Скачать… - Институт энергетики НАН Беларуси

КОНЦЕПЦИЯ ПРОГРАМНОГО МОДУЛЯ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ
РАЗВИТИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ
В. А. Рак1, Попов Б.И.2
1
Институт энергетики НАН Беларуси, г. Минск
2
Объединенный Институт энергетических и ядерных исследований СОСНЫ НАН Беларуси, г. Минск
В Институте Энергетики Национально академии наук Беларуси
разрабатывается
программный
комплекс
для
прогнозирования
энергопотребления и оптимизации структуры энергосистемы. В настоящее
время для выполнения работ по прогнозированию и оптимизации
энергосистемы используются программные продукты сторонних
разработчиков, такие как LEAP, разработанный Стокгольмским
институтом окружающей среды[1] и MASSAGE[2], WASP[3] и MAED[4],
разработанные МАГАТЭ. Однако они не учитывают определенные
специфики Республики Беларусь. Так в области оптимизации структуры
энергосистемы приведенные выше программы оптимизируют только
структуру электроснабжения потребителей, не учитывая тепловой
нагрузки[5]. А с учетом того, что более половины электроэнергии в
республике производится на теплоэлектроцентралях (далее – ТЭЦ)
оптимизация как электро- так и теплоснабжения необходима для
получения достоверных результатов.
В данной работе рассматривается концепция программного модуля
для оптимизации структуры энергосистемы, предназначенного для
прогнозирования развития энергосистемы в средне- и долгосрочном
периодах.
Новизна предлагаемого программного модуля состоит в том, что он
выполняет оптимизацию структуры энергосистемы с учетом возможностей
работы не только конденсационных электростанций (далее – КЭС), но и
ТЭЦ, а также с учетом теплового и электрического графика потребления
энергии.
Разработка данного модуля предполагается с использованием
парадигмы объектно-ориентированного программирования (далее – ООП).
Данный подход выбран благодаря возможности разработки на его основе
хорошо структурированной программы с оптимальным распределением
функций
между
различными
объектами.
Также
приложения,
разработанные с помощью ООП, всегда имеют достаточную гибкость и
широкие возможности для развития и расширения функционала.
1
Терминология объектно-ориентированного программирования
В центре ООП находится понятие объекта. Объект — это сущность,
которой можно посылать сообщения, и которая может на них реагировать,
используя свои данные.
Таким образом, программа представляет собой набор объектов,
имеющих состояние и поведение. Объекты взаимодействуют посредством
передачи данных между собой. Естественным образом выстраивается
иерархия объектов: программа в целом — это объект. Для выполнения
своих функций она обращается к входящим в неё объектам, которые, в
свою очередь, выполняют запрошенное путём обращения к другим
объектам программы [6]. Каждый объект может хранить, принимать,
отправлять, и обрабатывать данные. Алгоритмы обработки и правила
поведения объекта при получении или отправке данных определены в
методах класса объекта. Таким образом, каждый объект имеет свой класс.
Однако из одного класса можно создать несколько объектов. Они будут
иметь одинаковую структуру и алгоритмы обработки данных, но данные в
каждом объекте будут различные.
Структура программного модуля
В основе предлагаемого модуля лежит подход разделения модели
энергосистемы на уровни управления, которые соответствуют уровням
управления реальной энергетической системой. На рисунке 1 представлена
принципиальная схема потоков информации в модуле.
2
Ограничения по
выбросам
загрязняющих
веществ
Прогноз
пиковой
нагрузки
Оптимизатор
Ограничения по
потреблению
топлива
Генератор конфигураций
Ограничения
по резерву
мощности
График
электрической
нагрузки
График
тепловой
нагрузки
Диспетчер
Конденсационная
турбина
Парогазовая
установка
Гидравлическая
турбина
Теплофикационная
турбина
Котел на
котельной
Рисунок 1 – Блок-схема модуля оптимизации структуры энергосистемы.
1-й уровень – Энергоблок
Первый уровень предлагаемого программного комплекса должен
выполнять те же функции и иметь такие же свойства, что и реальный
энергоблок.
Каждой присутствующей в энергосистеме типу энергетической
установки, такой как теплофикационная турбина, конденсационная
турбина или котельная, соответствует отдельный класс в модуле. В этом
классе определены свойства энергоустановки и определены зависимости
между этими свойствами. Каждый класс энергоустановки включает два
типа свойств и методы. Первый тип свойств доступен только для чтения и
значения их могут быть заданы только в момент создания объекта. Это
такие свойства энергоустановки, как установленная мощность, нормы
переменных затрат, тип используемого топлива и т.д. В реальной
энергосистеме эти свойства также определяются на этапе проектирования
и обычно не изменяются во время эксплуатации установки до ее
модернизации или вывода из эксплуатации. Также к данному типу
относятся свойства, которые не задаются пользователем. Они
рассчитываются с помощью алгоритмов, заложенных в класс. Это такие
свойства как текущий расход пара, текущее потребление топлива и т.д.
Второй тип свойств – свойства объекта, которые могут быть, как заданы,
3
так и прочтены. Это такие свойства как текущая мощность энергетической
установки и ее состояние (находится в рабочем или в ремонтном
состоянии). Именно свойства второго типа могут быть изменены извне
объекта,
что
сохраняет
возможность
внешнего
управления
энергоустановкой.
Алгоритмы, заложенные в объекте энергетической установки,
устанавливают зависимость между различными параметрами установки.
Именно с их помощью рассчитываются свойства первого типа.
Каждая энергетическая установка реальной энергосистемы в
программном модуле представляет собой объект. В момент запуска модуля
создаются объекты всех существующих в реальной энергосистеме
энергетические установки. При прогнозировании развития, требуемые к
строительству энергетические установки, будут создаваться по мере
необходимости
2-й уровень - Диспетчер
На уровне «диспетчер» задается информация о почасовой тепловой
и электрической нагрузке энергосистемы, а также набор инструкций,
аналогичных инструкциям диспетчера реальной системы. С их помощью
распределяется существующую нагрузку между различными установками
по определенному оптимизационному алгоритму. Для выполнения
расчетов на уровне «диспетчер» нет необходимости передавать все
свойства энергетических установок. Достаточно той информации, которой
владеет диспетчер в реальной энергосистеме. Поэтому на уровень
«диспетчер» передаются лишь те свойства установок, которые
необходимы для определения оптимального варианта распределения
нагрузки. К примеру, это такие свойства, как установленная мощность;
доступность установки для работы в данных момент времени; текущая
мощность, на которой установка работала в прошлом часу и некоторые
экономические параметры работы установок. На основании этих данных,
используя оптимизационный алгоритм и данные по нагрузке у
потребителя, рассчитываются значения мощности для каждой установки в
каждый час на протяжении исследуемого года.
Кроме того, еще до выполнения расчета графиков работы установок
выполняется оптимизация графика вывода в ремонт. В результате в
таблицу планово-предупредительного ремонта заносятся данные о времени
и продолжительности ремонта. В последующем, при оптимизации
режимов, устновки, находящиеся в ремонте, нагрузку не принимают.
Также предусмотрен блок генератора аварийных ситуаций. Этот
блок может генерировать случайные величины по заранее заложенному
закону распределения. В случае, если случайное число удовлетворяет
некоторому условию, то считается что установка перешла в аварийное
состояние, и в дальнейшем нагрузку не принимает. Период, в течение
которого она не принимает участия в распределении нагрузки, также
4
определяется случайным образом, на основе распределения, полученного
из статистических данных.
Кроме того, можно создать возможность пользователю напрямую
задавать аварийное отключение определенной энергоустановки в
определенный момент времени. Моделирование такой ситуации позволит
определять возможность энергосистемы преодолевать различные тяжелые
аварии на энергетических объектах.
Результатом выполнения всех расчетов на уровне «Диспетчер»
является диспетчерские графики тепловой и электрической нагрузки для
каждой энергетической установки для каждого часа и года моделирования.
3-й уровень - Генератор конфигураций
На данном уровне строится график вывода существующих
энергетических установок из эксплуатации в связи с истечением срока
эксплуатации. В качестве исходных данных для этого уровня используется
некоторые данные напрямую из уровня энергоблоков. Учитывается
прогноз изменения максимальной пиковой нагрузки в энергосистеме.
Дефицит мощностей, который образовывается в результате роста пиковой
нагрузки и вывода энергетических установок из эксплуатации, а также
необходимого резерва мощности восполняют за счет ввода в эксплуатацию
новых энергоустановок, которые выбираются из списка блоковкандидатов.
Пользователем задается минимальный и максимальный резерв
установленной мощности. На данном уровне пользователь также задает
ряд ограничений, таких, как возможность строительства блока в
определенный год, ограничения на ввод мощности определенной
технологии в определенный год и т.д.
Таким образом, учитывая все возможные установки-кандидаты, и
наложенные ограничения со стороны пользователя, генератор
конфигураций может получать определенные варианты развития
энергосистемы.
Используя алгоритмы перебора и комбинаторики на уровне
«генератор конфигураций» вырабатываются все возможные конфигурации
развития энергосистемы. Конфигурация развития энергосистемы
представляет собой один из множества возможных вариантов развития
энергосистемы, и представляет собой график ввода новых энергоустановок
с описанием их количества и типов.
4-й уровень - Оптимизатор
На уровне «оптимизатор» для полученных конфигураций развития
энергосистемы происходит моделирование работы энергосистемы для
каждой конфигурации развития энергосистемы. При моделировании
работы
энергосистемы
на
протяжении
года,
рассчитываются
экономические показатели работы энергосистемы.
5
Полученные экономические показатели обрабатываются, в
результате чего получается значение целевой функции для каждой
конфигурации. Конфигурация развития энергосистемы, для которого
целевая функция получается минимальной, определяется как оптимальный
вариант развития и возвращается пользователю.
Внешний блок
Кроме объектов энергетики необходимо учитывать и другие
объекты, которые также оказывают существенное влияние на работу
энергосистемы. Классы, описывающие такие объекты, вынесены во
внешний блок.
Во внешнем блоке хранятся классы «топливо» и «потребитель».
Объект-топливо, полученный из класса-топлива, хранит в себе
основные параметры реального топлива, такие как прогноз стоимости
единицы топлива на весь период исследования, удельную теплоту
сгорания, плотность и единицу измерения.
Объект-потребитель, полученный из класса-потребителя, хранит в
себе основные параметры потребителя, а так же прогноз пиковой
мощности, почасовую кривую нагрузки и др. Кроме того потребители
делятся по типу потребляемой энергии на потребителей электрической
энергии и потребителей тепловой энергии. Потребители тепловой энергии
дополнительно хранят информацию об источниках тепловой энергии,
которые могут обеспечить потребность данных потребителей.
Преимущества предложенной концепции
Предложенная концепция имеет большое количество преимуществ
по сравнению с ранее использовавшимися подходами.
Энергетическая установка имеет внутреннюю логику и алгоритмы
работы. При этом он максимально закрыт от внешнего управления.
Воздействовать на любую установку можно только с уровня «диспетчер»,
и механизмы воздействия сильно ограничены, что повышает надежность
работы модуля. Энергоустановка с точки зрения уровня «диспетчер»
выглядит как «черный ящик», в который подается управляющий сигнал, а
возвращаются экономические и технические параметры ее работы. Это
позволяет в случае необходимости дорабатывать модели установок, и при
этом нет необходимости вносить изменения на уровне «диспетчера».
Каждый тип установок описывается отдельным классом, что
позволяет в случае разработки и начала использования новых технологий
производства электрической и тепловой энергии просто добавить еще один
класс в модель, не изменяя уже существующие классы.
Почасовая обработка на уровне «диспетчер» позволяет дополнять
уровень такими блоками, как блок генерации аварийных ситуаций, а также
учитывать маневренные возможности энергоустановок. Кроме того это
позволяет использовать данный модуль в целях краткосрочного и
диспетчерского управления энергосистемой.
6
Выделенные в отдельные блоки алгоритмы распределения нагрузки
между энергоустановками позволяют, в случае необходимости и по
требованию пользователя, заменять их другими. Так появляется
возможность
сравнивать
эффективность
различных
алгоритмов
распределения нагрузки между установками.
Наличие отдельного уровня «генератор конфигураций» позволяет
не только применять в случае необходимости дополнительные или новые
ограничения, накладываемые на развитие энергосистемы, но также
модернизировать сам алгоритм генерации конфигураций. Таким образом,
можно будет сокращать время расчетов, используя более современные
алгоритмы оптимизации, такие как генетические алгоритмы, алгоритмы
имитации отжига или имитации муравьиной колонии[7].
Разработка конфигураций развития энергосистемы на одном
уровне, а само моделирование работы системы по данному варианту
развития в другом позволяет применять параллельные вычисления для
поиска оптимального варианта развития, что может существенно
сократить время расчетов, или увеличить количество вариантов развития.
Наличие
возможности
распараллеливать
вычисления
позволит
использовать суперкомпьютеры для расчетов развития энергосистемы[8].
Выделение отдельного уровня «оптимизатор» позволяет без
значительных модификаций изменять целевую функцию оптимизации.
Из приведенного выше можно сделать вывод, что в предлагаемой
концепции модуля оптимизации заложены значительные возможности для
дальнейшей модернизации и развития. При этом простота выполнения
модернизаций позволяет подстроить модель под различных пользователей
с учетом их персональных пожеланий и требований.
Создание и использование данного программного модуля позволит
оптимизировать структуру генерирующих мощностей и повысить
эффективность работы энергосистемы при производстве тепловой и
электрической энергии.
Литература
1. Long-Range Energy Alternatives Planning System. User Guide /
Stockholm Environmental Institute. – Boston Center, USA. –
2006. – 264 p.
2. Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General
Environmental Impacts. User’s Manual / Vienna: IAEA, 2003. –
232 p.
3. Wien Automatic System Planning (WASP) package: A Computer
Code for Power Generating System Expansion Planning. Version
WASP-III Plus, User’s Manual / Vienna: IAEA, 1995. – Vol. 1–2.
– 426 p.
7
4. Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General
Environmental Impacts. User’s Manual / Vienna: IAEA, 2003. –
232 p.
5. ЯКУШЕВ А.П, ПОПОВ Б.И. Оптимизация ввода ядерной
энергетики в топливно-энергетический комплекс Беларуси. //
Энергетика и ТЭК. – 2009.-№9
6. Г.С. Иванова, Т.Н. Ничушкина, Е.К. Пугачева Объектноориентированное программирование Москва, Издательство
МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2001
7. Емельянов В. В., Курейчик В. В., Курейчик В. М. Теория и
практика эволюционного моделирования.— М: Физматлит,
2003. — С. 432.
8. В.П. Гергель, Р.Г. Стронгин Основы параллельных
вычислителений для многопроцессорных вычислительных
систем. Издательство Нижегородского госуниверситета
Нижний Новгород 2003
8