Регулирование напряжения в электроэнергетических системах на основе нечёткой логики тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Жмак, Егор Иванович

• Жмак, Егор Иванович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Жмак, Егор Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В

ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ И ПУТИ ЕЁ РЕШЕНИЯ.

1.1. Задачи регулирования.

1.2. Классическое регулирование напряжения в распределительных сетях.

1.3. Регулирование напряжения в неоднородных электрических сетях.

1.4. Нечёткое управление.

2. ТЕОРИЯ НЕЧЕТКИХ МНОЖЕСТВ В ЗАДАЧАХ УПРАВЛЕНИЯ.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Основы теории нечётких множеств.

2.3. Общие понятия нечёткого управления.

2.4. Применение теории нечётких множеств при прогнозировании и обработке данных.

3. НЕЧЁТКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В

РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Общие принципы нечёткого регулирования напряжения.

3.3. Математическая модель.

3.4. Алгоритм нечёткого регулирования.

Выводы по главе.

4. НЕЧЁТКОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ В

НЕОДНОРОДНЫХ ЗАМКНУТЫХ СЕТЯХ.

4.1. Постановка задачи.

4.3. Математическая модель.

4.4. Алгоритм нечёткого регулирования напряжения в неоднородной сети.

Выводы по главе.

5. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ.

5.1. Система МАТЬАВ.

5.2. Модель регулирования напряжения в распределительных сетях.

5.3. Модель регулирования напряжения в неоднородных замкнутых сетях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Регулирование напряжения в электроэнергетических системах на основе нечёткой логики»

Актуальность темы. На современном этапе развития сложных электроэнергетических систем (ЭЭС) становится особенно актуальным макси мальное снижение затрат на решение задач, связанных с управлением, оптимизацией и планированием их режимов. В первую очередь, это связано с повышением быстродействия и эффективности применяемых алгоритмов. Вычислительная техника и новые технологии программирования позволяют реализовать довольно сложные, но в то же время мощные алгоритмы.

Появление новых методов обусловлено тем, что при эксплуатации сложных систем приходится сталкиваться с одним и тем же рядом проблем, плохо пригодных для решения традиционными методами. Это является причиной создания адаптивных интеллектуальных систем, способных подстраиваться под изменения состояния объекта. В связи с этим в последнее время ф рассматривается решение технических задач с помощью методов искусственного интеллекта. Одним из таких методов является аппарат теории нечётких множеств, получивший широкое распространение и более известный под названием «нечёткая логика».

Появившись в конце ХХ-го века, нечёткое управление быстро завоевало популярность и заняло прочные позиции во многих сферах науки и техники. Устройства, использующие нечёткое управление, в ряде случаев оказываются предпочтительнее устройств, управляемых традиционными алгоритмами. Это связано с рядом преимуществ нечёткого подхода: возможность работы с нечисловой информацией, относительная простота, лёгкость реализации и т.д. Особенно хорошо нечёткое управление подходит для случаев, когда объект управления описывается системой нелинейных дифференциальных уравнений. В этом случае нет необходимости в решении этих уравнений. Погрешность получаемого ответа чаще всего является вполне приемлемой.

Кроме того, существующая неопределённость входной информации может привести к неоправданно высокому значению погрешности при нахождении решения традиционными способами. Устройства на основе нечёткой логики лишены этого недостатка.

Исходя из опыта применения нечётких систем в различных областях науки и техники в России и за рубежом, ожидалось, что применение нечёткого регулирования напряжения окажется предпочтительнее прежних классических способов.

Цель и задачи работы. Целью работы является оценка возможности применения методов нечёткого управления для регулирования напряжения как по продольной, так и по поперечной осям.

При проведении теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку нечётких алгоритмов регулирования напряжения в электроэнергетической системе, решались следующие задачи:

1. Систематизация и теоретический анализ существующих методов автоматического регулирования напряжения в электрических сетях.

2. Анализ области применения нечётких алгоритмов в задачах регулирования напряжения электроэнергетических систем.

3. Выделение и решение основных задач, соответствующих отдельным видам регулирования напряжения.

4. Разработка и развитие новых научных моделей и методов регулирования напряжения электрических систем, основанных на теории нечётких множеств и, в частности, нечёткой логике.

При решении задач, соответствующих поставленной цели, использовались элементы теории нечётких множеств, понятие лингвистической переменной, нечёткие выводы, методы математического программирования, численные методы анализа с применением вычислительной техники.

Методы исследований. Разработанные в диссертации научные положения основываются на системном подходе к управлению режимами сложных электроэнергетических систем. При проведении исследований использовались положения теории регулирования, теории нечётких множеств, в частности, аппарат нечёткой логики.

Научная новизна. Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Выполнен анализ области применения нечётких алгоритмов в задачах регулирования напряжения электроэнергетических систем.

2. Впервые предложены способы решения задач регулирования напряжения (как по продольной, так и по поперечной осям) в электроэнергетических системах с помощью управления на основе нечёткой логики.

3. Обоснована целесообразность применения методов нечётких вычислений в задачах регулирования напряжения электроэнергетических систем.

Основные положения, выносимые на защиту, заключаются в следующем:

1. Обоснованность применения нечёткого управления при регулировании напряжения по продольной оси.

2. Обоснованность применения нечёткого управления при регулировании напряжения по поперечной оси.

3. Структура нечётких алгоритмов при регулировании напряжения в распределительных сетях.

4. Структура нечётких алгоритмов при регулировании напряжения в неоднородных замкнутых сетях.

5. Степень эффективности предложенных нечётких алгоритмов при решении задач регулирования напряжения в электрических сетях.

Достоверность результатов, полученных в диссертации, определяется адекватностью математических моделей, применяемых для решения поставленных задач, учетом более реальных характеристик агрегатов, а также использованием стандартных схем электрических сетей в качестве исходной информации при проведении исследований, апробацией результатов на сравнительном анализе со значениями, определенными с помощью традиционных методов.

Практическая значимость. Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные алгоритмы и программы нечёткого регулирования напряжения могут быть использованы при эксплуатации систем электроснабжения в условиях неопределённой информации, при регулировании напряжения на шинах потребителей, при регулировании напряжения в неоднородных замкнутых сетях с целью уменьшения потерь от неоптимального перераспределения потоков мощности нагрузок путём установки нечётких регуляторов напряжения.

Основное практическое значение работы заключается в повышении эффективности используемых алгоритмов управления режимами энергосистем, что приводит к улучшению технико-экономических показателей энергосистем, снижению технологического расхода электроэнергии, связанного с ее передачей, улучшению качества электроснабжения приёмников, повышению оперативности и обоснованности принятия решений, снижению отказов работы РПН трансформаторов, улучшению работы потребителей вследствие повышения качества электроэнергии.

Апробация работы. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Техника. Инновации» (г. Новосибирск, 2002 г.), на VII международном Российско-корейском симпозиуме по науке и технологии К01Ш8-2003 (г. Ульсан, Корея, 2003 г.), на научно-технической конференции аспирантов факультета энергетики, на VI международной конференции по мягким вычислениям и измерениям 8СМ'2003 (г. Санкт-Петербург, 25-27 июня, 2003), на семинарах кафедры «Системы электроснабжения» факультета Энергетики НГТУ, на конференции «Проблемы современной электротехники 2004» (Украина, г. Киев, 7-10 июня 2004), на VIII международном Российско-корейском симпозиуме по науке и технологии К01Ш8-2004 (г. Томск, 2004 г.), на второй международной конференции, посвящённой техническим и физическим проблемам в электроэнергетике ТРЕ-2004 (Иран, Табриз, 6-8 сентября, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ. Объём и содержание работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 120 страниц текста. Основной материал изложен на 116 страницах текста, иллюстрирован 49 рисунками. Список литературы включает 76 наименований.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Жмак, Егор Иванович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основная направленность диссертационной работы связана с практической разработкой и исследованием алгоритмов, основанных на использовании таких методов искусственного интеллекта, как теория нечётких множеств и аппарат нечёткой логики для решения задач регулирования напряжения в электроэнергетических системах.

К наиболее ценным и существенным результатам, полученным в данной работе, следует отнести:

1. Предложена система регулирования напряжения по продольной и поперечной осям на основе базы правил, сформулированных в нечёткой форме.

2. При продольном регулировании напряжения на основе разработанной базы правил выяснилось, что количество переключений устройства РПН уменьшается на 20-25%, кроме того, регулятор становится более "интеллектуальным" - не происходит срабатываний при коротких замыканиях, уменьшается вероятность застревания переключателя в своих крайних положениях, производится отрабатывание количества переключений за день, что позволяет задать предельное количество переключений в сутки.

3. В рассмотренных неоднородных схемах при поперечном регулировании напряжения наблюдалось снижение потерь электроэнергии по сравнению с традиционным методом регулирования напряжения, которое составило 7% для первой схемы и 5% для второй.

4. Проведённые исследования показали, что для продольного регулирования напряжения предпочтительнее дефаззификация по Мам-дани, тогда как для поперечного регулирования более целесообразным является применение дефаззификации по Сугэно. Это связано с особенностью формирования баз нечётких правил для кажкаждого из этих случаев. Для нечёткого вывода по Мамдани база правил формировалась на основании требований ГОСТ 13109-97. При создании же правил по Сугэно использовались результаты предварительного расчёта исследуемой схемы.

5. Исследовавшиеся алгоритмы нечёткого регулирования напряжения отличаются возможностью лёгкого расширения при появлении необходимости в дополнительных функциональных требованиях. Сущность нечётких алгоритмов такова, что позволяет производить такие изменения без глубокой переделки основ.

6. На основании проведенных исследований можно утверждать что, предлагаемые нечёткие алгоритмы являются достаточно мощной вычислительной процедурой при неопределённости входной информации.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Жмак, Егор Иванович, 2004 год

1. Баркан Я.Д. Автоматизация регулирования напряжения в распределительных сетях. / Под ред. Мельникова H.A. М.: Энергия, 1971.-231 с.

2. Баркан Я.Д., Орехов JI.A. Автоматизация энергосистем: учебное пособие для студентов вузов. -М.: Высш. школа, 1981.-271 с.

3. Мельников H.A. Регулирование напряжения в электрических сетях. М.: "Энергия", 1968.- 153 с.

4. Мельников H.A. Реактивная мощность в электрических сетях. М.: Энергия, 1975. - 128 с.

5. Методы оптимизации режимов энергосистем / Под. ред. В.М. Горнштейна. М.: Энергия, 1981. - 336 с.

6. Глазунов A.A., Глазунов A.A. Электрические сети и системы: Учеб. пособие для энерг. и электротехн. ин-тов и фак-тов СССР. M.-JL: Госэнерго-издат, 1960. -368 с.

7. Мельников H.A. и Солдаткина JI.A. Регулирование напряжения в электрических сетях. М.: Энергия, 1968. - 153 с.

8. Лыкин A.B. Электрические системы и сети: учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - 248 с.

9. Мельников H.A. Электрические сети и системы, учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, стереотип. М.: Энергия, 1975. - 463 с.

10. Электрические сети и системы: Учеб. для электроэнерг. спец. вузов / Под ред. Г.И. Денисенко. Киев: Вища школа, 1986. - 583 с.

11. Веников В .А. и др. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. / В.А. Веников, В.И. Идельчик, М.С. Лисеев М.: Энергоатом-издат, 1985. -214 с.

12. Мелихов А.Н. и др Расплывчатые ситуационные модели принятия решений. Таганрог: ТРТИ, 1986. 92 с.

13. Мелихов А.Н. и др Ситуационные советующие системы с нечёткой логикой. М.,: Наука, 1990. 271 с.

14. Автоматизация электроэнергетических систем: учебное пособие для вузов. / О.П. Алексеев, B.J1. Козис, В.В. Кривенков и др.; Под ред. Морозкика и Д. Энгелане. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 448 с.

15. Автоматика электроэнергетических систем: учебное пособие для вузов/ О.П. Алексеев, В.Е. Казанский, B.JI. Козис и др.; под ред. B.J1. Козиса и Н.И. Овчаренко. -М.: Энергоиздат, 1981. 479 с.

16. Веников В.А., Литкенс И.В. Математические основы теории автоматического управления режимами электросистем: Учеб. пособие для энерг. вузов и фак. М.: Высш. школа, 1964. - 202 с.

17. Оптимизация режимов электрических систем: Учеб. пособие / Под ред. Синькова В.М. Киев: Вища школа, 1976. - 308 с.

18. Филиппова Т.А., Журавлев В.Г., Жирнов В.Д., Сидоркин Ю.М. Управление режимами электрических станций: Монография. Новосибирск: НГТУ, 1995.-282 с.

19. Модели оптимизации развития энергосистем: Учеб. для энергет. спец. вузов / Д.А. Арзамасцев, A.B. Липес, А.Л. Мызин / Под ред. Д.А. Арзамасцева. М.: Высш. шк., 1987. - 272 с.

20. Электрические станции, сети и системы. Методы оптимизации управления планированием больших систем энергетики / В.А. Веников, В.И. Идельчик. М.: Высшая школа, 1974. - 204 с.

21. Веников В.А., Журавлёв В.Г., Филиппова Т А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: Учебник для вузов. М.: Энергоиздат, 1981.-464 с.

22. Жуков Л.А., Стратан И.П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: Методы расчетов. М.: Энергия, 1979. - 416 с.

23. Идельчик В.И. Расчёты и оптимизация режимов электрических сетей и систем. М.: Энергоатомиздат, 1988. - 288 с.

24. Идельчик В.И. Расчёты установившихся режимов электрических систем. М.: Энергия, 1977.- 192 с.

25. Маркушевич Н.С. Регулирование напряжения и экономия электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 104 с.

26. Фиакко А., Мак-Кормик Г. Нелинейное программирование: методы последовательной безусловной оптимизации. М.: Мир, 1972. - 240 с.

27. Арзамасцев Д.А., Бартоломей П.И. Оптимизационные задачи АСДУ энергосистемами: Учеб. пособие. Свердловск: УПИ, 1981. - 84 с.

28. АСУ и оптимизация режимов энергосистем: Учеб. пособие для электро-энерг. спец. втузов / Под ред. Д.А. Арзамасцева. М.: Высшая школа, 1983.-208 с.

29. Kasztenny, В., Rosolowski, Е., Izykowski, J., Saha, М.М., Hillstrom, В. Fuzzy logic controller for on-load transformer tap changer. // IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 13, January 1998. Page(s): 164-170.

30. Yuan-Yih Hsu, Feng-Chang Lu. A combined artificial neural network-fuzzy dynamic programming approach to reactive power/voltage control in a distribution substation. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume 13, November 1998. Page(s): 1265 -1271.

31. Feng-Chang Lu, Yuan-Yih Hsu. Fuzzy dynamic programming approach to reactive power/voltage control in a distribution substation. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume 12, May 1997. Page(s): 681-687.

32. Терехов B.M. Алгоритмы фаззи-регуляторов в электротехнических системах. // Электричество, 2000, №12, с. 55-63.

33. Bansal, R.C. Bibliography on the fuzzy set theory applications in power systems 1994-2001. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume: 18, November 2003. Page(s): 1291- 1299.

34. Ruey-Hsun Liang, Yung-Shuen Wang. Fuzzy-based reactive power and voltage control in a distribution system. // IEEE Transactions on Power Delivery, Volume. 18, April 2003. Pages: 610-618.

35. Потемкин В.Г. "Введение в MATLAB" М.: Диалог-МИФИ, 2000. -256 с.

36. Дьяконов В. Simulink 4. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. -528 с.

37. Круглов В.В., Дли М.И., Голунов Р.Ю. Нечёткая логика и искусственные нейронные сети: учебное пособие. М.: Издательство Физико-математической литературы, 2001. - 224 с.

38. Kramer, J. Ruff. Transformers for Phase Angle Regulation Considering the Selection of On-Load Tap-Changers. // IEEE Transactions on Power Delivery, Volume 13, April 1998. Page(s): 518 -525 c.

39. Yorino N., Danyoshi M., Kitagawa M. Interaction among multiple controls in tap change under load transformers. // IEEE Transactions on Power Systems, Volume 12, February 1997. Page(s): 430 435.

40. Манусов В.З. и др. Моделирование режимов систем электроснабжения в условиях неполной информации. / В.З. Манусов, С И. Моисеев, И.Л. Озерных. Новосибирск: НЭТИ, 1985. - 75 с.

41. Жмак Е.И., Манусов В.З. Концептуальные принципы нечёткого регулирования напряжения. // Сборник научных трудов НГТУ. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2001. - № 3, с. 133-138.

42. Жмак Е.И., Манусов. В.З. Обоснование принципа нечёткого регулирования напряжения с помощью РПН трансформаторов // Электроэнергетика: Сб. науч. тр. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. с. 32-42.

43. Богатырев JI.JI., Манусов В.З., Содномдорж Д. Математическое моделирование режимов электроэнергетических систем в условиях неопределенности. Улан Батор: Изд-во типографии МГТУ, 1999. - 348 с.

44. Корнеев В.В., Гареев А.Ф., Васютин C.B., Райх В.В. Базы данных. Интеллектуальная обработка информации. М.: Издатель C.B. Молгачева, Издательство Нолидж, 2001.- 496 с.

45. Заде JI. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближённых решений. Пер. с англ. Н.И. Ринго. Под ред. H.H. Моисеева и С.А. Орловского. М.: Мир, 1976. - 165 с.

46. Кофман А., Хил Алуха X. Введение теории нечетких множеств в управлении предприятиями, Минск: Вышэйшая школа, 1992. 224 с.

47. Нечёткие множества в моделях управления и искусственного интеллекта. / Под ред. Д.А. Поспелова. М.: Наука. Гл. ред. физж-мат. лит., 1986. - 311 с.

48. Yegor 1. Zhmak, Vadim Z. Manusov. Fuzzy algorithm for LTC // Proceedings of the 7th Russian-Korean International Symposium on Science and Technology (KORUS-2003) June 28 July 6, 2003, Ulsan, Korea, pp. 72-75 (Нечёткий алгоритм для РПН).

49. Манусов В.З., Павлюченко Д.А., Жмак Е.И. Генетический алгоритм оптимизации коэффициентов трансформации // Техническая электродинамика. Тематический выпуск 2004, Часть 3.: Киев, с. 28-31.

50. Дьяконов В., Круглов В. Математические пакеты расширения MATLAB. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2001. - 480 с.

51. Недосекин А.О. Применение теории нечетких множеств к задачам управления финансами // Аудит и финансовый анализ, №2, 2000.

52. Справочник по проектированию электрических сетей и оборудования. / Под ред. Ю.Г. Барыбина и др. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 464 с.

53. Правила устройств электроустановок. Изд. 6-е. М.: Энергоатомиздат, 1987.-645 с.

54. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. В 2-х кн. Под общ. ред. А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского. Кн. 1. Проектно-расчётные сведения. М.: Энергия, 1973. - 528 с.

55. Справочник по электроснабжению промышленных предприятий. В 2-х кн. Под общ. ред. А.А. Федорова и Г.В. Сербиновского. Кн. 2. Технические сведения об оборудовании. М.: Энергия, 1973. - 528 с.

56. Автоматизация управления энергообъединениями / Под ред. С А. Совало-ва. М.: Энергия, 1979. - 432 с.

57. Пелисье Рене. Энергетические системы. / Пер. с фр. Предисл. и коммент. В.А. Веникова. -М.: Высш. школа, 1982. 568 с.

58. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 592 с.ния / В.А. Веников, В.Г. Журавлёв, Т.А Филиппова. Новосибирск: НЭТИ, 1977.- 108 с.

59. Веников В.А. и др. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем: Учеб. пособие для энерг. спец. вузов / В.А. Веников, В.Г. Журавлёв, Т А. Филиппова 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1990. -349 с.

60. Маркович И.М. Режимы энергетических систем. М.: Энергия, 1969. -351 с.

61. Любченко В Я., Манусов В.З. Физико-математические основы электроэнергетики: Учебное пособие; В 2-х ч. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996. -75 с.

62. Лазарев Ю.Ф. MATLAB 5.x. Киев: Издательская группа BHV, 2000. -384 с.

63. Потемкин В.Г. MATLAB 6: Среда проектирования инженерных приложений. М.: Диалог-МИФИ, 2003. - 448 с.

64. Мартынов Н. Н. Введение в MATLAB 6.: Учебник М.: КУДИЦ-Образ, 2002. - 352 с.

65. Ануфриев И. Самоучитель Matlab 5.3/6.х: Самоучитель. СПб.: BHV, 2002. - 736 с.

66. Дьяконов В.П. Matlab 6/6.1/6.5+Simulink 4/5. Основы программирования. М.: Солон-Пресс, 2004. - 768 с.

67. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В., Круглов В.В. Matlab 5.3.1 с пакетами расширений. М.: Нолидж, 2001. - 880 с.

68. Кетков Ю.Л., Кетков А.Ю., Шульц М.М. MATLAB 6.x: Программирование численных методов: Мастер решений. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. -672 с.

69. Потемкин В.Г. Вычисление в среде Matlab: Учебно-справочное издание. -М.: Диалог-МИФИ, 2004. 720 с.