Актуальность темы. Современные условия характеризуются возрастанием сложности процессов, происходящих в социально-экономических, организационно-технических системах, в том числе и в электроэнергетике, что приводит к изменению и усложнению условий функционирования и управления электроэнергетическими системами. Учет изменяющихся условий функционирования таких систем и возрастающих требований к ним, приводят к актуальности принятия решений по развитию систем электроснабжения (СЭС) в со-временных условиях с учетом ряда неопределенностей.
Система электроснабжения - динамично развивающаяся система. Для нее характерен непрерывный рост нагрузок, обусловленный появлением новых потребителей, увеличением степени электрификации, повышением требований к социально-культурному уровню жизни и другими факторами. Это приводит к необходимости выработки нескольких альтернатив (вариантов) и выбору наилучшего решения по ее развитию и функционированию. В качестве основного (доминирующего) критерия при выборе вариантов развития системы электро-снабжения до последнего времени использовался критерий минимума приведенных затрат. В сегодняшних условиях ввиду многообразия субъектов отношений (энергокомпании, инвесторы, потребители, органы власти и т.д.) и их интересов, требуется полный учет и согласование мнений заинтересованных сторон в выборе наилучшего варианта развития и функционирования СЭС с учетом экономических, технических, социальных, экологических и других критериев. Кроме того, выбор решений по развитию СЭС осложняется неопределенностью ситуаций, когда полностью или частично отсутствует информация о возможных состояниях системы и/или внешней среды.
Применяемые математические методы, основанные на детерминированном или стохастическом описании подобных задач, их анализ и выработка на этой основе механизма управления и принятия решения в современных изменяющихся условиях, не обеспечивают требуемую достоверность и точность. Так как СЭС является сложной технической системой, для которой характерны множество целей функционирования и неопределенность части исходной ин-формации, то принятие решения по ее развитию и оптимизации технологических параметров, соответствующих выбранному решению, должно основываться на многокритериальной модели с учетом неопределенных факторов, которые необходимо выявить, исследовать и реализовать в разработке математической модели функционирования СЭС (Л. Л. Богатырев, Н. И. Воропай, Т. Б. Лещинская и др.). В работах Л. Заде, Е. Мамдани, В. Д. Ариона, А. Н. Борисова, Н. Г. Ярушкиной, отмечено, что если в задачах принятия решения присутствует не-определенность, то для их решения целесообразно применять методы теории нечетких множеств.
Проведенный сравнительный анализ методов оптимизации системы электроснабжения показал, что принятие решений по ее развитию, основанных на теории нечетких множеств, не учитывают ценологических свойств и ограничений (ограничений самоорганизации) сложных систем, что приводит к не всегда рациональному выбору. Это связано с тем, что СЭС образует сложную техническую систему - техноценоз (ТЦ), структура которого характеризуется наличием разных (сильных, средних и большого числа преимущественно слабых) связей между объектами, а также определенными закономерностями в соотношении крупных и мелких, часто встречающихся и уникальных объектов.
В настоящее время, применение техноценологического подхода (ТЦП) в электроэнергетике, разработанного учеными научной школы профессора Б. И. Кудрина, способствует решению следующих практических задач: оптимизации структуры техноценозов (В. И. Гнатюк); исследования динамики показателей и структуры техноценозов (В. В. Фуфаев); прогнозирования параметров техноценозов (О. Е. Лагуткин, М. Г. Ошуров); анализа закономерности параметров разнообразия ценозов (Б. В. Жилин). В то же время автору неизвестны работы, посвященные применению ТЦП в задачах принятия решений по развитию СЭС.
Таким образом, проведенный анализ научно-технической литературы и научных публикаций выявил, что вопросы методики принятия решения по развитию СЭС по многокритериальной модели на основе интеграции техноценологического подхода с теорией нечетких множеств не рассматривались, что обуславливает актуальность темы исследования.
Цель работы. Разработка и программная реализация методики принятия решения по развитию систем электроснабжения по многокритериальной модели в условиях неопределенности части исходных данных на основе интеграции техноценологического подхода и теории нечетких множеств на примере СЭС района города.
В соответствии с целью сформулированы задачи исследования:
1. Выполнить анализ существующих методов решения задач оптимизации СЭС.
2. Исследовать СЭС и потребителей электроэнергии района города на основе техноценологического подхода.
3. Выбрать и обосновать альтернативы развития системы электроснабжения района города и частные критерии их оценки в зависимости от типа СЭС.
4. Разработать новые математические модели частных критериев принятия решения.
5. Реализовать математический аппарат теории нечетких множеств для проведения параметрической оптимизации СЭС района города.
6. Обосновать и предложить новую методику принятия решения по развитию СЭС районов города, интеграцией техноценологического подхода и теории нечетких множеств.
7. Разработать функциональную схему, алгоритм, комплекс программного обеспечения по предложенной методике и выполнить его тестирование.
Методология исследований, представленных в диссертационной работе, основывается на системном и техноценологическом подходах к исследованию сложных технических систем, теории принятия решений, теории нечетких множеств, методах экспертного оценивания.
Научная новизна работы.
1. Разработана новая методика принятия решения по развитию СЭС района города, интегрирующая техноценологический подход и теорию нечетких множеств.
2. На основе техноценологического подхода к исследованию СЭС района города предложен и обоснован новый частный критерий - критерий построения оптимальной структуры.
3. Разработаны для возможных альтернатив развития СЭС района города математические модели частных критериев: дисконтированных затрат, потерь электроэнергии, недоотпуска электроэнергии потребителям, протяженности трасс кабельных линий, построения оптимальной структуры.
4. Программно реализована методика принятия решения по развитию СЭС на основе разработанных моделей частных критериев и математического аппарата обработок экспертных оценок и нечетких множеств.
Достоверность разработанной методики, полученных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается корректным использованием математического аппарата, работоспособностью программы, реализующей предложенную методику выбора стратегии развития СЭС и тестированием программного комплекса в среде МаФСай.
Практическая значимость работы. Разработанные в диссертации теоретические положения, методические подходы и модели частных критериев принятия решения реализованы в программном комплексе «ПК ЭСМОС», позволяют осуществить обоснованный выбор варианта развития и номенклатурных параметров СЭС района города по многокритериальной модели с учетом неопределенности прогнозируемых (перспективных) электрических нагрузок. Разработанный программный комплекс и его компоненты зарегистрированы в Университетском фонде алгоритмов и программ ГОУ ОГУ № 437, 2009, г. Оренбург и в Федеральном институте промышленной собственности (Роспатент) № 2009615732, 2009, г. Москва.
Полученные результаты могут применяться: в компьютерных системах поддержки принятия управленческих решений в электроэнергетике, при проектировании СЭС и формировании соответствующих нормативных документов.
Реализация результатов работы. Разработанная в диссертационном исследовании методика принятия решения по развитию СЭС района города в условиях неопределенности исходных данных, а также полученные результаты и сформулированные предложения по их применению:
- реализованы в НИР «Разработка и внедрение математического и программного обеспечения вычислительной техники и автоматизированных систем», № госрегистрации 01960005784, инвен. № 02201001067 от 19.03.10;
- апробированы на стадии технической реализации и тестирования в Экспериментально-производственном комбинате (ЭПК) - УГТУ-УПИ;
- компоненты программного комплекса внедрены в Учебном центре «Энергетик - Оренбург» для обеспечения курсов повышения квалификации и переподготовки специалистов в области электроэнергетики;
- внедрены в учебный процесс ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет - УПИ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина» на кафедре «Теоретическая электротехника и технологии электроснабжения».
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные разделы докладывались и обсуждались на научно-технических и научно-практических конференциях Международного и Всероссийского уровнях: «Со-временные информационные технологии в науке, образовании и практике» (Оренбург, 2006, 2008, 2009); «Энергетика: состояние, проблемы, перспективы» (Оренбург, 2007); «XIV отчетная конференция молодых ученых УГТУ - УПИ» (Екатеринбург, 2008); «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» (Екатеринбург, 2008); «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2009); «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009); «Повышение эффективности электрического хозяйства потребителей в условиях ресурсных ограничений» (Москва, 2009); «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК РФ. Получены два свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Весь материал работы изложен на 187 страницах, включает 20 рисунков, 27 таблиц и 2 приложения. Список использованной литературы состоит из 195 наименований.
1. Анализ научно-технической литературы по решению оптимизационных задач в электроэнергетике позволил обосновать, что вопросы методики принятия решения по развитию СЭС на основе многокритериальной модели целесообразно разрабатывать путем интеграции техноценологического подхода с теорией нечетких множеств.
2. На основании несоответствия генеральной совокупности данных о потребителях электроэнергии и данных по установленному электротехническому оборудованию нормальному закону распределения и значимой взаимосвязи этих данных, обоснована принадлежность СЭС района «УПИ» г. Екатеринбурга и потребителей электроэнергии этого района к системам техноценологического типа.
С помощью Н-распределений определен диапазон прогнозируемого коэффициента роста/спада нагрузки Крн. Анализ темпов его изменения позволил классифицировать исследуемую СЭС района города к развивающемуся (стабильно функционирующему) типу.
3. Сформулирована и обоснована система частных критериев принятия решения в выборе варианта развития систем электроснабжения районов города. В качестве критерия экономической эффективности выбраны дисконтированные затраты; критерия эффективности энергосбережения - потери электроэнергии; надежности электроснабжения - недоотпуск электроэнергии потребителям; градостроительного критерия - протяженность трасс кабельных линий. Обосновано введение в систему частных критериев принятия решения нового критерия построения оптимальной структуры.
Предложены стратегии развития системы электроснабжения в зависимости от типов районов СЭС.
Результатом выбора стратегии развития СЭС района «УПИ» г. Екатеринбурга является реконструкция ПС «УПИ».
4. Разработаны математические модели частных критериев принятия решения, как функции неопределенного внешнего фактора - коэффициента роста нагрузки и альтернативы.
5. В процессе проведения номенклатурно-параметрической оптимизации СЭС района города с применением теории нечетких множеств, предложено использовать:
- в качестве альтернатив сравнения a¡- количество и мощность транс-форматоров на подстанции;
- в качестве нечетких целей - систему частных критериев;
- в качестве неопределенного внешнего фактора - коэффициент роста нагрузки Крн.
Результатом выбора номенклатурных параметров реконструируемой ПС «УПИ», является решение установки на подстанции третьего трансформатора, мощностью 16 МВА.
6. Предложена новая методика принятия решения по развитию систем электроснабжения районов города, основанная на интеграции техноценологического подхода и теории нечетких множеств, позволяющая учесть ряд неопределенных внешних факторов и сочетать преимущества обоих подходов в решении сложных задач анализа и управления. Функционально-логическая схема методики включает в себя три этапа: информационно-аналитический, структурной оптимизации, номенклатурно-параметрической оптимизации.
7. Предложенная методика реализована в программном комплексе «ПК ЭСМОС» и его компонентах, которые зарегистрированы в УФАП ГОУ ОГУ св-во № 437, 2009, г. Оренбург и в Федеральном институте промышленной собственности (Роспатент) св-во № 2009615732, 2009, г. Москва.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
