Автоматизоване керування систем енергозабезпечення об'єктів з активними споживачами - Зінькевич, Петро Олексійович (My University, 2023)
У дисертації поставлена й вирішена актуальна задача підвищення ефективності електроспоживання та електропостачання промислових та цивільних об’єктів з активними споживачами енергії, шляхом створення автоматизованої системи керування електрозабезпеченням на основі використання інтелектуальних методів керування: інтелектуальних методів прогнозування навантаження та генерації електричної енергії, алгоритмів визначення профілю навантаження активних споживачів та керування попитом активних споживачів, алгоритму керування накопичувачами електричної енергії, методів синтезу нечітких регуляторів. У першому розділі проведено аналіз електрозабезпечення з активними споживачами: проаналізовано комплекс питань, пов'язаних з розробкою систем автоматизованого керування електрозабезпеченням з активними споживачами з використанням інтелектуальних методів керування та інформаційних технологій, в тому числі підсистем керування попитом активних споживачів, режимами накопичувачів енергії при компенсації піків навантаження, забезпечення нормативних рівнів напруги в системах з активними споживачами (власною генерацією). Наведено характеристики «активного» споживача як елемента системи енергозабезпечення, в якій можна керувати поведінкою споживача: інтеграція власної генерації, механізм стимулювання розвантаження, механізм зустрічного планування та механізми керування попитом. Наведена постановка завдання дослідження. У другому розділі проведений системний аналіз процесу керування генерацією, передаванням і споживанням електричної енергії на промислових та цивільних об’єктах з активними споживачами. Запропоновані підходи до побудови автоматизованої системи керування електрозабезпеченням промислових об’єктів з активними споживачами та організаційно-технічні засоби керування системою електрозабезпечення промисловиого об’єкта. За методологією SADT на основі нотацій IDEF0 побудована системна модель керування електрозабезпечення ЦО з активними споживачами. У третьому розділі розглянуто методи короткострокового прогнозування генерації ФЕС та навантаження споживачів, зокрема статистичні методи та інтелектуальні методи, що використовуються для задач керування. Виконано порівняльний аналіз методів короткострокового однокрокового ПЕН, на основі моделей ARIMA, «наївного прогнозу» та методів ANFIS. Результати прогнозування показали, що використання методу на основі ARIMA (2,1,2) є більш ефективними у порівнянні з «наївним прогнозом» та методів ANFIS. При цьому, для навчальної та тестової вибірки вказана модель забезпечує відповідно RMSE 0,0317% 0,0359%. Виконано порівняльний аналіз методів короткострокового багатокрокового ПЕН, на основі моделей ARIMA, «наївного прогнозу» та методів ANFIS. Результати прогнозування показали, що використання методу на основі ARIMA (4,1,2) є більш ефективними у порівнянні з «наївним прогнозом» та методів ANFIS. При цьому, вказана модель забезпечує RMSE для тестової вибірки становить 0,052%. Виконано аналіз методу короткострокового багатокрокового прогнозування генерації ФЕС, на основі штучної нейронної мережі NARX для передбачення на наступні 24-години. Проведені дослідження показали, що багатокрокове прогнозування на основі відкритого циклу (openloop) надає кращі результати, ніж закритий цикл closeloop. При цьому, вказана модель забезпечує MSE для тестової вибірки становить 0,0257%. В результаті дослідження виявлено, що в автоматизованих системах керування електрозабезпеченням промислових та цивільних об’єктів з активними споживачами ефективними інструментами прогнозування є моделі ARIMA та NARX. У четвертому розділі запропонований підхід до побудови автоматизованої підсистеми керування потужністю активних споживачів (АПКПАС), яка призначена для зменшення оплати за електричну енергію і зниження енергоємності виробництва за рахунок використання прогнозованих значень навантаження та потужності генерації генераторами власної генерації(ФЕС, ДГ), забезпечення ефективного використання генераторів власної генерації, СНЕ та керування навантаженням з урахуванням особливостей тарифів на електричну енергію (ЕЕ). Запропонована трирівнева ієрархічна структура системи керування електрозабезпеченням з активними споживачами: на верхньому рівні вирішуються задачі оптимізації енергозабезпечення- генерації, передавання та споживання активної та реактивної потужності; на другому рівні вирішуються задачі керування навантаженнями активних споживачів і визначення потужності та профілів навантаження генераторів власної генерації, щоб з урахуванням цін на енергоносії оптимізувати режим енергозабезпечення; нижній рівень це локальні системи керування генераторів власної генерації та СНЕ. Система керування електрозабезпеченням з активними споживачами включає підсистему керування активними споживачами з діалоговою підсистемою підтримки прийняття рішень та підсистему керування електрозабезпеченням. Підсистема складається з двох рівнів: рівень підприємства та рівень цеху. Рішення щодо керування потужностю активних споживачів приймаються особою, що примає рішення, в залежності від прогнозного та фактичного значення потужності навантаження, потужності ВДЕ і потужності від СНЕ, тарифів на електричну енергію. Запропоновано алгоритм керування попитом активних споживачів при заданих обмеженнях потужності навантаження та його реалізація на прикладі ремонтно- механічного цеху машинобудівного заводу. Для реалізації функцій активного споживача і підтримання економічно вигідного режиму обміну енергією з енергосистемою розроблений алгоритм керування СНЕ, який для формування керувальної дії використовує енергетичний стан накопичувача, погодинний прогноз генерації ЕЕ ФЕС та навантаження в системі електрозабезпечення з активними споживачами (ФЕС). Ефективність запропонованого алгоритму перевірено шляхом моделювання на прикладі заводу виробництва напоїв для хмарного та сонячних днів літнього та зимного періодів. Розроблений алгоритм нечіткого регулювання напруги трансформатора з ПБЗ і електронним комутатором в системах електрозабезпечення з активними споживачами (ВДЕ), що забезпечує нормативні рівні напруги. Результати імітаційного моделювання системи електрозабезпечення з нечітким регулятором напруги показали покращення якості напруги для різних ситуацій навантаження та генерації ЕЕ активними споживачами ( ВДЕ). In the dissertation, the urgent task of increasing the efficiency of electricity consumption and electricity supply of industrial and civil facilities with active energy consumers is set and solved, by creating an automated power supply management system based on the use of intelligent control methods: intelligent methods of load forecasting and electricity generation, algorithms for determining the load profile of active consumers and demand management of active consumers, the algorithm for managing electric energy storage devices, methods of synthesis of fuzzy regulators. In the first section, an analysis of electricity supply with active consumers was carried out: a complex of issues related to the development of automated control systems for electricity supply with active consumers using intelligent control methods and information technologies, including active consumer demand management subsystems, modes of energy storage during peak compensation, was analyzed load, ensuring energy-efficient voltage levels in systems with active consumers (own generation). The characteristics of the "active" consumer as an element of the energy supply system, in which the consumer's behavior can be controlled, are given: integration of own generation, a mechanism for stimulating unloading, a counter-planning mechanism, and demand management mechanisms. The formulation of the research task is presented. In the second chapter, a systematic analysis of the process of managing the generation, transmission and consumption of electric energy at industrial and civil facilities with active consumers is carried out. Proposed approaches to building an automated power supply management system for industrial facilities with active consumers and organizational and technical means of managing the power supply system of an industrial facility. According to the SADT methodology, based on the IDEF0 notation, a system model of power supply control of the central office with active consumers was built. In the third chapter, the methods of short-term forecasting of generation of electric power plants and load of consumers are considered, in particular, statistical methods and intelligent methods used for control tasks. A comparative analysis of short-term one-step PEN methods was performed, based on ARIMA models, "naive forecast" and ANFIS methods. The forecasting results showed that using the method based on ARIMA (2,1,2) is more effective compared to the "naive forecast" and ANFIS methods. At the same time, for the training and test samples, the specified model provides an RMSE of 0.0317% and 0.0359%, respectively. A comparative analysis of short-term multi-step PEN methods was performed, based on ARIMA models, "naive forecast" and ANFIS methods. The forecasting results showed that the use of the method based on ARIMA (4,1,2) is more effective compared to the "naive forecast" and ANFIS methods. At the same time, the specified model provides an RMSE for the test sample of 0.052%. The analysis of the method of short-term multi-step forecasting of FES generation, based on the artificial neural network NARX for the prediction for the next 24 hours, was performed. The conducted studies showed that multi-step forecasting based on the open loop (openloop) provides better results than the closed loop closeloop. At the same time, the specified model provides an MSE for the test sample of 0.0257%. As a result of the study, it was found that ARIMA and NARX models are effective forecasting tools in automated power supply management systems of industrial and civil facilities with active consumers. In the fourth chapter, an approach to the construction of an automated power management subsystem of active consumers (APKPAS) is proposed, which is designed to reduce the payment for electric energy and reduce the energy intensity of production due to the use of predicted values of load and generation capacity of generators of own generation (PPS, DH), ensuring effective use generators of own generation, SNE and load management taking into account the peculiarities of tariffs for electric energy (EE). The proposed three-level hierarchical structure of the power supply management system with active consumers: at the top level, the tasks of optimizing energy supply - generation, transmission and consumption of active and reactive power are solved; at the second level, the tasks of managing the loads of active consumers and determining the power and load profiles of generators of own generation are solved in order to optimize the energy supply regime, taking into account the prices of energy carriers; the lower level is the local control systems of generators of own generation and SNE. The power supply management system with active consumers includes the subsystem of managing active consumers with a dialog decision support subsystem and the power supply management subsystem. The subsystem consists of two levels: the enterprise level and the workshop level. Decisions regarding power management of active consumers are made by the person making the decision, depending on the forecasted and actual value of load power, PPS power and power from SNE, electricity tariffs. An algorithm for managing the demand of active consumers with given load capacity limitations and its implementation on the example of a repair and mechanical shop of a machine-building plant is proposed. To implement the functions of an active consumer and maintain an economically beneficial mode of energy exchange with the power system, an SNE control algorithm has been developed, which uses the energy state of the accumulator, the hourly forecast of the EE generation of the FES and the load in the power supply system with active consumers (PPS) to form the control action. An algorithm for fuzzy voltage regulation of a transformer with PBZ and an electronic switch in power supply systems with active consumers (PPS) has been developed, which ensures regulatory voltage levels. The results of simulation modeling of the power supply system with a fuzzy voltage regulator showed an improvement in voltage quality for various load situations and EE generation by active consumers (PPS).
Keywords: штучна нейронна мережа; нейро-нечітка логіка; нейро-нечіткий регулятор; система автоматичного регулювання; об’єкт керування; математичне моделювання; прогнозування; система керування; математична модель; енерговитрати; помилка прогнозування; система підтримки прийняття рішень; активний споживач; система накопичення енергії; фотоелектростанція; якість електричної енергії; електрозабезпечення; тарифи на електричну енергію; тарифи на електричну енергію; artificial neural network; neuro- fuzzy logic; neuro-fuzzy controller; forecasting; control system; automatic control system; control object; mathematical modeling; forecast error; forecast error; energy efficiency; decision support system; active consumer; energy storage system; photoelectric plant; quality of electric energy; power supply; tariffs for electric energy; tariffs for electric energy