энергетических систем» в ЮРГТУ (НПИ) (Новочеркасск, 2010г.). Результаты диссертационной работы были представлены в конкурсе «Энергетика молодых» в 2012г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 7 печатных работах, из них 2 в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы и приложения. Основная часть содержит 125 страниц машинописного текста, 81 рисунок, 20 таблиц. Список использованной литературы включает 127 наименования работ отечественных и зарубежных авторов на 12 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечаются научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проводится обобщение и анализ научно-практической литературы по конструктивным схемам городских электропитающих систем, условиям их эксплуатации, методам моделирования и прогнозирования динамики электропотребления.

Показано, что множество объектов должны рассматриваться как целостная система – электротехнический комплекс, отражающий единство производства, передачи и потребления электроэнергии.

Проанализированы существующие закономерности формирования электротехнических комплексов в современных условиях, учитывающие организационные основы функционирования ОРЭМ, нормативно-технические требования к участникам рынка электроэнергии и технико-экономические управляющие воздействия на потребителей электроэнергии за счет ее распределения коммутационными устройствами электропитающих систем, т.е. между потребителями электроэнергии и субъектами электроэнергетики, сетевыми и сбытовыми компаниями (новые формы и функции отдельных субъектов комплекса, где промышленные предприятия выступают как электроснабжающие организации, и, одновременно, как абоненты).

Обосновано, что для расчета и прогнозирования показателей электропотребления должны быть использованы регрессионные методы и математические модели, учитывающие нестационарность их изменения, где наиболее эффективным периодом прогнозирования является суточный график нагрузки. При синтезе формирования сетей должны учитываться наличие транзитных потоков мощности, не связанных и несмежных участков сетей, сложнозамкнутые конфигурации сети и требуемая информативность исходных данных, и, что при прогнозировании электропотребления (мощности) и режимов работы электропитающих систем наиболее эффективно использовать методы искусственного интеллекта и нейронных сетей.

Вторая глава посвящена разработке прогнозной модели для прогнозирования графиков электропотребления и электрических нагрузок, и, определению динамики топологии управления электропотреблением и коммутирующими устройствами электропитающих систем.

Установлена нестационарность рядов электропотребления, что приводит к ограниченной применимости экстраполяционных прогнозных моделей. Сформулированы требования к прогнозам для формирования объемов закупки электроэнергии на ОРЭМ.

Адаптированы с учетом требований ОРЭМ (формирование суточного ГН за неделю с возможной корректировкой) методы построения моделей. При краткосрочном прогнозировании электропотребления применима модель авторегрессии – проинтегрированного скользящего среднего АРПСС (p, d, q):

Ф(B) d W(t) = (B) e t, (1)

где Ф(B)=1-Ф1В-Ф2В2-…-ФрВр – оператор авторегрессии порядка р; В – оператор сдвига назад W(t)=B(W(t+1)); (В)=1-1В-2В2-…-qВq – оператор скользящего среднего порядка q; d – оператор разности порядка d, 1W(t)=W(t)-W(t-1); еt – стационарный случайный процесс с нулевым математическим ожиданием и дисперсией е2. Случайная величина еt в модели является разностью прогнозного на один шаг вперед Wпр(t) и фактического значений электропотребления Wф(t):

e t=Wпр(t)-Wф(t). (2)

Для оперативного прогнозирования в случаях, когда аналитически невозможно определить вид зависимости параметров электропотребления от каких-либо факторов, использован аппарат искусственных нейронных сетей (НС) с прямой передачей сигнала, к которым, в частности, относятся многослойные персептроны. При этом выбраны влияющие параметры, проведена предобработка входных данных, включающая удаление пропусков, выбросов и требуемое масштабирование данных, выбор количества скрытых слоев, а также количества нейронов в каждом скрытом слое, выбор алгоритма обучения, а также данных, предназначенных для обучения НС.

Методом наименьших квадратов, минимизируется целевая функция ошибки НС:

, (3)

где – реальное выходное состояние нейрона j выходного слоя N НС при подаче на её входы p-го образа; djp – идеальное (желаемое) выходное состояние этого нейрона. Суммирование ведется по всем нейронам выходного слоя и по всем обрабатываемым сетью образам. Минимизация выполняется методом градиентного спуска:

, (4)

где wij – весовой коэффициент синаптической связи, соединяющей i-ый нейрон слоя n-1 с j-ым нейроном слоя n, – коэффициент скорости обучения, 0

Рис.2. Структура формирования ГН головных участков электропитающих систем