Помощь студентам в учебе
Разработка и исследование топологии интеллектуальных городских распределительных сетей среднего напряжения
|
Введение 5
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 10
1 Исследование особенностей построения интеллектуальных распределительных электрических сетей в системах электроснабжения городов постановка цели и задачи исследования 10
1.1 Анализ мировых тенденций в области формирования и интеллектуализации распределительных сетей среднего напряжения 10
1.1.1 Мировой опыт эксплуатации, состояние и перспективы развития городских распределительных сетей 6-20 кВ 10
1.1.2 Анализ существующих схемно-топологических и технических решений 24
1.2 Анализ опыта применения напряжения 20 кВ для электроснабжения
крупных населенных пунктов и мегаполисов 32
1.2.1 Применение напряжения 20 кВ в России и в мире 32
1.2.2 Оценка оптимальности напряжения городской распределительной сети 35
1.2.3 Анализ потерь электроэнергии в сетях 6, 10, 20 кВ 38
1.2.4 Анализ режимов заземления нейтрали в сети 20 кВ 41
1.3 Разработка принципов формирования интеллектуальной городской распределительной сети 20 кВ 44
1.3.1 Требования к интеллектуальным городским распределительным сетям 44
1.3.2 Гексагональная топология интеллектуальной городской сети 47
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 49
2. Теоретические основы построения гексагональной распределительной се¬ти, исследование свойств и режимов 49
2.1 Принципы построения гексагональной распределительной сети 49
2.2 Сравнительный анализ традиционной древовидной сети и гексагональной
распределительной сети 52
2.2.1 Программная реализация математических моделей сетей различных топологий 53
2.2.2 Алгоритм модели формирования, расчёта и получения сравнительных
характеристик электрических сетей 54
2.2.3 Анализ полученных результатов математической модели 59
2.3 Способ определения рационального расстояния между узлами нагрузки ГРС 63
2.3.1 Аналитический метод определения шага сети 63
2.3.2 Геометрический метод определения шага сети 69
2.4 Исследование нормальных и аварийных режимов работы электросетевого
района, построенного по гексагональному принципу 71
2.5 Инженерная методика расчета тока короткого замыкания в ГРС 76
2.5.1 Задачи инженерной методики расчета ТКЗ 76
2.5.2 Алгоритм определения верхней границы тока КЗ 77
2.5.3 Экспериментальная проверка 81
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3. Разработка электротехнических решений по организации гибкого функционирования сети 84
3.1 Схемотехнические решения формирования универсальных узлов нагрузки 84
3.1.1 Разработка универсальной электрической схемы узла нагрузки 84
3.1.2 Технико-экономическое сравнение разработанной схемы УН ГРС 20 кВ
и типовой схемы существующего РП 10 кВ 87
3.2 Организация системы управления гексагональными сетями 89
3.2.1 Требования к системам автоматизации и управления интеллектуальными городскими сетями 90
3.2.2 Разработка прототипа системы управления ГРС 94
3.2.3 Структура интеллектуальной системы управления узла нагрузки 103
3.3 Технологическая система преобразования сигналов тока и напряжения 104
3.3.1 Анализ основных методов цифровой обработки сигналов 104
3.3.2 Практическое применения структуры узловой системы управления и
оценки токов и напряжений в измерительных органах 107
3.4 Разработка алгоритмов оценки состояния интеллектуальной ГРС 108
3.4.1 Синхронизированные векторные измерения 109
3.4.2 Оценка состояния ГРС методом наименьших квадратов 110
3.4.3 Предварительная обработка данных на основе медианной фильтрации 113
Заключение 117
Список литературы 119
АНАЛИТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 10
1 Исследование особенностей построения интеллектуальных распределительных электрических сетей в системах электроснабжения городов постановка цели и задачи исследования 10
1.1 Анализ мировых тенденций в области формирования и интеллектуализации распределительных сетей среднего напряжения 10
1.1.1 Мировой опыт эксплуатации, состояние и перспективы развития городских распределительных сетей 6-20 кВ 10
1.1.2 Анализ существующих схемно-топологических и технических решений 24
1.2 Анализ опыта применения напряжения 20 кВ для электроснабжения
крупных населенных пунктов и мегаполисов 32
1.2.1 Применение напряжения 20 кВ в России и в мире 32
1.2.2 Оценка оптимальности напряжения городской распределительной сети 35
1.2.3 Анализ потерь электроэнергии в сетях 6, 10, 20 кВ 38
1.2.4 Анализ режимов заземления нейтрали в сети 20 кВ 41
1.3 Разработка принципов формирования интеллектуальной городской распределительной сети 20 кВ 44
1.3.1 Требования к интеллектуальным городским распределительным сетям 44
1.3.2 Гексагональная топология интеллектуальной городской сети 47
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 49
2. Теоретические основы построения гексагональной распределительной се¬ти, исследование свойств и режимов 49
2.1 Принципы построения гексагональной распределительной сети 49
2.2 Сравнительный анализ традиционной древовидной сети и гексагональной
распределительной сети 52
2.2.1 Программная реализация математических моделей сетей различных топологий 53
2.2.2 Алгоритм модели формирования, расчёта и получения сравнительных
характеристик электрических сетей 54
2.2.3 Анализ полученных результатов математической модели 59
2.3 Способ определения рационального расстояния между узлами нагрузки ГРС 63
2.3.1 Аналитический метод определения шага сети 63
2.3.2 Геометрический метод определения шага сети 69
2.4 Исследование нормальных и аварийных режимов работы электросетевого
района, построенного по гексагональному принципу 71
2.5 Инженерная методика расчета тока короткого замыкания в ГРС 76
2.5.1 Задачи инженерной методики расчета ТКЗ 76
2.5.2 Алгоритм определения верхней границы тока КЗ 77
2.5.3 Экспериментальная проверка 81
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
3. Разработка электротехнических решений по организации гибкого функционирования сети 84
3.1 Схемотехнические решения формирования универсальных узлов нагрузки 84
3.1.1 Разработка универсальной электрической схемы узла нагрузки 84
3.1.2 Технико-экономическое сравнение разработанной схемы УН ГРС 20 кВ
и типовой схемы существующего РП 10 кВ 87
3.2 Организация системы управления гексагональными сетями 89
3.2.1 Требования к системам автоматизации и управления интеллектуальными городскими сетями 90
3.2.2 Разработка прототипа системы управления ГРС 94
3.2.3 Структура интеллектуальной системы управления узла нагрузки 103
3.3 Технологическая система преобразования сигналов тока и напряжения 104
3.3.1 Анализ основных методов цифровой обработки сигналов 104
3.3.2 Практическое применения структуры узловой системы управления и
оценки токов и напряжений в измерительных органах 107
3.4 Разработка алгоритмов оценки состояния интеллектуальной ГРС 108
3.4.1 Синхронизированные векторные измерения 109
3.4.2 Оценка состояния ГРС методом наименьших квадратов 110
3.4.3 Предварительная обработка данных на основе медианной фильтрации 113
Заключение 117
Список литературы 119
Актуальность темы. В настоящее время большинство городских распределительных сетей среднего напряжения в России являются консервативными и однонаправленными, выполняют функции пассивного транспорта и распределения электроэнергии. Они имеют большой износ оборудования, низкий процент автоматизации, устаревшую релейную защиту и автоматику, большие потери электроэнергии, высокий процент неперспективных напряжений (6 и 35 кВ). Существующая конфигурация распределительных сетей не всегда удовлетворяет требованиям надежности электроснабжения и более широкого применения источников распределенной генерации электроэнергии [96].
В энергетической стратегии России на период до 2030 года [62] поставлена задача перевода нашей электроэнергетики на инновационный путь развития. В соответствии с этой стратегией разработана Программа инновационного развития ОАО «ФСК ЕЭС» до 2016-2020 годов [79]. В качестве модели развития энергетической системы предлагается модель «Умная энергетика», в основе которой лежит построение интеллектуальной энергетической системы на основе активно-адаптивной сети (ИЭС ААС) [28,29]. В данной программе также предусмотрено развитие систем электроснабжения городов с использованием технологий ИЭС АСС. За рубежом эта технология имеет название Smart Grid - интеллектуальные (или умные) сети. Она внедрена в ряде энергосистем Северной Америки, Европы и Азии. Интеллектуальная сеть представляет собой распределительную сеть, которая сочетает комплексные инструменты контроля и мониторинга состояния её элементов, информационные технологии и средства коммуникации, обеспечивающие автоматическое энергоэффективное управление производством, распределением и потреблением электроэнергии, способную автоматически адаптироваться, самовосстанавливаться и менять свою конфигурацию в зависимости от режимов и возмущений в сети [23, 82, 138].
Решению проблемы разработки и внедрения интеллектуальных электрических сетей посвящено значительное количество публикаций в нашей стране и особенно за рубежом. Среди них можно отметить работы В. В. Волобуева[8], Н. И. Воропая [9], А. П. Апостолова, В. В. Дорофеева [20, 72], В. П. Куприяновского [22, 106], С. Л. Кужекова [30], Б. Б. Кобеца [25], Е. Н. Сосниной [23, 89-91], П. В. Глущенко[11,12], В. И. Гуревича [17], Р. Пелисье [71], Н. Хаджсаида, Ж.-К. Сабоннадьера [115 - 121, 137], S. M. Amina, B. F. Wollenberga [109], C. W. Gellingsa [114], T. Shono, K. Fukushima, T. Kase, H. Sugiura, S. Katuyama [131], B. Renza [136], F. Balalingera, T. Jansen, M. Rieta [111] и др. [108, 127, 135]. Большинство работ посвящено основам построения ИЭС ААС энергосистем и интеллектуальных подстанций. Вопросы интеллектуальных городских электрических сетей в России проработаны еще недостаточно. Нет научно обоснованных технических решений по топологии интеллектуальных городских распределительных сетей, их режимов работы, управления и защиты, сдерживающих их широкое применение. Решению этих вопросов и посвящена настоящая диссертация.
Объект исследования: городские распределительные сети среднего напряжения.
Предмет исследования: топология интеллектуальных городских распределительных сетей, принципы её формирования, моделирование нормальных и аварийных режимов.
Цель диссертации: разработка и исследование научно-технических решений по созданию интеллектуальных активно-адаптивных городских распределительных сетей среднего напряжения.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные и практические задачи:
1. Разработка основ построения городских распределительных сетей по гексагональному принципу.
2. Разработка имитационной модели гексагональной распределительной сети (ГРС) и исследование нормальных и аварийных режимов её работы.
3. Разработка интеллектуальной системы управления узла нагрузки (УН) гексагональной распределительной сети.
4. Разработка автономных алгоритмов функционирования узлов нагрузки и динамического деления ГРС на гексозоны.
Методы научных исследований. Для решения поставленных научных задач использовались методы структурного анализа, математического и имитационного моделирования с применением программ Matlab/Simulink, PSCAD, сравнение, синтез, верификация, классификация, методы цифровой обработки сигналов и компьютерных технологий.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:
1. Разработан новый способ и система передачи и распределения электрической энергии (патенты РФ № 2475918 и № 2484571), основанные на гексагональном принципе, позволяющем строить интеллектуальные распре-делительные сети.
2. Разработана имитационная модель гексагональной распределительной сети, позволяющая проводить расчеты токов и моделировать нормальные и аварийные режимы работы интеллектуальных городских распределительных сетей.
3. Предложены принципы и алгоритмы управления элементами сложно замкнутой и ГРС по агентной технологии, а также определены виды адаптивной релейной защиты с абсолютной селективностью для сети с инвариантным направлением мощности.
4. Разработана классификация основных алгоритмов функционирования распределенной электрической сети и созданы универсальные алгоритмы функционирования «трехлучевого» узла нагрузки.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Разработанный способ организации топологии городских распределительных сетей 20 кВ как хорошо связанной сети, образующей в вершинах шестиугольника трех- или четырехлучевой УН, позволяет: снизить потери мощности; создать системность и упорядочить построение и развитие городских распредсетей, внедрять перспективный класс напряжения 20 кВ; перераспределять нагрузку между источниками, выравнивая их суточные графики нагрузки, эффективно расходовать энергоресурсы, повысить надежность и качество электроснабжения потребителей, что дает возможность реализовать концепцию «гибких» активно-адаптивных распределительных сетей с интеграцией в них возобновляемых источников энергии схемным, топологическим путем.
2. Созданные инженерные методики расчета токов короткого замыкания, определения рационального расстояния между узлами нагрузки, а также оптимального сечения проводников в сети с заданными номинальными нагрузками в узлах могут использоваться для оценочных расчетов, при проектировании новых районных ГРС.
3. Разработана программа для определения токов, напряжений и фаз, расчета нормальных и аварийных режимов в районной ГРС (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2014610176), а также программа для оценки и выбора сечений проводников в ГРС.
4. Создано схемотехническое решение и основные алгоритмы функционирования универсального узла нагрузки ГРС, сформулированы основные принципы управления и защиты, архитектуры обмена пакетов ин-формации с применением протокола МЭК 61850, что является основой эффективного функционирования ГРС.
Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью и верификацией результатов теоретических и экспериментальных исследований, имитационным моделированием с диапазоном погрешности не более 10%.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ и система передачи и распределения электрической энергии, основанные на гексагональном принципе.
2. Результаты сравнительного анализа электрических параметров различных топологий распределительных сетей.
3. Имитационные модели и методики определения токов короткого замыкания, нормальных и аварийных режимов, уровней напряжений в узлах при перераспределении нагрузок и рационального расстояния между узлами нагрузки.
4. Алгоритм агентной системы управления ГРС, типовые алгоритмы функционирования разработанной схемы универсального распределительного узла нагрузки и алгоритм деления ГРС на зоны.
В энергетической стратегии России на период до 2030 года [62] поставлена задача перевода нашей электроэнергетики на инновационный путь развития. В соответствии с этой стратегией разработана Программа инновационного развития ОАО «ФСК ЕЭС» до 2016-2020 годов [79]. В качестве модели развития энергетической системы предлагается модель «Умная энергетика», в основе которой лежит построение интеллектуальной энергетической системы на основе активно-адаптивной сети (ИЭС ААС) [28,29]. В данной программе также предусмотрено развитие систем электроснабжения городов с использованием технологий ИЭС АСС. За рубежом эта технология имеет название Smart Grid - интеллектуальные (или умные) сети. Она внедрена в ряде энергосистем Северной Америки, Европы и Азии. Интеллектуальная сеть представляет собой распределительную сеть, которая сочетает комплексные инструменты контроля и мониторинга состояния её элементов, информационные технологии и средства коммуникации, обеспечивающие автоматическое энергоэффективное управление производством, распределением и потреблением электроэнергии, способную автоматически адаптироваться, самовосстанавливаться и менять свою конфигурацию в зависимости от режимов и возмущений в сети [23, 82, 138].
Решению проблемы разработки и внедрения интеллектуальных электрических сетей посвящено значительное количество публикаций в нашей стране и особенно за рубежом. Среди них можно отметить работы В. В. Волобуева[8], Н. И. Воропая [9], А. П. Апостолова, В. В. Дорофеева [20, 72], В. П. Куприяновского [22, 106], С. Л. Кужекова [30], Б. Б. Кобеца [25], Е. Н. Сосниной [23, 89-91], П. В. Глущенко[11,12], В. И. Гуревича [17], Р. Пелисье [71], Н. Хаджсаида, Ж.-К. Сабоннадьера [115 - 121, 137], S. M. Amina, B. F. Wollenberga [109], C. W. Gellingsa [114], T. Shono, K. Fukushima, T. Kase, H. Sugiura, S. Katuyama [131], B. Renza [136], F. Balalingera, T. Jansen, M. Rieta [111] и др. [108, 127, 135]. Большинство работ посвящено основам построения ИЭС ААС энергосистем и интеллектуальных подстанций. Вопросы интеллектуальных городских электрических сетей в России проработаны еще недостаточно. Нет научно обоснованных технических решений по топологии интеллектуальных городских распределительных сетей, их режимов работы, управления и защиты, сдерживающих их широкое применение. Решению этих вопросов и посвящена настоящая диссертация.
Объект исследования: городские распределительные сети среднего напряжения.
Предмет исследования: топология интеллектуальных городских распределительных сетей, принципы её формирования, моделирование нормальных и аварийных режимов.
Цель диссертации: разработка и исследование научно-технических решений по созданию интеллектуальных активно-адаптивных городских распределительных сетей среднего напряжения.
Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные и практические задачи:
1. Разработка основ построения городских распределительных сетей по гексагональному принципу.
2. Разработка имитационной модели гексагональной распределительной сети (ГРС) и исследование нормальных и аварийных режимов её работы.
3. Разработка интеллектуальной системы управления узла нагрузки (УН) гексагональной распределительной сети.
4. Разработка автономных алгоритмов функционирования узлов нагрузки и динамического деления ГРС на гексозоны.
Методы научных исследований. Для решения поставленных научных задач использовались методы структурного анализа, математического и имитационного моделирования с применением программ Matlab/Simulink, PSCAD, сравнение, синтез, верификация, классификация, методы цифровой обработки сигналов и компьютерных технологий.
Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней:
1. Разработан новый способ и система передачи и распределения электрической энергии (патенты РФ № 2475918 и № 2484571), основанные на гексагональном принципе, позволяющем строить интеллектуальные распре-делительные сети.
2. Разработана имитационная модель гексагональной распределительной сети, позволяющая проводить расчеты токов и моделировать нормальные и аварийные режимы работы интеллектуальных городских распределительных сетей.
3. Предложены принципы и алгоритмы управления элементами сложно замкнутой и ГРС по агентной технологии, а также определены виды адаптивной релейной защиты с абсолютной селективностью для сети с инвариантным направлением мощности.
4. Разработана классификация основных алгоритмов функционирования распределенной электрической сети и созданы универсальные алгоритмы функционирования «трехлучевого» узла нагрузки.
Практическая ценность и реализация результатов работы
1. Разработанный способ организации топологии городских распределительных сетей 20 кВ как хорошо связанной сети, образующей в вершинах шестиугольника трех- или четырехлучевой УН, позволяет: снизить потери мощности; создать системность и упорядочить построение и развитие городских распредсетей, внедрять перспективный класс напряжения 20 кВ; перераспределять нагрузку между источниками, выравнивая их суточные графики нагрузки, эффективно расходовать энергоресурсы, повысить надежность и качество электроснабжения потребителей, что дает возможность реализовать концепцию «гибких» активно-адаптивных распределительных сетей с интеграцией в них возобновляемых источников энергии схемным, топологическим путем.
2. Созданные инженерные методики расчета токов короткого замыкания, определения рационального расстояния между узлами нагрузки, а также оптимального сечения проводников в сети с заданными номинальными нагрузками в узлах могут использоваться для оценочных расчетов, при проектировании новых районных ГРС.
3. Разработана программа для определения токов, напряжений и фаз, расчета нормальных и аварийных режимов в районной ГРС (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2014610176), а также программа для оценки и выбора сечений проводников в ГРС.
4. Создано схемотехническое решение и основные алгоритмы функционирования универсального узла нагрузки ГРС, сформулированы основные принципы управления и защиты, архитектуры обмена пакетов ин-формации с применением протокола МЭК 61850, что является основой эффективного функционирования ГРС.
Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью и верификацией результатов теоретических и экспериментальных исследований, имитационным моделированием с диапазоном погрешности не более 10%.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ и система передачи и распределения электрической энергии, основанные на гексагональном принципе.
2. Результаты сравнительного анализа электрических параметров различных топологий распределительных сетей.
3. Имитационные модели и методики определения токов короткого замыкания, нормальных и аварийных режимов, уровней напряжений в узлах при перераспределении нагрузок и рационального расстояния между узлами нагрузки.
4. Алгоритм агентной системы управления ГРС, типовые алгоритмы функционирования разработанной схемы универсального распределительного узла нагрузки и алгоритм деления ГРС на зоны.
Диссертация представляет собой законченную научно - квалификационную работу, в которой проведена разработка и исследование топологии интеллектуальных городских распределительных сетей, принципы её формирования, управления, моделирование нормальных и аварийных режимов.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:
1. Анализ основных проблем в городских распределительных сетях России выявил необходимость реконструкции их топологии с целью реализации концепции интеллектуальных распределительных сетей. Определены показатели и численные преимущества внедрения напряжения 20 кВ в крупных городах и мегаполисах.
2. Разработан новый способ распределения электрической энергии, основанный на гексагональной топологии распределительной сети, позволяющий реализовать принцип распределенной генерации.
3. Сравнительный анализ гексагональной и древовидной топологий распределительных сетей на основе программной реализации на языке Mat¬lab математических моделей показал, что ГРС имеет следующие преимущества: уменьшение потерь мощности (на 7-20%) и плотности тока (на 6-10%), стабильность уровней напряжения в узлах нагрузки при изменении динамики потребления, сокращение суммарной протяженности ЛЭП, уменьшение количества расходуемого проводникового материала (на 20-40%).
4. Разработана инженерная методика расчета максимального тока короткого замыкания и деления ГРС на зоны для уменьшения этого тока.
5. Разработана методика определения рационального расстояния между узлами нагрузки, основанная на расчетной плотности нагрузки, и предложены рекомендации по выбору унифицированной номенклатуры сечений кабелей в разных частях ГРС, необходимые при проектировании районной распредсети.
6. Разработана универсальная электрическая схема распределительного устройства УН, имеющая инвариантные состояния и дающая возможность изготовления УН с высокой заводской готовностью.
7. Предложена организация управления элементами УН и ГРС в целом по комбинированному агентному принципу, основанному на централизованной и децентрализованной системе управления.
8. Выполнена оценка состояния параметров векторов напряжений, позволяющая верифицировать измерения в УН и использовать их в системах ИСУУ и РСМУ.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:
1. Анализ основных проблем в городских распределительных сетях России выявил необходимость реконструкции их топологии с целью реализации концепции интеллектуальных распределительных сетей. Определены показатели и численные преимущества внедрения напряжения 20 кВ в крупных городах и мегаполисах.
2. Разработан новый способ распределения электрической энергии, основанный на гексагональной топологии распределительной сети, позволяющий реализовать принцип распределенной генерации.
3. Сравнительный анализ гексагональной и древовидной топологий распределительных сетей на основе программной реализации на языке Mat¬lab математических моделей показал, что ГРС имеет следующие преимущества: уменьшение потерь мощности (на 7-20%) и плотности тока (на 6-10%), стабильность уровней напряжения в узлах нагрузки при изменении динамики потребления, сокращение суммарной протяженности ЛЭП, уменьшение количества расходуемого проводникового материала (на 20-40%).
4. Разработана инженерная методика расчета максимального тока короткого замыкания и деления ГРС на зоны для уменьшения этого тока.
5. Разработана методика определения рационального расстояния между узлами нагрузки, основанная на расчетной плотности нагрузки, и предложены рекомендации по выбору унифицированной номенклатуры сечений кабелей в разных частях ГРС, необходимые при проектировании районной распредсети.
6. Разработана универсальная электрическая схема распределительного устройства УН, имеющая инвариантные состояния и дающая возможность изготовления УН с высокой заводской готовностью.
7. Предложена организация управления элементами УН и ГРС в целом по комбинированному агентному принципу, основанному на централизованной и децентрализованной системе управления.
8. Выполнена оценка состояния параметров векторов напряжений, позволяющая верифицировать измерения в УН и использовать их в системах ИСУУ и РСМУ.