Диссертация: Разработка методов оптимизации режимов энергосистем с адаптивными устройствами.

Актуальность и степень проработанности темы исследования. Повышение глобального спроса на электроэнергию в связи с социально-экономическим развитием и ограничениями на расширение строительства электростанций и линий электропередач привело к значительному разрыву между производством электроэнергии и потреблением. Следовательно, это привело к ненадлежащей работе энергосистем, такой как чрезмерные потери электроэнергии, перегруженность линий, нестабильный уровень напряжения, проблемы надежности и устойчивости. Работа энергосистемы может быть улучшена за счет применения передовых технологий, основанных на достижениях современной силовой электроники. Гибкие системы передачи переменного тока (FACTS - flexible alternating current transmission system) обеспечивают эффективное использование оборудования энергосистем со значительно меньшими инвестициями, чем дополнительные затраты на строительство новых линий и генерирующих станций. Для выбора необходимой мощности и расположения устройств FACTS было применено несколько методов включающих как аналитические, так и метаэвристические методы оптимизации. Аналитические подходы используют аппроксимацию характеристик режимов для решения проблем размещения устройств FACTS, чтобы уменьшить время вычислений. Во многих случаях эти подходы теряют точность вычислений и способность решать задачи нахождения оптимального месторасположения и мощности. Метаэвристические методы оптимизации, с другой стороны, имеют ряд недостатков, включая дисбаланс между фазами эксплуатации и исследования, преждевременную сходимость, раннюю потерю разнообразия и попадание в локальные экстремумы. В результате место и мощность устройств FACTS в могут быть определены неверно и ожидаемое улучшение характеристик энергосистемы будет достигнуто. Весовые коэффициенты для распределения предпочтений лиц, принимающих решения, являются еще одним вопросом для многоцелевого оптимального распределения устройств FACTS. Лица, принимающие решения, присваивают веса критериям на основе их уровней важности, но они не проверяют их согласованность, что снижает надежность результатов. Разработка новых эффективных алгоритмов для улучшения характеристик энергосистемы с помощью устройств FACTS является актуальной темой современной теоретической электротехники и соответствует разделу паспорта специальности 05.09.05 - Теоретическая электротехника: - "разрабатываются … прикладные аспекты интеграции информационной техники и объектов электротехники, электроэнергетики …». Близкой тематикой в России занимались Алехин Р. А., Кулаев И. С., Смоловика С.В., Кубарьков Ю. П., Балабанов М. С., Шакарян Ю. Г., Воропай Н.И. , Бутырин П.А., Гусев С. И., Колобов В. В., Виноградов А. А., Пальчастая А. А., Люкевич В. В., Chudny V.S., Новиков Н. Л., Кузьмич С. В., Хамитов Р. Н., Поспелов Г. Е., Баранник М. Б., Belyaev N. A., а также зарубежные ученые: Lee D. S., Dash S. P., Subhashini K. R., Lee H. J., Yoon Y. D., Satapathy J.K., Chow J. H., Sanchez‐Gasca J. J., Daealhaq H. M., Kfajey Y. F., Tukkee A. S., Mokhtari M. S., Sureshkumar L. V., Mehanna M. A., Kanaan H. M., Sharma P. R. и другие
Цель данной работы. разработка новых надежных методов многокритериальной оптимизации режимов работы энергосистем и расположения в них устройств FACTS при учете различных технических и экономических аспектов работы энергосистемы, обеспечеввающих минимальные вычислительные затраты.
Для достижения цели работы решаются следующие задачи: 1. Исследование режимов энергосистемы при отсутствии устройств FACTS, а также определение параметров, влияющих на работу системы. 2. Критическая оценка существующих методов оптимизации расположения и мощности устройств FACTS в энергосистемах, выделение недостатков существующих методов. 3. Анализ математических подходов к многокритериальной оптимизации. 4. Сравнительное исследование различных типов устройств FACTS с учетом множества факторов, таких как конфигурация, эксплуатация и влияние на режимы работы энергосистемы. 5. Минимизация эксплуатационных расходов энергосистемы от установки устройств FACTS 6. Разработка всесторонней и полной формулировки проблемы оптимизации работы энергосистемы с использованием устройств FACTS. 7. Оптимизация работы энергосистемы путем использования различных оптимизационных формул и типов контроллеров FACTS. 8. Анализ результатов применения разработанных алгоритмов и сравнение их с другими методами из современной литературы.
Научная новизна и теоретическая значимость работы заключаются в: 1. Разработке нового, упрощенного, быстрого метода для повышения точности аналитических соотношений, используемых для оптимального размещения устройств FACTS в энергосистеме. Этот метод позволяет преодолеть проблемы, связанные с плохо обусловленными системами, используя линейную корреляцию между ее параметрами для повышения точности результатов и экономии времени расчета. 2. Повышении эффективности работы энергосистемы путем размещения различных типов устройств FACTS с помощью нового гибридного метода, основанного на автономных группах роя частиц (AGPSO - Autonomous Groups Particle Swarm Optimization) и алгоритме серых волков (GWO - Gray Wolf Optimizer). Новый метод улучшает возможности поиска, позволяет избежать ловушек локально оптимальных решений и сокращает время поиска. 3. Интегрировании метода предпочтения порядка по сходству с идеальным решением, так называемая «Техника упорядочивания предпочтений по сходству с идеальным решением» (TOPSIS- Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution), как метода принятия многокритериального решения (MCDM- multiple criteria decision making) с разработанными алгоритмами для определения наилучшего компромиссного решения из фронта Парето для многокритериальных задач размещения FACTS. 4. Применении метода аналитической обработки иерархии (AHP- Analytic Hierarchy Process) для оптимального выбора весов взвешенной суммы оптимизационных задач для соответствующего размещения FACTS в энергосистеме, который ранее не использовался для решения данной задачи. 5. Внедрение новых высокопроизводительных алгоритмов оптимизации: автономного группового PSO (AGPSO) и улучшенного GWO (IGWO), которые впервые используются для решения задач размещения FACTS. В работе подтверждено превосходство этих алгоритмов над ранее использовавшимися.
Практическое значение работы состоит в том, что ее результаты могут быть использованы для повышения производительности реальных электрических сетей. Новые алгоритмы оптимизации, разработанные в данной работе, могут быть использованы службами развития энергосистем и проектными организациями для решения задачи оптимального определения мощности и местоположения устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях. По сравнению с другими методами, разработанные методы сокращают время расчета на 60% при сохранении высокой точности результатов. Программы, разработанные в среде MATLAB, могут быть использованы в практических, научных и образовательных целях, связанных с оптимальным определением мощности и местоположения дополнительных устройств, подключенных к электрическим сетям.
Методология и методы исследования. Основные методы исследования, используемые в работе: методы теоретической электротехники, математическое и компьютерное моделирование, статистический анализ, аналитические и метаэвристические алгоритмы, такие как оптимизация серого волка, оптимизация роя частиц (PSO), многовершинная оптимизация (MVO). Пакет MATLAB/SIMULINK (версия R2018b) и Excel (версия 2016) для решения задач. Пакет MATPOWER был использован для выполнения расчетов статических режимов.
Основные положения, выносимые на защиту: 1- Новый метаэвристический гибридный алгоритм на основе методов APSO и GWO для оптимального определения размещения и размера устройства FACTS для улучшения характеристик энергосистемы. 2- Новый подход к оптимизации режимов работы ЭЭС, основанный на зависимости параметров режима ЭЭС от параметров FACTS-устройства. 3- Реализация метода TOPSIS для определения наилучшего компромиссного решения многокритериальной оптимизации установки FACTS устройств. 4- Определение оптимальных значений весовых коэффициентов для многоцелевых задач распределения FACTS с использованием метода AHP. 5- Результаты установки устройств FACTS в различных тестируемых системах IEEE на основе новых предложенных методов оптимизации.
Степень надежности результатов. Представленные в диссертации методы и алгоритмы разработаны и протестированы с использованием пакетов MATLAB и MATPOWER, проверенных за многие годы успешного использования. Сравнение с другими методами, представленными в литературе, выявило эффективность новых методов, что позволило оценить работоспособность представленных методов и методик.
Апробация результатов работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на: Международная научная конференция по электроэнергетике (ISEPC-2019), (Санкт-Петербург, Май 23 - 24, 2019), 2-я Международная молодежная конференция по радиоэлектронике, электротехнике и энергетике (REEPE), (Москва, март 12-14, 2020) , Международная конференция по промышленной инженерии и современным технологиям (FarEastCon), (Владивосток, остров Русский, октябрь 6-9, 2020), 3-й Международная молодежная конференция по радиоэлектронике, электротехнике и энергетике (REEPE), (Москва, март 11-13, 2021), Международная научная конференция по электроэнергетике (ISEPC-2021), (Санкт-Петербург, май 17-19, 2021).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в одиннадцать печатных работах в журналах и конференциях, включенных в международные системы цитирования (Scopus, Web of Science).
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение. Она изложена на 168 страницах и включает 40 таблиц и 77 рисунков.