Мониторинг системы электроснабжения мегаполиса на основе объектно-ориентированной графовой модели

Назначением систем электроснабжения городов является обеспечение электроэнергией всех технологических процессов коммунально-бытовых, промышленных, транспортных и других потребителей, расположенных на их территориях. В зависимости от размера города для питания потребителей должна предусматриваться соответствующая система электроснабжения. Для крупных городов, имеющих современные и рационально выполненные электрические сети (ЭС), характерно комплексное использование различных классов напряжения. Такая система электроснабжения включает в себя сети 35 — 110 кВ, связанные с сетями 220 — 500 кВ энергосистемы. Для электроснабжения основной массы потребителей используются распределительная сеть (PC) 6−10 кВ и сеть общего пользования 0,4 кВ.

Деятельность современного электроснабжающего городского предприятия базируется на информационных системах, с помощью которых производится решение следующих задач: оперативное и диспетчерское управление системами электроснабжениявыполнение оценки перспективного развития сетей и систем (определение резерва мощности, рассмотрение заявок на подключение новых потребителей или изменение установленной мощности подключенных, обслуживание и ремонт электрооборудования) — все виды анализа процессов функционирования предприятия (ведение договоров, управление человеческими, финансовыми и материальными ресурсами и т. д.). Данные системы предназначены для поддержания качественного и гарантированного электроснабжения потребителей.

Актуальность темы

Наиболее острыми проблемами в настоящее время являются задачи оценки технического состояния электрооборудования и мониторинга сети передачи и распределения электроэнергии. Это обусловлено, во-первых, текущим высоким уровнем износа сетей и оборудования по продолжительности срока службы, во-вторых, отсутствием простых и однозначных критериев определения окончания срока службы для различных видов электрооборудования и, в-третьих, наметившимися тенденциями к росту нагрузок электропотребления.

На сегодняшний день общий уровень изношенности электрооборудования, по данным Екатеринбургской электросетевой компании (ЕЭСК), составляет более 60% [31]. Кроме того, около 50% подстанций (ПС) были построены более 30 лет назад. На самом деле приведенные данные не являются объективными и технически обоснованными, так как формируются на основе нормативного срока службы электрооборудования и не учитывают особенности фактических режимов работы. В таких условиях с учетом длительности инвестиционного цикла в электроэнергетике привлекательность предприятий отрасли практически снизилась до нуля. При существующем положении энергетике грозит снижение надежности, безопасности и эффективности.

Для успешного решения задач обеспечения качественного электроснабжения необходим инструментарий комплексного мониторинга городских электрических сетей и оценки технического состояния электрооборудования. Как в отечественной, так и в зарубежной практике имеются лишь несистематизированные попытки разрешить отдельные аспекты данных задач. В связи с этим появляется необходимость создания адекватной модели электрической сети (МЭС), на основе которой возможна реализация эффективных методов анализа технического состояния. Фактически речь идет о создании инструментария, основанного на имитационной модели сети электроснабжения.

Кроме того, текущая ситуация в городских распределительных сетях характеризуется отсутствием достоверной информации (данных контроля и учета электроэнергии, режимных показателей сети и т. д.), необходимой для анализа состояния электрооборудования, поэтому правильная оценка технического состояния электрооборудования затруднительна.

Поставленные задачи могут быть однозначно решены при рассмотрении объекта исследования (электрооборудования) в комплексной взаимосвязи с функционирующей системой передачи и распределения электроэнергии. Необходима разработка информационного обеспечения, оперирующего данными телеметрических измерений, системных замеров, расчетных характеристик нагрузки и режимов работы оборудования электроэнергетической системы.

В работе сформулирована концепция системы, позволяющая производить комплексную оценку технического состояния электрооборудования с точки зрения его топологической связности, а также полноты и достоверности исходной информации. На основе предложенной теории разработан программный комплекс, отвечающий принципам графового объектно-ориентированного подхода к мониторингу электрооборудования.

Целью является разработка концепции автоматизированного мониторинга параметров системы электроснабжения мегаполиса. Система должна обеспечить следующее: во-первых, повышение точности, достоверности и оперативности оценки текущего состояния электрооборудования и режима его работыво-вторых, проведение анализа распределения электроэнергии в целях минимизации потерь и формирования рекомендаций по определению режимов работы оборудования сетив-третьих, выполнение оценки влияния вероятных отказов электрооборудования на работу системы распределения электроэнергиив-четвертых, выявление «узких мест» электрической сети на стадии рассмотрения заявок на подключение новых потребителей и вывода силового оборудования в ремонт. Решение данного блока задач предназначено для определения путей повышения надежности питания потребителей электроэнергии.

В настоящей работе объектом исследования являются системы передачи, распределения и потребления электроэнергии на примере города Екатеринбурга. На основе разработанной графовой объектно-ориентированной структуры задания электрической сети рассматриваются следующие вопросы мониторинга: топология ЭС, режимы работы, нагрузочные характеристики электрооборудования и сети в целом. Работоспособность оборудования сети (техническое состояние) определяется процессами передачи и распределения электроэнергии и рассматривается в комплексной взаимосвязи.

Мониторинг производится на базе графа сети с использованием специально разработанных и адаптированных алгоритмов топологического анализа. Оценка потокораспределения основывается на статистических данных загрузки оборудования и нагрузочных характеристиках потребителей по заданным схемам электроэнергетической системы (ЭЭС).

Научная новизна определяется следующими результатами исследований:

• Сформулирована концепция гибкой универсальной технологии информационного обеспечения для решения задач качественного электроснабжения потребителей.

• Разработана объектно-ориентированная структура хранения информации о сети, используемая для построения многоуровневого топологического пространства на основе графа.

• Предложены принципы доступа к данным объектов электрической сети и динамического формирования их внутренних структур.

• Произведена адаптация разработанной системы мониторинга к методам анализа режимов ЭЭС и проверки технического состояния электрооборудования (оценка нагрузочной способности трансформаторов, определение суммарных расчетных нагрузок потребителей, проверка кабелей на допустимость работы по термической стойкости и нагрузочной способности и т. д.).

• Разработан инструментарий визуального ввода топологической и нормативно-справочной информации о структуре электрической сети и ее составных элементов.

• Предложен комплексный многоуровневый подход к задаче мониторинга работоспособности электрооборудования в системе передачи и распределения электроэнергии.

Практическая ценность работы. Разработанные алгоритмы и программы представляют интерес как для эксплуатационных организаций при анализе текущего состояния распределительных сетей и оценке перспективы развития, так и для проектных организаций при решении вопросов развития районов электрических сетей, реконструкций подстанций и т. д.

Внедрениерезультатов, представленных в диссертационной работе, осуществлено в ряде проектов, выполненных за последние четыре года при непосредственном участии автора.

Реализована и внедрена в информационную среду Екатеринбургской электросетевой компании система оценки состояния и технически обоснованных режимов загрузки силовых трансформаторов, находящихся на балансе предприятия. Программа разработана для службы перспективного развития. Система используется для определения резерва мощности и термического износа изоляции силовых трансформаторов на основе данных телеметрии. Специальная версия программы применяется на кафедре «Автоматизированные электрические системы» УГТУ-УПИ студентами всех форм обучения для курсового и дипломного проектирования при моделировании режимов работы силовых трансформаторов.

На базе модуля оценивания технического состояния электрооборудования сетей 0,4 — 10 кВ был проведен мониторинг сети 0,4 кВ подстанций Октябрьская, Западная и Ясная Екатеринбургской электросетевой компании, обеспечивающей электроснабжение мегаполиса, и выработаны рекомендации по реконструкции и развитию. Программный комплекс (ПК) «most» позволяет автоматизировать расчеты связанные с оценкой технического состояния электрооборудования и, следовательно, снизить затраты на диагностику и проектирование подстанций и электрических систем в целом.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались: на научно-практической конференции «Энергоснабжающие техника и технологии», Екатеринбург, 2003; научно-практической конференции «Проблемы и достижения в промышленной энергетике», Екатеринбург, 2003. научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережения, транспорт», Тобольск, 2004; II Всероссийской научно-технической конференции «Энергосистема: управление, качество», Екатеринбург, 2004; региональном семинаре ОДУ Урала и кафедры «Автоматизированные электрические системы», Екатеринбург, 2005; 8-й региональной научно-практической конференции «Энергосберегающая техника и технологии», Екатеринбург, 2005; научно-практических конференциях с международным участием «Энергетика и электротехника», Екатеринбург, 2005 -2006.

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 17 работах [48−64] (в том числе 6 работ в реферируемых изданиях ВАК). В ГОУ ВПО УГТУ-УПИ зарегистрирован программный продукт — «Оценка состояния и технически обоснованных режимов загрузки силовых трансформаторов».

Структура и объем работы. Диссертационная работа содержит четыре главы, заключение, список литературы, список условных сокращений, глоссарий и приложения. Объем работы составляет 150 страниц основного текста, 38 рисунков, 18 таблиц. Библиография включает 65 наименования.

В первой главе «Информационное обеспечение задач мониторинга и проектирования электроэнергетических систем» представлена характеристика текущей ситуации в распределительных сетях. Рассмотрены используемые инструменты технической оценки состояния электрооборудования. Выполнен анализ достоверности методов диагностики, применяемых в настоящее время. Кроме того, приведено описание существующих информационных комплексов (ИК), установленных в ЕЭСК, и их проверка на наличие и доступность информации для автоматизированного применения в системе мониторинга.

Вторая глава «Разработка комплексной структуры информации об электрической сети» содержит описание принципов организации информации, необходимой для функционирования системы мониторинга. Проведена классификация исходных данных, где весь массив был разбит на три основные группы: справочную, условно-постоянную и временную информацию. Рассмотрены аспекты оптимального хранения и поиска данных электрической сети. Сформированы принципы построения системы мониторинга на основе многоуровневого объектно-ориентированного представления электрической сети. Приведено описание разработанной структурной организации объектов.

В третьей главе «Разработка принципов мониторинга на основе графоаналитического метода» рассмотрены вопросы формирования методической и алгоритмической базы для реализации задач мониторинга. Сформулированы принципы динамического образования комплексных объектов электрической сети с точки зрения многоуровневой организации. Сформированы подходы к анализу технического состояния электрооборудования. Проведена адаптация разработанной концепции к следующим методам расчетов: проверке связности, определению резерва мощности, нахождению режимных характеристик и т. д. Мониторинг режимных параметров осуществляется на основе авторских алгоритмов построения файла преемников и системы моделирования режимов (СМР).

В четвертой главе «Программная реализация и опытно-промышленные расчеты» приведено описание программного комплекса, построенного на базе сформулированной концепции. Программный комплекс (ПК) выполнен на основе графовой многоуровневой структуры представления объектов электрической сети, способных трансформироваться в зависимости от поставленных задач. Реализованные подходы мониторинга основываются на агрегации имеющейся информации, способствующей повышению точности и достоверности итогового результата. В комплексе выполнена программная реализация общепринятых методов анализа кабельных сетей, расчета нагрузочных характеристик и определения резерва мощности. ПК ориентирован на принцип визуального ввода исходных топологических, режимных и нормативно-справочных данных. В ПК реализована возможность накопления информации о состояниях объектов ЭС. При использовании адаптивных свойств системы мониторинга ЭС такие данные позволят в дальнейшем производить коррекцию методов оценки технического состояния оборудования.

В заключении приведены основные результаты, полученные в работе, и сформулированы направления дальнейших исследований.

В приложениях представлены дополнительные материалы, позволяющие легче ориентироваться в некоторых разделах диссертационной работы и способствующие лучшему пониманию ее сути:

1. Классы объектов ЭЭС.

2. Алгоритмы топологического анализа и определения потокораспределения нагрузок в электрической сети.

3. Коэффициенты, учитывающие совмещение максимумов нагрузки различных типов потребителей.

4. Результаты мониторинга сетей 0,4 кВ ПС «Октябрьская» ОАО «ЕЭСК».

5. Реализация алгоритмов формирования объектов на основе внутренних структур с учетом топологической связности и иерархического многоуровневого представления сети.

6. Описание основных функций ПК.

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные электрические системы» электротехническом факультете Уральского государственного технического университета — УПИ. Она полностью соответствует научному направлению кафедры в области моделирования и управления процессами функционирования сложных электроэнергетических систем.

Настоящая работа была выполнена при постоянной творческой поддержке и опоре на накопленный научный и творческий потенциал коллектива кафедры АЭС.

Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н., профессору Бартоломею Петру Ивановичу и научному консультанту к.т.н., доценту Кокину Сергею Евгеньевичу за общее руководство, постоянное внимание и конструктивное содействие. Автор признателен сотрудникам кафедры, а также всем кто взял на себя труд и предоставил свои замечания по содержанию и оформлению работы.

4.4 Выводы.

На основе сформулированных принципов системы мониторинга ЭС и анализа технического состояния электрооборудования создан ПК Most. Ядром ПК служит разработанная объектно-ориентированная графовая модель представления электрической сети.

Программный комплекс Most позволяет создавать схемы ЭС с помощью графического ввода элементов одновременно с указанием параметрической и нормативно-справочной информации об оборудовании электрической сети. Ввод схем осуществляется на уровнях ПС и ЭЭС, при этом структурные схемы данных объектов формируются как фрагменты единого графа ЭС. Реализация такого подхода обеспечивает верификацию итоговых результатов мониторинга данными режимов передачи и распределения электроэнергии, находящимися за пределами рассматриваемого объекта исследования. Кроме того, разработанный ПК ориентирован на накопление архивных данных («истории жизни») оборудования ЭС, что в дальнейшем позволит адаптировать систему мониторинга к изменениям в ЭЭС.

Выбор средств и методов оценки технического состояния определяется составом исходной информации об ЭС. При разработке ПК акцент был сделан на две методики определения потокораспределения, во-первых, на основе данных расчетных нагрузок, и, во-вторых, при помощи определения нагрузочной способности по данные ТМ. В результате синтезирования СМР, предназначенная для моделирования режимов работы систем электроснабжения, реализована возможность проводить мониторинг не только при заданных состояниях коммутационной аппаратуры, но и в наиболее тяжелых вероятных режимах работы электрооборудования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом проведенного исследования в области имитационного моделирования режимов работы силового оборудования стало создание системы автоматизированной оценки технического состояния оборудования и PC с учетом топологической связности ее элементов.

Электрические сети мегаполиса представляют комплексную разветвленную структуру. В основу формирования модели было положено понятие многоуровневой архитектуры электрической сети. В работе произведена дифференциация информации, необходимой для выполнения задач автоматизированного мониторинга. С этой целью осуществлен анализ структуры городской PC, состава и технологических особенностей установленного электрооборудования. В рамках полученной классификации разработаны принципы построения оптимальных форм хранения топологической, объектной и нормативно-справочной информации.

На основе теории хранения и доступа к информации выполнен анализ методов моделирования структуры сети и сформулированы требования к форме хранения данных. Разработанная форма хранения информации о сети на базе графового объектно-ориентированного принципа предоставила возможность решить задачу топологической связности элементов. Кроме того, данная структура позволила осуществить многоуровневый подход к решению вопросов по оценке состояния электрооборудования и расчета режимов ЭЭС. Для реализации объектно-ориентированного принципа в структуру было введено понятие объект. Объект в данной работе выполняет универсальную роль и может иметь произвольный уровень детализации от единичной вершины до сложного фрагмента графа ЭС. Разработанная информационная структура способна динамически расширяться за счет ввода данных, а наличие свойств и методов, присущих каждому объекту ЭС, позволяют применить известные принципы оценки и диагностики силового оборудования. За счет того, что структура основана на графе сети, к ней применимы стандартные технологии работы с графами.

Разработка алгоритмической базы, необходимой для решения задач мониторинга, потребовала: создания технологии подготовки исходных данныхреализации алгоритмов определения числа групп связностивыработки подхода к расчету потокораспределения нагрузкиадаптации методов диагностики силового оборудования. Подготовка данных включает создание принципиальных алгоритмов поиска, добавления, удаления и коррекции информации о структуре электрической сети (топологическая информация) и о ее элементах (справочная информация). На основе сформулированного подхода к вводу данных структуры ЭС разработаны алгоритмы определения потокораспределения и режимных параметров. Данные алгоритмы способны производить расчет сетей как в текущем режиме (нормальном, согласно заданным состояниям коммутационной аппаратуры), так и моделировать максимальный нагрузочный режим работы сети (вероятный послеаварийный режим). Реализация данного принципа привела к необходимости создания системы моделирования режимов. СМР сформирована на авторских алгоритмах моделирования режима работы с использованием свойств объектов электрической сети. Оценка состояния электрооборудования основывается на расчетных или измеренных режимных параметрах сети в зависимости от полноты и достоверности исходной информации.

На базе сформулированной концепции создан программный комплекс Most. При разработке ПК основной акцент был сделан на реализацию системы ввода исходной данных ЭС. ПК позволяет создавать схему ЭС на базе графического ввода элементов одновременно с вводом параметрической и нормативно-справочной информации об электрооборудовании. С этой целью разработан графический редактор. Система привязок и проверка связности позволяет избавиться от некорректного ввода информации и максимально снизить вероятность ошибки оператора. Созданная БД нормативно-справочной документации позволяет упростить ввод данных. В ПК реализован многоуровневый принцип ввода, визуализации и анализа состояния сетей.

Сформированная концепция дала возможность создать удобный работоспособный инструмент для решения задач мониторинга PC. Наиболее значимыми областями применения данной технологии являются: анализ текущего состояния PC для построения грамотной технической политики эксплуатационных предприятийрешение задач развития районов ЭС и реконструкции подстанций проектными организациями.

Модуль оценки состояния силового оборудования ПК Most использовался при выполнении работы по мониторингу распределительной сети 0,4 кВ города Екатеринбурга. В рамках данной работы на базе ПК выполнен анализ технического состояния сетей 0,4 кВ более 200 ТП и РП. В результате был составлен отчет с указанием «узких мест» в электроснабжении потребителей. Сформулированы рекомендации по реконструкции сетей, режимы которых не соответствуют условиям нормального электроснабжения. В настоящее время разработан и внедрен в производственный процесс ОАО «ЕЭСК» модуль оценки нагрузочной способности трансформаторов силовых ПС 35(110)/6(10) кВ города Екатеринбурга. Программное обеспечение позволило в значительной степени упростить и ускорить процесс выполнения оценки технического состояния и определения резерва мощности. Специально разработанная версия данного модуля (учебная) используется для выполнения курсовых и дипломных проектов на кафедре АЭС УГТУ-УПИ.