Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы расчета и оптимизация режимов электроэнергетических систем. Учебное пособие.pdf
X
- •ОГЛАВЛЕНИЕ
- •ВВЕДЕНИЕ
- •1. РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
- •1.1. Классификация режимов
- •1.2. Параметры установившихся режимов
- •2.3. Основы алгебры матриц
- •Контрольные вопросы
- •2. УРАВНЕНИЯ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ
- •2.1. Комплексная форма
- •2.2. Действительная форма
- •2.4. Матричная форма записи уравнений режима
- •2.5. Расчет собственных и взаимных проводимостей
- •Контрольные вопросы
- •3. ЧАСТНЫЕ СЛУЧАИ РАСЧЕТА РЕЖИМОВ
- •3.1. Расчет режима разомкнутой сети по данным конца
- •3.2. Расчет линии с равномерно распределенной нагрузкой
- •Контрольные вопросы
- •4. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ УРАВНЕНИЙ РЕЖИМА
- •4.1. Общие положения
- •4.2. Метод Зейделя
- •4.3. Метод Ньютона
- •4.4. Решение уравнений режима методом Ньютона
- •4.5. Модификации метода Ньютона
- •4.6. Выбор шага (параметра) численных методов
- •4.9. Сходимость итерационного процесса. Общие положения
- •Контрольные вопросы
- •5. ОСОБЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
- •5.3. Расчет неполнофазных режимов
- •5.4. Расчет несинусоидальных режимов
- •Контрольные вопросы
- •6. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ
- •6.1. Общие положения
- •6.2. Виды задач оптимизации
- •6.3. Метод множителей Лагранжа
- •6.4. Градиентные методы
- •Контрольные вопросы
- •7. ОПЕРАТИВНО-ДИСПЕТЧЕРСКОЕ УПРАВЛЕНИЕ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ
- •7.1. Определения
- •7.2. Структура системы оперативно-диспетчерского управления
- •7.3. Функции системы оперативно-диспетчерского управления
- •Контрольные вопросы
- •ЗАКЛЮЧЕНИЕ
- •БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

51
Рекуррентную формулу запишем следующим образом:
[ ]
[ ]
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
1
65 3
4
17
234
1
111
0
21
567
111
.
p
p
ppp
ppp
BB B
B
UB
U
UUU
B
BB
UUU
+
=−−−−−−
−−−
[
]
0
1
1,5
U =
1
df
dU
1
f
1, 1 ,
n
i
j
j
in
x
=
∂
<=
∑
∂
1
f
1, 1 .
n
i
i
j
jn
x
=
∂
<=
∑
∂
(4.34)
Пусть R1 = 0,2 Ом, R2 = 0,4 Ом, R3 = 0,6 Ом, P1 = 1 МВт, P2 = 1,2 МВт,
P3 = 0,7 МВт. Напряжение базисного узла Uб = 10,1841 кВ. При таком на-
пряжении устойчивое решение уравнения (4.33) будет U1 = 9,9 кВ. Коэффициенты в уравнении принимают следующие значения: B0 = 0,0288 кВ8,
B1 = –0,244418 кВ7, B2 = 0,636 кВ6, B3 = –3,82922 кВ5, B4 = 3,856 кВ4,
B5 = –15,0725 кВ3, B6 = 4,3 кВ2, B7 = –10,1841 кВ.
Процесс решения уравнения (4.33) методом простой итерации на осно-
ве рекуррентной формулы (4.34) при начальном приближении
кВ
показан на рис. 4.11. Из этого рисунка следует важный вывод, что критерий (4.32) является достаточным, но не необходимым. Действительно,
в окрестностях нулевого приближения модуль производной
намного
больше единицы. Тем не менее, итерационный процесс быстро сходится.
Из рисунка 4.11 также видно, что уравнение (4.34) имеет еще один
корень, точное значение которого U1 = 0,13 кВ. Он соответствует неустойчивому режиму сети. Однако итерационный процесс к этому корню
не сходится, поскольку условие (4.32) не выполняется даже в самой точке
решения.
Если решается система уравнений, то можно показать, что критерий
сходимости (4.32) преобразуется к условиям
(4.35)
(4.36)

52
f
i
j
x∂∂
df
dX
Рис. 4.11. Пример сходимости метода простой итерации для электрической сети
Совокупность производных
образует матрицу Якоби
.
В условия (4.35) и (4.36) входят суммы модулей элементов строк или
столбцов этой матрицы. Максимальная из сумм модулей элементов
строк и столбцов матрицы называется ее нормой2. Норма матрицы обо-
2
Максимум суммы строк и максимум суммы столбцов на самом деле представляют со-
бой разные нормы, в данном случае они для удобства сведены в одну; существуют также
другие виды норм матриц.

53
значается . Таким образом, условия сходимости метода простой ите-
1.<
df
dX
( )
65 3 0
4 21
1 17
234567
1
111111
W 0.
BB B B
B BB
U UB
U
UUUUUU
=−−−−−−−−−=
[ ]
0
1
1,5
U =
рации и метода Зейделя для системы уравнений можно записать в форме
(4.37)
Как и для одномерной задачи, критерий сходимости записывается для
конкретных интервалов значений переменных ai ≤ xi ≤ bi.
4.11. УСЛОВИЯ СХОДИМОСТИ МЕТОДА НЬЮТОНА
ДЛЯ УРАВНЕНИЯ С ОДНИМ НЕИЗВЕСТНЫМ
При решении методом Ньютона уравнение с одним неизвестным за-
писывается в виде W(x) = 0. Графическая интерпретация решения представляет собой ломаную линию, состоящую из касательных к исходной
кривой и вертикальных участков.
В качестве примера рассмотрим задачу расчета электрической сети из
предыдущего параграфа при тех же исходных данных. Уравнение запишем в виде
(4.38)
Процесс решения уравнения (4.38) методом Ньютона при начальном
приближении
кВ показан на рис. 4.12.
Из этого рисунка следует, что сходимость метода Ньютона определяется, во-первых, наклоном касательных, т. е. первой производной функции W(x). Во-вторых, имеет значение то, как изменяется этот наклон по
мере приближения к решению. Изменение наклона касательной определяется второй производной.

54
dW
0
d x
≠
Рис. 4.12. Пример сходимости метода Ньютона для электрической сети
Пусть переменная принадлежит интервалу a ≤ x ≤ b. Тогда условия
сходимости метода Ньютона для уравнения с одним неизвестным можно
сформулировать следующим образом:
1. Функция W(x) должна быть дважды дифференцируемой и иметь
один корень (на заданном интервале).
2. На заданном интервале функция W(x) не должна иметь экстрему-
мов, что соответствует условию
. Действительно, в точке экстре-
мума касательная не имеет пересечения с осью абсцисс.

55
3. Функция W(x) не должна иметь также точек перегиба, т. е. вторая
2
2
dW
d x
2
2
dW
d x
должны иметь один и тот же знак. Действительно, для сход
производная
на заданном интервале должна сохранять свой знак.
На рис. 4.12 вторая производная в точке начального приближения и дальше в сторону решения положительна. В результате по мере приближения
к решению наклон касательных постепенно увеличивается, но точки пересечения касательных с осью абсцисс все время остаются между решением
и начальным приближением (апериодическая сходимость). Благодаря
этому итерационный процесс быстро сходится. Если бы вторая производная изменила знак и функция W(x) в некоторой точке обратилась бы выпуклостью вверх, то касательная в этой точке пересекла бы ось абсцисс
с другой стороны от решения, что могло бы привести к расходимости
итерационного процесса. Также из рис. 4.12 видно, что вблизи решения
функция W(x) практически линейна, т. е. вторая производная близка к нулю. Это не препятствует сходимости, а наоборот, улучшает ее, поскольку
касательная при этих условиях почти совпадает с W(x).
4. В точке начального приближения функция W(x) и ее вторая произ-
водная
и-
мости процесса функция W(x) должна быть обращена выпуклостью к оси
абсцисс, что и соответствует данному правилу знаков. Поскольку, согласно
условию 3, сходимость является апериодической, то достаточно, чтобы указанное правило знаков выполнялось не на всем интервале, а только от
начального приближения до точки решения. Знаки функции и ее второй
производной между начальным приближением и решением не изменяются.
Поэтому достаточно задать условие равенства знаков только для одной точки интервала, в качестве которой выбрана точка начального приближения.
Рассмотренные четыре условия сходимости метода Ньютона являются достаточными, но не необходимыми. Это следует хотя бы из того, что
для сходимости имеют значение свойства функции не на всем интервале,
а только в точках нулевого, первого, второго и т. д. приближений. Между
этими точками функция W(x) может иметь, например экстремум, что не
повлияет на сходимость.

56
4.12. УСЛОВИЯ СХОДИМОСТИ МЕТОДА НЬЮТОНА
dW
dX
1
−
dW
dX
1−
≤β
dW
dX
ДЛЯ СИСТЕМ УРАВНЕНИЙ
Рассмотрим переменные (неизвестные) x1, x2, …, xn в системе (4.6) как
координаты n-мерного пространства. Выделим в этом пространстве область R, ограничивающую диапазон изменения переменных. Решение системы (4.6) будет представлять собой некоторую точку X0 в рассматриваемом пространстве. Введем обозначение N(X, r) – n-мерная сферическая
область радиуса r с центром в точке X.
Первые два условия сходимости:
1) функции Wi системы (4.6) должны быть непрерывно дифференци-
руемы в области R;
2) должно существовать число r > 0, при котором область N(X0, r)
полностью принадлежит области R. Это значит, что решение находится
внутри области R.
Нетрудно видеть, что данные условия соответствуют первому усло-
вию сходимости для уравнений с одним неизвестным, за исключением
существования вторых производных.
Третье и четвертое условия сходимости накладывают ограничение
на матрицу Якоби
:
3) в точке X0 должна существовать обратная матрица Якоби
норма которой удовлетворяет условию
, где β – действительное
положительное число;
4) в области N(X0, r) матрица Якоби как функция X должна быть
непрерывна по Липшицу.
,
Условие 3 приблизительно означает, что величины, обратные произ-
водным, не должны быть бесконечно велики, т. е. сами производные
не должны обращаться в ноль. Это эквивалентно условию 2 для уравнения
с одним неизвестным. Однако для систем уравнений условие 3 должно
выполняться не для всей области N(X0, r), а только для точки решения.

57
Матричная функция
( )
XF
(
) (
)
12
12
XX
,
XX
−
≤γ
−
FF
( )
XF
называется непрерывной по Липшицу, если
для любых двух точек X1, X2, принадлежащих заданной области, выполняется условие
(4.39)
где γ – действительное положительное число, которое называется константой Липшица.
Из неравенства (4.39) видно, что непрерывность по Липшицу факти-
чески означает, что модули первых производных функции
ограни-
чены сверху. Поскольку в рассматриваемом случае функцией является
матрица Якоби, то четвертое условие сходимости ограничивает модули
вторых производных функций Wi.
Если выполняются условия сходимости 1–4, то существует дей-
ствительное положительное число r
, при котором метод Ньютона
0
сходится, если точка начального приближения принадлежит области
N(X0, r0).
Таким образом, рассмотренные условия гарантируют сходимость не
во всей области R и даже не во всей ее сферической части N(X0, r), а толь-
ко в некоторой внутренней сфере N(X0, r0), которая может иметь весьма
малые, но всегда конечные размеры. Именно поэтому условие 3 задано
только для точки решения, а не для всей области.
Следует заметить, что в условиях сходимости знак второй производной никак не ограничивается (в отличие от уравнения с одним неизвестным). Действительно, как было отмечено в предыдущем параграфе, изменение знака второй производной приводит лишь к тому, что сходимость
теряет апериодический характер. Однако если модуль второй производной
не будет слишком большим, то итерационный процесс не разойдется,
а лишь примет колебательный характер, по крайней мере, в области, достаточно близкой к решению. Этому и соответствует условие непрерывности матрицы Якоби по Липшицу.

58
Как и во всех предыдущих случаях, рассмотренные условия сходимо-
сти являются достаточными, но не необходимыми. Анализ показал, что
при расчете режимов электрических сетей достаточные условия сходимости часто не выполняются. При этом во многих случаях итерационный
процесс все же сходится.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Запишите рекуррентную формулу в общем виде для нахождения x4
при решении системы уравнений с десятью неизвестными x1…x10 методом
Зейделя.
2. Почему в третьем слагаемом в правой части формулы (4.3) у напря-
жения отсутствует номер итерации?
3. Какую размерность имеет величина ε в формуле (4.10) при реше-
нии уравнений узловых напряжений в форме баланса мощностей, если
напряжения выражены в [кВ], а проводимости – в [См]?
4. Сколько элементов содержит матрица Якоби при решении уравне-
ний режима методом Ньютона, если число узлов с неизвестными напряжениями равно десяти, а узлы, балансирующие по реактивной мощности,
отсутствуют?
5. Назовите модификации метода Ньютона.
6. Что такое золотое сечение?
7. Почему матрица узловых проводимостей обычно является слабо
заполненной?
8. Сколько решений будут иметь уравнения режима при задании
нагрузок постоянными сопротивлениями?
9. Сформулируйте условия сходимости метода простой итерации для
уравнения с одним неизвестным.
10. Сформулируйте условия сходимости метода Зейделя.
11. Сформулируйте условия сходимости метода Ньютона для урав-
нения с одним неизвестным.
12. Сформулируйте условия сходимости метода Ньютона для систем
уравнений.

59
5. ОСОБЫЕ РЕЖИМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Расчет особых режимов обычно представляет собой более сложную
задачу по сравнению с расчетом нормальных режимов. Различные особые
режимы часто требуют индивидуальных методов расчета и индивидуальных форм записи уравнений. Однако такие режимы обычно «охватывают»
сравнительно небольшие части электрической системы, поэтому число узлов при расчете особых режимов сравнительно невелико. Ниже рассмотрены несимметричные и несинусоидальные режимы как наиболее характерные и часто встречающиеся.
5.1. РАСЧЕТ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ
МЕТОДОМ ФАЗНЫХ КООРДИНАТ
Не симметрия режима трехфазных электрических сетей в той или
иной степени имеет место всегда. Однако если составляющие обратной
и нулевой последовательностей токов и напряжений малы, то режим считается симметричным.
Практическим критерием симметрии режима может являться соответствие коэффициентов обратной и нулевой последовательностей требованиям ГОСТ 32144-2013. Однако пределы этих коэффициентов, согласно ГОСТу, приняты исходя из технических условий работы электрооборудования, а не из допустимой погрешности расчета. По этой причине понятие «симметричный режим» с точки зрения ГОСТа может не совпадать
с этим понятием с точки зрения расчета режима. Кроме того, сделать вывод о соответствии режима ГОСТу часто можно только после его расчета.
Не симметрия режима может иметь следующие причины:
1) неравномерное распределение нагрузок по фазам;
2) неодинаковые сопротивления (проводимости) разных фаз элемен-
тов сети (характерно для воздушных линий);
3) работа сети при одной или двух отключенных фазах какой-либо
линии.

60
Метод фазных координат заключается в том, что уравнения режима
нIA
U
нIB
U
нIC
U
н IIA
U
н IIB
U
н IIC
U
IA
S
IB
S
IC
S
IIA
S
IIB
S
IIC
S
I
A
I
I
B
I
IC
I
II
A
I
II
B
I
II
C
I
I
A
U
IB
U
IC
U
IIA
U
II
B
U
IIC
U
записываются через фазные токи и напряжения.
Рассмотрим двухцепную линию электропередачи. Схема замещения
для расчета несимметричных режимов (без учета емкостных проводимостей) показана на рис. 5.1. Известны фазные напряжения в начале линии
для цепей I, II:
янными фазными мощностями
,
,
,
,
,
,
,
,
. Нагрузки заданы посто-
,
,
. Для линий из-
вестны комплексные сопротивления фаз Zф, а также взаимные индуктивные сопротивления. Электромагнитное взаимодействие разных фаз одной
цепи характеризуют взаимные индуктивные сопротивления XAB, XBC, XAC.
Остальные взаимные индуктивные сопротивления соответствуют электромагнитному взаимодействию между фазами разных цепей. При этом
в силу симметричного расположения цепей будем считать равными следующие пары сопротивлений: X
AIBII
= X
BIAII
, X
AICII
= X
CIAII
, X
BICII
= X
CIBII
(приведенная ниже система уравнений записана с учетом этих равенств).
Требуется определить токи в линии
напряжения в конце линии
,
,
,
,
,
,
,
,
,
,
и фазные
.
Рис. 5.1. Схема замещения двухцепной линии в несимметричном режиме
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
