Введение к работе
Актуальность работы. Технологический процесс передачи и
потребления энергии в распределительных электроэнергетических системах
(ЭЭС) требует реализации современных средств автоматизации,
позволяющих осуществлять выбор оптимизационных режимов
функционирования. Основными критериями эффективности данного процесса являются напряжение питания и интегральный показатель качества - минимизация потерь активной мощности (при условии поддержания постоянства системной характеристики – частоты питающей сети).
Амортизация электрических и тепловых сетей, постоянный рост
мощностей потребительских энергоустановок, увеличение
неравномерностей в передаче перетоков мощности во времени и по
направлениям следования существенно усложняют задачи, решаемые при
управлении энергораспределением на различных уровнях системы
управления (СУ). Становится очевидным, что СУ должна обеспечивать
решение задач производственно-технологического и оперативно-
диспетчерского характера.
Значительные резервы улучшения качества функционирования
сложных технологических процессов перетока мощностей в рамках ЭЭС
заключаются в дальнейшем совершенствовании программно-
алгоритмической базы интегрированных иерархических СУ на основе применения современных математических методов и информационных технологий, что является предпосылкой для структур Smart Grid.
СУ процессами в распределительных сетях и узлах нагрузки должны
отличаться высокими адаптивными возможностями, что практически
осуществляется посредством организации из элементов ЭЭС
автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУЭ), в рамках которых осуществляется сбор актуальной информации о состоянии ЭЭС, её анализ и выработка соответствующих оптимизационных воздействий в локальных объектах управления (автотрансформаторное оборудование, регулируемая нагрузка в узлах энергораспределения).
В настоящее время вопросам аппаратного развития элементов ЭЭС посвящено большое количество исследований. Отметим работы Ю.С. Железко, В.Э. Воротницкого, А.И. Зайцева, Ю.Г. Шакиряна, А.К. Шидловского, В.Н. Казанцева. Наиболее существенным препятствием на пути к внедрению этих разработок для практических нужд является
требование существенных капиталовложений в короткие сроки, что значительно ограничивает их потенциал.
Вопросам оптимизации управления, связанным с функционированием (в частности, разработке математических методов и алгоритмов с повышенными показателями эффективности) в рамках СУ параметров ЭЭС и локальных систем управления, посвящены работы А.З. Гамма, В.Л. Бурковского, Б.И. Аюева, С.Л. Подвального, Д.А. Арзамасцева.
Следует отметить, что в настоящее время недостаточное внимание
уделяется анализу и учёту неопределённых факторов, оказывающих
существенное влияние на функционирование ЭЭС. При этом, основной упор
делается на решение вопросов оптимизации функционирования отдельных
элементов систем энергораспределения при низком уровне учёта
взаимодействия смежных систем передачи и потребления энергоресурсов,
что является причиной чрезмерной энергоёмкости отечественного
энергетического комплекса.
Решение данной задачи, в первую очередь, заключается в планомерном внедрении концепции адаптивных СУ энергораспределением применительно к распределительным объектам региональной системы на базе концепции Smart Grid. Так как масштабная реализация аппаратных средств в современных условиях является крайне проблематичной, то наиболее реальным представляется развитие программно-аппаратных комплексов ЭЭС. В частности, наиболее перспективным является применение адаптивных подходов на базе искусственных нейронных (ИНС) сетей и их разновидности – нечётких нейронных сетей (ННС) к оптимизации элементов СУ транспорта и потребления энергомощностей.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью дальнейшего развития математического аппарата, ориентированного на реализацию в рамках структурных элементов ЭЭС нечёткого нейросетевого управления процессами перетоков активной и реактивной мощности и нечёткого регулирования локальных объектов энергораспределения (элементов транспорта и потребления энергоресурсов).
Тематика диссертационной работы соответствует одному из основных научных направлений Воронежского государственного технического университета «Вычислительные комплексы и проблемно-ориентированные системы управления».
Целью диссертационного исследования является повышение качества управления процессами перетоков мощности в рамках ЭЭС на
основе разработки алгоритмов и моделей, реализуемых на основе аппарата ННС и ИНС, с учётом факторов неопределённости, а также оптимизации функционирования локальных объектов энергораспределения на базе нечётких нейронных регуляторов (ННР).
Задачи исследования. Для достижения данной цели в работе поставлены следующие задачи:
- осуществить анализ функционирования распределительных объектов
ЭЭС, ориентированный на повышение эффективности управления
процессами перетоков мощности;
проанализировать степень влияния факторов неопределённости на процессы передачи энергоперетоков и разработать формализованное описание перетоков мощности на базе аппарата ННС;
разработать модели и алгоритмы управления перетоками мощности на основе ИНС и ННС в рамках интегрированной структуры СУ технологического процесса передачи мощности;
разработать оптимизационные модели управления локальными распределительными объектами по критерию минимизации потерь мощности и осуществить синтез ННР локальных объектов энергораспределения;
разработать программное обеспечение алгоритмов управления процессами перетоков мощности и нечёткого регулирования соответствующих локальных распределительных объектов;
- создать программно-аппаратный комплекс моделирования и анализа
эффективности реализации средств управления распределительными
объектами ЭЭС.
Объект исследования: процессы управления перетоками мощности в региональной системе энергораспределения.
Предмет исследования: методы и алгоритмы управления процессами
перетоков мощности, оптимизации и управления в условиях
неопределенности функционирования ЭЭС в рамках АСДУЭ.
Методы исследования основаны на использовании аппарата теории математического моделирования, теоретических основ электротехники, нейронных и нечётких нейронных сетей, теории системного анализа, теории управления.
Соответствие диссертации паспорту специальности.
П.4 Теоретические основы и методы математического моделирования организационно-технических систем и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация.
П.6 Научные основы, модели и методы идентификации
производственных процессов, комплексов и интегрированных систем управления.
П.15 Теоретические основы, методы и алгоритмы интеллектуализации решения прикладных задач при построении АСУ широкого назначения (АСУТП, АСУП, АСТПП и др.).
Научная новизна:
В диссертации получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:
- способ формализации процессов перетоков мощности в рамках ЭЭС,
отличающийся комплексным учётом факторов неопределённости с
последующим описанием посредством ИНС и ННС;
- нечёткие модели управления процессами перетоков мощности,
отличающиеся повышенными показателями точности и позволяющие
учитывать наиболее значимые параметры энергораспределения в различные
периоды времени;
- алгоритм обучения ННС, базирующийся на сочетании градиентных
методов и метода наименьших квадратов, отличающийся учётом
динамических свойств распределительных объектов с различной степенью
неопределённости параметров;
- алгоритмы оптимизации управления локальными
распределительными объектами (автотрансформаторным оборудованием,
регулируемой нагрузкой узлов энергораспределения), отличающиеся
реализацией комплексного критерия минимизации потерь активной
мощности (на основе методов Лагранжа и Ньютона – Рафсона);
- универсальный ННР, отличающийся возможностью учёта наиболее
значимых факторов, влияющих на процессы перетоков мощности и
позволяющий осуществить настройку параметров управления в конкретных
условиях реализации;
- структуры программного обеспечения процессами перетоков
мощности, а также программно-аппаратного обеспечения системы
моделирования и анализа средств управления, отличающиеся реализацией
механизма интеграции с инструментальной системой Matlab.
Практическая значимость работы. Предложенные в работе
алгоритмы и модели управления процессами перетоков мощности, а также
средства их информационной поддержки реализованы в виде специального
программного комплекса, ориентированного на использование в рамках
региональных АСДУЭ. Алгоритмы оптимизации и нечёткого управления
локальными объектами в условиях неопределённости их параметров могут
быть использованы научно-исследовательскими организациями,
занимающимися развитием структур АСДУЭ на базе технологии Smart Grid.
Реализация результатов работы для решения задач управления процессами перетоков мощности, оценки параметров оборудования и оптимизации в условиях воздействия неопределённых факторов позволяет добиться положительного эффекта за счет минимизации потерь активной мощности в элементах ЭЭС.
Положения, выносимые на защиту:
- постановка задачи оптимизации региональных ЭЭС по критерию
минимума потерь активной мощности с учётом неопределённых факторов;
модифицированный алгоритм Ньютона – Рафсона для оптимизации ЭЭС по критерию минимума потерь с применением ННР;
нечёткие модели регулирования локальных объектов региональных ЭЭС.
Реализация результатов работы:
Результаты исследований внедрены в ПАО «Россети» (филиал «МРСК
Центра» - «Воронежэнерго») в качестве составного элемента
функционального блока управления процессами перетоков мощности в ЭЭС. Ожидаемый эффект от внедрения достигается за счёт увеличения точности процессов управления и выражается в дополнительном снижении потерь активной мощности в сравнении с применяемыми в предшествующих периодах методами.
Кроме того, результаты исследования внедрены в учебный процесс кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах Воронежского государственного технического университета в рамках дисциплин: «Системный анализ», «Теория автоматического управления», «Моделирование систем».
Апробация результатов работы. Основные положения
диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях: Международной (XIX Всероссийской) конференции по автоматизированному электроприводу (АЭП-2014),
Саранск, 7-9 октября 2014 г.; Всероссийской научно-технической
конференции «Научные технологии в научных исследованиях,
проектировании, управлении, производстве», Воронеж, 25-28 октября 2015 г.;
Международной научно-практической конференции «Актуальные
направления научных исследований XXI века: теория и практика», Воронеж,
2016, №6 (26); Международной научно-технической и научно-
методологической конференции «Современные технологии в науке и образовании», Рязань, 2016, а также на научных семинарах кафедры электропривода, автоматики и управления в технических системах Воронежского государственного технического университета (2013-2017 гг.).
Публикации. Результаты выполненных в диссертации исследований изложены в 11 печатных изданиях, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК, 3-х свидетельствах о регистрации программы для ЭВМ. В работах, опубликованных в соавторстве и приведенных в конце автореферата, лично соискателю принадлежат: в [4,5,9,10] - анализ распределительных объектов регионального энергораспределения; [1,2,5] – алгоритмы функционирования моделей управления процессами перетоков мощности; [3, 5 - 8, 11] – модели оптимизации элементов локальных систем энергораспределения.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Общий объём диссертации 171 страница, в том числе 57 рисунков, 17 таблиц; в дополнение к основной части оформлено 5 приложений на 29 страницах. Библиографический список включает 137 наименований.