Элементы автоматизированной системы проектирования

В связи с большими затратами материальных ресурсов на развитие электроэнергетики (см. табл.1.2) весьма важно добиваться оптимального с экономической точки зрения развития ЭЭС и их электрических сетей. Задача проектирования развития электрических сетей является динамической. Необходимо минимизировать (оптимизировать) затраты в течение достаточно длительного периода времени (5…10 лет), так как оптимальные решения для отдельных лет этого периода могут противоречить друг другу; например, энергетический объект, вводимый в первые годы периода как оптимальный, может оказаться неоптимальным в последующие годы периода и привести к излишним затратам.

При проектировании электрических сетей выполняются различные сложные технические расчёты. Для этого используются математические формулы, системы линейных, нелинейных алгебраических или дифференциальных уравнений, анализируются логические условия выбора параметров элементов электрических сетей. Совокупность таких математических выражений, описывающих основные свойства электрической сети, называется математической моделью. Например, уравнения узловых напряжений (3.2) являются математической моделью установившихся режимов сети. Моделью электромеханических переходных процессов является система дифференциальных уравнений движения роторов генераторов. Для расчёта надёжности электрической сети используются модели вероятностей различных состояний сети (глава 4).

Полученные с помощью расчётных математических моделей технические решения характеризуют некоторый возможный вариант развития электрической сети. Автоматизация формирования вариантов развития электрической сети и выбор лучшего (оптимального) с точки зрения минимума затрат выполняется с помощью математических моделей оптимизации развития электрической сети [1, 15, 16]. В общем случае такая модель включает в себя две составляющие:

1. Функция цели – минимизируемые затраты.

2. Ограничения в виде уравнений и неравенств, определяющих допустимую область изменения параметров сети и/или некоторых её функций.

Решение моделей оптимизации развития электрических сетей, анализа технических характеристик её отдельных вариантов требует применения методов математического программирования, математического анализа, средств вычислительной техники. Разработка и применение отдельных математических моделей для задач проектирования электрических сетей являются первым этапом автоматизации проектирования ЭЭС. Дальнейшее повышение эффективности применения математических моделей связано с автоматизацией использования комплекса моделей при проектировании (рис. 5.1). Применение комплекса моделей предполагает, что процесс расчёта оптимального развития сети задаётся и используется проектировщиком [16]. Окончательные решения принимает человек, ориентируясь на результаты расчётов, полученные с помощью моделей. Главной задачей автоматизации проектирования является всемерное облегчение диалога проектировщика и ЭВМ при обновлении информации, анализе результатов решения задач и их корректировки с использованием специальных технических средств диалогового общения.

Система автоматизированного проектирования (САПР) представляет собой совокупность компонент, основными из которых являются:

1) теория и методы автоматизированного проектирования (математическое обеспечение);

2) программы, реализующие проектирование ЭЭС и операции по управлению процессом | проектирования и техническими средствами (программное обеспечение);

3) информационная база системы (информационное обеспечение);

4) технические средства приема, обработки, хранения и передачи информации (техническое обеспечение).

Рис. 5.1. Структура информационно-вычислительного комплекса проектирования развития электрических сетей:

БАЗА – организация структуры информационного обеспечения; ТЕД – формирование, корректировка технико-экономических данных; СОБ – формирование информации об узлах; СХЕМА – формирование, корректировка расчётной схемы; ПОИСК0, ПОИСКА – поиск первичной информации в информационной базе, переработка, запись в оперативную базу; ОРС – оптимизация развития сети; ОМ – оценка вариантов развития; АНАЛИЗ – анализ технического состояния сети

Математическое обеспечение САПР составляют математические модели и алгоритмы проектирования, на основе которых разрабатываются пакеты прикладных программ, входящие в программное обеспечение САПР.

Информационное обеспечение – это совокупность представленных в определенной форме данных, необходимых для проектирования. К ним относятся: массивы справочно-нормативной информации; словари системы, отображающие состав языка описания заданий; массивы информации об объекте проектирования.

Основная часть программного обеспечения САПР – это пакеты прикладных программ (ППП). ППП содержат управляющую часть в виде монитора и библиотеку программных модулей. Монитор – это управляющая программа, отражающая методику проектирования. Монитор настраивается на различные методики проектирования с помощью их описаний в виде графов, показывающих порядок следования и тип проектных операций.

Для эффективного использования САПР необходимы средства диалогового общения "проектировщик – ЭВМ". Используя директивы, проектировщик может управлять ходом автоматизированного проектирования. Дальнейшее совершенствование САПР требует комплексной автоматизации процесса проектирования вплоть до создания технической документации по проекту, повышения качества математических моделей, алгоритмов и программ проектирования.

В настоящее время для целей планирования оптимального развития ЭЭС и их функциональных или территориальных частей используются два класса моделей – оценочные и оптимизационные [15].

Оценочные модели реализуются при помощи алгоритмов и программ расчётов на ЭВМ некоторого множества предварительно намеченных вариантов решения. Эти модели обладают следующими основными достоинствами:

а) возможностью подробного учёта индивидуальных особенностей проектируемой конкретной сети для каждого сравниваемого варианта;

б) неприхотливостью к характеру изменения параметров сети и виду функциональных зависимостей между ними;

в) возможностью детального учета требований надёжности в ходе расчёта каждого сравниваемого варианта развития сети в пределах имеющихся характеристик надёжности.

Главным недостатком оценочных моделей является возможность оценки только сравнительно малого числа вариантов исполнения проектируемой сети. Это неоправданно увеличивает роль «волевых» решений и, как следствие, повышает опасность выхода из области оптимизации, выбора неоптимального варианта и вместе с тем неоптимальной стратегии при практическом пользовании полученными результатами. Поэтому оценочные модели требуют очень тщательной мотивировки выбора среди возможных вариантов.

Этот недостаток явился основной причиной разработки оптимизирующих моделей. Последние предназначены для отыскания оптимального варианта из всего множества допустимых (рис.5.2), что является их решающим достоинством.

В оптимизирующих моделях для отыскания решения используются методы линейного и нелинейного программирования. Теоретические границы применения таких моделей очень широки, но на пути их реализации имеются существенные трудности. Во-первых, очень многие оптимизирующие модели являются весьма упрощёнными и поэтому не обладают перечисленными достоинствами оценочных моделей. Во-вторых, многие энергетические задачи при достаточно строгой формулировке нелинейны, многоэкстремальны, целочислены и имеют дискретные параметры, что значительно усложняет оптимизирующие модели и особенно методы их решения.

Рис.5.2. Пример составления расчётной схемы электрической сети:

а – варианты ввода нового оборудования электрической сети (Л1–Л18 – ЛЭП, П1 – П5 – подстанции; Э1, Э2 – электростанции);

б – граф расчётной схемы (числа – номера узлов и ветвей)