Введение к работе
Актуальность проблемы. Непрерывный процесс усложнения всех сторон жизни общества, и особенно его материальной сферы, требует постоянного совершенствования форм и методов управления В программных документах долгосрочного развития электроэнергетики России, обусловленных новыми условиями хозяйствования, указывается, что ключевой стратегической задачей повышения эффективности функционирования отрасли является создание эффективной системы управления субъектами хозяйствования, обеспечивающей снижение затрат на развитие электроэнергетических объектов, производства, транспорт и распределение электрической энергии
Исследование проблемы управления электроэнергетическими системами (ЭЭС) неразрывно связано с возрастанием роли управления процессами функционирования и развития этих систем Прогресс в решении общей задачи управления ЭЭС, сформулированной как обеспечение качественного и надежного электроснабжения потребителей с наибольшим экономическим эффектом, обеспечивается развитием научных методов управления, в основе которых лежит теория принятия решений в сложных иерархических системах Для расчетов больших систем разрабатываются специальные методы, использующие принципы эквивалентирования, диакоптики, кибернетического моделирования Эти методы образуют специальный инструмент для определения управляющих воздействий или прогнозирования поведения системы При возрастании роли управления действует основной принцип кибернетики, утверждающий, что сложность системы управления должна возрастать быстрее, чем сложность управляемой системы
Повышение эффективности функционирования электроэнергетики страны в значительной мере достигается совершенствованием диспетчерского и технологического управления режимами ЭЭС на базе новых информационных технологий и вычислительных средств Важной и неотъемлемой частью технологического управления ЭЭС является управление качеством электроснабжения (УКЭС), в котором понятие «качество электроснабжения» объединяет в себе две обширные проблемы обеспечения электромагнитной совместимости и бесперебойности (надежности) электроснабжения потребителей Качество электроснабжения включает в себя также понятие «коммерческое качество», т е качество взаимоотношений с потребителем и удовлетворение его требований
Процессы принятия решений в звеньях иерархической системы УКЭС обладают рядом специфических особенностей, которые обосновывают использование методологии многоцелевой оптимизации (МО) для комплексного решения проблемы
во-первых, большинство решений УКЭС принимается в ситуациях, ранее не встречавшихся, поскольку совпадение ситуаций технической, технологической, коммерческой и других областей является событием маловероятным, что указывает на противоречивость целей управления,
во-вторых, выбор вариантов решений УКЭС происходит, как правило, в условиях высокой степени неопределенности, т е при недостаточных знаниях
о текущей ситуации и тенденциях ее развития и неясных представлениях о всех последствиях принимаемого решения,
в-третьих, решения УКЭС часто принимаются в условиях жестко ограниченного времени,
в-четвертых, на содержание решений существенное влияние оказывают личные качества и интересы лиц, принимающих решение, кроме того, интересы различных звеньев в иерархии УКЭС, как правило, не совпадают, а часто являются противоположными Из сказанного следует, что решения УКЭС являются слабоструктурированными и зависят от степени исходной неопределенности решаемой задачи
Актуальность исследуемой проблемы в теоретическом плане заключается в необходимости развития методологии МО и создания на этой основе сложных алгоритмических моделей УКЭС в составе технологических автоматизированных систем управления (АСУ) ЭЭС (АСДУ, АСУ КЭ, АСКУЭ и др) Разработка адаптивных моделей УКЭС в составе технологических АСУ ЭЭС нуждается в развитии теории проектирования сложных системных объектов с использованием искусственного интеллекта в виде специализированных систем общения, экспертных систем, различных программных и аппаратных средств Создание эффективных алгоритмов УКЭС с учетом кибернетических свойств ЭЭС (управляемости, иерархичности, динамичности, адаптивности, неопределенности, многокритериальности, эффективности, устойчивости) нуждается в развитии методологии аппроксимационного моделирования структуры предпочтений лица, принимающего решения (ЛПР), в части разработки процедур, повышающих объективность информации в области равнооптимальных решений Достижению необходимого качества управления способствует развитие методологии системного прогнозирования динамического состояния объекта управления (ОУ) в условиях различных видов прогнозной информации, включая нечеткую информацию Необходимость преодоления свойства неопределенности коммерческого управления способствует развитию теории оптимизации информационных процессов УКЭС и созданию на этой основе гибридных моделей, агрегирующих в себе разные принципы оптимальности Необходимость обеспечения адекватности сложных моделей принятия решений заданному ОУ нуждается в развитии методологии анализа устойчивости приближенных решений гибридных моделей УКЭС на основе теории устойчивости принципов оптимальности многокритериальных задач
Актуальность исследуемой проблемы в прикладной области заключается в необходимости решения научной проблемы структурного проектирования информационно-технологической подсистемы МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС
Существенный вклад в становление и развитие теории систем и системного анализа в области энергетики внесли Арзамасцев Д А, Беляев Л С , Берко-вич М А , Валдма М X , Веников В А , Воропай Н И , Гамм А 3 , Гусейнов Ф Г, Долгов П П , Идельчик В И , Константинов Б А, Крумм Л А , Макаров
A A , Манусов В 3 , Мелентьев Л А , Окороков В Р , Руденко Ю Н , Совалов С А , Щавелев Д С и другие ученые
Комплексному решению проблемы качества электроснабжения (качество электроэнергии, надежность, эффективность ЭЭС и систем электроснабжения) посвящены исследования представленные в трудах Вагина Г Я , Гордее-ва В И , Гука Ю Б , Доброжанова В И, Жежеленко И В , Железко Ю С , Зорина В В , Карташева И И , Кудрина Б И , Куренного Э Г, Кучумова Л А , Мамедярова О С , Праховника А В , Трошина В А , Фокина Ю А , Хронусова Г С , Шидловского А К и других авторов
Работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ (НИР), включенных в комплексную целевую научно-техническую программу (КЦНТП) Минэнерго СССР «Экономия электроэнергии» по направлению «Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах» (приказ MB и ССО № 703 от 14 06 82) 1) НИР А81 - ІД II Этапа «Компенсация реактивной мощности и регулирование напряжения в системе электроснабжения ПО «Абаканвагонмаш», 2) НИР 81/83 «Оптимизация компенсации реактивной мощности в распределительных сетях ПО «Карпатпрес-смаш», а также договоров о научно-техническом сотрудничестве договор о сотрудничестве между Ивано-Франковским институтом нефти и газа (ИФИНГ) и Ивано-Франковским областным предприятием электрических сетей (ОПЭС) (номер гос регистрации 01840087784), договор о сотрудничестве между Хакасским техническим институтом Красноярского государственного технического университета (ХТИ КГТУ) и ООО Управления пуско-наладочных работ «Элкосервис»
Объект исследований - сверхсложный системный объект, включающий в себя иерархически структурированную ЭЭС (ОУ) и управляющий орган принятия решений МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС
Предмет исследований - методология МО для решения задач МО УКЭС с учетом кибернетических свойств электроэнергетической системы
Цель работы состоит в развитии методологии МО иерархически структурированных ЭЭС и создании на этой основе комплекса взаимоувязанных проектных, прогнозных и управляющих алгоритмических моделей обеспечения качества электроснабжения в составе технологических АСУ ЭЭС
Исходя из поставленной цели, в работе решаются следующие научные задачи
Структурное проектирование управляющего органа МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС
Аппроксимационное моделирование структуры предпочтений ЛПР, как функции выбора в задачах МО УКЭС
3 Разработка методов и моделей системного прогнозирования компро
миссных параметров УКЭС
4 Разработка алгоритма МО коммерческого УКЭС
5 Разработка методов анализа устойчивости приближенных решений в
моделях МО УКЭС
Разработка комплекса специфического обеспечения по указанию направления работ и перечня задач, связанных с практическим внедрением подсистемы МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС
Разработка моделей и алгоритмов решения задачи компенсации реактивной мощности (КРМ) с учетом кибернетических свойств ЭЭС
Методы исследований. Общая теория систем, теория прогнозирования систем (прогностика), информационная теория систем, теория нечетких множеств, многокритериальная оптимизация, теория игр, динамическое программирование, информационные процессы принятия решений, марковские процессы принятия решений, теория устойчивости многокритериальных задач, методология статистической идентификации динамических объектов, методы статистического анализа
Научная новизна:
1 Разработана структурная системологическая модель автоматизированно
го проектирования информационно-технологической подсистемы МО УКЭС
на основе структуралистского системного подхода по Дж Клиру, позволяю
щая создавать адаптивные управляющие структуры, обеспечивающие алго
ритмический учет кибернетических свойств ЭЭС (управляемости, иерархич
ности, динамичности, адаптивности, неопределенности, многокритериально-
сти, эффективности, устойчивости) в направленной последовательности ре
шения задач МО УКЭС в составе заданной технологической АСУ ЭЭС
Разработан декомпозиционный алгоритм МО (ДАМО) на примере решения комплексной задачи КРМ, позволяющий определять компромиссные параметры управления в полученной области равнооптимальных решений исходного множества альтернатив (ИМА) с учетом кибернетических свойств заданного ОУ
Разработаны методы и модели системного прогнозирования параметров МО УКЭС, рассчитанных с помощью ДАМО, позволяющие обеспечивать компромиссное управление при возможных изменениях состояния развития ОУ и среды его функционирования
Разработана с использованием ДАМО сложная алгоритмическая модель коммерческого УКЭС, позволяющая в рамках сформулированного обобщенного критерия коммерческого управления обеспечивать межсистемную координацию управления по поддержанию межсистемного компромиссного баланса качества
Разработаны методы расчетов устойчивости приближенных решений МО УКЭС, позволяющие произвести оценку степени адекватности используемых алгоритмов и моделей МО УКЭС заданному ОУ
Разработан комплекс специфического обеспечения (технического, информационного, организационного, нормативно-правового), определяющий направление работ и перечень задач по практическому внедрению информационно-технологической подсистемы МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС
Разработаны модели и алгоритмы решения задачи МО КРМ в распределительных электрических сетях и системах электроснабжения, позволяющие
произвести алгоритмический учет кибернетических свойств ОУ (иерархичности, динамичности, многокритериальное, неопределенности, эффективности)
Достоверность научных положений и адекватность математических моделей и алгоритмов МО УКЭС обеспечивается применением методов теории сравнения и измерения систем Сравнение адаптивных управляющих структур информационно-технологической подсистемы МО УКЭС основывается на принципе измерения, при котором о качестве функционирования системы можно судить только с точки зрения системы более высокого порядка В структуралистском системном подходе по Дж Клиру принята энтропийная мера количества информации статистической теории информации по К Э Шеннону Сравнение компромиссного решения ДАМО с другими решениями исходного множества альтернатив (ИМА) производится с помощью процедуры скаляризации векторных решений на «обратном ходе» алгоритма путем определения весовых коэффициентов критериев в скалярной модели через отклонение решений ИМА относительно полученного решения МО Оценка достоверности и точности или обоснованности прогноза (верификация прогноза) параметров МО УКЭС, полученных с помощью моделей системного прогнозирования, достигается выполнением ряда требований (необходимостью оценки информационного качества описания объекта и процесса, соблюдением принципа дополнительности описания, определением степени связности объекта с внешней средой, оценкой степени «размытости» описания объекта и др ) Достоверность прогноза при участии ЛПР в процессе принятия решений определяется его полезностью, которая зависит от степени управления ситуацией ЛПР
Практическая ценность. 1 Структурная системологическая модель автоматизированного проектирования информационно-технологической подсистемы МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС, разработанная на основе структуролистского системного подхода по Дж Клиру и обеспечивающая структурную оптимизацию управляющего ресурса заданной технологической АСУ, повышает эффективность ее использования путем наиболее полного алгоритмического учета основного комплекса кибернетических свойств ЭЭС в создаваемых методах и моделях УКЭС
Автоматизация процесса проектирования подсистемы МО УКЭС позволяет свести все многообразие сведений об объекте к относительно небольшому числу формулировок, что облегчает последующее создание системы программного обеспечения поддержки автоматизированного проектирования (подсистем данных, управляющих программ и др )
Использование универсального решателя системных задач (УРСЗ) обеспечивает обозримость процесса проектирования, связь с ограниченным набором подходящих готовых элементов (модулей), оценку эффективности проектных реализаций, последующую взаимосвязь с вопросами надежности, проверяемости и ремонтопригодности
ДАМО, разработанный на основе аддитивной и мультипликативной декомпозиций динамического программирования и положений аппроксимаци-
онного моделирования структуры предпочтений ЛПР, как функции выбора, обладает высоким уровнем формализации основных решающих правил, что позволяет использовать его для автоматизированного решения проектных и эксплуатационных задач УКЭС
Методы и модели системного прогнозирования параметров МО УКЭС, разработанные на основе дополнительной информации об изменении состояния развития ОУ и среды его функционирования, обеспечивают повышение качества проектирования и управления в задачах САПР МО и АСУ МО
Сложная алгоритмическая модель коммерческого УКЭС, разработанная на основе принципов оптимальности по Парето и кратного максимина, может быть использована в технологической АСУ коммерческого учета мощности и энергии (АСКУЭ)
Методы расчета устойчивости приближенных решений являются доступными для использования ЭВМ при анализе работоспособности моделей и алгоритмов МО УКЭС
Комплекс специфического обеспечения (технического, информационного, организационного, нормативно-правового), унифицирует технические, информационные и другие аспекты разработки, внедрения и использования подсистемы МО УКЭС в составе технологических АСУ ЭЭС
Модели и алгоритмы решения задачи МО КРМ характеризуются сравнительной оценкой их экономической эффективности
Реализация результатов работы. Результаты работы внедрены в ПО «Абаканвагонмаш» (г Абакан, республика Хакасия), ПО «Карпатпрессмаш» (г Ивано-Франковск, УССР) - при разработке и внедрении методики и программного обеспечения оптимизации режимов реактивной мощности и напряжения для поэтапного развития системы электроснабжения, в диспетчерской службе Областного предприятия электрических сетей (ОПЭС, Ивано-Франковская область, УССР) - при разработке и внедрении методики расчета многоцелевой оптимизации реактивных нагрузок с учетом развития электрической сети, в Южных электрических сетях АО «Хакасэнерго» (г Абакан, республика Хакасия) — при внедрении результатов контроля и анализа качества электроэнергии в электрических сетях со специфическими нагрузками, в фирме «Элкосервис» ООО Управления пусконаладочных работ (г Минусинск, Красноярский край) - при разработке и внедрении алгоритма и программы расчетов параметров многоцелевой оптимизации качества электрической энергии
Материалы диссертационной работы использованы в учебном пособии «Многоцелевая оптимизация управления качеством электроснабжения», в методических разработках по курсам «Основы научных исследований», «Математические задачи электроэнергетики», при чтении лекций, выполнении курсовых и дипломных проектов по специальности 100400 — «Электроснабжение» в Хакасском техническом институте - филиале Красноярского государственного технического университета (ХТИ - филиал КГТУ)
Основные положения и результаты, выносимые на защиту:
Структурная системологическая модель автоматизированного проектирования информационно-технологической подсистемы МО УКЭС в составе технологической АУС ЭЭС, разработанная на основе структуралистского системного подхода по Дж Клиру, обеспечивает алгоритмический учет кибернетических свойств ЭЭС в создаваемых методах и моделях УКЭС
Алгоритм МО, разработанный на основе аддитивной и мультипликативной декомпозиций динамического программирования и положений аппрок-симационного моделирования структуры предпочтений ЛПР, как функции выбора, повышает объективность информации в процедурах отыскания глобального оптимума по противоречивым целям
Методы и модели системного прогнозирования параметров МО УКЭС, разработанные на основе ДАМО, с использованием дополнительной информации, поступающей из среды ОУ в управляющий орган принятия решений, обеспечивают компромиссное управление при возможных изменениях состояния развития ОУ и среды его функционирования
Сложная алгоритмическая модель коммерческого УКЭС, разработанная на основе принципов оптимальности по Парето и кратного максимина. обеспечивает поддержание межсистемного компромиссного баланса качества на рынке мощности и энергии
Методы расчета устойчивости приближенных решений УКЭС, сформулированные как функции моделей с заданными принципами оптимальности, обеспечивают адекватность разработанных алгоритмов МО УКЭС заданному ОУ
6 Разработанный комплекс специфического обеспечения (технического,
информационного, организационного, нормативно-правового) определяет
направление работ и перечень задач, связанных с практическим внедрением
подсистемы МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС
7 Проектные задачи КРМ, решенные с учетом кибернетических свойств
ОУ (динамичности, многокритериальности, неопределенности, эффективно
сти), подтверждают работоспособность разработанных моделей и алгоритмов
МО
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на конференциях, научно-технических совещаниях, семинарах, в том числе на Всесоюзной научной конференции «Моделирование электроэнергетических систем» (Баку, 1982), IV Республиканской научно-технической конференции «Современные проблемы энергетики» (Киев, 1985), I Республиканской школе - семинаре молодых ученых и специалистов «Повышение эффективности генерирования, передачи и использования электроэнергии» (ИЭД АН УССР, Алушта, 1985), на Всесоюзном, а затем на Всероссийском научно-техническом семинаре АН СССР, АН России «Кибернетика электрических систем» по тематике «Электроснабжение промышленных предприятий» (Новочеркасск, 1985,1986,1995, Абакан, 1989, Гомель, 1991), Всесоюзном научном семинаре по проблемам электроэнергетики «Кибернетика электрических систем» (Москва, 1986), Республиканской научно-практической конференции «Повышение эффективности использования топ-
ливно-энергетических ресурсов в отраслях народного хозяйства УССР» (Киев, 1986), Республиканской научно-практической конференции «Управление развитием и функционированием систем электроснабжения» (Киев, 1986), Республиканской конференции молодых ученых (ИФИНГ, Ивано-Франковск, 1986), научном семинаре кафедры «Автоматизация электроэнергетических систем» Уральского политехнического института (Свердловск, 1986), научном семинаре кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» Киевского политехнического института (Киев, 1986), Республиканском научном семинаре «Технико-экономические проблемы электрических систем» (Минск, 1987), научном семинаре кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» Новочеркасского политехнического института (Новочеркасск, 1987), научном семинаре «Многокритериальное управление энергосберегающими технологиями в электроэнергетике» (Ярем-ча, УССР, 1988), научно-методической конференции с международным участием «Высшее техническое образование в новых социально-экономических условиях» (Красноярск, 1994), XII Международной научной конференции «Эффективность и качество электроснабжения промышленных предприятий» (Мариуполь, Украина, 1984), Региональной научно-практической конференции «Интеллектуальные ресурсы ХТИ - филиала КГТУ - Хакасии» (Абакан, 1997, 1999, 2001), V Международной конференции «Математика, компьютер, образование» (Дубна, Москва, 1998), Всероссийской научно-практической конференции с международным участием (Красноярск, 1999), научном семинаре кафедры ««Электроснабжение и электрический транспорт» Красноярского государственного технического университета (Красноярск, 2001, 2002, 2003, 2004)
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 38 печатных работах, из которых 14 - в центральных журналах, 24 - в трудах вузов, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференций и семинаров, 3 - депонированные работы
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, семи разделов, заключения и списка использованных источников из 204 наименований Работа изложена на 210 стр основного текста, включая 19 рисунков и 11 таблиц, приложения содержат 64 стр
