ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС КОСМОС ОПЕРАТИВНЫХ РАСЧЕТОВ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

(Тр. Института электродинамики НАНУ. Энергоэффективность: Зб. Киев: ИЭД НАН Украины, 2000. - С. 118-127.)

Приводится описание программного комплекса КОСМОС, предназначенного для оперативных расчетов режимов энергосистем на основе телеметрической информации. Дается краткая характеристика решаемых задач и общих подходов к построению комплекса.

Наводиться опис програмного комплексу КОСМОС, призначенного для оперативних розрахунків режимів енергосистем на основі телеметричної інформації. Дається коротка характеристика задач, що розв’язуються, та загальних підходів до побудови комплексу.

Введение. В настоящее время в ряде организаций стран СНГ эксплуатируется программный комплекс КОСМОС, предназначенный для оперативных расчетов режимов энергосистем с использованием телеметрической информации. Комплекс ориентирован на выполнение оперативных расчетов. Его целесообразно использовать для краткосрочного планирования в службах оптимизации электрических режимов и для контроля за режимами и имитационного моделирования в диспетчерском управлении (с целью привентивной проверки последствий принимаемых решений).

В составе комплекса объединены программы решения следующих задач: формирования расчетной схемы; оценивания состояния; построения модели режима по расширенной схеме, включающей внутренние и внешние ненаблюдаемые фрагменты; расчета установившихся и самоустанавливающихся по частоте режимов; утяжеления по заданным траекториям; оптимизации по реактивной мощности.

Задачи, включенные в состав комплекса, опираются на единую специализированную базу данных и имеют общую сервисную оболочку. Программный комплекс функционирует в операционной системе WINDOWS’95 и оформлен в виде стандартного приложения.

Формирование расчетной схемы. Задача формирования расчетной схемы является вспомогательной и решается перед оцениванием состояния, расчетом установившегося режима или оптимизацией. Цель ее решения заключается в подготовке схемы для выполнения расчетов по перечисленным программам с учетом реального положения выключателей и разъединителей на станциях и подстанциях энергосистемы. Очевидно, что без такой задачи при оперативном использовании программного комплекса невозможно решать, например, вопросы, связанные c разделением шин, односторонним отключением линий, выделением блоков для работы на линии и др. Перечисленные примеры и многие другие ситуации, реально встречающиеся в практике, при традиционном подходе требуют внесения существенных изменений в описания расчетных схем (разделения узлов, перенумерации узлов и ветвей) и требуют значительных затрат времени.

Для формирования расчетной схемы необходимо, чтобы были подготовлены описания схем первичной коммутации всех или части объектов. С целью подготовки таких описаний разработан специальный графический редактор. Изображение, сформированное с помощью этого редактора, является не только графическим образом, но и определяет способ соединения отдельных элементов, составляющих коммутационную схему. В соответствии с набором установленных на схему элементов формируются таблицы, позволяющие задавать параметры генераторов, нагрузок, трансформаторов и реакторов.

В момент ввода телеметрической информации корректируется состояние выключателей коммутационных схем. Уточнить при необходимости состояние отдельных выключателей и разъединителей можно вручную, воздействовав на изображения соответствующих элементов на схеме.

Во время синтеза расчетной схемы программа последовательно обрабатывает описания объектов и в соответствии с состоянием коммутационных аппаратов формирует таблицу узлов и ветвей. При этом:

Оценивание состояния. Решение задачи оценивания состояния [2] включает следующие вопросы: проверку наблюдаемости режима; отбраковку грубых ошибок в измерениях; расчет сбалансированного электрического режима по общей совокупности измерений в соответствии с принятым критерием.

Проверка наблюдаемости выполняется для того, чтобы выяснить, достаточно ли измерений для расчета режима по полной схеме и, если нет, выявить фрагменты, в которых параметры режима не могут быть определены. При наличии в составе исходных данных информации о некотором базовом режиме, программа рассчитывает минимально необходимое число псевдозамеров. При этом используется предположение о том, что соотношения между нагрузками отдельных узлов в текущем режиме сохраняются такими же, как и в базовом.

Отбраковка ошибочных измерений является центральным вопросом оценивания состояния. Сложность состоит в том, что решать вопрос приходится в условиях низкого качества измерений и невысокой избыточности, а иногда и при недостатке измерений.

В разработанной программе отбраковка выполняется в два этапа. Перед началом расчета режима проверяются различные простейшие соотношения, в том числе: нахождение измерений в физически допустимых границах; соответствие перетоков активных и реактивных мощностей по концам линий электропередач; соблюдение балансов активных и реактивных мощностей в узлах схемы; соответствие перетоков реактивных мощностей уровням напряжений по концам ветвей.

В результате работы первой фазы не только отбраковывается часть измерений, но и формируется список параметров, достоверность которых подтверждена результатами контроля. Информация из этого списка используется как при расчете режима, так и на втором этапе устранения ошибочных измерений.

Второй этап отбраковки грубых ошибок тесно связан с расчетом режима по общей совокупности измерений в соответствии с принятым критерием. В программе реализована возможность расчета на основе методов взвешенных наименьших квадратов (МВНК) и наименьших модулей (МНМ). В первом случае сбалансированный режим определяется в результате минимизации следующей целевой функции:

Второй подход предполагает выполнение расчета режима посредством минимизации целевой функции:

Оптимизация обеих целевых функций проводится с учетом ограничений на диапазон изменения оцениваемых параметров. При невысокой избыточности измерений учет ограничений позволяет снизить влияние ошибок в измерениях, а в ряде случаев и более обоснованно решать вопрос о том, какие измерения содержат грубые ошибки.

При использовании в качестве основы алгоритма МВНК отбраковка ошибочных измерений в ходе расчета выполняется в результате последовательного исключения из процесса оптимизации измерений, вносящих наибольший вклад в целевую функцию. Алгоритм построен таким образом, что позволяет вводить ограничения, устранять ошибочные измерения и при благоприятных обстоятельствах снимать ограничения в процессе минимизации целевой функции. Снятие ограничений связано, как правило, с устранением грубых ошибок.

При расчете режима с использованием МНМ вопрос об отбраковке ошибочных измерений решается автоматически. В процессе расчета формируется некоторый базисный состав измерений, использование которых обеспечивает минимум целевой функции. Измерения, не попавшие в число базисных, не оказывают влияния на конечный результат.

Построение модели по расширенной схеме. При выборе расчетной схемы принципиальным моментом является выполнение требования качественного решения задач, опирающихся на результаты моделирования режима по измерениям. Как правило, объем телеметрической информации, поступающей в оперативно-информационный комплекс, позволяет рассчитывать режимы по схеме, включающей лишь собственную системообразующую сеть. Однако для адекватного моделирования различных ситуаций и проведения оптимизационных расчетов необходимо иметь схемы, включающие эквиваленты внешних систем и более подробное описание собственных [1]. Опыт эксплуатации однозначно свидетельствует в пользу приближенного моделирования режимов в ненаблюдаемой части в сравнении с усечением расчетной схемы до объема, обеспеченного телеметрией.

В связи с изложенным в программном комплексе КОСМОС реализована возможность решения задачи оценивания режимов как двухэтапной. Предполагается, что для выполнения оперативных расчетов формируется схема, объем которой обеспечивает качественное решение задач, функционирующих на ее основе. На первом этапе часть узлов и ветвей отключается. Включенными остаются лишь узлы и ветви, образующие наблюдаемую подсистему, и выполняется оценивание состояния в описанной ранее постановке. Обычно в число включенных попадают узлы и ветви основной системообразующей сети. На втором этапе расчета ранее отключенные узлы включаются, в них вводятся псевдозамеры нагрузок активной и реактивной мощности и выполняется второй этап оценивания. При этом фиксируются модули и фазы узлов, которые были включены на первом этапе. Фиксация напряжений гарантирует неизменность потокораспределения в наблюдаемой части и тем самым препятствует искажению результатов вследствие ввода псевдозамеров.

Для всех эксплуатируемых оперативно-информационных комплексов обязательной составляющей является подсистема расчета балансов генерации и потребления как энергосистемой в целом, так и отдельными ее подразделениями. Обычно расчетные величины, характеризующие уровни генерации и потребления, включаются в число реальных измерений и архивируются вместе с ними. Основанием для получения псевдозамеров, используемых на втором этапе оценивания, можно считать предположение о том, что нагрузки активной мощности узлов изменяются пропорционально изменению суммарного потребления района, в который они входят. Соотношения между величинами нагрузок отдельных узлов района определяются по указанному базовому режиму.

Описанная методика позволяет получать псевдозамеры для собственных узлов оцениваемой энергосистемы. Величины суммарных генераций и нагрузок соседних энергосистем обычно неизвестны, и это затрудняет расчет псевдозамеров для внешних узлов. Однако, зная собственное текущее потребление и соотношения потреблений энергосистем во время подходящего контрольного замера, можно ориентировочно определить величины потреблений активной мощности внешними системами.

Псевдозамеры реактивных нагрузок отдельных узлов определяются по уровням активных мощностей и пропорциям между этими величинами в базовом режиме.

Расчеты установившихся и утяжеленных режимов. Для расчета установившихся режимов используется метод Ньютона. Решение системы нелинейных уравнений балансов активных и реактивных мощностей в узлах схемы замещения реализуется в виде итерационного процесса, на каждом шаге которого выполняются линеаризация нелинейных зависимостей и решение системы линейных уравнений.

В программе педусмотрена возможность проведения расчетов режимов по схемам, состоящим из нескольких не связанных между собой подсхем.

Программа позволяет выполнять расчеты самоустанавливающихся режимов с учетом статических характеристик по частоте узловых нагрузок и характеристик регуляторов скорости генераторов. Если расчетная схема в результате коммутаций разделилась на несколько подсхем, то при расчете самоустанавливающегося режима в каждой из них будет определена собственная частота.

Для обеспечения устойчивости вычислительного процесса и надежности получения результатов принят ряд мер:

В программном комплексе предусмотрена возможность утяжеления установившихся режимов по заранее указанным траекториям с целью определения предельных с точки зрения осуществимости. Обычно такие расчеты выполняются для проверки пропускной способности сечений. Траектория утяжеления задается в виде перечня узлов, для каждого из которых указывается величина приращения генерации или потребления. Предельный режим определяется в результате серии расчетов установившихся режимов, перед началом каждого из которых вносятся соответствующие приращения. Критерием окончания служит расходимость вычислительного процесса на очередном шаге утяжеления, связанная с несовместностью системы нелинейных уравнений.

Оптимизация режимов по реактивной мощности. Решение задачи позволяет определить загрузку источников реактивной мощности и номера анцапф трансформаторов с регулированием под нагрузкой, при которых обеспечивается минимум потерь активной мощности. В качестве целевой функции задачи используется следующая:

Ограничения составляют уравнения балансов активных и реактивных мощностей в узлах схемы замещения и диапазоны изменения независимых переменных. И целевая функция, и ограничения являются нелинейными и минимизация потерь выполняется итерационным методом, на каждом шаге которого решается задача квадратичного программирования. Суть задачи заключается в поиске оптимума для функции второго порядка, заменяющей исходную, при линеаризованных ограничениях. В программе реализован алгоритм решения этой задачи, основанный на проекции матрицы Гессе и вектор-градиента на допустимое множество, определяемое текущим составом активных ограничений.

Поскольку методика оптимизации требует, чтобы в каждой точке не было нарушенных ограничений, предусмотрен стартовый алгоритм ввода режима в допустимую область, основанный на подходах линейного программирования. Таким образом, расчет по программе оптимизации режима включает в себя последовательное выполнение трех этапов: расчета исходного режима; ввода режима в допустимую область; расчета оптимального режима.

В программе предусмотрена возможность при оптимизации режима учитывать состояние погоды, оказывающее влияние на потери на корону в линиях электропередач (используется методика, разработанная во ВНИИЭ).

Средства подготовки и коррекции исходных данных. Во введении отмечалось, что программный комплекс имеет собственную специализированную базу данных, представляющую из себя совокупность описаний отдельных режимов. Файлы, содержащие описания режимов, помещаются в архивы, которых при необходимости может быть несколько. Каждый архив имеет оглавление, в котором перечислены все хранящиеся в нем описания режимов с такими атрибутами: наименование режима, время последней коррекции, объем информации, имя пользователя.

Описание отдельного режима – это набор таблиц, число которых не ограничено. Каждая таблица имеет оглавление, в которое занесена информация о количестве строк и столбцов, формате представления таблицы при отображении на экране и операциях ввода-вывода, списке идентификаторов столбцов, составе ключевых параметров.

Все таблицы, за исключением двух, формируются и корректируются с помощью редактора табличной информации. Две специальные таблицы, именуемые “графика-энергосистема” и “графика-объекты”, создаются и корректируются с помощью собственных графических редакторов. Первая из них хранит описания структуры схем, относящихся к энергосистеме, вторая – структуры и параметров схем первичных коммутаций станций и подстанций. Графические образы энергосистемы могут включать описания как изображения всей системы, так и отдельных фрагментов. При этом детализация изображений фрагментов может быть различной.

Необходимо отметить особенности графических редакторов. При построении изображения схемы энергосистемы редактор опирается на информацию, содержащуюся в таблицах узлов и ветвей. Он позволяет отображать и предлагает к установке на схему только те элементы, которые заданы в соответствующих таблицах. Так, к примеру, нельзя провести линию между узлами, если ее описание отсутствует в таблице ветвей; нельзя изобразить генератор, если это не согласуется с информацией в таблице узлов. Построение схемы энергосистемы по сути сводится к указанию мест установки узлов и, при необходимости, перемещению отдельных элементов.

Для графического редактора, формирующего описания схем первичных коммутаций, нет информации, на которую он мог бы опираться в своей работе. Поэтому с его помощью можно сформировать любое изображение из предложенного перечня элементов. После завершения формирования изображения редактор анализирует его структуру и формирует для своих целей таблицы, описывающие способ соединения отдельных элементов. Эти таблицы используются впоследствии при решении задачи синтеза расчетной схемы. Кроме внутренних таблиц, во время формирования изображения создаются таблицы элементов, в которых после завершения построения задаются значения параметров. В этих таблицах не предусмотрено изменение количества строк – для ввода или удаления элемента необходимо предварительно выполнить коррекцию графического изображения.

Обмен данными и преобразование структуры информации. Для эффективного взаимодействия с другими программами в комплексе КОСМОС имеются средства обмена данными. С их помощью можно:

Для изменения состава таблиц или их структуры предусмотрена возможность переформирования информации в соответствии с подготовленным новым описанием оглавлений таблиц. При выполнении данной функции столбцы таблиц с идентичными идентификаторами переносятся из старого описания в новое. Этим обеспечивается возможность ввода новых параметров в уже существующие таблицы и возможность формирования дополнительных, ранее не предусмотренных таблиц. Наличие данной функции крайне необходимо, т. к. позволяет адаптировать ранее подготовленные описания режимов при включении в комплекс новых программ или дополнительных функций.

Графическая технологическая подсистема комплекса. Расчеты по программам, входящим в состав комплекса, выполняются в специальной среде, сочетающей преимущества графического и табличного представления информации. Под графическим представлением подразумевается изображение схемы энергосистемы или отдельных ее фрагментов (в том числе схем первичных коммутаций) с нанесенными исходными параметрами или результатами расчетов. К несомненным преимуществам графического представления следует отнести наглядность, возможность воздействия непосредственно на изображения элементов с целью изменения их состояния или параметров. Табличное представление информации позволяет определенным образом упорядочивать результаты расчетов и отображать обобщенные характеристики режима. Наибольшие удобства для пользователей создаются при контекстной зависимости между таблицами результатов и графическим изображением. Так, при просмотре таблицы отклонений (формируется после оценивания состояния) на схему наносятся измеренные и расчетные величины, а элементы схемы, к которым относятся ошибочные измерения, выделяются цветом. При необходимости проанализировать причину большого отклонения между измерением и рассчитанной величиной достаточно указать соответствующую строку в таблице и изображение позиционируется таким образом, что интересующий район помещается в центре экрана.

После выполнения расчетов по программам, включенным в состав комплекса, предоставляются возможности всестороннего анализа результатов. Для этой цели в зависимости от решенной задачи формируются соответствующие таблицы и графики. С помощью специального меню можно управлять отображаемой информацией. При этом в одни и те же окна, расставленные на схеме, можно выводить различные величины в произвольном сочетании.

Кроме стандартного набора таблиц, формируемых в результате решения той или иной задачи, в комплексе предусмотрена возможность создания дополнительных таблиц анализа режимов. Предоставляемые для этой цели программные средства позволяют технологам без внесения изменений в программу готовить выходные формы с максимальным учетом специфики своей энергосистемы и собственного опыта. Для обеспечения этой функции разработан редактор таблиц и выделено около тридцати функций, использование которых позволяет получить интересующие обобщенные параметры как по энергосистеме в целом, так и по отдельным подсистемам с указанным составом узлов.

Перед выполнением расчетов можно изменять состояние элементов схем, а также корректировать параметры. Для включения – отключения ветвей схемы энергосистемы достаточно позиционировать курсор на данном элементе и нажать клавишу манипулятора “мышь”. Аналогичным образом можно изменять состояние выключателей и разъединителей при работе на уровне схем первичной коммутации. В программе заложены два способа коррекции параметров. Для наиболее часто встречающихся случаев разработаны специальные формы (например, для изменения генерации станций или номеров анцапф автотрансформаторов). Существует и универсальный способ, позволяющий изменять любой из параметров, относящихся к узлу или ветви, а также к элементам коммутационных схем. Перед решением каждой из задач предоставляется возможность коррекции программных констант, управляющих ходом расчета, а перед оптимизацией режима – задания состава источников реактивной мощности и трансформаторов, привлекаемых к регулированию.

Все действия, связанные с коррекцией информации и проведением расчетов, фиксируются и соответствующие записи заносятся в протокол работы. После очередного расчета по любой из программ комплекса в специально выделенную директорию, ассоциативно связанную с протоколом, заносятся исходные данные и результаты. Протокол работы может использоваться для проверки выполненных коррекций, возврата к любому из предшествующих состояний, выборки результатов одного из ранее выполненных расчетов для сравнения с последним.

Программа позволяет выводить на печать изображения основной схемы энергосистемы, ее фрагментов, а также схем первичных коммутаций с нанесенными на них результатами расчетов.

Связь с базами данных оперативного управления. Для ввода телеметрической информации в процессе работы в технологической подсистеме используется предусмотренная для этой цели команда. При ее выполнении на экран выдается запрос, в ответе на который требуется указывать время и дату интересующего среза телеметрической информации. Источником информации о параметрах текущего или какого-либо ретроспективного режима служат базы данных оперативного управления, создаваемые и обслуживаемые оперативно-информационными комплексами (ОИК). В настоящее время в энергосистемах и энергообъединениях стран СНГ в эксплуатации находятся несколько таких комплексов. В связи с тем, что базы данных каждого из ОИК имеют свою специфику, для доступа к телеметрической информации приходится разрабатывать индивидуальные автономные стыковочные модули. Запуск этих модулей осуществляется по инициативе комплекса КОСМОС, который передает им в качестве параметров указанные время и дату (для поиска информации в архиве), а также имя директории, в которую должны быть занесены файлы с телеизмерениями, телесигналами и другой информацией. Поскольку структура файлов строго регламентирована, адаптация к определенному ОИК выполняется за счет стыковочного модуля и не требует внесения изменений в комплекс. В случае успешного завершения работы запущенного модуля основная программа вводит файлы с извлеченной из архива информацией. Для ее привязки к схеме замещения в таблицах узлов и ветвей, а также в описаниях коммутационных схем указываются номера телесигналов и телеизмерений. В соответствии с ними производится рассылка телеизмерений и установка коммутационных аппаратов в определенное состояние.

Методика выполнения оперативных расчетов. Типичным примером работы с программой является разрешение ремонтных заявок. Для проверки допустимости предстоящего режима подбирается характерный из ранее существовавших (например, вечерний максимум предыдущего дня), и на его основе выполняется оценивание состояния. После этого вносятся коррективы, учитывающие отличие текущего режима от предыдущего, и планируемые изменения. Далее рассчитывается установившийся режим и проверяется его допустимость по уровням напряжений, загрузке сечений, по токам в линиях и другим критериям. При необходимости может быть выполнено утяжеление рассчитанного режима по траекториям, подходящим для данной ситуации. Если в ожидаемом режиме нарушены ограничения по уровням напряжений, рекомендации по вводу в допустимую область могут быть выработаны с помощью первых двух этапов работы программы оптимизации. Полный расчет по программе оптимизации имеет смысл производить только с использованием тех источников реактивной мощности и трансформаторов, которые реально в данный момент могут быть привлечены к регулированию. Указать состав этих источников и трансформаторов можно непосредственно перед выполнением расчета.