Навигатор диспетчера. Адаптивная динамическая оптимизация потерь электроэнергии в разомкнутой распределительной электрической сети

Page 1

Page 2

цифровая трансформация

Навигатор диспетчера.

Адаптивная динамическая
оптимизация потерь электро энергии
в разомкнутой распределительной
электрической сети

Основные

потери

электроэнергии

электросетевом

комплексе

РФ

приходятся

на

распределительные

электрические

сети

причем

большая

их

часть

—

на

разомкнутые

сети

0,4–10

кВ

Потери

электроэнергии

этих

сетях

темпе

процесса

могут

быть

снижены

результате

изменения

топологии

сети

путем

проведения

переключений

обеспечиваемых

дистанционно

помощью

систем

телемеханики

или

оперативными

выездными

бригадами

Потапенко

к.т.н., ведущий инженер-программист ООО «Систел»

Рыкованов

к.т.н., генеральный директор ООО «Сис тел»

Хозяинов

заместитель генерального директора по развитию ООО «Систел»

рограммный комплекс «Навигатор

диспетчера» [1] для распредели-

тельных электрических сетей пред-

назначен для мониторинга сети,

анализа режима и автоматической выдачи

рекомендаций диспетчеру с целью обеспе-

чения адаптивного оптимального управле-

ния режимом по мере изменения топологии

сети, нагрузки, генерации, внешних усло-

вий. «Навигатор диспетчера» автоматически

в темпе процесса предоставляет диспетчеру

рекомендации по ведению адаптивного опти-

мального режима сети. Рекомендации пред-

ставляют собой последовательности пере-

ключений для изменения топологии сети.

В нормальном режиме «Навигатор дис-

петчера» контролирует любые отклонения

от плана работы сети, непрерывно следит

за оптимальностью потерь электроэнергии

и в случае нахождения оптимального режима

рекомендует диспетчеру выполнить конкрет-

ные действия — переключения в сети, кото-

рые приведут к снижению потерь электро-

энергии.

В статье рассматривается именно эта

часть «Навигатора диспетчера» распреде-

лительной электрической сети. Указывает-

ся место разработанных нами алгоритмов

и методов среди уже существующих реше-

ний задачи снижения потерь электроэнергии

изменением топологии сети. Описывается

постановка задачи, применяемые методы,

алгоритмы, приведены примеры решения за-

дачи непрерывной оптимизации потерь элек-

троэнергии на небольшом фрагменте разом-

кнутой распределительной сети.

МЕСТО

РАЗРАБОТАННЫХ

МЕТОДОВ

АЛГОРИТМОВ

ИССЛЕДОВАНИЯ

РЕШЕНИЯ

ЗАДАЧИ

ОПТИМИЗАЦИИ

ПОТЕРЬ

МИРОВОЙ

ПРАКТИКЕ

Для радиальных распределительных сетей раз-

работано множество различных методов и алго-

ритмов снижения потерь электроэнергии изме-

нением топологии сети. Только для упоминания

работ, выполненных в данной области, понадо-

бится несколько страниц. Поэтому из большого

разнообразия разработок в этой области нами

сделана репрезентативная выборка.

Один из самых ранних методов [2] исполь-

зует комбинацию оптимизационных и эври-

стических подходов. Метод использует ряд

упрощений, например, учитывает только дей-

ствительную составляющую токов, а углы на-

пряжения принимаются нулевыми.

В работе [3] предлагается эвристический

метод, дающий локальный минимум, но требу-

ющий больших вычислительных затрат, а в ра-

боте [4] эвристический метод, применяющий

свои правила генерации переключений для

снижения потерь, используется в качестве пре-

процессора. После чего для сгенерированных

топологий используется алгоритм исключения

переключений, не удовлетворяющих требуе-

мым критериям и ограничениям.

Ряд авторов использует генетический ал-

горитм для оптимизации потерь [5–7]. В ра-

боте [5] генетическая цепочка топологий мо-

дифицируется, выполняется аппроксимация

Page 3

пригодности. Это приводит к неустойчивой работе

метода. В работе [6] используется паттерн опти-

мального потокораспределения, а также табу-по-

иск. Для получения новых решений задачи при-

меняются генетические операторы скрещивания

и мутаций. В работе [7] предложен нечетко мути-

руемый генетический алгоритм, что, по мнению

авторов, преодолевает комбинаторную природу

проблемы реконфигурации сети. Используется

свойство радиальности сети, а для управления

мутациями с помощью нечеткой логики использу-

ются специальные параметры сходимости.

Другие авторы используют нейронные сети. На-

пример, согласно работе [8] вообще не выполняют-

ся переводы нагрузок и расчеты установившегося

режима. Для обучения искусственной нейронной

сети используется набор оптимальных топологий,

соответствующих различным графикам нагрузок.

Пример экспертной системы представлен в ра-

боте [9], где алгоритм балансирования нагрузок

распределительной сети использует окрашенные

сети Петри на основе правил.

Пример современных эвристических методов

решения проблемы реконфигурации распреде-

лительной сети для снижения потерь электро-

энергии в нормальном режиме представлен в [10].

Эвристический алгоритм с табу-поиском дает оп-

тимальное решение комбинаторной оптимизаци-

онной проблемы.

Также для оптимизации потерь электроэнергии

в распределительных сетях используется алго-

ритм колонии пчел. Например, в работе [11] такой

алгоритм генерирует последовательность опера-

ций переключений для поиска пути прохождения

мощности с использованием растущего дерева

поиска. Новые ветви графа дерева определяют-

ся по значениям целевой функции с учетом огра-

ничений, в качестве которых выступают профили

напряжений и радиальность сети. Для контроля

ограничений производится расчет установившего-

ся режима сети.

Выборка из обзора методов оптимизации по-

терь показывает тенденцию развития методов

и сложность задачи, которую авторы статей реша-

ют различными способами. Можно условно раз-

делить методы снижения потерь на традиционные

(например, численные), нетрадиционные (эксперт-

ные системы, эвристические алгоритмы, искус-

ственный интеллект) и смешанные, когда традици-

онные и нетрадиционные методы дополняют друг

друга.

Предлагаемый нами подход к решению задачи

снижения потерь электроэнергии в радиальных

распределительных сетях ближе к традиционным

численным методам, нежели к использованию эв-

ристики, экспертных систем, искусственного ин-

теллекта. Это обусловлено многими причинами,

назовем основные.

Предлагаемые Навигатором рекомендации

должны обеспечивать доверие к ним со стороны

диспетчеров и специалистов по режимам. Если

выданные Навигатором рекомендации будут ме-

нее оптимальны, нежели рекомендации, пред-

ложенные диспетчером или специалистом по

режимам, то к Навигатору они будут относиться

критически. И наоборот, когда в числе рекоменда-

ций Навигатора присутствуют не только известные

диспетчерам, но и другие, неизвестные им более

оптимальные переключения, тогда к Навигатору

появляется настоящий рабочий интерес. Выража-

ясь игровыми терминами, Навигатор всегда дол-

жен «побеждать» диспетчеров и специалистов по

режимам в соревновании на генерацию лучшей

рекомендации. Как следствие, задача оптимиза-

ции для Навигатора ставится как поиск глобаль-

ного экстремума целевой функции, а не как поиск

локального оптимума.

Также при постановке задачи учитываются все

возможные технологические нарушения, напри-

мер, запреты на переключения по параметрам ре-

жима, токам короткого замыкания и т.п. Одним из

самых важных ограничений в части топологий и со-

ответствующих им режимов является обеспечение

надежности питания потребителей. Оно имеет бо-

лее высокий приоритет для потребителей и сети,

нежели оптимизация потерь электроэнергии.

Как для любой сложной комбинаторной задачи

для оптимизации потерь изменением топологий

сети, мы предлагаем выполнять декомпозицию.

При этом один уровень декомпозиции использует

естественное для РСК распределение оператив-

ных диспетчерских групп (ОДГ) по своим зонам

ответственности, например, РЭС или участку се-

тей. Второй уровень декомпозиции базируется на

разделении «электрического» графа распреде-

лительной сети на микрографы петель этой сети.

Физически фидеры, составляющие петлю, живут

своей самостоятельной «электрической» жизнью.

При их попарном объединении в петлю с помощью

мест деления сети, задача оптимизации решает-

ся только для микросетей — петель (на микро-

графах). Тем самым распределительная сеть на

разных этапах поиска решения сужается до РЭС,

участка, петли.

При этом мы предлагаем формализовать и мо-

делировать реальные технологические действия

ОДГ в пределах их операционной зоны — участ-

ка сетей, РЭС. То есть при генерации вариантов

переключений все действия в распределительной

сети соответствуют технологическим операциям,

производимым ОДГ, например:

1. Во многих случаях разомкнутая распредели-

тельная сеть временно на минуты, редко на

часы, замыкается — выполняется так называ-

емый «транзит» электроэнергии. Транзитные

операции обязательны там, где нельзя преры-

вать питание потребителей (первой категории,

чаще в городах). Поэтому в Навигаторе исполь-

зуются методы расчетов установившихся режи-

мов не только для разомкнутых сетей, но и для

замкнутых сетей.

2. Для оптимизации исполнения рекомендаций,

включающих операции, выполняемые бригада-

ми, используется точный расчет времени дви-

№

5 (56) 2019

Page 4

жения бригад между объектами на основе теку-

щих и прогнозных данных дорожного трафика,

а также расчет времени производства переклю-

чений на объекте.

В Навигаторе используются традиционные чис-

ленные методы целочисленной оптимизации, ко-

торые легко настраиваются на любую сеть, любые

режимы, любые технологические и другие ограни-

чения.

При этом в темпе процесса целевая функция

практически достигает глобального экстремума,

алгоритмы устойчивы, их можно применять для

расчета разомкнутых радиальных сетей любой

сложности и размера. Упомянутые в выборочном

обзоре методы такого эффекта не дают.

Все действия, предлагаемые Навигатором для

их выполнения оперативной дежурной бригадой,

включая переезды между объектами, понятны

диспетчерам, которые могут не только убедиться

в верности предлагаемых рекомендаций, прове-

рить все последовательности переключений, но

и разобраться, как именно и почему именно такие

рекомендации предлагаются Навигатором. Это

важно для формирования доверия к Навигатору.

Пока методы искусственного интеллекта (ИИ) по-

следнее обеспечивают не в полной мере, и для

промышленного применения эти методы долж-

ны достичь фазы развития объяснимого искус-

ственного интеллекта — XAI (Explainable Artiﬁ cial

Intelligence), как отмечено в обзоре [16]. Речь идет

о прозрачности принятия технических решений

ИИ, что необходимо для достижения доверия дис-

петчеров и специалистов к решениям, принимае-

мым ИИ. Другие аспекты XAI, например, этические,

а также неинженерные/нетехнические, для данной

задачи не существенны.

Надо отметить, что ИИ, как правило, проходит

стадию обучения, для реальной электрической

сети это обучение может длиться довольно долго

и часто из-за огромного многообразия комбина-

ций различных топологий, режимов, размеров

сети, схем сети (однолучевая/многолучевая, ре-

зервированная/нерезервированная и т.п), ти-

пов первичного и вторичного оборудования, зон

управления, способов управления оборудовани-

ем и т.п. Постоянное, практически ежедневное

развитие распределительной сети порождает

необходимость такой же постоянной тренировки

ИИ. То же касается экспертных систем и эври-

стических методов, которые не в состоянии по-

крыть многообразия возможных решений и тоже

должны непрерывно обучаться. Соответственно

решение, полученное экспертными системами

и эвристическими методами, как правило, имеет

локальный оптимум, что порождает недоверие

опытных диспетчеров и специалистов к их про-

граммной реализации.

Предложенные авторами методы и алгоритмы

лишены этих недостатков и могут быть широко

применены в программных комплексах для рас-

пределительных сетевых компаний.

ОПИСАНИЕ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

МАТЕМАТИЧЕСКОЙ

ЗАДАЧ

Математический граф, описывающий топологию

распределительной разомкнутой сети, питающейся

от центра питания (ЦП), представляет собой набор

деревьев, связанных корнем – секцией шин центра

питания. Деревья графа сети одного или несколь-

ких ЦП могут соединяться в местах деления (МД)

или разрыва сети, реализуемых на базе коммутаци-

онного аппарата (выключателя, реклоузера, разъ-

единителя и т.п.). Если коммутационный аппарат

в месте деления сети включить, то образуется пет-

ля или кольцо замыкания между центрами питания

или секциями шин одного ЦП или его выключателя-

ми на разных фидерах. Если в нормальной схеме

представлены места нормального деления сети, то

в оптимальной — места оптимального деления по

потерям.

Практическое решение задачи минимизации по-

терь электроэнергии заключается в переносе мест

делений сети таким образом, чтобы суммарные по-

тери электроэнергии в сети были минимальны. При

этом часть потребителей, ранее запитанных от одно-

го ЦП или секции шин одного ЦП, может стать запи-

танной от другого центра питания или другой секции

шин «старого» центра питания. При переносе мест

делений надежность питания потребителей не долж-

на быть снижена. Повышение надежности питания

потребителей переносом мест деления сети выпол-

няется другим программным приложением, которое

в данной статье не рассматривается.

Задача минимизации потерь электроэнергии ре-

шается посредством минимизации потерь активной

мощности, выполняемой интегрально для суток.

При этом оптимизация потерь внутри суток выпол-

няется на множестве отдельных интервалов вре-

мени. Отсчет интервала времени начинается по-

сле завершения переноса одного или группы мест

деления сети для достижения текущего минимума

потерь.

Для планирования режима сети и топологии на

сутки вперед в Навигаторе используется прогноз на-

грузки и генерации, планы по ремонтам.

Рекомендации по минимизации потерь электро-

энергии представляются диспетчеру на схеме сети,

с указанием оптимальных маршрутов движения опе-

ративных выездных бригад (ОВБ), выполняющих

переключения, а также детализируются в диалогах

и таблицах. Обычно формируется много рекомен-

даций, но, как правило, выводится не более 3-х ре-

комендаций, при этом первой выводится наиболее

оптимальная рекомендация. В случае необходимо-

сти, по желанию диспетчера Навигатором могут вы-

водиться и другие формируемые рекомендации.

ГРАНИЦЫ

ЗАДАЧИ

Границы задачи минимизации потерь электроэнер-

гии для радиальной сети — это сеть 6–10–20 кВ рас-

пределительной сетевой компании (РСК) или района

электрической сети (РЭС) РСК. В последнем случае,

если РЭС рассматривается изолированно, то реко-

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 5

мендации по минимизации потерь не будут касаться

переключений, которые могли бы быть произведены

в сети соседних районов.

Изменение мест деления сети реализуется путем

включения и отключения коммутационных аппара-

тов на ЦП, РП, ТП дистанционно (с диспетчерского

пункта) и/или локально оперативными выездными

бригадами.

КРИТЕРИИ

ОГРАНИЧЕНИЯ

ОПТИМИЗАЦИИ

Целевая функция имеет основной критерий — ми-

нимум потерь электроэнергии на суточном интерва-

ле. В качестве других критериев целевой функции

или в качестве ограничений оптимизации могут вво-

диться:

• расход ресурса коммутационного оборудования;

• расход топлива и ресурса автомобилей выезд-

ных бригад;

• время выполнения переключений.

Оптимизация времени движения ОВБ до РП

(ТП), времени выполнения переключений, опти-

мизация расхода топлива и ресурса автомобилей

выполняются после формирования рекомендаций

Навигатора по оптимизации потерь. При ранжиро-

вании рекомендаций предпочтение отдается реко-

мендациям, которые предполагают:

• проведение переключений на подстанциях, ком-

мутационные аппараты которых управляются

дистанционно;

• суммарно более короткий путь для ОВБ;

• задействование при переключениях коммутаци-

онных аппаратов РП (ТП) с большим ресурсом.

Рекомендации должны учитывать ограничения

по надежности, параметрам режима сети, токам ко-

роткого замыкания:

• по надежности конечное и каждое промежуточ-

ное топологическое состояние сети во испол-

нение рекомендаций должно соответствовать

требованию ПУЭ к надежности питания потреби-

телей по категориям;

• величины токов в линиях электропередачи

и трансформаторах должны оставаться в преде-

лах допустимых значений, которые определяются

динамически (непрерывно) в соответствии с ПУЭ,

стандартами сетевых компаний и другой НТД;

• величина напряжения на шинах 0,4–10 кВ долж-

на соответствовать ГОСТ Р 54149-2010;

• величины токов короткого замыкания не должны

превышать допустимых значений для коммутаци-

онного, линейного и трансформаторного оборудо-

вания.

ОПТИМИЗАЦИЯ

ЗАПЛАНИРОВАННАЯ

ТЕКУЩАЯ

Расчеты и оптимизация потерь электроэнергии

выполняются на основе прогноза потребления/

генерации на сутки вперед для всех планируемых

режимов в течение этих суток при изменении:

• напряжения на центрах питания;

• нагрузок на ТП и РТП;

• генерации;

• топологии сети.

В темпе процесса, при изменении режимов сети

и ограничений параметров режимов (потребления/

генерации, погодных условий и т.п.), топологии сети

и ограничений по топологии (изменения в програм-

мах переключений, программах ремонтов), отличных

от запланированных (по прошлому прогнозу на те-

кущие сутки), производится дополнительный анализ

режима сети и минимизация потерь на оставшемся

отрезке времени до окончания суток по новому опе-

ративному и откорректированному краткосрочно-

му прогнозу нагрузок/генерации и плану изменения

топологии, наличию ОВБ. В случае возникновения

технологических нарушений, инцидентов, аварий

Навигатор определяет новый вид режима сети (вы-

нужденный или послеаварийный) и запускает со-

ответствующие расчетные цепочки для устранения

технологических нарушений, восстановления сети

или питания потребителей. При этом расчетные це-

почки, выполняемые Навигатором при нормальном

режиме сети, в том числе для оптимизации потерь

электроэнергии, приостанавливают свою работу до

возвращения сети в нормальный режим.

ВОЗМОЖНЫЕ

УПРОЩЕНИЯ

Потери в трансформаторах 0,4/6–10 кВ при переносе

МД в сети 6–10 кВ практически не меняются, за ис-

ключением очень малых изменений, обусловленных

незначительным изменением напряжения питания

на шинах ТП и соответствующим изменением актив-

ной и реактивной нагрузок по статическим характе-

ристикам. Поэтому при поиске новых МД сети изме-

нением потерь электроэнергии в трансформаторах

0,4/6–10 кВ можно пренебречь.

СХЕМА

ОПТИМИЗАЦИИ

Схема оптимизации потерь электроэнергии исхо-

дит непосредственно из постановки задачи. Сна-

чала планируется оптимизация для следующих

суток, а по наступлению новых суток, при измене-

нии условий по отношению к плановым, произво-

дится корректировка плана.

Установившиеся режимы просчитываются для

прогнозируемых суток на интервалах от 0 до 24 ча-

сов при изменении нагрузок и генерации в соответ-

ствии с их прогнозом, топологией сети и составом

оборудования сети по плану ремонтов, а также по

наличию ОВБ. Дискретность расчетов выбирается

в пределах нескольких (

) минут. Если потери в сети

для режима на

часов +

минут не будут отличаться

от потерь в сети с топологией и режимом на

часов

(в пределах погрешности/зоны нечувствительности),

то предварительная динамическая оптимальная схе-

ма не меняется.

Если же потери в пределах дискретности рас-

четов будут отличаться, то они минимизируются

изменением мест деления, если это практически

осуществимо. В результате получаем предвари-

тельную динамическую оптимальную схему на

часов +

минут.

№

5 (56) 2019

Page 6

Следующий режим считается на момент

ча-

сов + 2

минут. Если потери в сети для режима на

часов + 2

минут в пределах погрешности/зоны

нечувствительности соответствуют потерям на

часов +

минут, то предварительная динами-

ческая оптимальная схема не изменяется. В про-

тивном случае определяются новые МД сети, если

это практически осуществимо, и формируется но-

вая предварительная динамическая оптимальная

схема сети на

часов + 2

минут. Далее оцени-

ваются потери на следующие

минут и так про-

должается до достижения 24 часов. В результате

формируется предварительный план оптимизации

потерь на сутки вперед.

В темпе процесса предварительный план оп-

тимизации потерь корректируется, если нагрузки,

генерация, ограничения параметров режима и то-

пология сети будут отличаться от плановых. Также

и план оптимизации потерь на оставшееся время

текущих суток формируется в темпе процесса.

ПРИМЕНЯЕМЫЙ

МЕТОД

Авторами используется один из методов дискрет-

ной оптимизации — метод ветвей и границ, приме-

няемый для оптимальной комбинаторики топологи-

ческих состояний электрической сети [12], в нашем

случае — распределительной сети.

ДЕКОМПОЗИЦИЯ

ЗАДАЧИ

Для декомпозиции задачи используется топологи-

ческая особенность распределительной сети — ее

разомкнутое состояние, что позволяет на каждом

шаге оптимизации использовать микромодель

сети — одну петлю графа, образованную местом

деления сети и двумя смежными деревьями, инци-

дентными месту деления.

Другая особенность рас-

пределительной сети на те-

кущий момент — это ограни-

чение сети и протяженности

дорог до РП (ТП) зоной от-

ветственности ОВБ и зоной

ответственности диспетчера.

Как правило, границей зоны

ответственности

является

РЭС или его участок. Поэтому

оптимизация потерь электро-

энергии в темпе процесса мо-

жет выполняться для РЭС или

участка РЭС с захватом части

соседней сети. При этом опти-

мизация потерь электроэнер-

гии в РСК в темпе процесса

может выполняться парал-

лельно для всех РЭС.

Отмеченные выше особен-

ности топологии сети и зон

ответственности учитываются

Навигатором при выдаче реко-

мендаций по оптимизации по-

терь электроэнергии в режиме

реального времени.

СТРУКТУРА

ПРОГРАММНОГО

ОБЕСПЕЧЕНИЯ

ОПТИМИЗАЦИИ

Алгоритм оптимизации реализуется в виде двух

функциональных блоков.

Первый блок обеспечивает направленный пере-

бор петель графа по минимуму потерь активной

мощности во всей сети. В общем случае крона вет-

вления дерева вариантов включает несколько де-

сятков ветвей, что позволяет найти практически гло-

бальный оптимум. В частном случае, когда кроной

ветвления является только одна ветвь, получаем

локальный минимум.

Второй блок обеспечивает нахождение оптималь-

ного места деления в петле графа по тому же мини-

муму потерь активной мощности.

АЛГОРИТМ

ОПТИМИЗАЦИИ

МЕСТА

ДЕЛЕНИЯ

ПЕТЛИ

(

второй

функциональный

блок

)

Второй функциональный блок выполняет построение

петли из места деления и инцидентных ему деревьев

до шин ЦП. Для этого производится перебор (всех)

МД в петле и определяется МД, при разрыве кото-

рого с помощью коммутационного аппарата в петле

будет наблюдаться минимум суммарных потерь.

Построение петли в программе выполняется пу-

тем поиска путей на графе: сначала находятся два

пути до питающего центра от каждого из двух по-

люсов исходно разомкнутого коммутационного ап-

парата, являющихся исходным МД, как показано

на рисунке 1. При поиске пути в каждый узел графа

заносится номер предшествующего узла. Поэтому,

чтобы получить список коммутационных аппаратов

дуги, нужно проходить по найденным путям в об-

ратном направлении — от питающего центра до ис-

ходного коммутационного аппарата. В этот список не

Рис

. 1.

Построение

петли

нахождение

ее

коммутационных

аппаратов

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 7

включаются коммутационные аппараты, которыми

запрещено управлять по технологическим или иным

причинам. На рисунке 1 кружками выделены следую-

щие найденные коммутационные аппараты петли —

В-6, Р-6, Р-14, Р-12, Р-15, В-3, которые являются кан-

дидатами на оптимальное место деления сети.

После составления списка новых возможных

мест деления петли рассчитывается режим петли

для каждого из этих МД и выбирается место деле-

ния с минимумом потерь электроэнергии в петле.

Расчет может выполняться несколькими способами.

При первом способе (математическом) направле-

ние перемещения места деления от его исходного

положения в обе стороны определяется следующим

образом:

• если первое перемещение МД в одну сторону

снижает потери в петле, то выбор направления

считается правильным и МД далее перемещает-

ся в выбранном направлении. Если же снижения

потерь в петле нет, то направление перемещения

МД меняется на противоположное;

• если перемещение МД в другую сторону снижает

потери в петле, то выбор направления считается

правильным и МД далее перемещается в выбран-

ном направлении;

• если перемещение МД в обе стороны не приво-

дят к снижению потерь, то исходное МД считается

оптимальным по потерям и на этом поиск нового

места деления заканчивается.

Пошаговое перемещение МД по петле первым

способом осуществляется следующим образом:

МД перемещается на один коммутационный аппа-

рат в выбранном направлении в случае, если это

приводит к снижению потерь в петле, и так продол-

жается до тех пор, пока потери не начнут расти.

В этом случае предыдущее место деления будет

считаться оптимальным по

потерям в петле.

При втором способе (фи-

зическом) поиска мест деле-

ния сети сначала выполня-

ется расчет режима петли,

после чего МД определяется

по точке потокораздела, кото-

рая дает минимум потерь ак-

тивной мощности [13]. Так как

перенос МД двух деревьев

практически не влияет на ре-

жим оставшихся деревьев, то

для ускорения процесса оп-

тимизации потерь расчет ре-

жима для оставшихся дере-

вьев можно не производить.

Это проиллюстрировано для

фрагмента распределитель-

ной сети на ри сунке 2.

При оптимизации потерь

проверка оборудования по

токам короткого замыкания

выполняется для каждого МД

одновременно с расчетом ре-

жима сети.

Для ускорения проверки надежности питания

потребителей при поиске мест деления петли рас-

четы выполняются с применением логики: проверка

надежности не производиться для узлов, которые

не «задеты» перемещением МД при условии, что

МД перемещается по петле направленно.

Структурная схема алгоритма поиска места де-

ления петли без ускорения расчета представлена

на рисунке 3.

Проверка на сохранение надежности питания

потребителей при поиске МД петли выполняется

следующим образом:

• если среди потребителей, питающихся от пет-

ли, есть потребители первой категории, то у них

проверяется наличие резервного питания через

АВР; если его нет, то производится переход на

следующее МД сети;

• если среди потребителей, питающихся от пет-

ли, есть потребители второй категории, то у них

проверяется наличие резервного питания через

дистанционно управляемый коммутационный

аппарат или через коммутационный аппарат,

которым может управлять локально ОВБ после

подъезда к подстанции в течение регламентиро-

ванного времени, например в течение 2-х часов,

как принято в ПАО «МОЭСК»; если ни то, ни дру-

гое не обеспечивается, то производится переход

на следующее МД в петле;

• иначе считается, что проверка на обеспечение

надежности питания потребителей петли успеш-

но пройдена.

Поиск пути в графе осуществляется методом

Дейкстры [14] — последовательной расстановкой

меток узлов от исходной точки. Меткой служит но-

мер узла, из которого сделан переход в текущий

узел.

Рис

. 2.

Перенос

места

деления

петли

графа

№

5 (56) 2019

Page 8

АЛГОРИТМ

ОПТИМИЗАЦИИ

СЕТИ

(

первый

функциональный

блок

)

Оптимизация всей сети района производится на-

правленной оптимизацией заранее определенных

или динамически определяемых МД петель. Опи-

сание определения МД одной петли приведено

разделом выше, алгоритм работы второго функци-

онального блока представлен на рисунке 3.

В первом функциональном блоке рассматри-

ваются все петли и места их деления. Существу-

ет множество вариантов направленного поиска

топологий сети, в данном случае МД сети. Напри-

мер, локальный минимум можно найти методом

«скорейшего спуска» по аналогии с методом по-

координатного спуска, применяемого для оптими-

зации функции многих переменных [15]. В качестве

координат по аналогии с оптимизацией функции

многих переменных берутся петли, а «спуск» осу-

ществляется перемещением МД по ним. При этом

на каждом шаге определяется ведущая петля («ко-

ордината»), дающая своими МД максимум сни-

жения потерь среди всех петель. Если в ведущей

петле сразу брать максимальное снижение потерь,

то метод оптимизации по той же аналогии похож на

метод Коши [15]. Пример результата работы такого

алгоритма для фрагмента распределительной сети

представлен на рисунке 4.

Мы рекомендуем использовать метод ветвей

и границ или аналогичные методы целочисленной

оптимизации, дающие практически глобальный ми-

нимум потерь. При отсутствии необходимости по-

лучения глобального минимума возможно приме-

нение методов по аналогии с методами скорейшего

спуска.

ОПТИМИЗАЦИЯ

МАРШРУТОВ

ДВИЖЕНИЯ

ОПЕРАТИВНЫХ

ВЫЕЗДНЫХ

БРИГАД

Рекомендации по минимизации потерь электро-

энергии представляются на схеме сети с указа-

нием оптимальных маршрутов движения ОВБ для

производства требуемых переключений. Пример

представления оптимального маршрута движения

ОВБ для фрагмента распределительной сети по-

казан на рисунке 5.

ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ

ВОПРОСЫ

«Навигатор диспетчера» позволяет непрерывно

оптимизировать потери электроэнергии в распре-

делительной электрической сети, в определенные

моменты времени выдавая рекомендации ОВБ на

перемещение места деления сети, изменения тем

самым ее топологии. То есть, несколько раз в сутки

могут появляться отклонения от нормальной схемы

и от так называемой режимной схемы, и эти откло-

нения время от времени изменяются. Возможно,

при внедрении «Навигатора диспетчера» пона-

добится ввести понятие текущая «оптимальная

схема» наряду с существующими понятиями «нор-

мальная схема» и «режимная схема». При этом «оп-

тимальная схема» адаптивно, динамически может

меняться несколько раз в течение суток для обе-

спечения минимума потерь электроэнергии.

Конец работы

Заменить МД

и потери

текущими

Назначить

текущим

следующее

по списку МД

Начало работы

Формирование списка МД петли,

разрешенных для управления

Назначить текущим

первое МД из списка

Расчет режима,

в том числе

потерь

Потери

меньше ранее

полученных?

да

Текущее МД

последнее в списке?

нет

да

Определение петли от двух

полюсов МД до ЦП и потерь

Анализ надежности узлов петли

с текущим МД

Надежность

обеспечена ?

да

нет

Режим допустим?

нет

да

Рис

. 3.

Структурная

схема

алгоритма

поиска

МД

без

ускорения

расчета

ЦИФРОВАЯ

ТРАНСФОРМАЦИЯ

Page 9

Рис

. 5.

Пример

представления

оптимального

маршрута

движе

ния

ОВБ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработаны методы, алгоритмы и программное обе-

спечение адаптивной динамической оптимизации потерь

электроэнергии разомкнутой распределительной сети.

Программное приложение включено в программный ком-

плекс «Навигатор диспетчера распределительной элек-

трической сети», предлагающий рекомендации диспетче-

ру по оптимизации потерь электроэнергии, находящейся

в нормальном режиме, в темпе процесса для сети любого

размера и сложности.

ООО «Систел»

г. Москва, Каширское ш., д. 22, корп. 3,

Тел.: (495) 727-39-65

[email protected]

www.systel.ru

ЛИТЕРАТУРА/REFERENCES

1. Рыкованов С.Н., Хозяинов М.А. Концепция на-

вигатора диспетчера для адаптивного оптималь-

ного управления режимами распределительной

электрической сети // Автоматизация & IT в энер-

гетике, 2018, № 12. С. 30–34.

2. Merlin A., Back H. Search for a minimal-loss operat-

ing spanning tree conﬁ guration in an urban power

distribution system, in Proc. 5th System Computa-

tion Conf. (PSCC), Cambridge, U.K., 1975, pp.1-18.

3. Baran M.E., Wu F.F. Network reconﬁ guration in dis-

tribution systems for loss reduction and load balanc-

ing, IEEE Transactions on Power Delivery, 1989,

vol. 4, no. 2, pp. 1401-1407.

4. Safri R.J., Salama M.M.A., Chickani A.Y. Distribution

system reconﬁ guration for loss reduction: a new al-

gorithm based on a set of quantiﬁ ed heuristic rules,

Proceedings of Electrical and Computer Engineer-

ing, Canada, 1994, vol. 1, pp. 125-130.

5. Zhu J.Z. Optimal reconﬁ guration of electrical distri-

bution network using the reﬁ ned GA, Electric Power

System Research, 2002, vol. 62, pp. 37-84.

6. Lin W.M., Cheng F.S., Tsay M.T. Distribution feeder

reconﬁ guration with reﬁ ned GA, IEEE Proc-Gener.

Transmission Distribution, 2000, vol. 147, no. 6,

pp. 1484-1491.

7. Prasad K., Ranjan R., Sahoo N.C., Chaturvedi A.

Optimal reconﬁ guration of radial distribution sys-

tems using a fuzzy mutuated GA, IEEE Trans-

actions on Power Delivery, 2005, vol. 20, no. 2,

pp. 1211-1213.

8. Kim H. ANN based feeder reconﬁ guration for loss re-

duction in distribution system, IEEE Transaction on

Power Delivery, 1993, vol. 8, no. 3, pp. 1356-1366.

9. Lin C.-H. Distribution network reconﬁ guration for

load balancing with a colonial Petri net algorithm,

IEEE Proc-Gener. Transm. Dist., 2003, vol. 150,

no. 3, pp. 317-324.

10. Li K.K., Chung T.S., Chen G.J., Tang G.Q. A tabu

search approach to distribution network reconﬁ gura-

tion for loss reduction, Electric Power Components

and Systems, Taylor and Francis, 2003, pp. 571-585.

11. Ganesh S. Network Reconﬁ guration of Distribution

System Using Artiﬁ cial Bee Colony Algorithm, World

Academy of Science, Engineering and Technology

International Journal of Electrical and Computer En-

gineering, 2014, vol. 8, no. 2, pp. 396-402.

12. Фокин Ю.А., Хозяинов M.А. Ввод режима элек-

троэнергетических систем в допустимую область

путем коррекции их схемы // Электричество,

1990, № 12. C. 14–19.

13. Лыкин А.В. Электрические системы и сети. Учеб-

ное пособие. М.: Университетская книга; Логос,

2008. 254 с.

14. Левитин А.В. Алгоритмы: введение в разработку

и анализ. М.: Издательский дом Вильямс, 2006.

С. 189–195.

15. Загребаев А.М., Крицына Н.А., Кулябичев Ю.П.,

Шумилов Ю.Ю. Методы математического про-

граммирования в задачах оптимизации слож-

ных технических систем. Учебное пособие. М.:

МИФИ, 2007. 332 c.

16. Dosilovic F.K., Bcic M. Explainable Artiﬁ cial Intel-

ligence: Survey. Confe rence Paper, May 2018.

URL: htpps://www.researchgate.net/publi ca tions/

325398586.

Рис

. 4.

Пример

оптимизации

потерь

электроэнергии

во

всей

сети

№

5 (56) 2019

Оригинал статьи: Навигатор диспетчера. Адаптивная динамическая оптимизация потерь электроэнергии в разомкнутой распределительной электрической сети

Читать онлайн

Основные потери электроэнергии в электросетевом комплексе РФ приходятся на распределительные электрические сети, причем большая их часть — на разомкнутые сети 0,4–10 кВ. Потери электроэнергии в этих сетях в темпе процесса могут быть снижены в результате изменения топологии сети путем проведения переключений, обеспечиваемых дистанционно с помощью систем телемеханики и/или оперативными выездными бригадами.