Актуальность темы. Одной из основных современных тенденций в развитии электроэнергетических систем является переход к концепции интеллектуальных сетей (Smart Grid). «Внедрение интеллектуальных систем управления электросетевым хозяйством на базе цифровых технологий» - один из пунктов Указа Президента от 7 мая 2018 года № 204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации на период до 2024 года».
Современные IT-технологии для построения цифровых интеллектуальных сетей внедряются не только на уровне высоковольтных электрических сетей, где задачи мониторинга и управления технологическим процессом решаются уже многие десятилетия, но и на уровне распределительных сетей 6-35 кВ. До недавнего времени распределительные сети работали в пассивном режиме одностороннего электроснабжения потребителей от источников питания. С внедрением распределенной генерации и технологий интеллектуальных сетей усложнились режимы работы этих сетей, но появились возможности по управлению и оптимизации режимов их работы. Это требует разработки математической модели режима работы электрической сети в трехфазной постановке, так как степень несимметрии в распределительных сетях весьма высока. Проблема усложняется тем, что существующие средства измерения таких режимных параметров, как токи, напряжения и мощности, были ориентированы на однолинейную модель установившегося режима без учета фазной несимметрии. В настоящее время эти измерения активно заменяются трехфазными, но процесс такой замены может потребовать нескольких лет.
Полный переход на трехфазное моделирование установившихся режимов работы электрических сетей не требуется, поскольку в сетях высоких классов напряжения несимметрия практически отсутствует. По этой причине актуальна разработка режимной модели, совмещающей возможность расчета режима для части сети в однолинейном представлении, а для остальной части - в трехфазном представлении.
Традиционные алгоритмы расчета и анализа установившихся электрических режимов в большей степени ориентированы на однолинейную модель режима работы сети. В основе однолинейного представления лежит допущение, что все элементы схемы замещения симметричны, нагрузки представляются суммарным значением мощностей всех трех фаз. С увеличением степени несимметрии подобное допущение будет приводит к погрешности расчёта режимных параметров. Из этого следует необходимость применения методов анализа несимметричных режимов для получения более точного математического описания режимов работы.
Степень разработанности темы исследования. На сегодняшний день существует два базовых подхода для анализа несимметричных режимов - это метод фазных координат и метод симметричных составляющих. Метод симметричных составляющих хорошо теоретически проработан и широко представлен в литературе. Этот метод требует меньших объемов памяти для программной реализации по сравнению с методом фазных координат. Размерность решаемой системы уравнений для симметричных составляющих меньше по сравнению с расчетами в фазных координатах, но при современном уровне развития вычислительной техники эти преимущества уже не существенны.
В основе метода симметричных составляющих лежит принцип, что несимметрия рассматривается только в одной точке сети (как правило, это точка короткого замыкания или обрыва). Схемы прямой, обратной и нулевой последовательности связаны только в точке возмущения, в остальном они независимы. Стандартный алгоритм не позволяет рассматривать более одного возмущения в схеме. При рассмотрении многократной несимметрии данный метод значительно усложняется. Метод не позволяет учесть несимметрию элементов схемы замещения. Кроме того, в методе симметричных составляющих отсутствует возможность учета неполнофазных ответвлений от трехфазной сети.
При рассмотрении режимов в фазных координатах наибольшее распространение получили уравнения узловых напряжений в форме баланса мощности. При этом существует проблема плохой сходимости данного метода. Кроме уравнений узловых напряжений, для расчётов режимов в фазных координатах может применяться метод прямого-обратного хода. Этот метод позволяет с хорошей сходимостью рассчитывать режимы сетей без замкнутых контуров и генераторов.
В диссертационной работе исследуется и развивается трехфазная модель установившегося режима на основе потоковой модели (ПМ). Однолинейная потоковая модель для расчёта и оценивания состояния установившегося режима была разработана на основе задачи энергораспределения на кафедре автоматизированных электрических систем УрФУ. В отличие от классических уравнений узловых напряжений, где в качестве неизвестных величин используются напряжения в комплексной форме, ПМ в качестве расчетных (искомых) переменных использует активные и реактивные потоки мощности ветвей и модули узловых напряжений. Эта особенность меняет ряд вычислительных аспектов. Расчёты на основе потоковой модели обладают высокой сходимостью, не зависящей от отношения И/Х. Кроме того, могут быть учтены ветви с нулевыми сопротивлениями без алгоритмических изменений и проблем численной неустойчивости, которые присущи классическим уравнениям узловых напряжений. В рамках потоковой модели автором предложены способы учета генерирующих узлов с фиксированным напряжением и замкнутых контуров, что позволяет учесть современные особенности распределительных сетей.
Несимметрия, как правило, увеличивается с понижением класса напряжения и с приближением к узлам нагрузки. Современные информационно-измерительные системы, установленные в распределительных сетях, позволяют получать измерения фазных величин (токов, напряжений и мощностей). Однако в эксплуатации находятся и устаревшие информационно-измерительные системы, которые передают только усреднённые по трем фазам измерения. Кроме того, в трехфазной сети могут присутствовать однофазные и двухфазные ответвления, которые необходимо учитывать. Весь этот массив информации должен присутствовать в модели установившегося режима. При этом в системообразующей сети высокого напряжения применение детальных трехфазных моделей ограничено...
1. В обзоре литературы были рассмотрены существующие математические модели в фазных координатах основных элементов электрической сети: линии электропередачи, трансформаторов, генераторов и нагрузок. Задача моделирования трансформаторов с учетом сдвига фаз не имеет однозначного решения, в работе выбран подход, который использует метод симметричных составляющих, предложенный W.H. Kersting.
2. Анализ публикаций выявил, что наибольшее распространение для расчёта установившихся режимов в трех фазах получили уравнения узловых напряжений. Недостатками этого подхода являются проблемы со сходимостью и размерность задачи для трехфазной постановки. Для чисто радиальных сетей без источников генерации нашел широкое применение метод прямого-обратного хода (в два этапа).
3. Получила развитие потоковая модель установившегося режима,
позволяющая учитывать схемы любой конфигурации и генерирующие узлы. В исходную постановку задачи добавлены контурные уравнения на основании второго закона Кирхгофа. Полученный метод обладает лучшими характеристиками сходимости применительно к
распределительным сетям по сравнению с существующими.
4. Представлен алгоритм ускорения расчёта потоковой модели, который позволяет уменьшить размерность решаемой задачи, которая является одним из основных недостатков потоковой модели. При этом сохраняются плюсы потоковой модели, связанные с высокой скоростью и надежностью сходимости.
5. Разработана потоковая модель установившегося режима в трехфазной постановке, которая позволяет использовать детальные модели элементов, учитывающие несимметрию режимных параметров. Это особенно актуально для распределительных сетей, где высока степень несимметрии и пренебрежение этим аспектом может приводить к значительной погрешности.
6. Предложена гибридная трехфазно-однолинейная модель, которая позволяет объединить в рамках единого расчётного цикла фрагменты (районы) электрической сети с однолинейным и трехфазным представлением. При этом появляется возможность использовать точное трехфазное математическое представление сети только в тех районах, где присутствует несимметрия режима работы электрической сети и имеются трехфазные измерения, все остальные районы электрической сети моделируются с использованием однолинейных моделей. Численные эксперименты показывают, что допущения, лежащие в основе модели, не приводят к значительным погрешностям.
7. Разработана единая система уравнений для гибридной трехфазнооднолинейной модели, которая может быть использована, как в задачах расчёта установившихся режимов, так и в задачах оценивания состояния. Тем самым обеспечивается возможность реализации единого расчётного ядра, обобщающего все представленные в работе алгоритмы. ГТО модель позволяет использовать всю имеющуюся измерительную информацию, что дает возможность точнее оценивать режимы работы сетей за счёт применения и усреднённых и трехфазных измерений.
8. Перспективы развития данной работы связаны с разработкой методов ускорения расчёта на основе потоковой модели, наибольший интерес представляет применение принципа фазного разделения, а также применение потоковой модели в задаче анализа предельных режимов ввиду хорошей обусловленности и быстрой сходимости модели.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
