Актуальность темы. Рост применения интеллектуальных технологий в сфере электроэнергетики и реформирование российской энергетики ставят новые важные задачи развития систем электроснабжения (СЭС) больших городов. Модернизация управления электроэнергетикой привела к финансовой самостоятельности электросетевых компаний, которая обеспечивается денежными средствами, получаемыми за транспорт электроэнергии и техническое присоединение. При увеличении числа электросетевых предприятий и уменьшении размера каждого в отдельности, по сравнению с дореформенными вертикально-интегрированными энергокомпаниями, существенно возрастают риски и значимость управленческих решений. Ответственность электросетевых компаний за собственные сети повышает значимость вопросов энергосбережения, снижения сверхнормативных потерь электроэнергии и повышения качества измерительных систем учета электроэнергии.
В последние годы потребители электроэнергии (ЭЭ) в СЭС на средних и низких классах номинального напряжения все больше применяют генерирующие агрегаты малой мощности, в том числе и на основе возобновляемых источников энергии. Появление источников распределенной генерации, энергоаккумулирующих установок, современных цифровых устройств измерения режимных параметров энергосистем и управления ими приводит к качественным изменениям как в самих СЭС, так и в системах их управления. Новые технологические компоненты, используемые в современных информационно-измерительных комплексах СЭС, в зарубежной литературе получили название ЗшагЮпб, а в отечественных публикациях — «умные сети». Следует отметить, что строгие определения в отношении данных терминов отсутствуют, так как они характеризуют общее направление совершенствования СЭС.
С учетом указанных тенденций некоторые задачи управления СЭС формулируются в новой постановке. Это касается современных требований к структуре и топологии СЭС, применения устройств релейной защиты и автоматики, учета электрической энергии, управления нагрузкой и возможностей размещения в сетях источников генерации. Кроме того, изменились подходы к решению задач развития и реконструкции СЭС.
Модернизация оборудования и совершенствование информационных технологий требуют более сосредоточенного внимания к вопросам формирования научно-технической политики электросетевого предприятия. В современных условиях при принятии управленческих решений возрастает роль прогнозной информации. Многокритериальный характер задач принятия решений, отсутствие строгой математической модели, описывающей поведение СЭС во временном разрезе, отсутствие полного объема информации и возможная ее недостоверность приводят к тому, что управленческие решения часто основываются на опыте и интуиции руководителя. Необходим инструмент, позволяющий повысить
объективность и качество принимаемых решений, использующий как технические и экономические показатели СЭС, так и опыт квалифицированных специалистов.
Все сказанное в первую очередь относится к СЭС больших городов, которые развиваются более высокими темпами по сравнению с остальными энергообъектами и используют наиболее прогрессивные технологии. Мегаполисы представляют собой самые крупные формы городских поселений, которые возникают или образуются путем интегрированного объединения главного города с окружающими его населенными пунктами. Таким образом, в результате слияния инфраструктур образуются большие и сложные технические системы, обеспечивающие гарантированное энерго- и электроснабжение потребителей и функционирование всех подсистем СЭС.
Темпы внедрения информационных технологий во многих сферах деятельности электросетевых компаний в крупных городах существенно выше, чем в остальной электроэнергетике. Активно внедряются информационно-измерительные системы управления, кардинально увеличиваются объемы информации, вводятся новые аппаратно-технические комплексы, позволяющие автоматизировать многие функции электросетевой компании. При этом существенно увеличивается взаимозависимость и взаимопроникновение основного технологического процесса, связанного с процессом транспорта электрической энергии, использующим первичное высоковольтное оборудование, с информационной системой, обеспечивающей не только технологическое управление данным оборудованием, но и координацию всех вспомогательных процессов. Высоковольтное электротехническое оборудование, образующее СЭС, уже невозможно отделить от информационной системы управления. Взаимосвязь данных систем, их описание, структурирование, оптимизация и являются предметом изучения в данной работе. Объединение энергетической и информационной составляющих СЭС лежит в основе энерго-информационной модели (ЭИМ).
СЭС как большая техническая система кибернетического типа является эмерджентной - она обладает свойствами, не присущими её подсистемам, блокам и элементам. В отличие от передающих систем СЭС характеризуется существенно большим числом элементов. По критерию экономичности оперативные электрические схемы СЭС являются структурно радиальными, с упрощенными системами релейной защиты и автоматического (автоматизированного) управления. Как правило, это приводит к локализации узлов электропотребления с ограниченным объемом обменных информационных потоков. Развитие распределенной генерации и информационной технологии требует пересмотра принципов системы управления СЭС. Под новое направление требуется новая организация информационного обеспечения. Этому посвящена диссертационная работа, Это и делает весьма актуальной ее тематику.
В информационном плане СЭС можно представить как многоуровневую, многослойную структуру достаточно большой размерности со сложной многосвязной системой отношений. Для решения задач функционирования и развития СЭС необходима разработка и внедрение адекватной энерго-информационной модели. Такая модель должна быть построена на основе многомерной, иерархичной информационной системы, состоящей из подсистем, объединенных множеством функциональных связей. Именно такие связи позволяют оценить функциональное состояние подсистем и системы в целом. В свою очередь, функциональное состояние СЭС характеризуется следующими показателями: техническое состояние электрооборудования, надежность электроснабжения, энергоэффективность, экологичность, финансовая устойчивость и т. п.
В отечественной и зарубежной практике предпринимались попытки разрешить лишь отдельные аспекты вопросов создания комплексной энерго-информационной модели функционирования и развития СЭС мегаполисов. В сложившейся ситуации при отсутствии единого инструментария невозможно решение существующих задач управления СЭС. Именно поэтому принципиально необходимо создание инструментария мониторинга городских электрических сетей и оценки функционального состояния оборудования.
Информационная система, обеспечивающая поддержку принятия решений по развитию и функционированию системы энергоснабжения, должна удовлетворять такому важному требованию, как доступность и достоверность используемой информации. Это означает, что используемые модели и методы принятия решений должны быть информационно обеспечены. Требование информационной обеспеченности существенно влияет на формирование математических моделей и методов, используемых для решения энергетических задач. Часть необходимой информации может отсутствовать по объективным причинам, связанным с невозможностью ее получения (отсутствие измерительных систем, отсутствие каналов связи и пр.). Кроме того, отсутствие информации связано с недостатками информационной системы электросетевого предприятия: разрозненностью ее информационных подсистем, отсутствием обмена между базами данных и программными комплексами. Повышение качества системы принятия решений связано как с совершенствованием ее информационной обеспеченности, так и с развитием математических методов принятия решений.
Наряду с этим необходима разработка способов оценки погрешности в расчете потерь активной мощности в условиях схемно-режимного многообразия топологии городских электрических сетей. В настоящее время для этих целей вполне обосновано применение интеллектуальных информационных технологий, использующих такие эффективные подходы как теория нечетких множеств (ТНМ) и нечеткая логика, генетические алгоритмы (ГА) и искусственные нейронные сети (ИНС). Их использование позволяет осуществлять оценки и принимать решения не только на перспективу, но и в режиме on-line.
Цель работы — обоснование и создание энерго-информационной модели развития и функционирования СЭС, которая должна обеспечить решение следующих основных задач:
• существенное повышение точности, достоверности и оперативности оценок текущего и прогнозного состояний СЭС и режимов ее работы за счет создания адаптивной информационной модели;
• анализ распределения электроэнергии с целью минимизации потерь и разработка соответствующих рекомендаций по режимам оборудования СЭС;
• оценка функционального состояния отдельных подсистем и СЭС в целом;
• оценка влияния отказов электрооборудования на работу СЭС;
• определение «узких мест» СЭС для решения вопросов подключения новых потребителей, вывода электрооборудования в ремонт и реконструкции электрической сети.
Научная новизна работы связана со следующими основными научными положениями и результатами:
- предложена универсальная концепция построения адаптивной и многоуровневой информационной системы, обеспечивающей принятие решений как для задач управления, так и для задач развития систем электроснабжения больших городов - мегаполисов;
- сформулирована и реализована идея представления электрической сети в виде многосвязной графовой структуры, которая в отличие от древовидной структуры обеспечивает повышенную гибкость моделирования режимов путем параллельного выполнения вычислений для отдельных подсистем;
- разработана объектно-ориентированная структура хранения информации об объектах и отдельных элементах городской электрической сети, позволяющая динамически формировать их состав и характеристики;
- разработана энерго-информационная система мониторинга функционального состояния всех видов электрооборудования СЭС для анализа различных режимов с возможностью визуализации топологии сети;
- адаптирована математическая модель оценки состояния энергораспределения (ЭР) применительно к системе электроснабжения мегаполиса, основанная на уравнениях балансов ЭЭ в узлах и ветвях схемы, которые адекватно описывают режим электрической сети при изменении ее топологии;
- предложен генетический алгоритм поиска точек оптимального размыкания в сложнозамкнутых сетях с возможностью снижения суммарных потерь активной энергии в электрической сети на основе задачи энергораспределения;
- исследована архитектура СЭС и разработан способ выбора функции активации для анализа потерь активной мощности на основе искусственной нейронной сети, обеспечивающей достаточно быструю оценку потерь мощности и энергии в городской электрической сети и возможность прогнозирования этих потерь как важного технико-экономического показателя;
- предложены методы индикативного анализа функционального состояния электрооборудования и оценки режимов СЭС в целом, позволяющие установить возможные отклонения режимных и технических параметров и выработать соответствующие управляющие воздействия в условиях информационной неопределенности.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработаны алгоритмы и программы, на основе которых создана информационно-организационная система, позволяющая электросетевым компаниям осуществлять анализ текущего состояния городских распределительных сетей, а проектным организациям определять пути развития районов электрических сетей, их модернизацию и перевооружение;
- предложен системный подход к практическому определению первоочередных инвестиций по развитию СЭС для повышения их технического уровня, что дает возможность сформировать приоритетные направления развития СЭС больших городов, в частности СЭС г. Екатеринбурга, в условиях ограниченного финансирования;
- разработано программное обеспечение, интегрированное в программный комплекс Most, которое позволяет автоматизировать расчеты оценки технического состояния электрооборудования и повысить качество управленческих решений на предпроектном этапе, связанном с ремонтом и заменой оборудования, реконструкцией подстанций и вводом новых энергообъектов;
- выполнены исследования по разработке моделей и методов ЭР, реализованные в виде программного комплекса «Баланс», предназначенного для расчета технических и коммерческих потерь ЭЭ в распределительных сетях произвольной конфигурации и совмещения данных расчетов с фактическими и допустимыми небалансами.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов выполненных исследований базируется на использовании фундаментальных основ теоретической электротехники, а также использовании основ теории установившихся и переходных процессов в электрических сетях (ЭС). Ряд практических выводов основан на корректном применении математических методов теории графов, генетических алгоритмов, Fuzzy-технологий и подтверждается удовлетворительным совпадением результатов, полученных на основе моделей, с процессами на реальных электроэнергетических объектах СЭС городов.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 18 международных и Российских научно-технических конференциях, а именно: на научно-практической конференции «Энергоснабжающие техника и технологии», Екатеринбург, 2003; научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2003; научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Тобольск, 2004; II Всероссийской научно-технической конференции «Энергосистема: управление, качество», Екатеринбург, 2004; региональном семинаре ОДУ Урала и кафедры «Автоматизированные электрические системы», Екатеринбург, 2005; научно-практических конференциях с международным участием «Энергетика и электротехника», Екатеринбург, 2005 - 2006 и др.; «Energy saving technologies inscientific and technical development for industrial corporations», Dortmund, 2008; III международной научно-практической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование», Екатеринбург, 2008; Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, Nangin; The First International Conferenceon Sustainable Power Generation and Supply, Nanjing, 2009; 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, November 2-5, Porto, Portugal.: IEEE, 2009; 9th International Conference on Environment and Electrical Engineering EEEIC 2010, Prague; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», Томск, 2010; International Scientific Conference «Energy Industry Development And Ecology». Ulaanbaatar, 2010; Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи», Екатеринбург, 2010; International Scientific and Technical Conference «Electrical Power Engineering - 2010», Varna, 2010; Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи», International Conferenceon Renewable Energies and Power Quality, Santiago de Compostela (Spain), 2012, и других.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 66 работ, в том числе 17 работ в рецензируемых изданиях ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит введение, пять глав, заключение, список литературы и приложения. Общий объем работы составляет 367 страниц и включает 174 библиографических наименования.
Основные результаты диссертационной работы:
- Обоснована необходимость создания и разработки энерго-информационной модели развития и функционирования СЭС.
- Разработаны принципы и новая концепция формирования энерго-информационной модели для решения задач мониторинга схемно-режимных параметров СЭС мегаполисов, включающая динамическое формирование внутренних структур для объектной, топологической и нормативной информации.
- Для создания энерго-информационной модели предложен объектно-ориентированный подход на основе графового исполнения. Именно это обеспечивает гибкость, возможность преобразования и масштабирования полносвязной структуры СЭС города с учетом ее топологического многообразия, многоуровневого иерархического представления ЭС и инвариантности базовой структуры для моделирования режимов работы.
- Предложена адаптация методики энергораспределения применительно к распределительным сетям крупных городов. Разработанный подход позволяет снизить как методическую, так и информационную составляющие погрешности расчета потерь электроэнергии. Схемные изменения в системе электроснабжения адекватно учитываются за счет использования максимальной кольцевой топологии, для которой известно время включенного состояния ее элементов.
- Выполнен системный анализ реального текущего состояния и качества функционирования СЭС больших городов, а также обозначены пути технического перевооружения и модернизации электроэнергетического комплекса на примере города-мегаполиса Екатеринбурга.
- Предложен генетический алгоритм решения оптимизационной задачи поиска точек размыкания в сложных распределительных сетях для минимизации потерь электроэнергии на основе расчетной модели энергораспределения.
- Введено понятие функционального состояния системы электроснабжения, комплексно отражающего технические, экономические, экологические и другие характеристики системы электроснабжения. Для оценки функционального состояния СЭС предложено использовать методологию индикативного анализа. Разработаны подходы к определению индикаторов и их группировки применительно к решению задач развития и реконструкции СЭС крупных городов.
- Показана возможность использования результатов индикативного анализа для формирования полного объема технических мероприятий по поддержанию объектов СЭС города в нормальном режиме, а также ликвидации предаварийных режимов путем ранжирования объектов по состоянию в условиях ограниченного финансирования. Обоснована необходимость решения комбинаторной задачи определения оптимального сценария развития СЭС, расчета капиталовложений и анализа их эффективности на каждом этапе.
- Разработана методика оценки эффективности принимаемых решений по ремонту и реконструкции элементов электросетевого комплекса, которая позволяет сформировать группу первоочередных мероприятий с учетом финансовых, технических и других ограничений.
Предложенные методики анализа и оптимизации состояния СЭС и созданные на их основе программные средства были внедрены в производственный процесс:
• ОАО «ЕЭСК» - программный комплекс «Trans» (2004 г.) определения технически обоснованных режимов нагрузки маслонаполненных силовых трансформаторов с точки зрения допустимых температур и термического износа изоляции на основе данных телеметрии, а также программа «Most» (2006 г.) для автоматизации расчетов оценки технического состояния электрооборудования с целью повышения качества управленческих решений на предпроектном этапе развития сетевого комплекса;
• Экспериментально-производственного комбината УГТУ-УПИ (УрФУ) - программный комплекс «Экспертные системы многокритериального оценивания систем электроснабжения» для поддержки принятия решений по развитию систем электроснабжения в условиях неопределенности части исходной информации на основе многокритериальной модели;
• Филиала «МРСК Урала» Свердловэнерго - Система индикативного анализа оценки состояния основного оборудования электросетевого комплекса.
1. Артюгина В.В., Дмитриев С.А., Кокин С.Е., Лысак С.А. Система комплексного анализа сети 0.4 кВ // Вестник УГТУ-УПИ. 2004. №12 (42). С. 410-412.
2. Кокин С.Е., Лысак С.А. Прогнозирование электрических нагрузок // Вестник УГТУ-УПИ. 2004. №12 (42). С. 145-147.
3. Дмитриев С.А., Кокин С.Е., Пыжьянова Н.Н., Мошинский О.Б. Оценка режима работы и износа изоляции силовых трансформаторов // Вестник УГТУ-УПИ. 2004. №12 (42). С. 397-399.
4. Кокин С.Е., Пыжьянова Н.Н. Основные требования к системе электроснабжения города // Вестник УГТУ-УПИ. 2004. №12 (42). С. 412-415.
5. Дмитриев С.А., Кокин С.Е., Мошинский О.Б., Пыжьянова Н.Н. Оценка работоспособности силовых трансформаторов с учетом схемно-режимных параметров // Вестник УГТУ-УПИ. 2005. №12(64). С. 208-214.
6. Кокин С.Е., Пыжьянова Н.Н. Стратегия развития электроснабжения г. Екатеринбурга // Вестник УГТУ-УПИ. 2005. №12(64). С. 220-224.
7. Александрова Е.А., Дмитриев С.А., Кокин С.Е., Лысак С.А. Структура электропотребления в жилищном фонде города // Вестник УГТУ-УПИ. 2005. №12(64). С.224-229.
8. Дмитриев С.А., Кокин С.Е., Лысак С.А. Структура электропотребления в жилищном фонде мегаполиса // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. №5. С. 146-148.
9. Кокин С.Е. Информационное обеспечение задачи перспективного развития электросетевого предприятия // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008. № 11-12/1. С. 103-111.
10. Дмитриев С.А., Лысак С.А., Кокин С.Е., Мошинский О.Б., Пыжьянова Н.Н. Методологические подходы к формированию концепции развития структуры электрических сетей крупных городов// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2008. № 11-12/1. С. 89-93.
11. Мошинский О.Б., Паздерин А.В., Шерстобитов Е.В. К расчету балансов и потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях // Промышленная Энергетика. 2009. № 9. С. 32-37.
12. Адаричев Е.Н., Кокин С.Е., Паздерин А.В. Пути снижения
электропотребления крупного города // Электрические станции. 2009. № 10. С. 43-46.
13. Бердин А.С., Кокин С.Е., Семенова Л.А. Оптимизация системы электроснабжения в условиях неопределенности // Промышленная энергетика. 2010. №4. С. 29-35.
14. Ерошенко С.А., Карпенко А.А., Кокин С.Е., Паздерин А.В. Научные проблемы распределенной генерации // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2010. № 11-12. С. 128-133.
15. Дмитриев С.А., Ерошенко С.А., Кузнецов Д.В., Кокин С.Е., А.В. Паздерин. Вопросы размещения источников распределенной генерации в электрических сетях мегаполисов // Вестник СамГТУ Технические науки. 2011. №4(32). С. 111-119.
16. Кокин С.Е. Определение оптимальных точек размыкания в сложнозамкнутых электрических сетях с помощью генетического алгоритм // Промышленная Энергетика. 2012. №2. С. 28-31.
17. Ерошенко С.А., Карпенко А.А., Кокин С.Е., Паздерин А.В. Оптимизация местоположения и мощности малой генерации в распределительных сетях// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2012. № 1-2.С. 43-50.
Другие основные работы автора по теме диссертации:
18. Богатырев Л.Л., Кокин С.Е., Паздерин А.В. Комплекс программ для оценки опасных состояний электроэнергетических систем // Применение математических методов и вычислительной техники в энергосистемах. Свердловск: УПИ, 1986. С. 84-91.
19. Богатырев Л.Л., Богданова Л.Ф., Кокин С.Е., Липаткин В.А., Зубарев В.В., Паздерин А.В. Программный комплекс системы ситуационного управления аварийными режимами энергосистем // Информационный листок Свердловского Центра научно-техн. информации и пропаганды №265-88. Свердловск: ЦНТИ, 1988. С. 63-74.
20. Богатырев Л.Л., Богданова Л.Ф., Кокин С.Е., Липаткин В.А., Паздерин А.В. Применение теории распознавания образов в задаче управления режимами сложных энергосистем // Автоматическое управление и регулирование в энергосистемах для обеспечения их устойчивой и надежной работы: сб. науч. тр. ВНИИЭ. М.: Энергоатомиздат, 1989. С. 112 -129.
21. Кокин С.Е. Анализ схем электрических соединений энергообъектов // «Энергосистема: управление, качество, безопасность». Сборник трудов научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2001. С.220-223.
22. Кокин С.Е. / Комплекс программ для создания схемы питающей электрической сети // «Энергосистема: управление, качество, безопасность»: сб. тр. научно-технической конференции. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ- УПИ, 2001. С.449-451.
23. Дмитриев С.А., Бартоломей П.И., Кокин С.Е., Лысак С.А., Мошинский О.Б., Пыжьянова Н.Н. Информационное обеспечение задач перспективного развития систем электроснабжения городов // Вестник науки Костанайского социально-технического университета. 2008. №1. С. 116-120.
24. Kokin S.E. Polygon Scheme with a Replacement Switch // Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, 2008. DRPT 2008. Third International Conference. Nangin: IEEE, 2008 P. 840 - 846.
25. Kokin, S.E., Pazderin, A.V., Adarichev, E.N. Ways of Decreasing Maximum and Equalizing Curve of Big Cities’ Power Demand // The First International Conference on Sustainable Power Generation and Supply. Nanjing, April 6-7. 2009. China: Power Network Technology Press. 2009. P. 315 -319.
26. Egorov A.O., Kokin S.E., Kochneva E.S., Pazderin A.V. Solution of Energy Flow Problem Using State Estimation Technique // 35th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society. Porto, November 2-5. 2009. Portugal.: IEEE, 2009. P.1750 - 1755.
27. Dmitriev S.A., Kokin S.E. Working Out the Policy of Technical Modernization of Big Cities’ Power Supply on the Basis of Network Condition Estimation Model// 9th International Conference on Environment and Electrical Engineering EEEIC 2010. Prague: Wroclaw University of Technology, 2010.P. 235-238.
28. Dmitriev S.A., Kokin S.E., Khalyasmaa A.I. Approaches to Technical Policy Management of Power Supply Companies in The Big Cities On The Basis of Network Condition Estimation Model // International Scientific Conference Energy Industry Development And Ecology, Ulaanbaatar, May 27-28. 2010. Ulaanbaatar: The Power Engineering School of Mongolian University, 2010. P. 126-131.
29. Дмитриев С.А., Кокин С.Е. Модель Оценки Технико-экономического Состояния Системы Электроснабжения // International Scientific and Technical Conference Electrical Power Engineering-2010, Varna, September 6-8. 2010. Varna: Technical University, 2010. P. 87-92.
30. Dmitriev S.A., Kokin S.E., Khalyasmaa A.I. Determining Optimal Breakpoints in Urban Power Networks with Genetic Algorithm // International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ’12), Santiago de Compostela, March 28-30, 2012.
31. Dmitriev S.A., Kokin S.E., Khalyasmaa A.I. Evaluation model for urban power supply systems // Advanced Materials Research. 2012. 468-471. P. 1642-1648.
32. Васильева Н.С., Гольдштейн В.Г., Гундаев А.В., Кокин С.Е. Инновационные методы решения проблем надежного электроснабжения мегаполисов // В кн. Труды Кольского научного центра РАН: Энергетика. Апатиты. Выпуск 5. 2/2012 (9). С. 23-29.