Содержание
Глава 2. Конструкторская часть. Метод биогеографии 20
2.1. Биологические предпосылки метода 20
2.3. Оптимизация методом биогеографии 26
2.3.1. Миграция 27
2.3.2. Мутация 28
2.3.3. Определения, используемые в методе 29
2.4. Схема алгоритма 33
2.6. Выводы 39
Глава 3. Технологическая часть. Программная реализация и тестирование метода 39
3.1. Выбор средств и обоснование 39
3.1.1. Обзор среды MatLab 40
3.4. Выводы 48
Глава 4. Исследовательская часть. Исследование эффективности алгоритма и решение прикладной задачи 49
59
Дипломная работа посвящена программной реализации и экспериментальному исследованию алгоритма на основе биогеографии, а также разработке программного комплекса для определения оптимального расположения устройств регулирования напряжения в электроэнергетике на базе рассматриваемого алгоритма. 70
6.1. Основные этапы проекта разработки нового изделия 70
6.2. Расчёт трудоёмкости проекта и затрат на проект 73
6.3. Определение численности исполнителей 76
6.4. Календарный график выполнения проекта 77
6.5. Анализ структуры затрат проекта 78
6.6. Выводы 85
7.1. Промышленная экология и безопасность 86
7.2. Анализ основных факторов воздействия среды на оператора ПК 87
7.3. Общие положения 88
7.4. Расчёт системы освещения 99
7.5. Расчет искусственного освещения рабочего места оператора 101
7.6. Утилизация люминесцентных ламп 104
7.7. Выводы 105
Заключение 106
Список литературы 107
Введение
Проблема компенсации реактивной мощности всегда занимала важное место в общем комплексе вопросов повышения эффективности передачи, распределения и потребления электрической энергии. Правильное решение таких задач в значительной мере предопределяет экономию денежных и материальных ресурсов, а также повышение качества электроснабжения. Основные вопросы компенсации реактивной мощности должны рассматриваться с учетом современных взглядов и с учетом новых технических решений в этой области.
Реактивная мощность может рассматриваться как характеристика скорости обмена энергией между генератором и магнитным полем приемника электроэнергии. В отличие от активной мощности, полезно используемой в работе, реактивная мощность не выполняет полезной работы, она служит лишь для создания магнитных полей в индуктивных приемниках (например, в электродвигателях, трансформаторах и т. п.), циркулируя все время между источником тока и приемниками.
Острота проблемы компенсации реактивной мощности на современном этапе вызвана рядом обстоятельств:
концентрация и централизация генерирующих источников;
осуществление повсеместно политики ресурсо- и энергосбережения. Оптимизация реактивной мощности, в том числе с помощью местных компенсирующих устройств, позволяет существенно снизить потери мощности в сетях;
повышенные требования к качеству электрической энергии. Реактивная мощность существенно влияет на изменения режима напряжения в электрических сетях;
недостаточная установленная мощность компенсирующих установок в питающих и распределительных электрических сетях.
Проблема компенсации реактивной мощности включает в себя ряд технико-экономических задач, а именно:
проведение мероприятий для снижения реактивной мощности самих электроприемников;
выбор типа и мест установки компенсирующих устройств;
многокритериальная оптимизация режимов работы компенсирующих устройств при развитии и функционировании систем электроснабжения.
Целью данной работы является программная реализация алгоритма биогеографии, исследование его эффективности на функции Растригина, а также решение задачи оптимизации размещения устройств регулирования напряжения в электроэнергетике.
Глава 1. Конструкторская часть. Постановка задачи и выбор метода ее решения
1.1. Введение в проблемную область
Вопросы экономного использования всех видов энергии, в том числе электрической, и повышения экономичности работы электроустановок являются важной проблемой.
Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определенными характеристиками, позволяющими судить о ее пригодности в различных производственных процессах. Совокупность таких характеристик, при которых приемники электроэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены под общим понятием качество электроэнергии.
В последние годы повышению качества электроэнергии уделяют большое внимание, т.к. качество электроэнергии может существенно влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения, а также технологический процесс производства.
При решении задачи повышения качества электроэнергии выделяют экономические, математические и технические аспекты.
Экономические аспекты включают в себя методы расчета убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения. Математические аспекты представляют собой обоснование тех или иных методов расчета показателей качества электроэнергии. Технические аспекты включают в себя разработку технических средств и мероприятий, улучшающих качество электроэнергии, а также организацию системы контроля и управления ее качеством.
Стремление повысить производительность труда на современных промышленных предприятиях, а также интенсификация и усложнение технологических процессов обусловили то, что все большую долю в общем объеме суммарных нагрузок занимают резкопеременные и нелинейные нагрузки с повышенным потреблением реактивной мощности.
Характерной особенностью работы этих потребителей является влияние их на качество электроэнергии питающих сетей. В свою очередь нормальная работа электрооборудования зависит от качества электроэнергии питающей системы. Такое взаимное влияние электрооборудования и питающей системы определяют термином "электромагнитная совместимость".
Решение проблемы электромагнитной совместимости связано с определением и поддержанием оптимальных показателей качества электроэнергии, при которых выполняются технические требования с минимальными затратами.
Проблема электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью остро возникла в последнее время в связи с широким внедрением мощных вентильных преобразователей, дуговых сталеплавильных печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электрической энергии в питающих электрических сетях.
При разработке новых приемников электроэнергии необходимо учитывать то отрицательное влияние, которое они могут оказывать на питающую электрическую сеть. При оценке должны приниматься во внимание дополнительные устройства, предотвращающие ухудшение качества электрической энергии.
Одним из основных вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в сетях, решаемых, как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, а также размещение источников в системе электроснабжения.
1.2. Качество электроэнергии
Нынешняя энергосистема представляет собой большой комплекс взаимосвязанных сетей, который состоит из тысяч шин и сотен генераторов. Сеть расширяется ежедневно с увеличением потребностей. Чтобы расширить сеть, необходима либо установка новой мощной электростанции и линий электропередач (ЛЭП), либо расширение уже существующей инфраструктуры до возможных пределов. Прокладка новых линий или установка новой электростанции накладывает много экологических и экономических ограничений. В результате, существующие ЛЭП становятся более загруженными, чем раньше. В установившемся режиме в сильно загруженных энергосетях основные проблемы – это увеличение потерь электроэнергии, плохой профиль напряжения, нежелательный цикл потоков и возникновение перегрузок.
Рациональная (оптимальная) компенсация реактивной мощности в промышленных электросетях включает в себя широкий комплекс вопросов. К ним относятся повышение экономичности работы электроустановок, улучшение качества потребляемой электроэнергии (т.е. методы выбора и расчета компенсирующих устройств, исходя из условий выполнения заданий энергосистемы), вопросы места установки компенсирующих устройств и их наивыгоднейшего размещения, рациональная и безопасная эксплуатация и защита, ключевые вопросы автоматического регулирования реактивной мощности в промышленных электросетях, а также создание целенаправленного научного подхода к разработке и решению с минимумом погрешности адекватной математической модели задачи рациональной компенсации реактивной мощности.
Рациональная компенсация реактивной мощности приводит к снижению потерь мощности из-за перетоков реактивной мощности, обеспечению надлежащего качества потребляемой электроэнергии за счет регулирования и стабилизации уровня напряжений в электросетях, достижению высоких технико-экономических показателей работы электроустановок.
Проблема компенсации реактивной мощности в электрических системах страны имеет большое значение по следующим причинам:
в промышленном производстве наблюдается опережающий рост потребления реактивной мощности по сравнению с активной;
в городских электрических сетях возросло потребление реактивной мощности, обусловленное ростом бытовых нагрузок;
увеличивается потребление реактивной мощности в сельских электрических сетях.
Количественные и качественные изменения, происходящие в промышленном электроснабжении за последние годы, придают этому вопросу особую значимость. В настоящее время прирост потребления реактивной мощности существенно превосходит прирост потребления активной мощности. При этом передача реактивной мощности на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения. Интенсификация производственных процессов, повышение производительности труда связаны с совершенствованием существующей и внедрением новой, передовой технологии. Этому процессу сопутствует широкое внедрение различных устройств, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях.
Следует отметить, что практически все показатели качества электроэнергии по напряжению зависят от потребляемой промышленными электроприемниками реактивной мощности. Поэтому вопросы качества электроэнергии необходимо рассматривать в непосредственной связи с вопросами компенсации реактивной мощности.
Вопросы качества электроэнергии требуют тщательной разработки и изучения происходящих при этом явлений. Особые трудности связаны с отсутствием требуемых измерительных приборов в электрических сетях, а также сложностью и необходимостью изменения методов измерений. Это связано, в частности, с влиянием случайного характера изменений нагрузок, что, в свою очередь, требует применения статистических приборов и соответствующей обработки получаемой информации – использования вероятностно-статистических методов расчета.
1.3. Реактивная мощность и способы ее компенсации
1.3.1. Реактивная мощность
В реальных условиях электроснабжения звенья электропередачи и нагрузка потребителя всегда содержат наряду с активным сопротивлением составляющие индуктивного и емкостного сопротивлений. Устройства, потребляющие индуктивный ток, принято называть приемниками реактивной мощности (энергии), а устройства, потребляющие емкостный ток, – источниками реактивной мощности (энергии). Большая часть промышленных устройств потребляет реактивную мощность. Реактивная мощность не связана с полезной работой электроприемника и расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, линиях. Следует сказать о некоторой условности толкования реактивной мощности как мощности. Активная мощность обусловлена преобразованием энергии первичного двигателя, полученной от природного источника, в электроэнергию. Реактивная мощность не преобразуется в другие виды мощности, не требует для ее производства затраты других видов энергии, не совершает работу и поэтому называется мощностью условно.
С точки зрения генерации и потребления между реактивной и активной мощностью существуют значительные различия. Если большая часть активной мощности потребляется приемниками и лишь незначительная теряется в элементах сети и электрооборудования, то потери реактивной мощности в элементах сети могут быть соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой приемниками электроэнергии.
Полная мощность, вырабатываемая генератором, включает активную и реактивную составляющие.
Синхронные генераторы на электростанциях вместе с другими источниками реактивной мощности обеспечивают и регулируют баланс реактивной мощности в современных электрических сетях.
При снижении активной мощности в сравнении с номинальным значением возможна выдача увеличенной реактивной мощности сверх номинальной. Возможность увеличения реактивной мощности за счет уменьшения активной допустимо использовать в случае избытка активной мощности, т.е. в режиме минимума активной нагрузки. В этом случае некоторая часть генераторов, несущих активную нагрузку, может переводиться на работу с пониженным коэффициентом мощности.
Увеличение же генерируемой реактивной мощности в режиме наибольших нагрузок за счет уменьшения генерации активной мощности экономически нецелесообразно. Эффективнее вместо снижения активной мощности генераторов электростанций применять для выработки реактивной мощности компенсирующие устройства. Поэтому, как правило, в электрических сетях для покрытия потребности в реактивной мощности применяют компенсирующие устройства.
Прохождение в электрических сетях реактивных токов обуславливает дополнительные потери активной мощности в линиях, трансформаторах, генераторах электростанций, потери напряжения, требует увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов, снижает пропускную способность всей системы электроснабжения. Большая загрузка реактивной мощностью электростанций приводит к перегрузке по току генераторов, к необходимости их использования специально для выработки реактивной мощности даже в те часы, когда по активной нагрузке часть генераторов можно отключить в резерв. Реактивной мощностью дополнительно нагружаются питающие и распределительные сети предприятий, соответственно увеличивается общее потребление электроэнергии.
Концентрация на производстве реактивной мощности во многих случаях экономически нецелесообразна по некоторым причинам.
При передаче значительной реактивной мощности возникают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью.
Возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения. Дополнительные потери напряжения увеличивают отклонение напряжения на зажимах приемника от номинального значения при изменениях нагрузок и режимов электросети. Это требует увеличения мощности и, следовательно, стоимости средств регулирования напряжения.
Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т.п.
Поскольку реактивная составляющая неизбежна при работе многих промышленных устройств, она также не может быть исключена полностью. Однако целесообразно применять средства, предназначенные для уменьшения ее потребления из питающей сети.
В какой-либо электрической цепи генерируемая реактивная энергия равна потребляемой реактивной энергии. В связи с тем, что большая часть промышленных устройств является потребителями реактивной энергии, потребность в реактивной мощности обычно превышает возможности покрытия ее рациональным способом генераторами электростанций. Поэтому возникает необходимость в исследовании дополнительных устройств, поставляющих в энергетическую систему реактивную мощность. Устройствами такого типа, называемые компенсаторами, могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы и двигатели, а также статические источники реактивной мощности.
Приведенные соображения вынуждают, насколько это технически и экономически целесообразно, приближать источники покрытия реактивной мощности к местам ее потребления и уменьшать получение реактивной мощности из энергосистемы. Это в значительной степени разгружает питающие линии электропередачи и трансформаторы от реактивной мощности.
Компенсация реактивной мощности, как всякое важное техническое мероприятие, может применяться для нескольких различных целей. Во-первых, компенсация реактивной мощности необходима по условию баланса реактивной мощности. Во-вторых, установка компенсирующих устройств применяется для снижения потерь электрической энергии в сети. И в-третьих, компенсирующие устройства применяются для регулирования напряжения.
Во всех случаях при применении компенсирующих устройств необходимо учитывать ограничения по следующим техническим и режимным требованиям:
необходимый резерв мощности в узлах нагрузки;
располагаемая реактивная мощность на шинах ее источника;
отклонения напряжения от номинального значения;
пропускная способность электрических сетей.
Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест ее потребления. При этом передающие элементы сети разгружаются по реактивной мощности, чем достигается снижение потерь активной мощности и напряжения.
Таким образом, вследствие применения компенсирующих устройств на подстанции при неизменной мощности нагрузки реактивные мощности и ток в линии уменьшаются – линия разгружается по реактивной мощности.
1.3.2. Типы компенсирующих устройств
Все компенсирующие устройства делятся на статические и электромашинные системы.
К статическим компенсирующим устройствам относятся следующие устройства:
управляемые шунтирующие реакторы, реализованные по принципу магнитного усилителя или трансформаторного типа с тиристорным управлением;
реакторы, коммутируемые вакуумными выключателями;
статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности, состоящие из одной или нескольких тиристорно-реакторных групп и набора фильтро-компенсирующих цепей;
синхронные статические компенсаторы реактивной мощности типа СТАТКОМ [1] на базе преобразователя напряжения с параллельным подключением к сети;
синхронные статические продольные компенсаторы реактивной мощности на базе преобразователя напряжения;
объединенный регулятор перетока мощности на основе преобразователей напряжения параллельного и последовательного включения, объединённых по цепям постоянного тока;
управляемые тиристорами устройства продольной емкостной компенсации;
управляемые фазоповоротные устройства на базе фазосдвигающих трансформаторов с тиристорным управлением;
вставки постоянного тока на базе преобразователей напряжения;
токоограничивающие устройства на основе технологии FACTS [16] (для ограничения токов короткого замыкания).
Группу электромашинных систем образуют ниже приведенные устройства:
асинхронизированные синхронные компенсаторы;
асинхронизированные электромашинные преобразователи частоты на основе двух асинхронизированных машин на одном валу, либо на основе асинхронизированной и синхронной машин на одном валу;
фазовращающийся трансформатор – вращающаяся машина с питанием статора и ротора от сетей с различной частотой с дополнительным двигателем на валу.
1.3.3. Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения
Известно, что наиболее экономичным средством для компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи. Это объясняется их преимуществами перед другими средствами компенсации реактивной мощности:
возможность применения, как на низком, так и на высоком напряжении;
малые потери активной мощности;
наименьшая удельная стоимость по сравнению с другими компенсирующими устройствами;
простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей);
простота производства монтажа (малая масса, отсутствие фундамента);
возможность установки в любом сухом помещении.
Однако конденсаторные батареи имеют существенные недостатки:
пожароопасность;
наличие остаточного заряда, повышающего опасность при обслуживании;
чувствительность к перенапряжениям и скачкам тока;
возможность только ступенчатого, а не плавного регулирования мощности.
Основными техническими средствами компенсации реактивной мощности и улучшения спектров токов и напряжений на преобразовательных подстанциях являются:
синхронные компенсаторы;
тиристорные компенсаторы реактивной мощности;
пассивные фильтрокомпенсирующие устройства;
активные фильтры;
параметрические источники тока;
выпрямительные агрегаты с повышенными энергетическими показателями.
Сейчас во всем мире проводятся исследования и разработка статических (в основном тиристорных) компенсаторов реактивной мощности. Зачастую на эти же устройства дополнительно возлагаются функции фильтрации высших гармоник и снижения степени несимметрии питающих напряжений.
Повышенное внимание в настоящее время уделяется также совершенствованию схемных решений, методам расчета и вопросам практического применения фильтрокомпенсирующих устройств.
При наличии быстрых и резкопеременных нагрузок становится перспективным применение статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих возможность безынерционного регулирования реактивной мощности. При этом улучшаются условия статической устойчивости энергосистемы в целом, что обеспечивает дополнительную экономию за счет повышения технико-экономических показателей работы электроустановок.
Статические компенсаторы реактивной мощности являются перспективным средством рациональной компенсации реактивной мощности в силу присущих им положительных свойств, таких, как быстродействующее регулирование, подавление колебаний напряжения, симметрирование нагрузок, отсутствие вращающихся частей, плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть. Кроме того, эти устройства могут осуществлять плавное и оптимальное распределение напряжений, обеспечивая тем самым снижение их потерь в распределительных электросетях.
Статические компенсаторы реактивной мощности обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, фильтрацию высших гармоник, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети. Они состоят из управляемой части, обеспечивающей регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник тока нелинейной нагрузки.
Статические компенсирующие устройства обладают следующими преимуществами:
высокую скорость изменения реактивной мощности;
достаточный диапазон регулирования реактивной мощности;
возможность регулирования и потребления реактивной мощности;
минимальные искажения питающего напряжения.
Быстрое развитие мирового производства статических тиристорных компенсаторов определяется их преимуществами по отношению к традиционным средствам компенсации реактивной мощности в решении ряда актуальных задач электроэнергетики. К числу таких задач относится необходимость компенсации реактивной мощности в местах потребления электроэнергии и на промежуточных подстанциях длинных линий с целью повышения стабильности напряжения у потребителей, снижения потерь в линиях электропередач и сетях электроснабжения потребителей, повышения пропускной способности электропередач.
Рост протяженности, мощности и класса напряжения дальних электропередач выдвигает в число важнейших задач обеспечение средствами компенсации ограничения внутренних перенапряжений, статической и динамической устойчивости, эффективности автоматических повторных включений.
1.4. Постановка задачи
Проведение мероприятий по компенсации реактивной мощности снижает потери электроэнергии, увеличивает пропускную способность электрических сетей, оказывает положительное влияние на режим напряжения. Однако сегодня компенсирующие устройства часто используются неэффективно, в результате происходит недоиспользование их ресурса по сравнению с фактически возможным. Это вызвано неэффективным размещением их в электрической сети. Проект предполагает использование оптимизационного алгоритма, который позволяет определить оптимальное размещение компенсирующих устройств в узлах сети, и, следовательно, выбрать оптимальный режим компенсации реактивной мощности.
Возможна установка нескольких видов устройств, каждое из которых имеет свои собственные свойства. Выбор соответствующего устройства крайне важен для достижения поставленных целей. Выбираются они так, чтобы, помещая их в подходящих местах, можно было контролировать потоки активной и реактивной мощности на шине. Разрешается установка только одного устройства на каждой шине. Кроме того, обычно устанавливается ограниченное количество компенсирующих устройств, выше которого улучшение выбранной цели не может быть значительным.
Активная и реактивная мощности потока из шины i в j через ЛЭП-m находятся из уравнений
 , (1.1)
 (1.2)
где  − напряжение на шине i и j соответственно,  − угол напряжения между шинами i и j,  − реактивное сопротивление линии передачи между шинами i и j.
Система статической компенсации реактивной мощности осуществляется шунтирующим преобразователем или конденсаторной батареей, которые регулируют обмен емкостного или индуктивного тока, чтобы поддерживать или контролировать конкретные параметры системы электроснабжения, как правило, напряжение на шине. Изменение реактивной мощности на шине i может быть представлено как
 (1.3)
где  – реактивная мощность установленного компенсирующего устройства.
Соответствующие компенсирующие устройства должны быть установлены в наилучших местах с оптимальными настройками параметров для снижения потери мощности в реальной системе. Проблема размещения этих устройств сформулирована в виде следующей задачи оптимизации
где  − количество компенсирующих устройств.
На задачу накладывается ограничение
 (1.5)
Каждое решение в предложенном методе определяется типом устройства, его местоположением и параметрами в виде матрицы, как показано в таблице 1.1.
Таблица 1.1. Представление переменных решения
T1
|
T2
|
…
|
Tk
|
…
|
Tnf
|
L1
|
L2
|
…
|
Lk
|
…
|
Lnf
|
QF1
|
QF2
|
…
|
QFk,
|
…
|
QFnf
|
Первая строка содержит целые числа и представляет собой тип устройства Tk. Вторая строка соответствует расположению устройства. Она представляет собой номера линий Lk, где устройства должны быть расположены. Третья строка соответствует реактивной мощности установленного устройства.
1.5. Выбор метода решения
В последние годы были предложены многочисленные способы решения задачи о размещении компенсирующих устройств. Был предложен алгоритм оптимизации, основанный на методе роя частиц [2], операционная схема, основанная на унифицированной системе управления энергопотоками (UPFC - Unified Power Flow Controller) [3] и т.д.
Методы решения могут быть разделены на традиционные методы и интеллектуальный поиск. Традиционные методы включают в себя линейное и нелинейное программирование, смешанное целочисленное нелинейное программирование и т.д. Интеллектуальный поиск основан на таких методах, как имитация отжига [4], генетические алгоритмы [5], метод роя частиц [2] и т.д.
Недавно для решения задачи был предложен метод оптимизации, основанный на биогеографии (ВВО – Biogeography Based Optimization) [6], который по результатам исследований в IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) является лучшим решением проблемы оптимального размещения нескольких типов компенсирующих устройств.
1.6. Выводы
В данной главе была рассмотрена проблема в области электроэнергетики, а также способы ее решения с помощью установки компенсирующих устройств.
Приведены примеры компенсирующих устройств и из них выбрано несколько устройств, которые будут использоваться для оптимизации рабочего режима данной электросети.
Была поставлена задача оптимизации и проведен обзор методов ее решения, из которых был выбран алгоритм биогеографии.
|
