Математическое моделирование и оптимизация режимов работы микросети с накопителями электрической энергии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат наук Буткина Анна Александровна

• Буткина Анна Александровна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Буткина Анна Александровна

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ - КЛЮЧЕВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

1.1 Основные направления развития интеллектуальной энергетики

1.2 Особенности управления потоками электрической энергии в микросетях с накопителями электрической энергии

ГЛАВА 2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МИКРОСЕТИ С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

2.1 Разработка полной математической модели микросети

2.2 Разработка и верификация программы моделирования микросети

ГЛАВА 3. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ МИКРОСЕТИ С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

3.1 Постановка задачи оптимизации режимов работы микросети

3.2 Постановка задачи оптимизации графика потребления электрической энергии нагрузками

3.3 Исследование канонического варианта метода роя частиц и его адаптация для решения задачи целочисленного программирования

3.4 Постановка задачи оптимизации работы накопителя электрической энергии и ее экспериментальное исследование

3.5 Модификация и экспериментальное исследование метода роя частиц

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА МОДЕЛИ ОПТИМИЗАЦИИ РАБОТЫ НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

4.1 Цель экспериментального исследования

4.2 Результаты экспериментальной оценки модели

4.3 Прогнозирование графика потребления электрической энергии нагрузками

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ РЕАЛИЗУЕМОСТИ МИКРОСЕТЕЙ С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

5.1 Определение требований к микросети с накопителями электрической энергии

5.2 Разработка архитектуры программного обеспечения Системы

5.3 Анализ экономических аспектов реализуемости Системы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ (ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ) РЕЗУЛЬТАТОВ КАНДИДАТСКОЙ РАБОТЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. РЕЖИМЫ РАБОТЫ МИКРОСЕТИ С НАКОПИТЕЛЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА «РОЯ ЧАСТИЦ»

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Математическое моделирование и оптимизация режимов работы микросети с накопителями электрической энергии»

Актуальность темы

В соответствии с планом мероприятий («дорожной картой») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы, принятым по итогам заседания президиума Совета при Президенте России по модернизации экономики и инновационному развитию России от 28 сентября 2016г. [26], интеллектуализация энергетики рассматривается как один из основных инструментов реализации Энергетической стратегии РФ.

Приоритетной задачей этой «дорожной карты» является разработка комплексных решений для микросетей, т.е. автономных электрических сетей, объединяющих несколько пользователей и источников электрической энергии.

«Дорожная карта» в качестве приоритетных рассматривает методы и технические средства интеллектуального управления конечным электропотреблением по экономическому критерию в режиме реального времени на основе интеграции электрических и информационных сетей, т.е. «энергетического Интернета». Таким образом, энергетические и информационные процессы в микросети необходимо рассматривать как взаимосвязанные.

Поэтому в дальнейшем будем определять микросеть как энергоинформационную систему (ЭИС), представляющую собой совокупность информационных технологий и энергетических элементов, которые, взаимодействуя между собой, позволяют осуществлять управление режимами работы микросети. Фрагмент микросети, принадлежащий одному пользователю, будем называть энергоинформационной системой пользователя микросети. На рисунке В.1 показано схематическое представление функционирования микросети, включающей несколько пользователей.

Рисунок В.1 - Функционирование микросети

В диссертации рассматривается микросеть, включающая только одного пользователя, что является частным случаем описанной выше системы. Она полностью соответствует одному из приоритетных направлений реализации «дорожной карты» «потребительские сервисы», которое рассматривает микроэнергетику на уровне частных домов, включая микрогенерацию и системы накопления энергии, а также управление энергопотреблением на уровне домохозяйства.

При этом диссертационное исследование выполняется в рамках одного из основных технологических трендов «дорожной карты», заключающегося в формировании моделей оптимального управления функционированием энергосистемы.

Таким образом, тема диссертационной работы является актуальной как с точки зрения рассматриваемой в ней проблемной области, так и с точки зрения применяемых методов и технологий.

Следует отметить, что в настоящее время не существует каких-либо значимых, находящихся в свободном доступе наработок в данной области, поскольку потребность в постановке и решении рассматриваемой задачи возникла относительно недавно. Однако, во многих странах (особенно в северной Европе и США) активно ведутся разработки в данном направлении.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование математической модели микросети с накопителем электрической энергии и оптимизация режимов ее работы по критерию минимизации затрат пользователя на электрическую энергию.

Эта цель достигается решением следующих задач:

1. Определение базовых режимов работы микросети с накопителем электрической энергии.

2. Математическое моделирование микросети с накопителем электрической энергии.

3. Оптимизация режимов работы микросети по критерию минимизации затрат пользователя на электрическую энергию с целью определения моментов переключения режимов работы микросети.

4. Экспериментальная оценка математических моделей и алгоритмов оптимизации режимов работы микросети.

5. Разработка и исследование программного обеспечения решения поставленных задач.

Методы исследования. В работе применялись численные методы поиска глобального экстремума (метод роя частиц и его модификации), положения общей теории алгоритмов, методологии высокопроизводительных вычислений. Построение математических моделей микросети и ее элементов проведено с помощью узлового метода, уравнений Парка-Горева и теории М-систем. Численные эксперименты проводились с использованием системы MATLAB. Разработка архитектуры программного обеспечения ЭИС осуществлялась в соответствии с методологией UP (Unified Process) и с применением языка UML (Unified Modeling Language). Для создания программного обеспечения

применялись методы объектно-ориентированного программирования на языке С++.

Научная новизна. В диссертационной работе впервые:

— разработана математическая модель накопителя электрической энергии в стандартной форме, представляющая собой совокупность М-элементов и учитывающая особенности совместной работы аккумуляторной батареи и АСЮС-преобразователя.

— дана постановка задачи оптимального управления режимами работы микросети с накопителем электрической энергии с целью минимизации затрат пользователя микросети на электрическую энергию;

— разработан алгоритм решения поставленной задачи в виде последовательного решения задач оптимизации графика потребления энергии нагрузками и оптимизации работы накопителя электрической энергии;

— разработана модификация метода роя частиц для решения отдельных подзадач рассматриваемой задачи.

Практическая ценность. Использование разработанного программного обеспечения для осуществления управления режимами работы микросети с накопителем электрической энергии позволяет значительно сократить расходы пользователя микросети на электрическую энергию, а также закладывает основы успешного внедрения и эффективного использования собственных источников генерации электрической энергии, включая альтернативные источники энергии. Кроме того, оптимизация работы энергоинформационных систем пользователей микросети позволит повысить эффективность функционирования микросети в целом.

Достоверность полученных результатов подтверждается строгостью математической постановки задачи исследования, корректным использованием математического аппарата, вычислительными экспериментами, а также тестированием разработанного программного обеспечения на физической модели микросети.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационной работы были применены в ЗАО «Конвертер» при разработке систем бесперебойного питания типа СБП, содержащих в своем составе AC/DC/AC преобразователь с аккумуляторной батареей (т.е. накопитель электрической энергии) и в АУ «Технопарк-Мордовия» для разработки интегрированной системы электроснабжения на основе промышленных накопителей электрической энергии с автоматическим управлением потоками мощности.

Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на XIV-XXI конференциях молодых ученых, аспирантов и студентов (Саранск, 2010-2017 гг.), на XL-XLVI научных конференциях «Огаревские чтения» (Саранск, 2011-2017 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 3 статьи в ведущих рецензируемых изданиях по перечню ВАК и 1 статья в зарубежном журнале, индексируемом в SCOPUS.

Личный вклад автора. Все работы по теме диссертации выполнены автором или при его непосредственном участии: постановка задачи, выбор и разработка метода решения, проведение вычислительных экспериментов, обработка и обобщение полученных результатов, формирование выводов и заключения.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, разбитых на разделы, заключения, списка литературы и трех приложений.

Во введении обосновывается актуальность темы, определяется цель проводимых исследований, формулируются практическая ценность, научная новизна и положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Накопители электрической энергии - ключевая составляющая интеллектуальных сетей» состоит из двух разделов и рассматривает основные аспекты развития интеллектуальной энергетики, а также особенности управления микросетями с накопителями электрической энергии.

Вторая глава «Математическое моделирование микросети с накопителями электрической энергии» состоит из двух разделов и посвящена моделированию микросети, включающей собственные источники энергии, с целью учета снижения качества энергии в микросети при формировании точного прогноза потребления электрической энергии.

Третья глава «Оптимизация режимов работы микросети с накопителями электрической энергии» состоит из пяти разделов и посвящена постановке и решению задачи оптимизации графика потребления электрической энергии нагрузками, постановке и решению задачи оптимизации работы накопителя электрической энергией, а также их экспериментальному исследованию.

Четвертая глава «Экспериментальная оценка модели оптимизации работы накопителя электрической энергии» состоит из трех разделов и посвящена экспериментальной оценке модели оптимизации работы накопителя электрической энергией на физическом макете базовой микросети.

Пятая глава «Исследование условий реализуемости микросетей с накопителями электрической энергии» состоит из трех разделов и посвящена выявлению базовых требований реализуемости микросетей с накопителями электрической энергии и рассмотрению этих требований в двух аспектах: наличие методологии построения и реализации сетевой архитектуры и наличие экономических условий реализации Системы.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Получена новая математическая модель накопителя электрической энергии в стандартной форме, представляющая собой совокупность М-элементов и учитывающая особенности совместной работы аккумуляторной батареи и AC/DC преобразователя.

2. Задачи оптимизации режимов работы микросети, оптимизации графика потребления энергии нагрузками и оптимизации работы накопителя поставлены как задачи нелинейного программирования, использующие в качестве

критерия оптимальности минимальные затраты пользователя на электрическую энергию.

3. Разработана модификация метода роя частиц, повышающая эффективность решения задачи оптимизации работы накопителя.

4. Выполнена проверка адекватности разработанных моделей и алгоритмов на основе данных вычислительных и физических экспериментов.

5. Выявлены функциональные и нефункциональные требования, предъявляемые при реализации микросетей с накопителями электрической энергии, и приведено рассмотрение этих требований в двух аспектах: наличие методологии построения и реализации сетевой архитектуры и выявление экономических условий реализации Системы.

Глава 1. НАКОПИТЕЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ - КЛЮЧЕВАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ СЕТЕЙ

1.1 Основные направления развития интеллектуальной энергетики

Умные сети электроснабжения (называемые также интеллектуальными сетями или с использованием англоязычного термина Smart Grid) представляют собой модернизированные распределительные электрические сети, применяющие для контроля и мониторинга процесса электропотребления комплексные средства, основанные на использовании различных коммуникационных и информационных сетей и технологий, что обеспечивает устойчивость энергопроизводства и распределения электрической энергии, а также повышает надёжность и эффективность энергоснабжения в целом [86].

SmartGrid является перспективным направлением развития единой энергосистемы, основанное, наряду с диспетчеризацией и развитием электросетевого комплекса, на возможности запасать электроэнергию, оптимизируя работу электросетей.

Система накопителей энергии

— создает запас энергии во время неполной загрузки энергосистемы с последующей ее отдачей в систему в моменты пикового потребления;

— уменьшает зависимость генерирующих мощностей от неравномерности потребления;

— улучшает качество производимой энергии для конечного потребителя.

Структурной составляющей системы накопления энергии является накопитель электрической энергии. Основные преимущества использования накопителей в энергосистеме заключаются в следующем:

— увеличение пропускной способности сети;

— повышение надежности энергосистемы;

— возможность регулирования частоты и повышение качества электроэнергии;

— высвобождение мощности генерирующего оборудования в регионах с дефицитом энергии;

— снижение операционных и эксплуатационных затрат генерирующего и сетевого оборудования;

— резервирование электрической энергии для потребителей, представляющих наибольшую важность, а также их поддержка при возникновении перебоев получения электрической энергии;

— возможность работы в условиях дифференцированной тарификации стоимости поставляемой электроэнергии, что позволяет осуществлять накопление энергии в период ее низкой стоимости и ее выдача в период высокой стоимости.

В настоящее время все большее количество стран использует внедрение умных сетей электроснабжения, а также создание распределенных энергосистем вместо классических централизованных систем электроснабжения.

Распределенная энергосистема представляет собой энергосистему, реализующую распределенное производство электрической энергии, которое основано на использовании концепции создания распределительных сетей, включающих большое количество потребителей электрической энергии, которые имеют собственные источники генерации электрической энергии, позволяющие им отдавать избыток электрической энергии в общую сеть электроснабжения.

Распределенные системы легко интегрируют в себя узлы производства, передачи и распределения. При создании интеллектуальных энергосистем необходимо решать задачи управления энергией, передачи данных и анализа информации. Для множества развитых стран (США, страны Европейского Союза, в особенности, Великобритания и Дания), распределенная генерация перешла из разряда новых явлений в число приоритетных направлений развития энергетики. Развитие распределенной энергетики в данных государствах во многом вытекает из наличия соответствующей нормативной и терминологической базы. Тенденции развития интеллектуальной энергетики также характерны и для России.

Министерство энергетики США считает, что сети типа Smart Grid обладают данными свойствами [84]:

— гарантия запрашиваемого качества предоставляемой электрической энергии;

— возможность самостоятельного восстановления в результате различных сбоев в поставке электрической энергии;

— защищенность сети от различных типов атак, как физического, так и кибернетического характера;

— регулирование функционирования сети, обеспечивающее синхронную работу источников генерации электрической энергии и узлов ее хранения;

— возможность потребителей самим участвовать в работе сети;

— повышение эффективности работы всей энергосистемы.

По мнению Европейской Комиссии, которая занимается основными вопросами развития технологической платформы в области энергетики, интеллектуальные сети обладают таким характеристиками, как [58]:

— гибкость (возможность изменения для соответствия текущим запросам пользователей данной сети);

— надёжность (гарантия защищённости и качества передачи электрической энергии).

— экономичность (возможность эффективного управления работой интеллектуальной сети для обеспечения экономической выгоды потребителей);

— доступность (возможность подключения всех потребителей электрической энергии к общей сети, предоставляющей возможность сбыта избытка электроэнергии от собственных источников генерации электрической энергии в нее).

Основными компонентами умных сетей являются [58], [63]:

— микросети;

— центральная сеть электроснабжения;

— серверы обработки данных.

Микросеть (англ. Smart Microgrid) - это автономная электрическая сеть, объединяющая несколько пользователей и источников электрической энергии. Поскольку микросетевые технологии ориентированы на использование местных возобновляемых источников, исчезает необходимость транспортировки энергии на большие расстояния, что значительно уменьшает ее потери. Кроме того, микросети способствуют повышению надежности энергоснабжения за счет оперативного переключения пользователей между общей энергосетью и местными источниками энергии. Появление микросетей не случайно совпало с началом широкого использования возобновляемых источников электроэнергии. Неравномерность генерации энергии от ветровых и солнечных электростанций требует постоянного перераспределения энергоресурсов внутри микросети и подпитку ее из внешней централизованной сети. В случае избытка энергии возможна ее передача во внешнюю (центральную) сеть [45], [93].

Центральная сеть электроснабжения (дистрибутивная сеть) представляет собой традиционную общую сеть электроснабжения, в которой основная часть электроэнергии производится централизованно на больших электростанциях, таких как ТЭЦ, АЭС и ГЭС.

Микросети могут работать как одновременно с присоединенной централизованной электросетью, так и в автономном режиме. Микросети, соединённые с централизованными электросетями, ощутимого влияния на их работу не оказывают, поскольку основная часть производимой электроэнергии потребляется на месте её производства, что исключает потери, связанные с транспортировкой электроэнергии на дальние расстояния [9292], [85]. Комбинирование различных типов энергоустановок существенно повышает надежность всей микросети [71], [81]. Множество взаимодействующих друг с другом микросетей, подключенных к центральным сетям электроснабжения образуют распределенную энергосистему. Под пользователем микросети будем понимать обладателя электрических нагрузок, накопителей электрической энергии и собственных устройств генерации электрической энергии, например, солнечных батарей или ветряных генераторов.

Для эффективной работы умной сети необходимо наличие сервера обработки данных (сервер Smart Grid) - кооперативного сервера для хранения, централизованной обработки и передачи информации всем микросетям данного региона [80], [82].

Эта информация содержит сведения о тарифах на электроэнергию, сводки прогноза погоды, статистические данные, позволяющие прогнозировать энергопотребление.

В упрощенном виде функционирование умной сети представлено на рисунке 1.1. Пунктирными стрелками обозначены информационные потоки, сплошными - энергетические потоки.

Интернет

У! ^^ >

чч Сервер обработки

чч данных

(сервер Smart Grid)

МИКРОСЕТЬ

МИКРОСЕТЬ

МИКРОСЕТЬ

Центральная сеть электроснабжения

Рисунок 1.1 - Процессы взаимодействия в умной энергетической сети

В августе 2013 года консалтинговая компания MarketsandMarkets опубликовала отчет, содержащий прогноз среднегодовых темпов роста на рынке микросетей в период с 2012 по 2020 год. На основании данного отчета ожидается 17% среднегодовой темп увеличения. В соответствии с этими данными можно сделать вывод о том, что к 2022 году объем рынка увеличится до 27 млрд. долларов, а общая мощность микросетей превысит 15 ГВт [66].

Микросеть, обеспечивающая электроснабжение конкретного района, выступает в роли энергетического прототипа зоны покрытия Wi-Fi. Таким обра-

зом, несколько соединенных между собой микросетей могут обеспечивать электрической энергией несколько таких «зон покрытия». Если же одна из микросетей отключится, то пользователи данной микросети сразу же начнут потребление электрической энергии через другие микросети, подсоединенные к тому же кластеру. Таким образом, прослеживается аналогия с Интернет-соединением, когда при выходе из строя одного сетевого узла в Интернете трафик немедленно переключается на другие узлы [65], [75]. Поэтому благодаря данному свойству микросетей, повышается надежность своевременного получения энергии и всей сети целиком. На основе вышесказанного можно сделать вывод, что Smart Microgrid представляют собой энергетический вариант сетей Интернет-эпохи.

По мнению Пола Сентолелла, имеющего более чем 35-летний опыт в области экономики, права и регулирования энергетики и возглавляющего в настоящее время подкомитет Smart Grid в консультативном комитете по электроэнергии США, можнно выделить три типа энергетических микросетей:

1. Сеть первого типа обеспечивает электрической энергией только одно здание, предоставляя ему независимость от центральной сети электроснабжения.

2. Второй тип микросетей - кампусные сети является наиболее популярным. В данном случае микросеть снабжает электрической энергией целый комплекс зданий на определенной территории (например, университетский городок, оптовый склад, промышленное предприятие и т.д.). Таким образом, на компактной территории (кампусе) создается собственная сеть распределения и собственный источник генерации электрической энергии. Также как и сеть первого тип, кампусная сеть способна работать независимо от центральной сети электроснабжения [56].

3. Третий тип микросетей реализуется с использованием методики Интернета, применяя топологию распределительной сети. Данная сеть может выступать в виде совокупности соединенных между собой микросетей, которые

не зависят от центральной сети электроснабжения и обращаются к ней только в экстренных случаях для получения необходимой энергии.

Следовательно, в будущем энергетическая распределительная сеть можно будет рассматривать как прообраз сотовой системы связи, в которой оператор сможет настраивать и интегрировать ее по собственному усмотрению. В частности, он будет создавать и осуществлять доставку текущих предложений на электрическую энергии ее производителям и потребителям для повышения эффективности эксплуатации и надежности сети распределения [49].

В настоящее время различные компании в качестве областей развертывания микросетей используют не только развитые страны, но и развивающиеся. Так, Терри Мон (основатель компании General MicroGrids, США) утверждает, что основную прибыль его компании приносит обеспечение снабжения электрической энергией отдельных районов Кении [52] и Индии [74]. Компания работает со странами, обладающими неразвитой распределительной сетью электроэнергии, и обеспечивает им снабжение электрической энергией, используемой, главным образом, для очистки воды. В зависимости от конкретных условий данных районов, в качестве источника электрической энергии для микросетей выступают аккумуляторные или солнечные батареи. Компания не занимается строительством длинных линий электропередач, а передает энергию через распределенные системы микросетей [84] для организации специальных потоков электрической энергии, способной передаваться в двух направлениях. Если в одной микросети, входящей в состав общей распределительной системы, появляются излишки электроэнергии, то она начинает передаваться в общую сеть, откуда перераспределяется в другие микросети, где данная электрическая энергии требуется [91]. В целом, микросети, развернутые компанией, помогают повышать урожайность в данных местах, но не используются для развития сетевых соединений [7373].

В 2014-2015 годах Министерство энергетики США выделило более 8 миллионов долларов на разработку и реализацию проекты в области микросетей. В каждый из семи запланированных проектов Министерство энергетики

США инвестирует приблизительно по 1,2 миллионов долларов. Вклад компаний в финансирование составит до 50% стоимости проекта [89], [84].

Компания Alstom Grid (США) занимается проектированием и обустройством комплекса микросетей в г. Филадельфия для Корпорации развития промышленности (Philadelphia Industrial Development Corporation) и Департамента водного хозяйства (Philadelphia Water Department), используя в качестве испытательной площадки участки бывшей военно-морской верфи. Компания Burr Energy (США) должна спроектировать и построить две микросети повышенной надежности в штате Мэриленд.

Усилия чикагской компании Commonwealth Edison будут направлены на создание мощного контроллера коммерческого класса, способного управлять системой из двух или более взаимосвязанных микросетей, включающих в себя такие объекты, как полиция, пожарная служба, транспортная инфраструктура, больницы и т.д.

Научно-исследовательский институт электроэнергетики США продолжит работу над microgrid-контроллером, который позволит обеспечить бесперебойное электроснабжение особо ответственных потребителей. Компания General Electric разрабатывает улучшенную систему управления микросетью с расширенными возможностями, такими как частотное регулирование и др. Компания TDX Power (штат Аляска, США) занимается проектированием и строительство системы управления микросетью острова Saint Paul в Беринговом море. Сеть содержит ветряные и дизельные установки, работающие в режиме когенерации, а также накопитель на базе маховика. В рамках проекта Advanced Power & Energy Program Калифорнийского университета (Irvine) предстоит создать и опробовать универсальный контроллер для управления различными микросетями [55], [48], [84].

В качестве одного из первых крупных заказчиков создания интеллектуальных распределительных сетей можно назвать муниципальные образования штата Коннектикут. Этот факт объясняется тем, что в данном штате зачастую возникают ураганы, повреждающие центральную сеть электроснабжения, и

микросети могли бы способствовать решению вопроса нехватки электрической энергии в экстренных условиях. Так, на территории штата строятся микросети в нескольких муниципальных образованиях. Микросети хорошо масштабируются, однако многие города характеризуются плотной застройкой зданий различного назначения [76]. В данном случае микросети способны обеспечивать подачу электрической энергии наиболее социально значимым объектам [72].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Буткина Анна Александровна, 2018 год

источников

ПА3 Пользователь/ Предоставление Система должна предоставлять

Администратор отчетов о работе пользователю набор отчетов о

сети системы работе Системы

А1 Администратор сети Предоставление информации о Система должна предоставлять пользователю информацию о

состоянии Системы состоянии системы

1. П1. Формирование запросов на предоставление энергопакетов

Основное действующее лицо: Пользователь

Краткое описание:

Система предоставляет пользователю возможность формировать запросы на предоставление энергопакетов и отправлять их серверу микросети

Основной поток событий:

1. Вызвав соответствующий пункт меню Пользователь сообщает Системе о желании прислать запрос на предоставление энергопакетов.

2. Система предоставляет пользователю форму для заполнения необходимых данных.

3. Пользователь заполняет форму и отправляет запрос на сервер микросети.

4. Система подтверждает успешную отправку запроса.

Альтернативные потоки:

4Б. Ошибка отправки запроса

1. Система обнаруживает, что форма запроса заполнена неккоректно.

2. Система выдает сообщение об ошибке.

2. П2. Оценка запросов и адаптация предложений к ним

Основное действующее лицо: Пользователь

Краткое описание:

Система производит оценку запросов на предоставление энергопакетов по дифференцированным тарифам, а также производит адаптацию предложений к этим запросам.

Основной поток событий:

1. В Систему поступает запрос на предоставление энергии.

2. Система производит оценку запросов на предоставление энергопакетов по дифференцированным тарифам.

3. Система считывает параметры источников энергии.

4. Система формирует оптимальный энергопакет.

5. Система предоставляет пользователю информацию об энергопакете.

6. Система выполняет команду на подключение указанных в энергопакете источников энергии.

3. П3. Передача команд управления

Основное действующее лицо: Пользователь

Краткое описание:

Посредством веб-интерфейса пользователь имеет возможность управления работой накопителя электрической энергии и подключенных к нему потребителей.

Основной поток событий:

1. Система предоставляет пользователю веб-интерфейс для управления режимами работы накопителя.

2. Пользователь вводит необходимые команды и отправляет их Системе.

3. Система обрабатывает команды и включает необходимый режим работы накопителя.

1.4.1.1 ПА1. Регистрация и авторизация

Основное действующее лицо: Пользователь/Администратор

Краткое описание:

Указанный вариант предоставляет пользователю возможность регистрироваться и авторизоваться в Системе при ее запуске.

Основной поток событий:

1. Пользователь осуществляет запуск Системы.

2. Система требует ввода логина и пароля для аутентификации пользователя.

3. Пользователь проходит идентификацию - заполнение запрашиваемой Системой формы (логин, пароль).

4. Система аутентифицирует пользователя, определяет его тип (Пользователь/Администратор) и предоставляет пользователю доступ только к тем функциям, которые соответствуют его типу.

Альтернативные потоки:

4А. Ошибка аутентификации

1. Система обнаруживает, что набор введенных пользователем данных (логин, пароль) не существует в базе данных Системы.

2. Система генерирует сообщение об ошибке и предоставляет пользователю возможность заново заполнить запрашиваемую Системой форму (логин, пароль) или провести регистрацию в Системе.

3. Пользователь осуществляет свой выбор (регистрация/авторизация) и отправляет его Системе.

4. На основании информации, полученной от пользователя, выполнение переходит на шаг 2 основного потока или проводится процедура регистрации нового пользователя Системы.

5. ПА2. Предоставление информации о состоянии накопителя и собственных источников.

Основное действующее лицо: Пользователь/Администратор сети

Краткое описание:

Посредством веб-интерфейса Система предоставляет доступ к информации о состоянии накопителя и собственных источников.

Основной поток событий:

1.Выбрав соответствующий пункт меню, пользователь уведомляет Систему о желании получить информацию о состоянии подключенных накопителей и собственных источников.

2. Система считывает параметры накопителя и собственных источников (например, количество накопленной накопителем электроэнергии, его потребляемую активную мощность, количество энергии, вырабатываемое собственными источниками и т.д.).

3. Система обращается к базе данных и выполняет выборку необходимой информации.

4. Система выводит информацию на экран пользователя.

6. ПА3. Предоставление отчетов о работе системы

Основное действующее лицо: Пользователь/Администратор сети

Краткое описание:

Система предоставляет набор отчетов для определения характера распределения пакетов и сбора статистики.

Основной поток событий:

1.Выбрав соответствующий пункт меню, пользователь уведомляет Систему о желании получить отчет о работе Системы.

2. Система обращается к базе данных, выполняет выборку необходимой информации.

3. Система генерирует отчет о работе в форме, заранее выбранной пользователем.

4. Система выводит отчет на экран пользователя.

7. А1. Предоставление информации о состоянии Системы

Основное действующее лицо: Администратор сети

Краткое описание:

Система обеспечивает хранение и предоставление информации о состоянии сети.

Основной поток событий:

1.Выбрав соответствующий пункт меню, Администратор уведомляет Систему о желании получить информацию о состоянии Системы.

2. Система обращается к базе данных, выполняет выборку необходимой информации.

3. Система выводит информацию на экран пользователя.

5.2.2 Логическая модель

Включает описание и диаграммы наиболее важных модулей системы, описания значимых классов, диаграммы последовательностей выполнения типовых задач и процессов приложения.

Диаграмма классов Системы представлена на рисунке 5.3, описание основных классов приведено в таблице 5.4.

Рисунок 5.3 - Диаграмма классов

Таблица 5.4 - Основные классы Системы

Название Описание

1 2

Пользователь Содержит атрибуты, характеризующие пользователя, позволяет подавать запросы на предоставление энергопакетов, просматривать полученную информацию и отчеты

Администратор сети Содержит атрибуты, характеризующие администратора, позволяет просматривать всю необходимую информацию и отчеты.

Запрос на предоставление энергопакетов Содержит атрибуты, характеризующие запросы на предоставление энергопакетов

Предложение по предоставлению энергопакетов Содержит атрибуты, характеризующие предложения по предоставлению энергопакетов

1 2

Управляющие команды Содержит атрибуты, характеризующие команды для управления устройствами сети

Информация о состоянии Системы Содержит атрибуты, характеризующие состояние Системы

Информация о состоянии накопителей и собственных источников Содержит атрибуты, характеризующие состояние накопителей и собственных источников энергии

Отчет Содержит атрибуты, описывающие отчет, позволяет пользователям проводить работу с отчетами

5.2.3 Модель размещения

В данной модели определяются варианты физического размещения элементов системы.

Рисунок 5.4 - Диаграмма развертывания Системы Элементы системы:

1. ПК - тонкий клиент, для интерфейсов пользователей Internet Explorer 5.5 и выше. Необходим для отображения Web-интерфейса полюзователя.

2. Web Server - это приложение Active Server Pages (ASP.NET),

размещенное на на веб-сервере Microsoft Internet Information Server (IIS) версии 5.0 и выше. Предоставляет пользователю Web-интерфейс.

3. Application Server - сервер COM+ версии 1.0 и выше (Windows 2000 Server, Windows 2003 Server ). Предназначен для эффективного исполнения процедур и функций системы.

Требуемые технические характеристики, предъявляемые к серверу микросети, представлены в таблице 5.1.

4. Устройство на базе микроконтроллера - электронное устройство со встроенным программным обеспечением, подключенное к накопителю электрической энергии. Управляя IGBT силовыми транзисторами накопителя, осуществляет выбор источника электрической энергии. Обеспечивает управление коммутационной аппаратурой, подключающей нагрузки к накопителям.

Требуемые технические характеристики, предъявляемые к серверу системы «Умный дом», представлены в таблице 5.2.

5. Накопитель электрической энергии - интеллектуальный AC/DC/AC преобразователь с аккумуляторной батареей.

5.2.4 Модель реализации

В данной модели определяется возможность разделения Системы на отдельные компоненты, независимые задачи, подпрограммы, информационные и управляющие потоки и связи между элементами системы.

Для представления модели реализации используется диаграмма компонентов, представленная на рисунке 5.5.

Рисунок 5.5 - Диаграмма компонентов

Архитектура программного обеспечения Системы делится на три уровня:

— уровень представления информации;

— уровень логики;

— уровень данных.

На уровне представления информации осуществляется взаимодействие системы с пользователем. Через интерфейс пользователя производится ввод данных в систему и вывод запрашиваемой пользователем информации.

Все вычисления системы производятся на уровне логики. Здесь обрабатываются команды и запросы, принимаемые от пользователя, формируются отчёты, осуществляется управление распределением энергии. Уровень логики состоит из нескольких модулей:

— модуль управления работой потребителей и накопителя электрической энергии находится на сервере системы «Умный дом», обеспечивает управление коммутационной аппаратурой, подключающей нагрузки к потребителям, получая от сервера микросети команды и передавая их накопителю электрической энергии, управляет работой потребителей.

— модуль прогнозирования потребления электроэнергии находится на сервере системы «Умный дом», предоставляет график потребления электрической энергии на основе решения задачи оптимизации графика потребления электрической энергии нагрузками и имеющихся статистических данных о средних значениях почасового электропотребления или предоставляет возможность пользователю Системы вручную определять график потребления электрической энергии на предстоящие сутки.

— модуль контроля состояния энергетической системы находится на сервере системы «Умный дом», контролирует физические параметры состояния накопителя и всей Системы в целом, а также производит их передачу на сервер микросети для хранения в БД.

— модуль управления командами находится на сервере микросети, получает от пользователя команды или формирует их автоматически и отправляет их на сервер системы «Умный дом»;

— модуль управления запросами и предложениями располагается на сервере микросети, производит оценку запросов на предоставление энергопакетов по дифференцированным тарифам и адаптацию предложений к этим запросам;

— модуль экспорта располагается на сервере микросети, реализует процедуру конвертирования данных системы в форматы MS Office;

— модуль управления доступом располагается на сервере микросети, предоставляет возможность создания групп пользователей и обеспечивает разделение прав доступа к различным функциям и данным Системы каждому пользователю и их группам;

Уровень данных содержит базу данных, в которой находятся все данные о пользователях, тарифах и других данных, получаемых от пользователя или вводимых администратором сети.

Рассмотрим более подробно реализацию одного из основных модулей Системы — модуля управления запросами и предложениями, и пример его работы для типовых значений, заданных пользователем.

В качестве исходных данных для формирования предложения по предоставлению энергопакета используются:

— планируемый график потребления энергии, который передается в качестве запроса пользователя, в кВт;

— график стоимости электроэнергии, получаемой от каждого источника,

в д.е.;

— график допустимой мощности энергии от каждого источника в кВт-ч;

— параметры накопителя электрической энергии в кВт-ч (начальное количество энергии в начальный момент времени, максимальная емкость, максимальное количество электрической энергии, которое может быть накоплено за период фиксированной величины тарифа).

Продемонстрируем работу данного модуля при решении конкретной задачи формирования предложения по предоставлению энергопакета. В рассматриваемом случае будем учитывать, что пользователь имеет следующие способы получения необходимого количества электрической энергии для обеспечения свои нужд:

— питание от центральной сети электроснабжения, в которой реализуется принцип дифференцированной тарификации;

— покупка необходимого количества электроэнергии у других пользователей микросети (т.е. получение электроэнергии из локальной сети);

— использование электроэнергии, производимой собственными устройствами генерации электрической энергии (дизель-генератором и альтернативными источниками, в качестве которых выступают солнечные панели);

— использование электроэнергии, запасенной в собственном накопителе.

Сначала модуль, исходя из заданных параметров, генерирует оптимальный план получения электрической энергии из разных источников в табличной форме, где каждая строка соответствует одному периоду фиксированной величины тарифа (одному часу), столбец определяет используемый при этом источ-

ник электроэнергии, а значение ячеек соответствует количеству энергии в кВт (рис. 5.6).

Предложение ПО'предоставлению энергопакетов — □ X

File Calculate Show

■ Источ н ики электрвэ и ергтш П отребтепи эпектрсэ нергии

Час Центральная сеть Локальная сеть Солнечные панели Дизельгенератор Накопитель График потребления энергии нагрузками Накопитель Стоимость

1 3 2 0 0 0 3 2 7,23

2 3 2 0 0 0 3 2 7,23

3 3 2 0 0 0 3 2 7,23

4 3 2 0 0 0 3 2 7,23

5 3 2 0 0 0 3 2 12.93

в 3 2 0 0 0 10 0 31,23

7 3.75 2 0.25 0 0 6 0 1Э.73

3 2.5 2 0.5 0 0 3 2 15.15

Э 2.4 2 0.6 0 0 3 2 14.73

10 17,2 2 0.3 0 4 24 0 63.95

11 6.2 2 1 0 0 9 0.2 23.69

12 1.3 2 1.2 0 0 3 2 12.59

13 4.3 2 1.2 0 0 6 2 23.57

14 15,1 2 1.2 0 14.2 32,5 0 G1.27

15 3 2 1 0 0 11 0 35.23

1G 5.2 2 0.3 0 0 S 2 25.03

17 4,5 2 0,5 0 0 5 2 22,47

13 3.2 2 0.3 0 0 5.5 0 17.71

13 1,35 2 0,15 0 4 7,5 0 10,94

20 3 2 0 0 0 10 0 1S.03

21 3 2 0 0 0 10 0 1S.03

22 5.5 2 0 0 0 7.5 0 11.63

23 4 2 0 0 0 6 0 9.D4

24 1 2 0 0 0 3 0 3,76

Рисунок 5.6 - Почасовой план потребления энергии из разных источников

Следует заметить, что накопитель электрической энергии фигурирует в данном плане в двух ролях: источника электрической энергии и ее потребителя. В первом случае значения соответствуют количеству энергии, которое отдает накопитель в режиме выдачи энергии для питания нагрузок пользователя. Во втором случае значения показывают, какое количество энергии накопитель потребляет в режиме накопления энергии, чтобы создать ее запасы для использования в момент, когда цены на электроэнергию достигают пиковых значений. Также отметим тот факт, что дизель-генератор не используется для получения энергии, что вызвано ее высокой стоимостью, однако, он может быть в дальней-

шем использован в качестве источника аварийного питания, когда питание от центральной сети будет недоступно.

Также данный модуль предоставляет возможность построения следующих видов графиков:

— график потребления энергии только от центральной сети электроснабжения (рис. 5.7);

— график потребления энергии от нескольких источников без учета возможности создания запасов энергии в собственном накопителе электрической энергии (рис. 5.7);

— график потребления энергии с использованием энергопакета (рис. 5.8);

— график работы накопителя электрической энергии (рис. 5.8).

Рисунок 5.7 - Графики потребления электрической энергии только от центральной сети и от нескольких источников (без использования накопителя)

Рисунок 5.8 - График работы накопителя электрической энергии и график потребления энергии с использованием энергопакета

Для каждого типа графика потребления энергии производится расчет стоимости необходимого пользователю количества электроэнергии, а также подсчи-тывается выгода при использовании полного энергопакета (рис. 5.8) и при питании от нескольких источников без учета накопителя (рис. 5.7).

Выгода от использования полного энергопакета (с возможностью создания запасов энергии в собственном накопителе для дальнейшего применения его в качестве источника энергии) на 20% больше выгоды, получаемой при использовании энергии только от центральной сети, локальной сети и собственных источников генерации энергии.

5.3 Анализ экономических аспектов реализуемости Системы

Анализ требований с точки зрения экономической реализуемости Системы совершенно необходим при её развёртывании в сетях общего и промыш-

ленного назначения. Оценим условия реализуемости экономических требований при практическом использовании Системы. В целом, несмотря на то, что альтернативные источники в России становятся все более популярными, их применение в частном секторе сдерживается отсутствием нормативной и технической базы для их подключения к центральным сетям электроснабжения. В настоящее время договор присоединения к электрическим сетям не предусматривает возможности передачи сгенерированной электрической энергии в сеть для частного лица, а лишь разрешает ее потребление для собственных нужд.

Эта ситуация может значительно улучшится, благодаря совершенствованию нормативной правовой базы РФ в целях устранения барьеров для использования передовых технологических решений и созданию системы стимулов для их внедрения, которые запланировано завершить в соответствии с дорожной картой «Энерджинет» к 2020 году [27]. Рассмотрим механизмы, которые используются для стимулирования применения альтернативных источников электрической энергии в странах, где наблюдается развитие альтернативной энергетики. К числу основных таких мер и механизмов можно отнести:

— обязательное подключение солнечных и ветровых электростанций к сетям (т.е. сети обязаны принимать от таких электростанций энергию);

— компенсация стоимости технологического подсоединения — сети или подключают бесплатно, или стоимость этого подключения компенсируется из специальных фондов поддержки;

— специальные повышенные тарифы на закупку электроэнергии, полученной от солнечных панелей и ветровых генераторов. Особенную популярность данный механизм приобрел в Европе, так как показал наибольшую эффективность по привлечению населения к использованию энергии от альтернативных источников.

Приведем краткий анализ на примере внедрения Системы в Германии. В качестве исходных данных будем использовать общедоступную статистику:

— среднее потребление электрической энергии домохозяйством в сутки составляет 30 кВт-ч.

— количество стабильно солнечных месяцев, с продолжительным световым днем - 6.

— средний объем продажи электрической энергии домохозяйством в сутки равен 6 кВт-ч.

— тариф на электрическую энергию для среднестатистической семьи составляет в Германии от 0,3$ за кВт-ч и более.

Следовательно, затраты домохозяйства на электрическую энергию в год без установки Системы будут составлять 30 кВт-ч х 365 х 0,3$ = 3285$.

Расчет основных денежных затрат, необходимых для внедрении Системы, включает следующие компоненты:

1. Солнечные панели. В среднем стоимость одной панели составляет 320$ при заказе от производителя (SolarWorld, Германия). В среднем в течение летнего дня 1 панель будет выдавать 3 кВт-ч. Для обеспечения среднего потребления в сутки 30 кВт-ч необходимо 10 панелей. Для обеспечения среднего объема продажи в сутки 5 кВт-ч необходимо 2 панели. Таким образом, затраты на приобретение составят: 320$х12=3840$.

2. Необходимые крепежные элементы. Для установки солнечных панелей на жестяную крышу обычно применяются направляющие рельсы и конструктор, изготовленные из алюминиевого сплава, и болты из нержавеющей стали. В среднем необходимо 3 метра рельсов, 10 болтов с прокладкой и 4 болта с полубочонком для закрепления одной солнечной панели. Таким образом, суммарные затраты крепеж составят 50$х12=600$.

3. Кабель. Средняя цена кабельной бухты (100 м) составляет около 500$. Рассмотрим ситуацию, когда солнечные панели находятся на оптимальном расстоянии от AC/DC/AC преобразователя. Тогда понадобится около 50 м кабеля, и общие затраты будут составлять 250$.

4. Интеллектуальный AC/DC/AC преобразователь с программным обеспечением серверов будет стоить 5000$.

5. Оплата труда проектировщика, инженера и монтажников составляет

Следовательно, общая стоимость по внедрению будет составлять 10040$.

Произведем расчет экономии домохозяйства от внедрения Системы:

1. Затраты домохозяйства на электроэнергию в год при наличии Системы без дополнительных функций: 30 кВт-ч х 183 х 0,3$ = 1647$.

2. Годовой доход домохозяйства от реализации функции продажи электроэнергии (с учетом компенсации технологического подсоединения, специальных повышенных закупочных тарифов на электроэнергию от альтернативных источников энергии) составит 6 кВт-ч х 183 х 0,5$ = 549$.

3. Годовой доход домохозяйства от реализации функции покупки электроэнергии по выгодному тарифу при часовой тарификации, равному 10% от затрат: 1647$х0,1=165$.

4. Годовой доход домохозяйства от реализации, запасенных в накопителе излишков электроэнергии, купленной у централизованного поставщика и участников микросети по выгодному тарифу, равному 10 % от затрат: 1647$х0,1=165$.

Следовательно, общий доход от функции «купля-продажа» составит 549$+165$+165$=879$, а затраты домохозяйства на электроэнергию в год при наличии Системы с дополнительными функциями будут равны: 1647$- 879$= =768$. Таким образом, годовая экономия домохозяйства от внедрения Системы составит: 3285$-768$=2517$. Срок окупаемости затрат домохозяйства: 10040$/2517$«4 года.

141

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. На основе анализа микросетей, включающих накопитель электрической энергии и собственные источники энергии, теоретически обоснован выбор М-элементной концепции моделирования автономных систем электроснабжения для вычисления коэффициента мощности в узле подключения накопителя.

2. Разработана математическая модель накопителя электрической энергии в стандартной форме, представляющая собой совокупность М-элементов и учитывающая особенности совместной работы аккумуляторной батареи и АСЮС-преобразователя.

3. На основе физического эксперимента подтверждена достоверность результатов, получаемых с помощью разработанной модели накопителя электрической энергии.

4. Теоретически обоснована необходимость представления задачи оптимизации режимов работы микросети с накопителем электрической энергии по критерию затрат пользователя микросети на электрическую энергию в виде совокупности задач оптимизации графика потребления электрической энергии и оптимизации работы накопителя электрической энергии.

5. Поставлена и решена задача оптимизации графика потребления электрической энергии по критерию затрат пользователя микросети на электрическую энергию.

6. С помощью вычислительного эксперимента подтверждена эффективность разработанного алгоритма формирования оптимального графика потребления электрической энергии.

7. Поставлена и решена задача оптимизации работы накопителя электрической энергии.

8. С помощью вычислительного и физического экспериментов подтверждена эффективность разработанного алгоритма оптимизации работы накопителя электрической энергии.

9. Разработана спецификация требований к микросети с накопителями электрической энергии, в которой были выявлены и проанализированы функциональные и нефункциональные требования к ней;

10. Разработана архитектура программного обеспечения энергоинформационной системы пользователя микросети;

11. Разработано исследовательское программное обеспечение для решения задач моделирования микросети и оптимизации ее режимов работы, а также модуль для формирования предложения по предоставлению энергопакетов.

По результатам диссертационной работы можно сделать следующие основные выводы:

1. Разработанные математические модели и алгоритмы оптимизации режимов работы микросети закладывают теоретические основы в области разработки и реализации более сложных систем, построенных по принципу «энергетического Интернета», то есть многопользовательских сетевых структур, обеспечивающих коллективную генерацию и потребление электрической энергии. В частности, они могут использоваться для создания систем купли-продажи электрической энергии владельцами частных домов, объединенных в микросеть; для создания программного обеспечения, организующего взаимодействие серверов системы «Умный дом» и серверов микросети; для создания микросетей в рамках крупных промышленных предприятий, обладающих цеховыми накопителями, в которых можно концентрировать электрическую энергию для ее последующего использования в аварийных ситуациях.

2. Разработанная модель оптимизации режимов работы микросети с накопителями электрической энергии позволяет существенно снизить расходы пользователя микросети на электрическую энергию.

3. Предложенная модификация метода роя частиц позволяет эффективно решать задачу оптимизации работы накопителя электрической энергии. Для достижения максимальной эффективности и быстродействия данной модели

количество временных интервалов, на которые разбивается период планирования, должно быть не более 8, а количество частиц в рое должно быть равно 100.

4. Решение задачи оптимизации работы накопителя и источников электрической энергии в микросети с собственными источниками требует выполнения расчета зависимостей мгновенных значений токов и напряжений в узлах микросети на основе её полной математической модели. Это необходимо для нахождения корректирующего коэффициента целевой функции, позволяющего оценить насколько снижение качества электрической энергии влияет на формирование точного прогноза её потребления.

5. Границы реализуемость систем электроснабжения с накопителями электрической энергии могут быть определены при многоаспектном подходе к анализу требований. Современное инструментальное обеспечение процессов параметрического, структурного и архитектурного проектирования систем электроснабжения с накопителями электрической энергии вполне достаточно для управления требованиями в процессе их реализации. При этом условием реализуемости систем электроснабжения с накопителями электрической энергии являются компенсация стоимости технологического подсоединения и специальные повышенные закупочные тарифы на электрическую энергию от солнечных панелей и ветровых генераторов.

144

ЛИТЕРАТУРА

1. Антонов А. В. Модель параллельной программы / А. В. Антонов, Б. Д. Шашков // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. № 2, технические науки, 2004.- С. 87-95.

2. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Ежков В.В. и др. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 504 с.

3. Базара М., Шетти К. Нелинейное программирование. Теория и алгоритмы. - М: Мир, 1982.

4. Белов В.Ф. Автоматизация проектирования электромагнитной совместимости автономных преобразовательных систем. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 1993. - 342 с.

5. Белов В.Ф. Математическое моделирование технических устройств в САПР. - Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 1987. - 36 с.

6. Белов В.Ф., Буткина А.А., Шамаев А.В., Математическое моделирование систем преобразования электрической энергии для микросетей // Автоматизация процессов управления. Ульяновск: Издательство: Научно-производственное объединение Марс. ISSN: 1991-2927. - 2014. - №2 (36). -С. 43-51

7. Белов В.Ф., Метод покрытия графа эквивалентной схемы преобразовательной системы совокупностью М-элементов / Белов В.Ф., Буткина А.А., Шамаев А.В. // XLI Огаревские чтения: материалы науч. конф.: в 3 ч. Ч 2: Естественные науки. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2013. -c. 237-243.

8. Белов В.Ф. Тестирование математических моделей активных электрических фильтров автономных электроэнергетических систем / В.Ф. Белов, Н.Н. Пальдяев // Вестник Ивановского государственного энергетического университета - 2008. - Вып. 2 - С. 65-71.

9. Белов В.Ф., Буткина А.А., Занкин А.И. Исследование условий реализуемости системы электроснабжения с накопителями электрической энергии // Фундаментальные исследования. - 2017. - № 9-1. - С. 19-24.

10. Белов В.Ф., Буткина А.А., Шамаев А.В. Модификация метода роя частиц для решения задачи оптимального управления накопителем электрической энергии в микросети. ХЦУОгаревские чтения: материалы науч. конф.: в 3 ч. Ч 2: Естественные науки. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2017. -С. 103-109.

11. Бочаров Н. В. Технологии и техника параллельного программирования Казань: Институт механики и машиностроения Казанского научного центра Российской Академии наук, 2003. - 340 с.

12. Вандевурд Д., Джосаттис Н. Шаблоны C++: справочник разработчика

- М: Вильямс, 2016. - 544 с.

13. Горев А.А. Переходные процессы синхронной машины. - Л.: Наука, 1985. - 502 с.

14. ГОСТ 30804.3.2-2013. Совместимость технических средств электромагнитная. Эмиссия гармонических составляющих тока техническими средствами с потребляемым током не более 16 А (в одной фазе). Нормы и методы испытаний - Москва: Стандартинформ, 2014. - 32 с.

15. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Москва: Стандартинформ, 2014. - 20 с.

16. ГОСТ Р 50628-2000. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость машин электронных вычислительных персональных к электромагнитным помехам. Требования и методы испытаний.

- Москва: Издательство стандартов, 2001. - 11 с.

17. Гропп У, Ласк Ю., Скъеллум Э., Использование MPI - изд. MIT Press 1994. - 105 с.

18. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть - новое качество ЕЭС России, Энергоэксперт, № 4 (15), 2009.

19. Завалишин В.В. Улучшение эксплуатационных характеристик дизельной электростанции при работе на изменяющуюся нагрузку: Автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.09.03. - Саратов, 2010. - 19 с.

20. Карманов В. Г. Математическое программирование. - М.: Наука, 1986. - 288 с.

21. Кнут Д. Искусство программирования для ЭВМ, т.1. - М: Мир, 1977. -

734 с.

22. Лаборатория Параллельных информационных технологий НИВЦ МГУ, Что такое OpenMP, [Электронный ресурс], Режим доступа: https://parallel.ru/tech/tech_dev/openmp.html (дата обращения: 08.02.16)

23. Ледин C.C. Интеллектуальные сети Smart Grid — будущее российской энергетики, Автоматизация и IT в энегретике, №11(16), 2010.

Ли Д., Среда выполнения задач «разветвление-объединение» [Электронный ресурс], Режим доступа: http://gee.oswego.edu/dl/classes/EDU/oswego/cs/dl/util/ concurrent/FJTask.html (дата обращения: 27.04.16)

24. Мейерс С. Эффективный и современный С++: 42 рекомендации по использованию C++ - М : Вильямс, 2016. - 306 с.

25. Мэттсон Т., Беверли Э. Сэндерс, Берна Л. Мессингилл, Шаблоны для параллельного программирования - изд. Addison Wesley 2005. - 296 с.

26. ПЛАН мероприятий («дорожная карта») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.nti2035.ru/markets/docs/DK_energynet.pdf (дата обращения: 07.05.2017).

27. Подбельский В.В. Язык С++. - М.: Финансы и статистика, 1996. -

560 с.

28. Поляк Б. Т. Введение в оптимизацию. - М.: Наука, 1983. - 384 с.

29. Прат С. Язык программирования C++. Лекции и упражнения - М: Вильямс, 2012. - 1248 с.

30. Прикладной программный интерфейс OpenMP, версия 2.5, [Электронный ресурс]. Режим доступа: www.openmp.org (дата обращения: 17.05.16)

31. Распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009 N 1715-р «Об Энергетической стратегии России на период до 2030 года» // СПС КонсультантПлюс.

32. Расчет резервных источников электроснабжения по стоимости производимой единицы мощности электрической энергии [Электронный ресурс] - Электрон. текстовые дан. - Южно-Сахалинск, 2015 - Режим доступа: http://dmdizel.ru/stati, свободный. (дата обращения: 08.10.16)

33. Саттер Г. Новые сложные задачи на C++ - М: Вильямс, 2015. - 272 с.

34. Саттер Г. Решение сложных задач на C++ - М: Вильямс, 2015. - 400 с.

35. Саттер Г. Стандарты программирования на С++ - М: Вильямс, 2008,

224 с.

36. Саттер Г., Александреску А. Современное проектирование на С++.Обобщенное программирование и прикладные шаблоны проектирования -М: Вильямс, 2015. - 336 с.

37. Сикорд Р. Безопасное программирование на C и C++, 2-е издание - М: Вильямс, 2015. - 496 с.

38. Страуструп Б. ПРОГРАММИРОВАНИЕ: принципы и практика использования C++, 2-е издание - М: Вильямс, 2016. - 1328 с.

39. Физерс М. Эффективная работа с унаследованным кодом - М: Вильямс, 2016. - 400 с.

40. Фицджеральд М. Регулярные выражения. Основы - М: Вильямс, 2015. - 144 с.

41. Чернышов А., Введение в технологии параллельного программирования, [Электронный ресурс] / Intel Developer Zone, Режим доступа: https://software.intel.com/ru-ru/articles/writing-parallel-programs-a-multi-language-tutorial-introduction (дата обращения: 28.01.16)

42. Чупин Д. П. Параметрический метод контроля эксплуатационных характеристик аккумуляторных батарей: дис. ... канд. техн. наук (05.11.13) / Чупин Дмитрий Павлович; Омский государственный технический университет. - Омск, 2014. - 203 с.

43. Шилдт Г. Программирование на С и С++. - К.: Торгово-издательское бюро BHV, 1996. - 400 с.

44. Эндрюс Г. Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования.- М.: «Вильямс», 2003. - 512 с.

45. Энергосберегающие технологии. Smart Microgrids - интеллектуальные сети. [Электронный ресурс]. Режим доступа: ensbertech.ru (дата обращения: 17.03.16)

46. Abido A.A. Particle swarm optimization for multimachine power system stabilizer design. In Power Engineering Society Summer Meeting, 2001. IEEE, vol.3, 2001. - pp. 1346 - 1351.

47. Albert R., Albert I., Nakarado G. L., Structural Vulnerability of the North American Power Grid, Physical Review E, Vol. 69, No. 2, 2004.

48. Amin M., Wollenberg B. F., Toward a Smart Grid. IEEE Power and Energy Magazine, Vol. 3, No. 5, 2005. - pp. 34-38.

49. Baldwin H., Why Smart Microgrids are Gaining Momentum [Электронный ресурс] / Cisco Blogs. Режим доступа: http://blogs.cisco.com/cle/why-smart-microgrids-are-gaining-momentum (дата обращения: 09.03.16)

50. Belov V., Belov I., Nemoykin V., Johansson A., Leisner P., Computer Modeling and Analysis of EMC in a Multi-phase Electrical System, Proceedings of EMB04 Computational Electromagnetics - Methods and Applications. Göteborg, Sweden, Oct. 18-19, 2004, pp. 294-301.

51. Belov V., Butkina A., Bolschikov F., Leisner P., Belov I. Power quality and EMC solutions in micro grids with energy-trading capability // Proc. of the 2014 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC Europe 2014),

Gothenburg, Sweden, September 1-4, 2014. IEEE Catalog Number CFP1406F-USB, ISBN 978-1-4799-3225-2. pp. 1203 1208

52. Blyden B. K. Lee W.J. Modified Microgrid Concept for Rural Electrification in Africa, Power Engineering Society General Meeting, 2006, -pp. 1-5.

53. Borenstein S. Time-Varying Retail Electricity Prices:Theory and Practice // Griffin and Puller, eds., Electricity Deregulation: Choices and Challenges, Chicago: University of Chicago Press — 2005. — pp. 3-8.

54. Borenstein S., Jaske M., Rosenfeld A., Dynamic Pricing, Advanced Metering, and Demand Response in Electricity Markets, Journal of the American Chemical Society, Vol. 128, No. 12, 2015. - pp. 4136-4145.

55. C. Block, D. Neumann, C. Weinhardt, A Market Mechanism for Energy Allocation in Micro-CHP Grids. Proceedings of the 41st Annual Hawaii International Conference on System Sciences, Waikoloa, 7-10 January 2008. -pp. 172-182.

56. Chassin C., Posse D. P., Evaluating North American Electric Grid Reliability Using the Barabasi-Albert Network Model, Physica A: Statistical Mechanics and Its Applications, Vol. 355, No. 2-4, 2005. - pp. 667-677.

57. Cossentino M., Gaud N. , Hilaire V., Galland S. and Koukam A., Aspecs: An Agent-Oriented Software Process for Engineering Complex Systems, Autonomous Agents and Multi-Agent Systems, Vol. 20, No. 2, 2012. - pp. 260-304.

58. European commission community research. European SmartGrids Technology Platform. Vision and Strategy for Europe's Electricity Networks of the Future / European commission, Luxembourg, Office for Official Publications of the European Communities, 2006. - 44 pp.

59. Fang X., Misra S., Xue G. and Yang D. Smart Grid— The New and Improved Power Grid: A Survey, IEEE Communications Surveys and Tutorials (COMST), Vol.14, No.4, 2012. - pp. 944-980.

60. Fankhauser H.R., Aneros K., Edris A.-A., Torseng S., Advanced simulation techniques for the analysis of power system dynamics, IEEE Computer Applications in Power, Vol. 3, Iss. 4, October, 1990, pp. 31-36.

61. Grefenstette J. J. Optimization of Control Parameters for Genetic Algorithms, Systems, Man and Cybernetics, IEEE Transactions , Vol. 16, No. 1, 1986 - pp. 122-128.

62. Guerard G., Ben S. Amor and Bui A. Survey on Smart Grid Modelling, International Journal of Systems, Control and Communications, Vol. 4, No. 4, 2012. -pp. 262-279.

63. Hatziargyriou N., Asano H., Iravani R., and Marnay C. Microgrids: an overview of ongoing research, development, and demonstration projects, IEEE Power and Energy Magazine, vol.5, no.4, 2007. - pp. 78-94.

64. Hledik R. The Top 10 Questions about Demand Charges // EUCI Residential Demand Charges Symposium — 2015. — P. 13.

65. Katiraei F., Iravani M. R., Lehn P., Microgrid autonomous operation during and subsequent to islanding process, in Power Engineering Society General Meeting, 2004. IEEE, 2004- p. 2175.

66. Katiraei F., Iravani M. R., Power Management Strategies for a Microgrid With Multiple Distributed Generation Units, Power Systems, IEEE Transactions on, vol. 21, 2006 - pp. 1821-1831.

67. Kennedy J. and Eberhart R., Particle swarm optimization, - Proc. 1995 IEEE Int. Conf. Neural Netw., vol. 4.

68. Koay, C. A. and Srinivasan, D. Particle swarm optimization-based approach for generator maintenance scheduling. Proceedings of the IEEE Swarm Intelligence Symposium 2003 (SIS 2003), Indianapolis, Indiana, USA. pp. 167-173, 2003.

69. Laskari E.C., Parsopoulos K.E., Vrahatis M.N. Particle Swarm Optimization for Integer Programming - Department of Mathematics, University of Patras Artiicial Intelligence Research Center (UPAIRC) , GR-261 10 Patras, Greece, 2002.

70. Lippman S., Lajoie J, Moo B. C++ Primer, Fourth Edition, Addison Wesley Professional, 2005, 1181p.

71. Majumder R., Ghosh A., Ledwich G., Zare F. Stability analysis and control of multiple converter based autonomous microgrid. Proc. of 7th IEEE International Conference on Control and Automation (ICCA'09), December 9-11, 2009, New Zealand, Christchurch, pp.1663-1668.

72. Marwali M. N., Jin-Woo J., Keyhani A., Control of distributed generation systems, Part II: Load sharing control, Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 19, 2004 - pp. 1551-1561.

73. Molderink A., Bosm M. G. C., Bakker V., Hurink J. L. and Smit G. J. M. Simulating the Effect on the Energy Efficiency of Smart Grid Technologies, Proceedings of the 2009 Winter Simulation Conference (WSC), Austin, 13-16 December 2009. - pp. 1530-1541.

74. Mukhopadhyay S., Singh B., Distributed generation — Basic policy, perspective planning, and achievement so far in India. Power & Energy Society General Meeting, 2009. PES '09. IEEE, 2009. - pp.1-7.

75. Nichols D. K., Stevens H.T., Lasseter J., Eto R.H., Vollkommer J.H. Validation of the CERTS microgrid concept the CEC/CERTS microgrid testbed, in Power Engineering Society General Meeting, IEEE, 2006.

76. Nikkhajoei H., R. H. Lasseter. Microgrid Protection, Power Engineering Society General Meeting, 2007. IEEE, 2007- pp. 1-6.

77. OSPG Alliance - Open Smart Grid Protocol (OSGP). [Электронный ресурс], Режим доступа: http://www.osgp.org/ (дата обращения: 21.02.16)

78. Parsopoulosi K.E., Vrahatis M.N., Recent approaches to global optimization problems through Particle Swarm Optimization, Department of Mathematics, University of Patras Artificial Intelligence Research Center, (UPAIRC), University of Patras, GR-26110 Patras, Greece, 2002.

79. Pedrasa M.A., Spooner T.D., and MacGill I.F. An energy service decision-support tool for optimal energy services acquisition - Centre for Energy and Environmental Markets, Apr. 2010.

80. Pogaku N., Prodanovic M., Green T. C., Modeling, Analysis and Testing of Autonomous Operation of an Inverter-Based Microgrid, IEEE Trans. on Power Electronics, Vol. 22, Issue-2, 2007. - pp. 613-625.

81. D. Pudjianto, G. Strbac, F. van Oberbeeke, A. I. Androutsos, Z. Larrabe, J. T. Saraiva "Investigation of Regulatory, Commercial, Economic and Environmental Issues in MicroGrids". Proc. of International Conference on Future Power Systems, Nov. 2005, pp. 1-6.

82. Puttgen H. B., MacGregor P. R., Lambert F. Distributed generation: Semantic hype or the dawn of a new era, Power and Energy Magazine, IEEE vol.1, no.1, 2003 - pp. 22-29.

83. Raghuwanshi S. S., Singh A., Mokhariwale Y, A Comparison & performance of simulation tools MATLAB/SIMULINK, PSIM & PSPICE for power electronics circuits, International Journal of Advanced Research in Computer Science and Software Engineering, Vol. 2, Iss. 3, Mar. 2012, pp. 187-191.

84. Saad W., Han Z., Poor H. V. and Basar T. Game Theoretic Methods for the Smart Grid, Information Theory, Vol. 8, No. 1-2, 2012. - pp. 1-177.

85. Tuladhar A., Jin H., Unger T., Mauch K. "Control of parallel inverters in distributed AC power systems with consideration of line impedance effect, IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 36, no. 1, 2000, - pp. 131-138.

86. U.S. Department of Energy. Smart Grid. [Электронный ресурс]: официальный сайт. - Режим доступа: http://www.oe.energy.gov/smartgrid.htm

87. US Department of Energy [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://energy.gov/ (дата обращения: 12.11.16)

88. Watson N., Arrillaga J., Harmonic assessment using electromagnetic transient simulation and frequency-dependent network equivalents, IEE Proc. on Generation, Transmission and Distribution 2003, Vol. 150, Iss. 6, pp. 641-650.

89. Watts D. J., Strogatz S. H. Collective Dynamics of Small-World Networks, Nature, Vol. 393, No. 6684, 1998. - pp. 440-442.

90. Xiong X., Ouyang J., Modeling and transient behavior analysis of an Inverter-based microgrid, Electric Power Components and Systems, Vol. 40, Iss. 1, 2011, pp. 112-130

91. Yu X. Smart Grids: A Complex Network View, IECON 2011, Melbourne, 7-10 November 2011.

92. Zhang Y., Gatsis N., Giannakis G.B., Risk-constrained energy management with multiple wind farms, in Innovative Smart Grid Technologies (ISGT), 2013 IEEE PES, 2013. - pp. 1-6.

93. Zhao B., Zhang X., Li P., Wang K., Xue M., and Wang C., Optimal sizing, operating strategy and operational experience of a stand-alone microgrid on Dongfushan Island, Applied Energy, vol. 113, 2014. - pp. 1656-1666.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Акты о внедрении (об использовании) результатов кандидатской работы

ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

^^ ^ШГ /I К Ц И О Н Е

kkvOHBEPTOP

(g-

Адрес : 430031, г. Саранск, ул. Гожувская, д. 1

ИНН: 1325035142; КПП: 132801001; ОГРН: 1021301117474.

Тел.: [phone], 56-96-92; Факс: [phone]; Сайт: www.convertor.ru; e-mail: [e-mail]

Исх. № от .2017 г. На Ваш № от ,2017 г. УТВр^йА^ директора . э. н. f{ ^{cÜ&ptjfir^Z jovfM.E. Монахов Г.

-fcf'ToVrf ,* /У-

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы

Комиссия в составе: председателя комиссии: членов комиссии:

технический директор В.Ф. Еряшев маркетинг-директор А.П. Борисов ведущий инженер бюро СБП переменного тока A.B. Пивкин

настоящим актом подтверждает использование научных и практических результатов диссертационной работы Буткиной Анны Александровны «Математическое моделирование и оптимизация режимов работы микросети с накопителями электрической энергии», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, при разработке систем бесперебойного питания типа СБП, содержащих в своем составе AC/DC/AC-преобразователь с аккумуляторной батареей (далее — накопитель электрической энергии).

Использование предложенных в диссертационной работе способов цифрового математического моделирования позволили значительно ускорить сроки разработки и оптимизировать работу накопителя электрической энергии в условиях перерывов энергоснабжения, возникающих в промышленных сетях, и, тем самым, повысить качество и бесперебойность питания ответственных потребителей электрической энергии, в работе которых не допускаются перерывы питания.

Председатель комиссии: Технический директор

Члены комиссии: Маркетинг-директор Ведущий инженер бюро СБП переменного тока

В.Ф. Еряшев

А.П. Борисов A.B. Пивкин

:

Автономное учреждение "Технопарк-Мордовия"

(АУ "Технопарк-Мордовия") 430034, Саранск, ул. Лодыгина, д. 3

Тел./факс: [phone] ИНН/КПП: 1326211834/132701001 ОГРН: 1091326002020 E-mail: [e-mail] www.technopark-mordovia.ru

№

на №_

. от.

. 201_

201

УТВЕРЖДАЮ

Директор по развитию АУ «Технопарк-Мордовия»

А.С.Зизин

f^utfau 2017

г.

АКТ

об использовании результатов кандидатской диссертационной работы

Комиссия в составе:

председателя комиссии:

членов комиссии

главный инженер Центра проектирования инноваций АУ «Технопарк-Мордовия» С.А. Матявин директор по развитию Центра проектирования инноваций АУ «Технопарк-Мордовия»

Ю. Н. Маркова

инженер-программист Центра проектирования инноваций АУ «Технопарк-Мордовия» А. И. Занкин

настоящим актом подтверждает использование следующих научных и практических результатов диссертационной работы Буткиной Анны Александровны «Математическое моделирование и оптимизация режимов работы микросети с накопителями электрической энергии», представленной на соискание ученой степени кандидата технических наук, для разработки интегрированной системы электроснабжения на основе промышленных накопителей электрической энергии с автоматическим управлением потоками мощности (далее - Система):

- спецификация требований к Системе, в которой были выявлены и проанализированы функциональные и нефункциональные требования к Системе;

- архитектура программного обеспечения Системы;

- алгоритм формирования оптимального графика потребления электрической энергии нагрузками;

- алгоритм формирования оптимального графика работы накопителя электрической энергии;

- программа, реализующая класс «Предложение по предоставлению энергопакетов» для модуля управления запросами и предложениями

Данные результаты были применены при разработке плана мероприятий по обеспечению непрерывного электроснабжения испытательных комплексов Центра проектирования инноваций (ЦПИ) АУ «Технопарк-Мордовия», в том числе:

- климатических камер WK-1200/70/50/V и WK27/60-85;

- вибрационных стендов МРА714/М748А;

- радиобезэховой камеры FACT™ 10-4.0 Standard для проведения работ в области электромагнитной совместимости.

Внедрение интегрированной системы электроснабжения на основе комплекса промышленных накопителей электрической энергии, управляемых по принципу энергетического интернета, обеспечит резервное электропитание критических нагрузок с использованием альтернативных источников электрической энергии взамен дорогостоящих решений на базе дополнительных установленных мощностей.

Ожидается значительный экономический эффект от внедрения приведенных результатов за счёт снижения стоимости оборудования и материалов на реализацию проекта резервного электропитания испытательных комплексов ЦПИ, производства проектных и общестроительных работ, платы за потребление электрической энергии, а так же за счёт использования накопленной «зелёной» энергии на технические нужды в периоды безаварийной работы основной системы электроснабжения технологических процессов испытаний.

Председатель комиссии: Главный инженер ЦПИ АУ «Технопарк-Мордовия»

Члены комиссии:

Директор по развитию ЦПИ АУ «Технопарк-Мордовия»

Инженер-программист ЦПИ АУ «Технопарк-Мордовия»

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Режимы работы микросети с накопителем электрической энергии

Перечислим все возможные режимы работы рассматриваемой микросети:

1. Питание нагрузок только от центральной сети. Накопитель электрической энергии (аккумуляторная батарея в его составе, далее - батарея) не используется.

2. Питание нагрузок только от локальной сети (то есть за счет энергии, покупаемой у других пользователей микросети). Батарея не используется.

3. Питание нагрузок только за счет электроэнергии, вырабатываемой в данный момент собственными источниками электроэнергии. Батарея не используется.

4. Питание нагрузок от центральной сети и локальной сети. Батарея не используется.

5. Питание нагрузок от центральной сети и от электроэнергии, вырабатываемой в данный момент собственными источниками. Батарея не используется

6. Питание нагрузок от локальной сети собственных источников. Батарея не используется.

7. Питание нагрузок от центральной сети, локальной сети и собственных источников. Батарея не используется.

8. Питание нагрузок от батареи.

9. Питание нагрузок от центральной сети и батареи.

10. Питание нагрузок от локальной сети и батареи.

11. Питание нагрузок от собственных источников и батареи.

12. Питание нагрузок от центральной сети, локальной сети и батареи.

13. Питание нагрузок от центральной сети, собственных источников и батареи.

14. Питание нагрузок от локальной сети, собственных источников и батареи.