способ автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания

Формула изобретения

Способ автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания с учетом различных структур системы и устройств, входящих в ее состав, топологий электрической сети по совокупности множества критериев оптимизации, включающих показатели качества электрической энергии, надежности и экономические, основанный на морфологическом подходе к синтезу и объединяющий три метода - структурный, параметрический и топологический, отличающийся тем, что проводят четырехэтапную многокритериальную оптимизацию методом динамического программирования ориентированного графа системы бесперебойного электропитания, где первый этап - параметрическая оптимизация количества вершин графа, которыми являются все устройства, входящие в состав системы электропитания; второй - структурно-параметрическая оптимизация с учетом различных структур системы; третий - структурно-топологическая оптимизация с учетом возможных маршрутов графа, где объектом синтеза являются электрические сети; четвертый - параметрическая оптимизация по расчетам переходных процессов в нестационарных режимах, поиск глобального экстремума целевой функции и построение структурной схемы проектируемой системы по результатам синтеза.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано при проектировании и модернизации систем бесперебойного электропитания вычислителей. Техническим результатом является повышение достоверности выбора оптимальной структуры за счет увеличения числа критериев оценки при проектировании (качество электрической энергии, надежность, экономические показатели) и проверка соответствия нормируемым параметрам. Кроме того, уменьшаются временные затраты на проектирование, повышаются достоверность, надежность и помехозащищенность систем бесперебойного электропитания после ввода в эксплуатацию.

Известен способ повышения точности моделирования сложных систем при проектировании, испытании и эксплуатации по совокупности существенных признаков за счет введения этапа изменения критериев качества в зависимости от условий функционирования системы и от ресурса, выделенного для выполнения основной работы [1].

Устройство, реализующее известный способ, содержит (фиг.1) имитатор первой работы 1, имитатор второй работы 2, имитатор третьей работы 3, блок памяти 4, арифметический блок 5, задатчик ресурса 6, блок коррекции 7 и блок сравнения 8.

Недостаток прототипа заключается в строгой последовательности корректирующих работ, что ограничивает возможности и увеличивает временные затраты на разработку, а определение критериев качества по минимальному ресурсу сужает область рассматриваемых критериев.

Целью изобретения является минимизация уровня кондуктивных помех, максимизация показателей надежности на этапе проектирования, повышение точности расчетов, а также снижение материальных и временных затрат.

Поставленная цель достигается тем, что методом морфологического синтеза, состоящего из структурного, параметрического и топологического этапов, производят многокритериальную оптимизацию устройств, входящих в проектируемую систему бесперебойного электропитания, строят ее оптимальную структуру и топологию электрической сети, соединяющей все устройства.

Для достижения указанного технического результата использован морфологический метод [2], преимуществом которого является возможность алгоритмизации и компьютерной реализации всех этапов проектирования. Проведенный анализ современных систем электропитания (СЭП) позволил установить совокупность характеризующих их функциональных, структурных и параметрических признаков и выделить пять основных иерархических уровней сложной системы. Первый уровень: источники энергии (ИЭ), включающие системы генерирования энергии (СГЭ) и системы резервирования энергии (РЭ); второй уровень: преобразователи энергии (ПЭ), в состав которых входят выпрямительные устройства (ВУ), инверторы (И) и конверторы (К); третий уровень: системы коммутации (СК), системы передачи и распределения энергии (СП и РЭ); четвертый уровень: система - безопасность и среда (Б и С), в состав которой входят система защиты (СЗ), система вентиляции и кондиционирования воздуха (СВ и КВ); пятый уровень: потребители энергии (П), включающие потребителей постоянного (ПОТ) и переменного тока (ПЕТ). Для выбора элементов в пределах одного иерархического уровня составлены графы с вырожденными ИЛИ (V) - вершинами для всех пяти уровней. Так, например, на II-м уровне преобразователи энергии представлены к рассмотрению k, m и p - вариантов типового промышленного оборудования выпрямительных устройств, инверторов и конверторов соответственно (фиг.2), где количество сочетаний выпрямительных устройств и инверторов варьирует от 1 до n, а количество вариантов преобразователей энергии от 1 до s. Элементы различных уровней имеют логическую И (&), как показано на фиг 3. Для учета различных конфигураций электрической сети, которым соответствуют определенные конфигурации системы бесперебойного электропитания, определены все возможные маршруты графа, один из которых приведен на фиг.4.

Для количественной оценки свойств элементов всех уровней введены векторы параметров: внешние, внутренние и выходные (фиг.5). Внешние параметры характеризуют внешнюю среду, к которой относятся электрическая сеть {c₁ c₄}, потребители энергии {c₁₈}, параметры окружающей среды {c₁₉ c₂₁}, экономические показатели - тарифы на энергопотребление {c₂₂ c₂₄}, показатели качества электрической энергии {c₅ c₁₇}, необходимые для оценки устойчивости к кондуктивным помехам. Внутренние параметры характеризуют элементы всех уровней, где N - суммарное число элементов, входящих в состав всех уровней, a n - порядок вектора. Граничные значения переменных определяются требованиями нормативных документов [3 6].

Предлагаемый способ включает четыре взаимосвязанных этапа проектирования с использованием метода динамического программирования [7]. Первый (I) этап: параметрическая оптимизация количества вершин графов на всех пяти иерархических уровнях в соответствие с алгоритмом фиг.6. Второй (II) этап: структурно-параметрическая оптимизация переменных графа (фиг.3) за исключением элементов СП и РЭ. Поиск локальных экстремумов целевой функции при заданных граничных условиях производится соответственно по энергетическим, экономическим и показателям надежности. Процесс оптимизации разбивается на три взаимоувязанных действия:

Целевая функция проектируемой СЭП представляется в виде:

где n_N - число элементов N-го уровня; m_N - количество вариантов для N-го уровня; - составляющие целевой функции для j-го варианта i-го элемента J-го уровня. Третий (III) этап: структурно-топологическая оптимизация с учетом всех возможных маршрутов (фиг.4), где объектом синтеза являются электрические сети. Выбор топологии электрической сети включает определение количества и места пространственного размещения распределительных устройств первичных и вторичных сетей и подключений к потребителям. Ограничения на размещение узловых точек в монтажном пространстве накладываются в соответствии с требованиями нормативных документов [8]. Проводится поиск локальных экстремумов при заданных граничных условиях для элементов третьего уровня, а функция цели представлена в виде: где n_III - число элементов III уровня; m _III - количество вариантов для III-го уровня; - составляющие целевой функции для j-го варианта i-го элемента III-го уровня. Четвертый (IV) этап: расчет переходных процессов с помощью разработанных имитационных моделей в среде MatLab/Simulink для различных режимов работы и воздействиях со стороны СГЭ и нагрузки [9]. Выполняется параметрическая оптимизация переменных графа фиг.3 по расчетам переходных процессов и, затем, поиск глобального экстремума целевой функции (2), включая элементы пяти уровней с учетом весовых коэффициентов, граничных условий и физической реализуемости вариантов.

Проверка способа автоматизированного проектирования систем бесперебойного электропитания выполнена для кустового вычислительного центра при следующих исходных параметрах: мощность потребления нагрузками основной группы цепи постоянного тока 26 кВт с напряжением 48 B; технологические нагрузки с напряжением 24 B и мощностью потребления 6 кВт; хозяйственные нагрузки - 10 кВА; ток потребления для аварийного освещения 10 A; полная мощность потребления 12 кВА от однофазной сети 220 B; мощность потребления осветительными и климатическими приборами, соответственно, 2 кВт и 6 кВт; время аварийной работы от АБ - 3 часа, температура окружающей среды 18°C. Многокритериальная оптимизация на всех этапах выполнена методом достижения цели Марка Гембики [10], который используется в пакете Optimization Toolbox в среде MatLab, а результат оценки различных вариантов представлен в виде столбцов, количество которых соответствует числу вариантов, как, например, для СГЭ на фиг.7. В результате оптимизации при проектировании получена структура СЭП, в состав которой входят: ГЭ типа FG40P1 мощностью 80кВА, ГАБ типа OpzS емкостью 3000 A·ч; ВУ типа ИБП-4 (две стойки: одна с 12 модулями и вторая стойка с 9 модулями), К - из двух модулей типа СПН 3-48-24/360-12, И - одна основная стойка и одна резервная типа DSI-48-1200 (фиг.7). Оптимальная структура (фиг.8) имеет следующие технические характеристики: минимальная мощность потребления составляет 79,4419 кВА; интенсивность отказов _УЭП=7,4683×10^-6; объем топлива с учетом продолжительности работы от собственной электростанции T_m=3 ч составляет V_МСЭ=57,6 м³ ; установившееся отклонение напряжения в цепи переменного тока U₁ не превышает 9%; коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не более 10,4%; коэффициент временного перенапряжения не более 1,4; глубина провала напряжения в цепи постоянного тока не более 11%.

Результаты исследований показали, что предлагаемый способ автоматизированного проектирования позволяет повысить достоверность выбора оптимальной структуры при проектировании системы электропитания, что не только улучшит показатели качества электрической энергии, надежности и экономические показатели, но и снизит временные затрат на проектирование и повысит помехозащищенность систем бесперебойного электропитания после ввода в эксплуатацию.

Источники информации

1. Рафиков Д.Г. Способ статистического моделирования сложной системы работ. Авт. св. № 2378695, кл. G06G 7/48, G06Q 10/00, 2010.

2. Одрин В.М. Метод морфологического анализа технических систем. М.: ВНИИПИ, 1989.

3. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: Госстандарт, 1998.

4. ГОСТ Р51317.6.5-2006. Совместимость технических средств электромагнитная. Устойчивость к электромагнитным помехам технических средств, применяемых на электростанциях и подстанциях. Требования и методы испытаний. - М.: Госстандарт, 2007.

5. РД 45.063-99. Установки питания и оборудование, входящее в их состав, для взаимоувязанной сети связи Росcии. Технические требования. - М.: Госстандарт, 2001.

6. ОСТ 45.185-2001. Установки электропитания аппаратуры электросвязи стационарные. Общие технические требования.

7. Щербина О.А. Методологические аспекты динамического программирования // Динамические системы. Вып. 22, 2007. - С.21 36.

8. ВСН 332-93. Ведомственные строительные нормы "Инструкция по проектированию электроустановок предприятий, проводного вещания, радиовещания и телевидения".

9. Рогулина Л.Г. Оценка внутренних помех систем электропитания радиорелейных линий связи. Омский научный вестник. № 3(93), 2010 г., Омск, с.285 290.

10. Gembicki F.W. "Vector Optimization for Control with Performance and Parameter Sensitivity Indices," Ph.B. Thesis, Case Western Reserve Univ., Cleveland, Ohio, 1974.