Коалиционные игровые динамические модели планирования эксплуатационного состояния системы электроснабжения

на правах рукописи

Костин Александр Викторович

КОАЛИЦИОННЫЕ ИГРОВЫЕ ДИНАМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОГО СОСТОЯНИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.13.01. – "Системный анализ, управление и обработка информации (в науке и промышленности) по техническим наукам"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Нижний Новгород,

2008г.

Работа выполнена на кафедре "Прикладная математика" Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Орлов Юрий Федорович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Баландин Дмитрий Владимирович

кандидат технических наук,

доцент Глебова Наталья Владимировна

Ведущая организация: Институт систем энергетики

им. Л.А. Мелентьева СО РАН

Защита диссертации состоится 18 декабря 2008 года в 13 часов в ауд. 1258 на заседании диссертационного совета Д212.165.05 при Нижегородском государственном техническом университете им. Р.Е. Алексеева по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева

Автореферат разослан 17 ноября 2008г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.С. Суркова

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования.

В соответствии с энергетической стратегией России на период до 2020 года, важными стратегическими задачами являются обеспечение энергетической безопасности России и надежности энергоснабжения потребителей.

Одной из составных задач данной проблематики является дальнейшее развитие единой электроэнергетической системы, что включает в себя задачи развития электроэнергетических систем (ЭЭС) и, в конечном счете, систем электроснабжения (СЭС), функциональное состояние которых отражается на развитии других областей экономики.

Характерными особенностями эксплуатации СЭС являются дефицит электрической мощности в системе, значительный износ основных фондов и дефицит собственных финансовых средств компаний на выполнение основных эксплуатационных процессов.

Таким образом, в условиях реструктуризации электроэнергетической отрасли, направленной на либерализацию отношений субъектов рынка, важной задачей является принятие оптимальных решений по эксплуатации СЭС с учетом надежности ее функционирования. Поэтому разработка моделей оптимизации процессов эксплуатации СЭС, чему и посвящена данная работа, является на сегодняшний день одной из актуальных задач.

Состояние и степень разработанности проблемы.

Фундаментальная научная основа исследования вопросов развития ЭЭС и анализа-синтеза надежности была заложена в работах современных авторов: Л.А. Мелентьева, Л.С. Беляева, Ю.Н. Руденко, М.Н. Розанова, Н.И. Воропая, В.И. Эдельмана, Е.М. Червонного, И.А. Рябинина, Ф.И. Синьчугова, М.Б. Чельцова, В.Г. Китушина, Б.В. Папкова, В.Л. Прусса, В.В. Михайлова, Э.А. Лосева, Н.А. Манова и др. Среди зарубежных авторов по данной тематике следует выделить работы авторов Р. Биллинтона и Р. Алана, Дж. Эндрени.

Учет конфликта интересов в моделях оптимизации развития и эксплуатации ЭЭС приводит к игровым постановкам задач.

В настоящее время прикладные аспекты теории игр в электроэнергетике развиты в работах Н.И. Воропая, Е.Ю. Ивановой, С.В. Подковальникова, В.В. Труфанова, A.S. Chuang, F.F. Wu, P. Varaiya, J.Contreras, A. Orths, Z.A. Styczynski. Модели, рассматриваемые данными авторами, ориентированы на задачи развития генерации и электрических сетей. Представляет интерес обобщение этих исследований на модели, отражающие динамический характер влияния внешних и внутренних факторов.

В связи с этим в исследованиях особое значение приобретают дифференциальные игры, теоретические основы и прикладной аспект которых развивали ученые: Р. Айзекс, Э.М. Вайсборд, В.И. Жуковский, Н.Н. Красовский, Ю.И. Неймарк, В.П. Пацюков, Л.А. Петросян, Л.И. Плотникова, Ю.А. Флеров, Р.Г. Янушевский, З.М. Шпортюк, А.А. Чикрий, С.Л. Скерус и И.П. Ячаускас, В.В. Гороховик, С.П. Вакринене, В. Бистрицкас и другие.

С точки зрения тактического и стратегического управления СЭС представляет интерес математическая теория возрастных течений А.Т. Надеева, позволяющая на ее основе разработать динамическую модель эволюции эксплуатационного состояния СЭС.

Настоящая работа посвящена разработке (на основе теории возрастных течений) динамической модели эволюции эксплуатационного состояния СЭС, а также постановке (на базе разработанной динамической модели) задач оптимизации процесса эксплуатации СЭС и получению их решения в рамках игрового подхода.

Объектом исследования в данной диссертационной работе является система электроснабжения, как управляемая, сложная производственно-технологическая система.

Предметом исследования в диссертационной работе является эксплуатационное состояние СЭС, описываемое возрастными распределениями ее элементов, и процессы, влияющие на ее временную эволюцию.

Цель работы.

Целью данной работы является разработка формальных динамических моделей эксплуатационного состояния СЭС для исследования ее динамики, а также постановка и решение на их основе игровых динамических задач синтеза управления эксплуатационным состоянием СЭС.

Основные задачи работы.

Для достижения намеченных целей были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнен системный анализ СЭС как сложной производственно-технологической и социально-экономической системы, в рамках которого проанализированы основные факторы, влияющие на протекание в ней эксплуатационных процессов, и характерные особенности функционирования СЭС как объекта моделирования ее эксплуатационного состояния;
2. Разработаны модели динамики эксплуатационного состояния СЭС;
3. Поставлены и решены коалиционные игровые динамические задачи планирования эксплуатационного состояния СЭС;
4. Проведено численное моделирование динамики эксплуатационного состояния СЭС на примере электрических сетей компании филиал "Нижновэнерго" ОАО "МРСК Центра и Приволжья".

Методы исследования.

В диссертационной работе основным методом исследования является системный анализ и синтез управления на основе теории возрастных течений, теории принятия решений и теории игр.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработаны непрерывная и дискретная модели динамики эксплуатационного состояния СЭС, которые учитывают важнейшие эксплуатационные процессы, определяющие данную динамику: обслуживание, реконструкцию и капитальное строительство;
2. Выполнено численное моделирование эксплуатационного состояния электрических сетей компании филиал "Нижновэнерго" ОАО "МРСК Центра и Приволжья" в зависимости от стратегии эксплуатации (распределения финансовых средств) и влияющих факторов;
3. Разработаны коалиционные динамические игровые модели одно- и двухгруппового приближений, на основе которых поставлены и решены задачи планирования эксплуатационного состояния СЭС с переключениями, разработаны алгоритмы синтеза управления;
4. Разработан итерационный алгоритм поиска оптимальной стратегии эксплуатации СЭС для рассмотренных задач, на основе которого создана расчетная программа;
5. На основе разработанных алгоритмов выполнен синтез управления эксплуатационным состоянием электрических сетей компании филиал "Нижновэнерго" ОАО "МРСК Центра и Приволжья".

Основные научные результаты, выносимые на защиту.

На защиту выносятся:

1. Системный анализ СЭС, как объекта моделирования ее эксплуатационного состояния;
2. Непрерывная и дискретная модели динамики эксплуатационного состояния СЭС;
3. Численное моделирование динамики эксплуатационного состояния СЭС и исследование влияющих на указанную динамику факторов;
4. Коалиционные динамические игровые модели одно- и двухгруппового приближений, сформулированные на их основе задачи планирования эксплуатационного состояния с переключениями для закрытой и открытой СЭС, а также синтез управления на основе разработанных алгоритмов их решения;
5. Итерационный алгоритм поиска оптимальной стратегии эксплуатации СЭС для разработанных задач;
6. Сравнительный анализ применяемых и оптимальной стратегии эксплуатации на примере электрических сетей филиала "Нижновэнерго" ОАО "МРСК Центра и Приволжья".

Обоснованность и достоверность результатов работы обеспечена использованием в ней методологических идей системного подхода, теории возрастных течений и теории игр, а также логически строгого аппарата математического моделирования сложных процессов и явлений.

Для повышения уровня достоверности результатов моделирования были проведены процедуры верификации, проверки адекватности, оценки устойчивости и чувствительности модели.

Практическая значимость полученных результатов.

Разработанные игровые динамические модели используются в министерстве топливно-энергетического комплекса Нижегородской области при планировании эксплуатационного состояния и качественной оценке надежности ЭЭС; при разработке долгосрочной и краткосрочной стратегий развития электрических сетей Нижегородской области; при планировании объема инвестиций в развитие электрических сетей, а также в реконструкцию и восстановление ветхих электрических сетей электросетевых компаний, действующих на территории Нижегородской области.

Кроме этого, данные модели могут использоваться в практике управления эксплуатацией электросетевыми объектами на промышленных предприятиях для планирования эксплуатационного состояния СЭС и качественной оценки ее надежности.

Апробация результатов работы.

Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались на следующих научных конференциях и семинарах:

1. XVI Международная научно-техническая конференция. Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании. Пенза. 2005.
2. VII Международная научно-практическая конференция. Реформирование системы управления на современном предприятии. Пенза. 2007.
3. VI Международная научно-техническая конференция. Информационно-вычислительные технологии и их приложения. Пенза. 2007.
4. XIX Международная научно-техническая конференция. Математические методы и информационные технологии в экономике, социологии и образовании. Пенза. 2007.
5. Семинар на кафедре "Прикладная математика" Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е. Алексеева. Н.Новгород. 2008г.
6. Семинар в Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН. Иркутск. 2008г.

Публикации.

Результаты работы опубликованы в 7 статьях (в том числе одна в издании, рекомендованном ВАК Министерства образования и науки РФ), в которых отражено ее основное содержание.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 156 страниц текста (включая 34 рисунка, 6 таблиц), библиографию, приложение.

2. Краткое содержание работы.

Во введении дается общая характеристика работы, раскрываются актуальность, цель и основные задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава посвящена анализу системы электроснабжения и основных подходов к исследованию и обеспечению надежности ее функционирования.

ЭЭС представляет собой большую производственно-технологическую пространственно-разветвленную открытую систему со структурной (схемной) и функциональной (элементной) неоднородностью, с территориально-временной иерархией управления, включающую в себя электрические сети СЭС промышленных предприятий, городов и сельскохозяйственного назначения.

Основные взаимодействия СЭС с внешней средой (представленной структурой конечных потребителей), как системы вовлеченной в общественные социально-экономические отношения, проявляются через финансовую и технологическую подсистемы. Основные факторы, влияющие на организацию процессов эксплуатации СЭС (капитальное строительство, обслуживание и реконструкцию) проявляют себя динамически в условиях внутреннего и внешнего конфликта интересов, что делает актуальным использование игрового подхода в решении задач синтеза управления эксплуатационным состоянием СЭС.

Анализ рассмотренных динамических игровых моделей в технических и социально-экономических системах показал ограниченность их применения в электроэнергетике из-за специфичности структуры электроэнергетической отрасли и особенности протекания в ней процессов.

Выбор оптимального управления эксплуатационным состоянием СЭС должен основываться на оценке надежности ее функционирования, которая может быть выполнена качественно. В связи с чем, значительный интерес представляет математическая теория возрастных течений, суть которой заключается в установлении взаимосвязи между состоянием системы, определяющим эффективность ее функционирования, и ее собственным временем жизни, олицетворяющим возраст этой системы.

Во второй главе на основе теории возрастных течений сформулирована непрерывная и разработана дискретная модели динамики эксплуатационного состояния СЭС. Эксплуатационное состояние СЭС может быть охарактеризовано возрастным распределением количества условных единиц электрических сетей.

(1)

где - плотность возрастного распределения условных единиц электрических сетей; - количество условных единиц электрических сетей, возраст которых не превышает в момент времени .

Как показывает проведенное исследование, динамика возрастного распределения условных единиц сетей может быть описана интегро-дифференциальным уравнением с параметрами: скорость старения, темп реконструкции и использованием в качестве граничного условия темпа капитального строительства.

(2)

где - интенсивность перехода условных единиц из одного состояния в другое, представляющая собой долю реконструируемых единиц сетей; - скорость старения условных единиц сетей; - темп капитального строительства. Управляемыми параметрами, в рассматриваемой системе являются: . Данные параметры зависят от распределения выделяемых средств на эксплуатацию СЭС: капитальное строительство - , обслуживание - и реконструкцию - .

Непрерывная модель динамики эксплуатационного состояния системы электроснабжения СЭС (2) позволяет исследовать общие закономерности развития системы, в том числе исследовать основные свойства прогнозируемости и устойчивости решений, но с практической точки зрения, использование непрерывной модели динамики при стратегическом управлении развитием СЭС является неудобным, что объясняется ограниченностью статистической информации в электросетевых компаниях.

Структурная схема дискретной модели динамики эксплуатационного состояния СЭС двухгруппового приближения (в соответствии с реальными условиями эксплуатации СЭС: восстановление эксплуатационных характеристик элементов системы происходит до начального состояния, процесс старения в старшей возрастной группе отсутствует) представлена на рис. 1.

Рис.1. Структурная схема основных эксплуатационных процессов