МОДЕЛИРОВАНИЕ  ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ  СИСТЕМ  В  ПРОСТРАНСТВЕ  СОСТОЯНИЙ

Бисенов  Руслан  Жоламанович

магистрант,  ЕНУ  им.  Л.Н.  Гумилева,  Республика  Казахстан,  г.  Астана

E-mail: 

Сатыбалдина  Дана  Каримтаевна

канд.  техн.  наук,  доцент  ЕНУ  им.  Л.Н.  Гумилева,  Республика  Казахстан,  г.  Астана

E-mail: 

MODELING  ENERGY  SYSTEM  IN  SPACE  OF  STATES

Ruslan  Bissenov

candidate  for  a  master's  degree,  L.N.  Gumilyov  ENU,  Republic  of  Kazakhstan,  Astana

Satybaldina  Dana

candidate  of  Technical  Science,  Associate  Professor  of  L.N.  Gumilyov  ENU,  Republic  of  Kazakhstan,  Astana

АННОТАЦИЯ

В  данной  статье  ставится  задача  исследования  методов  и  проблем  при  моделировании  энергетических  систем.  На  основе  проведенного  исследования  автором  статьи  большое  значение  уделяется  надежности  математической  модели.  Показано,  что  моделирование  энергетических  систем  открывает  широкие  возможности  по  мониторингу  и  управлению  таких  систем,  что  в  свою  очередь  повышает  устойчивость  передачи  и  оптимальное  распределение  энергии.

ABSTRACT

This  article  puts  the  problem  of  research  methods  and  problems  in  modeling  energy  systems.  Based  on  the  research  the  author  of  the  article  is  given  great  importance  to  the  reliability  of  the  mathematical  model.  It  is  shown  that  the  simulation  of  power  systems  offers  great  opportunities  for  monitoring  and  management  of  such  systems  ,  which  in  turn  increases  the  resistance  of  the  transmission  and  distribution  of  optimal  energy.

Ключевые  слова:  математической  моделирование;  энергетические  системы;  надежность.

Keywords:  mathematical  modeling;  energy  systems;  reliability.

В  настоящее  время,  с  развитием  телекоммуникационных  технологий  и  ростом  вычислительной  мощности,  актуальной  становится  попытка  представления  энергетических  систем  в  виде  математических  и  компьютерных  моделей  [4,  7]. 

Основные  трудности,  возникающие  при  моделировании  сложных  систем  энергетики,  связаны  с  неоднородностью  наблюдаемых  физических  явлений  и  сложностью  их  математического  описания,  значительным  разнообразием  системообразующих  элементов,  а  также  жесткими  ограничениями  на  длительность  вычислительных  экспериментов,  в  течение  которых  получаемая  информация  не  теряет  актуальности. 

Рисунок  1.  Модель  энергосети,  характерной  для  Казахстана

Комплексное  решение  проблемы  создания  компьютерных  моделей  энергетических  систем  возможно  в  рамках  единого  подхода,  который  обеспечивает  согласованное  построение  физико-математических  моделей  и  вычислительных  алгоритмов.

Существующая  теория  однородных  по  физическим  явлениям  цепей  является  основой  для  построения  физико-математических  моделей  этих  явлений  и  соответствующих  технических  систем.  Характерная  особенность  энергетических  систем  —  неоднородность  физических  явлений,  которые  должны  быть  описаны  в  модели,  т.  е.  одновременно  в  одной  системе  наблюдаются  электромеханические  и  другие  взаимосвязанные  процессы.  Поэтому  для  построения  физико-математических  моделей  энергетических  систем  введено  понятие  энергетической  цепи.

При  проектировании  и  внедрении  современного  оборудования,  а  также  при  модернизации  существующего  возникает  проблема  моделирования  динамических  процессов  в  энергетических  системах.  Это  обусловлено  тем,  что  параметры  переходного  процесса,  возникающего  как  при  нормальной  работе,  так  и  при  аварийных  режимах,  определяют  устойчивость  и,  соответственно,  надежность  системы.  Кроме  того,  по  параметрам  переходного  процесса  определяются  координаты  мест  аварий  линий  электропередачи.  Зависимость  параметров  переходного  процесса  от  расстояния  до  места  аварии  положена  в  основу  принципа  действия  приборов  контроля  и  диагностики.  В  настоящее  время  переходные  процессы  в  элементах  энергетических  систем  рассчитываются  по  упрощенным  моделям:  линеаризованным  дифференциальным  уравнениям  и  упрощенным  схемам  замещения,  что  вызывает  погрешность  моделирования.  Поэтому  использование  более  точных  моделей  позволит  повысить  качество  проектирования  энергетических  систем,  а  именно:  обеспечить  оптимальное  техническое  решение  по  критериям  быстроты  и  устойчивости  и  более  обоснованный  выбор  параметров  устройств  защиты,  контроля  и  диагностики.

Одна  из  основных  проблем  моделирования  энергетических  систем  заключаются  в  том,  что  такие  системы  являются  гибридными  и  при  описании  основных  элементов  системы  используется  математический  аппарат  анализа  аналоговых  и  цифровых  систем.  В  настоящее  время  при  моделировании  и  проектировании  энергетических  систем  и  цифровых  устройств  управления  широко  используются  компьютерные  технологии,  основанные  на  использовании  цифровой  информации.  Поэтому  для  моделирования  совместной  работы  цифровых  и  непрерывных  звеньев  систем  необходим  метод  моделирования,  использующий  дискретизацию  непрерывных  процессов,  что  позволит  обеспечить  моделирование  преобразования  сигналов  на  едином  языке  и  формализовать  процесс  проектирования  цифровых  устройств  по  аналоговым  моделям  элементов  системы.  В  качестве  теоретической  основы  моделирования  целесообразно  использовать  аппарат  z-преобразования,  который  обладает  потенциальными  возможностями  для  решения  указанных  проблем.  В  развитие  теории  цифровых  систем  внесли  существенный  вклад  ученые  Я.З.  Цыпкин,  JI.Т.  Кузин,  Э.И.  Джури,  Ю.Т.  Ту,  Б.  Куо,  К.  Острем,  В.П.  Шипилло,  А.Н.  Шилин  и  др. 

В  целом  такую  систему  можно  описать  следующими  уравнениями:

  (1),

где:  x  —  состояния, 

u  —  входы, 

y  —  выходы; 

A,B,C,D  —  матрицы  размерности  nxn,  nxr,  mxn,  mxr  соответственно. 

Предложенный  подход,  с  учетом  особенностей,  характерных  для  Казахстана,  в  случае  адекватного  представления  модели  открывает  широкие  возможности  по  мониторингу  и  управлению  таких  систем  [5,  6],  что  в  свою  очередь  повышает  устойчивость  передачи  и  оптимальное  распределение  энергии.

Значительная  специфичность  и  уникальность  ЭЭС  в  большинстве  случаев  не  позволяют  непосредственно  воспользоваться  предлагаемыми  в  общей  теории  надежности  математическими  методами,  моделями  и  алгоритмами  вычисления  показателей  надежности,  поскольку  эта  теория  достаточно  хорошо  развита  для  так  называемых  простых  систем  и  ограниченного  класса  сложных  технических  систем,  в  моделях  которых  не  могут  быть  в  достаточно  полной  мере  отображены  технологические  особенности  систем  электроэнергетики,  их  многофункциональное  и  многоцелевое  назначение,  множественность  вероятных  состояний  и  доминирующая  роль  частичных  отказов.  Именно  поэтому  для  оценки  надежности  объектов  ЭЭС  необходима  разработка  специальных  математических  методов  и  моделей,  реализуемых  затем  в  алгоритмах  и  вычислительных  программах.

Основное  назначение  моделей  надежности  ЭЭС  заключается  в  получении  таких  показателей  надежности,  которые  могли  бы  напрямую  или  косвенно  использоваться  для  принятия  решений  по  обеспечению  надежности  объектов  и  ЭЭС  в  целом.  Обеспечение  надежности  ЭЭС  —  сложная  и  многоплановая  проблема,  требующая  своего  решения  в  различных  оценочных  и  оптимизационных  задачах  на  разных  уровнях  территориально-временной  и  технологической  иерархии  управления.  Представление  же  о  комплексности  свойства  надежности  как  совокупности  некоторых  единичных  свойств,  актуальных  для  того  или  иного  объекта,  еще  больше  усложняет  проблему  анализа  и  синтеза  надежности  ЭЭС.  В  такой  ситуации  создание  какой-то  единой  модели  для  решения  всех  задач  надежности  на  всех  временных  этапах  управления  (при  прогнозировании,  проектировании,  планирования  развития,  при  долгосрочном,  краткосрочном  и  текущем  управлении  функционированием),  на  всех  территориальных  уровнях  (от  оборудования  до  установки  объекта  и  системы  различной  степени  объединения:  регионального,  единого  для  страны  и  выше),  для  всех  технологических  звеньев  (звена  первичных  энергоресурсов,  генерирующего  звена,  звеньев  транспорта,  преобразования  и  распределения  электроэнергии)  и  для  всех  единичных  свойств  (безопасности,  долговечности,  безотказности,  ремонтопригодности,  устойчивоспособности,  живучести,  управляемости,  ресурсообеспеченности  и  сохраняемости)  не  представляется  возможным  не  только  сейчас,  но  и  в  обозримом  будущем.

На  различных  уровнях  и  этапах  отношение  к  точности  и  полноте  решения  задач  надежности  различно,  то  есть  и  в  этом  плане  имеющиеся  модели  могут  существенно  различаться.  Более  того,  для  решения  одной  и  той  же  задачи  возможны  модели  разной  степени  полноты  и  точности  представления  исходных  данных  и  результатов  решения  соответственно.  Таким  образом,  отказ  от  единой  универсальной  модели  и  переход  к  ее  декомпозиции  на  множество  моделей,  решающих  частные  задачи  надежности,  являются  объективно  обусловленными.  Но  при  этом  возникает  особая  проблема  согласования  решений  частных  задач  надежности,  которая  на  практике  также  должна  решаться  или  решается  тем  или  иным  путем.

В  отечественной  и  мировой  практике  существует  обширное  множество  методик  и  способов  выполнения  расчетов  надежности  ЭЭС  и  ее  объектов  [2—3].  Наряду  со  значительным  количеством  различающих  их  нюансов,  они  обладают  и  определенными  элементами  общности,  одинаковостью  принципиальных  подходов.  Многообразие  используемых  математических  методов  и  таких  моделей  позволяет  считать  полезным  анализ  их  особенностей  и  потенциальных  возможностей  с  целью  выявления  областей  преимущественного  применения. 

Список  литературы:

1.Биллинтон  Р.,  Аллан  Р.  Оценка  надежности  электроэнергетических  систем:  пер.  с  англ.  М.:  Энергоатомиздат,  1988.  —  288  с.

2.Ковалев  Г.Ф.,  Малкин  П.А.  Программное  обеспечение  для  оптимизации  и  оценки  надежности  при  проектировании  ЭЭС  //  Методические  вопросы  исследования  надежности  больших  систем  энергетики.  Вып.  22.  Иркутск:  СЭИ  СО  АН  СССР,  1981.  —  С.  7—16.

3.Эндрени  Дж.  Моделирование  при  расчетах  надежности  в  электроэнергетических  системах:  пер.  с  англ.  /  Под  ред.  Ю.Н.  Руденко.  М.:  Энергоатом-издат,  1983.  —  180  с.

4.Anderson  P.M.,  Fouad  A.A.  Power  system  control  and  stability.  Iowa  State  University  Press,  Ames  (Iowa),  1977.

5.Hornik  T.,  Zhong  Q.-C.,  H∞  repetitive  voltage  control  of  grid  connected  inverters  with  a  frequency  adaptive  mechanism,  Power  Electronics,  IET,  3(6),  2010,  925—935.

6.Kundur  P.  Power  system  stability  and  control.  McGraw-Hill  Companies,  Incorporated,  1994.

7.Lubosny  Z.  Wind  turbine  operation  in  Electric  power  systems.  –  Springer,  2003.

8.Methods  and  Techniques  for  Reliability  Assessment  of  Interconnected  Systems  /  Prepared  by  CIGRE  T.F.  38.03.11.  July  1997.  —  60  pp.