Многоцелевая оптимизация и автоматизированное проектирование управления качеством электроснабжения в электроэнергетических системах

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

В.И. Пантелеев, Л.Ф. Поддубных

МНОГОЦЕЛЕВАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ 
И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
УПРАВЛЕНИЯ КАЧЕСТВОМ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 
В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ

Монография

Красноярск 
СФУ
2009

УДК 621.311.008.2
П 16

Рецензенты: 
Секретарёв Ю.А., д-р тех. наук, проф., заведующий кафедрой 
систем электроснабжения Новосибирского государственного 
технического университета;
Ушаков В.Я., д-р тех. наук, проф., заведующий кафедрой 
электроэнергетических систем и высоковольтной техники 
Томского политехнического университета, заслуженный деятель науки России

Пантелеев В.И.
П 16 Многоцелевая оптимизация и автоматизированное проектирование 
управления качеством электроснабжения в электроэнергетических 
системах: монография / В.И.Пантелеев, Л.Ф. Поддубных. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2009. – 194 с.

ISBN 978-5-7638-1924-3

Рассмотрены различные аспекты управления качеством электроснабжения (УКЭС) в условиях неопределённости на основе развития методов 
многоцелевой оптимизации. Рассматриваются различные методы принятия 
решения, разработка адаптивных моделей УКЭС в составе технологических 
АСУ электроэнергетических систем, проблемы создания эффективных алгоритмов УКЭС с учетом кибернетических свойств ЭЭС и обеспечения 
устойчивости приближенных решений гибридных моделей УКЭС.
Рассчитана на научных работников, аспирантов, магистрантов и 
инженерно-технических работников, исследующих и эксплуатирующих 
электроэнергетические системы.

ISBN 978-5-7638-1924-3

© Сибирский 
федеральный 
университет, 2009

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ........................................................................................................ 6

Введение ............................................................................................................... 9

Глава 1. Структурные преобразования в энергетике и современные 
проблемы функционирования электроэнергетических систем .............. 13
1.1. Анализ проблемы принятия решений 
в электроэнергетических системах ........................................................... 14
1.2. Информационные технологии поддержки принятия решений 
в энергосистемах ......................................................................................... 20
1.3. Развитие информационных технологий принятия решений 
в автоматизированной системе диспетчерского управления 
распределительных электрических сетей................................................. 24
1.4. Комплексная задача проектирования и управления качеством 
электроснабжения ....................................................................................... 27

Глава 2. Алгоритмическая модель автоматизированного 
проектирования информационно-технологической подсистемы 
многоцелевой оптимизации управления качеством 
электроснабжения ............................................................................................ 31
2.1. Задание исходных данных объекта проектирования ........................ 32
2.1.1. Перечень базовых задач подсистемы ...................................... 33
2.2. Проектирование эпистемологических уравнений иерархии 
подсистемы качества электроснабжения .................................................. 43
2.2.1. Уравнение исходной системы. Переменные 
и параметры проектирования ........................................................... 44
2.2.2. Система данных и среда системы .......................................... 48
2.2.3. Порождающая направленная система с поведением ............ 54
2.2.4. Структурированная система .................................................. 64
2.2.5. Идентификация и реконструкция системы ........................... 69

Глава 3. Декомпозиционный алгоритм многоцелевой оптимизации 
качества электроснабжения ........................................................................... 75
3.1. Формулирование и обоснование целевых условий .......................... 76
3.2. Учет динамики качества электроснабжения ..................................... 79
3.3. Аппроксимационное моделирование структуры 
предпочтений лиц, принимающих решение. Блок-схема 
декомпозиционного  алгоритма многоцелевой оптимизации  ............... 81
3.3.1. Скалярная модель сетевой иерархии критериев .................... 83

3.3.2. Формирование исходного множества альтернатив. 
Однокритериальная оптимизация .................................................... 84
3.3.3. Дискретная оптимизация области 
равнооптимальных решений .............................................................. 85
3.3.4. Оценка информационной важности 
и ранжирование критериев ................................................................ 86
3.3.5. Нормализация области равнооптимальных решений ............ 89
3.3.6. Формулирование уравнения компромиссной области ............ 90
3.3.7. Формулирование уравнений дооптимизации решений 
в компромиссной области ................................................................... 92
3.3.8. Определение вектора параметров компромиссного 
управления ............................................................................................ 93
3.3.9. Формулирование скалярного критерия 
декомпозиционного алгоритма многоцелевой оптимизации .......... 93

Глава 4. Методы и модели многоцелевого 
прогнозирования векторных решений качества электроснабжения .... 95
4.1. Энтропийный метод прогноза компромиссных 
параметров управления .............................................................................. 97
4.2. Метод оптимального прогноза качества электроснабжения 
на основе управляемых цепей Маркова.................................................. 100
4.2.1. Многоцелевая двухуровневая модель управления ................. 105
4.3. Программная модель «стимула» компромиссного управления ..... 105
4.4. Модели и методы проектного прогноза качества 
электроснабжения ..................................................................................... 106
4.4.1. Динамическая модель оптимального развития 
электрической сети ........................................................................... 107
4.4.2. Метод многоцелевого прогноза качества 
электроснабжения в условиях развития электрической сети ..... 107
4.4.3. Неопределенность динамической модели 
оптимального развития электрической сети .................................110
4.4.4. Метод многоцелевого прогноза качества 
электроснабжения в условиях неопределенности 
развития электрической сети ...........................................................113
4.4.5. Метод прогноза информационной важности критериев ....114

Глава 5. Алгоритм многоцелевой оптимизации коммерческого 
управления качеством электроснабжения .................................................119
5.1. Формулирование обобщённого критерия 
коммерческого управления ...................................................................... 120
5.2. Обоснование способов оптимальности межсистемной 
координации управления ......................................................................... 122

5.3. Формирование информационно-энергетической области 
коммерческого управления ...................................................................... 123
5.4. Разработка критерия предпочтительности компромиссных 
параметров коммерческого управления .................................................. 126
5.5. Разработка автоматического критерия гарантированного 
результата качества электроснабжения................................................... 128

Глава 6. Анализ устойчивости приближенных решений качества 
электроснабжения .......................................................................................... 133
6.1. Формулирование задачи устойчивости гибридной 
модели качества электроснабжения ........................................................ 134
6.2. Метод анализа устойчивости компромиссных решений 
декомпозиционного алгоритма многоцелевой оптимизации ............... 137
6.3. Метод анализа устойчивости максиминной модели управления .. 143
6.4. Безопасность реализации компромиссного управления ................ 150

Глава 7. Многоцелевая оптимизация проектирования качества 
электроснабжения распределительных электрических сетей .............. 155
7.1. Требования к специфическому обеспечению подсистемы качества 
электроснабжения в составе технологической автоматизированной 
системы управления электроэнергетической системой ........................ 156
7.2. Решение задач многоцелевой оптимизации компенсации 
реактивной мощности и качества электроэнергии ................................ 158
7.2.1. Компенсация реактивных нагрузок 
распределительных электрических сетей ...................................... 158
7.2.2. Многоцелевая оптимизация межсистемной 
компенсации реактивной мощности и качества 
электроэнергии .................................................................................. 159
7.3. Математическое моделирование качества электроснабжения 
на обучающей физической модели системы электроснабжения.......... 160

Заключение ...................................................................................................... 162

Список литературы ....................................................................................... 164

Приложения .................................................................................................... 181

Предисловие

Электроэнергетические системы (ЭЭС) представляют собой сложнейшие комплексы, объединяемые единством процессов производства, передачи и распределения электроэнергии между её потребителями. Современные 
ЭЭС охватывают огромные территории и зачастую территориально являются не только межрегиональными, но и межгосударственными.
Их основная цель – надежное энергоснабжение потребителей качественной электроэнергией. Причём от качества электроэнергии, поставляемой потребителям, во многом зависит и эффективное её использование на 
стороне потребителя.
Поскольку процессы производства и потребления электроэнергии неразрывны во времени, качество электроэнергии определяется и характером 
потребления, а задача управления качеством электроснабжения становится 
многоаспектной проблемой, решать которую необходимо на многих уровнях и на основе методов теории систем и системного анализа.
В предлагаемой вашему вниманию монографии нашли отражение результаты многолетних исследований, проводившихся авторами и под их 
руководством в Красноярском государственном техническом университете 
(ныне Сибирский федеральный университет). 
Конечный вид монографии и её содержание сложились и в результате 
замечаний рецензентов: профессора Ю.А. Секретарёва (Новосибирский государственный технический университет) и заслуженного деятеля науки и 
техники РФ, профессора В.Я. Ушакова (Томский политехнический университет), за что авторы выражают им глубокую благодарность.
Авторы надеются, что монография окажется полезной для специалистов-энергетиков, научных работников, аспирантов и магистрантов, 
исследующих проблемы современной энергетики.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АВР – автоматическое включение резерва;
АПВ – автоматическое повторное включение;
АСДУ – автоматизированная система диспетчерского управления;
АСКУЭ – автоматизированная система контроля и учета электроэнергии;
АСУ КЭ – автоматизированная система управления качеством электроснабжения;
АСУ ЭЭС – автоматизированная система управления электроэнергетической системы;
АСУ – автоматизированная система управления;
ВК – вычислительный комплекс;
ГПП – главная понизительная подстанция;
ДАМО – декомпозиционный алгоритм многоцелевой оптимизации;
ДП ПЭС – диспетчерский пункт предприятий электрических сетей;
ДП РЭС – диспетчерский пункт районных электрических сетей;
ДП ТП – диспетчерский пункт трансформаторной подстанции;
ДС КЭС – динамическое состояние качества электроснабжения;
ЕЭС – Единая энергетическая система;
ИВП – информационно-вычислительная подсистема;
ИМА – исходное множество альтернатив;
ИО АСУ – информационно-обучающая автоматизированная система управления;
ИУП – информационно-управляющая подсистема;
ИУС – интегральная управляющая система;
КО – компромиссная область;
КРМ – компенсация реактивной мощности;
КУ – компенсирующее устройство;
КУ – конденсаторные установки;
КЭ – качество электроэнергии;
КЭС – качество электроснабжения;
ЛПР – лицо, принимающее решение;
ЛЭП – линия электропередачи;
МИМИР – малая информационная модель интеллектуальных решений;
МО – многоцелевая оптимизация;
ОДУ ОЭЭС – объединенное диспетчерское управление объединенных электроэнергетических систем;
ОИК – оперативный информационный комплекс;
ОИУК – оперативный информационно-управляющий комплекс;
ОУ – объект управления;
ПКЭ – показатель качества электроэнергии;
ПЭ – потребитель электроэнергии;

ПЭС – предприятия электрических сетей;
РМ – реактивная мощность;
РЭС – районные электрические сети;
СОИ – средства отображения информации;
СППИ – средства приема и передачи информации;
СППР – системы поддержки принятия решений;
СПРИНТ – система принятия решений с интеллектуальными механизмами 
автоматического поиска;
СТК – статические тиристорные компенсаторы;
УКЭС – управление качеством электроснабжения;
УРСЗ – универсальный решатель системных задач;
УТМ – устройства телемеханики;
ЦДП ЭЭС – центральный диспетчерский пункт электроэнергетических систем;
ЦДУ – Центральное диспетчерское управление;
ШР – шунтирующие реакторы;
ЭСО – электроснабжающая организация;
ЭЭС – электроэнергетические системы.

ВВЕДЕНИЕ

Непрерывный процесс развития всех сторон жизни общества, особенно 
его материальной сферы, требует постоянного совершенствования форм и 
методов управления. В программных документах долгосрочного развития 
электроэнергетики России, обусловленных новыми условиями хозяйствования, указывается, что ключевой стратегической задачей повышения эффективности функционирования отрасли является создание эффективной системы управления субъектами хозяйствования, обеспечивающей снижение 
затрат на развитие электроэнергетических объектов, производство, транспорт и распределение электрической энергии. 
Исследование проблемы управления электроэнергетическими системами неразрывно связано с возрастанием роли управления процессами функционирования и развития этих систем. Прогресс в решении общей задачи 
управления ЭЭС, сформулированной как обеспечение качественного и надежного электроснабжения потребителей с наибольшим экономическим эффектом, обеспечивается развитием научных методов управления, в основе 
которых лежит теория принятия решений в сложных иерархических системах. Для расчетов больших систем разрабатываются специальные методы, 
использующие принципы эквивалентирования, диакоптики, кибернетического моделирования. Совокупность этих методов образует специальный 
инструмент для определения управляющих воздействий либо прогнозирования поведения системы. При возрастании роли управления действует 
один из основных принципов кибернетики, утверждающий, что сложность 
системы управления возрастает быстрее, чем сложность управляемой системы.
Повышение эффективности функционирования электроэнергетики 
страны в значительной мере достигается совершенствованием диспетчерского и технологического управления режимами ЭЭС на базе новых 
информационных технологий и вычислительных средств. Важной и неотъемлемой частью технологического управления ЭЭС является управление качеством электроснабжения (УКЭС), в котором понятие «качество 
электроснабжения» объединяет в себе две обширные проблемы: обеспе

Введение

10

чение электромагнитной совместимости и бесперебойности (надежности) 
электроснабжения.
Процессы принятия решений в звеньях иерархической системы УКЭС 
обладают рядом специфических особенностей, которые предопределяют использование методологии многоцелевой оптимизации (МО) для комплексного решения проблемы:
во-первых, большинство решений УКЭС принимается в ситуациях, ранее не встречавшихся, поскольку совпадение ситуаций технической, технологической, коммерческой и других областей является событием маловероятным и указывает на противоречивость целей управления;
во-вторых, выбор вариантов решений УКЭС происходит, как правило, 
в условиях высокой степени неопределенности, т.е. при недостаточных знаниях о текущей ситуации и тенденциях ее развития и неполных представлениях обо всех последствиях принимаемого решения;
в-третьих, решения УКЭС часто принимаются в условиях жестко ограниченного времени;
в-четвертых, на содержание решений существенное влияние оказывают личные качества и интересы лиц, принимающих решение (ЛПР), кроме 
того, интересы различных звеньев в иерархии УКЭС, как правило, не совпадают, а зачастую являются противоположными. 
В теоретическом плане актуальность исследуемой проблемы заключается в необходимости развития методологии МО и создания на этой основе сложных алгоритмических моделей УКЭС в составе технологических 
автоматизированных систем управления (АСУ) ЭЭС (АСДУ, АСУ КЭ, 
АСКУЭ и др.). Разработка адаптивных моделей УКЭС в составе технологических АСУ ЭЭС нуждается в развитии теории проектирования сложных 
системных объектов с использованием искусственного интеллекта в виде 
специализированных систем общения, экспертных систем, различных 
программных и аппаратных средств. Создание эффективных алгоритмов 
УКЭС с учетом кибернетических свойств ЭЭС нуждается в развитии методологии аппроксимационного моделирования структуры предпочтений 
ЛПР, в части разработки процедур, повышающих объективность информации в области равнооптимальных решений. Достижению необходимого 
качества управления способствует развитие методологии многоцелевого 
прогнозирования динамического состояния объекта управления (ОУ) в 
условиях различных видов прогнозной информации, включая нечеткую. 
Необходимость преодоления свойства неопределенности коммерческого управления способствует развитию теории оптимизации информационных процессов УКЭС и созданию на этой основе гибридных моделей, 
агрегирующих в себе разные принципы оптимальности. Необходимость 
обеспечения адекватности сложных моделей принятия решений заданному ОУ нуждается в развитии методологии анализа устойчивости прибли

Введение

11

женных решений гибридных моделей УКЭС на основе теории устойчивости принципов оптимальности.
Прикладное значение исследуемой проблемы заключается в необходимости решения научной проблемы структурного проектирования 
информационно-технологической подсистемы МО УКЭС в составе технологической АСУ ЭЭС.
Существенный вклад в становление и развитие теории систем и системного анализа в области энергетики внесли Д.А. Арзамасцев, А.А. Башлыков, 
Л.С. Беляев, М.А. Беркович, М.Х. Валдма, В.А. Веников, Н.И. Воропай, А.З. 
Гамм, Ф.Г. Гусейнов, П.П. Долгов, В.И. Идельчик, Б.А. Константинов, Л.А. 
Крумм, А.А. Макаров, В.З. Манусов, Л.А. Мелентьев, В.Р. Окороков, Ю.Н. 
Руденко, С.А. Совалов, Д.С. Щавелев и другие ученые.
Комплексному решению проблемы качества электроснабжения (качество электроэнергии, надежность, эффективность ЭЭС и систем электроснабжения) посвящены исследования, представленные в трудах Г.Я. 
Вагина, В.И. Гордеева, Ю.Б. Гука, В.И. Доброжанова, И.В. Жежеленко, 
Ю.С. Железко, В.В. Зорина, И.И. Карташева, Б.И. Кудрина, Э.Г. Куренного, Л.А. Кучумова, О.С. Мамедярова, А.В. Праховника, Ю.А. Секретарёва, В.А. Трошина, Ю.А. Фокина, Г.С. Хронусова, А.К. Шидловского и 
других авторов.
Целью настоящего издания является развитие методологии МО электроэнергетических систем, разработка и создание на этой основе проектных, прогнозных и управляющих алгоритмических моделей качества электроснабжения. 
Поскольку говорить о решении сформулированной проблемы следует 
только в аспекте современных структурных преобразований в энергетике и 
сложившихся проблем функционирования электроэнергетических систем, 
то первая глава и посвящена их анализу. 
Во второй главе рассмотрены вопросы, связанные с разработкой алгоритмической модели автоматизированного проектирования информационно-технологической подсистемы многоцелевой оптимизации управления 
качеством электроснабжения. 
Третья глава полностью посвящена вопросу разработки декомпозиционного алгоритма многоцелевой оптимизации качества электроснабжения, 
при этом значительное место в главе занимают вопросы аппроксимационного моделирования структуры предпочтений ЛПР. 
Методам и моделям многоцелевого прогнозирования векторных решений качества электроснабжения посвящена четвертая глава. 
В пятой главе разрабатывается алгоритм многоцелевой оптимизации 
коммерческого управления качеством электроснабжения. При этом под коммерческой управляемостью ЭЭС понимается возможность оператора оптового рынка мощности и энергии влиять на финансовые результаты работы 

Введение

субъектов рынка с помощью процедур планирования режимов и управления ими. 
Методы анализа устойчивости приближенных решений качества электроснабжения изложены в шестой главе.
В седьмой, заключительной, главе рассмотрены вопросы многоцелевой 
оптимизации проектирования качества электроснабжения в распределительных электрических сетях.

Глава 1

Структурные преобразования 
в энергетике 
и современные проблемы 
функционирования 
электроэнергетических систем