Алгоритм синтеза оптимальных решений для схем энергосистем на основе метода динамического программирования

Александр Александрович Волошин; Евгений Александрович Волошин; Владимир Федорович Лачугин; Александр Игоревич Коваленко; Дмитрий Петрович Яковлев; Егор Сергеевич Астахов

Алгоритм синтеза оптимальных решений для схем энергосистем на основе метода динамического программирования

Александр Александрович Волошин, Евгений Александрович Волошин, Владимир Федорович Лачугин, Александр Игоревич Коваленко, Дмитрий Петрович Яковлев, Егор Сергеевич Астахов

Аннотация

Рукопись поступила в редакцию 24.04.2025, утверждена редколлегией в печать 7.07.2025.

Актуальной задачей в электроэнергетике является обоснование проектных решений для распределительных электрических сетей с технической и экономической точек зрения. Существующие методы проектирования как ручные, так и программные, не позволяют полностью автоматизировать процесс и не учитывают распределённые источники энергии. Предложен алгоритм автоматического синтеза оптимальной структуры и параметров схемы электрической сети. Для реализации алгоритма использовался метод динамического программирования, что позволило значительно сократить пространство поиска и повысить эффективность вычислений. Программная реализация алгоритма выполнена на языке программирования Java с визуализацией полученных решений с помощью пакета javax.swing. Для проверки эффективности предложенного подхода были проведены вычислительные эксперименты на 13-узловой схеме распределительной сети. Рассматривались две задачи: проектирование новой электрической сети и развитие существующей электрической сети с использованием алгоритма автоматического синтеза оптимального решения для энергосистемы на основе динамического программирования. В ходе экспериментов были проанализированы различные сценарии, включая разные конфигурации сети и уровни номинальных напряжений подстанций. Полученные результаты показали, что предложенный алгоритм позволяет эффективно находить оптимальные решения, учитывая не только технические, но и экономические аспекты.

DOI: 10.71841/EP.elst.2025.1130.9.06

Ключевые слова

оптимизация параметров электрической сети, метод динамического программирования, проектирование распределительной сети, развитие существующей распределительной сети, вычислительный эксперимент

Полный текст:

PDF

Литература

Кубарьков, Ю.П. Методологический подход при решении основных задач оптимизации электрической сети для эффективного решения распределения заданных параметров схем электроснабжения / Ю.П. Кубарьков, Я.В. Макаров, К.А. Голубева // Электроэнергетика глазами молодежи -- 2017: материалы VIII Международной научно-технической конференции; 02–06 октября 2017 года, Самара. -- Самара: Самарский государственный технический университет, 2017. – Т. 3. -- С. 94 -- 97.

Малышева, Н.Н. Определение оптимальной структуры электрической сети / Н.Н. Малышева, В.В. Зайнулин // Приоритетные направления инновационной деятельности в промышленности: сборник научных статей XII Международной научной конференции; 30–31 декабря 2021 года, Казань. -- Казань: ООО "КОНВЕРТ", 2021. .Ч. 1. -- С. 165 -- 166.

Карандеев, Д.Ю. Программа для поиска оптимальной структуры распределительной сети на этапах проектирования [Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ] / Д.Ю. Карандеев: № RU 2020610366. Россия, 19.12.2019. № 2019667014. 13.01.2020. 45 Мб. -- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова».

Карандеев, Д.Ю. Программный продукт для проектирования и поиска оптимальной топологической структуры распределительной сети [Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ] / Д.Ю. Карандеев, И.Ю. Карандеева: № RU 2024611579. Россия, 26.12.2023. 23.01.2024. 50 МБ. -- Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Хакасский государственный университет им. Н.Ф. Катанова".

Картавцев, В.В. Оптимизация структуры и параметров электрических сетей / В.В. Картавцев, Д.Н. Афоничев, Ю.М. Помогаев // Вестник ВГАУ. – 2018. – № 3. – С. 113 -- 119.

Фурсанов, М.И. Введение в оптимизацию разомкнутых электрических сетей по дискретным параметрам / М.И. Фурсанов // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. – 2012. – № 3. – С. 13 -- 22.

Бондарь, В.В. Комплексная оптимизация сети по дискретным параметрам / В.В. Бондарь // Молодежь и системная модернизация страны: сборник научных статей 4-й Международной научной конференции студентов и молодых ученых; 21–22 мая 2019 года, Курск. -- Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. – Т. 6. -- С. 15 -- 18.

Брамм, А.М. Оптимизация топологии сети с ВИЭ-генерацией на основе модифицированного адаптированного генетического алгоритма / А.М. Брамм, А.И. Хальясмаа, С.А. Ерошенко, П.В. Матренин, Н.А. Попкова, Д.А. Секацкий // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. -- 2022. -- Т. 65, № 4. -- С. 341 -- 354.

Vargas, G.A.D. Optimization of Topological Reconfiguration in Electric Power Systems Using Genetic Algorithm and Nonlinear Programming with Discontinuous Derivatives / G.A.D. Vargas, D.J. Mosquera, E.R. Trujillo // Electronics. -- 2024. -- Vol. 13, No. 3. -- P. 616. -- https://doi.org/10.3390/electronics13030616.

Ildarabadi, R. Resilience enhancement of distribution grids based on the construction of Tie-lines using a novel genetic algorithm / R. Ildarabadi, H. Lotfi, M.E. Hajiabadi // Energy Systems. -- 2023. -- P. 1 -- 31. -- https://doi.org/10.1007/s12667-022-00562-z.

Xu, L. Research on computer interactive optimization design of power system based on genetic algorithm / L. Xu // Energy Reports. -- 2021. -- Vol. 7. -- P. 1 -- 13.

Bisht, V.S. A review on genetic algorithm and its application in power system engineering / V.S. Bisht, N. Joshi, G.S. Jethi, A.S. Bhakuni // Metaheuristic and Evolutionary Computation: Algorithms and Applications. -- Singapore: Springer, 2020. -- P. 107 -- 130.

Dehghani, M. Genetic algorithm for energy commitment in a power system supplied by multiple energy carriers / M. Dehghani, M. Mardaneh, O.P. Malik, J.M. Guerrero, C. Sotelo, D. Sotelo, M. Nazari-Heris, K. Al-Haddad, R.A. Ramirez-Mendoza // Sustainability. -- 2020. -- Vol. 12. -- P. 10053.

Papazoglou, G. Review and Comparison of Genetic Algorithm and Particle Swarm Optimization in the Optimal Power Flow Problem / G. Papazoglou, P. Biskas // Energies. -- 2023. -- Vol. 16. -- P. 1152.

Филиппова, Т.А. Оптимизация режимов электростанций и энергосистем / Т.А. Филиппова. – М.: Энергия, 2010.

Акулич, И.Л. Математическое программирование в примерах и задачах / И.Л. Акулич. -- М.: Издательство «Высшая школа», 1986. -- 319 с.

Шведов, Г.В. Проектирование районной электрической сети 110 – 220 кВ: учебное пособие / Г.В. Шведов, Е.С. Королева. -- М.: Изд-во "МЭИ", 2021. -- 94 с.

Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: ГОСТ 32144-2013. -- М., 2014.

Крючков, И.П. Электрическая часть электростанций и подстанций: справочные материалы для курсового и дипломного проектирования / И.П. Крючков, Б.Н. Неклепаев. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 2009. – 608 с.