Помощь студентам в учебе
УПРАВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫМИ СЕТЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОТОКОВОЙ МОДЕЛИ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА
|
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО, ИНФОРМАЦИОННОГО И ДИСПЕТЧЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 16
1.1 Реализация элементов концепций Smart Grid и Smart Metering 16
1.2 Обзор электрических схем распределительных сетей 22
1.2.1 Существующие схемы распределительных сетей 23
1.2.2 Перспективные схемы распределительных сетей 27
1.3 Особенности работы сетей в замкнутых кольцевых схемах 30
1.3.1 Факторы, ограничивающие использование кольцевых схем 30
1.3.2 Способы организации кольцевых структур в существующих схемах ... 36
1.4 Схема функционирования диспетчерско-технологического контроля 38
1.5 Перспективы использования измерений и устройств управления 46
1.5.1 Особенности использования счетчиков и систем на их основе 46
1.5.2 Управление активными элементами распределительной сети 50
1.6 Выводы по главе 1 55
ГЛАВА 2. ПОТОКОВАЯ МОДЕЛЬ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ
СЕТИ. ЗАДАЧА ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖИМА СЕТИ 57
2.1 Модели для расчета установившихся режимов электрических сетей 57
2.1.1 Существующие модели режима работы сети 58
2.1.2 Потоковая режимная модель 61
2.1.3 Сравнение потоковой и классической режимных моделей 67
2.2 Расчет режима работы сети на основе задачи оценивания состояния 73
2.2.1 Известные подходы к решению задачи оценивания состояния 73
2.2.2 Необходимость использования задачи оценивания состояния 76
2.3 Оценка режимных параметров в распределительных сетях 77
2.3.1 Особенности работы сетей 6-35 кВ и проблемы их учета 78
2.3.2 Проблемы использования классической режимной модели 81
2.4 Задача оценивания состояния с использованием потоковой модели 85
2.4.1 Постановка задачи оценивания состояния 87
2.4.2 Наблюдаемость в потоковой модели оценивания состояния 95
2.5 Достоинства потоковой модели в задаче оценивания состояния 96
2.5.1 Расчетные примеры, демонстрирующие возможности модели 97
2.5.2 Оценка режима работы сети при частичном отсутствии измерений .. 106
2.6 Перспективы создания системы SCADA для станций и подстанций 111
2.7 Выводы по главе 2 116
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ
УЧАСТНИКОВ ЭНЕРГООБМЕНА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ 118
3.1 Характеристика собственников сетей, их взаимодействие и оборудование 118
3.1.1 Финансовая модель взаимодействия участников энергообмена 121
3.1.2 Характеристики устройств управления собственников сети 124
3.2 Оптимизации режима работы участников энергообмена в потоковой модели. 126
3.2.1 Постановка задачи оптимизации 127
3.2.2 Описание затратных составляющих 131
3.2.3 Компоновка целевой функции в суточном разрезе времени 137
3.2.4 Учет ограничений в потоковой модели оптимизации 145
3.3 Особенности перехода от задачи оценивания состояния к задаче оптимизации на основе единого расчетного алгоритма потоковой модели 148
3.4 Контроль параметров сети при решении оптимизационной задачи 153
3.5 Выводы по главе 3 165
ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗДЕЛЬНОГО ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ СОБСТВЕННИКОВ СЕТИ 168
4.1 Информационная среда устройства управления распределительной сетью 168
4.2 Описание модели сети расчетного примера 175
4.3 Влияние ценовых сигналов на работу потребительской генерации 178
4.3.1 Суточный прогнозный интервал 179
4.3.2 Часовой коммерческий интервал 184
4.4 Повышение эффективности работы сетевых компаний 190
4.5 Снижение затрат на энергообеспечение крупных потребителей 193
4.6 Выводы по главе 4 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 196
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 199
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 202
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 203
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ О ВНЕДРЕНИИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС 216
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ О ВНЕДРЕНИИ В ПТК ARIS-SCADA 217
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО, ИНФОРМАЦИОННОГО И ДИСПЕТЧЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ 16
1.1 Реализация элементов концепций Smart Grid и Smart Metering 16
1.2 Обзор электрических схем распределительных сетей 22
1.2.1 Существующие схемы распределительных сетей 23
1.2.2 Перспективные схемы распределительных сетей 27
1.3 Особенности работы сетей в замкнутых кольцевых схемах 30
1.3.1 Факторы, ограничивающие использование кольцевых схем 30
1.3.2 Способы организации кольцевых структур в существующих схемах ... 36
1.4 Схема функционирования диспетчерско-технологического контроля 38
1.5 Перспективы использования измерений и устройств управления 46
1.5.1 Особенности использования счетчиков и систем на их основе 46
1.5.2 Управление активными элементами распределительной сети 50
1.6 Выводы по главе 1 55
ГЛАВА 2. ПОТОКОВАЯ МОДЕЛЬ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ
СЕТИ. ЗАДАЧА ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖИМА СЕТИ 57
2.1 Модели для расчета установившихся режимов электрических сетей 57
2.1.1 Существующие модели режима работы сети 58
2.1.2 Потоковая режимная модель 61
2.1.3 Сравнение потоковой и классической режимных моделей 67
2.2 Расчет режима работы сети на основе задачи оценивания состояния 73
2.2.1 Известные подходы к решению задачи оценивания состояния 73
2.2.2 Необходимость использования задачи оценивания состояния 76
2.3 Оценка режимных параметров в распределительных сетях 77
2.3.1 Особенности работы сетей 6-35 кВ и проблемы их учета 78
2.3.2 Проблемы использования классической режимной модели 81
2.4 Задача оценивания состояния с использованием потоковой модели 85
2.4.1 Постановка задачи оценивания состояния 87
2.4.2 Наблюдаемость в потоковой модели оценивания состояния 95
2.5 Достоинства потоковой модели в задаче оценивания состояния 96
2.5.1 Расчетные примеры, демонстрирующие возможности модели 97
2.5.2 Оценка режима работы сети при частичном отсутствии измерений .. 106
2.6 Перспективы создания системы SCADA для станций и подстанций 111
2.7 Выводы по главе 2 116
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ
УЧАСТНИКОВ ЭНЕРГООБМЕНА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ 118
3.1 Характеристика собственников сетей, их взаимодействие и оборудование 118
3.1.1 Финансовая модель взаимодействия участников энергообмена 121
3.1.2 Характеристики устройств управления собственников сети 124
3.2 Оптимизации режима работы участников энергообмена в потоковой модели. 126
3.2.1 Постановка задачи оптимизации 127
3.2.2 Описание затратных составляющих 131
3.2.3 Компоновка целевой функции в суточном разрезе времени 137
3.2.4 Учет ограничений в потоковой модели оптимизации 145
3.3 Особенности перехода от задачи оценивания состояния к задаче оптимизации на основе единого расчетного алгоритма потоковой модели 148
3.4 Контроль параметров сети при решении оптимизационной задачи 153
3.5 Выводы по главе 3 165
ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗДЕЛЬНОГО ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ СОБСТВЕННИКОВ СЕТИ 168
4.1 Информационная среда устройства управления распределительной сетью 168
4.2 Описание модели сети расчетного примера 175
4.3 Влияние ценовых сигналов на работу потребительской генерации 178
4.3.1 Суточный прогнозный интервал 179
4.3.2 Часовой коммерческий интервал 184
4.4 Повышение эффективности работы сетевых компаний 190
4.5 Снижение затрат на энергообеспечение крупных потребителей 193
4.6 Выводы по главе 4 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 196
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 199
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ 202
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 203
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ О ВНЕДРЕНИИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС 216
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ О ВНЕДРЕНИИ В ПТК ARIS-SCADA 217
Актуальность темы исследования. Снижение затрат на процессы выработки и передачи электроэнергии (ЭЭ), ее хранение и потребление является одной из главных задач повышения эффективности функционирования современного электросетевого распределительного комплекса. Известными в настоящее время ключевыми направлениями, связанными с решением этой задачи, являются концепции: «интеллектуальной» активно-адаптивной сети (Smart Grid) [1], «интеллектуальных» измерений (Smart Metering) [2], Интернета вещей (Internet of Things) [3]. Их элементы получают свое развитие в силовом оборудовании, терминалах релейных защит и автоматики, устройствах связи и коммуникации от различных российских и мировых производителей, таких как: ООО «Прософт- Системы», ABB, Schneider Electric, General Electric, Cisco и др. Вместе с тем решению поставленной задачи посвящены меры по техническому и информационному перевооружению сетей напряжением 6 кВ, 10 кВ, 20 кВ и 35 кВ, именуемых далее как распределительные сети (РС). В них начинают применяться современная коммутационная аппаратура и автоматизированные реклоузеры, микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики с дискретными сигналами, установки распределенной генерации (РГ) и накопители ЭЭ, а также широко развиваются «интеллектуальные» автоматизированные информационно-измерительные системы (АИИС) с двухсторонними каналами связи [4-12].
Появление нового, ранее не свойственного для РС оборудования, в том числе и работающих параллельно с сетью генерирующих установок, связано с личной заинтересованностью участников энергообмена в повышении надежности электроснабжения, снижении своих затрат на энергообеспечение, а также в максимизации прибыли при реализации своих возможностей как генерирующего участника. Это стало возможным благодаря появлению доступных технических средств выработки и хранения ЭЭ, в том числе и возобновляемой энергетики [13]. Также росту числа установок РГ в сетях способствует утверждение более гибких правовых механизмов, связанных с введением в первой половине 2012 года новых правил функционирования розничных рынков электроэнергии [14]. Появление установок РГ в сетях 6-35 кВ технологически приводит к изменению ранее устоявшихся принципов функционирования всех процессов электроснабжения потребителей и, в большей степени, к изменению взаимодействия различных участников энергообмена (крупных и малых потребителей, сетевых, генерирующих и сбытовых компаний) между собой. Рост числа установок распределенной генерации в РС постепенно ведет к увеличению многообразия в их электрических схемах, в том числе и к появлению участков сетей с двухсторонним питанием и замкнутых кольцевых архитектур. Возможности использования современной коммутационной аппаратуры для изменения электрической схемы новых участков сетей уже сегодня позволяют оперативно решать проблемы перекомпоновки схем РС в условиях перераспределения потоков из-за работы установок РГ [15]. При этом становится возможным сочетание комбинаций традиционных разомкнутых и новых замкнутых кольцевых электрических схем. Все эти изменения, происходящие в составе информационного и технического оборудования, предоставляют новые возможности по управлению РС, постепенно приближают их к сетям более высоких классов напряжения и, как следствие, приводят к повышению требований к их информационному обеспечению, надежности функционирования и режимной управляемости.
Сегодня техническое и информационное перевооружение сетей 6-35 кВ направлено главным образом на усиление и увеличение надежности ее отдельных компонентов. В решаемых на текущий момент оптимизационных задачах новое оборудование участвует косвенно, и весь потенциал по управлению им до сих пор не задействован. Комплексная реализация управляющих возможностей такого оборудования позволит еще больше повысить эффект от его использования как для отдельных потребителей, так и для всей электрической сети в целом. Причиной ограниченного использования средств управления является отсутствие адекватной математической модели режима работы распределительной сети, без которой комплексная оптимизация участков энергообмена в ней невозможна. Поэтому одной из актуальных подзадач развития распределительных сетей является создание системы управления, которая бы учитывала специфику функционирования РС вместе с основными тенденциями в их развитии и потребности всех участников энергообмена. С другой стороны, идеология простоты организации всей системы транспорта и распределения ЭЭ, изначально заложенная в основу при проектировании распределительных сетей, при разработке системы управления для РС должна быть принята во внимание.
На текущий момент, существует ряд опытно-производственных полигонов, построенных и поддерживаемых крупными зарубежными электротехническими компаниями в рамках внедрения стандарта Facility Smart Grid Information Model в распределительные сети [16]. Среди них можно выделить: Energy Smart Miami, American Electric Power, Pacific Gas and Electric. В основу системы управления этими полигонами положены математические алгоритмы, заимствованные из аналогичных систем для сетей более высоких классов напряжения. В связи с этим перечисленные зарубежные системы управления унаследовали ряд недостатков, ограничивающих применимость классической модели для математического описания режима работы сети в сетях 6-35 кВ [17], [18]. Из-за недостаточной алгоритмической проработанности данных систем управления их широкое внедрение в потребительские сети и сети общего пользования пока ограничено. Поэтому создание математического аппарата для распределительных сетей, лишенного данных недостатков, остается актуальной и перспективной задачей.
Современный подход к созданию системы управления должен основываться на возможности получения информации об актуальной схеме сети, знании текущих режимных параметров для выдачи управляющих воздействий (УВ) на устройства управления. Сегодня среди основных устройств управления в РС можно выделить современную коммутационную аппаратуру, в том числе и автоматизированные реклоузеры, устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов, устройства компенсации реактивной мощности, накопители ЭЭ, источники генерации. Использование возможностей регулирования величины и скорости выдачи активной и реактивной мощности установок РГ также дает новые перспективы по управлению потоками в сетях, где они установлены [19]. Таким образом, вследствие технического развития РС возникает необходимость расширения круга задач по обеспечению их надежной и эффективной работы. Решение этих задач невозможно без математической модели текущего режима работы сети, а также развития информационно-измерительного комплекса.
Ключевым направлением в развитии информационно-измерительных систем РС становится интеграция всех измерений с системами оперативно-технологического управления. Доступные измерения режимных параметров сети от интеллектуальных счетчиков ЭЭ, работающих в составе АИИС коммерческого (КУЭ) и технического (ТУЭ) учета ЭЭ и, вместе с тем, дискретные сигналы о состоянии контактов коммутационной аппаратуры от цифровых устройств релейной защиты и автоматики образуют информационную основу сетей 6-35 кВ. К тому же в качестве отчетных финансовых параметров между участниками энергообмена, определенных механизмами розничного рынка, выступают мощность и энергия. Ввиду такой технической и экономической специфики функционирования РС для управления установившимися и квазиустановившимися режимами работы не требуется сбор и обработка информации в режиме реального времени. Система информационной поддержки должна основываться на интегральных характеристиках (измерениях электроэнергии) узлов нагрузок и генерации и давать оценку режимным параметрам не мгновенно, а на определенных, заранее сконфигурированных для РС, интервалах времени. Перспективной особенностью использования измерительной информации об ЭЭ, полученной от современных систем АИИС (КУЭ, -ТУЭ), является возможность получения оценок параметров режима работы РС на интервале опроса измерительных систем при схемных и режимных изменениях в сети [20].
В работе взаимосвязь перечисленных тенденций в развитии РС реализована в единой потоковой модели (ПМ) режима работы сети, основу которой составляет задача энергораспределения [21], опирающаяся на балансовые уравнения в ветвях и узлах схемы сети. Потоковая модель позволяет проводить оценку состояния (ОС) режима работы сети при отсутствии базисного узла, в условиях схемно-режимных изменений и наличии ненаблюдаемых участков в сети, которые часто имеют место в РС. Еще одним преимуществом ПМ в задаче ОС является возможность учитывать короткие по длине ветви в схеме сети, сопротивление которых стремится к нулю. Через балансовые уравнения ПМ становится возможным формирование многофункциональной модели оптимизации режимов работы различных участников энергообмена, учитывающей их интересы и доступные в их распоряжении устройства управления. В рамках задачи оптимизации ПМ позволяет связать технические и финансовые параметры, определяющие стоимость покупки и выработки ЭЭ. Это становится важным при наличии доступной информации о прогнозном изменении цен на ЭЭ (веб-сайт АО «АТС» ) и топливо (например, веб-сайт компании ПАО «Лукойл» ). Поэтому управление оборудованием должно осуществляться автоматизировано с возможностью ручного ввода графиков нагрузок и генерации в узлах сети, а также выбора условий покупки ЭЭ и коррекции параметров схемы сети и состава включенного оборудования.
Создание автоматизированного устройства управления участками РС и микроэнергосистем напряжением от 6 кВ до 35 кВ с заложенной в нем потоковой режимной моделью позволит более полно реализовывать возможности установленных в сети современных устройств управления и систем сбора и передачи измерительной информации для повышения эффективности работы участников энергообмена РС.
Степень научной разработанности темы исследования. Математическим моделям оценивания состояния и оптимизации режимов работы сетей посвящены работы Д.А. Арзамазцева, П.И. Бартоломея, В.А. Веникова, А.З. Гамма, Ю.Г. Кононова и других авторов. Также стоит отметить труды зарубежных (испанских) ученых Ali Abur и Antonio Gomez Expósito, которые в своей книге «Power System State Estimation: Theory and implementation» отразили полный спектр возможных постановок данной задачи и предложили свои оригинальные пути их решения.
На кафедре «Автоматизированные электрические системы» УрФУ разработан математический аппарат - «энергораспределение», для расчета потерь и распределения ЭЭ в электрических сетях, который основан на методических основах теории ОС и предназначенный для решения полного комплекса задач, связных с электрическими измерениями и распределением энергии в схеме сети.
Целью работы является использование новой - потоковой модели установившегося режима работы сетей 6-35 кВ, адекватной их технологическому и информационному развитию для последующего решения на ее основе задач оценивания состояния и оптимизации с целью снижения затрат на энергообеспечение различных участников и организаторов энергообмена при наличии в их распоряжении устройств управления режимом работы сети. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
• анализ современных тенденций в технологическом и информационном развитии распределительных сетей напряжением от 6 до 35 кВ;
• обзор существующих и выявление перспективных электрических схем распределительных сетей в условиях повышения требований к их надежности и управляемости вследствие появления в них генерирующих установок и других устройств управления режимом их работы;
• адаптация потоковой модели установившегося режима работы к распределительным сетям, учитывающая специфику их работы и развития;
• постановка и решение задачи оценивания состояния режима работы распределительных сетей на основе потоковой модели с учетом ее ориентации на системы учета электрической энергии, измерения токов и напряжений;
• постановка и определение способов решения задачи оптимизации режима работы для различных участников энергообмена распределительных сетей в потоковой модели установившегося режима, принимая во внимание механизмы формирования стоимости электрической энергии в сети общего пользования, а также технологические возможности устройств управления и систем сбора и передачи измерительной информации;
• разработка информационной среды и алгоритмической модели для создания автоматизированного устройства управления распределительной сетью.
Объектами исследования являются распределительные сети и системы внешнего электроснабжения вместе с установленными в них устройствами выработки, передачи, распределения и потребления электрической энергии, с информационно-измерительной инфраструктурой, работающие на классах напряжения 6 кВ, 10 кВ, 20 кВ и 35 кВ.
Научная новизна
• Показана необходимость разработки новой модели установившегося режима работы распределительных сетей напряжением 6-35 кВ, адекватной их схемно-режимному и информационному развитию для последующего ее использования в системах мониторинга и управления участками сетей.
• В качестве режимной модели обосновано использование потоковой модели установившегося режима работы электрической сети, вектор состояния которой содержит потоки мощности или энергии в ветвях схемы сети и не включает фазы (углы) напряжений. Эта модель обладает слабой чувствительностью к неоднородности параметров схемы замещения сети, а эквивалентирование расчетной модели осуществляется без появления новых фиктивных связей.
• Потоковая режимная модель адаптирована под распределительные сети для решения задачи оценивания состояния режима работы сети с использованием измерений электроэнергии, полученных от счетчиков, а также измерений от датчиков тока и напряжения. В задаче оценивания состояния потоковая модель позволяет производить оценку режима работы сети на разных интервалах времени и использовать данные от измерительных комплексов, установленных в ветвях с нулевым сопротивлением (например, содержащих силовые выключатели).
• Предложен новый подход к снижению затрат на энергообеспечение различных собственников распределительных сетей и устройств управления, основанный на решении задачи оптимизации согласно набору затратных составляющих (функций), выраженных в рамках расчетного вектора потоковой модели.
• Предложено раздельное управление активными устройствами с дискретным и непрерывным характером управления режимом работы распределительных сетей. Расчет управляющих воздействий на эти устройства осуществляется согласованно по их типам на различных интервалах времени с использованием математического алгоритма потоковой модели.
• Описаны информационная среда и алгоритмическая модель устройства управления процессом электроснабжения (АУУПЭ) микросети, использующего потоковую модель и предназначенного для установки на территории различных участников энергообмена, имеющих в распоряжении устройства управления.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в снижении суммарных затрат на энергообеспечение различных участников энергообмена распределительных сетей за счет уменьшения потерь в их сетях, выбора оптимальной стратегии работы генерирующих установок, условий покупки и продажи ЭЭ, принимая во внимание изменение цен на электроэнергию в сети общего пользования и топливо. Предлагаемая в работе новая потоковая модель режима работы сети имеет хорошие предпосылки для ее использования в системах мониторинга режимов работы сетей напряжением 6-35 кВ и отдельных энергообъектов, а также для реализации на ее основе функций оценивания состояния и оптимизации в программных комплексах и микропроцессорных системах управления.
Предмет исследования - раздельное повышение эффективности работы различных участников энергообмена, имеющих в своем распоряжении участки распределительных сетей и устройства управления, дающие возможность корректировать режим работы сети локально в соответствии интересами ее собственника и находящимися у него в распоряжении устройствами управления.
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались c использованием методов комбинаторного анализа, теоретических основ электротехники, применялись методы нелинейного программирования. Вычислительные эксперименты в работе выполнялись с помощью следующего программного обеспечения: MathCAD 15, Balance 4, RastrWin 3. Применялся программно-технический комплекс (ПТК) ARIS-SCADA инженерной компании ООО «Прософт-Системы» с модулем расчета режимных параметров энергообъектов собственной разработки, написанным на языке программирования Lua (the programming language).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Потоковая модель оценивания состояния и оптимизации режима работы сети, основанная на методике энергораспределения и позволяющая использовать для описания технических процессов и экономических критериев единый расчетный вектор, включающий потоки электроэнергии или мощности.
2. Стратегии компоновки целевой функции задачи оптимизации и управления устройствами коррекции режима работы с целью раздельного повышения эффективности системы электроснабжения для потребителей с собственной генерацией, сетевых компаний, крупных предприятий и монопотребителей с генерирующими установками и участками сетей.
3. Принципы управления различными устройствами коррекции режима работы собственников сети на разных интервалах времени с использованием измерительной информации и прогнозов графиков нагрузок узлов сети.
4. Информационная среда и алгоритмическая модель для автоматизированного устройства управления локальными участками распределительных сетей.
Личный вклад автора заключается в адаптации потоковой модели для РС и постановке на ее основе задач ОС и оптимизации их режимов работы. Предложено решение этих задач в рамках единого расчетного алгоритма потоковой режимной модели. Подготовлены примеры, доказывающие практическую применимость новой потоковой режимной модели и подчеркивающие ее основные достоинства. Произведено внедрение разработанного алгоритма ОС на основе потоковой модели установившегося режима в ПТК АШЗ-ЗСАПА промышленного назначения инженерной компании ООО «Прософт-Системы».
Достоверность научных результатов. Предлагаемая в работе потоковая модель оценивания состояния и оптимизации режима работы распределительной сети была использована для повышения эффективности работы тестового участка распределительной сети на суточном интервале времени. С учетом полученных знаний о режимах работы генерирующих установок в рамках выполнения НИР «Разработка мер повышения энергоэффективности системы электроснабжения АО «Аметистовое» (договор на НИР №2-АЭС-2 от 31.05.2016 г.) было достигнуто существенное снижение затрат на энергообеспечение рассматриваемого участка сети по отношению ко всем участникам энергообмена. Эффект от применения стратегий управления устройствами изменения режима работы участников энергообмена в сети имел как прямой, так и косвенный положительный характер.
Демонстрация возможностей работы потоковой модели режима работы сети в ПТК ARIS-SCADA на международной энергетической выставке «Электрические сети России-2015» и его дальнейшее программное совершенствование позволяют говорить о верном выборе направления в развитии SCADA систем диспетчерского управления и сбора данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, Екатеринбург, в период с 2013 года по 2018 год, а также на 11 конференциях, в том числе:
1. Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» - Екатеринбург-2012, Томск-2014, Иваново-2015, Казань- 2016, Самара-2017;
2. Всероссийская студенческая научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 17-20 декабря 2013 г.;
3. Международная научно-практическая конференция «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика», Екатеринбург, 8-11 июля 2015 г.;
4. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Челябинск, 2016 г.;
5. XI International Symposium on Industrial Electronics (INDEL), Banja Luka, Bosnia and Herzegovina, 2016 г.;
6. The 26thIEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Edinburgh International Conference Centre (EICC), Edinburgh, United Kingdom, 2017;
7. The 58thInternational Scientific Conference of Riga Technical University on Power and Electrical Engineering (RTUCON) October 12-13, 2017, Riga, Latvia.
Публикации
По результатам исследований всего опубликована 21 работа, из них по теме диссертации - 15 работ, в том числе в двух русскоязычных изданиях, из перечня Высшей аттестационной комиссии («Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики»; «Новое в российской электроэнергетике» - электронное издательство); в пяти изданиях, индексируемых в международных реферативных базах цитирования Scopus и Web of Science; и в двух источниках eLIBRARY (РИНЦ).
Внедрение результатов работы
Получен Акт о внедрении алгоритма расчета режимных параметров для объектов электроэнергетики в ПТК ARIS-SCADA компании ООО «Прософт- Системы» (договор на НИР №15-29396 от 20 июля 2015 г.). Выполнена работа по оценке потерь электроэнергии в изолированной сети электроснабжения АО «Аметистовое» - Этап 2. (договор на НИР №2-АЭС-2 от 31 мая 2016 г.). Результаты работы используются в дисциплине «Информационные технологии управления режимами электроэнергетических систем» магистратуры кафедры «Автоматизированные электрические системы», УралЭНИН УрФУ по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Структура работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 146 наименований и 2 приложений. Содержит 218 страниц, 55 рисунков и 21 таблицу.
Во введении представлена краткая аннотация работы, изложена ее актуальность, определены цели и задачи, освещена степень разработанности проблемы, новые идеи и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дана оценка текущему техническому и информационному состоянию сетей напряжением от 6 кВ до 35 кВ. Выявлены основные тенденции их развития в электрических схемах сети и информационном обеспечении, а также проанализирована динамика роста устройств управления режимом работы сети. С учетом специфики функционирования таких сетей предложено использование микропроцессорных систем для управления локальными участками распределительных сетей, работающих в разомкнутых и замкнутых режимах.
Во второй главе рассматриваются модели для расчета режимных параметров. Предложена и описана потоковая модель, на основе которой дана постановка задачи оценивания состояния. Показаны достоинства использования потоковой модели для сетей 6-35 кВ с опорой на их специфику работы и развитие.
Третья глава посвящена математической постановке и определению способов решения задачи оптимизации, направленной на раздельное повышение эффективности работы различных участников энергообмена в соответствии с их интересами и доступными в их распоряжении устройствами управления.
В четвертой главе выполнен расчет примера оптимизации участка сети 10 кВ, обладающей «умными» признаками. Описаны алгоритмическая модель и информационная среда автоматизированного устройства управления микросетью, опирающегося на техническую информацию о режиме работы сети и ценовые показатели, определяющие эффективность работы участников энергообмена в сети.
В заключении приведены выводы и обобщены основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Приложения диссертационной работы содержат скан-копии актов, подтверждающих внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс и в программно-технический комплекс промышленного назначения.
Диссертация выполнена на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского Энергетического Института «Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург в рамках работ по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», номер соглашения 14.578.21.0226 (уникальный идентификатор проекта: НЕМЕЕ157817Х0226) на тему «Разработка масштабируемого программно-технического комплекса для управления электрическими подстанциями на базе протокола МЭК 61850».
Появление нового, ранее не свойственного для РС оборудования, в том числе и работающих параллельно с сетью генерирующих установок, связано с личной заинтересованностью участников энергообмена в повышении надежности электроснабжения, снижении своих затрат на энергообеспечение, а также в максимизации прибыли при реализации своих возможностей как генерирующего участника. Это стало возможным благодаря появлению доступных технических средств выработки и хранения ЭЭ, в том числе и возобновляемой энергетики [13]. Также росту числа установок РГ в сетях способствует утверждение более гибких правовых механизмов, связанных с введением в первой половине 2012 года новых правил функционирования розничных рынков электроэнергии [14]. Появление установок РГ в сетях 6-35 кВ технологически приводит к изменению ранее устоявшихся принципов функционирования всех процессов электроснабжения потребителей и, в большей степени, к изменению взаимодействия различных участников энергообмена (крупных и малых потребителей, сетевых, генерирующих и сбытовых компаний) между собой. Рост числа установок распределенной генерации в РС постепенно ведет к увеличению многообразия в их электрических схемах, в том числе и к появлению участков сетей с двухсторонним питанием и замкнутых кольцевых архитектур. Возможности использования современной коммутационной аппаратуры для изменения электрической схемы новых участков сетей уже сегодня позволяют оперативно решать проблемы перекомпоновки схем РС в условиях перераспределения потоков из-за работы установок РГ [15]. При этом становится возможным сочетание комбинаций традиционных разомкнутых и новых замкнутых кольцевых электрических схем. Все эти изменения, происходящие в составе информационного и технического оборудования, предоставляют новые возможности по управлению РС, постепенно приближают их к сетям более высоких классов напряжения и, как следствие, приводят к повышению требований к их информационному обеспечению, надежности функционирования и режимной управляемости.
Сегодня техническое и информационное перевооружение сетей 6-35 кВ направлено главным образом на усиление и увеличение надежности ее отдельных компонентов. В решаемых на текущий момент оптимизационных задачах новое оборудование участвует косвенно, и весь потенциал по управлению им до сих пор не задействован. Комплексная реализация управляющих возможностей такого оборудования позволит еще больше повысить эффект от его использования как для отдельных потребителей, так и для всей электрической сети в целом. Причиной ограниченного использования средств управления является отсутствие адекватной математической модели режима работы распределительной сети, без которой комплексная оптимизация участков энергообмена в ней невозможна. Поэтому одной из актуальных подзадач развития распределительных сетей является создание системы управления, которая бы учитывала специфику функционирования РС вместе с основными тенденциями в их развитии и потребности всех участников энергообмена. С другой стороны, идеология простоты организации всей системы транспорта и распределения ЭЭ, изначально заложенная в основу при проектировании распределительных сетей, при разработке системы управления для РС должна быть принята во внимание.
На текущий момент, существует ряд опытно-производственных полигонов, построенных и поддерживаемых крупными зарубежными электротехническими компаниями в рамках внедрения стандарта Facility Smart Grid Information Model в распределительные сети [16]. Среди них можно выделить: Energy Smart Miami, American Electric Power, Pacific Gas and Electric. В основу системы управления этими полигонами положены математические алгоритмы, заимствованные из аналогичных систем для сетей более высоких классов напряжения. В связи с этим перечисленные зарубежные системы управления унаследовали ряд недостатков, ограничивающих применимость классической модели для математического описания режима работы сети в сетях 6-35 кВ [17], [18]. Из-за недостаточной алгоритмической проработанности данных систем управления их широкое внедрение в потребительские сети и сети общего пользования пока ограничено. Поэтому создание математического аппарата для распределительных сетей, лишенного данных недостатков, остается актуальной и перспективной задачей.
Современный подход к созданию системы управления должен основываться на возможности получения информации об актуальной схеме сети, знании текущих режимных параметров для выдачи управляющих воздействий (УВ) на устройства управления. Сегодня среди основных устройств управления в РС можно выделить современную коммутационную аппаратуру, в том числе и автоматизированные реклоузеры, устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов, устройства компенсации реактивной мощности, накопители ЭЭ, источники генерации. Использование возможностей регулирования величины и скорости выдачи активной и реактивной мощности установок РГ также дает новые перспективы по управлению потоками в сетях, где они установлены [19]. Таким образом, вследствие технического развития РС возникает необходимость расширения круга задач по обеспечению их надежной и эффективной работы. Решение этих задач невозможно без математической модели текущего режима работы сети, а также развития информационно-измерительного комплекса.
Ключевым направлением в развитии информационно-измерительных систем РС становится интеграция всех измерений с системами оперативно-технологического управления. Доступные измерения режимных параметров сети от интеллектуальных счетчиков ЭЭ, работающих в составе АИИС коммерческого (КУЭ) и технического (ТУЭ) учета ЭЭ и, вместе с тем, дискретные сигналы о состоянии контактов коммутационной аппаратуры от цифровых устройств релейной защиты и автоматики образуют информационную основу сетей 6-35 кВ. К тому же в качестве отчетных финансовых параметров между участниками энергообмена, определенных механизмами розничного рынка, выступают мощность и энергия. Ввиду такой технической и экономической специфики функционирования РС для управления установившимися и квазиустановившимися режимами работы не требуется сбор и обработка информации в режиме реального времени. Система информационной поддержки должна основываться на интегральных характеристиках (измерениях электроэнергии) узлов нагрузок и генерации и давать оценку режимным параметрам не мгновенно, а на определенных, заранее сконфигурированных для РС, интервалах времени. Перспективной особенностью использования измерительной информации об ЭЭ, полученной от современных систем АИИС (КУЭ, -ТУЭ), является возможность получения оценок параметров режима работы РС на интервале опроса измерительных систем при схемных и режимных изменениях в сети [20].
В работе взаимосвязь перечисленных тенденций в развитии РС реализована в единой потоковой модели (ПМ) режима работы сети, основу которой составляет задача энергораспределения [21], опирающаяся на балансовые уравнения в ветвях и узлах схемы сети. Потоковая модель позволяет проводить оценку состояния (ОС) режима работы сети при отсутствии базисного узла, в условиях схемно-режимных изменений и наличии ненаблюдаемых участков в сети, которые часто имеют место в РС. Еще одним преимуществом ПМ в задаче ОС является возможность учитывать короткие по длине ветви в схеме сети, сопротивление которых стремится к нулю. Через балансовые уравнения ПМ становится возможным формирование многофункциональной модели оптимизации режимов работы различных участников энергообмена, учитывающей их интересы и доступные в их распоряжении устройства управления. В рамках задачи оптимизации ПМ позволяет связать технические и финансовые параметры, определяющие стоимость покупки и выработки ЭЭ. Это становится важным при наличии доступной информации о прогнозном изменении цен на ЭЭ (веб-сайт АО «АТС» ) и топливо (например, веб-сайт компании ПАО «Лукойл» ). Поэтому управление оборудованием должно осуществляться автоматизировано с возможностью ручного ввода графиков нагрузок и генерации в узлах сети, а также выбора условий покупки ЭЭ и коррекции параметров схемы сети и состава включенного оборудования.
Создание автоматизированного устройства управления участками РС и микроэнергосистем напряжением от 6 кВ до 35 кВ с заложенной в нем потоковой режимной моделью позволит более полно реализовывать возможности установленных в сети современных устройств управления и систем сбора и передачи измерительной информации для повышения эффективности работы участников энергообмена РС.
Степень научной разработанности темы исследования. Математическим моделям оценивания состояния и оптимизации режимов работы сетей посвящены работы Д.А. Арзамазцева, П.И. Бартоломея, В.А. Веникова, А.З. Гамма, Ю.Г. Кононова и других авторов. Также стоит отметить труды зарубежных (испанских) ученых Ali Abur и Antonio Gomez Expósito, которые в своей книге «Power System State Estimation: Theory and implementation» отразили полный спектр возможных постановок данной задачи и предложили свои оригинальные пути их решения.
На кафедре «Автоматизированные электрические системы» УрФУ разработан математический аппарат - «энергораспределение», для расчета потерь и распределения ЭЭ в электрических сетях, который основан на методических основах теории ОС и предназначенный для решения полного комплекса задач, связных с электрическими измерениями и распределением энергии в схеме сети.
Целью работы является использование новой - потоковой модели установившегося режима работы сетей 6-35 кВ, адекватной их технологическому и информационному развитию для последующего решения на ее основе задач оценивания состояния и оптимизации с целью снижения затрат на энергообеспечение различных участников и организаторов энергообмена при наличии в их распоряжении устройств управления режимом работы сети. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
• анализ современных тенденций в технологическом и информационном развитии распределительных сетей напряжением от 6 до 35 кВ;
• обзор существующих и выявление перспективных электрических схем распределительных сетей в условиях повышения требований к их надежности и управляемости вследствие появления в них генерирующих установок и других устройств управления режимом их работы;
• адаптация потоковой модели установившегося режима работы к распределительным сетям, учитывающая специфику их работы и развития;
• постановка и решение задачи оценивания состояния режима работы распределительных сетей на основе потоковой модели с учетом ее ориентации на системы учета электрической энергии, измерения токов и напряжений;
• постановка и определение способов решения задачи оптимизации режима работы для различных участников энергообмена распределительных сетей в потоковой модели установившегося режима, принимая во внимание механизмы формирования стоимости электрической энергии в сети общего пользования, а также технологические возможности устройств управления и систем сбора и передачи измерительной информации;
• разработка информационной среды и алгоритмической модели для создания автоматизированного устройства управления распределительной сетью.
Объектами исследования являются распределительные сети и системы внешнего электроснабжения вместе с установленными в них устройствами выработки, передачи, распределения и потребления электрической энергии, с информационно-измерительной инфраструктурой, работающие на классах напряжения 6 кВ, 10 кВ, 20 кВ и 35 кВ.
Научная новизна
• Показана необходимость разработки новой модели установившегося режима работы распределительных сетей напряжением 6-35 кВ, адекватной их схемно-режимному и информационному развитию для последующего ее использования в системах мониторинга и управления участками сетей.
• В качестве режимной модели обосновано использование потоковой модели установившегося режима работы электрической сети, вектор состояния которой содержит потоки мощности или энергии в ветвях схемы сети и не включает фазы (углы) напряжений. Эта модель обладает слабой чувствительностью к неоднородности параметров схемы замещения сети, а эквивалентирование расчетной модели осуществляется без появления новых фиктивных связей.
• Потоковая режимная модель адаптирована под распределительные сети для решения задачи оценивания состояния режима работы сети с использованием измерений электроэнергии, полученных от счетчиков, а также измерений от датчиков тока и напряжения. В задаче оценивания состояния потоковая модель позволяет производить оценку режима работы сети на разных интервалах времени и использовать данные от измерительных комплексов, установленных в ветвях с нулевым сопротивлением (например, содержащих силовые выключатели).
• Предложен новый подход к снижению затрат на энергообеспечение различных собственников распределительных сетей и устройств управления, основанный на решении задачи оптимизации согласно набору затратных составляющих (функций), выраженных в рамках расчетного вектора потоковой модели.
• Предложено раздельное управление активными устройствами с дискретным и непрерывным характером управления режимом работы распределительных сетей. Расчет управляющих воздействий на эти устройства осуществляется согласованно по их типам на различных интервалах времени с использованием математического алгоритма потоковой модели.
• Описаны информационная среда и алгоритмическая модель устройства управления процессом электроснабжения (АУУПЭ) микросети, использующего потоковую модель и предназначенного для установки на территории различных участников энергообмена, имеющих в распоряжении устройства управления.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в снижении суммарных затрат на энергообеспечение различных участников энергообмена распределительных сетей за счет уменьшения потерь в их сетях, выбора оптимальной стратегии работы генерирующих установок, условий покупки и продажи ЭЭ, принимая во внимание изменение цен на электроэнергию в сети общего пользования и топливо. Предлагаемая в работе новая потоковая модель режима работы сети имеет хорошие предпосылки для ее использования в системах мониторинга режимов работы сетей напряжением 6-35 кВ и отдельных энергообъектов, а также для реализации на ее основе функций оценивания состояния и оптимизации в программных комплексах и микропроцессорных системах управления.
Предмет исследования - раздельное повышение эффективности работы различных участников энергообмена, имеющих в своем распоряжении участки распределительных сетей и устройства управления, дающие возможность корректировать режим работы сети локально в соответствии интересами ее собственника и находящимися у него в распоряжении устройствами управления.
Методология и методы исследования. Поставленные задачи решались c использованием методов комбинаторного анализа, теоретических основ электротехники, применялись методы нелинейного программирования. Вычислительные эксперименты в работе выполнялись с помощью следующего программного обеспечения: MathCAD 15, Balance 4, RastrWin 3. Применялся программно-технический комплекс (ПТК) ARIS-SCADA инженерной компании ООО «Прософт-Системы» с модулем расчета режимных параметров энергообъектов собственной разработки, написанным на языке программирования Lua (the programming language).
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
1. Потоковая модель оценивания состояния и оптимизации режима работы сети, основанная на методике энергораспределения и позволяющая использовать для описания технических процессов и экономических критериев единый расчетный вектор, включающий потоки электроэнергии или мощности.
2. Стратегии компоновки целевой функции задачи оптимизации и управления устройствами коррекции режима работы с целью раздельного повышения эффективности системы электроснабжения для потребителей с собственной генерацией, сетевых компаний, крупных предприятий и монопотребителей с генерирующими установками и участками сетей.
3. Принципы управления различными устройствами коррекции режима работы собственников сети на разных интервалах времени с использованием измерительной информации и прогнозов графиков нагрузок узлов сети.
4. Информационная среда и алгоритмическая модель для автоматизированного устройства управления локальными участками распределительных сетей.
Личный вклад автора заключается в адаптации потоковой модели для РС и постановке на ее основе задач ОС и оптимизации их режимов работы. Предложено решение этих задач в рамках единого расчетного алгоритма потоковой режимной модели. Подготовлены примеры, доказывающие практическую применимость новой потоковой режимной модели и подчеркивающие ее основные достоинства. Произведено внедрение разработанного алгоритма ОС на основе потоковой модели установившегося режима в ПТК АШЗ-ЗСАПА промышленного назначения инженерной компании ООО «Прософт-Системы».
Достоверность научных результатов. Предлагаемая в работе потоковая модель оценивания состояния и оптимизации режима работы распределительной сети была использована для повышения эффективности работы тестового участка распределительной сети на суточном интервале времени. С учетом полученных знаний о режимах работы генерирующих установок в рамках выполнения НИР «Разработка мер повышения энергоэффективности системы электроснабжения АО «Аметистовое» (договор на НИР №2-АЭС-2 от 31.05.2016 г.) было достигнуто существенное снижение затрат на энергообеспечение рассматриваемого участка сети по отношению ко всем участникам энергообмена. Эффект от применения стратегий управления устройствами изменения режима работы участников энергообмена в сети имел как прямой, так и косвенный положительный характер.
Демонстрация возможностей работы потоковой модели режима работы сети в ПТК ARIS-SCADA на международной энергетической выставке «Электрические сети России-2015» и его дальнейшее программное совершенствование позволяют говорить о верном выборе направления в развитии SCADA систем диспетчерского управления и сбора данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научных семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, Екатеринбург, в период с 2013 года по 2018 год, а также на 11 конференциях, в том числе:
1. Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» - Екатеринбург-2012, Томск-2014, Иваново-2015, Казань- 2016, Самара-2017;
2. Всероссийская студенческая научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием «Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», Екатеринбург, 17-20 декабря 2013 г.;
3. Международная научно-практическая конференция «Материаловедение. Машиностроение. Энергетика», Екатеринбург, 8-11 июля 2015 г.;
4. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Челябинск, 2016 г.;
5. XI International Symposium on Industrial Electronics (INDEL), Banja Luka, Bosnia and Herzegovina, 2016 г.;
6. The 26thIEEE International Symposium on Industrial Electronics (ISIE), Edinburgh International Conference Centre (EICC), Edinburgh, United Kingdom, 2017;
7. The 58thInternational Scientific Conference of Riga Technical University on Power and Electrical Engineering (RTUCON) October 12-13, 2017, Riga, Latvia.
Публикации
По результатам исследований всего опубликована 21 работа, из них по теме диссертации - 15 работ, в том числе в двух русскоязычных изданиях, из перечня Высшей аттестационной комиссии («Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики»; «Новое в российской электроэнергетике» - электронное издательство); в пяти изданиях, индексируемых в международных реферативных базах цитирования Scopus и Web of Science; и в двух источниках eLIBRARY (РИНЦ).
Внедрение результатов работы
Получен Акт о внедрении алгоритма расчета режимных параметров для объектов электроэнергетики в ПТК ARIS-SCADA компании ООО «Прософт- Системы» (договор на НИР №15-29396 от 20 июля 2015 г.). Выполнена работа по оценке потерь электроэнергии в изолированной сети электроснабжения АО «Аметистовое» - Этап 2. (договор на НИР №2-АЭС-2 от 31 мая 2016 г.). Результаты работы используются в дисциплине «Информационные технологии управления режимами электроэнергетических систем» магистратуры кафедры «Автоматизированные электрические системы», УралЭНИН УрФУ по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника».
Структура работы
Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 146 наименований и 2 приложений. Содержит 218 страниц, 55 рисунков и 21 таблицу.
Во введении представлена краткая аннотация работы, изложена ее актуальность, определены цели и задачи, освещена степень разработанности проблемы, новые идеи и основные положения, выносимые на защиту.
В первой главе дана оценка текущему техническому и информационному состоянию сетей напряжением от 6 кВ до 35 кВ. Выявлены основные тенденции их развития в электрических схемах сети и информационном обеспечении, а также проанализирована динамика роста устройств управления режимом работы сети. С учетом специфики функционирования таких сетей предложено использование микропроцессорных систем для управления локальными участками распределительных сетей, работающих в разомкнутых и замкнутых режимах.
Во второй главе рассматриваются модели для расчета режимных параметров. Предложена и описана потоковая модель, на основе которой дана постановка задачи оценивания состояния. Показаны достоинства использования потоковой модели для сетей 6-35 кВ с опорой на их специфику работы и развитие.
Третья глава посвящена математической постановке и определению способов решения задачи оптимизации, направленной на раздельное повышение эффективности работы различных участников энергообмена в соответствии с их интересами и доступными в их распоряжении устройствами управления.
В четвертой главе выполнен расчет примера оптимизации участка сети 10 кВ, обладающей «умными» признаками. Описаны алгоритмическая модель и информационная среда автоматизированного устройства управления микросетью, опирающегося на техническую информацию о режиме работы сети и ценовые показатели, определяющие эффективность работы участников энергообмена в сети.
В заключении приведены выводы и обобщены основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.
Приложения диссертационной работы содержат скан-копии актов, подтверждающих внедрение результатов диссертационной работы в учебный процесс и в программно-технический комплекс промышленного назначения.
Диссертация выполнена на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского Энергетического Института «Уральского федерального университета имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург в рамках работ по Федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», номер соглашения 14.578.21.0226 (уникальный идентификатор проекта: НЕМЕЕ157817Х0226) на тему «Разработка масштабируемого программно-технического комплекса для управления электрическими подстанциями на базе протокола МЭК 61850».
В ходе выполнения диссертационной работы сделаны выводы и получены основные результаты.
1. На основе обзора литературы показаны направления информационного и технического развития распределительных сетей, заключающиеся в появлении и росте в них числа различных типов генерирующих установок, современных коммутационных аппаратов, устройств гибкой компенсации реактивной мощности, во внедрении автоматизированных систем учета электрической энергии. Выявлена тенденция перехода распределительных сетей от радиальных электрических схем к замкнутым кольцевым схемам. Это постепенно приближает сети 6-35 кВ по своим возможностям управления к сетям более высоких классов напряжения и требует разработки новой, достаточно простой, режимной модели сетей 6-35 кВ, адекватной их особенностям работы и специфике развития.
2. В качестве модели установившегося режима для электрических сетей предложено использовать потоковую модель, разработка которой имеет самостоятельное значение. Расчетный вектор потоковой режимной модели определяется потоками мощности (энергии) в ветвях схемы сети, и он расширен по сравнению с вектором состояния. В сравнении с классической моделью для расчета установившегося режима сети, использующей уравнения узловых напряжений, потоковая модель обладает явными преимуществами:
• не чувствительна к неоднородности параметров схемы замещения и ее система уравнений существенно лучше обусловлена. Это позволяет рассчитывать схемы сетей с нулевым сопротивлением ветвей (например, с силовыми выключателями), что важно при наличии в них измерений;
• позволяет производить эквивалентирование схемы сети с сохранением ее исходной топологии. Это достигается путем удаления ветвей и объединения соседних узлов в районы, используя простую математическую процедуру сложения нескольких балансовых уравнений.
3. Показано, что в задаче оценивания состояния режима работы распределительных сетей потоковая модель позволяет учитывать особенности их информационного обеспечения, а также обладает следующими ключевыми достоинствами:
• позволяет легко осуществлять переход из расчетных потоков мощностей в потоки энергии для подзадач, решаемых на разных интервалах времени;
• позволяет отказаться от расчета реактивных потоков мощности или энергии и/или напряжений при отсутствии соответствующих измерений за счет снижения точности расчета технических потерь;
• не требует для расчета наличия базисного и балансирующего узлов, не чувствительна к разделению схемы на несвязные части;
• слабо чувствительна к схемным и режимным изменениям, когда расчет режима производится на основе измерений электрической энергии.
4. Предложен единый расчетный алгоритм для последовательного решения задач оценивания состояния и оптимизации режима работы сетей 6-35 кВ в потоковой модели. Переход от одной задачи к другой производится в рамках формирования схожей целевой функции, дополненной ограничениями, и ее последующего решения с использованием итерационного метода Ньютона.
5. Для различных собственников сети, таких как крупные потребители, сетевые компании, а также для потребителей с генерацией и независимых генерирующих установок, играющих самостоятельную роль на рынке, в рамках потоковой модели сформирован набор затратных составляющих, включающий затраты на компенсацию потерь электрической энергии, затраты на покупку электрической энергии из сети, затраты на выработку электрической энергии собственными генерирующими установками, доход от продажи электрической энергии в сеть, затраты, связанные с платой за отклонение фактического объема электрической энергии от планового, затраты на выполнение экологических норм. Удовлетворение интересов собственников сети и устройств управления обеспечивается формированием целевой функции, состоящей из суммы затратных составляющих, набор которых зависит от условий работы каждого участника энергообмена и доступных в его распоряжении устройств управления. Управляющие воздействия на устройства управления режимом работы сети реализуются с разной дискретностью в зависимости от технического ресурса устройств управления и степени их влияния на режим.
6. Описана информационная среда и алгоритмическая модель автоматизированного устройства управления процессом электроснабжения микросети, в основе которого лежит потоковая режимная модель. Работа этого устройства обеспечивается предварительным заданием информации о параметрах сети и оборудовании, графиков нагрузок узлов и условий покупки и продажи электрической энергии. Алгоритм работы устройства опирается на измерительную информацию от автоматизированных информационно-измерительных систем и цены на топливо и электрическую энергию из сети Интернет. Дано описание области применения автоматизированного устройства управления процессом электроснабжения, его взаимодействия с управляемым оборудованием и порядка реализации управляющий воздействий.
7. Перспективы развития данной работы связаны с разработкой математических алгоритмов для обеспечения информационных связей нескольких автоматизированных устройств управления локальными участками распределительных сетей между собой, а также их взаимодействия с устройствами верхнего уровня в связке «распределительная - высоковольтная» сеть. Реализация связей возможна с использованием агентных технологий.
1. На основе обзора литературы показаны направления информационного и технического развития распределительных сетей, заключающиеся в появлении и росте в них числа различных типов генерирующих установок, современных коммутационных аппаратов, устройств гибкой компенсации реактивной мощности, во внедрении автоматизированных систем учета электрической энергии. Выявлена тенденция перехода распределительных сетей от радиальных электрических схем к замкнутым кольцевым схемам. Это постепенно приближает сети 6-35 кВ по своим возможностям управления к сетям более высоких классов напряжения и требует разработки новой, достаточно простой, режимной модели сетей 6-35 кВ, адекватной их особенностям работы и специфике развития.
2. В качестве модели установившегося режима для электрических сетей предложено использовать потоковую модель, разработка которой имеет самостоятельное значение. Расчетный вектор потоковой режимной модели определяется потоками мощности (энергии) в ветвях схемы сети, и он расширен по сравнению с вектором состояния. В сравнении с классической моделью для расчета установившегося режима сети, использующей уравнения узловых напряжений, потоковая модель обладает явными преимуществами:
• не чувствительна к неоднородности параметров схемы замещения и ее система уравнений существенно лучше обусловлена. Это позволяет рассчитывать схемы сетей с нулевым сопротивлением ветвей (например, с силовыми выключателями), что важно при наличии в них измерений;
• позволяет производить эквивалентирование схемы сети с сохранением ее исходной топологии. Это достигается путем удаления ветвей и объединения соседних узлов в районы, используя простую математическую процедуру сложения нескольких балансовых уравнений.
3. Показано, что в задаче оценивания состояния режима работы распределительных сетей потоковая модель позволяет учитывать особенности их информационного обеспечения, а также обладает следующими ключевыми достоинствами:
• позволяет легко осуществлять переход из расчетных потоков мощностей в потоки энергии для подзадач, решаемых на разных интервалах времени;
• позволяет отказаться от расчета реактивных потоков мощности или энергии и/или напряжений при отсутствии соответствующих измерений за счет снижения точности расчета технических потерь;
• не требует для расчета наличия базисного и балансирующего узлов, не чувствительна к разделению схемы на несвязные части;
• слабо чувствительна к схемным и режимным изменениям, когда расчет режима производится на основе измерений электрической энергии.
4. Предложен единый расчетный алгоритм для последовательного решения задач оценивания состояния и оптимизации режима работы сетей 6-35 кВ в потоковой модели. Переход от одной задачи к другой производится в рамках формирования схожей целевой функции, дополненной ограничениями, и ее последующего решения с использованием итерационного метода Ньютона.
5. Для различных собственников сети, таких как крупные потребители, сетевые компании, а также для потребителей с генерацией и независимых генерирующих установок, играющих самостоятельную роль на рынке, в рамках потоковой модели сформирован набор затратных составляющих, включающий затраты на компенсацию потерь электрической энергии, затраты на покупку электрической энергии из сети, затраты на выработку электрической энергии собственными генерирующими установками, доход от продажи электрической энергии в сеть, затраты, связанные с платой за отклонение фактического объема электрической энергии от планового, затраты на выполнение экологических норм. Удовлетворение интересов собственников сети и устройств управления обеспечивается формированием целевой функции, состоящей из суммы затратных составляющих, набор которых зависит от условий работы каждого участника энергообмена и доступных в его распоряжении устройств управления. Управляющие воздействия на устройства управления режимом работы сети реализуются с разной дискретностью в зависимости от технического ресурса устройств управления и степени их влияния на режим.
6. Описана информационная среда и алгоритмическая модель автоматизированного устройства управления процессом электроснабжения микросети, в основе которого лежит потоковая режимная модель. Работа этого устройства обеспечивается предварительным заданием информации о параметрах сети и оборудовании, графиков нагрузок узлов и условий покупки и продажи электрической энергии. Алгоритм работы устройства опирается на измерительную информацию от автоматизированных информационно-измерительных систем и цены на топливо и электрическую энергию из сети Интернет. Дано описание области применения автоматизированного устройства управления процессом электроснабжения, его взаимодействия с управляемым оборудованием и порядка реализации управляющий воздействий.
7. Перспективы развития данной работы связаны с разработкой математических алгоритмов для обеспечения информационных связей нескольких автоматизированных устройств управления локальными участками распределительных сетей между собой, а также их взаимодействия с устройствами верхнего уровня в связке «распределительная - высоковольтная» сеть. Реализация связей возможна с использованием агентных технологий.
Подобные работы
- УПРАВЛЕНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫМИ СЕТЯМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОТОКОВОЙ МОДЕЛИ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА
Авторефераты (РГБ), электроэнергетика. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2018 - РАЗВИТИЕ ПОТОКОВОЙ МОДЕЛИ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ В ТРЕХФАЗНОМ И ОДНОЛИНЕЙНОМ ПРЕДСТАВЛЕНИИ
Авторефераты (РГБ), электротехника. Язык работы: Русский. Цена: 250 р. Год сдачи: 2019