Помощь студентам в учебе
Разработка алгоритма реконфигурации активно-адаптивной электрической сети. Разработка программного обеспечения
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 6-10 КВ 12
1.1. Особенности распределительных сетей 6-10 кВ 12
1.2. Появление цифровых распределительных сетей 6-10 кВ 14
1.3. Методы управления режимом распределительной сети 19
1.4. Программные комплексы и системы управления распределительной
сетью 25
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ 27
2.1. Поиск языков программирования 28
2.1.1. Языки программирование С и С++ 29
2.1.2. Язык программирования Java 33
2.1.3. Язык программирования PHP 37
2.1.4. Язык программирования Python 39
2.1.5. Язык программирования JavaScript 41
2.2. Выбор языка программирования и используемых библиотек 43
2.2.1. Выбор языков программирования для каждого модуля 46
3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ 56
3.1. Введение в разработку 56
3.2. Написание серверной части приложения 59
3.2.1. Написание технической части сервера 59
3.2.2. Реализация методов расчёта сети 60
3.2.3. Внедрение алгоритма реконфигурации сети 62
3.2.4. Интеграция нейронных сетей 63
3.3. Написание визуальной части приложения 65
3.3.1. Реализация редактора сети 66
3.3.2. Интеграция API серверной части 68
3.3.3. Интеграция конструктора нейронной сети 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 77
ПРИЛОЖЕНИЯ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
1. РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫЕ СЕТИ 6-10 КВ 12
1.1. Особенности распределительных сетей 6-10 кВ 12
1.2. Появление цифровых распределительных сетей 6-10 кВ 14
1.3. Методы управления режимом распределительной сети 19
1.4. Программные комплексы и системы управления распределительной
сетью 25
2. ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМЫ 27
2.1. Поиск языков программирования 28
2.1.1. Языки программирование С и С++ 29
2.1.2. Язык программирования Java 33
2.1.3. Язык программирования PHP 37
2.1.4. Язык программирования Python 39
2.1.5. Язык программирования JavaScript 41
2.2. Выбор языка программирования и используемых библиотек 43
2.2.1. Выбор языков программирования для каждого модуля 46
3. РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ 56
3.1. Введение в разработку 56
3.2. Написание серверной части приложения 59
3.2.1. Написание технической части сервера 59
3.2.2. Реализация методов расчёта сети 60
3.2.3. Внедрение алгоритма реконфигурации сети 62
3.2.4. Интеграция нейронных сетей 63
3.3. Написание визуальной части приложения 65
3.3.1. Реализация редактора сети 66
3.3.2. Интеграция API серверной части 68
3.3.3. Интеграция конструктора нейронной сети 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 75
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 77
ПРИЛОЖЕНИЯ 84
ПРИЛОЖЕНИЕ А 84
Актуальность темы.
Распределительные сети (РС) напряжением 6-35 кВ являются наиболее разветвлённым и протяжённым типом сети в энергосистеме. Способы эксплуатации и управления такими сетями давно отработаны и проверены временем. Проблемы данных сетей так же широко известны:
- Высокая аварийность;
- Низкая оснащённость средствами телемеханики и телеметрии;
- Высокая плотности размещения различных потребителей.
Однако нельзя сказать, что данные проблемы решены до конца. Близость к потребителям и устаревшее оборудование определяют главную особенность распределительных сетей низкого напряжения:
- Неравномерность распределения пиков нагрузки по потребителям в сети;
- Высокие эксплуатационные затраты;
- Отсутствие возможности дистанционного управления.
Учитывая данные особенности, в РС очень сложно совместить два фактора: поставка электроэнергии высокого качества и организация этого процесса экономно и эффективно.
Сокращение затрат при передаче электроэнергии представляется одной из главных задач повышения эффективности функционирования современного электросетевого распределительного комплекса.
Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года отмечает внедрение широкомасштабных проектов повышения энергоэффективности и распространение интеллектуальных энергетических сетей и энергоинформационных систем, как важные условия формирования постиндустриальной энергетики.
С целью решения задачи энергосбережения и повышения энергоэффективности разработана концепция «интеллектуальной» активноадаптивной сети (Smart Grid). Разработан план мероприятий («дорожная карта») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы.
В 2018 году Указом Президента Российской Федерации была поставлена задача цифровизации электроэнергетического комплекса. На основании данного указа, ведущей электросетевой компании была сформирована концепция «Цифровая трансформация 2030». Цифровая трансформация должна обеспечить российский рынок современными технологическими решениями, применяя которые компания обеспечит преимущество в темпах снижения удельных операционных и инвестиционных затрат, оптимизирует развитие, содержание инфраструктуры и структуру управления технологическими процессами, а кроме того, решение данных задач откроет возможности предоставления новых сервисов, таких как формирование тарифного меню, подключение малой распределённой генерации, создание инфраструктуры для электрозаправок и т. д.
В рамках Международного форума «Российская энергетическая неделя» (РЭН-2018) прошла встреча главных инженеров электросетевых компаний на тему «Цифровизация электрической сети», на которой было определено, что цифровая сеть - это основа электросетевого комплекса будущего, а, в свою очередь, электросетевой комплекс будет представлять собой совокупность объектов электросетевого хозяйства, ключевым фактором управления которыми являются данные в цифровом виде, и на цифровых технологиях будет основываться вся система управления производственной деятельностью в электросетевых компаниях.
Всё это ведет к тому, что активно развиваются, так называемые, «умные сети» и происходит техническое и информационное перевооружение распределительных сетей. В настоящее время процесс интеллектуализации отечественных РС сосредоточен на развитии материальной базы. В них начинает применяться современная коммутационная аппаратура и реклоузеры, микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики с дискретными сигналами, установки распределённой генерации (РГ) и накопители ЭЭ, а также широко развиваются «интеллектуальные» автоматизированные информационно-измерительные системы. Однако, данное оборудование не может использоваться эффективно без соответствующих алгоритмов управления.
Происходящие в составе информационного и технического оборудования изменения предоставляют новые возможности по управлению РС.
В распределительных сетях низкого и среднего напряжений имеются интеллектуальные счётчики, применяемые с использованием автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учёта электроэнергии (АИИС КУЭ). Цифровые устройства, способны собирать и удалённо передавать информацию о параметрах электрической сети.
Получая в реальном времени данные о режимных параметрах можно в короткие сроки проводить анализ качества электроэнергии и определять эффективность её передачи. Появление возможности дистанционного управления коммутационными аппаратами позволяет изменять конфигурацию сети, управлять потоками мощности, балансировать режим сети. Оптимизация конфигурации сети позволяет добиться повышения эффективности при транспортировке электрической энергии и повышения её качества.
Нормальная схема электроснабжения рассчитывается для определенно-го (максимального) режима и не предусматривает изменения её конфигурации при отсутствии аварийных событий. Данная схема обеспечивает допустимые потери мощности в сети и допустимые отклонения напряжения у потребителя при номинальных нагрузках.
Однако, большое количество различных потребителей, наличие РГ приводит к тому, что график нагрузки постоянно меняется, что влечёт за собой изменение оптимальной конфигурации сети для данного момента. Под оптимальной конфигурацией сети будем понимать схему сети с наименьшими потерями и наименьшими отклонениями от номинального значения напряжения.
На данный момент потенциал оборудования, устанавливаемого в рамках программ по модернизации, не используется в полной мере. Однако его наличие даёт возможность для создания программного комплекса, позволяющего в режиме реального времени оценивать режимные показатели, находить и осуществлять оптимальные варианты конфигурации сети. Комплексная реализация управляющих возможностей этого оборудования позволит повысить эффект от его использования как для отдельных потребителей, так и для всей электрической сети в целом.
Цель работы - заключается в создании программного продукта, позволяющего выявлять необходимость реконфигурации схемы распределительной сети 6-10 кВ в различных эксплуатационных режимах и находить оптимальную конфигурацию для каждого из них.
Задачи, поставленные и решённые в ходе выполнения работы:
1) Анализ особенностей распределительных сетей с целью выявления задач, решаемых при реконфигурации сети.
2) Нахождение оптимального метода расчёта режима
распределительных сетей путём проведения сравнительного анализа известных математических методов.
3) Разработка алгоритма и метода определения оптимальной конфигурации сети в зависимости от режимных показателей
4) Разработка метода прогнозирования режима сети с использованием нейронной сети
5) Разработка программного комплекса позволяющего в режиме реального времени проводить реконфигурацию сети.
Научная новизна в целом заключается в разработке алгоритмов, позволяющих в режиме реального времени рассчитывать и находить оптимальную конфигурацию распределительной сети, с целью снижения суммарных эксплуатационных затрат и учитывающих прогнозируемую продолжительность режима и затраты на переключения.
1) Показана эффективность реконфигурации сети в распределительных сетях в режиме реального времени.
2) Разработан алгоритм определения оптимальной конфигурации сети в различных эксплуатационных ситуациях.
3) Разработан алгоритм оценки необходимости проведения реконфигурации с целью сохранения ресурса оборудования и улучшения качества электроэнергии.
4) Применено комплексное прогнозирование режима с целью повышения эффективности реконфигурации.
Практическая значимость.
Разрабатываемый программный продукт может быть использован для достаточно быстрого определения оптимальных ТНР в распределительных сетях различного напряжения.
Совместная работа алгоритмов определения оптимальной конфигурации сети и нахождения затрат на реконфигурацию позволяет оценить экономическую выгоду от процесса реконфигурации сети. Прогнозирование графика нагрузок с применением нейронной сети позволит оценивать длительность режима. Определение времени существования режима позволит более точно оценить экономическую эффективность реконфигурации и сократить излишнее число оперативных переключений.
При помощи данного программного комплекса возможно определить, как изменяются оптимальные конфигурации сети при различных режимах работы и оценить, насколько эффективен процесс реконфигурации для заданной сети. Проведя подобную оценку, можно или выбрать оптимальную сезонную конфигурацию сети, либо же принять решение о необходимости модернизации сети с целью обеспечения возможности реконфигурации в режиме реального времени.
Структура и объём. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка. Основной материал содержит 13 илл., прил. 1. Общий объем работы составляет 103 стр.
Распределительные сети (РС) напряжением 6-35 кВ являются наиболее разветвлённым и протяжённым типом сети в энергосистеме. Способы эксплуатации и управления такими сетями давно отработаны и проверены временем. Проблемы данных сетей так же широко известны:
- Высокая аварийность;
- Низкая оснащённость средствами телемеханики и телеметрии;
- Высокая плотности размещения различных потребителей.
Однако нельзя сказать, что данные проблемы решены до конца. Близость к потребителям и устаревшее оборудование определяют главную особенность распределительных сетей низкого напряжения:
- Неравномерность распределения пиков нагрузки по потребителям в сети;
- Высокие эксплуатационные затраты;
- Отсутствие возможности дистанционного управления.
Учитывая данные особенности, в РС очень сложно совместить два фактора: поставка электроэнергии высокого качества и организация этого процесса экономно и эффективно.
Сокращение затрат при передаче электроэнергии представляется одной из главных задач повышения эффективности функционирования современного электросетевого распределительного комплекса.
Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на период до 2030 года отмечает внедрение широкомасштабных проектов повышения энергоэффективности и распространение интеллектуальных энергетических сетей и энергоинформационных систем, как важные условия формирования постиндустриальной энергетики.
С целью решения задачи энергосбережения и повышения энергоэффективности разработана концепция «интеллектуальной» активноадаптивной сети (Smart Grid). Разработан план мероприятий («дорожная карта») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы.
В 2018 году Указом Президента Российской Федерации была поставлена задача цифровизации электроэнергетического комплекса. На основании данного указа, ведущей электросетевой компании была сформирована концепция «Цифровая трансформация 2030». Цифровая трансформация должна обеспечить российский рынок современными технологическими решениями, применяя которые компания обеспечит преимущество в темпах снижения удельных операционных и инвестиционных затрат, оптимизирует развитие, содержание инфраструктуры и структуру управления технологическими процессами, а кроме того, решение данных задач откроет возможности предоставления новых сервисов, таких как формирование тарифного меню, подключение малой распределённой генерации, создание инфраструктуры для электрозаправок и т. д.
В рамках Международного форума «Российская энергетическая неделя» (РЭН-2018) прошла встреча главных инженеров электросетевых компаний на тему «Цифровизация электрической сети», на которой было определено, что цифровая сеть - это основа электросетевого комплекса будущего, а, в свою очередь, электросетевой комплекс будет представлять собой совокупность объектов электросетевого хозяйства, ключевым фактором управления которыми являются данные в цифровом виде, и на цифровых технологиях будет основываться вся система управления производственной деятельностью в электросетевых компаниях.
Всё это ведет к тому, что активно развиваются, так называемые, «умные сети» и происходит техническое и информационное перевооружение распределительных сетей. В настоящее время процесс интеллектуализации отечественных РС сосредоточен на развитии материальной базы. В них начинает применяться современная коммутационная аппаратура и реклоузеры, микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики с дискретными сигналами, установки распределённой генерации (РГ) и накопители ЭЭ, а также широко развиваются «интеллектуальные» автоматизированные информационно-измерительные системы. Однако, данное оборудование не может использоваться эффективно без соответствующих алгоритмов управления.
Происходящие в составе информационного и технического оборудования изменения предоставляют новые возможности по управлению РС.
В распределительных сетях низкого и среднего напряжений имеются интеллектуальные счётчики, применяемые с использованием автоматизированной информационно-измерительной системы коммерческого учёта электроэнергии (АИИС КУЭ). Цифровые устройства, способны собирать и удалённо передавать информацию о параметрах электрической сети.
Получая в реальном времени данные о режимных параметрах можно в короткие сроки проводить анализ качества электроэнергии и определять эффективность её передачи. Появление возможности дистанционного управления коммутационными аппаратами позволяет изменять конфигурацию сети, управлять потоками мощности, балансировать режим сети. Оптимизация конфигурации сети позволяет добиться повышения эффективности при транспортировке электрической энергии и повышения её качества.
Нормальная схема электроснабжения рассчитывается для определенно-го (максимального) режима и не предусматривает изменения её конфигурации при отсутствии аварийных событий. Данная схема обеспечивает допустимые потери мощности в сети и допустимые отклонения напряжения у потребителя при номинальных нагрузках.
Однако, большое количество различных потребителей, наличие РГ приводит к тому, что график нагрузки постоянно меняется, что влечёт за собой изменение оптимальной конфигурации сети для данного момента. Под оптимальной конфигурацией сети будем понимать схему сети с наименьшими потерями и наименьшими отклонениями от номинального значения напряжения.
На данный момент потенциал оборудования, устанавливаемого в рамках программ по модернизации, не используется в полной мере. Однако его наличие даёт возможность для создания программного комплекса, позволяющего в режиме реального времени оценивать режимные показатели, находить и осуществлять оптимальные варианты конфигурации сети. Комплексная реализация управляющих возможностей этого оборудования позволит повысить эффект от его использования как для отдельных потребителей, так и для всей электрической сети в целом.
Цель работы - заключается в создании программного продукта, позволяющего выявлять необходимость реконфигурации схемы распределительной сети 6-10 кВ в различных эксплуатационных режимах и находить оптимальную конфигурацию для каждого из них.
Задачи, поставленные и решённые в ходе выполнения работы:
1) Анализ особенностей распределительных сетей с целью выявления задач, решаемых при реконфигурации сети.
2) Нахождение оптимального метода расчёта режима
распределительных сетей путём проведения сравнительного анализа известных математических методов.
3) Разработка алгоритма и метода определения оптимальной конфигурации сети в зависимости от режимных показателей
4) Разработка метода прогнозирования режима сети с использованием нейронной сети
5) Разработка программного комплекса позволяющего в режиме реального времени проводить реконфигурацию сети.
Научная новизна в целом заключается в разработке алгоритмов, позволяющих в режиме реального времени рассчитывать и находить оптимальную конфигурацию распределительной сети, с целью снижения суммарных эксплуатационных затрат и учитывающих прогнозируемую продолжительность режима и затраты на переключения.
1) Показана эффективность реконфигурации сети в распределительных сетях в режиме реального времени.
2) Разработан алгоритм определения оптимальной конфигурации сети в различных эксплуатационных ситуациях.
3) Разработан алгоритм оценки необходимости проведения реконфигурации с целью сохранения ресурса оборудования и улучшения качества электроэнергии.
4) Применено комплексное прогнозирование режима с целью повышения эффективности реконфигурации.
Практическая значимость.
Разрабатываемый программный продукт может быть использован для достаточно быстрого определения оптимальных ТНР в распределительных сетях различного напряжения.
Совместная работа алгоритмов определения оптимальной конфигурации сети и нахождения затрат на реконфигурацию позволяет оценить экономическую выгоду от процесса реконфигурации сети. Прогнозирование графика нагрузок с применением нейронной сети позволит оценивать длительность режима. Определение времени существования режима позволит более точно оценить экономическую эффективность реконфигурации и сократить излишнее число оперативных переключений.
При помощи данного программного комплекса возможно определить, как изменяются оптимальные конфигурации сети при различных режимах работы и оценить, насколько эффективен процесс реконфигурации для заданной сети. Проведя подобную оценку, можно или выбрать оптимальную сезонную конфигурацию сети, либо же принять решение о необходимости модернизации сети с целью обеспечения возможности реконфигурации в режиме реального времени.
Структура и объём. Работа состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка. Основной материал содержит 13 илл., прил. 1. Общий объем работы составляет 103 стр.
Современные тенденции развития электроэнергетических сетей направлены на цифровизацию и интеллектуализацию, выдвигают серьёзные требования к разрабатываемому для их управления программному обеспечению. Это могут быть как стандартные требования проектирования программного обеспечения, такие как безопасность, отказоустойчивость, проработанность интерфейса, так и специфические требования, связанные с реализацией управления распределительными сетями. Такими требованиями являются необходимость расчёта режима разомкнутой распределительной сети, высокая скорость принятия решений, учёт эксплуатационной надёжности оборудование, прогнозирование нагрузки и другие.
В рамках данного исследования был проведён анализ отечественного и зарубежного программ, реализующих функции расчёта режима и управления распределительной сетью. По различным причинам, не одно рассмотренное ПО не удовлетворяет перечисленным требованиям. В связи с чем, было принято решение о разработке обособленного ПО.
Одним из результатов работы научной группы является прототип программного комплекса, который способен конструировать электроэнергетическую сеть, рассчитывать её параметры, предсказывать режим работы сети и производить реконфигурацию сети.
Данный программный комплекс спроектирован таким образом, чтобы предоставить возможность интеграции в имеющуюся корпоративную сеть производства и использовать её данные как исходные для решения поставленных задач.
Созданное ПО соответствует современным стандартам программирования и имеет потенциал к усовершенствованию и модернизации, например, есть возможность добавить поддержку распределённой генерации или системы автоматического регулирования сетью.
На данный момент ПО рекомендуется применять в качестве советчика диспетчера энергосети, но с дополнительными улучшениями, в будущем она способна заменить и полностью автоматизировать сети.
В рамках данного исследования был проведён анализ отечественного и зарубежного программ, реализующих функции расчёта режима и управления распределительной сетью. По различным причинам, не одно рассмотренное ПО не удовлетворяет перечисленным требованиям. В связи с чем, было принято решение о разработке обособленного ПО.
Одним из результатов работы научной группы является прототип программного комплекса, который способен конструировать электроэнергетическую сеть, рассчитывать её параметры, предсказывать режим работы сети и производить реконфигурацию сети.
Данный программный комплекс спроектирован таким образом, чтобы предоставить возможность интеграции в имеющуюся корпоративную сеть производства и использовать её данные как исходные для решения поставленных задач.
Созданное ПО соответствует современным стандартам программирования и имеет потенциал к усовершенствованию и модернизации, например, есть возможность добавить поддержку распределённой генерации или системы автоматического регулирования сетью.
На данный момент ПО рекомендуется применять в качестве советчика диспетчера энергосети, но с дополнительными улучшениями, в будущем она способна заменить и полностью автоматизировать сети.