Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности функционирования и методов управления системой электроснабжения города 13
1.1. Особенности работы городского предприятия электрических сетей 13
1.2. Объекты и основные функции городского предприятия электрических сетей 15
1.2.1. Состав объектов городской сети 15
1.2.2. Воздушные линии и их функции 17
1.2.3. Кабельные линии и их функции 18
1.2.4. Электрические подстанции и их функции 20
1.3. Методы решения задач управления городским электроснабжением 21
1.3.1. Обзор задач и возможных методов их решения 21
1.3.2. Особенности существующих систем оперативного управления городскими электрическими сетями 25
1.3.3. Использование геоинформационных технологий в задачах управления городскими электрическими сетями 38
Выводы по главе 1 ...43
Постановка задачи исследования 44
ГЛАВА 2. Разработка системы оперативного управления городским предприятием электрических сетей 47
2.1. Требования к современным системам оперативного управления (СОУ)
городскими электрическими сетями 47
2.1.1. Требования к техническим средствам СОУ 50
2.2. Разработка структуры системы оперативного управления 51
2.3. Представление данных об элементах распределительной сети 57
2.3.1. Выбор формального аппарата и описание структуры РЭС 57
2.3.1.1. Алгоритмы анализа принципиальных схем 65
2.3.2. Разработка методики обхода элементов сети на примере алгоритма раскраски фидеров 71
2.3.3. Разработка алгоритма оперативного формирования древовидной структуры соединения электрических подстанций 75
2.4. Пути реализации программного и аппаратного обеспечения системы оперативного управления 80
2.4.1. Выбор базовых программных средств 80
2.4.2. Пути реализации автоматизированных рабочих мест (АРМ) 86
2.4.3. Техническое обеспечение СОУ ...87
Выводы по главе 2 88
ГЛАВА 3. Разработка методов формирования и использования электронных паспортов объектов электросети 90
3.1. Назначение системы паспортизации 90
3.2. Разработка структуры базы данных 91
3.3. Структура электронных паспортов 95
3.3.1. Паспорт кабельных линий 96
3.3.2. Паспорт воздушных линий 97
3.3.3. Паспорт трансформаторных подстанций 98
3.4. Совмещение электронных паспортов оборудования с электронной картой-схемой расположения объектов РЭС 99
Выводы по главе 3 '. 103
ГЛАВА 4. Разработка алгоритмов подсистемы оперативно-диспетчерского управления 105
4.1. Формализация правил выполнения оперативных переключений 109
4.1.1. Формирование структуры «нормальной» схемы РЭС 113
4.1.1.1. Расчет параметров установившегося режима 115
4.1.1.2. Алгоритм формирования бланка переключений для перехода к «нормальной» схеме распределительной сети 120
4.1.2. Алгоритм формирования бланка переключений для вывода из работы ЛЭП. 126
4.1.3. Алгоритм формирования бланка переключений для вывода из работы трансформаторной подстанции 129
4.2. Разработка алгоритма формирования маршрутов движения оперативно-
выездной бригады 136
Выводы по главе 4 139
ГЛАВА 5. Реализация и практическое использование разработанных алгоритмов в составе системы оперативного управления 141
5.1. Этапы программной реализации модулей системы оперативного управления 141
5.1.1. Реализация механизма взаимодействия объектов электронной карты-схемы с записями базы данных 141
5.1.2. Реализация алгоритма считывания с электронной карты данных о структуре электрической сети 143
5.2. Подсистема автоматизированной паспортизации объектов
распределительной электрической сети 146
5.2.1. Использование электронных паспортов оборудования РЭС 146
5.2.2. Использование электронной карты-схемы 151
5.2.3. Использование редактора принципиальных схем трансформаторных подстанций 154
5.3. Подсистема оперативно-диспетчерской службы 156
5.3.1. Получение оперативной информации о структуре электрической сети 157
5.3.2. Выполнение расчета установившегося режима РЭС 159
5.3.3. Получение бланков оперативных переключений 161
5.3.4. Работа с электронной мнемосхемой городской РЭС 163
5.3.5. Формирование кратчайших маршрутов движения оперативно-выездной бригады 167
Выводы по главе 5 169
Заключение 171
Список публикаций '. 173
Литература
- Объекты и основные функции городского предприятия электрических сетей
- Требования к техническим средствам СОУ
- Структура электронных паспортов
- Алгоритм формирования бланка переключений для перехода к «нормальной» схеме распределительной сети
Объекты и основные функции городского предприятия электрических сетей
Развитие геоинформационных систем в последние годы дало новый импульс в расширении сферы применения ЭВМ в задачах автоматизации эксплуатации инженерных сетей на базе электронных планов. Появилась возможность использовать ГИС для решения повседневных задач предприятия:
Прежде чем начинать трудоемкий и довольно дорогостоящий процесс ввода графической и атрибутивной информации по инженерным коммуникациям (ИК) с помощью какого-либо ГИС-инструментария, необходимо иметь четкое представление, как реальный пользователь будет эту информацию использовать, решение каких конкретных задач требуется. Характер прикладных задач существенно зависит от вида коммуникаций и типа предприятия, которое эксплуатирует инженерную сеть. Тем не менее, возможно и необходимо сформулировать ряд общих принципов по графическому представлению ИК.
Современные ГИС-технологии позволяют без особых проблем создавать системы, отображающие на экране монитора или на принтере (плоттере) схемы инженерных сетей на плане города. Но очень сложно довести систему до промышленной эксплуатации. Подавляющее большинство поставляемых ГИС-продуктов конечного пользователя «не умеют» отвечать на целый ряд существенных для эксплуатации вопросов: дать рекомендации по локализации аварийных участков, указать последствия тех или иных переключений, дать анализ повреждаемости сети и эффективности проводимых профилактических работ и т. д. . Не смотря на то, что ни одна из базовых ГИС не имеет в своем составе средств для решения большинства технологических задач, связанных с инженерными коммуникациями, данные системы имеют развитые средства пространственного анализа и отображения результатов решения. В связи с этим, важным требованием к базовой ГИС, выбираемой в качестве основы для работы с инженерными сетями, является ее открытость для добавления всех необходимых расчетных модулей. Как правило, это достигается с использованием либо встроенных в ГИС языков программирования, либо внешних стандартных средств программирования. Таким образом, имеется возможность своевременного изменения состава и содержания расчетных моделей, что может потребоваться в процессе эксплуатации системы. Для решения этой задачи предпочтительнее привлекать не сторонних разработчиков, а использовать силы отдела АСУ предприятия, так как это выгодно с экономической точки зрения и главное отсутствует необходимость тратить разработчиками время на изучение предметной области.
Еще одним доводом, выступающим в пользу применения ГИС-технологий, является следующий факт: решения большинства технологических задач по инженерным коммуникациям базируются на специальных структурах данных и алгоритмах теории графов, а геоинформационные технологии наиболее эффективны для отображения результатов решения этих задач и их пространственного анализа. В качестве примера использования средств ГИС для отображения результатов расчетов можно привести применение цветового обозначения элементов распределительной сети на карте-схеме в зависимости от их принадлежности к конкретному фидеру одного из центров питания. Другой задачей, эффективно решаемой с применением ГИС, является поиск и оптимизация маршрутов движения оперативно-выездных бригад по имеющемуся списку пунктов назначения. Другим примером может служить локализация на электронной карте-схеме мест повреждения линий электропередачи с последующей распечаткой района проведения ремонтных работ. При наличии на карте-схеме нанесенных трасс прохождения других видов коммуникаций может автоматически быть решения задачи обнаружения возможных конфликтных ситуаций при проведении земляных работ на месте аварии. Кроме этого, ГИС позволит проводить оперативное отображение результатов сбора данных с объектов распределительной сети системой телеметрии. На рис. 1.3 приведена схема взаимодействия с электронной картой-схемой, в основе которой лежит применение ГИС-технологии.
Элементы городской РЭС для описания и представления которых используется ГИС формируют верхний уровень данных РЭС. Многоуровневое описание модели сети предполагает создание математических средств описания элементов сети и построение на основе этих описаний эффективных алгоритмов обработки данных и обслуживанию сети с целью решения множества практических задач обслуживания распределительных электрических сетей.
Требования к техническим средствам СОУ
Этап создания цифровой картографической основы является сам по себе довольно трудоемким процессом, требующим привлечения высококвалифицированных специалистов и специального оборудования. В этой связи, данный этап в рамках диссертационной работы не будет подробно рассматриваться. Отмечу лишь, что в рамках разрабатываемой системы будет использована электронная карта-схема города масштаба 1:5000, выполненная без соблюдения специальных требований к созданию электронных карт, но которая является пригодной для решения в полном объеме задач, стоящих на данном этапе. В настоящий момент будут закладываться дополнительные возможности для перехода к электронной карте масштаба 1:500, которая позволит в полной мере решать задачи, стоящие перед предприятием городских электрических сетей. Создаваемая же карта-схема масштаба 1:5000 позволит решать следующий круг задач:
Для этого будут созданы базовые картографические слои, содержащие изображения основных объектов городской инфраструктуры, улицы, границы кварталов. Подобная основа позволит на следующем этапе осуществить нанесение на карту-схему объектов городской распределительной электрической сети.
Этап нанесения на карту-схему объектов распределительной сети является очень ответственным и должен выполняться по определенным правилам. Это позволит обеспечить правильность организации сети, от которой будет зависеть возможность проведения анализа сети, проведения расчетов и получения достоверных результатов. К выполнению действий, предусмотренных в рамках данного этапа, нужно будет обращаться всякий раз, когда изменится структура сети вследствие добавления/удаления подстанций, линий электропередачи, изменении трассы прохождения линий. Этим обуславливается необходимость создания средств, которые бы обеспечивали контроль за процессом корректировки оператором структуры распределительной сети на электронной карте-схеме.
Для удобства представления элементов распределительной сети и управления ими на электронной карте-схеме следует прибегнуть к послойной организации. Отнесение объектов к тому или иному слою происходит в зависимости от его типа и места в иерархии в распределительной электрической сети. Анализ состава элементов сети позволяет сделать вывод о необходимости создания на электронной карте-схеме следующих слоев:
Создание объектов на каждом слое производится с использованием специально созданных условных обозначений. По завершении этапа нанесения объектов сети на соответствующие слои следующим необходимым действием является создание топологических связей между всеми объектами распределительной сети. Данный этап полностью выполняется с использованием встроенных средств выбранной нами ГИС. Это позволит в дальнейшем корректно проводить отслеживание взаимосвязей объектов распределительной сети.
Для удобного и, главным образом, правильного взаимодействия пользователя с электронной картой-схемой и проведения расчетов, основанных на использовании данных графической базы данных ГИС и семантической базы характеристик оборудования требуется разработать системы программных модулей, обеспечивающих диалог пользователя с системой.
. Пути реализации автоматизированных рабочих мест (АРМ)
Для включения блока АРМ в состав системы оперативного управления предприятия электрических сетей следует разработать набор отдельных составляющих данного блока, т. е. конкретных АРМ.
Разработка большинства АРМ требует разработки подсистемы ведения электронных паспортов, которая сможет обеспечить целостность хранения данных, унифицировать способы обмена информацией между отдельными рабочими местами. Ее создание можно разбить на несколько этапов: формальное описание структуры документов для создания электронных версий документов; разработка структуры базы данных для хранения электронных документов и справочной информации. Следующим шагом на пути создания блока АРМ будет включение специализированных алгоритмов и методов обработки, ориентированных на решение узкого круга задач, стоящих перед каждым отдельным АРМ.
Завершение описанных выше этапов делает возможным переход к осуществлению наполнения разработанной базы данных и проведению расчетов. Данный этап является завершающим и требующим большого объема времени на его выполнение.
Все автоматизированные рабочие места должны быть объединены в единую локальную вычислительную сеть (ЛВС). В этом случае будет обеспечена возможность проведения распределенного пополнения базы данных, обработки данных. ЛВС должна обеспечивать передачу нужной информации между АРМами - данных из графической и семантической баз данных, оперативного контроля за состоянием объектов сети с различных удаленных мест. Сеть необходимо реализовать на основе каналов связи с большой пропускной способностью, способных быстро передавать большие объемы данных. Для реализации ЛВС рекомендуется использовать Ethernet (10 и 100 Мб/с). С точки зрения обеспечения необходимой пропускной способности и минимизации финансовых затрат достаточно ограничиться организацией ЛВС на остове Fast Ethernet, способного передавать до ЮОМб/с. Подобная ЛВС позволит удовлетворять требованиям пропускной способности даже с учетом перспективы развития общей системы управления предприятия.
Структура электронных паспортов
Задачи принятия решений различают в зависимости от имеющейся информации о множестве Q и принципе оптимальности ОП. В общей задаче принятия решений как Q, так и ОП могут быть неизвестными. Информацию, необходимую для выделения Qon, получают в процессе решения. Задачу с известным Q назовем задачей выбора, задачу с известными Q и ОП - общей задачей оптимизации. Таким образом, задача выбора и задача оптимизации являются частными случаями общей задачи принятия решений. Особенность развиваемого здесь подхода к решению задачи выбора состоит в том, что он в общем случае не требует полного восстановления принципа оптимальности, а позволяет ограничиться только информацией, достаточной для выделения Qon. Общая задача оптимизации может не предполагать максимизации одной или нескольких числовых функций. Ее смысл состоит в выделении множества лучших элементов, т. е. в вычислении значения С0М(Р) при заданных Q и Соп-Если Соп - скалярная функция выбора на множестве Q, то получаем обычную оптимизационную задачу.
Элементы множества Q называют альтернативами или вариантами. Принцип оптимальности задает понятие лучших альтернатив: лучшими считают альтернативы, принадлежащие С0П(Р).
В практических задачах альтернативы обладают многими свойствами, оказывающими влияние на решение. Пусть некоторое свойство альтернатив из Q выражается числом, т. е. существует отображение q : Q—»Е]. Тогда такое свойство называют критерием, а число ф(х) - оценкой альтернативы х по критерию. Одновременный учет отдельных свойств может быть затруднительным. При этом выделяют группы свойств, которые агрегируют в виде аспектов. Аспект представляет собой сложное свойство альтернатив, которое одновременно учитывает все свойства, входящие в соответствующую группу. В частном случае аспект может являться критерием.
Процесс решения задачи Q, ОП организуют по следующей схеме: формируют множество Q, т. е. подготавливают альтернативы, а затем решают задачу выбора. При назначении на должность сначала готовят список кандидатов, а затем назначают лицо из этого списка. В процессе формирования множества Q используют условия возможности и допустимости альтернатив, которые определяются конкретными ограничениями задачи. При этом считают известным универсальное множество Qy всех мыслимых альтернатив. Задача формирования Q является задачей выбора Qy, ОП , где ОП( — принцип оптимальности, выражающий условия допустимости альтернатив. Множество = СШгі(Пу), полученное в результате решения указанной задачи выбора, называют исходным множеством альтернатив (ИМА).
Применительно к правилам формирования последовательности оперативных переключений под множеством вариантов Q будем понимать множество вариантов проведения переключательных операций с использованием коммутационных аппаратов (КА). При этом выбор варианта из множества Q происходит с учетом множества условий, являющихся в данной задаче принципами оптимальности - ОП. Подобный подход будет применяться к проведения переключений, при которых заранее не известно конечное состояние распределительной сети, то есть не известно решение. Например, задача формирования «нормальной» схемы распределительной сети предполагает знание исходных параметров сети, вариантов проведения переключений и принципов оптимальности. Перечислим возможные условия, выступающие в качестве принципов оптимальности: ? возможность проведения переключения с использованием выбранного коммутационного аппарата; ? обеспечение допустимого режима работы электрооборудования в результате переключения; ? сокращение требуемых действий по переключению; ? сокращение числа отключаемых потребителей на время проведения переключений. Каждый вид работ характеризуется своей последовательностью действий. В связи с этим необходимо сформировать несколько множеств вариантов Q.
Число этих множеств - N(Q) будет равно числу работ, выполнение которых требует составления бланков оперативных переключений.
В случае выполнения работ по проведению оперативных переключений, когда известны не только начальные условия и параметры оптимизации, но и конечное состояние сети, к которому необходимо прийти в результате выполнения переключений, следует проводить рассмотрение задачи формирования последовательности переключений в терминах задачи о принятии решения (ЗПР), которая в общем виде формулируется следующим образом. Задается некоторое начальное состояние или подмножество таких состояний, конечное состояние или подмножество таких состояний и множество правил преобразования состояний. Требуется найти такую последовательность правил преобразования, возможно удовлетворяющую определенным требованиям (оптимальности или допустимости), которая позволяет преобразовать начальное состояние в конечное. Задача принятия решений определяется набором:
Алгоритм формирования бланка переключений для перехода к «нормальной» схеме распределительной сети
«Режим» - выбор режима работы - нормальный режим или режим тренажёра; выбранный в данный момент режим отмечен значком; «Информация» - для отображения справочной информации по выделенной ячейке; содержит подпункты - «Информация по объектам сети» и «Информация по отдельным элементам». Если необходимо просматривать соответствующую информацию, нужный пункт выбирается и помечается значком; «Поиск» - для поиска подстанции на поле мнемосхемы по её имени; «Расчёты» - содержит команды «Расчёт потерь» и «Анализ распределения нагрузки». Каждая команда меню дублируется кнопкой на нижней панели инструментов. Кнопки сгруппированы подобно командам меню. Кроме того, при выборе команды «Поиск подстанции» на этой панели инструментов рядом с кнопкой поиска появляется список, содержащий имена всех подстанций, размещённых на мнемосхеме.
Верхняя панель инструментов - панель рисования. На ней размещены кнопки с изображениями элементов мнемосхемы. Эта панель доступна только в режиме тренажёра, когда ведётся работа с тренировочным заданием.
Статусная строка разделена на три части. В первой отображаются координаты ячейки при перемещении мышью по полю мнемосхемы. Во второй части отображается текущий режим работы. В третьей - состояние модели РЭС по результатам проверки «РЭС функционирует нормально» или «Обнаружены ошибки: количество ошибок ».
Заголовок главного окна меняется в зависимости от рабочего режима конкретной ситуации. При работе с моделью реальной РЭС в нормальном режиме - «Модель распределительной электрической сети», в режиме тренажёра - «Модель распределительной электрической сети (тренажёр)»; при создании новой схемы или открытии схемы из файла - «Модель РЭС (тренировочное задание)».
Рабочее поле окна программы в общем случае состоит из трёх элементов - поле мнемосхемы, окно ошибок и окно информации. При начальной загрузке все три элемента отсутствуют. Изображение мнемосхемы формируется на дискретном . поле, каждый элемент которого содержит графическое представление соответствующего элемента построенной схемы в центральной части главного окна. Окно ошибок появляется всякий раз, когда результаты проверки сети оказались неудовлетворительными. Окно информации появляется в режиме отображения информации, когда выбран хотя бы один пункт меню «Информация».
Работа с мнемосхемой может производиться в двух режимах -нормальный режим и режим тренажёра. При работе с моделью реальной РЭС возможен выбор одного из двух вариантов. Нормальный режим предполагает реальное изменение состояния сети при изменении её структуры с помощью ДМ. Режим тренажёра не меняет данных сети, но, подобно нормальному режиму, также предусматривает контроль над производимыми переключениями и анализ сети.
При работе с моделью не являющейся отражением реальной РЭС, например, мнемосхемой, сформированной в ручном режиме по произвольной схеме, программа автоматически производит переход в режим тренажёра, нормальный режим в этом случае недоступен.
Формирование кратчайших маршрутов движения оперативно-выездной бригады Необходимость в формировании кратчайших маршрутов возникает при необходимости множества переездов оперативно-выездной бригады между трансформаторными подстанциями. Исходными данными для определения маршрутов выступают бланки переключений, в соответствии с которыми будут осуществляться переключения и в которых указана последовательность посещения подстанций, занятых в переключениях.
В качестве примера рассмотрим бланк переключений, рассмотренный выше, для случая вывода из работы ЛЭП. В данном случае перед оперативно-выездной бригадой стоит задача посещения двух трансформаторных подстанций. С учетом того, что начальным пунктом будет являться территория предприятия «Городская электросеть», то для отыскания маршрута следования бригады будет задействовано три вершины из графа возможных маршрутов. Результаты определения маршрута движения показаны на рисунке 5.17.
