Введение к работе
Актуальность исследования. Мировая и отечественная практика показывает, что возникновение и развитие системных аварий происходит как в результате старения оборудования, так и вследствие человеческого фактора, вызванного, в том числе, недостатком информации о состоянии режима электроэнергетических систем (ЭЭС) и перспектив его изменения. Наметившееся в последнее время увеличение энергопотребления в России наряду с накапливающимся износом генерирующего, передающего и распределительного оборудования создает дополнительные сложности в работе оперативно-диспетчерского персонала ЭЭС. Одной из возможностей уменьшения аварийных ситуаций является совершенствование системы оперативного диспетчерского управления за счет повышения эффективности решения режимных задач путем внедрения новых методов и технологий обработки информации, а также способов и средств ее наглядного представления диспетчерскому персоналу ЭЭС.
Появление и развитие в России в последние годы системы глобального позиционирования ГЛОНАСС наряду с разработкой и началом производства российских регистраторов синхронизированных векторных измерений, позволяющих с высокой точностью измерять электрические величины, создало благоприятные условия для становления и совершенствования отечественной широкомасштабной системы сбора данных нового поколения, зарубежным аналогом которой является WAMS (Wide Area Measurement System). Это способствует росту объемов телеметрической информации, поступающей в оперативные информационно-управляющие комплексы (ОИУК) региональных ЭЭС, что в свою очередь требует ее адекватной и своевременной обработки, анализа и отображения. Произошедший за последние несколько лет качественный скачок в аппаратных средствах обработки информации, вызванный появлением новых устройств выполнения параллельных вычислений, недорогих и компактных по исполнению, создает дополнительные возможности для эффективного решения задач текущего и оперативного управления региональной ЭЭС.
Все это подчеркивает актуальность задач модельно-программного и информационного обеспечения текущего и оперативного управления ЭЭС, и в целом - совершенствования информационной системы диспетчерского управления. В отечественной и зарубежной литературе этим вопросам всегда уделялось большое внимание, в частности при разработке методических вопросов оценки надежности при оперативном управлении ЭЭС (М.Н. Розанов, Ю.Н. Кучеров, A.J. Monticelli и др.),
при разработке систем визуализации параметров режима ЭЭС (Т. J. Overbye, J. D. Weber, D. A. Wiegmann, A. Phadke, J. Thorp, A. Abur, M.A. Рабинович и др.), при практической реализации программно-вычислительных комплексов (ПВК) и программных средств (ПС) по моделированию и ведению режимов (В.Л. Прихно - программный комплекс «Космос»; В.Г. Неуймин и др. - ПВК «Rastr» и «RastrWin»; О.Н. Шепилов, А.Б. Осак и др. - ПВК «Анарэс-2000»; Т. J. Overbye - «PowerWorld Corporation» и др.).
Цель диссертационной работы состоит в повышении эффективности решения режимных задач при текущем и оперативном управлении режимами ЭЭС за счет использования современного программного обеспечения, средств параллельных вычислений, совершенствования методик визуализации режимной информации.
Для достижения цели поставлены и решены следующие задачи, определяющие основные направления исследований работы:
Анализ задач текущего и оперативного управления региональной ЭЭС с позиций применения современного программного обеспечения, средств вычислений, включая параллельные.
Усовершенствование методики решения задачи анализа статической режимной надежности за счет использования современных вычислительных средств.
Поиск новых способов и средств реализации наглядного представления информации о состоянии и параметрах режима ЭЭС в реальном времени.
Анализ существующих ПВК с позиций способов их взаимодействия с внешними расчетными модулями, ПС по анализу режимов ЭЭС, базами данных телеизмерений, ввода данных и наглядного отображения расчетной информации.
5. Разработка качественно новой архитектуры ПВК, позволяющей модифициро
вать и расширять функциональные компоненты по решению электроэнергети
ческих задач в ходе эксплуатации, создание на ее базе опытного образца.
Методы исследования, использованные в диссертационной работе, базиру
ются на вычислительных методах линейной алгебры, теории анализа режимов элек
трических сетей, теории графов, элементах теории вероятностей. При практической
реализации алгоритмов и ПС использовались методы объектно-ориентированного
программирования и современные средства проектирования программного обеспе
чения (ПО); языки программирования C++, Lua; язык программирования шейдеров
GLSL; технология выполнения вычислений общего назначения на графических про-
цессорах GPGPU; специализированное средство разработки для графических процессоров, технология CUDA.
Составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:
Предложена технология применения многоядерного центрального процессорного устройства и графического процессорного устройства при решении режимных задач оперативного управления региональной ЭЭС.
Разработан алгоритм распараллеливания вычислительных процессов при решении задачи анализа статической режимной надежности региональной ЭЭС, позволяющий выполнять расчеты в темпе процесса оперативного управления.
Усовершенствована методика представления информации о состоянии и параметрах режима ЭЭС при помощи контурной раскраски и разработан алгоритм, основанный на использовании графического процессорного устройства, позволяющий наглядно отображать информацию о состоянии крупных ЭЭС в реальном времени.
Предложены критерии классификации подходов построения архитектур существующих и перспективных ПВК для моделирования и ведения режимов ЭЭС, разработана открытая архитектура ПВК с возможностью модификации и расширения функциональных компонент на стадии активной эксплуатации. Практическая значимость работы и реализация результатов. На основе
предложенной архитектуры разработан опытный образец ПВК «Корнет», включающего в себя: конструктор пользовательских интерфейсов для построения элементов ввода информации; систему графического задания топологии схем ЭЭС; средства взаимодействия с базами данных ОИУК; способы наглядного представления параметров режима ЭЭС. Разработанный ПВК включен в список важнейших научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по Уральскому отделению РАН за 2009 г., получено свидетельство на отраслевую регистрацию программного продукта.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с областью исследования специальности 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы» область диссертационного исследования Полубот-ко Д.В. включает разработку методов использования современных вычислительных средств, входящих в состав ЭВМ, с целью повышения эффективности проведения расчетов при решении электроэнергетических задач. Представленная Полуботко Д.В. диссертация соответствуют п. 13 «Разработка методов использования ЭВМ для
решения задач в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы».
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях всероссийского и международного уровня: IX и X международные молодежные научные конференции «Севергеоэкотех» (Ухта, 2008, 2009); I всероссийская молодежная научная конференция «Молодежь и наука на Севере» (Сыктывкар, 2008); Третья международная научно-техническая конференция «Инфокоммуникационные технологии в науке, производстве и образовании» (Ставрополь, 2008); Ш-я международная научно-практическая конференция «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» (Екатеринбург, 2008); вторая всероссийская научно-техническая конференция «Безопасность критичных инфраструктур и территорий» (Екатеринбург, 2008); международный научный семинар им. Ю.Н. Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики» 81-е заседание «Методы и средства исследования и обеспечения надежности систем энергетики» (Санкт-Петербург, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, входящих в перечень рекомендованных ВАК РФ, отдельные разделы в коллективной монографии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 90 наименований и 6 приложений. Общий объем включает 176 страниц текста, 39 рисунков, 20 таблиц.
