Реконфигурация электрических сетей предприятий при нарушениях электроснабжения и дефиците мощности в электроэнергетической системе

Электроэнергетические ресурсы промышленных предприятий, наряду с такими видами ресурсов, как людские, производственные и финансовые, являются стратегическими с точки зрения их жизнеспособности. Эффективность использования электроэнергетических ресурсов влияет на рентабельность работы предприятий, являясь одной из компонент, определяющих их конкурентоспособность. Несмотря на это, до настоящего времени в инфраструктуру большинства предприятий не входят средства эффективного учета и управления энергопотреблением. Более того, очень часто подразделения предприятий, отвечающие за энергоснабжение, вообще не имеют современных средств управления им.

Одной из важнейших составляющих управления энергоснабжением промышленных предприятий является подсистема управления транспортом и распределение электрической энергии. Повышение эффективности ее функционирования позволяет существенно снизить ущерб от перебоев предприятий в электроснабжении. Эта эффективность в значительной степени определяется топологией электрических сетей и временем их реконфигурации в случаях нарушений работы, проведении ремонтных мероприятий на них, недостатке мощности в электроэнергетической системе (ЭЭС).

Как правило, энергодиспетчер службы главного энергетика (СГЭ) предприятия держит в памяти несколько альтернативных вариантов топологии электросети, позволяющих обеспечить потребителей электроэнергией в нормальных условиях электроснабжения. Однако при этом возникают проблемы в нетипичных случаях, связанных с перегрузкой электрической сети, аварийными ситуациями на ней и недостатком мощности в ЭЭС.

При недостатке мощности в ЭЭС необходимо обеспечить электроэнергией, в первую очередь, потребители электроэнергии (ПЭ) первой и второй категорий по надежности электроснабжения, а также с наибольшим ущербом от перебоев в электроснабжении.

В этой связи эффективное управление транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях невозможно без автоматизации, которая позволяет обеспечить надежное электроснабжение ПЭ, существенно уменьшить ущерб, который несут предприятия при перебоях в электроснабжении.

На текущий момент надежность управления транспортом и распределением электроэнергии, в том числе на промышленных предприятиях, является главным звеном концепции Smart Grid, которая получила широкое распространение в странах Европейского Союза, США и КНР. Закрепленная такими стандартами, как IEEE 2030.2, IEEE Р2030, IEC ТС57, IEC61850, эта концепция используется во многих прогрессивных энергетических проектах.

В основе идеи Smart Grid лежит базисная эвристика, согласно которой система управления электрическими сетями в конечном итоге должна стать полностью автоматической. В настоящее время инструментом для этого является интеграция в единую платформу различных автоматизированных систем управления (АСУ) энергетикой различных потребителей электроэнергии, в том числе промышленных предприятий.

Среди ученых, работающих по совершенствованию управления электроэнергетикой промышленных предприятий, следует отметить.

A.С.Некрасова, Ю. В. Синяка, В. Т. Мелехина, JI.А.Мелентьева, Ю. Б. Клюева,.

B.В.Михайлова, В. А. Веникова, А. А. Федорова, В. В. Шевченко, Б. И. Кудрина, Л. С. Беляева, Ш. Ч. Чокина, Э. Э. Лойтера, П. И. Головкина, В. А. Непомнящего, В. С. Кахановича, Ю. С. Железко, Е. М. Червонного, Б. В. Папкова, А. Ф. Резникова, G. Matthaus, L. Zang, R. Frost [1−10 и др.].

Среди широко используемых в настоящее время АСУ энергетикой можно выделить: КТС «Энергия» и автоматизированную систему контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) «ИВК Метроника-Альфамет», эксплуатируемые на многих промышленных предприятиях малой и средней энергоемкостикомплекс «ЕБ-Энергия», внедренный на более чем 100 промышленных предприятиях, электростанциях и объектах энергосистемОИК «СИСТЕЛ», предназначенный для решения задач диспетчерского управления энергообъектами — от подстанций до центров управления электрическими сетями.

Несмотря на большое количество разнообразных АСУ энергетикой, на промышленных предприятиях по-прежнему остро стоит проблема оперативной реконфигурации электрических сетей при дефиците электрической мощности в ЭЭС, аварийных ситуациях в системах электроснабжения и проведении плановых ремонтных мероприятий на электросетях промышленных предприятий. Снижение времени перебоев в электроснабжении, а также оптимизация путей распределения электроэнергии позволяют существенно уменьшить ущерб промышленных предприятий.

Для решения данной проблемы необходима разработка алгоритмов, на основе которых достигается оперативное максимально возможное восстановление электроснабжения оборудования, обесточенного в результате аварийных ситуаций на электрических сетях предприятий и дефиците электрической мощности в ЭЭС.

К сожалению, при значительном количестве разработок в этой области экономическая выгода от их внедрения остается весьма низкой. В значительной степени это обусловлено сложностью использования существующих моделей реконфигурации электрических сетей в режиме реального времени (РВ) и с интеграцией их в АСУ энергетикой предприятий.

Актуальность и необходимость дальнейших исследований в этом направлении и определили выбор темы, цели и задачи данной работы.

Цель диссертационной работы заключается в повышении эффективности функционирования электроэнергетики промышленных предприятий за счет оперативной реконфигурации электрических сетей при перегрузках, аварийных ситуациях на них и дефиците мощности в электроэнергетической системе.

Объект исследования — электрические сети промышленных предприятий.

Предмет исследования — модели и методы реконфигурации электрических сетей промышленных предприятий. N.

Задачи исследований:

— анализ процесса транспорта и распределения электрической энергии на промышленных предприятиях, положенный в основу его структуризации, необходимой для построения моделей и методов реконфигурации электрических сетей и прогнозирование электрических нагрузок в их узлах;

— математическая постановка задачи восстановления электроснабжения потребителей электроэнергии, обесточенных в результате дефицита мощности в электроэнергетической системе, перегрузок электрических сетей и аварийных ситуациях на них;

— разработка алгоритма решения поставленной задачи, обладающего по сравнению с известными алгоритмами большим быстродействием, позволяющим сократить время восстановления электроснабжения обесточенных потребителей электроэнергии;

— разработка информационно-вычислительного комплекса и средств интерактивного взаимодействия энергодиспетчера с ним, обеспечивающих высокую скорость принятия решения в условиях перебоев электроснабжения потребителей электроэнергии;

— разработка метода прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрических сетей предприятий для принятия решения по предотвращению их перегрузок.

Методы исследований. При проведении исследований использовались методы, основанные на теоретических основах электротехники, теории графов, теории оптимизации, а также специализированные программные средства для структурной и параметрической оптимизации предложенных моделей и алгоритмов.

Выносимые на защиту результаты:

— анализ процесса управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях;

— математическая постановка задачи оперативного выбора структуры электрических сетей при автоматизированном управлении электропотреблением промышленных предприятий;

— модели и методы реконфигурации электросетей промышленных предприятий при дефиците генерируемой мощности и авариях на них;

— структура и состав информационно-вычислительного комплекса по реконфигурации электрических сетей промышленных предприятий в режиме реального времени и человеко-машинные процедуры взаимодействия энергодиспетчера с ним;

— метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрических сетей предприятий для принятия решения по предотвращению их перегрузок.

Научная новизна результатов, выносимых на защиту:

1. Проведена декомпозиция управления транспортом и распределением электроэнергии на промышленных предприятиях, обеспечивающая представление ее отдельных компонентов и связей между ними с детализацией, необходимой для формализации и реализации с помощью существующих аппаратно и программно совместимых технических средств.

2. Выполнена математическая постановка задачи реконфигурации структур электрических сетей промышленных предприятий, обеспечивающей максимально полное восстановление электроснабжения потребителей электроэнергии, обесточенных в результате дефицита мощности в электроэнергетической системе, перегрузок электросетей и аварийных ситуациях на них. Предложен алгоритм ее решения, обладающий по сравнению с известными алгоритмами меньшим временем реализации при сопоставимых показателях надежности сети и потерь мощности в ней.

3. Построены человеко-машинные процедуры взаимодействия энергодиспетчера с информационно-вычислительным комплексом, которые обеспечивают визуализацию выдаваемых комплексом рекомендаций и оперативное принятие эффективных решений по реконфигурации электрической сети предприятия в режиме реального времени.

4. Предложен метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электрической сети, позволяющего устранить перегрузку сети, являющуюся одним из источников аварийных ситуаций на ней.

Практическая ценность работы заключается в снижении потерь промышленных предприятий от простоев электрооборудования на отключенных участках электрической сети за счет оперативного восстановления электроснабжения потребителей электроэнергии, обесточенных в результате аварийных ситуаций в системе электроснабжения промышленных предприятий (СЭПП) и дефицита мощности в ЭЭС.

Достоверность и обоснованность результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным применением системного и статистического анализа процессов передачи электрической энергии, тестированием полученных моделей, а также их апробацией в составе действующих АСУ энергетикой промышленных предприятий.

Реализация и внедрение результатов исследований. Результаты диссертационной работы использованы при разработке АСУ энергетикой на ОАО «Саратовское электроагрегатное производственное объединение», а также ООО «ОргЦентр», г. Саратов и ООО «СУХЭ», г. Саратов.

Апробация работы. Результаты работы представлены на XXIII Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-23» (Саратов, 2010), XXIV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-24» (Саратов, 2011), XXV Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях — ММТТ-25» (Волгоград, 2012), на 7-й научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управлениеМАУ-2010», на научных семинарах кафедры «Системотехника» (2009;2012) и на заседаниях совета факультета электронной техники и приборостроения Саратовского государственного технического университета (СГТУ) имени Гагарина Ю. А. (2010;2012).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 печатных работ, из которых 5 в ведущих рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованной литературы, включающего 84 наименования. Работа изложена на 93 страницах, содержит 20 рисунков и 3 таблицы.

Основные результаты выполненных исследований можно сформулировать следующим образом:

1. Выполнена декомпозиция процесса управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях, выделены базисные компоненты процесса и связи между ними с детализацией, необходимой для его формализации и реализации с помощью существующих аппаратно и программно совместимых технических средств. Результаты декомпозиции представлены в виде иМЬ-диаграмм, облегчающих работу, связанную с проектированием, модернизацией и дальнейшим развитием системы управления.

2. Приведена математическая постановка задачи оперативной реконфигурации структур электрических сетей промышленных предприятий, обеспечивающих максимально полное восстановление электроснабжения ПЭ, обесточенных в результате дефицита мощности в ЭЭС системе и аварий в системе электроснабжения предприятий.

3. Представлен анализ эффективности известных алгоритмов решения поставленной задачи по критерию времени реализации, который показал на их неэффективность по времени реализации. Предложен новый алгоритм решения задачи, обладающий по сравнению с известными меньшим временем реализации, позволяющий в условиях дефицита генерируемой мощности, перегрузок электросетей и аварийных ситуаций в системе электроснабжения предприятий оперативно восстановить электроснабжение обесточенных ПЭ.

4. Предложен информационно-вычислительный комплекс, обеспечивающий сбор, обработку и хранение информации, необходимой для управления транспортом и распределением электрической энергии на промышленных предприятиях. Представлены человеко-машинные процедуры взаимодействия с информационно-вычислительным комплексом энергодиспетчера.

5. Разработан метод прогнозирования электрической нагрузки в узлах электросетей промышленных предприятий для принятия решений по предотвращению их перегрузок.

6. Материалы диссертационной работы включены в состав специального математического обеспечения управления АСУ энергетикой ОАО «СЭПО-ЗЭМ» Саратовское электроагрегатное производственное объединение".

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.