ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РУСИНА АНАСТАСИЯ ГЕОРГИЕВНА ДОЦЕНТ КАФ

ОПТИМИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ РУСИНА АНАСТАСИЯ ГЕОРГИЕВНА ДОЦЕНТ КАФ. АЭЭС, К. Т. Н. II - 211 1

Таблица эквивалентности итоговых оценок Хар-ка работы студента Диапазон Букв. баллов эквив. А+ A Отлично 90 -100 A– B+ B Очень хорошо 80 -89 B– C+ 73 -79 Хорошо C C– D+ Удовл 60 -72 D D– Посредственно 50 -59 E Неудовл 25 -49 FX Неудовл (без возможности 0 -24 F пересдачи) Диапазон баллов 97 -100 93 -96 90 -92 87 -89 83 -86 80 -82 77 -79 73 -76 70 -72 67 -69 63 -66 60 -62 50 -59 25 -49 0 -24 Традиционная оценка Отлично 87 -100 (14) Хорошо 70 -86 (17) Удовл 50 -69 (20) Неуд 0 -49 (50) 2

Вид работы Лекции+мини к/р Задачи и упражнения Лабораторные работы Контрольная работа Расчетно-графическая работа Итого За одну Кол-во Всего работ 4 5 20 1 6 6 4 4 16 8 10 - 10 60 3

График работ Лекции 1 2 3 4 Вводная лекция. Общая постановка задачи оптимизации. Математическая модель. Методы решения задачи линейного программирования. Графический метод. Симплекс-метод решения задачи линейного программирования. 7 8 Транспортная задача линейного программирования Методы нелинейного программирования. Метод равенства относительных приростов. Аналитический и графический способ решения. Определение потерь мощности без расчёта режима сети. Градиентный метод. Лабораторные работы Тесты РГР Тест № 1 Тест № 2 Графический метод Симплекс-метод решения задачи линейного программирования 5 6 Практические занятия Методы линейного программирования Транспортная задача линейного программирования Тест № 3 Метод равенства относительных приростов 9 Метод Ньютона второго порядка. 10 11 Методы учёта ограничений. Методы повышения экономичности сети. Градиентный метод. 12 Методы расчёта режима сети. Метод Ньютона второго порядка. 13 Методы динамического программирования. 14 Методы динамического программирования. Тест № 4 Тест № 5 Повышение экономичности работы сети (Rastr. Win) Итоговая контрольная работа 15 Защита 16 17 ПК АНАРЕС 4

Основной список литературы Филиппова Т. А. , Сидоркин Ю. М. , Русина А. Г. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем : учебник / Т. А. Филиппова, Ю. М. Сидоркин, А. Г. Русина - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2007. – 355 с. Вентцель Е. С. Исследование операций : задачи, принципы, методология / Е. С. Вентцель. - М. , 1988. - 208 с. Оптимизация в электроэнергетических системах. Методические указания и задания к практическим занятиям и лабораторным работам для студентов IV курса ФЭН, направление 140200 «Электроэнергетика» , Сидоркин Ю. М. , Лыкин А. В. , Медведков В. В. НГТУ, 2005 (№ 3015). АСУ и оптимизация режимов энергосистем: Учебное пособие для студентов ВУЗов/ Арзамасцев Д. А, Бартоломей П. И, Холян А. М; под ред. Д. А. Арзамасцева. – М. : Высшая школа, 1983. – 208 с. Филиппова Т. А. Энергетические режимы электрических станций и электроэнергетических систем : учебник / Т. А. Филиппова. – Новосибирск : Изд -во НГТУ, 2005. – 300 с. – (Серия «Учебники НГТУ» ). 5

Понятие «Оптимизация» Задача Первоначальное решение Критерий оценки Оптимизация • Что рассматривается • Задача как-то решена • Оценим решение • Попробуем улучшить решение 6

Понятие «Оптимизация» 1. Задача – что будем считать и как оценивать результаты (по какому критерию) 2. Какая нужна информация. Выбор из базы данных нужной информации для решения задачи 3. Использование информации в обобщенном виде и составление прогнозов. 4. Оптимизация. Принципы: • использование возможностей математики, без которой найти решение для такого сложного объекта невозможно; • использовать компьютерные технологии; • использовать математические методы прогнозирования входной информации, что повышает достоверность расчетов, • использовать интерактивные методы участия человека для частичного преодоления неопределенности конечного результата 7

Примеры В ЦДУ ЕЭС СССР были разработаны программы составления оптимальных суточных балансов. В них учитывались все особенности районных систем (примерно 100), работа ГЭС двух каскадов Волжско– Камского и Днепровского (примерно 15 ГЭС), сети напряжением 220 – 1150 к. В. Методы оптимизации: неопределённых множителей Лагранжа, градиентный. В СЭИ (ИСЭМ) была разработана программа оптимизации суточного режима ОЭС Сибири. В ней учитывались особенности районных систем ОЭС, работа ГЭС Ангаро-Енисейского каскада и сетей 220500 КВ. Методы оптимизации: неопределённых множителей Лагранжа, приведённого градиента. 8

Принципы решения задач оптимизации Задачи формализуются, и при этом для них разрабатываются математические модели. Это позволяет использовать компьютерные системы и компьютерные технологии. Главная задача заключается в выборе такого математического аппарата оптимизации, который отвечает содержанию задачи и целям ее решения. Рассматриваются математические особенности методов оптимизации, которые излагаются в курсе 9

Задачи оптимизации Балансовые задачи: распределение требуемой потребителями электроэнергии между стациями и системами. Их часто называют оптимальное распределение нагрузки. Транспортные задачи оптимального использования ресурсов. Например, на каких шахтах закупать уголь, как распределять ограниченные материальные запасы со складов между предприятиями энергетики, как распределять ограниченные финансовые ресурсы и пр. Задачи развития: где строить станции, какие параметры ЛЭП надо выбирать, какая должна быть структура мощностей ЭЭС и др. 10

Формализация инженерной задачи на основе математической модели Задача Инженерная модель: цель, содержание, ограничения, критерии оценки решения Математическая модель – формализуются все инженерные позиции 11

Методы оптимизации Методы линейного программирования для решения производственно–хозяйственных задач и для задач развития энергетики Методы нелинейного программирования для решения режимных задач на стадии оперативного планирования режимов Метод динамического программирования для решения задач с дискретной целочисленной информацией Игровые методы для решения задач с большой неопределенностью информации 12

Уравнения цели Ц Нелинейная, выпуклая вверх Экстремум – максимум Разрыв непрерывности, в точке разрыва производной нет Линейная. Производная постоянная Нелинейная вогнутая. Экстремум минимум x 13

Общие возможности методов оптимизации при решении задач Методы Область Целевая Размерность по использования функция Х Наличие стандартных программ Специальные промышленные Нелинейное Режимы ЭЭС, программирования балансовые задачи Нелинейная до 500 - 10000 программы с учетом особенности инженерной модели Линейное программирования Динамическое программирования Транспортные задачи Линейная 5000 - 10000 Для выбора количества работающих агрегатов Имеются стандартные программы Программы индивидуальны с Любого вида До 500 на электростанциях учетом особенности инженерной модели Для решения задач с Игровые методы большой неопределенностью Любого вида До 100 Индивидуальные разработки информации 14

Математическая модель оптимизации Уравнение цели Уравнения связи Уравнения ограничений Уравнение оптимизации 15

Информация и ее значимость Детерминированная. При этом есть единственный результат решения задачи и оптимизации нет. Вероятностная с определенным законом распределения вероятностей ( нормальный, равномерный и др. ). Вероятностная информация позволяет найти решение с определенной мерой достоверности. Например, математическое ожидание результата. Вероятностная с неопределенностью закона распределения вероятностей. Тогда решение менее достоверное и находится в определенной зоне. Неопределенная. Это игровые подходы. 16

Информационная модель Выбор необходимой информации для рассматриваемой задачи Данные Обработка информации для процесса решения с учетом ее свойств Инженерная модель Информационное поле Математическая модель Модель принятия решения 17

Цель и задачи курса. Цель курса – формирование знаний, навыков и умений, необходимых для принятия научно-обоснованных решений. Задачи курса: ü Дать общее представление о методах принятия решений; ü Научить строить модели для решения некоторых общих задач управления; ü Дать инструмент для решения некоторых общих задач управления. 18

Электроэнергетические системы и принципы их работы 19

1. 1. Электроэнергетическая система Энергетика является отраслью жизнеобеспечения. Экономика государства, его политика, хозяйственная деятельность, жизнь населения неразрывно связаны с энергетикой. Цель отрасли электроэнергетики – обеспечить всех потребителей электрической энергией. 20

Особенности энергетики ØЭнергетика – чрезвычайно капиталоемкая отрасль, требующая громадные средства на ее развитие. ØПроизводство и потребление э/э совпадают на электронном уровне. Произвести э/э надо ровно столько, сколько её потребляется. ØПотребление э/э подвержено множеству случайных и неопределенных факторов. Погрешности предвидения потребления э/э с заблаговременностью в несколько минут составляют примерно 2%, а с годовой заблаговременностью до 10%. ØТепловая энергия является неотъемлемой частью современного комфорта, особенно в странах с холодным климатом. ØВсе электростанции имеют непрерывное производство. ØОсобенности коммерческой деятельности – сначала потребитель использует товар, а затем оплачивает его. 21

Работа в энергосистеме Достоинства: Ø Увеличивается использование установленной мощности станций ØРежим станций становится более равномерным ØУменьшается зависимость мощности станций от случайных колебаний нагрузки ØРежим мощностей, э/э, частота, напряжение меняются в лучшую сторону ØБлагоприятные условия по использованию энергоресурсов, особенно, в тех случаях, когда в системе имеются ГЭС ØУлучшаются условия проведения ремонтов ØПовышается надежность электроснабжения ØУлучшаются технико-экономические показатели электростанций и снижаются их издержки 22

Недостатки: Ø Сложность управления столь крупными объектами. Нужны комплексы средств и систем управления, которые бы позволили управлять системой как единым целом ØВозможность каскадного развития аварий ØУменьшается устойчивость параллельной работы ЭЭС ØПонижение качества во всей сети при небалансе мощности. 23

1. 2. Режимные задачи Параметры режима Электрические параметры энергетических систем: ток, напряжение, мощность, частота. Энергетические параметры силового оборудования: мощность, энергия, КПД, потери энергии. Энергетические параметры станции: мощность, энергия, транспорт мощности, потери при транспорте. 24

Технологический процесс в энергосистеме Технологический процесс – это процесс преобразования первичного энергоресурса (органического топлива, гидроэнергии, ядерного топлива) в конечную продукцию (э/э и тепловую энергию). Параметры и показатели технического процесса определяют эффективность производства. В котле К энергия горения топлива преобразуется в тепловую. Котел – это парогенератор. В турбине Т тепловая энергия преобразуется в механическую. В генераторе Г механическая энергия преобразуется в электрическую. 25

Производственный процесс энергетических объектов 26

1. 3. Требования потребителей к энергоснабжению Ø Бесперебойность ØНадежность ØОбеспечение качества энергии ØОбеспечение экономичности энергоснабжения 27

Бесперебойность энергоснабжения Гарантирует потребителю получение необходимого количества э/э и мощности. Бесперебойность – это отсутствие недоотпуска энергии и мощности потребителю. Надежность энергоснабжения Надежность – это гарантия бесперебойности. Надежность и бесперебойность связаны с затратами. 28

По надежности потребители э/э подразделяются на 3 категории. Первая. Потребители, для которых нарушение электроснабжения ведет к человеческим жертвам, массовому браку, расстройству технологического процесса, крупным поломкам. Вторая. Потребители, для которых нарушение электроснабжения приводит к массовому недоотпуску продукции, простою машин и механизмов, простою транспорта, нарушению деятельности людей. Третья. Потребители, для которых допустимы перерывы в электроснабжении на время ремонта, замены ненадежного оборудования, осмотров. Время перерыва электроснабжения на должно превышать одних суток. 29

Обеспечение качества энергии Параметрами качества являются частота системы и напряжение в тех узлах сети, от которых потребитель получает э/э. Частота поддерживается и регулируется частотным резервом. Напряжение поддерживается с помощью трансформаторов и автотрансформаторов с регулированием коэффициента трансформации и с использованием источников реактивной мощности. Для потребителей тепловой энергии параметрами качества является давление пара и температура в магистралях, от которых питаются потребители пара, и в теплофикационных магистралях, от которых питаются потребители тепловой энергии. Для каждого параметра устанавливается диапазон регулирования, это не только техническая, но также экономическая величина. Чем он меньше, тем труднее регулировать режим для поддержания регулируемого параметра. 30

Экономичность энергоснабжения потребителей Это требование зависит от цены товара на рынке. Рынок – это регулятор цен. Цена продажи зависит от конкурентности рынка. Она же зависит от затрат на производство э/э. Следовательно, для выполнения этого условия необходимо минимизировать все составляющие затрат: §Удельный расход топлива на производство э/э §Удельный расход э/э на СН электростанций §Удельный расход транспорте э/э, теряемой в сетях при 31

Схема управления режимами • Допустимые режимы: Нормальный режим, Вынужденный режим, Послеаварийный режим. • Аварийные режимы с недопустимыми отклонениями параметров: Синхронный режим с недопустимой частотой, Синхронный режим с недопустимым напряжением, Синхронный режим с недопустимой загрузкой оборудования или сечений электрической сети, Асинхронный режим, Режим синхронных качаний, Режим неконтролируемого самовозбуждения синхронных машин. • Аварийные режимы с нарушенной структурой системы: Режим с ослабленной структурой, Режим с разделением энергосистемы на изолированно работающие части, Режим с отделением от энергосистемы неработоспособных частей. 32

1. 4. Виды режимов Нормальные – все параметры находятся в допустимой области, соблюдаются все ограничения требования и нормы. Основная задача – соблюдать все требования к электроснабжению и добиваться экономичности режимов. Утяжеленные – часть параметров находится на границах их нормального состояния. Основная задача – увеличить внимание к режимам и по возможности установить более легкий режим, например разгрузить оборудование. Аварийные – параметры выходят за допустимые значения. Основная задача – ввести режим в допустимую область в предельно короткие сроки. 33

Переход от нормальных режимов к утяжеленным или аварийным происходит в результате возмущающих воздействий. Это могут быть изменения нагрузки потребителей, аварийные отключения оборудования, нарушения устойчивости, короткие замыкания в сетях. Главной целью является быстрый ввод режима в допустимую областью. Соображения экономичности отступают на второй план. 34