Введение к работе
Актуальность и степень разработанности темы исследования. В последние годы для электроэнергетической отрасли характерно развитие с изменением состава оборудования, ростом нагрузки и повышением требований к качеству электроэнергии и надежности электроснабжения.
Рост нагрузки, опережающий развитие электросетевого комплекса, а также изменение структуры потребления электроэнергии приводят к росту потерь электроэнергии и увеличению отклонения напряжения в распределительных сетях. В итоге стоимость эксплуатации сетей увеличивается, а их эффективность понижается. В частности, такая ситуация характерна для Центральных Египетских Распределительных Сетей (ЦЕРС) в Арабской Республики Египет (АРЕ), где потери электроэнергии достигают 13 %.
Альтернативой электросетевого строительства является размещение в распределительных сетях малой генерации и средств компенсатции реактивной мощности (далее по тексту «компенсирующие устройства»), которые также позволяют снизить потери электроэнергии в сети и нормализовать уровень напряжения.
На территории Египта очень благоприятные климатические условия для развития распределенной генерации на основе возобновляемых источников энергии в виде солнца и ветра. В феврале 2008 года Верховный совет энергетики в Арабской Республики Египет объявил стратегическими задачами диверсификацию источников энергии, рационализацию использования энергии и расширения использования возобновляемых источников энергии. Стратегия направлена на достижение возобновляемой генерацией 20% в общем балансе производства электроэнергии к 2020 году.
Положительный эффект от установки распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях зависит от правильности выбора мест их размещения и мощности отдельных установок. Задача оптимального размещения дополнительных устройств в распределительных сетях представляет высокий практический и научный интерес.
Вопросами компенсации реактивной мощности за рубежом и в России занимались: Kumar P., Prakash К., Elsheikh A., Abou Е1-Е1а А.А., Neagle N.M., Cook R.F., Das D., El-Fergany A.A., Sultana S., Abdelaziz A.Y., Глушкова В. M., Железко ЮС, Мельникова Н. А., Карпова Ф. Ф., Веников В.А., Карташев И.И., Кочкин В.И., Галимов А.А., Плотников М.П., Абдуллазянов Э.Ю., Некрасов С.А., Рырсалиев А.С., и др.
Вопросы размещения распределенной генерации изучали Rau N.S., Kim J.O., Abu-Mouti F.S., Moradi M.N., Imran M.A., El-Fergany A.A., Abdelaziz A.Y., Воропай Н.И., Санеев Б.Г., Бартоломей П.И., Паздерин А.В., Клер A.M., Макоклюев Б.И., Савина Н.В., Колосок И.Н., Обоскалов В.П., Фишов А.Г., и др.
В настоящее время интерес представляет задача совместного решения распределенной генерации и компенсирующих устройств с учетом их типа, стоимости, графиков нагрузки и других факторов.
Выбор современных оптимизационных алгоритмов для решения данной задачи, а также разработка новой целевой функции, отвечающей всем техническим и экономическим требованиям являются целями данной работы.
Объект исследования. Электрические распределительные сети, в частности, Центральные Египетские распределительных сети, тестовые схемы ШЕЕ размером 33 и 69 узлов.
Предмет исследования. Целевые функции и оптимизационные алгоритмы для размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях.
Цель исследования. Разработка новой целевой функции для размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных электрических сетях и выбор современного оптимизационного алгоритма для гарантированного определения оптимального решения с минимальными вычислительными затратами.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Инструментальная оценка режимов работы распределительных сетей в Египте с выявлением причин высокого уровня потерь мощности и отклонения напряжения.
-
Критический анализ существующих методов оптимизации размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях.
-
Анализ существующих математических методов многокритериальной оптимизации.
-
Разработка целевой функции для размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях, учитывающей уровень напряжения, потери активной мощности, затраты на покупку электроэнергии, установку дополнительных устройств и их эксплуатацию, графики нагрузки и другие значимые факторы.
-
Проведение исчерпывающего сравнения разработанной целевой функции с аналогами, приведенными в современной литературе на основе стандартных тестовых схем IEEE размером 33 и 69 узлов.
-
Проведение исчерпывающего сравнения выбранного оптимизационного алгоритма с аналогами, приведенными в современной литературе на основе стандартных тестовых схем ШЕЕ размером 33 и 69 узлов.
-
Разработка алгоритма совместного размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях с учетом графиков нагрузки и параметров дополнительно устанавливаемых устройств.
-
Выбор мест размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительной сети Египта на основе разработанной целевой функции и выбранного оптимизационного алгоритма.
Научная новизна. В ходе выполнения научно-исследовательской работы впервые получены следующие результаты:
-
Найдены новые высокопроизводительные оптимизационные алгоритмы метод мотылька и пламени (ММП), гибридный алгоритм на основе роя частиц и гравитационного поиска (ГМРЧГП), оптимизационный алгоритм саранчи (ОАС), алгоритм стаи сальп (АСС), ранее не применяемые для решения электроэнергетических задач. Показано их преимущество над применяемыми ранее алгоритмами для размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях.
-
Разработана новая целевая функция на основе комплексного показателя потерь, напряжения и стоимости. Для разработанный целевой функции выполнен подбор весовых коэффициентов для различны задач.
-
Выбран и обоснован наиболее эффективный алгоритм для раздельного и совместного размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях.
-
Разработан алгоритм совместного размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях с учетом графиков нагрузки и параметров дополнительно устанавливаемых устройств.
-
Для разработанных программ получены свидетельства о государственной регистрации (№.2018613492, №.2018613738, №.2018611008).
Практическая значимость.
-
Выбранный оптимизационный алгоритм и разработанная целевая функция могут быть использованы проектными организациями и службами развития распределительных сетей в Египте и других странах для решения задачи оптимального размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях.
-
Разработанные программы в комплексе MATLAB, могут быть применены для образовательных, научных и практических задач, связанных с оптимизацией размещения дополнительных устройств в распределительных сетях.
3. Министерство электроэнергетики и возобновляемых источников энергии
"Египетская Электроэнергетическая Холдинговая Компания (ЕЭХК)" подтверждает заинтересованность в текущих результатах работы и ее развитии для применения в рамках программы внедрения распределенной генерации в египетских распределительных сетях.
Методы и средства исследования. Основные методы исследования, используемые в работе:
Математическое и компьютерное моделирование, статистический анализ, практический эксперимент.
Для решения поставленных задач использован программный комплекс MATLAB/SIMULINK (версия R2015a) и Excel (версия 2013).
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Результаты инструментальной оценки режимов работы распределительных сетей в Египте.
-
Сравнение современных высокопроизводительных оптимизационных алгоритмов применительно к задаче размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств.
-
Новая целевая функция на основе комплексного показателя потерь, напряжения и стоимости.
-
Алгоритм совместного размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях с учетом графиков нагрузки и параметров дополнительно устанавливаемых устройств.
-
Результаты размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств на основе разработанной целевой функции и оптимизационного алгоритма ММП в реальной распределительной сети Египта.
Достоверность полученных результатов и средства исследований. Достоверность полученных результатов подтверждается определяется корректным использованием математического аппарата и общепризнанного программного обеспечения, а также сравнением результатов со значениями, полученными при решении подобных задач другими авторами. Достоверность расчетов, выполненных для реальной схемы подтверждается сравнением расчетных результатов с изменениями.
Реализация результатов работы.
-
Разработанные программы на основе выбранных алгоритмов для оптимального размещения возобновляемой распределенной генерации и компенсирующих устройств в распределительных сетях находится в процессе реализации в Египетской Электроэнергетической Холдинговой Компании в подразделении распределительных сетей.
-
Промежуточные и итоговые результаты работы планируются к внедрению в учебную и научную деятельность кафедры «Электроэнергетические системы и электротехника», Инженерного факультета, Университета Минья. Получено письмо от университета о заинтересованности в результатах исследования.
3. Для разработанных программ были получены охранные документы.
Апробация полученных результатов. Основные результаты работы докладывались и
обсуждались на следующих мероприятиях:
1- Заседания и научно-технические семинары кафедры «Электроэнергетические
системы» ФГБОУ ВО «НИУ «МЭИ» в 2017, 2018 гг.
-
Международная научно-практическая конференция «Управление качеством электрической энергии», «НИУ «МЭИ», г. Москва, 2016 г.
-
VII Международная молодёжная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи - 2016», «КГЭУ», г. Казань, 2016 г.
4- 16-ая Конференция молодых исследователей в области электротехники и
электроники «2016 ШЕЕ Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic
Engineering (2016 ElConRusNW) ». г. Санкт-Петербург, 2016 г.
5- 17-ая Конференция молодых исследователей в области электротехники и
электроники «2017 ШЕЕ Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic
Engineering (2017 ElConRus) ». г. Санкт-Петербург, 2017 г.
-
17-ая международной научной конференции «IEEE International Conference on Environment and Electrical Engineering and IEEE Industrial and Commercial Power Systems Europe (EEEIC / I&CPS Europe) ». г. Милан, Италия, 2017 г.
-
16-ая международной научной конференции «2016 IEEE Eighteenth International Middle East Power Systems Conference (MEPCON'16) ». г. Каир, Египет, 2016 г.
Публикации по теме диссертации. Основное содержание диссертации были опубликованы в 11 печатных трудах, в том числе: восемь статей в журналах и конференциях, входящих в международные системы цитирования (Scopus, Web of Science); три статьи - в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. Все выносимые на защиту результаты получены автором совместно с научным руководителем. Вклад автора состоял в проведении измерений в электрических сетях Египта и анализе результатов; постановке задач; поиске современных оптимизационных алгоритмов и сравнение их применительно к задаче размещения распределенной генерации и компенсирующих устройств; разработке новой целевой функции; написании статей и участии в международных конференциях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 171 страницах, имеет 36 таблиц, 50 рисунок, включает титульный лист, оглавление, введение, 4 главы, заключение, список литературы из 170 наименований и 2 приложения на 5 страницах.