Оптимизация структуры электрических сетей промышленных предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 658.012.011.56:658.264

Д.А. Васильев, В.А. Иващенко, Д.В. Лукьянов

ОПТИМИЗАЦИЯ СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ

Предложен подход к выбору топологии электрических сетей при автоматизированном управлении электропотреблением промышленных предприятий, обеспечивающий повышение надежности и сокращение перерывов в электроснабжении потребителей электроэнергии.

Электрическая сеть, оптимизация структуры сети, автоматизированное управление.

D.A. Vasilyev, V.A. Ivaschenko, D.V. Lukyanov

INDUSTRIAL ENTERPRISES ELECTRIC NETWORKS STRUCTURE OPTIMIZATION IN THE CONDITIONS OF AUTOMATED CONTROL BY THE POWER CONSUMPTION

This is an approach of high-voltage dc system construction choice at automated control of power consumption by industrial enterprises providing reliability growth and break shortening in power supply of power consumers.

High-voltage dc system, optimization of network structure, automated control.

Введение

Анализ функционирования и развития существующих электрических сетей машиностроительных предприятий показывает, что значительное количество резервирующих элементов, их пропускные способности, работа релейной защиты и противоаварийной автоматики обеспечивают весьма надежное электроснабжение оборудования. Так, частота аварий, приводящих к перерывам электроснабжения, в сетях низкого напряжения (0,4 кВ) не превышает 10 событий в год [1].

Время, необходимое для восстановления электропитания оборудования после аварии на сети, составляет от 20-30 минут до нескольких часов. В течение этого времени оперативный персонал осуществляет поиск неисправности, выбирает послеаварийную схему электропитания и обеспечивает её включение. Опытный энергодиспетчер обычно держит в памяти всю электросеть и 2-3 варианта возможных послеаварийных схем электропитания оборудования для повторяющихся событий. Переключения осуществляются путем выхода оперативной бригады на трансформаторные подстанции или с помощью устройств связи с объектом.

Высокая надежность электроснабжения обеспечивается также за счет своевременно выполняемых ремонтов и профилактического обслуживания электрических сетей. Практически в любой момент времени несколько элементов электросети выведены по заранее рассчитанному графику в ремонт. Поэтому постоянной схемы питания потребителей электроэнергии не существует и переключения электросети с целью достижения их надежного обеспечения электроэнергией в условиях предаварийных и аварийных ситуаций, ремонтов сети являются основными управляющими воздействиями на нее.

Несмотря на достаточно высокую надежность функционирования электрических сетей промышленных предприятий, в случаях «критичных» пропускных способностей ее элементов (средств транспорта и распределения электроэнергии: кабелей, шинопроводов, воздушных линий и др.) возникает задача определения их структур, обеспечивающих передачу максимальной мощности потребителям электроэнергии.

1. Структура электрических сетей промышленных предприятий

Надежность электроснабжения промышленных предприятий тесным образом связана с надежностью функционирования электрических сетей, основной функцией которых является транспорт электроэнергии от вводов в предприятие (или от шин собственной электростанции) к потребителям-электроприемникам [2].

Электрические сети предприятий представляют собой сложные иерархические структуры, включающие в свой состав большое количество разнородных элементов (рис. 1).

в1 в2 вт 1

ТП1 п ТП2 ТПт2

и

Тр1 Тр2

С1 С2

КУ

ТРтЗ

Ст4

КУ

ф1

ф,

'т5

Рис. 1. Характерная структура электрических сетей промышленных предприятий: В1 - Вт1 - вводы электроэнергии в предприятие; ТП1 - ТПт2 - трансформаторные подстанции; Тр1 - Трт3 - трансформаторы; С1 - Ст4 - распределительные секции шин на выходах трансформаторов; Ф1 - Фт5 - потребители низкого напряжения, питающиеся от одной секции шин; --коммутационная аппаратура замкнута;-О- - коммутационная аппаратура разомкнута

Электрические сети промышленных предприятий эксплуатируются по разомкнутым, «древовидным» структурам. В этом случае при авариях в системах электроснабжения и изменении характера электропотребления предприятий исключается перераспределение мощности в ветвях сетей.

2. Задача оптимизации структуры электрических сетей предприятий

Постановка задачи

Вводится фиктивный узел (источник), объединяющий вводы электроэнергии в предприятие В\, В2, ..., Вш1-1, Вш1. В качестве пропускных способностей фиктивных ветвей (дуг) сетей, соединяющих вводы электроэнергии с фиктивным узлом, выступают максимально возможные мощности, потребляемые с вводов Pi 1 (¿), г = 1, ш 1 .

Аналогичным образом вводится фиктивный узел (потребитель, сток), объединяющий фидеры Ф1, Ф2,..., Фш5-1, Фш5 (см. рис. 1). В качестве пропускных способностей фиктивных дуг электросетей, соединяющих фидеры с фиктивным узлом, в этом случае принимаются максимально возможные мощности, потребляемые с них Рг 5 (¿), г = 1, ш5 .

На полученном таким образом графе с учетом заданных пропускных способностей дуг (кабелей, шинопроводов, воздушных линий и др.) осуществляется построение путей передачи электрической мощности.

Опираясь на свойство фрактальности, рассмотрим реализацию этого метода по этапам на фрагменте электросети, представленном на рис. 2. Обозначим через V источник, а через w сток и назначим пропускные способности дугам электросети. Направления передачи мощности задаются с помощью соответствующих признаков в алгоритме решения задачи. В обоих направлениях может передаваться мощность лишь по распределительным секциям шин.

Рух = 3

v

Руу = 2

рхш/ 2

у Руг = 4 2 а

Рух = 0

ргт 3

Руу = 2

у руг = 0 г

Ргш = 0

X

Руу = 2

у руг = 0 г

Р7М1 1

Руу = 2

руг = 2 7

Р7Ш 3

Рис. 2. Фрагмент графа электрической сети промышленного предприятия: Рух, ■■■> Р™ - пропускные способности дуг; Рух, ..., Рг„ - потоки мощности через дуги

x

x

v

б

x

v

в

г

Построение путей на графе можно осуществлять и на основе решения задачи линейного программирования [3]. Однако при этом невозможно учесть передачу мощности по дугам в обоих направлениях. Поэтому приходится решать задачу многократно для различных комбинаций однонаправленных потоков мощности, что требует значительных затрат времени. В условиях же аварийных ситуаций в системах электроснабжения, когда существенное значение имеет фактор времени, наиболее эффективен метод, основанный на применении так называемого «графа приращений» [4]. Этот метод и положен в основу решения данной задачи.

Метод решения задачи

Метод решения поставленной задачи включает три этапа (этапы 1-3) по реализации метода, основанного на применении «графа приращений».

Этап 1. Максимальная величина потока через сеть не может быть больше суммы пропускных способностей рт и р^ дуг, инцидентных вершине V (в рассматриваемом случае 5). Возьмём любой путь, соединяющий V и w, например, путь V ^ у ^ х ^ w, и припишем каждой дуге этого пути поток, равный минимальной пропускной способности дуг, составляющих этот путь (в рассматриваемом случае 2). Дугам, не входящим в рассматриваемый путь, припишем потоки, равные нулю. Полученный поток показан на рис. 2 б.

Этап 2. Найдем любой другой путь, который не использует насыщенных дуг, т.е. дуг, подобных дугам (V, у) и (х, w), для которых проходящий через них поток равен их пропускным способностям руу и р^. Возьмем, например, путь, определенный последовательностью вершин V ^ х ^ z ^ w, и припишем единичный поток каждой из его дуг. Добавив полученный поток к предыдущему потоку (см. рис. 3 б), получим новый поток (см. рис. 2 в). В последнем случае три дуги (V, у), (х, £) и (х, w) насыщены.

Этап 3. Так как необходимо избегать ненасыщенных дуг, то единственный способ, с помощью которого можно увеличить величину потока из V в w, состоит в отказе от ранее принятого решения пропустить поток от у к х. Это возможно лишь в случае, если дуга (у, х) относится к распределительным шинам. Если это так, то добавив этот поток в путь V ^ х ^ у ^ z ^ w, получим поток, изображенный на рис. 2 г. Таким образом, получим поток, величина которого максимальна.

Поскольку электрическая сеть промышленных предприятий не должна содержать контуров, то необходимо дополнение рассмотренных выше этапов, обеспечивающее выполнение данного требования (этапы 4 а и 4 б).

Этап 4 а. Если синтезированная структура электрической сети содержит контуры (как в данном случае), то из них исключаются дуги с наименьшей пропускной способностью и вновь выполняется расчет. Данная процедура выполняется до тех пор, пока не будут исключены все контуры из структуры сети.

Этап 4 б. На данном этапе может выполняться оптимизация структуры сети по критериям: минимума потерь мощности в сети, максимума надежности сети и др. или их различным комбинациям, повышающим живучесть, безотказность, а также качество, безопасность и долговечность функционирования сети.

Это осуществляется путем удаления из синтезированной структуры различных сочетаний дуг (в том числе с неминимальными пропускными способностями), оценки получаемых структур сетей по соответствующим критериям или их комбинациям и принятия на основе этой информации решения о структуре сети.

3. Пользовательский интерфейс

Для оптимизации структуры электрических сетей промышленных предприятий предложен интерфейс пользователя (рис. 3 и 4).

Рис. 3. Экранная форма для вывода исходных данных

Г Оптимизация структуры электросети предприятия

Исходные данные [ Решение задачи | Состояние коммутационной аппаратуры электросети

Вводы электроэнергии в предприятие

X® коммут. апп. Р I3 1

Сост. коммут. апп 1 1 1

Трансформаторные подстанции

№ коммут апп. 1' 3 « 5 б

Сост. коммут. апп. 1 1 0 0 1 0

< □

Трансформаторы

№ коммут. апп. 1 1 |4 5 |б |7

Сост. коммут. апп. 1 0 0 10 10 0 1

< Н >

Элекгроприемники. питающиеся от одной секции шин

№ коммут. апп. I3 н I5 1« 1 I8 I9 |ю

Сост. коммут. апп. 1 1 1 1 1 0 1° |1 1°

- □

Рис. 4. Экранная форма для вывода результата решения задачи

В качестве пользователя системы обычно выступает энергодиспетчер службы главного энергетика предприятия.

При вызове закладки «Исходные данные» на экране появляется информация о мощностях на вводах в предприятие и мощностях отдельных потребителей-регуляторов, распределенных по вводам.

По вызову закладки «Решение задачи» отображаются состояния коммутационной аппаратуры различных уровней электрической сети предприятия, формируя тем самым топологию сети, необходимую для электроснабжения потребителей нижнего уровня.

1. Разработаны метод и алгоритм решения задачи по оптимизации структуры электрических сетей в условиях дефицита генерируемой мощности и аварийных ситуаций в системе электроснабжения промышленных предприятий.

2. Решение данной задачи в составе АСУ энергетикой промышленных предприятий позволяет сократить ущерб, который несут предприятия в результате перебоев в электроснабжении потребителей электроэнергии.

1. Резчиков А.Ф. Управление энергетикой промышленных предприятий / А.Ф. Резчиков. Саратов: СГТУ, 2006. 348 с.

2. Резчиков А.Ф. Управление электропотреблением промышленных предприятий / А.Ф. Резчиков, В.А. Иващенко. Саратов: Наука, 2008. 183 с.

3. Орлов А.И. Основы теории принятия решений: учеб. пособие / А.И. Орлов. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. 51 с.

4. Басакер Р. Конечные графы и сети / Р. Басакер, Т. Саати; пер. с англ. М.: Наука,

Заключение

ЛИТЕРАТУРА

1973. 368 с.

Васильев Дмитрий Анатольевич -

кандидат технических наук, доцент кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Vasilyev Dmitriy Anatolyevich -

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of the Department of «System Engineering» of Saratov State Technical University

Иващенко Владимир Андреевич -

доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Института проблем точной механики и управления РАН, г. Саратов

Ivaschenko Vladimir Andreyevich -

Doctor of Technical Sciences, Senior Staff Scientist of the Institute of Problems of Precision Mechanics and Control of Russian Academy of Sciences, Saratov

Лукьянов Денис Владиславович -

студент кафедры «Системотехника» Саратовского государственного технического университета

Lukyanov Denis Vladislavovich -

Student of the Department of «System Engineering» of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 02.06.09, принята к опубликованию 23.09.09