Диссертация (Разработка математической модели, численных методов и алгоритмов для структурно-параметрического синтеза электросети мегаполиса с учетом его перспективного развития), страница 2

Позже началасьэлектрификацияМосквыидругихгородовРоссии,однакомассовоестроительство объектов электроснабжения в стране было начато лишь в 1920годах [80]. С тех пор электроэнергетика стала неотъемлемой частью всех сфержизнедеятельности человека – промышленной, бытовой, сельскохозяйственнойи т. д.Важной чертой электроэнергетических сетей всех уровней напряженияявляется их непрерывное развитие в связи с ростом нагрузки. Особенно высокиетемпыростанаблюдаютсявгородскихраспределительныхсетяхэлектроснабжения (далее – электросеть).Первые построенные электросети имели относительно простую структуру иневысокую надежность [93]. С развитием электросетей усложнялась ихтопология, число и разнообразие элементов, особое внимание стало уделятьсянадежности их функционирования.

Высокие темпы развития городов, требовалипримененияновыхтехническихрешенийдляпроектированияифункционирования электросетей – параллельно с развитием электросистем,широко внедрялись системы автоматизации и управления их элементами.Процесс развития электросетей характеризуется сильными временнымисвязями, которые выражаются во взаимной зависимости эффективностирешений, принятых в различные моменты времени. Это означает, что ошибкипроектирования, сделанные много лет назад, могут оказать существенноевлияние на надежность и эффективность проектных решений, принимаемыхсегодня.

Данная особенность требовала особого внимания к вопросупроектирования электросетей и привела к созданию нового направления вэлектроэнергетике – оптимальное проектирование электросетей.13Основоположником теории оптимального проектирования электросетейсчитается В. М. Хрущов, который в начале 30-х годов XX века сформировалобщие принципы оптимизации городских электрических сетей [107], некоторыеиз которых не утратили свою актуальность и в настоящее время. В дальнейшемтеория оптимального проектирования электросетей развивалась многимиучеными-энергетиками России, такими как Акишин Л. А. [22], Арзамасцев Д. А.[30], Веников В.

А. [39], Глазунов А. А. [41], Гордиевский И. Г. [45],Григорьева А. Д. [46], Дале В. А. [47], Зейлигер А. Н. [50], Идельчик В. И. [51],Лазебник А. И. [65], Лордкипанидзе В. Д. [45], Падалко Л. П. [74] и многихдругих. Из зарубежных авторов следует отметить Willis H. L. [19], Nara K. [13],Khator S. K. [10], Gonen T. [9], Diaz-Dorado E. [7], Ramirez-Rosado I.

J. [14] и т. д.Электросети являются сложной системой неоднородной структуры ипредставляютподстанций,собойсовокупностьпитающихираспределительныхраспределительныхлинийипонижающихэлектропередачи,электроприемников и охватывают всех потребителей города, включаяпромышленные предприятия, электрифицированный транспорт и т. д. Всеэлементыэлектросетихарактеризуютсясильнойвзаимозависимостью.Электросети включают в себя узлы двух уровней напряжения – 10 и 0,4 кВ.Электросети имеют ряд особенностей, отличающих их от сетейэлектроснабжения более высокого уровня напряжения [106].1)Электросети характеризуются большей, чем системообразующиесети высокого напряжения, территориальной плотностью узлов. Число узловэлектросети превосходит число узлов магистральных сетей в сотни и дажетысячи раз.

Таким образом, затраты на сооружение и эксплуатацию электросетейимеютбо́льшийобъемвобщейчастикапиталовложенийвэлектроэнергетические сети.2)Темпы развития электросетей превосходят темпы развития сетейболее высоких уровней напряжения (магистральных, системообразующих и пр.).143)В настоящее время имеется широкая номенклатура вариантовреализации каждого элемента электросети (трансформаторной подстанции (ТП),распределительной подстанции (РП), кабельной линии (КЛ) и пр.).Все эти особенности, а также необходимость учета большого числаразличных критериев при выборе решения, делают задачу проектированияоптимальнойтопологииэлектросетимногопараметрической,многокритериальной, многовариантной и труднопреодолимой с практическойточки зрения.

Указанные обстоятельства явились основанием выбора в качествеобъектаисследованияименногородскихраспределительныхсетейэлектроснабжения.Сложностьпроцессапроектированияэлектросетей,связаннаяснеобходимостью учета и расчета большого числа параметров, возможныхвариантов развития и сложность их оценки, привела к необходимости внедренияновых технологий для решения данной задачи. Применение электронновычислительных машин (ЭВМ) для решения задачи перспективного развитияэлектросетей (ПРЭ) позволяет существенно сократить время получения исравнения вариантов развития электросети и, следовательно, дает возможностьполучения оптимального решения за приемлемый срок.Одни из первых попыток применения ЭВМ для решения задачи ПРЭ былипроизведены в конце 70-х – начале 80-х годов XX века на базе физикоэнергетического института АН Латвийской ССР в рамках создания программноинформационного комплекса «Оптимизация развития основных электрическихсетей энергосистемы» [69].Разработанный программный комплекс (ПК) позволял производить расчетысетей электроснабжения различных уровней напряжения (от 6 до 110 кВ),состоящих не более чем из 500 узлов и 500 ветвей.

Математической основойкомплекса являлись динамические модели оптимального развития сетейэлектроэнергетических систем, разработанные З. П. Кришаным. Указанный ПКбылуспешно(Латвглавэнерго,внедренвУральскоммногочисленныхэнергетическихПолитехническоминституте,компанияхСибирском15энергетическом институте и т.

д.) [62]. Современные ПК расчета сетейэлектроснабжения,(Германия),такиетакжекаквключаютINTEGRAL7всебя(Германия),модулиPSSТМSINCALпроектированиясетейэлектроснабжения с учетом перспективного электропотребления. Эти ПКпредназначеныдляпроектированияперспективногоразвитиясетейэлектроснабжения высокого (220 и 110 кВ) и среднего напряжения (20 и 10 кВ),позволяют учитывать различные параметры элементов сетей и различныекритерии оптимальности.В настоящее время электросети мегаполисов состоят из десятков тысячэлементов, отличных по назначению и характеристикам. Например, электросетиМосковских кабельных сетей – филиала ОАО «МОЭСК» имеют общуюпротяженность КЛ более 73000 км, включает в себя свыше 15000 ТП и РП иежегодно обеспечивают потребителей более 46000 млн.

кВт•ч электроэнергии[44]. Ежегодный прирост электропотребления в Москве составляет ~2,1%, чтосоответствует ~9000 заявок на технологическое присоединение потребителейсуммарной мощностью более 1800 МВт, строительству 50-120 новыхподстанций 10/04 кВт и прокладки ~1200 км кабельных линий [44, 76].Учитывая современные темпы развития мегаполисов, проблема построенияэкономичной и надежной электросети сейчас особенно актуальны.В литературе как отечественных, так и зарубежных авторов предложеныразличные модели оптимизации электросетей. Показано, что данная задачаможет решаться как в непрерывной, так и в дискретной постановках [51, 96].

Крешению этих задач применены различные алгоритмы и методы, такие какметодыдинамического[46,47],целочисленного[9]илинейногопрограммирования [59], метод ветвей и границ [17, 65], методы целочисленногопрограммирования [56], алгоритмы оптимизации на графах [28], эволюционноемоделирование [7].Большая часть литературы по электроснабжению городов включает в себяразличные методики и требования к определению параметров различныхэлементов электросети (номинального напряжения, сечения КЛ, числа и16мощности устанавливаемых на ТП трансформаторов и т.

д.), а также вопросыоптимизации режимов работы, вопросы качества электроэнергии и надежностиэлектроснабжения [58, 109]. В ряде работ также выполнен анализ схемысоединений, местоположений подстанций электросети и т. д. [85, 86].В подавляющем числе работ в качестве критерия оптимальностивыбирались приведенные затраты на строительство элементов, включаемых всостав электросети. В ряде случаев также производилась оценка надежностиэлектроснабжения [8].Анализ имеющейся литературы по проектированию электросетей показалналичие в исследованиях целого ряда актуальных вопросов, которым донастоящего времени не уделялось достаточного внимания.1)Комплексное решение вопросов задачи перспективного ПРЭрассмотрено лишь в нескольких работах. При этом в большинстве случаеврассматривается лишь один из аспектов задачи – выбор мест строительства ТП,определение варианта распределения потребителей и т.

д.2)В большей части предложенных в литературе постановок задачиПРЭ отсутствуют ограничения на размещение РП и ТП на местности. Такойподход может быть применен лишь в очень ограниченном числе случаев.3)Как правило, задачу определения мест строительства РП/ТП ставятв контексте размещения единичной подстанции.

Соответствующие методы иалгоритмы не могут быть эффективно применены для размещения набораподстанций различных мощностей.4)Приведенные затраты на строительство электросети, используемыев большинстве работ как критерий оценки эффективности решения, неучитывают важные характеристики электросети, например, надежностьэнергоснабжения.5)Известные подходы к решению задачи ПРЭ, преимущественно,подразумевают строительство электросети без учета существующих РП и ТП,предполагая возведение новых подстанций для обеспечения энергоснабженияновых потребителей.17Приведенныевышесведенияпозволяютсделатьзаключениеобактуальности задачи определения оптимальной топологии электросети с учетомперспективного развития города.

При этом наиболее актуальным являетсярешение данной задачи применительно к электросетям мегаполисов.Целямиработыявляютсяснижениезатратнастроительствоиэксплуатацию электросети мегаполиса, увеличение скорости проектирования иповышение качества принимаемых проектных решений.Задачи исследования. В работе поставлены и решены следующиеосновные задачи.1)Построение комплексной расширяемой математической моделиэлектросетимегаполиса,позволяющейучитыватьтопологиюсети,географическую привязку объектов на местности, а также включающую в себявсе необходимые для решения задачи ПРЭ мегаполиса технико-экономическиепараметры элементов электросети.2)Постановка задачи ПРЭ мегаполиса как задачи ее структурно-параметрического синтеза с учетом существующей структуры электросетимегаполиса и ограничений на расположение объектов на местности.3)Разработкаметодовиалгоритмовоптимальногорешенияпоставленной задачи ПРЭ, позволяющих осуществлять выбор числа и местстроительства новых РП и ТП, определение оптимального вариантараспределения новых потребителей по подстанциям, определение вариантавключения новых подстанций в существующую структуру электросетимегаполиса.4)Созданиерасширяемогоинтерактивногопрограммногокомплекса (ИПК), реализующего разработанные модели, методы и алгоритмы.Научная новизна.