Оптимизация электромагнитной обстановки в электроэнергетических системах на основе нечеткой логики (стр. 3 )

В результате имеем два критерия: K1 – потери активной мощности, обусловленные режимом компенсации, K2 – потери активной мощности от несинусоидального режима. Пусть имеется 21 альтернативных вариантов конфигураций ФКУ. Кроме того, в результате аналитических расчетов, либо расчетов с помощью аппарата нечеткой логики, находятся оптимальные решения структуры ФКУ по каждому из критериев в отдельности, а также находятся соответствующие оценки альтернативы по данному критерию (рис. 8).

Данные, характеризующие степень принадлежности потерь мощности в сети рассматриваемым критериям:

, (3)

. (4)

Существует несколько правил выбора. В соответствии с одним из них сначала находят соответствующие минимальные значения, из которых затем выбирают максимальное: оно указывает на результат.

(5)

На рис.8 изображены оценки альтернатив, соответствующие критериям (3) и (4). Согласно первому этапу находим минимальные значения, «проходя» по каждому ряду (альтернативе) рис. 8. На втором этапе алгоритма выбираем наибольшее из значений результата первого этапа – это и будет оптимальный результат (рис. 8). По соответствующему оптимальному результату определяется окончательная альтернатива (в данном примере – альтернатива №6) и параметры ФКУ.

В таблице 4 приведено сравнение параметров ФКУ, полученных для тестового примера при помощи аппарата нечеткой логики и аналитическим методом, в котором управляемые параметры представлялись непрерывными функциями.

В случае если критерии имеют различную важность, каждому из них приписывается число (чем важнее критерий, тем оно больше), и правило выбора принимает вид

(6)

Таблица 4 – Расчеты параметров ФКУ

Параметры ФКУ	Нечеткая логика	Аналитический метод
QC,n =3	500	498
QL,n =3	55	55
QC,n =5	1620	1622
QL,n =5	65	65

Коэффициенты относительной важности определяются на основе процедуры парного сравнения критериев. Вначале формируется матрица M, элементы которой удовлетворяют следующим условиям: Затем находится - собственный вектор матрицы M, соответствующий максимальному собственному значению . Искомые значения коэффициентовполучаются умножением элементов w на n для выполнения условия

(7)

В общем случае задача может быть сформулирована следующим образом: синтезировать в классе структур (звезда, треугольник) на основе силовых реактивных элементов технически реализуемый вектор (статический случай) или последовательность векторов (при учете динамики) управления несимметричным режимом, обеспечивающих поддержание режима в области допустимых значений, допустимые расходы ресурсов и обеспечивающий соответствующий уровень электромагнитной безопасности.

Важным аспектом оптимизации работы электрических сетей является повышение их экологической безопасности и снижение влияния электромагнитного воздействия на окружающую среду и человека. На рис. 9 изображено поле, создаваемое линией электропередачи 220 кВ. На линии 1, расположенной на высоте человека среднего роста показана - ширина зоны неблагоприятного влияния поля; - коэффициент несимметрии. Рассматривается шесть альтернативных вариантов (таблица 5), при которых соответствующие устройства на основе силовых реактивных элементов (,,…,) позволяют повысить качество электрической энергии (начиная с уровня =12%), уменьшить ширину зоны неблагоприятного влияния поля () при наименьших суммарных потерях мощности ().

Рисунок 9 - Участок линии 220 кВ на типовых опорах ПУС220-1

Таблица 5 – Варианты конструкции устройств

,%	, м	,%	Альтернативный вариант уcтройства
0	0	0,81	а1
2	1,1	0,73	а2
4	5,1	0,53	а3
6	5,9	0,45	а4
8	6,7	0,78	а5
12	8,4	1,05	а6

Суммарные потери мощности - это потери активной мощности во всех элементах (включая потери в альтернативном устройстве), выраженные в процентах от передаваемой по линии мощности.

Рассмотрен выбор устройства на основе силовых реактивных элементов исходя из следующих критериев: - качество электроэнергии (рассматривается несимметричный режим), - уровень электромагнитной безопасности (ширина зоны неблагоприятного влияния поля), - расходы ресурсов (суммарные потери мощности).

В результате решения получено, что максимальное значение принадлежности имеет альтернатива - её и следует выбирать в качестве оптимального варианта устройства. Напомним, что вариант позволяет повысить качество электрической энергии с уровня =12% до уровня =2%, при этом ширина зоны неблагоприятного поля =1,1 м, а потери мощности (включая потери активной мощности в самом устройстве ) становятся равными 0,73% передаваемой по ЛЭП мощности.

Поддержание оптимальной электромагнитной обстановки в электроэнергетических системах имеет принципиальное значение, особенно для таких объектов, как подстанции. Была рассмотрена задача следующего типа: определить параметры устройства, состоящего из нелинейного ограничителя перенапряжений и демпфирующего однорезонансного сериесного фильтра при которых будет оптимальная электромагнитная обстановка на подстанции. При этом рассматривались и достигались следующие факторы: низкий уровень атмосферных и коммутационных перенапряжений на подстанции, наименьшая зона неблагоприятного поля набегающих импульсов перенапряжений, снижение уровня субгармонических от наведенного напряжения геомагнитным полем Земли, малые потери мощности в устройстве. Моделирование проводилось при помощи пакета Matlab Simulink. Схема, созданная для исследования воздействия набегающих с линии импульсов перенапряжений, изображена на рис. 10, а.

а б

Рисунок 10 - Схема подстанции 220 кВ: а - для исследования набегания импульса перенапряжения; б - для случая наведения субгармонических

На рис. 10, б показана схема, созданная для исследования воздействия субгармонических от наведенного напряжения геомагнитным полем Земли, негативно влияющим на работу электронных систем защиты и автоматики и в некоторых случаях приводящих электрическую систему в резонансный режим на частоте субгармоник, опасно влияющих на работу системы в целом. Использование схем связано с непосредственным многокритериальным анализом на основе нечеткой логики и позволяют адекватно оценить вклад каждого рассматриваемого критерия в общее решение поставленной задачи.

В настоящей системе особую трудность представляет модель трансформатора, которая с достаточной точностью могла бы описать как установившийся, так и переходный режим с учетом волновых процессов в его обмотках. В основу моделирования положен принцип разделения обмоток на достаточно большое число элементов (катушек, групп катушек или слоев), имеющих собственную и взаимную индуктивности, продольную емкость и емкость на соседние элементы и магнитопровод.

Рисунок 11 - Блок магнитной связи Рисунок 12 - Блок магнитосвя-

занного элемента обмотки

Задача моделирования усложняется тем, что в стандартных библиотеках Simulink отсутствуют магнитосвязанные элементы. Тем не менее, средства Simulink позволяют решить и такую задачу. Пусть взаимная индуктивность между элементами (катушками) первичной обмотки , тогда напряжение в n-ном элементе первичной и вторичной обмотки, индуцируемое другими элементами:

; (8)

где

(9)

В соответствии с полученными выражениями можем построить необходимые блоки. Блок магнитной связи (рис. 11.) представляет собой систему, построенную по выражению (9). Как следует из выражений (8), элементы первичной обмотки имеют аналогичную структуру, что и элементы вторичной обмотки и отличаются от них только соответствующими коэффициентами. Блок магнитосвязанного элемента обмотки показан на рис. 12.

Независимо от создания модели были проведены опыты с реальными трансформаторами, находящимися в складском резерве РЭС-5 ЮЭС Хакасэнерго. При сравнении осциллограмм была подтверждена работоспособность модели в получении успешных результатов, отражающих как качественную, так и количественную картину происходящих процессов в реальных трансформаторах.

В четвертой главе приведены результаты практической реализации работы. Представлено решения задач управления применительно к системе электроснабжения поликлиники г. Саяногорска, управление ЭМО в Хакасской энергосистеме, результаты мониторинга ЭМО линий электропередачи Хакасской энергосистемы, а также обоснование и практический выбор критериев оптимальности.

Для Хакасской энергосистемы, а именно Абакано-Черногорского энергетического узла, задача ситуационного управления формулировалась следующим образом: определить оптимальную мощность КУ на подстанциях при изменении реактивной нагрузки в заданных пределах при выполнении условия полной компенсации. Оптимальное управление мощностями КУ производится по критерию минимума потерь активной мощности в сети.

Исходными данными при моделировании является информация, предоставленная ОАО “Хакасэнерго”: а) параметры линий 110-500 кВ Хакасской энергосистемы и ХП МЭС; б) интегральные акты учета перетоков электрической энергии по сечению ОАО "ФСК ЕЭС"(МЭС Сибири - ОАО "Хакасские магистраьные сети") - ОАО "Хакасэнерго" - ОАО "Хакасэнергосбыт".

Выполняя двухэтапную процедуру построения нечеткой моделей типа Сугэно, генерируется система нечеткого логического вывода из данных (обучающая выборка) с использованием субтрактивной кластеризации. При этом результат выполнения рассматривается как исходная система для обучения посредством технологии ANFIS. Экстракция правил из данных происходит в два этапа: 1) с помощью встроенных функций MATLAB (Fuzzy Logic Toolbox), определяются количество правил и мощности терм-множеств выходных переменных; 2) с помощью метода наименьших квадратов определяется "то-"часть каждого правила. В результате этого получается система нечеткого логического вывода с базой правил, покрывающих все предметную область.

Для решения поставленной задачи управления используем систему типа Мамдани, т. к. заранее неизвестно какие мощности КУ необходимо выставить, чтобы потери в сети были минимальные. Также заранее не известно, как изменится нагрузка в следующий промежуток времени. Входными переменными будут потери активной мощности в электроэнергетической системе, реактивная мощность КУ, устанавливаемых на подстанциях и реактивная мощность нагрузок в данный момент времени. Выходными переменными будут изменения реактивных мощностей КУ, устанавливаемых на трансформаторных подстанциях. В полученной системе Мамдани тип функции принадлежности каждого терма входных и выходных переменных является гауссова кривая.

Рисунок 13 - График электрической нагрузки на ПС “Элеваторная”

Реализуем задачу управления на примере ПС “Элеваторная”. График электрической нагрузки (активной и реактивной мощности) на ПС “Элеваторная” по месяцам года представлен на рис. 13.

Графики потерь активной мощности в линии С-99/100 по месяцам показан на рис. 14 (соответственно - до применения мероприятий по КРМ, - после).

Рисунок 14 - Графики потерь активной мощности в линии С-99/100

Отклонения напряжений (по месяцам) на ПС “Элеваторная” показаны на рис. 15 (соответственно d- до применения мероприятий по КРМ, d- после).

Рисунок 15 - Уровни напряжений на ПС “Элеваторная”

Анализ зависимостей рис. 14 показывает значительное снижение потерь активной мощности при использовании разработанного алгоритма управления. Несмотря на то, что отклонения напряжений (рис. 15) на ПС “Элеваторная” соответствуют ГОСТ 13109 (не снижается ниже допустимого 5%-го уровня), тем не менее разработанный алгоритм ситуационного управления позволяет улучшить качество поставляемой электрической энергии и снизить наибольшее отклонение напряжения до 1,64 %.

В заключении приведены результаты исследований усовершенствованных методов теории управления сложными динамическими процессами в электроэнергетических системах, функционирующими в условиях неопределенности исходных данных, а также результаты применения метода многокритериального управления качеством электроэнергии на базе нечеткой логики для случая критериев различной и одинаковой важности. Кроме того, представлены результаты исследования метода ситуационного управления качеством электроэнергии на основе нечеткой логики, отличительной стороной которого является описание условий и метода решения задачи на языке, близком к естественному. Показаны результаты применения алгоритмов управления динамическими объектами электроэнергетических систем, учитывающие ограниченные вычислительные средства микропроцессорных систем и нечеткость исходных данных.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны методы управления сложными объектами в условиях нечеткости исходной информации с использованием математического аппарата формализации опыта специалистов, выступающих в роли экспертов, в части моделирования нечетких схем принятия решений в электроэнергетических системах. Применение современных эффективных математических методов в области электромагнитной совместимости позволяет радикально изменить существующую методику оптимального управления. Доказано, что для этой цели целесообразно использовать многокритериальный подход на основе нечеткой логики.

2. Разработан метод многокритериального управления качеством электроэнергии на базе нечеткой логики для случая критериев различной важности. В этом плане нечеткая логика рассматривается как наиболее перспективный метод поиска оптимальных решений в многокритериальных задачах оптимизации, а алгоритм решения задач многоцелевой оптимизации электромагнитной обстановки в системах электроснабжения путем учета большого числа связей удовлетворяет самым разнообразным требованиям.

3. Предложен алгоритм применения аппарата нечёткой логики при многокритериальном управлении электромагнитной совместимостью для случая критериев одинаковой важности, при этом достигается наиболее обоснованный выбор стратегии управления, характеризующийся большой эффективностью, связанной с универсальностью.

4. Разработаны методы идентификации нечетких состояний объектов управления в ситуационных моделях принятия решений. Разработан алгоритм долгосрочного и ситуационного нечеткого управления электромагнитной обстановкой в электроэнергетических системах, отличающаяся высоким уровнем гибкости и прозрачности, при котором описание условий и метода решения задачи происходит на языке, близком к естественному.

5. Определена необходимость и особенности использования нечеткой логики при решении задачи управления электромагнитной обстановкой в электроэнергетических системах, заключающегося в комплексном применении процедур многокритериального анализа. При оптимизации электромагнитной обстановки помимо экономической эффективности, необходимо учитывать социальные и экологические воздействия, влияние на здоровье и безопасность людей. Необходим многокритериальный анализ с точки зрения общественной эффективности. Комплексное использование процедур анализа на базе нечеткой логики позволяет получить решение более высокого качества.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Чистяков, передачи импульсных перенапряжений в электрические сети низкого напряжения [Текст] / , , // Технологии электромагнитной совместимости. – 2006. - №18.-С. 27-34. Чистяков, электромагнитной обстановки линий электропередачи Хакасской энергосистемы [Текст] / , // Известия Вузов. Проблемы энергетики.- 2009.- №5-6.

3. Чистяков, электромагнитной обстановки вблизи воздушных линий электропередачи при нарушении симметрии [Текст] / , // Экологические системы и приборы. – 2008. - №7.

4. Чистяков, нечеткой логики при оптимизации компенсации реактивных нагрузок [Текст] / , // Электрика. – 2006. - №12.-С. 20-24.

5. Чистяков, управление электромагнитной совместимостью в электрических системах на основе аппарата нечетких множеств [Текст] / , // Интеллектуальные ресурсы ХТИ – филиала СФУ – Хакасии – 2007 (наука, техника, образование): Сб. тезисов НПК / Под. ред. . – Красноярск: СФУ; ХТИ – филиал СФУ, 2007. – С. 142-145.

6. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки № 000. Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Программный продукт. Оптимизация качества электроэнергии на основе нечеткой логики [Текст] / , .-№; регистр. 24.01.2007; выд. 30.01.2007.-7 с.

7. Чистяков, аппарата нечеткой логики при многокритериальном управлении фильтрокомпенсирующими устройствами [Текст] / , // Вестник Хакасского технического института – Филиала ВГОУ ВПО “СИБИРСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА”, №23, 2007 г. с. 74-80.

8. Чистяков, Г. Н. К вопросу о допустимых воздействиях электромагнитных полей воздушных линий электропередач на боорганизмы [Текст] / , // Вестник Хакасского технического института – Филиала ВГОУ ВПО “СИБИРСКОГО ФЕДЕРАЛЬНОГО УНИВЕРСИТЕТА”, №24, 2007.

9. Чистяков, безопасность как один из критериев многоцелевого управления электромагнитной совместимостью в электрических системах [Текст] / , // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Всероссийской научно-практической конференции.- Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2008 – 628 с.

10. Чистяков подход к управлению электромагнитной обстановкой в электрических системах на основе нечетких множеств [Текст] / , // XIV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» / Сборник трудов в 3-х томах. Т. 1. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 20с.