СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Полезная модель относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано при решении задач управления режимами больших электроэнергетических систем, к которым предъявляются жесткие требования по быстродействию и надежности.
Известно устройство автоматизации для разработки и эксплуатации промышленных установок, в частности для разработки, проектирования, реализации, ввода в эксплуатацию, технического обслуживания и оптимизации отдельных компонентов установки или комплектных установок (Патент РФ №2213365, патентообладатель Сименс АГ, Германия), в котором на основе вычислительной машины создают математически-физические модели процесса, нейронные сетевые модели, системы с базой знаний, при этом децентрализованное ведение и оптимизацию процесса осуществляют за счет одного или нескольких связанных друг с другом в сеть пунктов управления с использование современных средств коммуникации. Устройство содержит вычислительную машину, пункты управления, связанные между собою средствами коммуникации в виде телефонной, цифровой сети, спутниковой или интернет/интранет связи, которые выполнены в виде удаленных от установки технологических центральных пунктов управления, связанных с системой управления промышленной установки посредством дистанционной передачи данных.
Недостатком известного устройства является то, что оно решает задачу управления и оптимизации отдельных комплектных установок, являющихся системами малой размерности.
Наиболее близкой к предлагаемой является система управления для электростанции, содержащей множество энергетических блоков (Патент РФ №2138840. патентообладатель Сименс АГ, Германия), содержащая вычислительный блок, соединенный с ним через линии данных модуль
оптимизации, который соединен с множеством нейронных сетей, при этом вычислительный блок предназначен для определения с помощью генетического алгоритма задающих величин для того или иного энергетического блока электростанции, каждый энергетический блок через линии данных соединен с соответствующей нейронной сетью и с вычислительным блоком.
Недостатком данной системы управления является недостаточное быстродействие при решении задач оптимизации технологических процессов в больших промышленных системах, так как возникает необходимость передачи всей исходной информации о характеристиках объектов управления, входящих в систему, и заданных параметрах режима в центральное устройство управления, содержащее вычислительный блок и соединенный с ним модуль оптимизации. Необходима также обратная передача результатов решения от центрального устройства всем объектам управления, входящим в данную систему. Таким образом общий объем передаваемой информации для большой системы, имеющей значительную пространственную протяженность, оказывается очень большим. Другим недостатком известной системы управления является то, что в случае решения задачи оптимизации режима для большой системы, включающей большое количество энергетических блоков и представляемой системой уравнений высокого порядка, необходимые вычисления выполняются в модуле оптимизации этой системы управления в последовательном режиме. При высокой размерности решаемой задачи и значительном числе итераций, необходимых для ее решения в алгоритме оптимизации режима, объем вычислений оказывается громоздким и для решения данной задачи требуется значительное время.
Технической задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является уменьшение общего объема информации, передаваемой при управлении режимами электроэнергетических систем, и повышение быстродействия.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известной системе управления, состоящей из ряда подсистем, соединенных средствами связи с вычислительной машиной, и соединенным с нею модулем оптимизации, вычислительная машина выбрана как вычислительная машина верхнего уровня, а каждая подсистема снабжена вычислительной машиной нижнего уровня, на которой реализованы модуль оптимизации и блок расчета функциональных характеристик данной подсистемы, при этом система снабжена также средствами связи верхнего уровня и средствами связи нижнего уровня, вычислительные машины нижнего уровня через средства связи верхнего уровня соединены с вычислительной машиной верхнего уровня, а через средства связи нижнего уровня соединены с подсистемами.
Кроме того, вычислительная машина верхнего уровня выполняет расчет задающих переменных подсистем, являющихся оптимальными перетоками мощности между подсистемами.
Кроме того, модуль оптимизации выполнен в виде блока расчета внутреннего оптимального режима соответствующей подсистемы при известных оптимальных значениях граничных переменных.
Кроме того, блок расчета функциональных характеристик подсистемы реализует зависимость между граничными переменными подсистем и множителями Лагранжа подсистем при выполнении условий оптимальности режима систем и соблюдении внутренних ограничений в виде равенств и неравенств.
Кроме того, средства связи нижнего уровня и средства связи верхнего уровня могут быть реализованы в виде телефонной, цифровой сети, спутниковой или интернет/интранет связи.
На фиг.1 представлена схематично структура предлагаемого устройства.
На фиг.2 представлен алгоритм функционирования системы управления режимами электроэнергетических систем.
Предлагаемое устройство содержит подсистемы 1, 2 ... N электроэнергетической системы, являющейся объектом управления, средства связи нижнего уровня 3, вычислительные машины нижнего уровня 4, в которых реализованы модули оптимизации 5 внутреннего режима подсистем и блоки 6 расчета функциональных характеристик подсистем 1, 2 ... N. Вычислительные машины нижнего уровня 4 через средства связи нижнего уровня 3 соединены с подсистемами 1, 2 ... N. Вычислительные машины нижнего уровня 4 через средства связи верхнего уровня 7 соединены с вычислительной машиной верхнего уровня 8.
На вычислительной машине 8 верхнего уровня реализован блок решения системы уравнений, определяющий оптимальные значения граничных переменных электроэнергетической системы.
Каждая из вычислительных машин нижнего уровня 4 находится в пределах одной из подсистем электроэнергетической системы. Вся относящаяся к одной из подсистем 1, 2 ... N информация, необходимая для решения задачи расчета оптимального режима электроэнергетической системы, передается по средствам связи нижнего уровня 3 в соответствующую вычислительную машину нижнего уровня 4. Этот поток информации обозначен на фиг.1 как И1. Относящаяся к данной подсистеме информация о результатах расчета оптимального режима также передается по этим средствам связи. Этот поток информации обозначен на фиг.1 как И2. Направленный от каждой из вычислительных машин нижнего уровня 4 через средства связи верхнего уровня 7 к вычислительной машине верхнего уровня 8 поток информации содержит данные о функциональных характеристиках каждой подсистемы и обозначен на фиг.1 как ИФХ. В противоположном направлении по указанным средствам связи проходит поток информации, содержащий данные о граничных переменных каждой из подсистем 1, 2 ... N, который обозначен на фиг.1 как ИГП.
При решении задачи расчета оптимального режима электроэнергетической системы устройство работает следующим образом. В
каждой из подсистем 1, 2 ... N исходные данные, необходимые для решения задачи, поступают в потоке информации И1 по средствам связи нижнего уровня 3 в находящуюся в этой подсистеме вычислительную машину нижнего уровня 4. На основе этих данных и априорных данных о перетоках мощности на границах каждой подсистемы в модулях оптимизации 5 осуществляется расчет оптимального внутреннего режима каждой из подсистем. Затем в блоках 6 выполняется расчет функциональной характеристики каждой из подсистем, соответствующей рассчитанному в модуле оптимизации 5 внутреннему режиму. Данные о функциональной характеристике каждой из подсистем по средствам связи верхнего уровня 7 поступают в потоках информации, обозначенных на фиг.1 как ИФХ, в вычислительную машину верхнего уровня 8. На основе полученных данных в этой машине выполняется формирование и решение системы уравнений связи. В результате решения этой системы уравнений определяют вектор оптимальных значений граничных переменных на данной итерации, т.е. перетоков мощности между подсистемами, соответствующих параметрам функциональных характеристик и принятому выделению подсистем. Относящийся к каждой подсистеме подвектор полного вектора значений граничных переменных передается затем по средствам связи верхнего уровня 7 в потоках информации, обозначенных на фиг.1 как ИГП, и направленных в вычислительные машины 4 нижнего уровня. После этого в модулях оптимизации 5 заново выполняется расчет значений внутренних переменных, которые для принятой системы уравнений подсистемы отвечают рассчитанным на вычислительной машине верхнего уровня 8 значениям граничных переменных. Затем для рассчитанных значений внутренних переменных в блоках 6 заново вычисляются функциональные характеристики каждой подсистемы и информация о них еще раз передается в потоках информации, обозначенных на фиг.1 как ИФХ в вычислительную машину верхнего уровня 8, где заново выполняется формирование и решение системы уравнений связи. Значения перетоков мощности,
полученные на этом этапе в результате решения системы уравнений связи, сравнивают с соответствующими значениями на предыдущей итерации. В случае, если векторы перетоков мощности отличаются на векторную величину, меньшую, чем заданная, то полученный на последней итерации вектор рассматривается как вектор оптимальных значений перетоков мощности. Соответствующее сообщение и полученный вектор передают в потоке информации, обозначенном на фиг.1 как ИГП в вычислительные машины нижнего уровня 4. В этом случае рассчитанные еще раз в вычислительной машине нижнего уровня 4 значения внутренних переменных подсистем в полученном оптимальном режиме передают по сети связи нижнего уровня 3 в потоках информации, обозначенных на фиг.1 как И2, для выполнения в каждую подсистему. При невыполнении условий оптимальности в вычислительной машине верхнего уровня 8 итерационный процесс продолжается.
В представленном на фиг.2 алгоритме функционирования предлагаемой системы управления отражена следующая последовательность выполняемых действий: блок 9 - расчет внутреннего оптимального режима подсистем, блок 10 - расчет функциональных характеристик подсистем, блок 11 - формирование и решение системы уравнений связи. Вычисления в блоках 9 и 10 выполняются в параллельном режиме на всех вычислительных машинах нижнего уровня 4, а вычисления в блоке 11 на вычислительной машине верхнего уровня 8. Показанная на данном алгоритме операция условного перехода 12 определяет условие прекращения процесса оптимизации режима.
Рассчитываемые в блоках 6 функциональные характеристики подсистем представляют зависимости между значениями множителей Лагранжа и производных от потерь мощности и значениями граничных переменных подсистем при выполнении условий оптимальности внутреннего режима подсистем и соблюдении внутренних ограничений в виде равенств и неравенств. Формируемая и решаемая на вычислительной машине
верхнего уровня 8 система уравнений связи имеет размерность числа граничных переменных подсистем в модели системы и включает уравнения, определяющие условия оптимальности для граничных переменных. (O.A.Soukhanov, S.C.Shil. Application of functional modeling to the solution of electrical power systems optimization problems. International Journal of Electrical Power & Energy Sistems, 2000, №2).
В качестве вычислительных машин верхнего 8 и нижнего 4 уровня могут быть использованы стандартные средства современной вычислительной техники. Средства связи нижнего уровня 3 и средства связи верхнего уровня 7 могут быть реализованы в виде телефонной, цифровой сети, спутниковой или интернет/интранет связи.
В предлагаемой системе по сравнению с централизованными системами управления многократно сокращается общий объем информации, который должен быть передан для решения задачи расчета оптимального режима большой электроэнергетической системы, и многократно уменьшается время, необходимое для ее решения. Таким образом значительно повышается быстродействие и общая эффективность функционирования системы управления. Эти преимущества достигаются благодаря параллельной и распределенной организации информационно-вычислительного процесса решения задачи управления (задачи расчета оптимального режима) в предлагаемой системе.