Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Концепция графоаналитического имитационного моделирования электрических сетей и систем электроснабжения 10
1.1. Классификация производственных задач в электрических сетях и системах электроснабжения 10
1.2. Виртуальный подход к имитационному моделированию СЭЭС 11
1.3. Основные положения описания СЭЭС с помощью теории множеств 15
1.4. Формирование виртуальных моделей для задач анализа электрических режимов СЭЭС 18
ГЛАВА 2. Численное моделирование электрического режима сээс 23
2.1. Методы построения табличных аналогов матричных операций при решении уравнений режимов систем электроснабжения 23
2.2. Построение виртуальной имитационной модели электрического режима СЭЭС с помощью метода сопряжённых градиентов 26
2.3. Применение табличного метода в расчетах установившихся режимов СЭЭС 37
ГЛАВА 3. Моделирование дискретных моделей электрических сетей 46
3.1. Классификация моделей, используемых при тренажерной подготовке персонала 46
3.2. Методология формирования коммутационных моделей систем электроснабжения на основе их графических схемных представлений 63
3.3. Анализ и выбор алгоритма построения коммутационной модели режима сети 66
ГЛАВА 4. Реализация объектной модели графоаналити ческой системы 98
4.1. Требования к реализации объектно-ориентированной графической
4.2. Методы, алгоритмы и сравнительные характеристики быстродействия реализации языка объектных запросов
4.3. Вопросы идентификации в графоаналитической модели 114
4.4. Методика полуавтоматической расстановки диспетчерских наименований на схеме энергообъекта 120
ГЛАВА 5. Унификация семантического описания имитационных моделей систем электроснабжения на основе их графических представлений 133
5.1. Принципы семантического описания имитационных моделей систем электроснабжения 133
5.2. Использование формата XML для обмена моделями в электроэнергетике. 140
5.3. Модификация СІМ - модели для использования в системах электроснабжения 153
ГЛАВА 6. Архитектура программного комплекса 170
6.1. Обоснование необходимости декомпозиции задач имитационного моделирования систем электроснабжения 170
6.2. Модульная архитектура и адаптивные решения программных комплексов для конкретных систем электроснабжения 173
6.3. Программная реализация инфраструктуры комплекса на основе платинной архитектуры 174
6.4. Принципы построения интегрированного коммутационно-режимного тренажера 179
Выводы 189
Список литературы 190
- Формирование виртуальных моделей для задач анализа электрических режимов СЭЭС
- Построение виртуальной имитационной модели электрического режима СЭЭС с помощью метода сопряжённых градиентов
- Анализ и выбор алгоритма построения коммутационной модели режима сети
- Принципы семантического описания имитационных моделей систем электроснабжения
Введение к работе
1. Актуальность темы. В настоящее время основные аспекты управленческой деятельности в сетевых предприятиях и системах энергоснабжения (СЭЭС) сформированы в едином информационном пространстве: оперативное и диспетчерское управление режимами, составление и выполнение планов производственно-хозяйственной деятельности (включая снабжение, сбыт, ведение договоров, обслуживание и ремонт электрооборудования и т.д.), планирование ресурсов (финансовых, человеческих, материальных), все виды учета, анализа результатов работы предприятия и др.
Для успешного решения этих задач необходимо построение, наполнение данными и поддержание в работоспособном состоянии обобщённой виртуальной информационно-имитационной модели СЭЭС, основанной на следующих средствах и решениях:
отображение схем с учетом их состояния;
возможность доступа пользователя к данным объектов на схеме;
создание баз данных оборудования;
решение технологических задач качественного или количественного анализа состояния СЭЭС.
Названные средства и решения широко используются в следующих классах технологического программного обеспечения (ПО):
ПО расчета установившихся и переходных режимов СЭЭС и связанных с ними задач (баланс, потери мощности и электроэнергии, короткие замыкания (к.з), устойчивость, самозапуск электродвигателей, выбор условий и проверка работы релейной защиты и автоматики и т.д.);
системах электронного документооборота и проектирования;
системах диспетчеризации, оперативно-информационных комплексах (ОИК);
ПО ведения диспетчером мнемосхемы и электронного журнала;
тренажерах (коммутационных, режимных);
справочно-информационных комплексах (паспортизация);
советчиках диспетчера и др.
Все более широкое применение находят интегрированные программные комплексы, совмещающие несколько из вышеперечисленных функций в одной среде работы пользователя.
В диссертационной работе системный научный подход к этим задачам с учётом технических, методологических, организационных, экономических и информационных аспектов опирается на современные принципы имитационного моделирования СЭЭС. Сказанное выше определяет научную актуальность темы диссертационной работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-технической программы СамГТУ "Энергосбережение и управление энергоэффективностью" на 2001-2005 гг. (Решение ученого совета от 30.03.01, протокол №7) в рамках основных направлений программы "Энергосбережение" Минобразования России до 2005 г.
2. Цель работы и задачи исследований - разработка положений, методологии построения, создание и внедрение систем имитационного моделирования на базе виртуальной графики для обеспечения информацией задач управления и анализа режимов СЭЭС, имеющих многокомпонентную структуру. Для реализации этой цели в настоящей работе решаются следующие научные и технические задачи.
Научные задачи
Построение виртуальных имитационных моделей, соответствующих исследуемому состоянию и электрическому режиму СЭЭС по графическим представлениям и связанной с ними технической документацией с помощью табличных топологических и информационных (в виде упорядоченных наборов данных) аналогов.
Теоретическое обоснование табличных методов, использующих виртуальные модели в виде топологических таблиц и паспортов оборудования для решения широкого круга технологических задач анализа, управления и отображения режимов СЭЭС.
Разработка концепции набора моделей для системной подготовки персонала СЭЭС с помощью эксплуатационных и диспетчерских тренажеров. Технические задачи
Разработка и реализация методики параметризации виртуальных графических моделей для представления информации о режимах СЭЭС, полученных расчётным путём, либо с помощью систем телемеханики (в режиме реального времени), а также средств учета и контроля текущего состояния и электропотребления.
Построение единой графической среды для имитационного моделирования электротехнических комплексов и СЭЭС с учетом многоцелевого использования информационных, коммутационных и расчетных моделей.
Разработка методики отображения состояния СЭЭС и использования графической системы как средства доступа к данным технологических моделей.
3. Основные методы научных исследований. Научные исследования в
диссертационной работе основаны на теориях топологического анализа, мно
жеств, многомерных пространств и направленных графов, имитационного и
графоаналитического моделирования режимов для изменяющихся квазиста
ционарных состояний СЭЭС и др. Оценка корректности ^моделирования путем
сравнения с результатами, полученными по данным эксплуатации СЭЭС, с по
мощью измерений, экспериментов и комплексных тестов работы моделей.
4. Основные положения, выносимые на защиту.
Концепция автоматизированного построения многоуровневой виртуальной модели структуры электрической сети.
Методы анализа режимов СЭЭС, позволяющие получать параметры режимов непосредственно по табличным моделям, построенным по графическим представлениям схем СЭЭС.
Набор моделей, использующих табличное представление топологии сети (коммутационная, диспетчерская, геоинформационная, проектная, модель РЗиПА, телемеханическая, технико-экономическая, организационная и др.) и основанных на ней экспертных задач (определение технологических пара-
7 метров и технико-экономических характеристик, проверка правильности переключений, автоматизированное составление бланков переключений), удовлетворяющих требованиям предприятий СЭЭС.
Создание открытой программной архитектуры доступа к данным, связанным с объектами схемы (в т.ч. паспортной, телемеханической, эксплуатационной и др. информации).
Построение и реализация информационно - аналитических и тренажерных комплексов (ИАК и ТК) для СЭЭС.
5. Научная новизна работы определяется следующими результатами вы
полненных исследований.
Разработана методика преобразования схемного представления СЭЭС в графоаналитические табличные представления с сохранением возможности обратного отображения на основе предложенного топологического метода условных потенциалов.
Адаптированы известные методы анализа режимов СЭЭС (установившихся режимов и коротких замыканий) в соответствии с положением о получении значений параметров режимов непосредственно по табличным структурам, являющимися виртуальным отображением СЭЭС и их расчетных схем замещения.
Разработаны принципы виртуального ситуационного моделирования при создании имитационных моделей для тренажеров оперативного персонала СЭЭС.
Предложена концепция доступа к данным по объектам СЭЭС и топологическим моделям в виде открытой программной архитектуры.
6. Практическая ценность работы. Разработаны и доведены до широкого
внедрения следующие разработки:
Система подготовки топологических моделей на основе библиотеки графических элементов СЭЭС.
Полнофункциональная графическая система имитационного моделирования, в которой обеспечена возможность многократного использования подготовленных данных в различных информационных системах.
Платформа интеграции с разнообразными информационными системами, функционирующими в составе АСУ предприятий электрических сетей и систем электроснабжения (базы данных (БД) телемеханики - ОИК, паспортизации, энергосбыта, заявок и др.).
ИАК и ТК для СЭЭС, прошедшие независимую сертификацию.
7. Реализация в промышленности, проектной практике, учебном про
цессе и внедрение результатов.
Результаты представленной диссертационной работы реализованы в ряде проектов, выполненных за последние 10 лет под руководством и при непосредственном участии автора на большом числе предприятий СЭЭС. В частности, за 2004-2005 г.г. они реализованы на Новокуйбышевском и Рязанском нефтеперерабатывающих и Чепецком механическом заводах, Магнитогорском металлургическом комбинате; в 5 ПЭС ОАО «Самараэнерго», а также в Пятигорских, Ханты-Мансийских, Брянских и Липецких городских электрических сетях и др.
Кроме того, реализованы системы отображения и ведения мнемосхемы на экране коллективного пользования (ЭКП) диспетчерского пункта АО «Мосэнерго», комплект подстанционных тренажеров для Восточных сетей АО «Мосэнерго» и др. Пользователями графической системы «МОДУС», у которых проведена инсталляция программного обеспечения, являются более 2000 предприятий и организаций.
Материалы диссертационной работы, изложенные в публикациях [1-8] автором лично и в соавторстве, используются в учебном процессе Самарского государственного технического университета, Самарской академии путей сообщения и Санкт-Петербургского энергетического института повышения квалификации, в учебных центрах Красноярскэнерго, Сибнефтепровод, в Московском центре подготовки кадров Мосэнерго и др.
8. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и реко
мендаций, а также практических выводов и программных продуктов базируется
на корректном применении математических методов топологии, теории графов
и подтверждается адекватным поведением моделей по сравнению с процессами
на реальных энергообъектах, а также результатами измерений в многочисленных проектах внедрения графического редактора "Модус", тренажера по оперативным переключениям, ИАК "ПЕГАС" и др.
9. Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и
обсуждались на: семинарах по программным продуктам фирмы «Модус» (еже
годно, начиная с 1995 г.); «Современные средства телемеханики, организации
рабочих мест и щитов управления» (ВНИИЭ, г. Москва) (ежегодно, начиная с
2000 г.); Международной конференции «Нормирование, анализ и снижение по
терь электроэнергии в электрических сетях - 2004» (ВНИИЭ); V Международ
ной научно-технической конференции "Эффективность и качество электро
снабжения промышленных предприятий", г. Мариуполь, 2005 г., XI Междуна
родной научно-технической конференции "Радиотехника, электротехника и
энергетика", МЭИ(ТУ), г. Москва, 2005.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 научных работ (2 личных), зарегистрировано 5 программных продуктов, тренажер по оперативным переключениям имеет «Сертификат Соответствия нормам годности средств подготовки оперативного персонала в энергетике», ИАК «ПЕГАС» прошёл независимую экспертизу и сертификацию в системе ГОСТ Р Госстандарта России.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 158 страниц. Библиография включает 94 наименования.
Формирование виртуальных моделей для задач анализа электрических режимов СЭЭС
Рассмотрим процессы формирования виртуальных моделей на примере наиболее известных задач анализа электрических режимов СЭЭС.
В них широко используются условные графические изображения элементов СЭЭС, которые виртуально объединяются в изображения, максимально близкие к обычным диспетчерским схемам (ДС). При последовательном построении изображения ДС с помощью графического редактора [1] параллельно создается ее цифровой аналог в виде таблиц соединений ТС, которые представляют собой топологическое множество, являющееся виртуальной имитационной моделью полного множества М Таблицы ТС являются базовыми множествами, поскольку включают в себя вспомогательные элементы, не участвующие в дальнейшем в формировании расчетной виртуальной модели - схемы замещения (СЗ). При этом СЗ в современных условиях является промежуточным виртуальным результатом, в отличие от классических способов моделирования СЭЭС. Техника формирования СЗ включает в себя реализацию операции разности и объединения множеств:
СЗ = ТС\ТКО\ТИО\ТЗО\ТУАО[)Д (141)
В этих выражениях символьные обозначения ТКО, ТИО, ТЗО, ТУ АО - соответствуют табличным виртуальным представлениям элементов СЭЭС (соответствующие введенным выше множествам КО, ИО, ЗО, У АО), непосредственно не участвующих в СЗ. Специфическое исключение составляют коммутационные аппараты, которые создают или разрыв (имитация двумя раздельными узлами), или соединение (объединение двух узлов с исключением одного из СЗ). В первом случае в задачах анализа режимов СЭЭС возникает вопрос об определении тока или потока мощности через коммутационный аппарат, поскольку в схеме замещения он имитируется ветвью с нулевым сопротивлением. Поскольку обычные методы определения параметров режимов в этом случае неприменимы, необходимый результат можно получить раздельным суммированием по первому закону Кирхгофа для узлов такой ветви.
Первой характерной особенностью формирования множества расчётной схемы замещения СЗ (1.4.1) является дополнение разностных операций, исключающих из множества соединяемого оборудования ТС элементы, не участвующие непосредственно в расчёте электрического режима (так как их продольные или поперечные параметры не являются в этих случаях определяющими). Вторая характерная особенность определяется операцией объединения с множеством данных Д, которое формирует параметры или содержит их непосредственно.
Таким образом, на основе приведенного выше теоретико-множественного виртуального представления СЭЭС можно построить расчетные табличные структуры, наиболее применимые для высказанной выше концепции создания имитационных моделей - получение результатов анализа режимов без составления уравнений режимов, непосредственно по соответствующим таблицам. Табличный метод описания электрической схемы заключается в представлении информации о схеме сети в виде списковых (реестровых) структур, основными из которых являются таблицы:
узловых соединений (7 ,);
узловых характеристик (7 );
контурных характеристик I и II рода (T i, Т У,
взаимных индуктивных и емкостных связей (ТМ, ТС).
Таблицы Ту и Тух используются при анализе режимов в узловой форме, 7 / и Ткх2 - в контурной. Они являются однозначным представлением СЭЭС и содержат всю информацию, необходимую для анализа режимов в узловой форме. При построении этих таблиц используется объединение множеств СЗ и Д, связывающее топологическую информацию с данными, позволяющими определить параметры 77 расчётных схем замещения.
В таблице Ту {Н, К, 77} построчно приводится информация обо всех ветвях электрической схемы. Каждая /-я строка Ту имеет вид (77}, Kh Щ, где 77/, 7Г, - название (номер) узла начала и конца і-й ветви соответственно; 77, - совокупность параметров і-й ветви. Содержание структуры 77 зависит от способа описания ветви схемы замещения. Например, при использовании продольной схемы 77 будет содержать марки оборудования и его общие данные (например, длина ЛЭП), по которым могут быть определены активные и реактивные сопротивления, проводимости и другие параметры. Отметим, что таблица Ту строится непосредственно самим редактором "МОДУС" при формировании графического изображения схемы с помощью графического редактора. В дальнейшем при решении технологических задач доступ к таблице предоставляется с помощью программной компоненты ActivesXeme, разработка и реализация которой является одним из основных научных результатов работы [1]. В процессе реализации конкретных задач таблица Ту дополняется параметрами в виде проводимостей или сопротивлений (в общем случае в комплексной форме). В [4] показано, что результаты расчета режима к.з. могут быть получены непосредственно по таблице Ту без формирования уравнений по методу узловых напряжений.
Таблица Тух показывает все связи конкретного узла со всеми остальными узлами. Таблица Тух состоит из пакетов узловых характеристик, каждый из которых представляет собой совокупность узловых характеристик всех ветвей, сходящихся в данном узле. Каждый элемент узлового пакета р-то узла имеет вид (L, q), где L - номер ветви, связывающей узлы р и q; q - номер противоположного узла. Длина таблицы Т равна удвоенному числу ветвей схемы.
Фактически пакет узловых характеристик - это упакованное отображение ненулевых элементов строки матрицы узловых проводимостей Y, которая для большинства задач анализа режимов является комплексной. Каждая характеристика является взаимным элементом в данной строке. Собственные элементы матрицы образуются как сумма проводимостей всех ветвей узлового пакета.
В [13] показано, что результаты расчета установившегося режима СЭЭС могут быть получены с использованием итерационных процедур метода Гаусса-Зейделя и градиентного метода непосредственно по таблице Тух без формирования соответствующих уравнений.
С помощью таблиц Ту и Тух при виртуальном имитационном моделировании СЭЭС решается также ряд вспомогательных топологических задач, таких как:
определение состава элементов сети, участвующих и не участвующих в конкретном электрическом режиме;
построение деревьев, графов электрических схем с заданными свойствами;
определение разомкнутых и замкнутых (контуров) путей в графах электрических схем и построение систем независимых контуров.
Построение виртуальной имитационной модели электрического режима СЭЭС с помощью метода сопряжённых градиентов
Одной из важнейших особенностей анализа электрических сетей в имитационном моделировании является слабая заполненность матриц сопротивлений и проводимостей в уравнениях электрического равновесия для тока в нормальных режимах и в переходных процессах.
Общее количество N ненулевых элементов, например, в матрице узловых проводимостей для схемы, состоящей из п независимых узлов и т ветвей, может быть определено в виде
N = n +2-(т-т0) (2.2.1)
где п — число диагональных элементов, которое при последовательной нумерации равно числу узлов схемы; 2 ( т - т0) — число внедиагональных элементов, определяемых ветвями, соединяющими независимые узлы; базисный узел (заземленный узел, узел нулевого потенциала) обозначен номером 0; тО — число ветвей, соединяющих независимые узлы с базисным.
Для СЭЭС в большинстве случаев т/п = 1,5 + 2,5 и/ко ОДт, следовательно N=3,7 + 5,5n (2.2.2) что для схемы с числом узлов п = 1000 дает 0,37 + 0,55% ненулевых элементов от общего числа элементов матрицы проводимостей. Анализ заполнения матриц контурных сопротивлений приводит к аналогичным результатам.
Рассмотрим применение метода сопряженных градиентов (МСГ) при решении задач имитационного моделирования СЭЭС и построения виртуальных моделей электрических режимов [4,10].
Ограничившись вначале для простоты рассуждений случаем, когда параметры сети заданы вещественными числами, например, при расчёте токов к.з в чисто реактивной схеме, запишем уравнения режима, используя метод узловых напряжений:
YxU = I, (2.2.3)
где Y — вещественная матрица реактивных проводимостей; U и I — соответствующие вещественные вектора узловых напряжений и токов. Базисный узел (заземленный узел, узел нулевого потенциала) обозначен номером 0. Обозначение Y выбрано для удобства дальнейшего изложения. В выражении (2.2.3) по существу Y = В, где В - вещественная матрица чисто реактивных проводимостей цепи. Составляющие вектора / определяются известным выражением в котором суммирование проводится по всем / ветвям, сходящимся в узле к и имеющим источники напряжения Ец. Кроме того, необходимо добавить сумму токов jo к источников токов, связанных с этим узлом.
Задавая начальное приближение вектору узловых напряжений U - Uo определим невязку и вспомогательный вектор Здесь следует заметить, что МСГ - уникальный метод решения систем линейных алгебраических уравнений. Несмотря на итерационную структуру построения алгоритма, он, по существу, является конечным, точным методом [4, 10], так как при отсутствии погрешностей выполнения арифметических действий, он дает точное решение за конечное число шагов при любом начальном приближении.
Практически при реализации МСГ на ЭВМ, которые по принципу своего устройства имеют ограниченную разрядную сетку, для уменьшения погрешностей и сокращения времени работы процедуры, целесообразно строить вектор начальных приближений в соответствии с физическим смыслом задачи.
Например, при расчете токов коротких замыканий в электрических сетях можно задавать во всех узлах, не связанных с узлом короткого замыкания, номинальное фазное напряжение сети, в остальных — нулевые значения. При массовых расчетах, связанных с анализом так называемых подрежимов к основному режиму, когда изменение схемы от расчета к расчету незначительно, в качестве начального приближения можно использовать результаты предыдущего расчета.
МСГ формируется [10] итерационной по форме, но конечной по существу последовательностью операций. На каждом і-том шаге алгоритма выполняются следующие действия. 1. Вычисляется скалярный коэффициент {S„Y.S,y здесь выражения, стоящие в скобках в числителе и знаменателе, — скалярные произведения векторов; Y-S — произведение матрицы 7 на вектор S.
Далее операции повторяются с п. 1 до тех пор, пока число шагов не станет равным порядку системы / = п, что теоретически [10] является окончанием процесса решения и подтверждается практическими вычислительными экспериментами по решению задач анализа режимов электрических сетей. Положительная особенность этих задач заключается в преобладающем значении в основных матрицах главной диагонали, т. е. матрицы, как правило, хорошо обусловлены. Это приводит к тому, что для решения названных задач чаще всего требуется гораздо меньше п шагов, и это наиболее характерно для больших п.
Для особых случаев с плохо обусловленными матрицами в справочном руководстве [11] рекомендуется увеличить число шагов до 2—5 п. В случаях, когда условие (2.2.10) не выполняется при і 5 п, решение с помощью МСГ, по-видимому, невозможно.
Векторы г, в алгоритме МСГ вычисляются рекуррентно в соответствии с выражением (2.2.8), в котором возможно накопление погрешностей, что может быть установлено вычислением истинной невязки rt по выражению (2.2.5), где вместо Uo должно быть подставлено Ut. Такое сравнение невязок рекомендуется повторять через л/и шагов [11].
Анализ выражений (2.2.6—2.2.11) показывает, что основными вычислительными операциями здесь являются:
а) умножение матрицы на вектор Y-Si_, с числом операций Ъп ;
б) два скалярных произведения векторов (г,-, г,) и ( YSi), с числом операций 2-2«
в) три умножения скаляра на вектор с числом операций 3-я;
г) три сложения вычитания векторов с числом операций 3-я.
Основные затраты времени — в организации произведения матрицы на вектор, которое является, по существу, единственной матричной операцией в алгоритме МСГ. Учитывая рекомендации [11] по организации процедуры умножения YSi используем задание информации о схеме с помощью таблицы, где для каждой ветви задаются ограничивающие ее узлы Ни К и параметры ветви.
Анализ и выбор алгоритма построения коммутационной модели режима сети
При построении коммутационной модели используется следующая терминология:
Электрическим узлом называется участок схемы, все элементы которого соединены друг с другом и находятся под одинаковым напряжением.
Цепь — это группа электрических узлов, объединенных силовыми элементами: линиями воздушными и кабельными, трансформаторами и др.
Совокупность узлов и цепей описывают текущее состояние схемы.
В случае многоуровневой схемы, которая может состоять из контейнеров, либо отдельных страниц, на которых располагаются участки схемы, соответствующие структурным единицам, например, подстанциям, на каждом уровне существует свое состояние схемы.
В каждый момент времени, топологически связанные между собой схемы имеют согласованное состояние. Соответствующее совокупное состояние в определенный момент времени называется срезом.
При использовании системы в промышленных масштабах объем данных, которые необходимо моделировать в коммутационной модели, возрастает. Так, например, для моделирования состояния городской сети может понадобиться рас считать коммутационную схему, в которой содержится порядка 3-4 тыс. трансформаторных подстанций и распределительных пунктов (ТП и РП), общим объемом порядка 50 тыс. коммутационных аппаратов. Необходимо учитывать не только большой объем моделируемых данных, но и сложность их подготовки и достоверизации. Последний аспект, как показывает практика, возможно учесть лишь с использованием декомпозиции при подготовке данных, путем реализации многоуровневого представления схем объектов СЭЭС.
Для такого случая разработан механизм иерархического представления схем, когда на верхнем уровне расположена схема сети электроснабжения, включающая обозначения энергообъектов и соединяющих их воздушных и кабельных линий, а на нижнем уровне - подробные схемы энергообъектов. Привязка схем разных уровней производится с помощью назначения одинаковых идентификаторов соответствующих друг другу графических элементов на разных схемах. При обработке коммутационной модели в многоуровневом представлении требуется решить вопросы, связанные со стратегией загрузки данных, связанных с моделированием сети электроснабжения.
Ставится задача ускорения алгоритма построения модели режима электрической сети за счет сборки этой модели из готовых фрагментов и использования заранее заготовленных фрагментов, а также данных, полученных из предыдущего шага моделирования.
Возможны два варианта разбиения модели на фрагменты:
на модели подстанций и модель объединяющей их схемы сети (2 уровня);
на модели контейнеров (неограниченное число уровней, "рекурсивно вглубь")
Кроме этого, построение совокупной модели сети может производиться:
в плоской структуре данных, описывающей все элементы сети;
в виде совокупности моделей отдельных фрагментов, между которыми выполняется операция "согласования".
Соответственно, необходимо произвести обоснованный выбор между 4 алгоритмами:
1-а: плоская модель, разбиение на подстанции;
1-6: плоская модель, разбиение на контейнеры;
П-а: отдельные взаимодействующие модели, разбиение на подстанции;
П-б: отдельные взаимодействующие модели, разбиение на контейнеры; Далее приводятся краткие описания этих четырех алгоритмов, выполняются оценки сверху временной сложности алгоритмов и обосновывается выбор наилучшего алгоритма.
Также анализируется сложность текущей реализации алгоритма в коммутационной модели программного комплекса «Модус» и приводятся предложения по его модернизации. 3.3.3. Термины и определения.
Узел (топологический) - постоянное, не зависящее от положения коммутационных аппаратов (КА), соединение. (Fnodes в существующей структуре данных). В узел входят коннекторы элементов и элементы с нулевым сопротивлением
Зона ( электрический узел ) - эквипотенциаль, совокупность узлов (в частности, один узел), соединенных замкнутыми КА. (Fzones)
Цепь — зоны, соединенные активными элементами. (Fchains).
Интерфейс (подсхемы, контейнера) - совокупность портов подсхемы, контейнера, через которые контейнер связывается с объемлющим контейнером. Учитываются только задействованные порты.
Ниже используются следующие обозначения: j - пробегает номера контейнеров; J - количество подстанций (контейнеров 2-го уровня); 7 - количество контейнеров. Считаем, что j=0 - номер схемы сети; 1 = j = J - номера схем подстанций; J j = 7 - номера вложенных контейнеров; Cj - схема или контейнер с номером j.
Факт, что контейнер Cj непосредственно вложен в контейнер Ск, будем обозначать как С j Ск. Факт, что контейнер Cj транзитивно вложен в контейнер Ск,
будем обозначать как С, «Ск. (Cj «Ck 3Ch,Ch,...,C]m :Cj Ch Ch ... CJm Ck.).
Также обозначим : ow(j) - номер контейнера, объемлющего контейнер с номером j (Сj CowU)); nij - количество (задействованных) портов контейнера CJ;
nj - количество топологических узлов в схеме контейнера Cj, без учета топологических узлов вложенных контейнеров; Я"у - количество топологических узлов
в схеме контейнера Cj, с учетом топологических узлов вложенных контейнеров, п} =rtj+ пк; п - суммарное количество топологических узлов, п = п0 = пк.
k:Ck-(- Cj )Я .) .1 JIM,- - локальная (несогласованная) модель для подстанции или контейнера Cj, CMj - согласованная модель (используется в алгоритмах П-а, б); JIMj , CMj -соответствующие модели после учета возмущения, внесенного переключением одного коммутационного аппарата; СМ, СМ - плоская объединенная модель и она же после учета возмущения (используется в алгоритмах 1-а, б).
Принципы семантического описания имитационных моделей систем электроснабжения
Для управления системами электроснабжения различного уровня необходимо располагать информацией о прилегающих энергосистемах и системах электроснабжения. Существующие стандарты моделирования энергосистем как в России, так и до недавнего времени в США, были ориентированы на модели в терминах узлов / ветвей (например, в России подобный формат известен как «Формат ЦДУ»). К сожалению, такие модели рассчитаны только на задачи расчета режима и упускают из виду многие подробности, необходимые для задач диспетчерского управления, тренажеростроения и других задач эксплуатации. Для того, чтобы обеспечить задачи диспетчеризации, такие модели должны, как минимум, формулироваться в терминах узлов / коммутационных аппаратов (то есть оборудования). В современных условиях, обмен схемами между диспетчерскими службами различных предприятий электроснабжения осуществляется в бумажном или электронном виде. Схемы в электронном виде обычно передаются в форматах AutoCAD, Визио, Модус, Топаз, а также в различных графических форматах общего назначения (GIF, JPEG, WMF), либо (реже) в форматах других устаревших импортных CAD - систем или форматов схем отечественных разработок.
К сожалению, все вышеперечисленные форматы, за исключением формата Модус, не позволяют вести автоматизированную обработку с учетом их семантических моделей из-за того, что даже при наличии потенциала для стандартизации в некоторых системах (Визио, Топаз), сама стандартизация пока невозможна из-за того, что не стандартизованы используемые при подготовке схем библиотеки элементов и правила их использования.
Предприятиям электроэнергетики необходимы стандарты, позволяющие описывать в виде моделей различную технологическую информацию, в основном связанную со схемами. Создание такого стандарта определяет дальнейшее формирование среды моделирования и информационного обмена для задач диспетчерского управления. Спецификация EPRI СІМ описывает ключевые аспекты XML и СІМ, рассматривая их как основу создания прототипов файлов обмена данными в электроэнергетике, в целях дальнейшего использования в виде безбумажной технологии.
Предприятия электроэнергетики давно испытывают необходимость создания стандартов, позволяющих описывать в виде моделей различную технологическую информацию, в основном связанную со схемами. Создание такого стандарта будет способствовать созданию среды моделирования и информационного обмена для задач диспетчерского управления и других технологических задач в электроэнергетике, в том числе планирования режимов, ремонтов и производства переключений. Для достоверного анализа, должна моделироваться не только собственная система электроснабжения предприятия, но и прилегающие участки энергосистем.
Поскольку модели могут быть очень объемными, для решения некоторых задач (таких, как расчет режима) можно использовать их упрощенное представление. Такие элементы модели, как оборудование телемеханики или РЗиА, также могут быть опущены.
Напротив, информация, необходимая для осуществления диспетчерского управления в реальном времени, требует намного большей детальности описания коммутационного оборудования и состояния схемы. Эти модели должны включать секции шин, подстанции, выключатели, данные ТИ / ТС и т.п.. Такая модель обычно называется коммутационной моделью. Коммутационную модель можно построить на основе первичной схемы энергообъекта. Для ее описания за рубежом используются модели IEEE, WSCC, или форматы разработчиков SCADA (например, РТІ PSS/E). И в коммутационные модели, и в модели узлов / ветвей добавляется описание окружения моделируемого объекта. Такие описания обычно готовятся вручную технологами.
С отменой государственного контроля за электроэнергетикой в США обострился вопрос об открытых протоколах обмена информацией о состоянии сети. Для обеспечения эффективного осуществления передачи электроэнергии и более надежного проведения переключений в ряде стран были созданы независимые системные операторы и сетевые компании (в частности, в США ISO -Independent System Operators и RTO - Regional Transmission Organizations).
Эти организации обеспечивают безопасное и надежное функционирование системы электроснабжения, для чего необходимо поддерживать их актуальные модели. Для осуществления такой поддержки они должны регулярно обмениваться детализированными коммутационными моделями с подведомственными компаниями. Предприятия с аналогичными функциями организованы в настоящее время в России по руководством РАО ЕЭС.
Одной из тенденций, в соответствие со стандартом модели ISO/RTO, для разработчиков SCAD А является разработка конверторов, используемых программных продуктах моделей, в общий формат, позволяющий строить из фрагментов объединенную модель ЕЭС. Такой подход требует ручной доработки импортируемых данных, поэтому трудозатраты на поддержание единой модели продолжают оставаться высокими.
Параллельно с этой спецификацией в международных стандартах (IEC ТС57 WG13 on EMS API) в рамках программы EPRI CCAPI предлагается [22] спецификация интерфейса, облегчающего взаимодействие программного обеспечения поставщиков электроэнергии. Наиболее важным результатом в этом направлении можно считать Общую Информационную Модель (Common Information model, СІМ), которая ориентирована на использование диспетчерскими службами предприятий. Эта модель оперирует коммутационным представлением схемы и операций в ней.
NERC формулирует требования к форматам обмена данными, позиционируя СІМ как стандарт для моделирования операций, не привязанный к кому-либо поставщику программного комплекса. Необходимо учитывать, что СІМ является абстрактной моделью, не являясь спецификацией структуры базы данных моделирования или обменным форматом.
Доминирующей технологией для кодирования формализованных структурированных документов в современных программных приложениях является язык разметки XML, разработанный World Wide Web Consortium (W3C) и стандартизированный в соответствии с его рекомендацией [90].
В настоящее время XML представляет собой общепринятый стандарт обмена данными уровня документа в Интернете и в пределах многих корпоративных сетей. В результате NERC предложил, а Рабочая группа по Обмену Данными приняла общий обменный формат, основанный на определении данных СІМ и XML. Кроме того, открытый обменный формат СІМ XML стандартизован в Международной Электротехнической Комиссией [МЭК 93168, 93170], поддерживается и реализуется основными поставщиками автоматизированных систем управления электроэнергетикой за рубежом и в России.
В работе СІМ XML используется в качестве базовой языковой платформы. Кроме того, определены его связи и соотношения с другими основанными на XML языками и другими основанными на СІМ стандартами.
