Анализ режимов работы электрических сетей ОАО "ММК им. Ильича" и разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления

Анализ режимов работы электрических сетей ОАО "ММК им. Ильича" и разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления

Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Факультет информационных технологий

Кафедра автоматизации энергетических систем и электропривода

Специальность “Системы управления производством и распределением электроэнергии”

МАГИСТЕРСКАЯ РАБОТА

по специальности 8.090615 “Системы управления производством и распределением электроэнергии”

на тему: Анализ режимов работы электрических сетей ОАО "ММК им. Ильича" и разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления

Студент Трубчанинова Анна Васильевна

Руководитель

Нормоконтроль

Рецензент

Проект рассмотрен на заседании кафедры

и допущен к защите в ГЭК

Зав. кафедрой АЭС и ЭП

В.Н. Кравченко

Мариуполь 2006 г

"УТВЕРЖДАЮ"

Зав. кафедрой АЭС и ЭП

_____________ В.Н. Кравченко

ЗАДАНИЕ

на аттестационную работу магистра Трубчанинова Анна Васильевна

1. Тема работы Исследование режимов работы электрических сетей ОАО "ММК им. Ильича" и разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления        

Тема утверждена приказом по ПГТУ №12-05 от 1 февраля 2006 г.

2. Цель исследования Определение оптимальных режимов работы электрических сетей. Разработка программного обеспечения для расчета оптимальных режимов работы электрических сетей.  

3. Исходные данные (характеристика объекта, условий исследования и др.)

Однолинейные схемы замещения электрических сетей. Графики нагрузок подстанций.

4. Основные задачи исследования:

Определить диапазон изменения параметров электрических сетей и нагрузок в рабочих и типовых аварийных режимах.      

Исследовать и выбрать наиболее эффективные методы оптимизации режимов сетей.

5. Срок представления работы к защите - 1 июня 2006 г.

6. Дата выдачи задания - 1 сентября 2005 г.

Научный руководитель        _______________________

Задание принял к выполнению _________________

Календарный план

Студент _____________________________

Руководитель проекта _________________

Реферат

Пояснительная записка: 96 страниц, 25 рисунков, 21 таблица, 3 приложения, 14 источников.

Объект исследования: электрическая сеть ОАО ММК им. Ильича

Рассмотрены вопросы оптимизации текущего режима электропотребления по реактивной мощности и разработки адаптивной системы управления режимами электропотребления.

Разработано программное обеспечение по определению оптимальных режимов работы электрических сетей.

Предложена система автоматизации процесса распределения реактивной мощности, реализованная на оборудовании фирмы Allen-Bradley.

Разработанная система автоматизации производит сбор необходимых параметров, рассчитывает текущий режим, определяет оптимальные мощности компенсирующих устройств и передает управляющие воздействия на устройства, регулирующие мощности компенсирующих устройств.

ОПТИМИЗАЦИЯ, ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЕ, РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ, АКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ, ПОТЕРИ МОЩНОСТИ, АВТОМАТИЗАЦИЯ

Abstract

Explanatory note: 96 page, 25 drawings, 21 tables, 3 exhibits, 14 sources.

Object of research: electric network OAO MMK im. Iliicha

Considereded questions of optimization current mode electroconsumptions on reactive power and development adaptive managerial system by modes of electroconsumption.

Designeded software on determination of optimum states of working electric networks.

Offereded system to automation of process of distribution reactive power marketed on equipping the company Allen-Bradley.

Designeded system to automations produces the collection of necessary parameters, calculates the current mode, defines the optimum power compensating device and will send (pass) controlling influences on device, regulative power compensating device.

OPTIMIZATION, ELECTROCONSUMPTION, REACTIVE POWER, ACTIVE POWER, LOSS a POWER, AUTOMATION

Содержание

Введение........................................................................................................... 9

1 Исследование методов оптимизации   17

1.1 Основные понятия и определения оптимизации 17

1.2 Математическая модель 17

1.3 Методы решения оптимизационных задач         19

1.3.1 Общая характеристика методов решения задач нелинейного программирования         19

1.4 Методы прямого поиска 21

1.4.1 Метод Хука-Дживса    22

1.4.1.1 Исследующий поиск.          23

1.4.1.2 Поиск по образцу.    23

1.4.1.3 Описание алгоритма метода       24

1.4.2 Метод комплексов       25

1.4.3 Методы случайного поиска  27

1.4.4 Метод покоординатного спуска    29

1.5 Градиентные методы      30

1.5.1 Градиентный метод с постоянным шагом        31

1.5.2 Метод скорейшего спуска     32

1.5.3 Метод проектирования градиента 35

1.6 Метод штрафных функций      38

1.7 Методы полиномиальной аппроксимации 39

1.7.1 Квадратичная аппроксимация       40

1.7.1.1 Метод Пауэлла         41

1.7.2 Кубическая интерполяция    43

1.7.3 Квадратичные функции        46

1.8 Метод Нелдера-Мида     48

1.9 Метод неопределенных множителей Лагранжа  54

1.10 Выбор метода оптимизации  56

2 Разработка метода оптимизации по реактивной мощности    58

3 Разработка программного обеспечения метода оптимизации 66

4. Разработка адаптивной системы управления режимами электропотребления  73

4.1 Функции автоматизированной системы     73

4.2 Описание работы системы       73

4.2.1 Ввод системы в работу         73

4.2.2 Работа системы в нормальном режиме   74

4.2.3 Работа системы в случае изменения конфигурации сети   75

4.3 Требования к оборудованию и программному обеспечению        77

4.4 Выбор оборудование для адаптивной системы  78

4.4.1 Учет электроэнергии   78

4.4.1.1 Устройства мониторинга PowerMonitor       79

4.4.1.2 Программное обеспечение RSEnergy для контроля электропотребления 80

4.4.2 Процессор для диспетчерского пункта   80

4.4.3 Сервер связи       81

4.4.3.1 Основные преимущества   83

4.4.3.2 Минимальные требования RSLinx:      84

4.4.3.3 Различия между разными версиями программного обеспечения RSLinx 84

4.4.3.4 Версия программного обеспечения RSLinx Lite    84

4.4.3.5 Версия программного обеспечения RSLinx OEM 85

4.4.3.6 Версия программного обеспечения RSLinx Professional         86

4.4.3.7 Версия программного обеспечения RSLinx Gateway     87

4.4.3.8 Версия программного обеспечения RSLinx SDK  88

4.4.3.9 Графические функции SuperWho и RSWho  89

5 Исследование и получение оптимальных режимов для ОАО "ММК им. Ильича"      90

5.1 Расчет параметров схемы замещения        90

5.1.1 Теоретические положения    90

5.1.2 Расчет параметров схем замещения линий      93

5.1.3 Расчет параметров схем замещения трансформаторов     93

5.2 Расчет сети при различных нагрузках      100

Выводы     103

Перечень ссылок         104

Приложение А    106

Приложение Б    118

Введение

При исследовании режимов электрических сетей необходимо обратить особое внимание на явления, связанные с передачей реактивной мощности по сети, а также на способы ее компенсации.

В отличие от активной мощности реактивная мощность, потребляется элементами сети и электроприемниками в соизмеримых количествах. При этом она может генерироваться не только на электрических станциях, но и в сети. В частности, генерация реактивной мощности емкостью линий является вынужденной.

Реактивная мощность является практически удачной формой учета условий протекания периодических процессов в цепи переменного тока. Поскольку для обеспечения условий их протекания при допустимых параметра режима приходится применять специальные компенсирующие устройства, то возникает задача их наивыгоднейшего использования в условиях эксплуатации сети.

При решении этой задачи целесообразно прежде всего выяснить, с какими дополнительными явлениями связана передача реактивной мощности по элементам сети и какое влияние эти явления оказывают на технико-экономические показатели работы систем электроснабжения.

Как известно, передача реактивной мощности приводит к увеличению потерь напряжения в сети. С передачей реактивной мощности непосредственно связано увеличение нагрузки в соответствующих элементах сети.

Отсюда следует также и увеличение потерь активной мощности в элементах системы электроснабжения, которое должно учитываться в балансе по системе, т. е. компенсироваться соответствующей дополнительной установленной мощностью оборудования электрических станций.

Одновременно увеличиваются потери энергии за любой промежуток времени. Дополнительный расход электроэнергии означает дополнительный расход энергоносителей, практически - топлива, что связано с дополнительными денежными и материальными расходами.

Это означает, что для выполнения поставленной вначале задачи в действительности требуется генерация соответственно большей реактивной мощности, т. е. практически установка дополнительных компенсирующих устройств.

Следует обратить внимание и на вторичное явление. Указанное выше увеличение потерь напряжения при неограниченной величине высшего допустимого напряжения приводит к снижению его низшего значения у приемного конца сети. А это приводит к увеличению значений токов при тех же значениях передаваемой мощности и к дополнительной потере активной и реактивной мощности, а также к дополнительной потере энергии.

При наличии соответствующих компенсирующих устройств целесообразно компенсировать реактивную мощность на месте, по возможности устраняя передачу ее по элементам сети на большие расстояния. Однако надо иметь в виду, что включение в работу новых устройств или увеличение нагрузки уже работающих иногда приводит к увеличению потерь активной мощности в них. Наивыгоднейшее решение заранее может быть неизвестно и получается путем расчета.

В распределительных сетях, особенно в промышленности, обычно имеет место потребление реактивной мощности в больших количествах. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, только намагничивающий ток которых составляет от 40 до 60% номинального.

Компенсирующие устройства (батареи конденсаторов), устанавливаемые в распределительных сетях, могут быть использованы для регулирования напряжения. Это сокращает потребность в местных регулирующих устройствах. Поэтому экономичность работы компенсирующих устройств в распределительных сетях следует рассматривать с учетом воздействия на режим напряжений.

При этом потери энергии в сети не обязательно получаются наименьшими, так же как и в случае распределения активной мощности между электрическими станциями в энергетической системе. Наибольшим должен быть результирующий экономический эффект.

Другое положение получается при использовании реактивной мощности, генерируемой синхронными двигателями, которые могут быть установлены в промышленной распределительной сети. Генерация реактивной мощности синхронными двигателями приводит к аналогичном эффекту регулирования напряжения, но связана со значительными потерями активной мощности, а следовательно, и энергии в самих двигателях. Поэтому регулирование напряжения автоматическим изменением тока возбуждения синхронных двигателей не всегда экономически обосновано. Обычно использование для этого синхронных двигателей малой мощности экономически не оправдывается.

В питающей сети, на всех приемных подстанциях которой имеются регулирующие устройства с достаточным регулировочным диапазоном, распределение реактивной мощности можно осуществлять по условиям экономичности работы самой питающей сети. Определяющими здесь являются условия минимума потерь активной мощности в сети при заданных ограничениях по наибольшему допустимому напряжению и рабочей реактивной мощности источников питания.

В послеаварийных режимах перераспределением реактивной мощности в сети часто удается улучшить параметры режима. При этом экономичность режима приходится рассматривать как факт второстепенный.

Комплексная проблема определения оптимальных условий эксплуатации энергосистем или энергообъединений должна решаться на основе использования экономического критерия минимизации приведенных народнохозяйственных затрат на производство и распределение электрической и тепловой энергии. Решение этой проблемы в настоящее время осуществляется на основе рассмотрения ряда взаимосвязанных задач, условно представленных на рисунке ниже.

Каждая из перечисленных задач характеризуется своими частичным экономическим критерием и математической моделью поведения энергосистемы, которым отвечают определенные алгоритмы, наиболее полно учитывающие специфику задачи. В процессе решения используются различные исходные данные, в значительной мере вероятностные и неравноточные.

Под задачей оптимизации текущего режима энергосистемы или энергообъединения понимают наивыгоднейшее распределение генерируемых активных и реактивных мощностей между электростанциями, а также другими регулируемыми источниками реактивной мощности - синхронными компенсаторами, управляемыми реакторами и батареями статических конденсаторов, которому отвечает минимум эксплуатационных издержек И на производство и распределение электрической и тепловой энергии в топливном или стоимостном выражениях: И(Z)=min. Целевая функция И зависит от вектора переменных Z, включающего в себя всю совокупность параметров режима.

В зависимости от принятой математической модели оптимизации, определяемой частичной задачей оптимизации и допущениями при составлении модели, в состав Z могут входить активные и реактивные мощности электростанций , коэффициенты трансформации (в общем случае комплексные) , модули напряжений  в некоторых или во всех узлах расчетной схемы, а при необходимости и другие параметры режима и оборудования.

Рис. Взаимосвязь различных задач оптимизации режимов

Составляющие вектора Z связаны между собой рядом конкретных условий, накладываемых свойствами электрической сети, техническими характеристиками и условиями надежной работы оборудования. Сюда относятся обеспечение баланса мощностей, ограничение напряжений в узлах, ограничение тока и передаваемой мощности по линиям электропередачи, допустимость режимов по устойчивости параллельной работы электростанций, ограничение мощности электростанций по характеристикам оборудования и т. п.

В такой общей постановке задача оптимизации текущего режима является многоэкстремальной задачей нелинейного математического программирования и для произвольного вида функции И(Z) строгие методы ее решения не разработаны.

Из изложенного следует, что определения оптимального рабочего режима электрической сети в процессе ее текущей эксплуатации нужно значительное количество информации о параметрах режима и требуется выполнение достаточно сложных расчетов по ее обработке и получению ответа. В некоторых случаях задача должна решаться одновременно для всей энергетической системы. Для этого требуется достаточно сложное программное и аппаратное обеспечение, осуществляющее получение и обработку информации, а также управление всеми автоматизированными устройствами, имеющимися в системе.

В своем дипломном проекте я оптимизирую текущий режим энергосистемы, а именно, минимизирую целевую функцию путем решения задачи нелинейного программирования на языке программирования С++.

Задача безусловной минимизации (минимизации без ограничений) состоит в поиске минимума min f(х) , где функция f: R"®R - является по крайней мере непрерывной. Процедуры безусловной минимизации подразделяются на 3 категории:

оперирующие функцией одной переменной;

работающие с функцией нескольких переменных;

использующие нелинейный метод наименьших квадратов.

В случае функции одной переменной предполагается, что на исследуемом отрезке она имеет один экстремум. В противном случае осуществляется поиск локального минимума.

Поиск минимума функции нескольких переменных можно выполнить квазиньютоновским методом, модифицированным алгоритмом Ньютона, методом сопряженных градиентов и методом деформируемого многогранника.

Перечисленные процедуры обеспечивают поиск локального минимума. Если же функция имеет несколько локальных минимумов и необходимо найти наилучший, то следует испытать разные начальные точки и интервалы поиска. С процедурами, использующими только значения функции, следует употреблять двойную точность. Также полезно использовать процедуры контроля производной, обеспечивающие проверку работы пользовательских процедур, оценивающих производные. Как уже указывалось, в настоящее время не существует единообразного подхода к задаче оптимизации мгновенного режима энергосистемы. Все многообразие практических методов использования ЦВМ можно классифицировать по некоторым главным направлениям. Основными задачами расчетов могут являться:

а) комплексная оптимизация распределения активных и реактивных генерируемых мощностей и коэффициентов трансформации по условию минимума суммарного расхода или стоимости топлива в системе;

б) оптимальное распределение активных мощностей между электростанциями с приближенным учетом потерь в сети по условию минимума суммарного расхода или стоимости топлива;

в) оптимальное распределение реактивных мощностей между электростанциями и синхронными компенсаторами и выбор оптимальных коэффициентов трансформации регулируемых трансформаторов по минимуму потерь в сети.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6