Содержание к диссертации
Введение
1. Роль классификации в ситуационном управлении режимами реактивной мощности ЭСПП 14
1.1. Разработка принципов управления компенсацией реактивной мощности в сетях промышленных предприятий 14
1.2. Использование принципов ситуационного управления для КРМ ЭСПП 26
1.3. Сущность процесса классификации 34
Выводы к главе 1 43
Задачи исследования 44
2. Синтез методики управления режимом реактивной мощности с учетом многообразия состояний ЭСПП 45
2.1. Технические возможности генерации реактивной мощности СД и БК 45
2.2. Формулировка принципов выбора экономически целесообразных ИРМ УН 56
2.3. Алгоритм управления КРМ УН 64
Выводы к главе 2 71
3. Классификация состояний ЭСПП при управлении КРМ 74
3.1. Выбор методов классификации состояний ЭСПП для управления КРМ 74
3.2. Формирование решающей функции при классификации состояний ЭСПП 99
3.3. Разработка ИМ для формирования базы состояний ЭСПП и построения решающей ункции 113
Выводы к главе 3 125
4. Классификация состояний электрических сетей ТОФ в ситуацион ном управлении КРМ 127
4.1. Оценка эксплуатационных параметров схемы электроснабжения УН ТОФ и формирование базы ее состояний для осуществления КРМ... 127
4.2. Классификация состояний УН ТОФ и формирование решающих функций 145
4.3. Оценка эффективности использования процесса классификации при управлении компенсацией реактивной мощности УН ТОФ 165
Заключение 171
Библиографический список
- Использование принципов ситуационного управления для КРМ ЭСПП
- Формулировка принципов выбора экономически целесообразных ИРМ УН
- Формирование решающей функции при классификации состояний ЭСПП
- Классификация состояний УН ТОФ и формирование решающих функций
Введение к работе
Актуальность темы. Главная задача электрической системы состоит в своевременном обеспечении основного и вспомогательных технологических процессов требуемым количеством электрической энергии заданного качества при минимальных потерях электроэнергии во всех элементах сети электроснабжения. За предшествующее десятилетие суммарные потери в энергосистемах России выросли и в абсолютном значении с 79 до 103 млрд. кВт'ч, и в процентах относительно общего отпуска электроэнергии в сеть с 8,5 до 13%, хотя потребление энергии уменьшилось в 1,34 раза. Анализ материалов Тематического селекторного совещания ОАО РАО «ЕЭС России» 22.11.2006 года «Решение проблем и задач по нормализации потоков реактивной мощности и уровней напряжения в распределительных электрических сетях» показывает, что практически для всех энергосистем ЕЭС России характерна работа распределительных сетей с низким значением коэффициента мощности.
Электрические станции изолированной Норильской энергосистемы, суммарной установленной мощностью 2491 МВт, питающие электроприемники Никелевого (22%), Медного (7%), Надеждинского металлургического (23%) заводов, а та же Норильской и Талнахской обогатительных фабрик (8%), работают с коэффициентами мощности, находящимися в пределах 0,7-0,9. В частности, среднесуточные значения коэффициентов мощности Талнахской обогатительной фабрики (ТОФ) составляют 0,602 - 0,834.
До сих пор одним из наиболее эффективных способов повышения качества электроэнергии (КЭ), а также снижения потерь в питающей и распределительной сетях систем электроснабжения промышленных предприятий (ЭСПП) является компенсация реактивной мощности (КРМ), суть которой заключается в повышении коэффициента мощности за счет использования локальных источников реактивной мощности (ИРМ), устанавливаемых в распределительных узлах и узлах нагрузки.
Повышенное потребление реактивной мощности электроприемниками промышленных предприятий является естественным процессом из-за наличия в ЭСПП большого количества ступеней трансформации напряжения и низких номинальных значений коэффициентов мощности (о,75Ю,9) асинхронных электродвигателей. Суммарные значения потерь реактивной мощности в элементах сети весьма велики и достигают 50% мощности, поступающей в сеть. Примерно 70-75% из них составляют потери в трансформаторах различных ступеней напряжения. До 70% всей потребляемой промышленными предприятиями реактивной мощности приходится на долю асинхронных электродвигателей, хотя их суммарная
мощность составляет менее половины всей мощности нагрузки. Следовательно, без компенсации и регулирования потоков реактивной мощности в узлах промышленной нагрузки существенное снижение потерь практически невозможно.
Известно, что синхронные генераторы электростанций путем изменения тока возбуждения обеспечивают и регулируют баланс реактивной мощности. Увеличение реактивной мощности сверх номинальной может быть допущено в пределах, ограничиваемых номинальными токами статора и ротора. Работа генераторов с активной мощностью, выше номинальной также возможна, если турбина допускает длительные перегрузки. Однако полная мощность генератора при этом должна оставаться номинальной, а реактивная, следовательно, снижена за счет уменьшения тока возбуждения. Такой режим соответствует увеличению коэффициента мощности и приводит к уменьшению запаса статической устойчивости генератора.
Кроме генераторов электростанций баланс реактивной мощности обеспечивается синхронными компенсаторами (СК) и электродвигателями ЭСПП, батареями конденсаторов и статическими вентильными компенсаторами. Синхронные компенсаторы и двигатели (СД) могут генерировать и потреблять реактивную мощность (РМ), что задается системой их возбуждения в соответствии с U-образными характеристиками.
Батареи конденсаторов (БК) в силу своих физических свойств при потреблении незначительной величины активной мощности, являются практически идеальными экономичными источниками РМ. Однако реактивная мощность БК существенно зависит от напряжения и в узле нагрузки (qsk =
регулирующий эффект батарей конденсаторов, т.е. при уменьшении напряжения в сети они снижают выдаваемую реактивную мощность, что приводит к еще большему снижению напряжения. К недостаткам БК можно отнести также ступенчатость регулирования их мощности и аварийность при наличии в сети гармоник высшего порядка.
Наиболее целесообразно для компенсации реактивной мощности в ЭСПП с незначительной долей электроприемников нелинейного характера использовать комбинацию из таких источников реактивной мощности, как СД и БК, позволяющих изменять характер нагрузки. Для достижения наибольшего эффекта от компенсации РМ в сетях промышленных предприятий, необходима разработка системы управления всеми возможными ИРМ с учетом их технических ограничений и экономической целесообразности. Поскольку в процессе функционирования изменяются характер и структура связей между отдельными элементами электрической системы и параметрами ее режима (происходит смена состояний), то для управления сложными объектами необходима система централизованного и адаптивного
управления. Такая система управления должна учитывать многообразие состояний электрических сетей и быть способной для произвольного периода времени обеспечить автоматическое получение информации о текущем режиме РМ и принятие решений по регулированию компенсирующих устройств, построенная на основе, например, принципов ситуационного управления (СУ).
Объект исследования: электрические сети промышленных предприятий.
Предмет исследования: распознавание и классификация состояний электрических сетей промышленных предприятий.
Целью диссертационной работы является разработка и применение методик и алгоритмов классификации состояний ЭСПП для решения задач управления РМ, как одних из наиболее актуальных в области повышения эффективности электропотребления.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
1. Анализ текущего состояния проблемы регулирования режимов реактивной мощности и
обоснование возможности применения для этого принципов ситуационного управления.
2. Синтез методики управления режимом реактивной мощности с учетом технико-
экономических характеристик локальных ИРМ и многообразия состояний ЭСПП (разработка
рекомендаций по регулирующим воздействиям), включающий:
выбор метода классификации состояний ЭСПП и составление рабочего словаря признаков сложной многоуровневой системы распознавания образов;
разработку алгоритма ситуационного управления, осуществляющего процессы: формирования многомерного вектора признаков состояний ЭСПП; разбиения множества возможных ситуаций ЭСПП на классы; отнесения текущей ситуации объекта к соответствующим классам с помощью решающих функций, описывающих границы кластеров;
создание имитационной модели многоступенчатой радиальной системы электроснабжения, позволяющей воспроизводить различные состояния ЭСПП с учетом изменения напряжения питающей сети и регулирующего эффекта нагрузки;
- разработку алгоритма автоматической классификации и формирования решающих
функций, основанных на анализе статических характеристик УН.
3. Выполнение экспериментальных исследований по классификации состояний
электрической системы Талнахской обогатительной фабрики при управлении КРМ.
Методы исследований определялись поставленными задачами и основывались на математических моделях электромагнитных и электромеханических процессов в системах электроснабжения и электрических машинах, а также методах математического программирования. Математическое моделирование состояний электрических сетей в производилось в средах MatLab 7.0, Delphi 7.0 и MatCad 10. Классификация состояний ЭСПП была осуществлена в программах COMPACT 2.0 и пакете Simulink среды MatLab 7.0.
Научная новизна работы заключается:
В обосновании целесообразности использования принципов ситуационного управления параметрами режимов электропотребления промышленных предприятий при КРМ в узлах нагрузки.
В синтезированной методике управления режимом реактивной мощности с учетом технических (включая устойчивость) и экономических характеристик локальных ИРМ и многообразия состояний ЭСПП (т.е. в разработке рекомендаций по регулирующим воздействиям), включающей:
выбор метода классификации состояний ЭСПП и составление рабочего словаря признаков сложной многоуровневой системы распознавания образов;
алгоритм ситуационного управления, осуществляющего процессы: формирования многомерного вектора признаков состояний ЭСПП; разбиения множества возможных ситуаций ЭСПП на классы; отнесения текущей ситуации объекта к соответствующим классам с помощью решающих функций, описывающих границы кластеров;
имитационную модель многоступенчатой радиальной системы электроснабжения, разработанную в программной среде Delphi 7.0, позволяющую воспроизводить различные состояния ЭСПП с учетом изменения напряжения питающей сети и регулирующего эффекта нагрузки;
алгоритм автоматической классификации и формирования решающих функций, основанный на анализе статических характеристик УН.
Практическая значимость:
Созданный алгоритм управления потреблением реактивной мощности промышленных предприятий позволяет осуществить выбор рациональных ИРМ исходя из условий обеспечения требуемого энергосистемой коэффициента реактивной мощности, минимума потерь во всех элементах энергосистемы и устойчивости узла нагрузки.
Предложенный алгоритм ситуационного управления позволяет осуществлять регулирование параметров режима электропотребления в реальном времени.
Предложенная математическая модель потребления электроприемниками промышленного предприятия активной и реактивной мощности с учетом регулирующего эффекта нагрузки позволяет производить анализ и прогноз расхода электроэнергии на производстве, проверку рациональности текущего режима КРМ.
Разработанный алгоритм автоматической классификации и формирования решающих функций позволяет получить для каждой топологии сети наиболее целесообразное количество кластеров, определяемое шагом регулирования по напряжению и коэффициенту реактивной мощности.
На защиту выносится:
1. Алгоритм СУ компенсацией реактивной мощности, позволяющий формировать
множество классов возможных ситуаций ЭСПП и на основании многомерного вектора
признаков текущего состояния схемы электроснабжения с помощью решающих функций.
Имитационная модель многоступенчатой радиальной системы электроснабжения, позволяющая воспроизводить различные состояния ЭСПП с учетом изменения напряжения питающей сети и регулирующего эффекта нагрузки для формирования базы схемных и режимных признаков.
Результаты анализа методов классификации и алгоритм классификации, основанный на использовании кластерного анализа для распознавания состояний электрических систем промышленных предприятий и формировании решающих функций.
Результаты экспериментальных исследований классификации состояний электрической системы Талнахской обогатительной фабрики при управлении КРМ.
Апробация работы. Материал диссертации в целом и отдельные ее вопросы докладывались автором и обсуждались на научных семинарах Сибирского федерального университета (г.Красноярск) и Норильского индустриального института (г. Норильск), в частности:
Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования»; г. Томск: Томский политехнический университет, 2008;
10-й Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города»; г. Красноярск: Сибирский Федеральный университет, 2008;
Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования», г. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет, 2010;
Ш-й Региональной научной конференции «Научный потенциал Норильского промышленного района - XXI век», г. Норильск: Норильский индустриальный институт, 2011.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 2 в изданиях по перечню ВАК.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложенных на 173 страницах печатного текста, содержит 47 рисунков, 10 таблиц, 30 страниц приложения. Список используемой литературы состоит из 138 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
Использование принципов ситуационного управления для КРМ ЭСПП
Главная задача электрической сети промышленного предприятия состоит в своевременном обеспечении основного и вспомогательных технологических процессов требуемым количеством электрической энергии заданного качества. Для успешного выполнения этой задачи в нашей стране постоянно совершенствуется нормативно-правовая база, регламентирующая взаимоотношения между поставщиками и потребителями электроэнергии, разрабатываются мероприятия и оборудование для совершенствования эксплуатации распределительных сетей энергосистем и промышленных предприятий, в частности, в области снижения потерь и повышения показателей качества электроэнергии. Так, приказом Министерства промышленности и энергетики РФ от 22 февраля 2007 г. N 49 утвержден порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощностей (tgcp) для отдельных электроприемников и их групп. В нем даны предельные значения коэффициента реактивной мощности (РМ), за превышение которых предусматривается взыскание дополнительной платы с потребителя. Ранее также был издан приказ Председателя правления РАО «ЕЭС России» от 11.12.06 №893 «О повышении устойчивости и технико-экономической эффективности распределительных электрических сетей и систем электроснабжения потребителей за счет управления потоками реактивной мощности и нормализации уровней напряжения».
Кроме того, приказом ФСТ РФ от 22.12.2006 N 472-э/32, изменен порядок расчета ставки тарифа на оплату нормативных технологических потерь электроэнергии в единой национальной (общероссийской) электрической сети. Разработка указанного документа в области снижения потерь обусловлена ситуацией, сложившейся в нашей стране в последние годы. В период с 1991 г. по 2001 г. суммарные потери в энергосистемах России росли и в абсолютном значении с 79 до 103,5 млрд кВт ч, хотя потребление энергии в 2001 г. составило лишь около 75% уровня 1990 г., т.е. уменьшилось в 1,34 раза (при этом техническое состояние сетей осталось практически неизменным) [1]. Анализ материалов [2] показывает, что практически для всех энергосистем ЕЭС России характерна работа распределительных сетей с низким значением коэффициента мощности, поэтому до сих пор одним из наиболее эффективных способов повышения качества электроэнергии (КЭ), а таюке снижения потерь в питающей и распределительной сетях предприятия является компенсация реактивной мощности, суть которой заключается в повышении коэффициента мощности электропередачи за счет использования локальных ИРМ, устанавливаемых в распределительных узлах и узлах нагрузки. Уместно будет заметить, что повышение коэффициента мощности на 0,01 в масштабе страны дает возможность дополнительного полезного отпуска электроэнергии в размере до 500 млн. кВт в год [3].
Повышенное потребление реактивной мощности электроприемниками промышленных предприятий является естественным процессом [4], прежде всего, из-за наличия в электропередачах большого количества ступеней трансформации напряжения и низких номинальных значений коэффициентов мощности (0,75 0,9 ) асинхронных электродвигателей.
Суммарные абсолютные и относительные значения потерь реактивной мощности в элементах сети весьма велики и достигают 50% мощности, поступающей в сеть [5]. Примерно 70-75% всех потерь реактивной мощности составляют потери в трансформаторах различных ступеней напряжения. Так, в трехобмоточном трансформаторе ТДТН - 40000/220 при коэффициенте загрузки, равном 0,8, потери реактивной мощности составляют около 12% номинальной мощности, т.е. 4800 тар . До 70% всей потребляемой промышленными предприятиями реактивной мощности приходится на долю асинхрон ных электродвигателей, хотя их суммарная мощность составляет менее половины всей мощности нагрузки [4].
Согласно [6], на создание реактивной энергии топливо практически не расходуется, однако она загружает электрические сети, отнимая некоторую часть их пропускной способности, и приводит к дополнительным потерям активной энергии. В частности, если предприятие потребляет, например, 4 единицы активной энергии и дополнительно «гоняет» по сети 3 единицы реактивной энергии, сеть оказывается загруженной на лМ2 +32 = 5 единиц, а потери в ней возрастают с величины, пропорциональной 42 = 16 единицам, до величины, пропорциональной 42+32 = 25 единицам. В результате сеть загружается на 25% больше, а потери в ней становятся на 56% больше по сравнению с режимом передачи только активной энергии.
Так как передача электроэнергии по линиям электропередач осуществляется практически мгновенно, и она не может аккумулироваться в значительных количествах в элементах ЭС, то в каждый момент времени установившегося режима электрические станции должны выдавать мощность, равную мощности потребителей и потерям в сети, т.е. должен иметь место баланс выдаваемой и потребляемой мощности.
Баланс РМ, определяет стабильность одного из основных показателей качества электроэнергии - напряжения. В [7] показано, что при заданных изменениях реактивной мощности АО степень изменения напряжения определяется крутизной статических характеристик комплексной нагрузки QH = cp(U) по напряжению. Причем на величину отклонения напряжения влияет в основном уровень РМ. Следовательно, для стабилизации напряжения в узлах электроснабжения промышленных предприятий в заданных пределах система должна располагать достаточными регулируемыми резервами реактивной мощности и достаточно сложной системой управления.
Формулировка принципов выбора экономически целесообразных ИРМ УН
Как указывалось в первой главе, для КРМ в электрических сетях предприятий цветной металлургии наиболее целесообразным является использование комбинации из таких источников, как СД и БК при одновременном изменении положения отпаек РПН трансформаторов ГПП и других электротехнических устройств, позволяющих изменять характер нагрузки. Система управления компенсацией реактивной мощности должна учитывать технические ограничения и экономическую целесообразность использования источников РМ. Согласно [3-7; 10-14; 16-22 и др.] осуществление КРМ имеет технические и экономические аспекты. Технические аспекты эксплуатации средств КРМ определяются пропускной способностью линий электропередачи, требованиями качества электроэнергии в сети с конденсаторными батареями, тепловым режимом СД и пр.
Зависимости между током статора и током возбуждения синхронного двигателя могут быть определены графически из диаграммы Потье согласно [15] или аналитически из упрощенной векторной диаграммы h 1 _ К2 = 1 + Р2 х] cos2 (рном + а 2 -х/ sin2 cpH0M +2a-xd- sin рнои п \ в.ном J где /3 = Р/Рн0„, а = Q/QH0U относительные нагрузки статора соответственно по активной и реактивной мощностям; xd — сопротивление двигателя по продольной оси, соответствующее насыщению магнитной цепи при холостом ходе и номинальном напряжении статора. Отсюда реактивная мощность при номинальном токе возбуждения 1в = 1в IIOV а = Q = л/"1 + /(l-12 cos2 ft)+ 2 / sin Р»о« 1 (2 2) Qua, xd-sin(pIIOM Максимально допустимое относительное значение тока возбуждения СД может быть немного выше единицы, так как роторные обмотки имеют небольшой запас по нагреву. Результаты тепловых испытаний [20, 21] показали, что ток возбуждения СД может длительное время превышать номинальный на 5 — 15 %. При неполной загрузке обмоток статора активной мощностью, что часто наблюдается при эксплуатации синхронных двигателей, условия охлаждения роторной обмотки улучшаются. Максимальное значение реактивной мощности СД при ограничении нагрева ротора можно определить по формуле, полученной при 1в Ф 1виом г, - Ів 211 + Х"2 + 2Xd Sltl "а" ) C0S2 "" 1 ПЪ "max — . ) Ч -5/ xd-smq H0M где 1втт - максимально возможное значение тока возбуждения по нагреву ротора в длительном режиме работы.
В режиме недовозбуждения ток статора не должен превышать номинального значения при необходимом запасе устойчивости, определяемом отношением максимального момента синхронного двигателя к моменту на валу [15]. Реактивная мощность, потребляемая двигателем при минимально допустимом токе возбуждения и Ки = Kf = 1,0 \-p-xd-cos(puo K2J-\ п ., sin ,, где Кзап - коэффициент запаса, зависящий в значительной степени от характера нагрузки и системы автоматического регулирования возбуждения. Если СД имеет только релейную форсировку возбуждения, действующую при снижении напряжения примерно до 0,85 номинального, то запас устойчивости должен быть принят с учетом изменения перегрузочной способности двигателя из-за уменьшения напряжения. При спокойной нагрузке можно принять Kwn = 1,3. Предельная потребляемая (генерируемая) двигателем реактивная мощность должна быть ограничена, как указывалось ранее, в длительном режиме работы таким образом, чтобы ток статора не превышал номинального значения, т.е. Л =1,0. Тогда из выражения I2 =—-{ft2 -cos2 (рнт+а2 -sin29?„0„) при К" I. = 1,0, Ки = 1,0 имеем а -Щ -. (2.5) smp„ou
Следовательно, допустимую по техническим условиям реактивную мощность СД необходимо определять, из условия: I «minoo адоп min(«, 0 , «max ) (2-6) Токи возбуждения при этом определяются по формуле Т = Г + Р ,Xd-C0S Р»о« + а Xd Sln ач + 2ао Хд - Sill (р1ЮМ п . 1e.onm J 2 , „ 2 . Vі" Таким образом, технические возможности СД как ИРМ ограничиваются, прежде всего, нагревом обмоток статора и ротора токами нагрузки и возбуждения (2.3), (2.5). Кроме того, величина потребляемой ими реактивной мощности должна быть ограничена для обеспечения их устойчивой синхронной работы (2.4). Для возможности грамотной эксплуатации двигателей необходимо определить допустимую рабочую зону по реактивной мощности в зависимости от загрузки двигателей активной мощностью и уровня напряжения питающей сети (2.6). Зная область допустимых значений реактивной мощности можно определить величину соответствующих токов возбуждения (2.7).
К техническим характеристикам СД также необходимо отнести их положительный регулирующий эффект, заключающийся в том, что при снижении напряжения питающей сети, отдаваемая ими реактивная мощность может быть увеличена соответствующим регулированием тока возбуждения, что способствует восстановлению прежнего уровня напряжения узла нагрузки, повышает устойчивость режимов работы энергосистемы, снижает влияние толчковых нагрузок на стабильность напряжения и улучшает режимные параметры сетей с несимметричными нагрузками [18]. Реализация регулирующего эффекта обеспечивается автоматикой системы возбуждения с уче том приведенных выше технических ограничений (2.6) по генерации реактивной мощности синхронными двигателями и дополнительного математического описания не требует.
Свойства диэлектрика конденсаторной батареи характеризуются параметром tgS, который определяет, в свою очередь, тепловой режим батареи (чем меньше значение tgS, тем большую единичную мощность имеет батарея конденсаторов). Технические возможности батарей конденсаторов как ИРМ ограничиваются перегрузочной способностью при возникновении высших гармоник в сети.
Согласно ГОСТ 1282-72 [44] конденсаторы должны допускать длительную работу при действующем значении тока до 1,3 номинального значения (ho» к) за счет повышения напряжения при наличии в сети высших гармоник. В пункте 4 говорится о том, что конденсаторы должны допускать работу при длительных повышениях напряжения синусоидальной формы до 1,1 UH0V, возникающих вследствие изменения режима питающих сетей.
Формирование решающей функции при классификации состояний ЭСПП
Результатом иерархического кластерного анализа является построение дендрограмм, графически описывающих последовательность объединения (разделения) кластеров на основании их близости друг к другу. Очевидно, что иерархические методы кластерного анализа используются при небольших объемах наборов данных и их основным преимуществом является наглядность и простота.
При большом количестве наблюдений, как правило, используют два подхода неиерархического итеративного метода классификации: первый заключается в определении границ кластеров как наиболее плотных участков в многомерном пространстве исходных данных, т.е. определении кластера там, где имеется большое «сгущение точек»; второй — в минимизации меры различия объектов. В процессе деления новые кластеры формируются до тех пор, пока не будет выполнено правило остановки. В отличие от иерархических методов, которые не требуют предварительных предположений относительно числа кластеров, для возможности использования этого метода необходимо иметь гипотезу о наиболее вероятном количестве кластеров.
Прежде чем выбрать метод кластеризации необходимо уже на этом этапе, разработать примерный процесс классификации состояний ЭСПП. Как указывалось ранее, для описания будущих классов состояний ЭСПП предполагается использовать схемные, режимные и расчетные значения парамет ров, характеризующих технико-экономические возможности и ограничения эксплуатации электрооборудования ЭСПП.
Указанные признаки непрерывно должны поступать в анализатор блок-схемы алгоритма ситуационного управления (рис. 1.4) для оценки текущей ситуации. Результатом оценки должны служить решения о необходимости вмешательства в изменение параметров режима электроснабжения. В случае положительного решения, т.е. если контролируемые параметры сети будут отличны от требуемых на определенную величину, они здесь же, в анализаторе должны преобразовываться в форму, пригодную для дальнейшей классификации. На выходе анализатора, таким образом, формируется, в частности, одномерный вектор (размерностью 1х«), определяющий значения признаков текущей ситуации (S,). Длина вектора п зависит от количества признаков, используемых в блоке классификатора.
Например, если текущая ситуация будет описываться: номером схемы сети (некоторым коэффициентом К = \,2,3,...т) , уровнем напряжения (U) и значениями активной (Р) и реактивной (Q) мощностей, поступающих в УН, то вектор текущей ситуации 5", будет представлен как S,={K,U,P,Q).
Режимные (электрические) характеристики потребления электроэнергии УН должны поступать в анализатор в виде электрических сигналов с соответствующих датчиков. А вот параметры, представляющие собой различные технические ограничения и экономические рекомендации по эксплуатации электрооборудования, предназначены для формирования регулирующих воздействий и могут не включаться в состав рассматриваемого вектора.
Таким образом, можно предложить следующую последовательность осуществления процесса классификации при КРМ в УН, так сказать уточнить ранее рассмотренную модель алгоритма (рис. 3.5). Прежде всего, необходимо указать на наличие в любом процессе классификации двух основных этапов: этапа формирования классов (при котором происходит первичное разбиение множества ситуаций на группы по ряду признаков, определение центров и границ классов) и этапа непосредственно эксплуатации (при котором происходит отнесение текущей ситуации к имеющимся классам).
Формирование кластеров в данной работе предполагается производить в следующей последовательности. Каждая группа сигналов поступает в соответствующий блок обработки: сигналы с датчиков активной и реактивной мощностей - в «Блок деления» анализатора (блок №1, рис. 3.5), где они преобразуются в числовые значения с заданной точностью и формируют сигнал tg(p (пропорциональный отношению Q/P); сигналы с датчиков положения выключателей (0 или 1) поступают в «Преобразователь двоичных чисел» (блок №2, рис. 3.5) анализатора, где производится расчет текущего значения коэффициента схемных ситуаций К, по выражению К, = я020+а121 + а222+... + а„2", (3.1) где / = 0,1,2,..., т - порядковый номер измерения; ап - сигнал, поступающий с датчика «-го электроприемника, принимающий бинарные значения 0 или 1. Низкому уровню сигнала (лог. 0) будет соответствовать отключенное положение выключателя электроприемника, а высокому (лог. 1) соответственно -включенное. Данное выражение обладает одной особенностью - оно однозначно ставит в соответствие некоторой топологии сети свое числовое значение.
Однако, при переключении однотипных электроприемников, которые повсеместно встречаются в схемах электроснабжения, топология сети хоть и изменяется за счет переключения некоторых выключателей, но состав и тип электроприемников остается прежним с теми же требованиями по регулирующим воздействиям. Следовательно, такие ситуации было бы неплохо не разделять, а объединять, например, с помощью выражения К, = (а00 + ащ ) 2 + (о,0 + ащ У + {а20 + ащ У +... + (ар1 + аркр)2Р , (3.2) где (а00+аок) - группа сигналов от однотипных электроприемников; р - количество таких групп.
Классификация состояний УН ТОФ и формирование решающих функций
Назначением регулирующих воздействий, как указывалось ранее, является поддержание на шинах УН определенного значения tgcp, поэтому основным принципом изменения параметров режима электропотребления в данной работе служит выбор наиболее рациональных с точки зрения технико-экономических показателей ИРМ УН с учетом дискретности их регулирования.
Дискретность регулирования (см. гл. 3.1 - 3.3) определяется единичной мощностью батарей конденсаторов, минимальной ступенью изменения отпайки РПН трансформаторов, диапазоном допустимых изменений токов возбуждения СД в зависимости от их загрузки активной мощностью. Из-за несущественных затрат на производство реактивной мощности батареями конденсаторов 6 кВ минимальный шаг регулирования tgcp определяется, прежде всего, их единичной мощностью.
Выбор минимального шага регулирования tgcp производится в зависимости от значений максимальной (10,059 МВт) и минимальной (5,891 МВт) потребляемой активной мощности суточного графика нагрузки и принятой единичной мощности БК в сети 6 кВ (75 квар). При изменении ступени регулирования БК, равной 75 квар, значение tgcp в максимальном режиме работы предприятия изменится на 0,0075 отн. ед. (т.е. на 1,8%); в минимальном режиме - на 0,0127 отн. ед. (на 3,2%).
Увеличение потерь в питающей сети в случаях возрастания потребляемой реактивной мощности на 75 квар (до момента включения ступени БК) в часы максимума и минимума суточной нагрузки узла можно определить, пользуясь соотношением (3.21) следующим образом. Нормированная вели I2 + 0 42 чина потерь в любом режиме работы УН - APHBpv =—- — = 0,4 =\,\6отн.ед.; значение потерь в минимальном режиме работы УН — 154 Г+ (0,4 +0.0127Г ,, АРтт = ——rJ — = 1,17 отн. ед.; значение потерь в максимальном режиме работы УН - АРтзх = ——у — = 1,166 отн. ед. Таким образом, увеличение потребляемой реактивной мощности, равной 75 квар во время минимума суточного графика нагрузки приводит к повышению потерь на 0,854%, а во время максимума - на 0,52%.
Длительность минимального режима потребления электроэнергии (т.е. режима максимальных потерь, длящегося до момента включения БК мощностью 75 квар) согласно суточному графику не превышает 3 часов, максимального - 6 часов. Тем не менее, если уменьшение шага регулирования tgq не приведет к чрезмерному росту количества классов и, следовательно, к удлинению процесса принятия решений, если при этом также не будет значительно увеличен объем расчетов при формировании решающих воздействий, то для снижения потерь все же следует рассмотреть такую возможность. При этом, выбор в качестве шага регулирования, даже среднеарифметического 0,0075 + 0,0127 ... значения изменения этого параметра Atg p = — «0,01, может при вести к таким размерам кластеров, при которых в одном кластере окажутся ситуации, требующие значительных отличий в принятии решений по регули рованию. Например, если значения коэффициента реактивной мощности для периода времени суточного графика нагрузки с 2 до 7 часов (Р = 6654 кВт) изменятся в пределах от 0,41 до 0,42, то для обеспечения требуемого значе ния этого параметра в ситуациях, расположенных близко к нижней границе кластера потребуется подключить БК мощностью QEK =0,01 6654 = 66,54 квар, а для ситуаций, находящихся рядом с верхней границей Qm =0,02-6654 = 133,08 квар . Поэтому, шаг регулирования по tgcp в данной ра боте принимается равным Atgcp = 0,005. Классификация состояний ЭСПП при одновременном формировании решающей функции, в таком случае, может быть представлена в виде алгоритма (рис. 4.19). 155 s.vii S.\:i S.\:ii у ... г- 1 Определешіе коэффициентов p.-]t p:\,P}\ уравнений СХ tge i=PuUl p:iU-p.}i Выбор шага по напряжению AU " 1=1.21 1-Ю Определение коэффициентов линейных уравнений ки, k2l a bu, Ь2і по точкам ЗЗШЬТЩІЦІ) и S4(UiTl.Tmillj+i) Выбор шага Дір i=\,\.2/Aig p ,! Вычисление максимального и минимального значении tgp при текущем напряжении Uj г-б Запись значений tgf и tgtp в соответствующие массивы Тюи и Тщш N.N Поиск минимального и максимального значений tg p среші всех зичений статических характеристик Вычисление количества шагов N формирования решающих функций N = [tg pmrtgtpau}/Algp Формирование решающей функции "JV rgPj tg9 tg9} i U, U UM kuU+ bugq t Q kiP + b2l-ig9, конец Рис. 4.19. Алгоритм формирования кластеров и решающих функций
Статические характеристики, полученные в ходе экспериментов на имитационной модели и отображаемые в виде отдельных точек (ситуаций) на плоскости, могут быть представлены в аналитической форме в виде полиномов п-й степени. Регрессионный анализ графиков, произведенный в среде MatLab, показал, что все полученные СХ могут быть описаны уравнениями 2-й степени, т.е. уравнениями вида tgcp = pxU2 + p2U + р3, где pvp2 — коэффициенты уравнения, отвечающие за кривизну характеристики, а р3 — коэффициент, отвечающий за начальное положение СХ относительно оси Ох.
Операция нахождения этих уравнений осуществляется в блоке 1 алгоритма автоматического формирования решающих функций. В этот блок передается 21 точка каждой і-й СХ, принадлежащей N-й топологии сети, по которой определяются коэффициенты Рі,рг,р3 уравнения. Аналитическая форма записи СХ необходима для отыскания значений tgcp при произвольно заданных значениях U, и наоборот.
Далее формируется цикл отыскания максимальных и минимальных значений tgcp при і-м значении напряжения и запись этих значений в соответствующие массивы Ттзх [sm3xX, smxi2, .... Snaxn] и 7V [Sminl, smin2, ..., s n], где n количество шагов цикла. Значение п выбирается в зависимости от требуемой точности, предъявляемой к процессу управления.
Алгоритм отыскания крайних значений tgcp при / - м значении напряжения реализуется в блоке 5, а запись этих значений в массивы - в блоке 6.
Как было указанно выше, некоторым топологиям сети рассматриваемого УН принадлежат от одной до трех СХ, что объясняется принятыми ограничениями, как самой имитационной модели, так и предоставляемых для нее данных. В реальных же системах одной и той же топологии может принадлежать гораздо большее количество СХ, что должно быть обязательно учтено при разработке текущего алгоритма. Тем не менее, порядок осуществления описанных операций классификации для семейства СХ практически не отличается от классификации состояний одной характеристики. Например, работа первых шести блоков алгоритма для семейства таких характеристик при К = 11 отображена на рисунках 4.20, 4.21.
