СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ СИСТЕМ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ
METHOD FOR AUTOMATED DESIGN OF UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SYSTEMS

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при проектировании и модернизации систем бесперебойного электропитания вычислителей. Техническим результатом является повышение достоверности выбора оптимальной структуры за счет увеличения числа критериев оценки при проектировании (качество электрической энергии, надежность, экономические показатели) и проверка соответствия нормируемым параметрам. Кроме того, уменьшаются временные затраты на проектирование, повышаются достоверность, надежность и помехозащищенность систем бесперебойного электропитания после ввода в эксплуатацию.
Известен способ повышения точности моделирования сложных систем при проектировании, испытании и эксплуатации по совокупности существенных признаков за счет введения этапа изменения критериев качества в зависимости от условий функционирования системы и от ресурса, выделенного для выполнения основной работы [1].
Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг.1) имитатор первой работы 1, имитатор второй работы 2, имитатор третьей работы 3, блок памяти 4, арифметический блок 5, задатчик ресурса 6, блок коррекции 7 и блок сравнения 8.
Недостаток прототипа заключается в строгой последовательности корректирующих работ, что ограничивает возможности и увеличивает временные затраты на разработку, а определение критериев качества по минимальному ресурсу сужает область рассматриваемых критериев.
Целью изобретения является минимизация уровня кондуктивных помех, максимизация показателей надежности на этапе проектирования, повышение точности расчетов, а также снижение материальных и временных затрат.
Поставленная цель достигается тем, что методом морфологического синтеза, состоящего из структурного, параметрического и топологического этапов, производят многокритериальную оптимизацию устройств, входящих в проектируемую систему бесперебойного электропитания, строят ее оптимальную структуру и топологию электрической сети, соединяющей все устройства.
Для достижения указанного технического результата использован морфологический метод [2], преимуществом которого является возможность алгоритмизации и компьютерной реализации всех этапов проектирования. Проведенный анализ современных систем электропитания (СЭП) позволил установить совокупность характеризующих их функциональных, структурных и параметрических признаков и выделить пять основных иерархических уровней сложной системы. Первый уровень: источники энергии (ИЭ), включающие системы генерирования энергии (СГЭ) и системы резервирования энергии (РЭ); второй уровень: преобразователи энергии (ПЭ), в состав которых входят выпрямительные устройства (ВУ), инверторы (И) и конверторы (К); третий уровень: системы коммутации (СК), системы передачи и распределения энергии (СП и РЭ); четвертый уровень: система - безопасность и среда (Б и С), в состав которой входят система защиты (СЗ), система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и КВ); пятый уровень: потребители энергии (П), включающие потребителей постоянного (ПОТ) и переменного тока (ПЕТ). Для выбора элементов в пределах одного иерархического уровня составлены графы с вырожденными ИЛИ (V) - вершинами для всех пяти уровней. Так, например, на II-м уровне преобразователи энергии представлены к рассмотрению k, m и p - вариантов типового промышленного оборудования выпрямительных устройств, инверторов и конверторов соответственно (фиг.2), где количество сочетаний выпрямительных устройств и инверторов варьирует от 1 до n, а количество вариантов преобразователей энергии от 1 до s. Элементы различных уровней имеют логическую И (&), как показано на фиг 3. Для учета различных конфигураций электрической сети, которым соответствуют определенные конфигурации системы бесперебойного электропитания, определены все возможные маршруты графа, один из которых приведен на фиг.4.
1
4
18
19
21
22
24
5
17
Для количественной оценки свойств элементов всех уровней введены векторы параметров: внешние, внутренние и выходные (фиг.5). Внешние параметры характеризуют внешнюю среду, к которой относятся электрическая сеть {c…c}, потребители энергии {c}, параметры окружающей среды {c…c}, экономические показатели - тарифы на энергопотребление {c…c}, показатели качества электрической энергии {c…c}, необходимые для оценки устойчивости к кондуктивным помехам. Внутренние параметры характеризуют элементы всех уровней, где N - суммарное число элементов, входящих в состав всех уровней, a n - порядок вектора. Граничные значения переменных определяются требованиями нормативных документов [3…6].
Предлагаемый способ включает четыре взаимосвязанных этапа проектирования с использованием метода динамического программирования [7]. Первый (I) этап: параметрическая оптимизация количества вершин графов на всех пяти иерархических уровнях в соответствие с алгоритмом фиг.6. Второй (II) этап: структурно-параметрическая оптимизация переменных графа (фиг.3) за исключением элементов СП и РЭ. Поиск локальных экстремумов целевой функции при заданных граничных условиях производится соответственно по энергетическим, экономическим и показателям надежности. Процесс оптимизации разбивается на три взаимоувязанных действия:
Целевая функция проектируемой СЭП представляется в виде:
N
N
III
III
где n - число элементов N-го уровня; m - количество вариантов для N-го уровня;  - составляющие целевой функции для j-го варианта i-го элемента J-го уровня. Третий (III) этап: структурно-топологическая оптимизация с учетом всех возможных маршрутов (фиг.4), где объектом синтеза являются электрические сети. Выбор топологии электрической сети включает определение количества и места пространственного размещения распределительных устройств первичных и вторичных сетей и подключений к потребителям. Ограничения на размещение узловых точек в монтажном пространстве накладываются в соответствии с требованиями нормативных документов [8]. Проводится поиск локальных экстремумов при заданных граничных условиях для элементов третьего уровня, а функция цели представлена в виде:  где n - число элементов III уровня; m - количество вариантов для III-го уровня;  - составляющие целевой функции для j-го варианта i-го элемента III-го уровня. Четвертый (IV) этап: расчет переходных процессов с помощью разработанных имитационных моделей в среде MatLab/Simulink для различных режимов работы и воздействиях со стороны СГЭ и нагрузки [9]. Выполняется параметрическая оптимизация переменных графа фиг.3 по расчетам переходных процессов и, затем, поиск глобального экстремума целевой функции (2), включая элементы пяти уровней с учетом весовых коэффициентов, граничных условий и физической реализуемости вариантов.
УЭП
m
МСЭ
1
-6
3
Проверка способа автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания выполнена для кустового вычислительного центра при следующих исходных параметрах: мощность потребления нагрузками основной группы цепи постоянного тока 26 кВт с напряжением 48 B; технологические нагрузки с напряжением 24 B и мощностью потребления 6 кВт; хозяйственные нагрузки - 10 кВА; ток потребления для аварийного освещения 10 A; полная мощность потребления 12 кВА от однофазной сети 220 B; мощность потребления осветительными и климатическими приборами, соответственно, 2 кВт и 6 кВт; время аварийной работы от АБ - 3 часа, температура окружающей среды 18°C. Многокритериальная оптимизация на всех этапах выполнена методом достижения цели Марка Гембики [10], который используется в пакете Optimization Toolbox в среде MatLab, а результат оценки различных вариантов представлен в виде столбцов, количество которых соответствует числу вариантов, как, например, для СГЭ на фиг.7. В результате оптимизации при проектировании получена структура СЭП, в состав которой входят: ГЭ типа FG40P1 мощностью 80кВА, ГАБ типа OpzS емкостью 3000 A·ч; ВУ типа ИБП-4 (две стойки: одна с 12 модулями и вторая стойка с 9 модулями), К - из двух модулей типа СПН 3-48-24/360-12, И - одна основная стойка и одна резервная типа DSI-48-1200 (фиг.7). Оптимальная структура (фиг.8) имеет следующие технические характеристики: минимальная мощность потребления составляет 79,4419 кВА; интенсивность отказов λ=7,4683×10; объем топлива с учетом продолжительности работы от собственной электростанции T=3 ч составляет V=57,6 м; установившееся отклонение напряжения в цепи переменного тока δU не превышает 9%; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не более 10,4%; коэффициент временного перенапряжения не более 1,4; глубина провала напряжения в цепи постоянного тока не более 11%.
Результаты исследований показали, что предлагаемый способ автоматизированного проектирования позволяет повысить достоверность выбора оптимальной структуры при проектировании системы электропитания, что не только улучшит показатели качества электрической энергии, надежности и экономические показатели, но и снизит временные затрат на проектирование и повысит помехозащищенность систем бесперебойного электропитания после ввода в эксплуатацию.
Источники информации
1. Рафиков Д.Г. Способ статистического моделирования сложной системы работ. Авт. св. №2378695, кл. G06G 7/48, G06Q 10/00, 2010.
2. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989.
3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт, 1998.
4. ГОСТ Р51317.6.5-2006. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2007.
5. РД 45.063-99. Установки питания и оборудование, входящее в их состав, для взаимоувязанной сети связи Росcии. Технические требования. - М.: Госстандарт, 2001.
6. ОСТ 45.185-2001. Установки электропитания аппаратуры электросвязи стационарные. Общие технические требования.
7. Щербина О.А. Методологические аспекты динамического программирования // Динамические системы. Вып. 22, 2007. - С.21…36.
8. ВСН 332-93. Ведомственные строительные нормы "Инструкция по проектированию электроустановок предприятий, проводного вещания, радиовещания и телевидения".
9. Рогулина Л.Г. Оценка внутренних помех систем электропитания радиорелейных линий связи. Омский научный вестник. №3(93), 2010 г., Омск, с.285…290.
10. Gembicki F.W. "Vector Optimization for Control with Performance and Parameter Sensitivity Indices," Ph.B. Thesis, Case Western Reserve Univ., Cleveland, Ohio, 1974.