ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ(ДонНТУ)
Сердюк Виталий Александрович
Тема магистерской работы:"Разработать автоматизированную систему оперативного управления энергетической нагрузкой в условиях Кураховской ТЭС"
факультет: "Компьютерных информационных технологий и автоматики" (КИТиА)
специальность: 8.080401 "Информационные управляющие системы и технологии"
Автореферат магистерской выпускной работы
Руководитель: канд. тех. наук, доц. Мокрый Г.В.
Донецк 2002 г.
E-mail:
sv_@ukrtop.com
Общая характеристика работы
Введение
В управлении энергетикой выделяют три вида
управления - административно - хозяйственное, техническое и оперативное.
Будем рассматривать главным образом последний вид управления - оперативное.
Оперативное управление часто называют диспетчерским, поскольку оно реализуется
с помощью специальной диспетчерской службы. Эта служба опирается на
сеть диспетчерских пунктов. Диспетчерское управление энергетики начало
создаваться с середины 20-х годов.
Диспетчерское управление - это централизованное
управление режимами энергосистемы, осуществляемое высшим оперативным
руководителем системы - диспетчером. Диспетчерское управление производится
непрерывно. Для успешной работы диспетчерского центра необходимо применение
определённых технических средств, представляющих диспетчеру информацию
о состоянии контролируемой им энергосистемы. В начале диспетчеризации
использовались простейшие щиты управления и обычные средства связи.
Позднее стали применяться средства телемеханики, автоматически сигнализирующие
на щите положение коммутационного оборудования в энергосистеме и измеряющие
основные режимные параметры.
С ростом объёмов информации и при ограничении
времени на ёё переработку возникла необходимость дополнять традиционные
диспетчерские средства управление современными вычислительными машинами,
а позднее приступить к внедрению в энергетику автоматизированных систем
диспетчерского управления - АСДУ.
Главная задача диспетчерского управления - это разработка режимов энергосистемы и их оперативное ведение. Разработанные режимы должны обеспечить бесперебойное энергоснабжение потребителей при стандартном качестве энергии и быть максимально экономичными для энергосистемы. Поиск и реализацию таких режимов будем называть процессом оптимизации режимов энергосистемы.
Актуальность темы
На данный момент тема магистерской работы
очень актуальна. Автоматизированная система диспетчерского управления
в настоящее время необходимое средство управление как тепловыми электрическими
станциями так и большими системами энергетики. Она обеспечивает управляемость
такой системой с помощью оперативного сбора существенной для управления
диспетчерской информации, её своевременной обработке и представление
диспетчеру в наиболее удобном виде. Автоматизированная система обеспечивает
ведение оптимальных режимов в больших объединениях и повышает надёжность
энергоснабжения.
Данная система оперативного управления нагрузкой на
основе разработанной математической модели, будет принимать решения
в зависимости от той или иной сложившейся ситуации. Т.е. данная система
будет анализировать данную ситуацию, и выдавать оперативное решение
дежурному инженеру электростанции. Данное решение будет отображаться
на дисплее компьютера дежурного инженера электростанции.
На мой взгляд, с разработкой такой системы и внедрением
её на производстве уменьшится вероятность ошибки дежурного инженера
и аварийности на электростанциях.
Цель работы
Целью данной магистерской работы является создание и исследование автоматизированной системы оперативного управления энергетической нагрузкой Кураховской ТЭС, которая позволяет исключить ошибки в управлении энергетической нагрузкой и может быть использована в качестве вспомогательного материала при принятии решения.
- Анализ существующих систем.
- Разработка модели прогнозирования.
- Разработка модели оптимального планирования.
- Разработка математической модели энергетической нагрузки.
- Опробация разработанной математической модели.
Развёрнутое содержание магистерской работы
Введение
1. Анализ состояния исследуемого вопроса.
1.1. Анализ существующих систем диспетчерского управления.
1.2. Анализ существующих систем оперативного управления энергетической нагрузкой.
1.3. Цели и задачи исследования.
2. Разработка математической модели энергетической нагрузки.
2.1. Разработка математической модели прогнозирования.
2.1.1. Выбор и обоснование метода прогнозирования.
2.1.2. Выбор модели дающей минимальную ошибку прогноза.
2.2. Разработка математической модели оптимизационного планирования.
2.2.1. Выбор и обоснование метода оптимизационного планирования.
2.3. Практическое применение математической модели.
3. Опробывание разработанной математической модели и анализ результатов.
4. Разработка автоматизированной системы оперативного управления энергетической нагрузкой.
4.1. Требование к системе в целом.
4.1.1. Требованию к структуре и функционированию системы.
4.1.2. Требование к сохранности информации при авариях.
4.1.3. Требование к надёжности.
4.2. Требование к функциям, выполняемым системой.
4.3. Требование к видам обеспечение.
4.3.1. Требование к информационному обеспечению.
4.3.2. Требование к программному обеспечению.
4.3.3. Требование к техническому обеспечению.
4.3.4. Требование к математическому обеспечению.
5. Взаимодействие разработанной системы с другими системами.
Выводы о проделанной работе.
Список используемых источников.
Ожидаемые результаты и степень их новизны
Вся деятельность, как генерирующей компании, так и ТЭС направлена на конечный результат своей деятельности - снижение себестоимости продукции, т.е. цены вырабатываемой электроэнергии. Этот показатель является основным критерием энергосистемы на Энергорынке Украины. Особая роль в этом вопросе отводится оперативному управлению энергетической нагрузкой.
Для достижения этой цели необходимы наиболее перспективные методы планирования и прогнозирования, которые учитывают все факторы, необходимые для стабильной работы ТЭС.
Ожидаемым результатом в данной работе будет математическая модель энергетической нагрузки, которая объединит все факторы планирования и прогнозирования производственного процесса и будет наиболее точным отражением фактической нагрузки энергосистемы.
Анализ исследуемого вопроса по утверждёной теме
Энергетическое производство имеет ряд особенностей, которые отличают его от производства и планирования на других промышленных предприятиях и объединениях. Эти особенности вытекают из специфических свойств энергии (электроэнергии и тепла) как продуктов производства и потребления. Наиболее резко они проявляются при производстве электроэнергии.
Характерные черты и основная задача энергопроизводства определяют и ряд особенностей в области организации, управления и планирования. Основными из них являются:
1. Организация системы энергоснабжения с расчётом не только на выработку энергии в количестве, необходимом потребителю, но и на покрытие плановой величины максимума его нагрузки. Для этого создаются необходимые общие резервы мощности.
2. Необходимость обеспечения надёжной работы всех элементов электроэнергетической системы (ЭЭС) предопределяет организацию профилактических ремонтов и испытания энергооборудования и проведения различных противоаварийных мероприятий.
3. Эксплутационное обслуживание оборудования, которое состоит в регулировании и контроле параметров процессов.
4. Параллельная работа электростанции на покрытие общего графика нагрузки ЭЭС, которая оказывает влияние на надёжность и экономичность энергоснабжения. Поэтому режим работы каждой электростанции должен быть подчинен техническим и экономическим требованиям ЭЭС. Это означает, что на производственную деятельность электростанций, работающих параллельно, накладывается ограничение в производственной деятельности независимо от степени хозяйственной деятельности.
Рациональная эксплуатация электростанций, заключается в выборе наивыгоднейшего состава работающего оборудования, проведение ремонтов в оптимальные сроки, наиболее благоприятном распределении нагрузки между работающими агрегатами.
Состав работающих агрегатов в значительной мере предопределяет экономичность и надёжность системы.
Неравномерность графиков нагрузки системы делает целесообразным, а иногда и необходимым, периодические остановки агрегатов при снижении нагрузки и включении при увеличении.
Включение в работу определённых агрегатов влияет на величину и размещение резервов системы, на режим электрической сети, на перетоки по межсистемным линиям электропередачи, на расход топлива системы и др. Поэтому задача относится к числу важнейших.
В общем случае для электростанции, имеющей K блоков, задача заключается в том, чтобы определить для каждого расчётного интервала времени общего периода оптимизации T состав агрегатов, моменты пуска и остановки агрегатов, распределение нагрузки между ними, обеспечивающее минимум эксплуатационных затрат и выполнение всех ограничений по надёжности. На решение задачи влияют энергетические характеристики и пусковые расходы агрегатов, вид, сорт и стоимость топлива на ТЭС. Такая задача является нелинейной, целочисленной и многоэкстремальной. Кроме того, она имеет очень высокую размерность. Если на электростанции имеется K агрегатов, и каждый из них может быть либо включён, либо отключён, то все множество вариантов для работы с любой мощностью составит 2 в степени K. Чтобы получить решение, приходится сравнивать много возможных вариантов, причём при сравнении распределения нагрузки между агрегатами должно быть оптимальным.
Если методы и алгоритмы найвыгоднейшего распределения нагрузки хорошо разработаны, то выбор состава агрегатов пока ещё производится приближённо. Объясняется это тем, что для решения таких задач регулярный математический аппарат не подходит.
Нельзя состав агрегатов выбирать непосредственно с использованием метода неопределённых множителей Лагранжа, так как изменение числа работающих агрегатов является дискретным и характеристики станции при этом меняются скачком. Можно использовать метод динамического программирования, но только для числа агрегатов в системе не более 20-30. Есть и другие методы, но все они не пригодны для общего случая. Основная трудность расчётов заключается в том, что нет достаточно общих методов для организации вариантного анализа различных составов.
Найвыгоднейшее распределение нагрузки - одна из главных задач оперативного управления. Она решается по этапам: оперативное планирование, текущая корректировка плановых режимов, автоматическое управление. В настоящее время ежедневные расчёты выполняются для оптимизации распределения активных нагрузок. Режим по реактивной мощности и напряжению рассчитывается чаще всего только для характерных условий (месяц, квартал).
Все уровни управления режимами взаимосвязаны, и для распределения нагрузки требуется обширная информация от нижних уровней до самых верхних. Жесткие требования предъявляются ко времени расчётов. Только на базе автоматизированной системы диспетчерского управления можно собрать и обработать требуемую информацию, решить комплекс режимных задач и при этом выполнить требование по времени расчётов.
Оперативные планы внутри суток корректируются при "дооптимизации" режимов. К алгоритмам корректировки предъявляются очень жёсткие требования по быстродействию - иначе информация просто устареет. Часто они осуществляются так: осуществляется быстрый ввод в допустимую область, а затем ведётся оптимизация. Коррекция планов выполняется по специальным программам, в которых используется упрощённые алгоритмы. Контролируя режим и параметры систем, диспетчер делает вывод о совпадении прогнозных (плановых) и фактических условий работы системы. Если они совпадают, то вносятся корректировки в плановые задания станциям. В условиях АСДУ коррекция осуществляется с использованием расчетов на ПК.
Это принцип "план - коррекция" наиболее качественно реализуется в АСУ энергосистем. Автоматизированный сбор информации о состоянии системы и ее быстрая и качественная переработка возможны только в условиях АСУ. Если АСУ отсутствует, то диспетчер осуществляет коррекцию режима, пользуясь только приборами, своими знаниями и интуицией, и, конечно, эффективность управления системой снижается.
Диспетчерскому управлению принадлежит особая роль в управлении системой, так как и исходное состояние системы, и ее плановые режимы определяются органами диспетчерского управления. Если эти расчёты выполнены неверно, то могут быть понижены надёжность или показатели экономичности системы.
Следовательно, оперативно - диспетчерский персонал осуществляет плановое регулирование активной и реактивной мощностей на основе расчётов найвыгоднейшего распределения нагрузки.
Состав показателей ТЭС отличается от показателей генерирующей компании. Он отражает деятельность электростанции, как части электроэнергетической системы. Для электростанции обязательным является выполнение заданных диспетчерских графиков нагрузки. Их выполнение обеспечивается готовым к использованию оборудованием. В связи с этим электростанции утверждают показатель готовности к несению электрической и тепловой нагрузки. Применения этого показателя требует от персонала станции обеспечения качества обслуживания и изыскания путей к сокращению простоев оборудования. Непосредственно с показателем готовности связан график ремонта основного оборудования, который также утверждается генерирующей компанией. Без графика ремонтов невозможно рассчитать готовность оборудования к принятию нагрузки, выработку энергии, затраты, связанные с ремонтом на данной станции и ряд других показателей. Тепловыми электростанциями утверждаются также удельные расходы топлива на отпущенные электроэнергию и теплоэнергию.
Важнейшими расчётными показателями, которые устанавливаться для электростанции, являются отпуск электроэнергии с шин и тепла с коллекторов в сети системы.
В решений основной из важнейших задач - максимальной экономии топлива как ресурса, принадлежит главное место. Тепловые электростанции являются одними из основных потребителей топлива. Стоимость расходуемого топлива составляет 60-70% от себестоимости отпускаемой ими электроэнергии и тепла. Поэтому разработка мероприятий по повышению эффективности производства, особенно по снижению удельных расходов топлива, и их осуществление имеют для ТЭС особое значение. Большую роль как мобилизующего и организующего фактора, способствующего внедрению этих мероприятий, играет план.
Результаты теоретических исследований
В результате теоретических исследований мной был выбран метод прогнозирования (метод экспоненциального сглаживания) и найдена наиболее подходящая модель, которая обеспечивает минимальную ошибку прогноза энергетической нагрузки.
Новизна данного исследования заключается в том, что данный метод впервые был применён к прогнозированию энергетической нагрузки.
Из анализа имеющихся методов прогнозирования, на мой взгляд, целесообразно выделить те, которые удовлетворяют двум основным требованиям:
1. Методы должны быть более приспособлены к корректировке моделей в процессе оперативного прогнозирования, т.е. достаточно адаптивными, что является решающим во многих случаях при оперативном прогнозировании.
2. Имеется хотя бы некоторый опыт апробации метода к задачам прогнозирования параметров режима энергосистемы в оперативных циклах управления.
Рассмотрим следующие методы прогнозирования: метод экспоненциального сглаживания, линейного экстраполирования, адаптивный метод фильтра Калмана, модели авторегрессий и др. Отметим, что надёжного экспериментального материала, на основе которого можно отдать предпочтение тому или иному методу, пока нет. Преимущество некоторых методов определяются в основном временными характеристиками программ и точностью прогнозов. Так адаптивный метод фильтра Кальмана, экспоненциальное сглаживание и метод авторегрессии для одномерных процессов сводится один к другому, и можно найти соответствующие соотношения между дисперсией шума динамики в марковской модели и в модели авторегрессии и в методе экспоненциального сглаживания. Поэтому точность этих методик вряд ли будет сильно отличаться. С точки зрения простоты реализации и времени счёта на первое место следует поставить метод экспоненциального сглаживания, затем - одномерный фильтр Кальмана и, наконец, модели авторегрессии.
По простоте наиболее подходящим методом является метод экспоненциального сглаживания.
Сущность метода экспоненциального сглаживания заключается в том, что временной ряд сглаживается с помощью взвешенной скользящей средней, в которой веса подчиняются экспоненциальному закону. Взвешенная скользящая средняя с экспоненциально распределенными весами характеризует значение процесса на конце интервала сглаживания, т.е. является средней характеристикой последних уровней ряда. Именно это свойство используется для прогнозирования. Исходя из существующей инерции энергетических процессов, вследствие которой процесс протекает в прогнозируемом периоде примерно в тех же условиях, что и в анализируемом периоде, такая взвешенная скользящая средняя может быть инструментом для прогноза.
Список используемой литературы
1. Информационное обеспечение диспетчерского управления в электроэнергетике Алимов Ю.И., Гамм А.З., Ополева Г.Н. И др. - Новосибирск: Наука, 1985.
2. Организация планирования и управления в энергетике: Под редакцией В.Г. Кузьмина. - М.: Высш. школа, 1982. - 408с.
3. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: Учеб. для вузов / В.А. Веников, В.Г. Журавлёв, Т.А. Филиппова. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 352 с.
4. Оптимизация режимов энергетических систем. Синьков В.М., Богословский А.В., Григоренко В.Г., Калиновский Я.А. и др. Издательское объединение "Вища школа", 1976, 308 с.
5. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов. Прогноз и управление. (Пер. С англ.) Под ред. В. Ф. Писаренко. - М: Мир, 1974.-406 с.
6. Чуев Ю. В., Михайлов Ю. Б., Кузьмин В. И. Прогнозирование количественных характеристик процессов. - М: Советское радио, 1975.-398 с.
7. Гурский С.К. Адаптивное прогнозирование временных рядов в электроэнергетике. - Мн.: Наука и техника, 1983.-271 с.
8. Кильдишев Г.С., Френкель А.А. Анализ временных рядов и прогнозирование. - М: Статистика, 1973.-103 с.