Разработка методики оптимизации проектирования структуры электротехнических систем с распределённой генерацией Леонов Евгений Николаевич

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Распределённая энергетика как перспектива развития электротехнических систем 12

1.1 Принцип организации электротехнических систем с распределнной генерацией 12

1.2 Технологии производства энергии в электротехнических системах с распределнной генерацией и их перспективы 15

1.3 Сетевая интеграция электротехнических систем с распределнной генераций .24

Выводы .27

Глава 2. Разработка методики оптимального проектирования структуры электротехнических систем с распределённой генерацией 30

2.1 Анализ состояния вопроса автоматизации проектирования и промышленного производства электротехнического оборудования.30

2.2 Постановка задач синтеза электротехнических систем .33

2.3 Специфика электротехнических систем с установками распределнной генерации как объектов схемотехнического проектирования .37

2.4 Задачи синтеза электротехнических систем .41

2.5 Исследование характера задачи оптимального синтеза электротехнических систем с установками распределнной генерации .54

Выводы .72

Глава 3. Процедуры выбора структуры и состава оборудования электротехнической системы с распределённой генерацией . 74

3.1 Детализация примников электрической энергии .74

3.2 Детализация источников электрической энергии 79

3.2.1 Выбор напряжения источника энергии 81

3.2.2 Выбор первичных источников энергии 86

3.2.3 Выбор трансформаторов на трансформаторных подстанциях 91

3.2.4 Определение места положения источников энергии 98

3.2.5 Выбор схем электрических соединений подстанций .103

3.3 Детализация электрических сетей .106

3.3.1 Алгоритм выбора проводников питающих сетей .107

3.3.2 Алгоритмы синтеза систем распределения электроэнергии 116

3.3.3 Алгоритмы выбора коммутационной и защитной аппаратуры распределительных сетей .119 Выводы .128

Глава 4. Взаимодействие между распределённой генерацией и энергосистемой: аспекты эксплуатации, управления и устойчивости 127

4.1 Режимы работы электротехнической системы с распределнной генерацией и их моделирование 127

4.2 Влияние распределнной генерацией на потери и качество электрической энергии 130

4.3 Влияние распределнной генерацией на значение токов короткого замыкания, устойчивость генераторов и релейную защиту 141

Выводы .148

Заключение .150 Библиографический список

• Технологии производства энергии в электротехнических системах с распределнной генерацией и их перспективы
• Постановка задач синтеза электротехнических систем
• Выбор трансформаторов на трансформаторных подстанциях
• Влияние распределнной генерацией на потери и качество электрической энергии

Введение к работе

Актуальность темы. Согласно прогнозу научно-технического развития России до 2030 г. в число среднесрочных и долгосрочных перспектив приоритетного направления «Энергоэффективность и энергосбережение» входят разработка новых методов математического моделирования, а также оптимизация перспективных энергетических технологий и систем. При этом одним из перспективных технологических изменений является внедрение интеллектуальных мини- и микросетей на базе распределённой генерации (РГ). Этот прогноз подтвердждает вхождение технологической платформы «Малая распределённая энергетика» в состав высоких технологий и инноваций, определённый Правительством Российской федерации в 2011 г.

Интеллектуальные системы энергообеспечения предполагают интеграцию различных видов энергоресурсов и объектов РГ с использованием интеллектуальных технологий мониторинга и управления режимами работы и оборудованием сложных энергосистем в режиме реального времени.

Распределённое производство электроэнергии является составной частью
электротехнических систем (ЭТС) будущего. Внедрение технологий РГ

подразумевает широкие структурные изменения, которые могут явиться новым этапом развития российской энергетики и обеспечить её устойчивое развитие. При этом актуальной задачей является создание методов и средств системного анализа перспективных энергетических технологий ЭТС с РГ, моделирование и оптимизация схем и параметров перспективных энергоустановок как элементов, обеспечивающих устойчивое развитие и функционирование ЭТС. Решением этой задачи является широкое применение в проектной практике методов и средств оптимизации проектирования, в том числе её автоматизация при помощи специализированных программных продуктов. В качестве предполагаемых результатов от внедрения современных методов проектирования и управления в ЭТС с РГ является качественное повышение надёжности, управляемости и эффективности этих ЭТС.

Степень разработанности проблемы. Доброкачественный и оптимальный по срокам процесс проектирования ЭТС с РГ с учётом современных требований к оптимальной структуре и составу оборудования обуславливает широкое использование новых информационных технологий:

систем конструкторского проектирования (Computer Aided Design, CAD);

систем проектирования технологических процессов (Computer Aided Manufacturing, CAM);

- систем расчётов и инженерного анализа (Computer Aided Engineering, CAE).
Информационная среда процесса принятия решения CAD/CAM/CAE систем

даёт возможность разработки многовариантной структуры ЭТС ещё на этапе концептуального проектирования. Также она позволяет интегрировать все стадии рабочего проектирования, моделировать и тестировать основные процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии, начиная с этапа эскизного проектирования и заканчивая сборкой компонентов и созданием прототипа отдельного предприятия.

Значительный вклад в создание и развитие технологий поддержки принятия проектных решений внесли видные отечественные учёные Н.Н. Моисеев, И.П. Норенков, Г.С. Поспелов, А.Н. Борисов, Б.Г. Ильясов, Ф.Р. Исмагилов, Г.Н. Зверев, В.П. Житников, Т.Г. Сорокер, Б.М. Каган, К.С. Демирчян, Д.А. Аветисян и

зарубежные ученые Б. Хокс, М. Грувер, Ж. Энкар, Х. Райффа, Р.Л. Кини, Л.О. Чуа, Пен-Мин Лин.

Основными используемыми в настоящее время средствами исследования вариантов построения сложных ЭТС, к которым относятся и ЭТС с РГ, являются их математическое моделирование с использованием универсальных и специализированных программных продуктов. При этом, несмотря на их разнообразие в настоящее время, все они не устраняют главного противоречия, основная суть которого в том, что детальное описание сложных структур и процессов в современных ЭТС приводит к математическим моделям чрезвычайно высокой размерности. Это значительно затрудняет процесс их проектирования и производства. Использование же упрощённых эквивалентных схем не обеспечивают такой уровень достоверности результатов моделирования, который позволил бы отказаться от дорогостоящих этапов макетирования и натурных испытаний.

В связи с этим исследования, направленные на повышение эффективности вычислительных процедур моделирования за счёт интеграции и оптимизации функций проектировщика и ЭВМ, сохраняют важное теоретическое и прикладное значение.

Связь работы с научными программами. Диссертационная работа выполнялась в ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет» в рамках госбюджетной НИР № 5-09-11 от 25.12.2010 г. код ГРНТИ 44.29.39 и 50.51.19 по теме «Использование средств САПР и компьютерного моделирования при проектировании систем электроснабжения объектов нефтегазового комплекса» с 01.01.2011 г. по 31.12.2016 г.

При выполнении указанной НИР для ЭТС с РГ разработаны методики и алгоритмы, реализованные в виде программ для ЭВМ, зарегистрированные в Федеральной службе по интеллектуальной собственности:

выбора оптимального напряжения передачи и распределения электроэнергии;

выбора трансформаторов на трансформаторных подстанциях;

определения места расположения первичных и вторичных источников энергии в ЭТС;

- выбор схем электрических соединений распределительных устройств ЭТС.
Целью работы является повышение эффективности проектирования структуры

и состава ЭТС с РГ за счёт установленных функциональных зависимостей путём разработки алгоритмического и программного обеспечения оптимизации проектируемой ЭТС с РГ.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

- провести анализ технологий РГ как перспективы развития ЭТС;

предложить методику оптимизации и повышения степени согласованности при проектировании структуры ЭТС с РГ;

разработать алгоритмы и программы декомпозиции полноразмерных универсальных математических моделей ЭТС с РГ, позволяющие упростить вычислительные процедуры;

разработать алгоритмическое и программное обеспечение для программно-аппаратного комплекса проектирования ЭТС с РГ и провести исследование взаимодействия между РГ и ЭТС.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является ЭТС с РГ. Предметом исследования является разработка методики выбора оптимальной структуры и состава оборудования ЭТС с РГ.

Научная новизна работы:

1. Разработаны алгоритмическое и программное обеспечение проектирования ЭТС с РГ, отличающиеся тем, что позволяют реализовать устойчивое развитие и функционирование таких систем.

2. Разработаны алгоритм и программа декомпозиции полноразмерных универсальных математических моделей ЭТС с РГ, отличающиеся тем, что позволяют упростить вычислительные процедуры.

3. Предложена методика повышения согласованности при проектировании ЭТС с РГ в целом, отличающиеся тем, что имеет место накопление объективной информации о свойствах проектируемых объектов, а также многоступенчатая оптимизация принимаемых решений.

4. Проведено исследование влияния ЭТС с РГ на изменение уровня потерь мощности и качества электроэнергии, токов короткого замыкания, устойчивости, отличающееся тем, что при этом учитывается распределенная генерация.

5. Разработана имитационная компьютерная модель силовой части ЭТС с РГ, отличающаяся тем, что позволяет исследовать нагрузочные и аварийные режимы работы.

Новизна технических решений подтверждена свидетельствами о

государственной регистрации программ для ЭВМ

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Полученные соискателем основные научные результаты соответствуют пункту 2 «Обоснование совокупности технических, технологических, экономических критериев оценки принимаемых решений в области проектирования, создания и эксплуатации электротехнических комплексов и систем», пункту 3 «Разработка, структурный и параметрический синтез электротехнических комплексов и систем, их оптимизация, а также разработка алгоритмов эффективного управления» паспорта специальности 05.09.03 – Электротехнические комплексы и системы.

Практическая ценность работы заключается в разработке программного обеспечения формирования оптимальной структуры ЭТС с РГ и его реализации (выбор первичных источников электроэнергии, трансформаторов, оптимального напряжения электроснабжения и места расположения при изменяющемся характере выработки и (или) потребления электроэнергии, схем электрических соединений распределительных устройств).

На защиту выносятся:

1. Методика и алгоритмы вычислительных процедур декомпозиции ЭТС с РГ при их проектировании.

2. Разработка алгоритмического и программного обеспечения при проектировании ЭТС с РГ.

3. Разработка имитационной компьютерной модели силовой части ЭТС с РГ для исследования нагрузочных и аварийных режимов.

Методы исследований. При решении поставленных задач использовались
методы математического моделирования, системного анализа, теории принятия
решений, теории надёжности, методы объектно-ориентированного

программирования.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные методика проектирования ЭТС с РГ и программы для ЭВМ признаны эффективными и внедрены в производственную деятельность Управления энергетики ООО «РН-Уватнефтегаз», ООО «ЭнергоСбытСервис» и ЭТЛ «Протон» (г.Тобольск). Как предварительные, так и окончательных результаты диссертационной работы внедрены в учебную деятельность в ФГБОУ ВО «Тюменский индустриальный университет».

Достоверность результатов подтверждается корректностью применяемого
математического аппарата, сходимостью результатов вычислительных

экспериментов и теоретического анализа и апробацией разработанных алгоритмов на основе установленных функциональных зависимостей в виде программ для ЭВМ, зарегистрированных в Федеральной службе по интеллектуальной собственности.

Личный вклад. Постановка задач, методология и алгоритмы их решения, основные научные результаты и положения, изложенные в диссертации, разработаны и получены автором самостоятельно.

Апробация работы. Результаты работы, а также отдельные её разделы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Всероссийская (с международным участием) научно-практическая конференция молодых ученых и студентов «Инновации. Интеллект. Культура» (Тобольск, 2010 – 2015 гг.).

2. 64-я научно-техническая конференция ГОУ «СИБАДИ» в рамках юбилейного международного конгресса «Креативные подходы в образовательной, научной и производственной деятельности», посвященного 80-летию академии. (Омск, 2010 г.).

3. Региональная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Менделеевские чтения» (Тобольск, 2011, 2012 гг.).

4. VI Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2011 г.).

5. Международная заочная научно-практической конференции «Современные вопросы науки и образования – XXI век» (Тамбов, 2012 г.).

6. Всероссийская научная конференция «Развитие инженерного образования в России» (Санкт-Петербург, 2012 г.).

7. XIX Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2013 г.).

8. Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов «Энергосберегающие и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе» (Тюмень, 2013 – 2015 гг.).

9. Всероссийская с международным участием научно-практическая конференция «Новые технологии – нефтегазовому региону» (Тюмень, 2014 г.).

10) X Международная IEEE научно-техническая конференция «Динамика
систем, механизмов и машин» (Омск, 2016 г.).

Также результаты работы были представлены на Выставке молодёжных научно-исследовательских проектов «Санкт-Петербургский образовательный форум – 2012» (Санкт-Петербург, 2012 г.) и заседании Тюменского регионального Энергоклуба им. В.П. Рослякова (Тюмень, 2016 г.).

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 33 научных работах, из них 6 в периодических изданиях по перечню ВАК РФ, получены 4 свидетельства о регистрации алгоритмов и программ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности. В публикациях в соавторстве личный вклад соискателя составляет не менее 50%.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит введение, четыре главы, основные выводы по результатам научных исследований, библиографический список и приложение. Общий объём диссертации 171 страница, в том числе 36 рисунков, 3 таблицы, список использованной литературы из 97 наименований и приложение из 9 страниц.

Технологии производства энергии в электротехнических системах с распределнной генерацией и их перспективы

Электротехнические системы многих стран в настоящее время подвергаются процессу преобразования. Либерализация рынка энергии вызывает изменение структуры в электроэнергетическом секторе, а также поиск новых сфер бизнеса энергокомпаниями. Международные экологические соглашения (Киотский протокол и др.) оказывают влияние на развитие топливно-энергетического комплекса. Одновременно с этим появляются новые технологии – возобновляемая энергетика, комбинированное производство электрической и тепловой энергии (когенерация), «чистый уголь» и другие. Изменение климата и ограниченные объмы природных ископаемых требуют сокращения использования невозобновляемых источников энергии и объмов выбросов парниковых газов. Вс это приводит к постановке вопроса замены традиционной тепловой и атомной энергетики на новые, перспективные источники энергии в ближайшем будущем.

Потребность в изменениях, развитии – чрезвычайно важная движущая сила для текущих преобразований в современной энергетике, вызывающая конкуренцию между традиционными и новыми технологиями в поставке энергии будущего. Связанное с этим структурное преобразование ЭТС потребует новшества во многих сферах, включая развитие новых технологий и устройств управления, режимов потребления, форм коммуникаций, концепций проектирования и определения системных эксплуатационных качеств ЭТС. Изменения, происходящие в ЭТС, приводят не только к техническим преобразованиям, но и к множеству изменений в социальных сферах.

Один из возможных путей развития ЭТС – децентрализация (распределение). Децентрализация и развитие технологий для автономного или индивидуального энергоснабжения стали вновь актуальны в последнее время. Ожидается что распределнное производство электроэнергии в малых, децентрализованных единицах, позволит снизить потери в сетях, обеспечит возможности развития для возобновляемой энергетики, а также сократит общий объм выбросов. ЭТС с распределнной генерацией могут стать составной частью более жизнеспособных энергосистем будущего. Широкое внедрение РГ подразумевает тщательно продуманные структурные изменения и может явиться новым скачком в развитии российской энергетики.

В результате исследований был рассмотрен вариант РГ с комбинированным производством электрической и тепловой энергии в малых объмах, интегрированный в предприятия и здания, где они должны использоваться. Такие конфигурации носят название мини- и микрокогенерации.

По сравнению с доминирующим в настоящее время централизованным производством и потреблением электроэнергии, с обеспечением большого числа объектов сразу от одной электростанции, с редким использованием локальных систем тепло- и электроснабжения, РГ дала бы принципиально отличную форму организации энергообеспечения со множеством генерирующих энергоустановок объединнных в условно единую «виртуальную электростанцию».

По результатам сравнительных исследований эффективности выработки электрической и тепловой энергии на традиционных тепловых электростанциях и установках использующих принцип когенерации показано увеличение общей эффективности ЭТС с мини- и микрокогенерацией по сравнению с традиционными ЭТС до 87% [4, 5].

Когенерация, или объединенная выработка тепла и электроэнергии, является процессом производства и электрической, и тепловой энергии пригодной к использованию с высокой производительностью около пункта использования. Таким образом, это определение включает три составных элемента: 1) одновременное производство электричества и высокой температуры; 2) критерий высокой общей эффективности; 3) критерий относительно близости энергетической части к потребителю.

Сегодня существует ряд технологий, работающих на принципе когенерации, такие как тепловые насосы, парогазовые турбины, топливные элементы и др. Но, в принципе, теряемая в дымовую трубу энергия из любой тепловой электростанции, может быть использована как объект для когенерации.

Развитие технологий мини- и микрогенерации привели к значительному интересу к малым единицам генерации электрической и тепловой энергии с перспективой развития систем автономного энергообеспечения отдельных зданий. Микрокогенерация, определяется как «одновременное получение электрической энергии, высокой температуры, или хладоагентов в отдельном здании, основанное на небольших энергетических преобразовательных установках ниже 15 кВт» [6], при мощностях установок до нескольких сотен киловатт используют термин миникогенерация.

При этом считается, что произведенная тепловая энергия используется для отопления и нагрева воды непосредственно в здании, где находится когенерационная установка, а произведенная электрическая энергия может быть использована как в пределах здания, так и выдаваться в единую сеть, образуя ЭТС с распределнной генерацией.

Постановка задач синтеза электротехнических систем

Структурная схема ЭТС представляет собой совокупность элементов и связей между ними, дающая возможность детально представить принципы работы системы и процессы, происходящие в ней, а также возможность физической реализации системы. Структурные схемы являются основой для анализа работоспособности системы в разных режимах и разработки конструкторской документации, следовательно, е построению следует уделять особое внимание.

Построение схем происходит с учтом требований нормативных документов (стандартов, норм и правил), которые ограничивают и упорядочивают процесс формирования содержания и форм структурных и принципиальных схем ЭТС.

Специфика проектирования ЭТС предъявляет ряд требований к программно-аппаратному комплексу проектирования ЭТС с РГ: а) автоматизированный расчт всех этапов проекта, которые поддаются математической алгоритмизации; б) возможность сохранения результатов и необходимых промежуточных значений в формате файла базы данных (БД): этот файл может быть использован другими программами и подпрограммами; в) создание и возможность редактирования БД оборудования (его технических параметров) и схемотехнических решений; г) организация запроса из БД оборудования по результатам расчтов (программное обеспечение должно предлагать оборудование и схемотехнические решения, которые удовлетворяют расчтным условиям, а окончательный выбор выполняет проектировщик, учитывая условия, трудно поддающиеся алгоритмизации); д) визуальное (графическое) представление полученной схемы ЭТС и описание е в стандартных формах технической документации.

Приведнные требования не в полной мере охватывают ряд задач, стоящих перед современными системами автоматизированного проектирования, однако являются исходными и минимально исчерпывающими при построении любой визуально-расчтной среды такого рода.

В задачи алгоритмического и программного обеспечения проектирования ЭТС входят: а) детализация ЭТС и выбор элементов входящих в принципиальную схему; б) детализация элементов систем и их структурно-параметрическое описание; в) выбор электрических связей между элементами систем, конкретизация проводных связей, трассировка проводников; г) описание полученных схем в стандартных формах.

Наиболее сложным является формирование графических изображений схем с учтом большого числа нормативных ограничений. Поэтому вместе с графическим используется буквенно-цифровое (табличное) изображение. При этом графическое изображение является более наглядным и доступным для визуального анализа системы в целом, а табличное изображение более удобно для анализа фрагментов схемы (в том числе машинными методами). При проектировании ЭТС реализованы оба эти варианта представления схем.

Задачи синтеза ЭТС, рассмотренные выше, не имеют однозначных решений и должны подвергаться оптимизации с учтом многокритериального синтеза. Так как структура систем с распределнной генерацией является весьма сложной, то постановку и решение задачи их синтеза можно сформулировать в форме задачи динамического программирования. Результатом такой формулировки является возможность деления общей задачи синтеза схемы ЭТС на ряд более простых подзадач с их последующим поэтапным решением. Предлагаемая методика позволяет использовать в синтезе систем многоэтапные алгоритмы с учтом возможных ограничений (обратных связей) по наджности, уровням напряжений, качеству электрической энергии экономичности и т.п.

Производительность труда проектировщика увеличивает наличие созданных пользовательских баз данных. При создании программных продуктов реализована возможность использовать уже наработанные БД, принцип построения которых описана, например, в [41]. Следовательно, одной из основных задач разрабатываемого алгоритмического и программного обеспечения, является создание БД стандартных и унифицированных элементов и схем ЭТС, непосредственно влияющих на увеличение производительности труда проектировщика [42]. Для каждой ЭТС такие БД различны, как различается и номенклатура разрабатываемой и изготавливаемой продукции. Но в целом БД должна содержать данные об установках генерации; примниках и потребителях электрической энергии; проводниковой продукции; трансформаторах; коммутационной аппаратуре; элементах шкафов управления, релейной защите, автоматике, телемеханике и др.

Процесс синтеза состава ЭТС представляет собой переход от структурных схем к принципиальным с детализацией элементного состава и связей на всех уровнях описания рассматриваемых систем. Ввиду неоднозначности детализации (выбора) элементов и связей практически на всех уровнях данная задача имеет оптимизационный характер. Следует учитывать то, что выбор элементов и связей осуществляется среди изделий и систем, выпускаемых промышленностью или находящихся на стадии проектирования, исследования и внедрения. В связи с этим множества, из которых производится выбор, являются конечными [43]. Также необходимо учесть дискретность этих множеств. Исходя из этого, соответствующие задачи синтеза ЭТС можно отнести к классу задач дискретного программирования, при решении которых используются различные методы перебора вариантов.

Если число вариантов перебора невелико, то можно ограничиться методом прямого перебора, легко реализуемым в режиме диалога «проектировщик – машина» [44, 45]. Если же число вариантов сложно для визуального наблюдения, то в процедуре синтеза можно использовать вычислительные процедуры динамического программирования [46]. При этом каждая подзадача (блок детализации) решается прямым перебором вариантов, а стыковку этих локальных решений осуществляется по схеме динамического программирования.

Выбор трансформаторов на трансформаторных подстанциях

К группе недетерминированных методов относят метод простого перебора независимых переменных (метод сканирования), методы организованного (рационализированного) перебора, а также метод случайного поиска (метод Монте-Карло).

Каждый из указанных методов имеет свои особенности, свои условия, при которых он может эффективно работать, свой диапазон действия, а также определнный достоинства и недостатки, которые могут усиливаться или ослабляться в зависимости от характера решаемой задачи, т.е. конкретных условий применения.

Использование классических методов математического моделирования предусматривает такое математическое моделирование исследуемого объекта (электротехнической системы с распределнной генерацией), при котором все интересующие нас взаимосвязи параметров и характеристик ЭТС описываются системами нелинейных уравнений (неравенств) [62] или в виде расчтного алгоритма [63].

Решение полученной системы уравнений или алгоритма позволяет получить варианты электротехнической системы, соответствующие заданным техническим условиям на параметры и характеристики.

Технически приемлемые варианты сопоставляются по заданному технико экономическому критерию (2.14) с целью выбора оптимального варианта с помощью специального минимизируемого функционала, учитывающего одновременно условие (2.2) и целевую функцию (2.4).

Все методы вычислительной математики, обеспечивающие решение нелинейных систем и поиск экстремального значения функции, построены, по существу, на итерационном процессе, с помощью которого решение целенаправленно (метод Ньютона, метод градиента и др.) или случайно (метод случайного поиска и др.) продвигается к оптимальному. Следует отметить, что применение классических методов вычислительной математики (кроме метода случайного поиска) целесообразно лишь при определнных условиях. В частности, исследуемые функции должны быть дифференцируемы, а применяемые варьируемые параметры – непрерывны; должна существовать возможность замены неравенств лимитирующих параметров равенствами. В случае замены дискретных рядов варьируемых параметров непрерывными рядами полученные с помощью классических методов варианты рассматриваются только как теоретически оптимальные и требуют дальнейшего уточнения с применением заданных дискретных рядов. Однако замена совокупности дискретных значений каких-либо чисел на непрерывные функции возможна не всегда.

Количество шагов, необходимое для получения оптимального решения, зависит от вида функции, заданной точности решения и, в ряде случаев, от принятого начального приближения. Время поиска оптимального варианта при использовании аппарата классических методов математики благодаря направленности решения при организации вычислительного процесса бывает минимальным.

Несмотря на довольно жсткие ограничения, применение классических методов вычислительной математики при проектировании ЭТС с РГ оказывается не только возможным, но и необходимым. В первую очередь при широком исследовании взаимного влияния параметров, геометрии и характеристик системы и е элементов с учтом заданных условий оптимальных зон параметров и геометрических мест размещения, при получении обобщнных характеристик, а также в ряде других случаев.

Детерминированный поиск оптимального варианта может быть также организован на основе идеи динамического программирования, которая заключается в том, что одновременный (одноэтапный) процесс выбора многих параметров заменяется многоэтапным процессом, при котором на каждом этапе осуществляется выбор одного или нескольких параметров. Этот метод позволяет найти глобальный оптимум при наличии локальных оптимумов, не требует непрерывности варьируемых параметров или дифференцируемой функции (2.2) и (2.3), позволяет в полной мере учесть дискретный характер переменных xj. Единственным условием метода является то, что структура задачи не должна зависеть от числа шагов и должна быть возможной интерпретация задачи как n-шагового процесса принятия решения. Вычислительная эффективность такого метода заключается в том, что из рассмотрения исключаются все комбинации варьируемых параметров, не удовлетворяющие заданным условиям.

В связи с этим представляется целесообразным использовать в качестве основной вычислительной процедуры идею динамического программирования, т.е. интерпретировать задачу в многошаговый процесс (произвести декомпозицию по этапам, как это предложено на рисунках 2.3 и 2.4, а также в главе 3), сохранив итерационную вычислительную схему и перебор всех значений xj. При таком построении ЭТС на каждом этапе вычислительного процесса необходимо запоминать только те значения xj, которые соответствуют текущему оптимальному значению функции выгоды. При многошаговой вычислительной процедуре с целью уменьшения времени расчта необходимо разработать комплекс мер по сокращению числа рассматриваемых вариантов на каждом этапе. Для этого предлагается использовать алгоритм, представленный на рисунке 2.3, с перебором вариантов на этапе декомпозиции и последующей интеграции оптимизированных подсистем РГ в единую ЭТС.

Другой альтернативой использования основного принципа метода динамического программирования является замена поиска глобального оптимума поиском на каждом этапе локальных оптимумов. В этом случае перебор всех значений xj становится излишним, так как рассматриваются только те значения переменных, которые на каждом этапе ведут к улучшению целевой функции. Для повышения наджности метода поиск можно повторить несколько раз, начиная с различных начальных состояний xj0.

Влияние распределнной генерацией на потери и качество электрической энергии

Таким образом, наличие РГ снижает потери мощности на величину Sloss-S ={E-U)-IDG. (4.6) При этом приближнное выражение изменения напряжения на примном конце не учитываются, поскольку не является существенным для анализа. Подводя итог, можно сделать вывод, что внедрение распределенной генерации уменьшает ток, протекающий через линию электропередачи, уменьшая, таким образом, активную, а также реактивную потери мощности. Тогда можно сказать следующее: Случай 1 - РГ всегда приведет к уменьшению потерь на всех линий в распределительной сети. Случай 2 - РГ может привести к увеличению потерь на некоторых линиях, но общие потери в распределительной сети уменьшатся. Случай 3 - РГ может привести к увеличению потерь на некоторых линиях, но общие потери в распределительной сети будут снижены, пока общий объем производства РГ будет меньше общей нагрузки в распределительной сети примерно в два раза.

Если производство РГ превышает примерно в два раза общую нагрузку в распределительной сети, то потери в распределительной сети будут больше при включенном РГ, чем без него. Также, следует не забывать, что снижение потерь мощности в распределительной сети влечет за собой снижение потерь в передающих сетях.

В системе распределения колебания напряжения возникают при изменении тока нагрузки, протекающего через резистивные и реактивные сопротивления линий. Колебания напряжения в распределительных сетях без РГ вызваны изменением во времени активных и реактивных нагрузок в распределительной сети. Колебания, как правило, бывают большими к концу линии, из-за высокого сопротивления линии. Кроме того, колебания напряжения более выражены, если нагрузка сконцентрирована в конце системы (радиальные сети). На практике, для типовых распределительных сетей расстояние, прежде чем падение напряжения превысит допустимое отклонение от номинального значения, составляет всего несколько километров. Однако, линии, как правило, не предназначены для работы при таких уровнях нагрузки. Углубленное аналитическое обсуждение влияния РГ на напряжения в сетях низкого напряжения можно найти, например, в [90 – 92].

РГ может влиять на колебания напряжения в двух направлениях:

1. РГ осуществляется в соответствии с требованиями местной нагрузки. Это означает, что при росте локальных нагрузок в распределительной сети, производство энергии в РГ также увеличивается, и наоборот. В данном случае, РГ способствует сокращению различий между максимальным и минимальным уровнями напряжения, по сравнению с ситуацией без РГ. Этот режим работы РГ не дает никаких проблем для традиционного подхода регулирования напряжения.

2. Выходная мощность в РГ регулируется независимо от величины локальной нагрузки. Этот режим контроля осуществляется, если РГ управляется при помощи оценки сигналов, которые могут или не могут соответствовать локальные колебания нагрузки, или технология РГ зависит от наличия природных ресурсов, таких как солнечная энергия или энергия ветра. В этом случае РГ может негативно повлиять на возможность регулирования напряжение сети за счет увеличения разности между максимальным и минимальным уровнями напряжением, по сравнению с ситуацией без РГ. Это происходит вследствие того что минимальный уровень напряжения может оставаться неизменным, например, при ситуации с повышенной нагрузкой без РГ, а максимальный уровень напряжения может увеличиться, например, при ситуации с низкой нагрузкой и РГ.

РГ может предоставить некоторые проблемы для традиционного контроля и регулирования напряжения. Например, во время высокой нагрузки в сети, показанной на рисунке 4.1, регулирующий трансформатор (не показан) на подстанции позволит повысить напряжение источника, чтобы сохранить напряжение в концах линии (узлах В4 и В6) в необходимом диапазоне напряжения. В случае мощной установки РГ в узле В6, и отсутствии источника РГ в узле В4, напряжение узла В6 возникающее из-за РГ может достигать значения, характерного при перенапряжении, а напряжение в узле В4 достигнуть нижней границы напряжения из-за высокой нагрузки. Традиционный режим работы регулирующего трансформатора на подстанции для такой ситуации не подходит, так как он предполагает падение напряжения на всех линиях по мере удаления от трансформатора.

Самым простым способом решения этой проблемы будет уменьшение выходной мощности установки РГ. Это решение будет наиболее экономичным решением для оператора сети, но, наверное, не для владельца установки РГ.

Другим, более затратным решением станет установка более умной и гибкой схемы управления напряжения в системе распределения, основанной на автоматизации подстанции и современных коммуникационных технологиях. Эта технология позволит воспринимать уровень напряжения в разных точках сети (обычно в конце линии). В этом случае устройства РПН на подстанции могут динамически регулироваться в соответствии с входными данными измерений. Кроме того, если применяемая технология РГ имеет возможность динамического изменения коэффициента мощности, то РГ может быть использована для местного регулирования напряжения.