Введение к работе
Актуальность проблемы. Для эффективного управления электроэнергетической системой (ЭЭС) необходима полная и точная информация о текущем режиме, которая поступает в пункты управления ЭЭС в виде телеизмерений (ТИ) параметров режима и телесигналов (ТС) о состоянии коммутационного оборудования. Из-за недостаточного оснащения ЭЭС средствами телемеханики измеряется и передается в диспетчерские пункты лишь часть информации, необходимой для управления, кроме того, полученная телеинформация не всегда правильно отражает конфигурацию схемы и значения параметров режима, поскольку содержит погрешности и грубые ошибки. Для повышения достоверности телеинформации используются методы оценивания состояния (ОС), позволяющие отфильтровать погрешности в измерениях и рассчитать недостающую текущую информацию.
Большой вклад в развитие методов ОС, постановку и решение ее отдельных задач и внедрение результатов в практику управления ЭЭС в нашей стране внесли Д.А. Арзамасцев, Б.И. Аюев, Г.С. Бабаев, П.Й. Бартоломей, В.А. Богданов, Л.Л. Богатырев, В.В. Бушуев, В.А. Веников, В.В. Володин, А.З. Гамм, Л.Н. Герасимов, И.И. Голуб, Ю.А. Гришин, О.Т. Гераскин, С.К. Гурский, Ф.Г. Гусейнов, В.В. Дорофеев, В.Г. Журавлев, Л.А. Крумм, А.М. Конторович, В.Г. Курбацкий, Ю.Н. Кучеров, М.С. Лисеев, А.В. Липес, В.З. Манусов, К.Г. Митюшкин, Н.Л. Новиков, А.А. Окин, В.Г. Орнов, Г.Н. Ополева, СИ. Паламарчук, В.Л. Прихно, С.Ф. Першиков, Н.Р. Рахманов, В.А. Семенов, С.А. Совалов, И.П. Стратан, В.А. Строев, А.А. Тараканов, В.М. Чебан, А.В. Челпанов, П.А. Черненко, Ю.Я. Чукреев, И.С. Шаханов, А.А. Унароков, Х.В. Фазылов, О.Н. Шепилов, Ю.В. Щербина, А.Г. Юровский, Т.С. Яковлева, Л.В. Эм и др.
Среди зарубежных ученых необходимо отметить F.C. Schweppe, Е. Handschin, R. Larson, A. Debs, M.R. Irving, ,F. Tinney, I. Kohlas, IF. Dopazo, O. A. Klitin, S. Van Slyck, K. A. Clements, P.W. Davis, G.R. Krumpholz, A. Nemura, N. Arbachauskene, V. Kaminskas, K. Wilkosz, Z. Kremens, F. Wu, L. Holten, W.H.E. Liu, A. Monticelly, A.M.L. Silva, M.B. Coutto, D.M. Falcao, E. Kliokys, L. Mili и др.
В результате начатой в 90-х годах модернизации технических средств оперативно-информационных комплексов (ОИК) крупных ЭЭС России и перехода к новой технологической системе SCADA/EMS, появилась возможность решать задачу ОС в темпе поступления телеинформации, а ее результаты использовать не только для повышения достоверности ТИ и ТС, но и для формирования модели текущего режима ЭЭС. Полученная модель используется в качестве информационной базы для решения задач оперативного анализа и планирования режимов, входящих в подсистему EMS on-line. Технические мероприятия, направленные на развитие систем сбора данных, увеличение объёма и повышение качества ТИ, ТС, лишь частично решают проблему неполноты телеметрической информации и
низкого ее качества из-за появления ошибочных данных, поэтому она по-прежнему сохраняет свою актуальность в большинстве энергосистем России. Искажение результатов ОС вследствие появления ошибочных ТИ, несоответствие текущей расчетной схемы и используемых математических моделей реальному состоянию ЭЭС могут привести к искажению результатов ОС и, как следствие, к неправильным решениям задач подсистемы EMS-on line и ошибкам при управлении ЭЭС.
В условиях перехода к рыночным отношениям в электроэнергетике существенно расширяется круг задач, для решения которых необходима расчетная модель текущего режима ЭЭС, получаемая на основе телеинформации с помощью методов ОС. Новые задачи, связанные с управлением ЭЭС в условиях конкуренции и рынка электроэнергии, повышают актуальность задачи ОС, а также требования к точности получаемого решения и быстродействию используемых алгоритмов.
Современные ЭЭС характеризуются большой размерностью (до нескольких тысяч узлов) и существенной неоднородностью расчетных схем, неравноточностью измерений, нелинейностью режимов, изменчивостью состояния и условий функционирования, что приводит к неадекватности априори заданных математических моделей реальному состоянию ЭЭС. Это вызывает проблемы математического, алгоритмического и вычислительного характера при решении комплекса задач ОС, для преодоления которых необходима разработка новых и развитие существующих высокоэффективных численных методов, учитывающих специфику и особенности решаемой задачи. Неполнота и неопределенность информации, используемой в задаче ОС, а также невозможность строгой формализации всех этапов ее решения, приводят к необходимости дополнения используемых численных методов методами искусственного интеллекта (ИИ), в качестве которых в работе предложено использовать искусственные нейронные сети (ИНС) и генетические алгоритмы (ГА).
Отсюда следует актуальность разработки комплексного подхода к оцениванию состояния ЭЭС, построенного на сочетания численных методов и методов искусственного интеллекта, позволяющего получить надежное решение, адекватно отраоюающее состояние ЭЭС на момент получения телеинформации в реальных условиях функционирования ЭЭС.
Современный комплекс ОС в реальном времени включает в себя решение следующих задач:
проверка достоверности ТС о состоянии элементов схемы; формирование текущей топологической модели сети; анализ топологических ошибок в сформированной модели;
анализ наблюдаемости полученной расчетной схемы с учетом реального состава ТИ на момент решения задачи ОС;
априорная проверка достоверности ТИ; выявление ошибочных ТИ и подавление их влияния на результаты ОС;
фильтрация случайных погрешностей измерений, т.е. расчет таких значений (оценок) измеряемых переменных у, которые были бы максимально близки к измеренным значениям у и удовлетворяли бы уравнениям установившегося режима с учетом ограничений в виде неравенств на измеряемые переменные;
дорасчет неизмеренных переменных режима как для полностью наблюдаемых, так и для частично ненаблюдаемых схем с учетом ограничений в форме неравенств;
идентификация параметров используемых при ОС моделей в процессе функционирования комплекса задач ОС в реальном времени. Список перечисленных выше задач хотя и не является абсолютно
полным, свидетельствует о сложности и многоплановости проблемы ОС. Для получения высокоэффективных и быстродействующих алгоритмов ОС ЭЭС, обеспечивающих их применение в темпе обработки телеинформации, требуется комплексный подход, базирующийся на единой методической основе, в качестве которой в работе используется метод контрольных уравнений (КУ), впервые предложенный А.З. Гаммом. Целями работы является:
-
разработка методических подходов к оцениванию состояния ЭЭС, построенных на использовании контрольных уравнений и сочетании численных методов и методов искусственного интеллекта, позволяющих на единой методической основе решать широкий круг задач, входящих в комплекс ОС в реальном времени;
-
реализация разработанных методических подходов в виде методов, алгоритмов и программ для решения задачи ОС в реальных условиях функционирования ЭЭС.
Для достижения этих целей автором поставлены и решены следующие основные задачи, определяющие научную новизну работы:
-
разработаны топологические и алгебраические методы формирования КУ для решения задачи ОС, позволяющие существенно снизить размерность решаемых при ОС задач и обеспечить высокое быстродействие;
-
разработаны методы априорной достоверизации телеинформации на основе КУ с использованием методов искусственного интеллекта (ИИ) -искусственных нейронных сетей (ИНС) и генетических алгоритмов (ГА), позволяющая обнаруживать топологические ошибки в текущей расчетной схеме и грубые ошибки в ТИ в условиях невысокой избыточности измерений;
-
разработана методика применения теории проверки статистических гипотез для достоверизации ТИ на основе КУ;
-
исследовано свойство идентифицируемости плохих данных (ПД) при ОС ЭЭС; сформулированы топологические и алгебраические условия идентифицируемости ПД при использовании алгоритмов достоверизации ТИпоКУ;
-
разработан метод ОС на основе КУ, позволяющий получить оценки измеряемых переменных и рассчитать неизмеренные переменные как для наблюдаемых схем, так и для схем, содержащих ненаблюдаемые районы;
-
предложены методы учета ограничений в форме равенств и неравенств при решении задачи ОС методом КУ;
-
разработаны методы идентификации метрологических характеристик измерений на основе КУ, построенные на сочетании численных методов с применением ИНС;
-
предложены подходы к адаптации параметров используемых при ОС моделей к реальным условиям функционирования ЭЭС на основе достоверизации ТИ по КУ;
-
разработана методика проведения имитационных расчетов для исследования эффективности разработанных методов и алгоритмов. Практическая ценность. Проведенные теоретические исследования по
разработке методов ОС ЭЭС на основе КУ с использованием методов ИИ реализованы в виде алгоритмов и программ в ПВК «Оценка», предназначенном для:
проведения циклических расчетов текущего режима ЭЭС по данным ТИ и ТС, накопления статистики по качеству ТИ и использования полученного режима для решения различных задач при оперативном управлении ЭЭС;
проведения расчетов в интерактивном режиме по текущим данным и данным из архива ОИК с целью анализа полученного режима и проведения имитационных расчетов.
Разработанные методы проверены для большого числа схем различных реальных ЭЭС и тестовых схем в имитационных экспериментах и на реальных данных ТИ и ТС.
ПВК «Оценка» на протяжении ряда лет находился в опытно-промышленной эксплуатации в ЦДУ ЕЭС России, где использовался для проведения циклических расчетов системообразующей сети РАО ЕЭС России с целью достоверизации ТИ и выявления неисправных элементов в ССД. Кроме того, ПВК «Оценка» использовался в ЦДУ ЕЭС Росии и ряде крупных ЭЭС в комплексе проірамм «Оперативная модель ЕЭС» для проведения на базе полученного при ОС режима различных имитационных расчетов. В настоящее время аналогичное внедрение ведется в ряде крупных ЭЭС России.
На защиту выносятся:
о математические модели и методы для решения комплекса задач
оценивания состояния в реальном времени, построенные на
использовании КУ;
методы достоверизации телеинформации на основе применения ИНС и
ГА, позволяющие в сочетании с численными методами повысить
надежность и качество получаемого решения;
реализация разработанных методов в виде алгоритмов и программ в ПВК «Оценка», предназначенном для решения задачи ОС в реальном времени.
Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные разделы докладывались: на Всесоюзных семинарах по оцениваншо состояния в электроэнергетике, Иркутск, 1978, 1981, 1984,198бг.г., Паланга, 1988г., Баку, 1990г; симпозиуме «Системы энергетики — тенденции развития и методы управления», Иркутск, 1980г.; симпозиуме «Системы энергетики -управление развитием и функционированием», Иркутск, 1985г.; Всесоюзном семинаре, симпозиуме «Методы управления физико-техническими системами энергетики в новых условиях», Иркутск, 1995г.; Международной научной конференции по интенсификации электроснабжения. ГДР, 1985г.; Международном симпозиуме «Системы электроэнергетики - эксплуатация и развитие», ПНР, 1988г.; совместном научном совете ОФТПЭ АН СССР и ИДУ ЕЭС СССР по вопросам развития АСДУ, Москва, 1990г.; X научной конференции «Моделирование ЭЭС», Каунас, 1991г.; П семинаре СЭИ -ЭПРИ (Китай) по методам развития ЭЭС, Иркутск, 1992г.; Всероссийских семинарах «Нейроинформатика и ее приложения», Красноярск, 1998, 1999, 2000, 2002г.г.; Международных конференциях «Новые информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе», Украина, Гурзуф, 1998, 1999, 2000, 2001г.г.; Международной конференции «The international Conference of Electric Engineering», Корея, 1998r.; Международной конференции «PowerCon», 1998г., Китай, Международных конференциях «Power Tech», Венгрия, 1999г. и Португалия, 2001г.; Всероссийских семинарах по надежности систем энергетики, в 1999, 2001, 2003г.; Международных семинарах «Либерализация и модернизация в энергетике: проблемы управления и функционирования», Иркутск, 2000, 2003г.; Международной конференции «ISAP 2001», Венгрия, 2001г.; Всероссийских семинарах «Информационные технологии в энергетике», Иркутск, 2000, 2001, 2202, 2003, 2004г.; Всероссийской научно-технической конференции «Энергосистема: управление, качество, безопасность», Екатеринбург, 2001г.; V Всероссийской научно-технической конференции «Нейроинформатика-2003», Москва, 2003г., на Всероссийской конференции «Оперативное управление электроэнергетическими системами-новые технологии», Сыктывкар, 2003г., на Всероссийских научно-практических семинарах «Современные программные средства для расчетов и оценивания состояния электроэнергетических систем», Иркутск, 2001,2002,2003г.
Публикации. Непосредственно по материалам диссертации опубликовано около 70 работ, в том числе 4 монографии в соавторстве («Наука», 1983, 1985, 1991, 2000г.г.), одна из которых полностью посвящена вопросам достоверизации телеизмерений в электроэнергетических системах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 7 глав, заключения, двух приложений и списка используемой литературы. Общий объем 323 стр., из них 301 стр. основного текста, 36 рисунков и 54 таблицы. Список литературы содержит 262 наименования.
