Введение к работе
Актуальность темы. В электроэнергетических системах (ЭЭС) устанавливаются показатели и нормы качества электрической энергии в электрических сетях общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц в точках, к которым присоединяются электрические сети, находящиеся в собственности различных потребителей электрической энергии, или приёмники электрической энергии (точки общего присоединения). При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость (ЭМС) электрических сетей общего назначения и электрических сетей потребителей электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97. Это необходимо для повышения технико-экономических показателей различных промышленных производств, требуемого качества выпускаемой ими продукции, охраны окружающей среды и защиты жизни и здоровья граждан.
Конструктивное научное направление решения проблем ЭМС технических средств в региональных ЭЭС развито и изложено в работах Л.А. Мелентьева, Ю.Н. Астахова, И.В. Жежеленко, Э.Г. Куренного, В.З. Манусова, В.Г. Сальникова, В.А. Строева и др.
Однако проблема ЭМС, обусловленная взаимодействием процессов производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии различными приёмниками, в том числе и взаимодействием случайных процессов такого рода, достаточно многогранна и постоянно развивается, поэтому решены не все научные задачи ЭМС, связанные с особенностями электрических сетей и режимами работы нагрузок.
В частности, отсутствует стохастический анализ функциональной устойчивости ЭЭС. Термин «функциональная устойчивость», введенный в работах Л.А. Мелентьева, подразумевает, что ЭЭС считается функционально устойчивой, если при заданной сколь угодно малой области a в пространстве показателей качества функционирования, можно указать такую область b в пространстве параметров ЭЭС, что при нахождении вектора параметров в любой точке области b вектор показателей качества функционирования не выйдет за пределы области a, в противном случае ЭЭС будет функционально неустойчивой. В определении функциональной устойчивости ЭЭС используется понятие «показатели качества функционирования» более широкое, чем понятие «показатели качества электроэнергии (ПКЭ)».
Решение задачи стохастического анализа функциональной устойчивости ЭЭС обеспечит получение новой и важной информации в области ЭМС технических средств и повышения эффективности режимов работы ЭЭС в целом.
Таким образом, изложенные соображения и аргументы указывают на актуальность выбранной темы диссертационной работы.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются ЭЭС и их режимы работы. Предметом исследования является функциональная
устойчивость ЭЭС в условиях возникновения случайных и хаотических процессов.
Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы университета. Работа выполнялась в соответствии: с научными направлениями технического комитета №77 Международной электротехнической комиссии (МЭК) «Электромагнитная совместимость электрооборудования, присоединённого к общей электрической сети»; с постановлением Правительства РФ №588 от 15.06.1998г. «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России»; с научной хоздоговорной комплексной темой «Разработка мероприятий по повышению надежности работы электрооборудования в условиях неопределённости исходной информации (раздел «Повышение уровней электромагнитной совместимости технических средств электроэнергетических систем») ГОУ ВПО ОмГТУ Гос. регистр. №0651 и «Планов развития научных исследований на 2009-2012гг. ГОУ ВПО ОмГТУ» (раздел 1.15 «Разработка мероприятий и технологий по модернизации систем электроснабжения России»).
Целью диссертационной работы является стохастический анализ функциональной устойчивости в условиях возникновения случайных и хаотических режимов в ЭЭС для реализации надежного и экономичного производства электроэнергии, её транспортировки и снабжения потребителей электроэнергией в необходимом количестве и требуемого качества.
Методы исследований. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов теоретических основ электротехники, теории случайных функций, теории больших систем электроэнергетики, теории системного анализа, вычислительной математики, прикладного пакета программ для инженерных и научных расчетов в среде Windows «Maple», «Mathcad», системы схемотехнического моделирования «Micro-Cap».
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих взаимоувязанных научно-технических задач:
-
Обзор имеющихся методов и средств анализа функциональной устойчивости режимов работы ЭЭС.
-
Математическое и компьютерное моделирование случайных и хаотических процессов в ЭЭС.
-
Разработка методов стохастического анализа функциональной устойчивости ЭЭС.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработаны способы исследования функциональной устойчивости ЭЭС: уравнение диффузии плотностей вероятностей переменных состояния на базе уравнений состояний ЭЭС, записанных в канонической форме, и уравнение Риккати относительно нормированной матрицы корреляционных моментов переменных состояния.
Проведено исследование чувствительности переменных состояния в окрестности бифуркационных значений параметров ЭЭС, что является
исходным пунктом для анализа функциональной устойчивости. Показано, что функциональная устойчивость по параметру Rs достигается в том случае, когда соответствующий корреляционный момент rij для i-ой и j-ой переменных состояния имеет локальный минимум. Отклонение значения бифуркационного параметра на 1% приводит к увеличению значения корреляционного момента функции чувствительности на 3-4,5%.
Обнаружены устойчивые и локализованные в пространстве состояний структуры плотностей вероятностей переменных состояния для различных типов «угрожающих аварией» режимов, связанных с нарушением функциональной устойчивости ЭЭС: «пик», «плато», «кратер» («вероятностная яма»).
Устойчивые локализованные структуры типа «пик» «консервируют» текущую энтропию и, следовательно, показатели качества функционирования ЭЭС в нормированном интервале возможных значений, что способствует функциональной устойчивости ЭЭС. Для устойчивых структур типа «плато» и «кратер» отклонения начальных условий друг от друга на 2% в уравнении диффузии приводит к расхождению траекторий в фазовом пространстве уже на третьем цикле колебаний на 10%, что приводит к функциональной неустойчивости ЭЭС.
Выявлено, что в режиме детерминированного хаоса численные значения показателей качества функционирования в среднем ниже на 26%, чем в периодическом режиме, что приводит к функциональной неустойчивости и ухудшению энергетических показателей ЭЭС.
Практическая ценность.
Выявлены необходимые и достаточные условия, способствующие стабилизации ПКЭ в нормированных пределах и, следовательно, обеспечивающие функциональную устойчивость ЭЭС.
Разработан алгоритм определения функциональной устойчивости (неустойчивости) при возникновении случайных и хаотических колебаний переменных состояния ЭЭС.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Способы анализа функциональной устойчивости ЭЭС при возникновении случайных и хаотических процессов, происходящих в ЭЭС.
-
Обнаружение устойчивых структур в пространстве состояний ЭЭС, обеспечивающих самостабилизацию показателей качества функционирования ЭЭС в заданных пределах.
-
Предложены способы стабилизации случайных и хаотических колебаний в ЭЭС, не нарушающих функциональную устойчивость.
-
Результаты исследований основных свойств и особенностей функционирования ЭЭС в режиме детерминированного хаоса, связанные с задачей функциональной устойчивости.
Достоверность результатов подтверждается корректным применением необходимого математического аппарата; качественным совпадением и достаточной сходимостью результатов вычислительных экспериментов и результатов теоретического анализа; апробацией как предварительных, так и
окончательных результатов диссертационной работы. Реализация и внедрение результатов работы.
-
Алгоритм обнаружения функциональной неустойчивости применяется в системе электроснабжения каландров на промышленном предприятии ОАО «Омскшина».
-
Полученные результаты используются в учебном процессе ОмГТУ при подготовке инженеров по специальности «Электроснабжение».
Личный вклад. Основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, постановка задач, методология их решения, исследование функциональной устойчивости ЭЭС разработаны и получены автором самостоятельно.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии в промышленности» (Омск, 2008г.)
II Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии в промышленности» (Омск, 2009г.)
- Международной научно-технической конференции «Проблемы
электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (Тольятти, 2009г.)
- VII Международной научно-технической конференции «Динамика
систем, механизмов и машин» (Омск, 2009г.)
- Международной научно-практической конференции
«Энергоэффективность» (Омск, 2010г.)
Всероссийской научно-практической конференции «Высокочастотная связь и электромагнитная совместимость на линиях электропередачи» (Казань, 2010г.)
Международная научно-техническая конференция «Энергосбережение, энергоэффективность, экономика» (Омск, 2010г.)
Публикации.
Материалы диссертации опубликованы в 16 статьях, из них: 3 из списка рекомендованных ВАК РФ, 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.
Структура и объём работы. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные выводы по результатам научных исследований, список литературы и приложение. Общий объём составляет 166 страниц, в том числе 29 рисунков, 5 таблиц, 109 литературных источников.
