Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Характеристика проблемы и постановка задачи диссертации 18
1.1 Анализ закономерностей развития системных аварий 18
1.2 Анализ механизмов системных аварий и роли ПАУ в их предотвращении и ликвидации 21
1.3 Описание принципов и методов ПАУ ЕЭС России 30
1.3.1 Общая характеристика принципов ПАУ 31
1.3.2 Структура, аппаратная база, и алгоритмы централизованного ПАУ в рамках системы АПНУ 33
1.3.3 Краткосрочные перспективы развития системы АПНУ 42
1.4 Необходимость совершенствования структуры и алгоритмов ПАУ
ЕЭС России с учетом возможного внедрения средств противодей
ствия лавине напряжения и каскадному отключению линий . 48
1.4.1 Расширенная классификация принципов ПАУ и их аппаратной реализации 55
1.5 Возможность использования мультиагентного подхода для моделирования децентрализованной адаптивной ПА 57
1.6 Постановка задачи диссертации 59
ГЛАВА 2 Принципы организации и алгоритмы функционирования автоматик предотвращения лавины напряжения и каскадного отключе ния линий 61
2.1 Принципы построения мультиагентных систем управления . 63
2.2 Автоматика предотвращения лавины напряжения 70
2.2.1 Модели элементов ЭЭС для исследования лавины напряжения 73
2.2.2 Место распределенной автоматики предотвращения лавины напряжения в существующей структуре ПАУ ЕЭС России . 80
2.2.3 Принципы организации и алгоритмы функционирования автоматики предотвращения лавины напряжения 81
2.3 Автоматика предотвращения каскадного отключения линий . 93
2.3.1 Модели элементов ЭЭС для исследования каскадного отклю чения линий 96
2.3.2 Место распределенной автоматики предотвращения каскадного отключения линий в существующей структуре ПАУ ЕЭС России 99
2.3.3 Принципы организации и алгоритмы функционирования автоматики предотвращения каскадного отключения линий. 100
2.4 Выводы к главе 2 107
ГЛАВА 3 Программная реализация МАА 111
3.1 Общая концепция программной реализации MAC ПАУ 111
3.2 Агентная платформа JADE 113
3.2.1 Создание и идентификация агентов 115
3.2.2 Реализация поведения агентов 117
3.2.3 Реализация механизма обмена сообщениями 120
3.3 Объединение и синхронизация расчетной и агентной сред 123
3.3.1 Механизм обмена информацией между MatLab/PSAT и JADE 125
3.4 Программная реализация MAC предотвращения лавины напря
жения 126
3.4.1 Программная реализация поведения агентов в рамках MAC предотвращения лавины напряжения 126
3.4.2 Описание протоколов межагентного взаимодействия MAC предотвращения лавины напряжения 131
3.5 Программная реализация MAC предотвращения каскадного отключения линий 136
3.6 Выводы к главе 3 136
ГЛАВА 4 Исследование поведения МАА с использованием разработанной программной реализации 139
4.1 Исследование поведения МАА предотвращения лавины напряже ния 139
4.1.1 Описание тестовой схемы для исследования поведения МАА предотвращения лавины напряжения 141
4.1.2 Тестовое возмущение №1. Отключение трансформатора BuslOl - Bus208 в момент времени t=10 с 144
4.1.3 Тестовое возмущение №2. Отключение трансформатора BuslOl - Bus208 в момент времени t=10 с, отключение генератора Bus309 в момент времени t=300 с. Отказ АГ Bus201 162
4.1.4 Тестовое возмущение №3. Отключение ВЛ 201 - 202 в момент времени t=5 с. Отключение трансформатора BuslOl - Bus208 в момент времени t=10 с. Реализация УВ от МАС ПАУ. В работе все АГ и АН 168
4.1.5 Анализ результатов моделирования автоматики предотвращения лавины напряжения 171
4.2 Исследование поведения МАА предотвращения каскадного от ключения линий 173
4.2.1 Описание тестовой схемы для исследование поведения МАА предотвращения каскадного отключения линий 174
4.2.2 Анализ возмущений 176
4.2.3 Анализ результатов работы МАА предотвращения каскадного отключения линий 178
4.2.4 О возможности применения алгоритмов МАА предотвращения каскадного отключения линий при реализации интеллектуальной автоматики САОН г. Иркутска 179
4.3 Выводы к главе 4 183
Заключение 186
Библиографический список
- Описание принципов и методов ПАУ ЕЭС России
- Модели элементов ЭЭС для исследования лавины напряжения
- Объединение и синхронизация расчетной и агентной сред
- Тестовое возмущение №2. Отключение трансформатора BuslOl - Bus208 в момент времени t=10 с, отключение генератора Bus309 в момент времени t=300 с. Отказ АГ Bus201
Введение к работе
Актуальность работы. Вопросы устойчивости и токовой перегрузки связей крайне важны при проектировании и эксплуатации энергосистем (ЭС). Можно выделить три характерных вида ограничений: токовые ограничения (термическая стойкость элементов сети), ограничения по напряжению (устойчивость узлов нагрузки), ограничения по параллельной работе генераторов (устойчивость параллельной работы генераторов).
Преобладание того или иного ограничения напрямую связано со структурными особенностями рассматриваемой ЭС. Токовые ограничения и ограничения по напряжению являются определяющими для систем со сложной многоконтурной структурой, в которых преобладают линии средней протяженности (крупные промышленные центры, сети мегаполисов). Характерными примерами таких ЭС являются большинство западных энергообъединений (ЭО). Устойчивость параллельной работы генераторов является основным ограничивающим фактором при исследовании протяженных межсистемных связей и ЭС, для которых характерно наличие длинных линий. В связи с географической протяженностью территории, удаленностью производителей и потребителей электрической энергии основополагающей для ЕЭС России является устойчивость параллельной работы генераторов.
В последние десятилетия в ЭС промышленно развитых стран мира (США и страны ЕС) происходили крупные системные аварии, повлекшие за собой значительный ущерб. Современное развитие экономики России в условиях рынка способствует формированию крупных промышленных и деловых центров, свойства электросетевой структуры которых схожи со свойствами западных ЭО. Можно ожидать, что в ближайшем будущем системные аварии в сетях мегаполисов и крупных промышленных центров России будут протекать по «западному» сценарию, при этом определяющим фактором будет устойчивость узлов нагрузки потребителей и перегрузка элементов сети, а не устойчивость параллельной работы генераторов. Первой крупной системной аварией по «западному» сценарию, произошедшей в ЕЭС России, была авария в Московской ЭС в мае 2005 года. Данная авария произошла при нормальной частоте, когда после отключения ряда линий в результате лавинообразного снижения напряжения произошло отключение значительной генерирующей мощности и большого числа потребителей. Таким образом, задачи противодействия лавине напряжения (ЛН) и каскадному отключению линий в ЕЭС России становятся все более актуальными.
Системы противоаварийного управления (ПАУ) призваны не допускать нарушения устойчивости. Ключевая роль в ликвидации аварийной ситуации принадлежит именно системам противоаварийной автоматики (ПА). Анализ, выполненный в работах отечественных и зарубежных авторов (Коган Ф.Л., Воропай Н.И., Смоловик С.В., Kundur P., Rehtanz С., Lachs W.R. и др.), позволил определить ряд недостатков современных систем ПАУ, которые явились причиной катастрофического развития аварий в западных ЭО. В качестве основных можно выделить низкий уровень отказоустойчивости элементов, а также отсутствие координации локальных устройств. Данные
недостатки свойственны и отечественной системе ПАУ. Следовательно, разработка средств противодействия лавине напряжения и токовой перегрузке связей должна, в том числе, обеспечить координацию локальных устройств автоматики с учетом повышенных требований к отказоустойчивости.
Повышение отказоустойчивости систем ПАУ возможно за счет повышения уровня избыточности (переход к критериям N-2 и N-3). Однако излишняя избыточность, как правило, связана с неоправданно высокими финансовыми затратами, а в ряде случаев вообще нереализуема. Проблема координации локальных устройств может быть решена путем передачи функций координации комплексам ПАУ централизованной автоматики предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ). Однако излишняя централизация приведет к существенному росту стоимости реализации комплексов ПА, а также будет способствовать дальнейшему снижению надежности их функционирования вследствие повышения структурной сложности составляющих их систем. Менее очевидным, но более эффективным способом повышения отказоустойчивости и обеспечения координации локальных устройств ПАУ является частичная децентрализация ПА с внедрением адаптивных алгоритмов и передачей части функций на уровень локальных устройств ПАУ, а также на уровень низовых устройств автоматики АПНУ (комплексы локальной автоматики предотвращения нарушения устойчивости (ЛАПНУ)).
В настоящее время в структуре ПАУ ЕЭС России нашли широкое применение лишь принципы локального и централизованного управления. В связи с этим, обозначенная выше децентрализация алгоритмов не может быть реализована без совершенствования существующей структуры системы ПА. Таким образом, при разработке средств противодействия лавине напряжения и каскадному отключению линий требуется не только предложить новые алгоритмы, но и усовершенствовать саму структуру ПАУ ЕЭС России.
В рамках настоящей работы решаются актуальные задачи создания децентрализованных адаптивных алгоритмов ПА на базе мультиагентного подхода для борьбы с лавиной напряжения и каскадным отключением линий. Автоматика на базе предлагаемых алгоритмов в состоянии повысить отказоустойчивость существующей системы ПАУ, а также взять на себя часть функций координации локальных устройств автоматики в рамках комплексов автоматики ограничения перегрузки оборудования (АОПО) и ЛАПНУ. При этом предлагаемые алгоритмы новой децентрализованной системы ПАУ не противоречат существующей структуре ПА, а лишь дополняют ее. Реализация алгоритмов возможна, в том числе, в рамках создания в ЕЭС России интеллектуальной ЭС с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС).
Целью работы является разработка принципов совершенствования существующей структуры ПАУ, а также разработка и проверка (с использованием численных моделей) мультиагентных алгоритмов децентрализованного адаптивного управления ЭС для предотвращения лавины напряжения и каскадного отключения линий.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
-
Обоснование необходимости совершенствования существующей структуры и алгоритмов ПАУ ЕЭС России с целью предотвращения лавины напряжения и каскадного отключения линий.
-
Разработка алгоритмов и принципов реализации децентрализованной адаптивной автоматики предотвращения ЛН и каскадного отключения линий.
-
Разработка программного обеспечения на базе мультиагентного подхода, необходимого для численной проверки предложенных алгоритмов.
-
Проверка алгоритмов противодействия ЛН и каскадному отключению линий на численных моделях с использованием разработанного программного обеспечения.
Методы исследования. Реализация подходов выполнена с использованием элементов теорий искусственного интеллекта, конечных автоматов, методов теории оптимизации. Моделирование поведения ЭС выполнялось с использованием систем алгебраических (уравнения установившегося режима (УР) ЭС) и дифференциально-алгебраических уравнений (уравнения динамики ЭС). Программная реализация выполнена с использованием объектно-ориентированного и структурного подходов на базе системы MatLab (расчетная среда пакета PSAT), а также на базе агентной платформы JADE. Объединение расчетной и агентной сред выполнено с использованием объектно-ориентированного языка JAVA.
Научная новизна. В результате выполнения работы получены новые научные результаты:
-
Предложены новые подходы к совершенствованию существующей структуры ПАУ ЕЭС России, которые позволят внедрить децентрализованные адаптивные алгоритмы противодействия лавине напряжения и каскадному отключению линий.
-
Разработаны оригинальные мультиагентные алгоритмы и принципы реализации распределенных адаптивных систем для предотвращения каскадного развития аварий, вызванных нарушением устойчивости по напряжению или перегрузкой элементов сети.
-
Предложены, на базе разработанных алгоритмов, новые принципы повышения отказоустойчивости систем ПАУ, основанные на частичной децентрализации с внедрением свойств адаптивности, что в свою очередь позволит отказаться от избыточного резервирования систем ПАУ.
-
Решена новая задача реализации компьютерной модели системы ПАУ, использующей мультиагентные алгоритмы распределенного адаптивного управления.
На защиту выносятся:
1. Новые подходы к совершенствованию существующей структуры ПАУ ЕЭС России, которые позволят внедрить децентрализованные адаптивные алгоритмы противодействия ЛН и каскадному отключению линий.
-
Принципы реализации отказоустойчивых распределенных адаптивных систем ПАУ предотвращения лавины напряжения и каскадного отключения линий.
-
Мультиагентные алгоритмы распределенных адаптивных систем ПАУ предотвращения лавины напряжения и каскадного отключения линий.
-
Программное обеспечение, предназначенное для моделирования мультиа-гентных децентрализованных адаптивных систем ПАУ.
Практическая значимость результатов. Предложенные алгоритмы и программная реализация использовались в рамках следующих работ:
-
Международный проект ICOEUR, посвященный стратегии объединения ЕЭС России и Европейской ЭЭС. В частности, предложенная автором концепция объединения расчетной и агентной сред была реализована в программном комплексе Eurostag. Полученная гибридная программная среда использовалась для решения широкого круга задач в рамках проекта ICOEUR.
-
НИР «Разработка принципов построения и алгоритмов распределенной адаптивной САОН в Иркутской ЭЭС».
-
Программные средства моделирования поведения ЭЭС, разработанные при выполнении настоящей работы, применялись для решения широкого круга задач в рамках различных НИОКР: ОКР «Разработка принципов функционирования ЛАПНУ Харанорской ГРЭС»; НИР «Разработка концепции Smart Grid с учётом развития сети 220 кВ энергосистемы ОАО «Магаданэнерго»; НИР «Расчет электрических режимов энергосистемы Магаданской области для выбора вариантов организации электроснабжения месторождения «Родионовское», и т.д.
Публикации. Основные методические положения диссертации и результаты исследований опубликованы в 26 работах, в том числе в 2 работах в изданиях, рекомендованных ВАК, и 3 работах в реферируемых зарубежных изданиях. Получен 1 патент на способ автоматического распределенного отключения нагрузки для целей снижения перетоков активной мощности по элементам энергосистемы при их перегрузке.
Личный вклад автора. Все теоретические и методические положения, данные численного эксперимента, а также аналитические результаты были получены лично соискателем. Постановка задач и анализ результатов обсуждались совместно с научным руководителем.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из четырех глав, списка сокращений, введения, заключения, списка использованных источников из 101 наименования, списка публикаций соискателя из 27 наименований и пяти приложений. Работа включает 188 страниц основного текста, 77 рисунков и 3 таблицы.
Описание принципов и методов ПАУ ЕЭС России
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель, аргументирована научная новизна исследований, показана научно-практическая значимость полученных результатов, представлены положения, выносимые на защиту, дается краткое содержание работы.
В первой главе «Характеристика проблемы и постановка задачи диссертации» показано, что стадия каскадного развития большого числа аварий в энергообъединениях промышленно развитых стран, как правило, включала медленную и быструю фазы. Подобное разделение стадии каскада на фазы наиболее характерно для аварий в западных ЭО, поэтому подобный сценарий можно условно называть «западным».
В фазе медленного развития длительное ухудшение ситуации предоставляло возможность реализовать управляющие воздействия (УВ), которые предотвращали дальнейшую цепь каскадных событий. В быстрой фазе обычно было слишком поздно пытаться остановить развитие аварии, на данном этапе именно лавина напряжения и каскадное отключение элементов сети приводило к погашению большей части системы.
Далее в диссертации дается описание связи структурных особенностей ЭЭС с преобладанием различных видов ограничений. Отмечается, что рост экономики РФ способствует развитию крупных промышленных и деловых центров, свойства элетросетевой структуры которых схожи со свойствами западных ЭО. В связи с этим ожидается, что в ближайшем будущем системные аварии в сетях крупных промышленных и деловых центров России будут протекать по «западному» сценарию. При этом определяющим фактором станет устойчивость по напряжению и перегрузка элементов сети, а не устойчивость параллельной работы генераторов. Отмечается, что ключевыми недостатками зарубежных систем ПАУ являются низкая отказоустойчивость и отсутствие координации локальных устройств. Данные недостатки свойственны и отечественной системе ПАУ. На примере простой тестовой модели анализируются механизмы, лежащие в основе Московской аварии 2005 года, первой аварии, протекавшей по «западному» сценарию.
Далее приведен анализ существующих принципов и методов ПАУ ЕЭС России. Подробно рассмотрена структура, аппаратная база, алгоритмы, а также краткосрочные перспективы развития системы АПНУ Выполнен анализ недостатков отечественной ПА с позиции необходимости внедрения новых средств противодействия лавине напряжения и каскадному отключению линий. При этом особое внимание уделяется вопросам отказоустойчивости и координации локальных устройств. Доказывается, что для противодействия лавине напряжения и каскадному отключению линий необходима частичная децентрализация ПА с внедрением адаптивных алгоритмов и передачей части функций на уровень локальных устройств ПАУ, а также на уровень низовых устройств автоматики АПНУ (комплексы ЛАПНУ). В частности, предлагается выполнить частичную децентрализацию на уровне низовых устройств ЛАПНУ с внедрением горизонтальных информационных связей.
Для понимания возможного места децентрализованной адаптивной автоматики в структуре существующих средств ПА предлагается расширенная классификация принципов ПАУ и их аппаратной реализации. Отмечается, что задача моделирования системы, использующей алгоритмы распределенного управления, состоит в моделировании поведения некоторого количества устройств ПА (агентов), каждый из которых реализует свое собственное поведение. Доказывается, что эффективная реализация подобной компьютерной модели возможна на базе параллельных вычислений с использованием мулътиагентного подхода. Дается краткий литературный обзор работ, посвященных применению мультиагентного подхода в энергетике. В заключении формулируется перечень задач диссертации.
Во второй главе «Принципы организации и алгоритмы функционирования автоматик предотвращения лавины напряжения и каскадного отключения линий» выделяются три основных особенности разрабатываемых алгоритмов: информатизация, масштабируемость и декомпозиция (кластериза ция). Информатизация - реализация предлагаемых алгоритмов невозможна без развития информационных систем передачи данных. Масштабируемость - унификация алгоритмов должна способствовать минимизации стоимости проектно-конструкторских работ. Декомпозиция минимизирует объем передаваемых данных, а также позволяет учесть структурные особенности отдельных подсистем. Для декомпозиции на подсистемы предлагается использовать усовершенствованный частотный метод разделения графа, относящийся к классу спектральных алгоритмов. Показано, что применительно к задачам противодействия лавине напряжения и токовой перегрузке связей разделение графа сети может быть сведено к задаче разбиения ЭЭС на подсистемы с максимальной электрической связностью. В качестве меры связности принимаются элементы матрицы собственных и взаимных проводимостей рассматриваемой сети.
На основании анализа текущих работ предлагаются принципы организации и алгоритмы функционирования автоматики предотвращения лавины напряжения. Для исследования поведения МАА предлагается использовать дифференциально-алгебраические уравнения (ДАУ) динамики ЭС в традиционном виде, т.е. с разделением переменных быстрых и медленных процессов. Особое внимание уделяется моделям системы возбуждения и узлов нагрузки. Отмечается, что с учетом предложенной в работе частичной децентрализации низовых устройств АПНУ, именно ЛАПНУ может стать тем самым звеном системы ПАУ, которое будет использовано для применения распределенных адаптивных алгоритмов предотвращения лавины напряжения. Дается описание набора реализуемых УВ, принципов идентификации критической ситуации, а также структурной организации и алгоритмов автоматики предотвращения лавины напряжения. Утверждается, что предложенная реализация обеспечит высокий уровень адаптивности и отказоустойчивости.
На основании анализа текущих работ предлагаются принципы организации и алгоритмы функционирования автоматики предотвращения каскадного отключения линий. Для настройки, а также для исследования поведения автоматики вместо сложных динамических моделей предлагается использовать уравнения установившегося режима (УР) с распределенным балансирующим узлом (БУ). Подобный подход к моделированию, с одной стороны, позволит упростить настройку и функционирование автоматики, с другой стороны, позволит достаточно точно учесть работу автоматики регулирования частоты и перетоков активной мощности (АРЧМ). Отмечается, что автоматика АОПО может стать тем звеном системы ПАУ, которое в дальнейшем будет использовано для применения предложенных алгоритмов
Модели элементов ЭЭС для исследования лавины напряжения
Другим средством локального противодействия нарушению устойчивости узлов нагрузки в ЕЭС России является автоматика ограничения снижения напряжения (АОСН), которая, в том числе, должна выполнять отключение нагрузки (ОН) потребителей по факту локального снижения напряжения в узле. АОСН обладает низким интеллектуальным уровнем, так как действует на основании локальной информации о параметрах режима, и практически никак не координирует свои действия с другими устройствами ПАУ. Выполнение команд ОН вслепую, как правило, приводит к передозировкам управляющих воздействий. Кроме того, АОСН всегда действует с большими выдержками времени, что может привести к ситуации, когда сначала будет отключен генератор вследствие токовой перегрузки, а уже потом произойдет реализация команды ОН от АОСН. В этом случае объема АОСН может оказаться недостаточно для реализации эффективных УВ. ОН может также выполняться оперативно диспетчером энергосистемы. Однако возможность централизованного ОН диспетчером ЭС может отсутствовать, что, в частности, имело место в момент возникновения Московской аварии. Кроме того, принятие решения об оперативном ограничении электроснабжения потребителей требует сбора и анализа большого объема данных и может существенно затянуться в условиях стрессовой аварийной ситуации.
Таким образом, в описываемом примере как локальные, так и оперативные способы борьбы с каскадным развитием аварии могут оказаться несвоевременными, либо неэффективными. Более того, локальная автоматика АРКТ вообще будет способствовать ухудшению ситуации.
Приведенный пример наглядно иллюстрирует механизмы развития аварийной ситуации при нарушении устойчивости узлов нагрузки в ЭС со сложной многоконтурной структурой, в которых преобладают линии средней протяженности (крупные промышленные центры, сети мегаполисов). Таким образом, локальное нарушение устойчивости узлов нагрузки может стать причиной крупной системной аварии.
Безусловно, аварии в энергосистемах неизбежны. Однако, правильное проектирование, резервирование оборудования и питающих магистралей, развитие систем РЗ и ПАУ позволяют локализовать поврежденный участок и вывести его из работы, сохранив работоспособность системы. При этом ключевая роль в ликвидации аварийной ситуации принадлежит именно системам ПАУ. Анализ роли противоаварийного управления в развитии и ликвидации крупных системных аварий [1-3] позволил определить ряд недостатков совре менных систем ПАУ, которые явились причиной катастрофического развития аварий, сопровождавшихся лавиной напряжения и каскадным отключением линий. В качестве ключевых недостатков можно выделить низкий уровень отказоустойчивости элементов, а также отсутствие координации локальных устройств. Например, в рассмотренном выше примере нескоор-динированные локальные действия АРКТ и персонала станции привели к ухудшению ситуации. Таким образом, данные недостатки свойственны и отечественной системе ПАУ. Следовательно, разрабатываемые алгоритмы противодействия лавине напряжения и токовой перегрузке связей должны, в том числе, обеспечить координацию локальных устройств ПА с учетом повышенных требований к отказоустойчивости.
Прежде чем перейти к обоснованию необходимости совершенствования структуры и алгоритмов ПАУ ЕЭС России с позиции возможного внедрения средств противодействия лавине напряжения и каскадному отключению линий (см. раздел 1.4), необходимо дать описание существующих принципов и методов ПАУ.
Устойчивость и живучесть как важнейшие категории функционирования энергосистемы обеспечиваются совокупностью мероприятий: резервированием генерирующих мощностей и пропускных способностей линий электропередачи, оптимизацией электрических режимов с учетом балансов топлива и гидроресурсов, рациональным размещением энергообъектов, углублением и совершенствованием автоматизации диспетчерского управления и т.д. В этом ряду находится и система автоматического противоаварийного управления ЕЭС России.
Основной принцип построения ПАУ в ЕЭС России может быть сформулирован следующим образом:
1. Вся ЕЭС разбивается на районы противоаварийного управления (энергоузлы, энергорайоны, энергообъединения), которые, как правило, совпадают с операционными зонами оперативно-диспетчерского управления.
2. Каждый район управления защищается своей системой ПА, обеспечивающей его живучесть и ограничивающей максимальный аварийный небаланс активной мощности района, величина которого определяется текущими условиями устойчивости ЕЭС.
По принципам организации средства ПА подразделяются на децентрализованные и централизованные системы, реализующие свои функции с помо щью соответственно локальных устройств ПА и централизованных систем ПА (автоматика АПНУ).
Требования надежности и быстродействия подсистемы АПНУ, а также необходимость снижения затрат на ее развитие и эксплуатацию ставят вопрос о технически и экономически оправданной протяженности районов ПАУ, охватываемых комплексами АПНУ, целесообразном объеме возлагаемых на них функций, а также о взаимодействии данных функций. Очевидно, что единственно приемлемым решением здесь является построение подсистемы АПНУ на иерархическом принципе.
Объединение и синхронизация расчетной и агентной сред
Анализ краткосрочных перспектив был выполнен на основании тех тенденций, которые наметились в последние годы в электроэнергетической отрасли и были отмечены в работах авторов [34-39], непосредственно связанных с развитием системы АПНУ ЕЭС России. Остановимся на ряде положений из [35], которые необходимо принимать во внимание при оценке обозримой перспективы развития ЕЭС России:
1. Дальнейшее усложнение схемы электроснабжения потребителей мегаполисов с использованием глубоких вводов. Данное положение полностью согласуется с выводами о дальнейшей тенденции локального усложнения электросетевой структуры ЕЭС России. Как следствие, в будущем аварии в сетях мегаполисов, вероятнее всего, будут протекать по «западному» сценарию с преобладанием ограничений по напряжению и токовой перегрузке элементов сети.
2. Перспективы широкого использования линий электропередач постоянного тока и гибких устройств передачи переменного тока (устройств FACTS) - данное положение указывает на необходимость дальнейшего расширения номенклатуры УВ и, как следствие, на необходимость усложнения алгоритмов комплексов системы АПНУ. По мере накопления изменений в ЕЭС, в соответствии с [35], может измениться и подход к использованию ПА:
1. Роль локальных устройств АПНУ (ЛАПНУ) сведется к использованию их в качестве пусковых органов, устройств АЗД и выдачи команд на реализацию управляющих воздействий и, в некоторых случаях, в качестве резервных устройств ЦСПА. Таким образом, намечена тенденция дальнейшей более глубокой централизации принципов ПАУ Перенос все большего количества функций управления на уровень ЦСПА может привести к следующим негативным последствиям. Во-первых, снизится надежность системы АПНУ в целом, так как повысится опасность последствий при выходе из строя как ПТК верхнего уровня системы ЦСПА, так и каналов связи с устройствами нижнего уровня. Во-вторых, повышение роли ЦСПА, с одновременным расширением номенклатуры У В и повышением сложности защищаемой сети, приведет к дополнительной информационной нагрузке, как на каналы связи, так и на вычислительные ресурсы. В конечном счете, это приведет к удорожанию системы, т.к. скорость ее быстродействия, как и прежде, должна быть обеспечена на уровне 20-40 с [33].
2. Существенно возрастет роль ЦСПА как «советчика» диспетчера, позволяющего в реальном времени оценить допустимость режима без использования АПНУ в случае возникновении аварийной ситуации. В качестве средства ПА ЦСПА будет, в основном, использоваться для предотвращения нарушения устойчивости (опасной перегрузки) при возникновении второго или последующих аварийных возмущений, то есть как мероприятие по предотвращению развития аварии и потери живучести энергосистемы. С одной стороны, данное утверждение свидетельствует о дальнейшем усилении взаимного влияния различных систем управления ЭЭС (ПАУ, АРЧМ, АСДУ). С другой стороны, крупные возмущения в энергосистемах Северной Америки, Италии, Москвы и Германии дали понять, что диспетчеры, ответственные за управление системой на рынках электроэнергии с пониженными ограничениями, имеют ограниченные возможности с точки зрения вмешательства в процесс управления системой при быстро развивающихся перегрузках и других критических ситуациях. Таким образом, требуется соблю дать «тонкий» баланс между требованиями надежности и требованиями рынка. Либо же, наоборот, можно передать часть функций диспетчера устройствам ПА. Кроме того, исходя из личного опыта общения с оперативно-диспетчерским персоналом, можно сказать, что по ряду причин, «мнение» советчиков диспетчера в критической ситуации зачастую не учитывается при принятии оперативных решений.
3. Должна быть разработана специальная система ПА для мегаполисов, сочетающаяся с централизованной системой автоматического управления напряжением. Утверждение о необходимости разработки специальных мер для защиты мегаполисов полностью соотносится с выводами о дальнейшем усложнении структуры сетей крупных промышленных и деловых центров, однако реализация данной системы управления напряжением в виде централизованного узла ПАУ не лишена недостатков.
4. Возрастет необходимый объем режимной информации, используемой ПА, повысятся требования к ее качеству, расширится номенклатура управляющих воздействий ПА, в том числе воздействий импульсного типа через устройства FACTS и ППТ. Таким образом, в ближайшем будущем следует ожидать увеличения номенклатуры УВ и повышения объема передаваемой режимной информации.
Остановимся на основных направлениях развития методов ПАУ, а именно, на тенденциях развития алгоритмов системы АПНУ с учетом повышения быстродействия вычислительной техники, а также с учетом расширения состава УВ.
В настоящее время наметилась тенденция дальнейшей более глубокой централизации принципов ПАУ, которая невозможна без дальнейшего совершенствования систем ЦСПА. Сегодня в четырех из семи ОЭС России функционирует ЦСПА второго поколения. Дальнейшее распространение централизованного управления предполагается с использованием ЦСПА третьего поколения.
В ЦСПА второго поколения динамическая фаза процесса отражалась весьма грубо, действия локальных устройств учитывались приближенно, использовались упрощенные подходы к оценке устойчивости, выбору У В, учету динамической составляющей аварийных процессов, предусматривалась индивидуальная адаптация для каждой конкретной энергосистемы, использовались пусковые органы, фиксирующие только отключение элемента сети. В ЦСПА третьего поколения все вышеперечисленные проблемы решаются с непосредственным учетом динамической фазы процесса в алгоритме.
Тестовое возмущение №2. Отключение трансформатора BuslOl - Bus208 в момент времени t=10 с, отключение генератора Bus309 в момент времени t=300 с. Отказ АГ Bus201
Дополнительно приведем некоторые пояснения по принципам реализации онтологии межагентного взаимодействия. На первом уровне онтологии разделяют Предикаты, и Термины/. 1. Предикаты (Факты) - выражения, представляющие собой утверждения об окружающем мире, они могут быть правдой или ложью. 2. Термины (сущности) - выражения, определяющие сущности (реальные или абстрактные), которые могут «существовать» в мире, и о которых агенты могут рассуждать. Термины в свою очередь делятся на: 1. Концепции - выражения, которые указывают на сущности с комплексной структурой, которые могут быть определены посредством слотов. 2. Действия агентов - специальные концепции, которые указывают на действия, которые могут быть выполнены некоторыми агентами. 3. Примитивы - выражения, которые указывают на неделимые сущности, такие, как строки и целые числа. 4. Совокупности - выражения, которые указывают на сущности, которые являются группой иных сущностей. 5. Определяющие ссылочные выражения - выражения, которые определяют сущность (сущности), для которых справедлив данный предикат. 6. Переменные - выражения (обычно используемые в вопросах), которые относятся к определенному элементу, о котором ничего заранее не известно.
Программная среда JADE обладает широким набором средств для формирования любых сколь угодно сложных межагентных взаимодействий в рамках стандарта FIPA. В том числе, имеются инструменты для формирования сложных онтологии. Тем не менее, для моделирования предлагаемой распределенной агентной автоматики достаточно использовать лишь небольшой объем возможностей АП. По мнению автора, реализация протоколов агент-ного взаимодействия должна быть максимально упрощена, так как само по себе взаимодействие является лишь средством для достижения основной цели - координации локальных устройств. Излишнее усложнение протоколов приведет к чрезмерному усложнению понимания принципов работы МАА. Кроме того, если когда-нибудь предлагаемые алгоритмы будут реализованы аппаратно, то дополнительное усложнение протоколов и онтологии приведет к сложностям как при настройке MAC, так и при апостериорном анализе результатов работы АП.
При дальнейшем описании программной реализации агентного взаимодействия, автор решил отказаться от достаточно сложной общепринятой терминологии описания МАС в пользу простоты понимания предлагаемых принципов.
В разделе 3.1 было показано, что при создании программного инструмента для моделирования МАС в электроэнергетике оптимальным решением (с точки зрения трудозатрат) является объединение АП и расчетного модуля. В качестве расчетного модуля в данном исследовании выступает среда MatLab / PSAT. В качестве АП используется среда JADE. Далее в разделе дается общее описание принципов объединения расчетной (PSAT) и агентной (JADE) сред.
Взаимодействие между MatLab / PSAT и JADE осуществляется при помощи бокс агентов (БА), которые являются объектами JAVA. Как указывалось ранее, при этом весь процесс функционирования МАС ПАУ реализуется внутри оперативной памяти, без привлечения жесткого диска компьютера, что позволило существенно ускорить процесс моделирования.
Ранее было показано, что предварительная теоретическая проработка алгоритмов распределенного ПАУ может быть эффективно реализована лишь на базе параллельных вычислений. Таким образом, для теоретической проработки предложенных мультиагентных алгоритмов требуется использовать свойства многозадачности.
Применительно к информационным системам, существует два вида многозадачности: процессная и поточная. Процессная многозадачность основана на процессах. Каждый процесс - это, по сути, программа (приложение). Приложение - это наименьший элемент кода, которым может управлять планировщик операционной системы (рисунок 3.11). При реализации процессной многозадачности, операционная система выделяет для каждого приложения (процесса) свою локальную область памяти. Также часть памяти может быть выделена для совместного использования всеми приложениями. В качестве примера процессной многозадачности можно привести возможность одновременной работы в нескольких программах (MatLab, JADE, текстовый редактор, редактор таблиц и т.д.).
Поточная многозадачность основана на потоках. В многозадачной среде, основанной на потоках, самой мелкой единицей диспетчеризации является поток. Это означает, что отдельная программа может исполнять несколько задач одновременно. Например, текстовый редактор может одновременно форматировать текст и печатать документ, так как данные действия выполняются двумя различными потоками. Применительно к среде JADE, каждый агент управляется отдельным потоком (рисунок 3.12). Таким образом, процессная многозадачность имеет дело с программой, а поточная многозадачность обрабатывает детали внутри программы.
Процессы - тяжеловесные задачи, которым требуются отдельные адресные пространства, связи между процессами ограничены, а переключение контекста от одного процесса к другому - дорогостоящая задача, выполняемая операционной системой. Потоки достаточно легковесны, они совместно используют одно и то же адресное пространство и совместно оперируют с одним и тем же тяжеловесным процессом, межпоточные связи недороги, а переключение контекста от одного потока к другому имеет низкую стоимость с точки зрения производительности.
