CC BY
57
ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА
УДК 658.012.011.56: 658.264
Д. А. Васильев, В. А. Иващенко, Д. В. Лукьянов, А. Ю. Шабельникова
ВЫБОР СТРУКТУРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ В УСЛОВИЯХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕМ
Аннотация. Предложен подход к выбору структуры электрических сетей при автоматизированном управлении электропотреблением промышленных предприятий, обеспечивающий повышение надежности и сокращение перерывов в электроснабжении приемников электроэнергии.
Ключевые слова: структура электрической сети, промышленное предприятие, надежность электроснабжения.
Abstract. The approach to a choice of structure of electric networks is offered at automated management by a power consumption of the industrial enterprises, providing increase of reliability and reduction of breaks in an electrical supply of receivers the electric power.
Keywords: structure of an electric network, the industrial enterprise, reliability of an electrical supply.
Введение
В настоящее время на промышленных предприятиях остро стоит проблема переконфигурирования электрической сети при аварийных ситуациях и проведении плановых ремонтных мероприятий.
Высокая надежность функционирования электросетей предприятий достигается за счет резервирующих элементов. Однако эти элементы существенно усложняют их структуру. Количество возможных схем питания приемников электроэнергии может достигать 1000 вариантов, поэтому выбор рациональной схемы электроснабжения является основной задачей управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях [1-3].
1. Выбор структуры электрических сетей при авариях в системе электроснабжения промышленных предприятий
Надежность электроснабжения промышленных предприятий тесно связана с надежностью функционирования электрических сетей, основной функцией которых является транспорт электроэнергии от вводов в предприятие (или от шин собственной электростанции) к приемникам электроэнергии [2].
Электросети предприятий представляют собой сложные иерархические структуры, включающие в свой состав большое количество разнородных элементов (рис. 1). Согласно [4] они должны эксплуатироваться по магистральным или разомкнутым (не имеющим циклов), так называемым «древовидным» (радиальным), структурам (схемам). В этом случае при авариях в системах электроснабжения и изменении характера электропотребления промышленных предприятий исключается перераспределение мощности в ветвях сетей.
Для решения задачи вводится фиктивный узел (источник) v, объединяющий вводы электроэнергии в предприятие ВЛЬ ВЛ2, ..., ВЛ„1_1, ВЛт1. В качестве пропускных способностей фиктивных ветвей (дуг), соединяющих вводы электроэнергии с источником, выступают максимально возможные
мощности, потребляемые с вводов Pil(t), i = 1, m1 .
Аналогичным образом вводится фиктивный узел (приемник электроэнергии, сток) w, объединяющий фидеры КЛЬ КЛ2,..., КЛт4-ь КЛт4 (рис. 1). В качестве пропускных способностей фиктивных дуг, соединяющих фидеры со стоком, в этом случае принимаются максимально возможные мощности, потребляемые с них Pi4(t) , i = 1, т4 .
Постановка задачи имеет следующий вид:
F ^ max; (1)
F = ZPvi, Z (-Piw) =-F; (2)
ieG ieg
vi, se g, Z p.j - Z pjs = 0; (3)
(i, j)e G (j,s)e G
V ^, j) e G, Pij < P,j'; (4)
V (i, j) e G, Pij > 0; (5)
F > 0, (6)
где F - целевая функция; G - граф сети; pij и Pij - соответственно пропускная способность дуги (i, j) и поток мощности, передаваемый через нее.
Целевая функция F определяет величину потока мощности через сеть, которая ограничивается пропускными способностями ее дуг.
Выражения (2) определяют условия входа и выхода потока сети, а выражениями (3) задаются балансовые соотношения для узлов сети. Вместе с выражениями (2) они составляют балансовые соотношения для системы в целом. Неравенства (4) задают ограничения на пропускные способности отдельных дуг сети. Условия (5) указывают на неотрицательность передаваемой по сети мощности. Последнее неравенство (6) обусловлено видом целевой функции (2) и неотрицательностью передаваемой по сети мощности (5).
Для решения задачи разработан метод, основанный на применении «графа приращений» [5]. В основу метода положена эвристика, исключающая при выборе путей передачи электроэнергии использование ненасыщенных дуг графа сети.
10 кВ
4-й уроьень -приемники электроэнергии, питающиеся от одного фидера
(эпГ) (эгъ ) (Э1ъ) (эт )
0,4 кВ
Рис. 1. Электрическая сеть промышленного предприятия: В Л 1-ВЛИ11 - вводы электроэнергии в предприятие; КТП1-КТПт 12 - комплектные трансформаторные подстанции; Т\-Т т - трансформаторы;
РС\-РСтЪ - распределительные секции шин; КЛ1-КЛт4 - фидеры; □ и —^ - коммутационная аппаратура (10 и 0,4 кВ);
хн
^1“^ - батареи статических конденсаторов; ЭП1- ЭПт5 - приемники электроэнергии
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион
Опираясь на свойство фрактальности, не теряя общности рассуждений, рассмотрим в качестве электросети предприятия ее фрагмент, представленный на рис. 2.
Рис. 2. Граф фрагмента электрической сети промышленного предприятия (числами обозначены пропускные способности дуг (в мегаваттах))
Соответствия между обозначениями элементов сети и графа сети приведены в табл. 1.
Таблица 1
ВЛ1, КТП1 Т1 Т2 РС1 РС2 КЛ1 КЛ2 КЛ3 КЛ4
51 52 5з 54 55 5б 57 58 59
Обозначим через (у, £), (5Ь &), (5Ь й), №, й), №, ^з), (52, 5з), (5з, Б4), (54, 5б), (54, 5у), (55, 58), (55, 59), (56, м), (5у, м), (58, м), (59, м) дуги графа, а через Ру51 , Р552 , Р553 , р5254 , р5355 , р5255 , р5354 , р5456 , р5457 , р5558 ,
Р^^ Р56м , Р57м> , Р58м , Р59м их пропускные способности.
На полученном таким образом графе О решается задача (1)-(6) по обеспечению передачи максимально возможной мощности.
Теперь перейдем к построению алгоритма решения задачи.
Этап 1. Из узла V выбирается путь, по которому будет передаваться поток мощности в узел м. В соответствии с (1) этот путь должен проходить через узел 5і с тах(р$м), і = 1, ..., т4, где і - индекс приемника электроэнер-5і
гии, для которого строится поток. Величина потока определяется величиной пропускной способности Р5м дуги (5 і, м).
Этап 2. Граф О преобразуется в граф О', в котором для дуги (і,у) с нулевым потоком Ріу пропускная способность ріу сохраняется прежней, а для дуги с ненулевым потоком - заменяется на величину р'іу = ріу - Ріу , Ріу Ф 0.
Этап 3. Если построены потоки для всех узлов 5 ь / = 1, ..., т4, то выполняется переход к этапу 5, иначе - к этапу 4.
Этап 4. Если в графе О' можно найти ненулевой поток из V в w, то выполняется переход к этапу 2 с новым графом О', в котором исключается из рассмотрения узел 5 ь / = 1, ..., т4, через который передается поток, иначе выполняется переход к этапу 6.
Этап 5. Выдача сообщения о варианте полного восстановления электроснабжения.
Этап 6. При невозможности восстановления электропитания всех приемников электроэнергии осуществляется анализ предложенного варианта электроснабжения с целью обеспечения электроэнергией приемников первой и второй категорий по надежности электроснабжения путем перераспределения потоков мощности в сети. Выдача сообщения о варианте неполного восстановления электроснабжения.
Рассмотрим работу алгоритма при исходных данных (пропускных способностях дуг), представленных на рис. 2.
В соответствии с этапами 1, 2 алгоритма строится максимальный поток для приемника электроэнергии, определенного узлом 59. Величина этого потока Р = Р5^ = 0,5 МВт . С учетом (3)-(5) поток для узла 59 передается через
узлы V, 51, 53, 55, 59, w, уменьшая пропускные способности связывающих их дуг на величину, равную 0,5 МВт (рис. 3,а).
Поскольку рассмотрены не все узлы-приемники электроэнергии графа и существуют ненулевые потоки мощности, то в соответствии с этапами 3, 4, после исключения из рассмотрения узла 59 строится поток, проходящий через узел 58. Поток Р = Р58М> = 0,4 МВт, переданный через узлы V, 51, 52, 55, 58, w,
изменяет пропускные способности связывающих их дуг, на величину, равную
0,4 МВт (рис. 3,б).
На рис. 3,в,г обозначены пути передачи потоков через узлы 57 и 56, изменивших пропускные способности путей следования этих потоков соответственно на величины Р5^ = 0,2 МВт и Р5(у> = 0,1 МВт . При этом поток для
узла 57 передается также через узлы V, 51, 52, 54, 57, w, а для узла 56 - через узлы V, 51, 53, 54, 57, w.
Пропускные способности Р56w, Р57w, Р58™, Р59w дуг (5б, w), (57, w),
(58, w), (59, w), равные нулю, свидетельствуют о том, что построены все потоки мощности к узлам-приемникам электроэнергии и на графе (рис. 3,г) не существует ненулевого потока. Таким образом, через исследуемый фрагмент электросети возможна передача 1,2 МВт мощности.
В соответствии с этапом 5 выдается сообщение о варианте полного восстановления электроснабжения приемников электроэнергии.
2. Программно-информационный комплекс управления транспортом и распределением электроэнергии
Функции машиностроительных предприятий по управлению транспортом и распределением электроэнергии однотипны по своей структуре, поэтому можно разработать однозначный по составу реализующий их программноинформационный комплекс (ПИК) и унифицировать его информационное обеспечение.
1,5
S2
0,6
0,3,
S6
2,5
Si
1,0
1,1
,0,3 0,6.
0,1
0,3
S6
2,1
Si
1,0
0,6 0,6^> .S3 S2I 0,2 0,6^11
0,1 0,6
г*. ^5 S4J
0,3 0,2,
Jts*
S3
0,1
S5
.0,1
0,1
0,2 0,4
0,1
0,2 I 0
в) г)
Рис. 3. Результаты работы алгоритма
Предлагаемый ПИК состоит из совокупности взаимодействующих между собой алгоритмических модулей, обеспечивающих оперативное управление транспортом и распределением электроэнергии (рис. 4).
В основу автоматической работы комплекса положена непрерывная проверка изменения содержания информационного массива, содержащегося в модуле-супервизоре MAIN.
Информационный массив включает в себя таблицы состояний всех элементов сети. Инициализация элемента происходит по его номеру. Все изменения состояний элементов сети вносятся в информационный массив через графическую оболочку.
S
S
S
Г рафическая оболочка {CREATE}
__________J____________
Модули взаимодействия со средой
{ButtonClickl}
{ButtonClick2}
Модуль-супервизор
{MAIN}
Модули
активации
(деактивации)
элементов
і і і і і і і {Action} 1 1 1 1 1 1 {MethEv}
і ! 1 :
{ButtonClick424} і і і і і і {Refresh} 1 1 1 і і і {Prog}
Модули решения задачи (функциональ ные
Модули взаимодействия с меню
{MenuLoadl}
{MenuLoad2}
{MenuLoad5}
{MenuLo ad10} —
Г
Операционная система
Рис. 4. Структура программно-информационного комплекса
Наряду с модулем-супервизором MAIN, ПИК содержит следующие функциональные модули:
CREATE - графическая оболочка программы, отвечающая за интерактивное взаимодействие с пользователем. Основной ее функцией является отображение данных в удобном для пользователя виде.
ButtonClick1, ..., ButtonClick424 - подпрограммы, измененяющие состояния отдельных элементов сети по указанию пользователя.
Процедуры MenuLoad необходимы для системной настройки программы, выбора параметров расчета и запуска решения задачи.
MethEv и Prog - функциональные модули, реализующие алгоритм решения задачи. MethEv производит расчет максимального потока мощности через сеть на основе имеющихся в информационном массиве значений, а Prog конвертирует результаты решения задачи в требуемый графический формат и подготавливает их к выводу на экран.
Каждый модуль ПИК реализован в виде подпрограммы или набора подпрограмм, написанных на универсальном объектно-ориентированном языке программирования Delphi 7.0. Он относительно автономен и может быть использован для оценки пропускных способностей электрических сетей промышленных предприятий на стадии их проектирования.
Для функционирования ПИК создан информационный массив, содержащий данные, которые периодически обновляются, благодаря чему в них содержится последняя информация о режимах функционирования сети.
Информационный массив содержит данные о системе электроснабжения промышленного предприятия и директивную информацию, поступающую из энергоснабжающей организации (лимиты на электропотребление, величина, время начала и окончания ограничения по мощности и др.).
Система электроснабжения промышленного предприятия описывается с помощью набора параметров, включающих в себя состояние коммутационной аппаратуры и пропускные способности дуг сети.
Разработанный ПИК функционирует под управлением операционной системы Windows ХР и является составной частью специального математического обеспечения АСУ энергетикой промышленного предприятия.
На рис. 5 приведена экранная форма пользовательского интерфейса, которая позволяет энергодиспетчеру предприятия работать с ПИК в режиме оперативной визуализации.
Максимальная мощность |о. 12334 МВт Максимальная мощность 10.12283 МВт Максимальная мощность |0 12177 МВт ЭП№ 14 ЭП№ 10 ЭП№ 10
Мощности ЭП
ЭП |1 \г |з |4 |5 |б |7 |8 |9 |ю |11 112 113 114 |15 |1б |17 |18
Р. МВт 0.20768 0 18694 0.16496 0.20286 0.11584 0.14898 0.24530 0.21612 0.23674 0.22404 0.17490 0 19109 0.19130 0.14215 0.13245 0.15700 0.18028
□
Рис. 5. Экранная форма пользовательского интерфейса
После активизации ПИК на экране появляется экранная форма с двумя закладками: «Исходные данные» и «Решение задачи», одна из которых находится в активном состоянии.
При вызове закладки «Исходные данные» на экране появляются окна, в которых отображаются значения активных мощностей на вводах в предприятие, значения и графики активных мощностей ЭП и максимальных из них по
вводам, а также суммарная активная мощность, потребляемая предприятием и распределение ее по вводам.
В правом нижнем углу расположен справочник, позволяющий определять принадлежность ЭП структурным подразделениям предприятия.
При вызове закладки «Решение задачи» отображается полученное решение задачи. При этом единицы соответствуют включенным потребителям электроэнергии, а нули - отключенным.
Заключение
1. Решена задача оперативного восстановления электроснабжения приемников электроэнергии, обесточенных в результате аварий в системе электроснабжения промышленных предприятий и дефицита мощности в электроэнергетической системе. Усредненное по 30 реализациям время работы программно-информационного комплекса на ПЭВМ с процессором ЛМБ ЛШ1оп Х2 6000+ для 424 приемников электроэнергии составило 7,8 с.
2. Включение задачи в состав АСУ энергетикой промышленных предприятий позволяет уменьшить ущерб, который несут предприятия в результате перебоев в электроснабжении приемников электроэнергии.
3. Данная задача включена в состав АСУ энергетикой ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение».
Список литературы
1. Резчиков, А. Ф. Управление электропотреблением промышленных предприятий / А. Ф. Резчиков, В. А. Иващенко. - Саратов : Наука, 2008. - 183 с.
2. Васильев, Д. А. Оптимизация структуры электрических сетей промышленных предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением / Д. А. Васильев, В. А. Иващенко, Д. В. Лукьянов // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2009. - № 4 (42). - Вып. 1. - С. 71-77.
3. Фисенко, А. А. Оценка ущерба при нарушении электроснабжения промышленных предприятий / А. А. Фисенко, В. А. Иващенко, А. Ф. Резчиков // Проблемы и перспективы прецизионной механики и управления в машиностроении : материалы Международной конференции / под ред. чл.-кор. РАН А. Ф. Резчикова ; ИПТМУ РАН. - Саратов, 2007. - С. 98-99.
4. НТП Э1II1-94. Нормы технологического проектирования. Проектирование электроснабжения промышленных предприятий. - 1-я редакция. - М. : НИПКИ «Тяж-промэлектропроект», 1994. - 70 с.
5. Басакер, Р. Конечные графы и сети : пер. с англ. / Р. Басакер, Т. Саати. - М. : Наука, 1973. - 368 с.
Васильев Дмитрий Анатольевич
кандидат технических наук, доцент, кафедра системотехники, Саратовский государственный технический университет
Vasilyev Dmitry Anatolyevich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of system engineering,
Saratov State Technical University
E-mail: [email protected]
Иващенко Владимир Андреевич
доктор технических наук, старший научный сотрудник, ученый секретарь, Институт проблем точной механики и управления РАН (г. Саратов)
E-mail: [email protected]
Лукьянов Денис Владиславович студент, Саратовский государственный технический университет
E-mail: [email protected]
Шабельникова Алена Юрьевна магистрант, Саратовский государственный технический университет
E-mail: [email protected]
Ivashchenko Vladimir Andreevich Doctor of engineering sciences, senior staff scientist, scientific secretary,
Institute of Precise Mechanics and Control, Russian Academy of Sciences (Saratov)
Lukyanov Denis Vladislavovich Student, Saratov State Technical University
Shabelnikova Alena Yuryevna Candidate for a Master’s degree, Saratov State Technical University
УДК 658.012.011.56: 658.264 Васильев, Д. А.
Выбор структуры электрических сетей промышленных предприятий в условиях автоматизированного управления электропотреблением /
Д. А. Васильев, В. А. Иващенко, Д. В. Лукьянов, А. Ю. Шабельникова //
Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2010. - № 2 (14). - С. 52-61.
