Методы оптимизации в электроэнергетике

Введение

Рождение энергетики произошло несколько миллионов лет тому назад, когда люди научились использовать огонь. Огонь давал им тепло и свет, был источником вдохновения и оптимизма, оружием против врагов и диких зверей, лечебным средством, помощником в земледелии, консервантом продуктов, технологическим средством и т.д.
Прекрасный миф о Прометее, даровавшем людям огонь, появился в Древней Греции значительно позже того, как во многих частях света были освоены методы довольно изощренного обращения с огнем, его получением и тушением, сохранением огня и рациональным использованием топлива.
На протяжении многих лет огонь поддерживался путем сжигания растительных энергоносителей (древесины, кустарников, камыша, травы, сухих водорослей и т.п.), а затем была обнаружена возможность использовать для поддержания огня ископаемые вещества: каменный уголь, нефть, сланцы, торф.         На сегодняшний день энергия остается главной составляющей жизни человека. Она дает возможность создавать различные материалы, является одним из главных факторов при разработке новых технологий. Попросту говоря, без освоения различных видов энергии человек не способен полноценно существовать.     


1 ЗАДАЧИ И КРИТЕРИИ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Оптимизация режимов энергосистем и электростанций является одним из разделов теории и методов управления электроэнергетических систем (ЭЭС). Имеются официальные документы по решению следующего ряда режимных задач в ЭЭС:
- Составление плановых балансов мощности и выработки электроэнергии для различных периодов (от минут до года) и для различных объектов.
- Определение объемов и цен на долгосрочную, краткосрочную и оперативную продажу электроэнергии, мощности и резервов.
- Расчет сетевых тарифов с учетом потерь электроэнергии.
- Определение стоимости электроэнергии по зонам графика нагрузки и по сезонам года.
- Определение режима работы тепловой электростанции (ТЭС).
- Определение режима использования водных ресурсов гидроэлектростанции (ГЭС).
- Построение обобщенных энергетических, экономических и стоимостных характеристик для электрических станций и зон электроснабжения.
- Регулирование реактивной мощности и напряжения.
- Выбор и размещение резервов мощности.
Перечисленные задачи не являются полным списком задач, в которых рассчитывается режим ЭЭС, а лишь показывают важность оптимизации режимов.
Для практического решения и программной реализации любой режимной задачи требуется ее формализация, которая включает пять этапов.
Содержательная постановка задачи оптимизации.
Составление математической модели.
Выбор метода решений.
Разработка алгоритма решения.
Информационное моделирование.
Программная реализация.
Содержательная постановка задачи. На этом этапе необходимо изучение основных процессов, происходящих в оптимизируемой ЭЭС, для получения наиболее полной характеристики объекта оптимизации, включая определение иерархического уровня управления. Это важно для определения класса задачи оптимизации и формулирования содержательной постановки задачи.
Каждая постановка задачи поиска оптимального решения должна удовлетворять как минимум двум требованиям:
- задача должна иметь не менее двух возможных решений;
- должен быть сформулирован критерий для выбора наилучшего решения.
С точки зрения классификации можно выделить следующие задачи оптимизации: управление функционированием системы, управление развитием системы и управление технологическими процессами.
Математическое моделирование. Остановимся кратко на тех положениях моделирования электроэнергетических задач, которые используются для их решения. При построении модели следует учитывать только важнейшие характеристики системы. Необходимо также сформулировать логически обоснованные допущения, выбрать форму представления модели, уровень ее детализации и метод реализации. В оптимизационных исследованиях обычно используются модели двух основных типов: аналитические и регрессионные.
Аналитические модели включают в себя уравнения материального и энергетического балансов, соотношения между техническими характеристиками и уравнения, описывающие физические свойства и поведение системы на уровне технических принципов.
При моделировании важно четко определить границы изучаемой системы

. Они задаются пределами, отделяющими систему от внешней среды. В процессе решения задачи может возникнуть вопрос о расширении границ системы. Это повышает размерность и сложность модели. В инженерной практике следует стремиться к разбиению больших систем на относительно небольшие подсистемы. При этом необходимо иметь уверенность в том, что такая декомпозиция не приведет к излишнему упрощению реальной ситуации.
Если свойства системы определены и ее границы установлены, то на следующем этапе моделирования задачи оптимизации выбирается критерий (целевая функция), на основе которого можно оценить поведение системы и выбрать наилучшее решение. В инженерных приложениях обычно применяются критерии экономического характера. Критерием могут быть и технологические факторы: продолжительность процесса производства, количество потребляемой энергии и др. Часто ситуация осложняется тем, что в решении задачи необходимо обеспечить экстремальные значения нескольких противоречивых критериев. В этом случае говорят о многокритериальных задачах.
На следующем этапе моделирования задачи оптимизации необходимо выбрать независимые и зависимые переменные, которые должны адекватно описывать функционирование системы.
При выборе независимых переменных следует:
- провести различие между переменными, значения которых могут изменяться в достаточно широком диапазоне, и переменными, значения которых фиксируются в процессе оптимизации;
- выделить параметры, которые подвержены влиянию внешних и неконтролируемых факторов;
- независимые переменные выбрать таким образом, чтобы все важнейшие технико-экономические решения нашли отражение в математической модели задачи.
Неверный выбор независимых переменных может привести к получению псевдооптимальных решений.
Для зависимых переменных должна быть установлена связь с независимыми. Зависимые переменные, как правило, являются параметрами выхода модели и определяются требованиями к результатам функционирования объекта. Например, расход топлива - независимая переменная, а активная мощность электрической станции - зависимая. Их связь отражается в энергетической характеристике электрической станции.
В общем виде оптимизационная математическая модель включает: формальное описание задачи; критерий решения задачи; независимые и зависимые переменные; уравнения связи между независимыми и зависимыми переменными; ограничения на переменные в форме равенств и неравенств (обычно они определяются верхними и нижними границами изменения параметров системы).
Принятие решения в условиях определенности характеризуется однозначной (детерминированной) связью между принятым решением и его исходом. Детерминированной можно считать систему, в которой элементы взаимодействуют точно предвидимым образом.
Детерминированная модель отражает поведение системы с позиций полной определенности в настоящем и будущем. Поведение такой системы предсказуемо, если известны текущие состояния ее элементов и законы преобразования информации, циркулирующей между ними.
Большинство режимных задач в ЭЭС лишь условно можно считать детерминированными. Однако на практике многие из них решаются именно в этой постановке, что объясняется необходимостью иметь однозначные решения для управления режимами и сложностью, а иногда и невозможностью учета вероятностных свойств ЭЭС, связанных с самой природой событий и технологических процессов

2 КЛЮЧЕВЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ОПТИМИЗАЦИИ
Технология энергосбережения, кроме внедрения соответствующих систем, значительно сокращающих потребление энергоресурсов, подразумевает применение технологического процесса, с использованием оборудования, обладающего большей производительностью, в сравнение с устаревшими аналогами. Одной из главных направлений использования электричества, является освещение помещения. К примеру, энергосберегающие лампы, КПД которых не уступает предшествующим аналогам, при экономии электричества на 30 – 40 %.
Для наиболее эффективного энергопотребления будут рассмотрены различные схемы и средства по экономии электроэнергии на освещении. Самые эффективные схемы энергосбережения будут предложены для внедрения в корпуса учебных заведений.
Наиболее распространенный способ экономии электроэнергии – оптимизация потребления электроэнергии на освещение