Автореферат (Разработка математической модели, численных методов и алгоритмов для структурно-параметрического синтеза электросети мегаполиса с учетом его перспективного развития)

На правах рукописиКузьмина Инна АнатольевнаРАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ,ЧИСЛЕННЫХ МЕТОДОВ И АЛГОРИТМОВ ДЛЯСТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СИНТЕЗАЭЛЕКТРОСЕТИ МЕГАПОЛИСА С УЧЕТОМ ЕГОПЕРСПЕКТИВНОГО РАЗВИТИЯСпециальность 05.13.18 – Математическое моделирование, численные методыи комплексы программАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2017Работа выполнена в Московском государственном техническомуниверситете имени Н. Э.

Баумана(национальном исследовательском университете)Научный руководитель:доктор физико-математических наук, доцентКарпенко Анатолий ПавловичОфициальныеоппоненты:КофановЮрийНиколаевич,доктортехнических наук, академик РАЕН, профессор,Московский институт электроники и математикиим.А.Н.ТихоноваНациональногоисследовательскогоуниверситета«Высшаяшкола экономики», профессор Департаментаэлектронной инженерииМишулина Ольга Александровна, кандидаттехническихнаук,доцент,Федеральноегосударственное автономное образовательноеучреждениевысшегообразованияНациональныйисследовательскийядерныйуниверситет«МИФИ»,доценткафедры«Кибернетика»Ведущая организация:Федеральноегосударственноебюджетноеучреждение науки «Институт систем энергетикиим. Л.А.

Мелентьева Сибирского отделенияРоссийской академии наук»Защита состоится «__» ____________ 2017 г. в 11 часов 00 минут назаседаниидиссертационногосоветаД212.141.15приМосковскомгосударственном техническом университете имени Н.Э. Баумана по адресу:Москва, ул. 2-я Бауманская, д.5, стр. 1, зал заседания Ученого совета.С диссертацией можно ознакомиться на сайте www.bmstu.ru и вбиблиотеке Московского государственного технического университета имениН.Э. Баумана.Автореферат разослан «___» ____________ 2017 г.Ученый секретарьдиссертационного совета,кандидат технических наук,доцентАттетковАлександрВладимировичОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы.

Распределительная сеть энергоснабжениямегаполиса (далее – электросеть мегаполиса) является сложной системойнеоднороднойструктурыипредставляетсобойсовокупностьраспределительных подстанций (РП) и трансформаторных подстанций (ТП),питающих и распределительных линий электропередач, а такжеэлектроприемников. Под мегаполисом понимаются города, население которыхпревосходит 1 млн. человек. Электросеть мегаполиса включает в себя тысячиподстанций (РП и ТП) и охватывает всех потребителей города, включаяпромышленные предприятия, электрифицированный транспорт и т. д. Онавключает в себя узлы двух уровней напряжения – 10 кВ и 0,4 кВ.Основоположником теории оптимального проектирования электросетейсчитается В.

М. Хрущов. В дальнейшем эта теория развивалась такимироссийскими учеными-энергетиками, как Л. А. Акишин, Д. А. Арзамасцев,В. А. Веников, А. А. Глазунов, И. Г. Гордиевский, А. Д. Григорьева, В. А. Дале,А. Н. Зейлигер, З. П. Кришан, О. Г.

Паэгле, А. Н. Зейлигер, В. И. Идельчик,В. А. Козлов, .А. И. Лазебник, В. Д. Лордкипанидзе, Л. П. Падалко и многимидругими. Из зарубежных авторов следует отметить H. L. Willis, K. Nara, S. K.Khator, T. Gonen, E. Diaz-Dorado, I. J. Ramirez-Rosado.Высокая плотность взаимозависимых узлов электросети мегаполиса,высокие темпы ее развития, а также необходимость учета большого числаразличных критериев при ее синтезе делают задачу проектированияэлектросети мегаполиса многопараметрической (более 3000 – 5000варьируемых параметров), многокритериальной, многовариантной (около23000 − 25000 вариантов) и имеющей высокую вычислительную сложность.В трудах отечественных и зарубежных авторов предложены различныемодели оптимизации электросетей.

Показано, что данная задача можетрешаться как в непрерывной, так и в дискретной постановках. Для решениязадачи используются различные методы и алгоритмы – методы динамического,целочисленного и линейного программирования, метод ветвей и границ,методы целочисленного программирования, алгоритмы оптимизации награфах, методы генетического поиска.Выполненный в диссертации анализ имеющейся литературы попроектированию электросетей мегаполисов с учетом их перспективногоразвития показал наличие ряда актуальных вопросов, требующих дальнейшегоисследования.1. Комплексное решение вопросов перспективного развития электросетимегаполиса (ПРЭ мегаполиса) рассмотрено лишь в нескольких работах.

Приэтом в большинстве случаев рассматривается лишь один из аспектов задачи –выбор мест строительства ТП, определение оптимального вариантараспределения потребителей и т. д.2. В большей части предложенных в литературе постановок задачи ПРЭмегаполиса отсутствуют ограничения на размещение РП и ТП на местности.1Такой подход может быть применен лишь в очень ограниченном числеслучаев.3. Как правило, задачу определения мест строительства РП/ТП ставят вконтексте размещения единичной подстанции.

Соответствующие методы иалгоритмы не могут быть эффективно применены для размещения набораподстанций различных мощностей.4. Приведенные затраты на строительство электросети, используемые вбольшинстве работ как критерий оценки эффективности решения, неучитываютважныехарактеристикисети,например,надежностьэлектроснабжения.5. Известные подходы к решению задачи ПРЭ преимущественноподразумеваютстроительствоновыхэлектрообъектовбезучетасуществующих РП и ТП, предполагая возведение новых подстанций дляобеспечения электроснабжения новых потребителей.На этом основании сделано заключение об актуальности исследованиязадачи ПРЭ.Целями работы являются снижение затрат на строительство иэксплуатацию электросети мегаполиса, увеличение скорости проектирования иповышение качества принимаемых проектных решений.Задачи исследования.1.

Построение комплексной расширяемой математической моделиэлектросети мегаполиса, позволяющей учитывать топологию сети,географическую привязку объектов на местности, а также включающую в себявсе необходимые для решения задачи ПРЭ мегаполиса технико-экономическиепараметры элементов сети.2. Постановка задачи оптимизации ПРЭ мегаполиса как задачи ееструктурно-параметрического синтеза с учетом существующей структурыэлектросети мегаполиса и ограничений на расположение объектов наместности.3.

Разработка методов и алгоритмов отыскания оптимального решенияпоставленной задачи ПРЭ, позволяющих осуществлять выбор числа и местстроительства новых подстанций, определение оптимального вариантараспределения новых потребителей по подстанциям, определение вариантавключения новых подстанций в существующую структуру электросетимегаполиса.4.

Создание расширяемого интерактивного программного комплекса(ИПК), реализующего разработанные модели, методы и алгоритмы.Методы исследования. При разработке математических моделей,методов и алгоритмов использовались методы системного анализа,многокритериальной оптимизации, комбинаторного анализа, дискретногопрограммирования, генетического поиска и вычислительной геометрии.Научная новизна. В диссертации получены следующие новые научныерезультаты, выносимые на защиту:1.

Разработкаматематическоймоделиэлектросетимегаполиса,особенностями которой является учет перспектив развития города.22. Разработка новых методов решения задачи перспективного развитияэлектросети мегаполиса, основанных на декомпозиции и редукции,особенностями которых являются схема разбиения задачи на три подзадачи, атакже способы координации этих подзадач.3. Разработка, реализация и исследование эффективности численныхметодов и алгоритмов решения задачи перспективного развития электросетимегаполисаврамкахоригинальногопроблемно-ориентированногопрограммного комплекса ELNET.Теоретическая и практическая значимость результатов работызаключается в следующем.1. Разработанное на основе предложенных моделей, методов и алгоритмовпрограммное обеспечение позволяет:• снизить затраты на строительство и эксплуатацию электросетимегаполиса за счет оптимизации ее топологии;• повысить надежность функционирования электросети мегаполиса;• сократить трудозатраты и сроки проектирования электросетимегаполиса.2.

Результаты работы использованы в Московских кабельных сетях –филиале ОАО «Московская объединенная электросетевая компания».Достоверность и обоснованность полученных в диссертации научныхрезультатов обеспечивается строгостью используемого математическогоаппарата и подтверждены проведенными вычислительными экспериментами.Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационнойработы были представлены и прошли апробацию на шести конференциях:Молодежные международные научно-технические конференции «Наукоемкиетехнологии и интеллектуальные системы» (Москва, 2009, 2010, 2011 и 2014);XV Всероссийская конференция молодых ученых по математическомумоделированию и информационным технологиям, (Тюмень, 2014); IWMMA’154th International Workshop on Mathematical Models and their Applications(Krasnoyarsk, 2015); Международная научно-практическая конференцияИнфорино-2016, НИУ МЭИ (Москва, 2016).Публикации.

Основные результаты диссертации отражены в 11 научныхработах, из них 8 – в журналах, входящих в Перечень российскихрецензируемых научных журналов и изданий.Личный вклад автора. Все исследования, результаты которых изложеныв диссертационной работе, проведены лично соискателем в процессе научнойдеятельности. Из совместных публикаций в диссертацию включен лишь тотматериал,которыйнепосредственнопринадлежитсоискателю;заимствованный материал обозначен в работе ссылками.Структура и объем диссертации. Диссертации состоит из введения,шести глав, заключения, списка используемой литературы и одногоприложения.

Общий объем диссертации составляет 211 страницмашинописного текста, в том числе 157 страниц основного текста, 54 страницы3приложения. Диссертации содержит 49 рисунков, 23 таблицы. Списокиспользуемой литературы состоит из 109 источников.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо ВВЕДЕНИИ обоснована актуальность избранной темы, степень ееразработанности, цели и задачи, научная новизна, теоретическая ипрактическая значимость работы, методология и методы диссертационногоисследования, положения, выносимые на защиту, степень достоверности иапробация результатов.В ГЛАВЕ 1 рассмотрены основные характеристики, параметры иструктура электросети мегаполиса.Задача ПРЭ рассматривается как задача установления пути оптимальногоразвития электросети мегаполиса с точки зрения конфигурации, загрузкиоборудования, нагрузок подстанций и т.