Сучасні тенденції побудови та керування режимами електроенергетичних мереж

Кириленко Олександр Васильович; Денисюк Сергій Петрович

УДК 621.31

Кириленко Олександр Васильович, акад. НАН Украни, проф., директор,

1нститут електродинамiки НАН Украши, 03057, Украна, м. Кив, пр-т Перемоги, 56, тел. +380 44 456-01-51; e-mail: kyrylenko@ied.org.ua

Денисюк Сергш Петрович, д-р техн. наук, проф., директор

1нститут енергозбереження та енергоменеджменту Национального технiчного унiверситету Украни «Кшвський полггехтчний шститут», 03056, Украна, м. Кшв, вул. Борщагiвська, 115/3, тел. +380 44 454-93-77; e-mail: spdens@ukr.net

СУЧАСН1 ТЕНДЕНЦП ПОБУДОВИ ТА КЕРУВАННЯ РЕЖИМАМИ ЕЛЕКТРОЕНЕРГЕТИЧНИХ МЕРЕЖ

В cmammi розглянуто особливостi модернгзаци та побудови в ттелектуальних електричних мереж згiдно концепцп Smart Grid, а також перспективн напрямки керування режимами в цих мережах. Наведенi складовi еталонно'1' архтектури та значимi процеси для ттелектуальних електричних мереж, дана характеристика активних споживачiв, вiртуальних електричних станцт та мжромереж, як елементiв, що суттево впливають на режими функцюнування електричних мереж. Представлено особливостi реал1зацИ систем керування режимами електричних мереж з використанням iерархii рiвнiв керування та проце^в i технологт для керування електромагнтними процесами в режимi реального часу. Дана характеристика мультагентних систем керування з використанням архтектури на принципах штучного ттелекту, реактивно'1' та гiбридноi архтектур. Визначено сфери та технологiчнi напрямки оптим1зацИ електропостачання iз застосуванням пристроiв силово'1' електротки у видшених мережах.

Ключовi слова: електроенергетичнi мережi, концеп^я Smart Grid, базова архтектура, активний споживач, вiртуальна електростанцiя, мкромережа, мультиагентне керування, силова електронжа.

Кириленко Александр Васильевич, акад. НАН Украины, проф., директор

Институт электродинамики НАН Украины, 03057, Украина, г. Киев, пр-т Победы, 56, тел. +380 44 456-01-51; e-mail: kyrylenko@ied.org.ua

Денисюк Сергей Петрович, д-р техн. наук, проф., директор

Институт энергосбережения и энергоменеджмента Национального технического университет Украины «Киевский политехнический институт», 03056, Украина, г. Киев, ул. Борщаговская, 115/3, тел. +380 44 454-9377; e-mail: spdens@ukr.net

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПОСТРОЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМАМИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

В статье рассмотрены особенности модернизации и построения в интеллектуальных электрических сетей согласно концепции Smart Grid, а также перспективные направления управления режимами в этих сетях. Приведены составляющие эталонной архитектуры и значимые процессы для интеллектуальных электрических сетей, дана характеристика активных потребителей, виртуальных электрических станций и микросетей, как элементов, которые существенно влияют на режимы функционирования электрических сетей. Представлены особенности реализации систем управления режимами электрических сетей с использованием иерархии уровней управления и процессов и технологий для управления электромагнитными процессами в режиме реального времени. Дана характеристика мультиагентных систем управления с использованием архитектуры на принципах искусственного интеллекта, реактивной и гибридной архитектур. Определены сферы и технологические направления оптимизации электроснабжения с применением устройств силовой электроники в выделенных сетях.

Ключевые слова: электроэнергетические сети, концепция Smart Grid, базовая архитектура, активный потребитель, виртуальная электростанция, микросети, мультиагентное управления, силовая электроника.

ffirilenko Aleksandr Vasilevich, Mem. NASU, Prof., director, Institute of Electrodynamics National Academy of Science of Ukraine, Kyiv, Ukraine, 03057, Ukraina, Kyiv, av. Pobedy, 56, tel. +380 44 456-01-51; e-mail: kyrylenko@ied.org.ua

Denisyuk Sergey ^trov^, Dr. Eng. Sc., Prof., director, Institut of energy saving and of energymanagement (NEE) National Technical University «Kyiv Polytechnic Institute», 03056, Ukraina, Kyiv , st. Borshshagivskaya, 115/3, tel. +380 44 454-93-77; e-mail: spdens@ukr.net

MODERN TENDENCIES OF CONSTRUCTION AND MANAGEMENT MODES OF

ELECTROENERGY NETWORKS

In the article the features of the modernization and construction of smart grids under the concept of Smart Grid, and promising areas of management regimes in these networks. These components of the reference architecture

and important processes for smart grids, given the characteristics of active users, virtual power plants and Microgrid as elements that significantly affect the modes of operation of electrical networks. Presented by the peculiarities of systems management regimes of electrical networks using a hierarchy of levels and control processes and technologies to control electromagnetic processes in real time. The characteristic multi-agent control systems using the architecture on the principles of artificial intelligence, reactive and hybrid architectures. Defined scope and technological optimize power using power electronics devices in the selected network.

Keywords: electricity network, the concept of Smart Grid, basic architecture, prosumer, virtual power plant, Microgrid, multi-agent control, power electronics.

Вступ

Стратепчною метою розвитку електроенергетичного комплексу Укра'ни е побудова штелектуальних електричних мереж (1ЕМ) - Smart Grid як платформи для ринкових, управлшських та технолопчних шновацш, що забезпечить перехщ до нового рiвня розвитку украшсько'' електроенергетики [5, 7, 8]. Створення штелектуально'' системи - це формування ново'' шформацшно-енергетично'' структури, основу яко'' складають сучасш силовi та iнформацiйнi технологи, система ефективних ринюв електроенергл та супутшх послуг (системних, iнформацiйних та шших) [8-11].

Зупинимось на загальних положеннях, як визначили як ключовi при формуванш 1ЕМ. Сорок четверта Сеая С1ГРЕ (26-31 серпня 2012 р.) видшила 10 ключових технiчних питань, як е предметом основно'' уваги в розвитку електричних мереж [5]:

- поява активних розподшьних мереж з двонаправленими потоками на рiвнi розподшу, а також з мережами бшьш високого рiвня;

- застосування розвинено'' системи вимiрювань та забезпечення зростаючо'' потреби в обмiнi шформащею;

- зростаюче застосування високовольтних ЛЕП постшного струму, а також пристро'в силово'' електронiки (СЕ) на вах рiвнях напруги; 'х вплив на яюсть електроенергп, керування i надшшсть системи; стандартизацiя;

- необхiднiсть розвитку та масового впровадження систем накопичення електроенергл; оцiнка 'х впливу на розвиток i функщонування енергетичних систем;

- новi концепцп побудови систем керування з урахуванням активно'' взаемодп споживачiв i рiзних типiв електростанцш;

- новi концепцп захисту, що враховують розвиток мереж i рiзнi характеристики електростанцiй;

- новi концепцп планування з урахуванням зростаючих еколопчних обмежень, нових технологiчних рiшень для керування потоками активно'' та реактивно'' потужносп;

- новi iнструменти техшчно' оцiнки функцiонування електричних мереж, обумовлеш новими характеристиками споживача, виробника та мереж1;

- зростання пропускних потужностей i використання повiтряних, пiдземних та тдводних iнфраструктур, вплив 'х використання на техшчну роботоспроможнiсть i надшшсть мережц

- зростаюча необхiднiсть шформування зацiкавлених сторiн про технiчнi та комерцшш наслiдки.

При реалiзацii штелектуальних мереж на европейському ринку були визнаш основш 10 крокiв, яю пiдлягають реалiзацii та багато з яких тюно пов'язанi мiж собою [14]:

- забезпечення нормативних стимулiв для шновацшних iнвестицiй в мережi (20112020 р.р.);

- розробка моделей ринку (2011-2020 рр.);

- встановлення стандартiв та забезпечення захисту даних i конфiденцiйностi (20112014 р.р.);

- тестування з використанням демонстрацшних проектiв та обмiн знаннями (20112018 рр);

- розгортання штелектуальних вимiрювань - пошформоваш ^енти (2012-2020 р.р.);

- монiторинг та керування мережами iз розосередженою генеращею (2012-2020 р.р.);

- рух до штеграцп мiсцевого i центрального балансування для вах типiв генерацп (2015-2021 р. р. та дал^;

- агрегащя розосереджених джерел енерги (2015-2021 р.р. та далi);

- штегращя у великих масштабах е-мобшв, опалення, охолодження та зберiгання (2015-2021 р.р. та дат);

- рух до реально! участi споживачiв в енергоринку (2015-2021 рр. та дал^.

На сьогодш видiляeться три поколшня Smart Grid, що дозволяе послщовно рухатися до цшьово! моделi [12, 13, 15, 16]:

- Smart Grid 1.0 - стан електроенергетично! шфраструктури, при якому окремi пристро! та об'екти системи можуть пiдключатися до мереж без використання единих цифрових стандарт;

- Smart Grid 2.0 - стан електроенергетично! iнфраструктури, при якому тдключення будь-яких вузлiв системи можливо тшьки при умовi переходу на единий IP-протокол та включених в едину штегровану IP-мережу;

- Smart Grid 3.0 - гнучка енергетична система, яка базуеться на принципах децентралiзованого керування та рiвноправностi споживача i постачальника.

В процес розвитку 1ЕМ велика увага придшяеться розробцi базових архiтектур [10, 12-15]. Арх^ектура 1ЕМ - концептуальна модель i загальна органiзацiя 1ЕС з точки зору ii використання або розробки. Арх^ектура включае в себе техшчш та дiловi (бiзнес) моделi i технiчнi вимоги, якi разом передають загальне уявлення про 1ЕМ. Архiтектура втiлюе на високому рiвнi принципи та вимоги, яким розроблюваш програми та системи повиннi задовольняти. Еталонна арх^ектура - набiр уявлень (схем) i описiв, якi служать основою для обговорення характеристик, варiантiв використання, поведiнки, iнтерфейсiв, вимог i стандартiв 1ЕМ. Еталонна архiтектура не е остаточною архiтектурою конкретно! системи, а, скорее, е iнструментом для опису, обговорення та розробки ще! арх^ектури.

Загальна модель Smart Grid (Smart Grid Architecture Model - SGAM), розроблена корпоращею CEN-CENELEC-ETSI Smart Grid - Coordination Group (рис. 1) [11-14].

При створенш еталонних арх^ектур враховуеться, що iнтелектуальна електроенергетична мережа являе собою мережу нового поколшня, яка створена з застосуванням мультиагентного принципу оргашзацп та керування ïï функщонування i розвитком i орiентована на забезпечення ефективного використання вах ресурав (природних, соцiально-виробничих та людських), для надiйного, якiсного та ефективного енергопостачання споживачiв, за рахунок гнуч^ взаемодГï всiх ïï суб'екпв (всiх видiв

Power System Equipment & Energy Conversion

Рис. 1. Загальна модель Smart Grid Architecture Model - SGAM

генерацп, електричних мереж i споживачiв), на 0CH0Bi сучасних технологiчних 3aco6iB i едино! iнтелектуальною iepapxi4Hoi системи керування.

Низкою провщних компанiй (EPRI, NIST, IBM, Cisco та шших) здiйснено видiлення значущих процесiв для 1ЕМ з роздiленням ix за визначеною множиною доменiв [6, 12, 13, 16]. Зупинимось на цьому бшьш детально.

Енергетичн1 ринки i регулювання

1. Органiзацiя торгiвлi на регюнальному конкурентному електроенергетичному

ринку.

Керування та функцюнування енергосистем.

2. Автоматична актуалiзацiя параметрiв загально'1 та локалiзованиx цифрових моделей енергосистеми (енергокластера).

3. Оцiнювання стану енергосистеми за даними телевимiрювань.

4. Автоматичне керування напругою i реактивною потужшстю в енергокластерi.

Магiстральнi та розподшьш мережi

5. Самовiдновлення мереж в аварiйному режимi з використанням удосконалено'1 системи автоматики.

6. Автоматичне керування мережею в нормальному режима

7. Керування активами на основi штеграцп штелектуального дiагностичного обладнання з системою керування основними фондами тдприемства (ЕАМ-система).

Генеращя та великi споживач!

8. Автоматизований розрахунок i керування уставками пристро!в P3iA генеруючих о6'ектiв i промислових споживачiв в режимi реального часу.

9. Мошторинг якостi електроенергл для промислових споживачiв.

10. Теxнологiчне приеднання промислових споживачiв до електричних мереж.

Малi та середнi споживач^ енергозбутовi компанп i сервiс-провайдери

11. Надання послуг на основi on-line мошторингу споживання енергоресурсiв.

12. 1нформування споживачiв про фактичнi та прогнозованi тарифи, споживанш енергоресурсiв в режимi реального часу.

13. Змша споживачем навантаження у певш перiоди часу на основi керуючих сигналiв (керування попитом).

14. Бшлшг (з функцiею пред6iллiнга) в on-line режима

Мала енергетика: НВДЕ, розподшена генерацiя, накопичувачi енерп!

15. Керування в режимi реального часу об'ектами розосереджено! генерацп (РГ), пiдключеними до мережа

16. Робота вдосконалено'1 системи автоматики розподшьно'1 мереж з об'ектами РГ.

17. Планування пiдключення об'екта розосереджено'1 генерацп до мережъ

Були проаналiзованi та опрацьованi ще цший ряд процесiв, якi е менш актуальними, але досить значимими для побудови архтектури:

Керування та функцюнування енергосистем

1. Протиаваршне автоматичне керування.

2. Системи мошторингу режиму, реестрацп аваршних подiй та дiагностики обладнання.

3. Технолопчш о6'ектовi автоматики.

4. Функцюнування релейного захисту та мережево'1 автоматики.

5. Автоматика керування режимом i станом обладнання.

6. Технологи оперативного персоналу.

Малi та середш споживач^ енергозбутовi компанп i сервiс-провайдери

7. Цшоутворення (розрахунок нерегульованих цiн).

8. Формування обсяпв покупно'1 енергп та формування заявки на закупку на Ринку.

Питання застосування нових технологий в секторi магютральних та розподшьних

мереж [9-16] е одним iз ключових. При цьому мова йде про:

- шновацшш компоненти та технологи (акумулювання електроенерги; надпровiднiсть; струмообмежувальнi пристро'].'; цифровi тдстанци; передача енергГï постшним струмом; керованi електропередачi змiнного струму);

- новi технологи для систем мошторингу та захисту вiд зовшшшх впливiв (контролю та захист вщ зовнiшнiх впливiв; монiторинг та дiагностика електричних мереж);

- системи керування з новими технолопчними рiшеннями (адаптивне автоматизоване i автоматичне керування; штелектуальне керування).

В ттелектуальних мережах, на вщмшу вщ традицiйних, широко використовуються новi технологiчнi рiшення при реалiзацiï' цiлого ряду систем:

М1жсистемн1 мпждержавш мереж1:

- оцiнка поточного стану (режиму) передачi;

- автоматичний контроль завантаження передачi та видача керуючих впливiв на розвантаження при виникненш перевантаження.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Системоутворююч1 мереж1 енергетичних систем:

- автоматичний контроль повузлового балансу активно' та реактивно' потужносп, оцшка втрат електрично'' енерги;

- контроль напруги в базисних точках мережц

- оцшка поточного стану (режиму) мережц

- мережевi елементи, яю змiнюють топологiю мереж згiдно керуючих впливiв;

- автоматичний контролю завантаження критичних перерiзiв з видачею керуючих впливiв на розвантаження;

- регулювання частоти i пiдтримки балансу активноï потужностi у вiдокремлених енергорайонах в аваршних ситуащях;

- автоматизована реконф^рашя електричних мереж;

- монiторинг перехщних процесiв з використанням синхронiзованих векторних вимiрювань.

Розпод1льн1 мереж1 загального користування:

- автоматичний контроль повузлового балансу активноï та реактивноï потужностi;

- контроль якост електроенерги у вузлах мережу

- централiзоване автоматичне керування навантаженням споживачiв;

- керованi мережевi елементи, якi змiнюють параметри мережу

- управлiння для пiдтримки балансу при видшенш вузлiв на iзольовану роботу;

- контроль та керування надшшстю електропостачання.

В результатi розвитку систем ттелектуальних електромереж i створення систем третього поколшня Smart Grid 3.0 з»явиться цiла низка низка нових властивостей iнтелектуальних систем:

- розвиток систем розосередженоï генерацп та доступ уах видiв генерацп i споживачiв до ринку електроенерги та послуг електромережевоï iнфраструктури;

- активiзацiя споживачiв електроенергiï за рахунок ïx оснащення «iнтелектуальними» системами облiку з можливiстю оперативного ситуацiйного керування складом i потужшстю тдключених електроустановок;

- оптимiзацiя вироблення i споживання електроенерги за рахунок регулювання навантаження з максимальним урахуванням вимог споживачiв, а також тдвищення пропускноï спроможностi лшш електропередачi;

- максимальна самодiагностика, попередження системних збо"1в, розвиток теxнологiй самовiдновлення схем електропостачання;

- використання оптимальних iнструментiв i теxнологiй експлуатацiï та обслуговування;

- тдвищення рiвня монiторингу стану електромереж та ïï елементiв з огляду на

зниження впливу на навколишне середовище, з обробленням шформаци в режимi

реального часу.

При побудов сучасних 1ЕМ та реалiзащi сучасних програмних та апаратних 3aco6iB систем керування для 1ЕМ необхiдно враховувати появу в електроенергетичних системах активних споживачiв, вiртуальних електростанцш (VPP) та мiкромереж - Microgrid [5, 7-10].

Активн1 споживач1

Одшею з ключових функцiональних характеристик сучасних 1ЕМ згiдно концепцп Smart Grid е мотивацiя активно! поведiнки кшцевого споживача, пiд якою розумieться забезпечення можливосп самостшно! змiни споживачами обсяпв i функцiональних властивостей (рiвня надшносп, якостi тощо) одержувано! електроенергп на пiдставi балансу сво!х потреб i можливостей електроенергетично! системи з використанням шформацп про характеристики цiн, обсяги поставок електроенергп, надiйностi, якостi та шш. Активний споживач - це учасник споживчого ринку електроенергп, який мае можливють виходячи 3i сво!х потреб оптимiзувати графiк завантаження сво!х потужностей як з метою мiнiмiзацii витрат на електроенергiю, так i з метою отримання доходу вщ продажу електроенергп та потужностi.

Застосування щеологл активного споживача призвело до появи щлого ряду позитивних ефекпв в мережi та енергосистемi [4, 5, 9-12]:

- зниження каттальних i операцiйних витрат на мапстральш мережi при пiдвищеннi системно! надшносп та надiйностi електропостачання великих споживачiв, пiдключених до енергосистем;

- зниження потреби в резервi мережевих потужностей в енергосистем^ пристроях компенсацп реактивно! потужностi та витрат на !х експлуатацп;

- оптимiзацiя режимiв завантаження енергосистемi та зниження витрат на компенсащю втрат потужностi та електроенергп в енергосистемц

- зниження витрат на компенсащю збитюв вiд аваршних обмежень в подачi потужностi та енергп у вузли живлення розподшьних мереж (мереж споживачiв) i на аваршш ремонти в енергосистемi;

- зниження ткових навантажень i потреби в генеруючих потужностях для 1'х забезпечення i пiдтримки нормативних резервiв;

- вирiвнювання графiка навантаження енергосистеми, зниження потреби в маневрених потужностях, зниження вимог до обов'язкового внутршньодобового навантаження обладнання електростанцш;

- новi можливосп для тдтримки системно! надшносп за рахунок оперативного керування режимами, власними генеруючими i аккумулюючими потужностями великого споживача.

Активний споживач мае право вибирати: режим свого електроспоживання у вщповщносп з необхщшстю виконання сво!х виробничих планiв по випуску продукцп або забезпечення енерпею домогосподарства, оптимiзуючи сво!' витрати на покупку електроенергп iз зовнiшнiх ринюв; ступiнь свое!' участi у наданш додаткових послуг, що полягають у наданш керованих активних i реактивних навантажень (потужностей) для керування з боку системного оператора; умови завантаження власно!' потужносп (за !'!' наявносп), для формування заявки на участь у купiвлi / продажу електроенергп на оптовому та роздрiбному ринках.

В1ртуальш електростанцй' (Virtual Power Plan - VPP)

Використання VPP пов'язано з можливютю централiзованого агрегування енергп, що виробляеться розосередженою генерацiею, за допомогою технологiй Smart Grid з подальшою гармонiзацiею цiеi генерацii з графшами навантаження iндивiдуальних споживачiв [9-14]. Функщонування VPP пов'язано з можливютю комерцiйних споживачiв купувати потужнiсть на оптовому ринку за допомогою аукщону об'екпв розосереджено! генерацii в коротю промiжки часу (пiкове споживання). Вiртуальна електростанцiя - це структура, що об'еднуе в собi елементи трьох видiв:

- розподiленi генератори (в^роустановки, фотоелектричнi станцii, мiнi-та мiкроТЕЦ

та ш);

- споживачьрегулятори навантаження - побутовГ та промисловГ. ПобутовГ споживачi е найбiльш легко керованими навантаженнями. Керовашсть навантаження промислових споживачiв в основному залежить вщ гнyчкостi ïx технолопчних процесiв. Для деяких процесiв гнучюсть пiдвищyють за рахунок систем акумулювання енергп;

- системи акумулювання енергп. Цi системи можуть накопичувати енерпю в рiзниx формах (теплово:, електрично:, мехатчно: та хГмГчно:). Для побутових споживачiв найбiльш пiдxодящим варiантом е акумулювання тепла (по режимах роботи теплоакyмyлюючi системи добре координуються з мГкроТЕЦ). Система акумулювання енергп вибираеться виходячи з областГ застосування та вартост накопичyвачiв з урахуванням, при необхщносп, географiчного чинника.

Зазвичай вiртyальнi електростанцп приеднуються до мережГ середнього або низько: напруги. Елементи вГртуально: електростанцп можуть розташовуватися на значних вщстанях один вiд одного. Керування VPP здiйснюеться дистанцiйно через систему EMS (Energy Management System), яка приймае шформатю про поточний стан кожно: енергоустановки i передае на них керyючi сигнали. У EMS використовуються глобальна супутникова система навГгацп (GPS), за допомогою яко: здшснюеться синxронiзацiя вимiрювань комплексних значень струму та / або напруги на вах енергоустановках вГртуально: електростанцп. Пристро: для таких вимiрювань називають PMU (Phasor Measurement Units).

Вимоги до VPP-рГшень: надiйнiсть, енергоефективнiсть, низькi експлуатацшш витрати, низькi викиди, екологiчнiсть, зручтсть експлуатацп, мала потреба в обслуговуванн та ремонтi, хороший клiмат у примщенш з VPP, низька катталомютюсть.

Вiртyальна електростанцiя може мати як комерцшне призначення (продаж електроенерги на оптовий ринок), так i техшчне призначення (системн послуги - таю як регулювання частоти i активно: потужносп, пщтримка якостГ електроенерги тощо) або ж об'еднувати о6идвГ m функци.

М1кромереж1 - Microgrid

Сьогодш знаходять широке застосування локальнi системи Microgrid [9, 11-13]. Проблема оптимГзаци пщключення малих виро6никГв енергп до загально: мережГ - це проблема вщсутносп ефективних теxнологiй. Дослiдження в цш областi розпочав Роберт Х. Лассетер (Robert H. Lasseter), професор електротехшки Вюконтського yнiверситетy в Медюош (США). Переваги мiкромережевиx теxнологiй - зниження втрат енергп, зростання ефективност та доступностГ надiйного високоякГсного енергопостачання.

Локальна система Microgrid включае, як правило, юлька джерел генерацп та розподшьних пщстанцш, комплекси збереження енергп, регулятори потоюв електроенерги, що дозволяе Microgrid функцюнувати як в автономному режимГ, так i бути зв'язаною Гз зовшшньо: енергосистемою. Microgrid забезпечуе тдвищення надшностГ енергопостачання за рахунок оперативного переключення споживачГв мГж загальною енергосистемою i мюцевими джерелами енергп у випадку перевантажень та стрибюв напруги. Перевагами мГкромережевих технологГй е :хня легка та швидка адаптатя до споживачГв на противагу централГзованим системам енергопостачання.

КоординацГя систем Microgrid в штелектуальнш мережГ здГйснюеться на рГзних рГвнях напруги за допомогою [10-12]:

- Центру керування групою Microgrid (висока напруга розподшьно: мережГ);

- Microgrid координатора (Smart концентратор) (середня та низька напруга);

- Головно: системи керування Microgrid (середня та низька напруга).

Фактично системи Microgrid вимагають створення «центрально: нервово: системи» для керування операщями розподГлу ресурав у свош зонГ: розосереджет ресурси повиннГ бути об'еднанi та оптимiзованi; ресурси повиннГ з'явитися у системних операторiв як «вГртуальн генератори», що е ГнтегрованГ в систему постачання. Наприклад, Головна система керування Microgrid включае розосереджену генератю, кероваш навантаження, розосереджене акумулювання енергп.

Керування режимами 1ЕМ

Вимоги до сучасних систем керування 1ЕМ [1-3, 5, 7, 10-12]:

- тдвищення ступеня автоматизацп керування в поеднанш з ефективними системами для прийняття ршень оперативним персоналом;

- узгодження балансу iнтересiв суб'ектiв електроенергетики та споживачiв електроенергп за умови мiнiмiзащï витрат на енергопостачання та послуги;

- максимальне використання можливостей технолопчно'1 бази енергетики при мiнiмiзащï рiзного роду обмежень;

- залучення споживачiв до керування електроенергетичною системою в аваршних ситуацiях з урахуванням ïx економiчних iнтересiв;

- максимально можлива швидкiсть прийняття рiшень щодо змши умов використання електроенергп, в першу чергу, у непередбачуваних ситуацiяx;

- мониторинг стiйкостi системи в реальному чаа, динамiчне прогнозування та превентивна реакщя на змiну умов зовшшнього середовища;

- можливостi реконф^урацп частин системи при аваршних ситуащях з вщновленням нормального режиму;

- захист систем керування та шформацшного простору вiд щлеспрямованих електромагнiтниx впливiв i кiбератак.

Iерарxiя рiвнiв керування в 1ЕМ розкривае поняття «штелектуальш мережi» як сукупшсть електроенергетичних та iнформацiйно-комунiкацiйниx теxнологiй, що представляють можливiсть бiльш ефективного керування ЕЕС за рахунок обмшу та керування технолопчною та маркетинговою шформащею. Наведемо iерарxiя рiвнiв («якосп») керування в 1ЕМ [1-3, 5]:

6. 1нтелектуальне керування - система керування з вбудованими функщями штучного штелекту, що здiйснюють функцп визначення мети.

5. 1нтелектуальне керування - система керування з вбудованими функщями штучного штелекту без функцп визначення мети.

4. Адаптивне керування - змши параметрiв регулятора або структури регулятора в залежносп вщ змiни параметрiв об'екта керування або зовнiшнix збурень, що д^ть на об'ект керування.

3. Робастне керування - стшке керування при юнуючих змiнаx параметрiв об'екта керування або зовнiшнix обурення, що д^ть на об'ект керування.

2. Позицшне керування - керування заданим станом об'екта керування.

1. Програмне керування - керування заданою траекторiею руху об'екта.

На нижчих рiвняx 1 та 2 задiяно лише об'ект керування, тодi як виконання 5 та 6 рiвнiв потребуе використання хмарних технологш.

Як приклад наведемо перелш процесiв i технологш при керуванш в реальному час згiдно домену «Керування та функщонування енергосистем» [5, 12, 13, 16]:

- ощнка стану поточного режиму;

- дозвш оперативних заявок, перевiрка теxнологiчноï допустимостi та можливосп проведення поставок енергiï за прямими договорами;

- керування перемиканнями мережевого обладнання (ЛЕП, трансформаторiв) i включенням / вщключенням генеруючого обладнання;

- проведення процедур ринюв електроенергiï;

- оп-line керування енергосистемою в нормальному режимi (автоматичне i диспетчерське режимне керування; централiзоване керування та само диспетчеризащя;

- централiзоване протиаварiйне керування режимами на великих територiяx (ОЕС, обленерго, енергокластери, Microgrid) (WAMPAC);

- локальне, у тому чист, адаптивне (мультиагентний принцип) протиаваршне керування режимами;

- керування електроспоживанням (у тому чист, реверсивним) на основi ринково'1

щни;

- протиаваршне та режимне керування електроспоживанням на ochobï участ споживачiв у ринках системних послуг;

- обмеження електроспоживання у вщповщносп з договiрними обсягами постачання i оплати;

- on-line дiагностика мережевого та генеруючого обладнання.

Основнi технологи iнтелектуального керування в 1ЕМ [2, 3, 5]:

1. Мультиагентш системи керування - координащя систем керування з використанням системи мошторингу перехiдних режимiв i пристро'1'в FACTS, самовiдновлення районних електроенергетичних систем, керування попитом на мюцевих торгових майданчиках.

2. Штучш нейроннi мережi i нейромережевi системи керування, асоцiативний пошук для щентифшацп та керування, експертш системи - ранне виявлення i локалiзацiя передаварiйних режимiв, вiртуальне моделювання i зниження порядку моделей, порадники оператора, тренажери.

3. Технологiя адаптивного векторного керування гнучкими системами змшного струму - первинне i вторинне автоматичне керування напругою i реактивною потужшстю, дооптимiзацiя режимiв по реактивно'1' потужностi в межах графiка навантаження, встановленого системним оператором.

4. Адаптивш моделюючi платформи реального часу - моделювання та оптимiзацiя режимiв за реактивною потужнiстю, мошторинг топологи мереж i адаптацiя моделей, пшотш проекти для вiдпрацювання систем керування та мошторингу.

5. Технолопя проектування, створення i пiдтримки в працездатному сташ великомасштабних систем передачi шформаци в 1ЕМ - системний аналiз, верифiкацiя та валiдацiя системи, моделювання та мошторинг параметрiв шформацшно'1' мереж для своечасного визначення проблемних дшянок в iнформацiйнiй структурi 1ЕМ.

6. Технологiя адаптивного автоматичного керування для вщновлюваних джерел енергп, у тому чист вiтрових, приливних, сонячних, у т.ч. в перспективi космiчних сонячних електростанцiй.

7. Технологи створення сучасних людино-машинних iнтерфейсiв на основi застосування персональних мобiльних iнтелектуальних пристро'1'в введення / виведення шформаци, для забезпечення гнучкого керування в розподшенш структурi «ресурс -користувач».

На сьогодш збiльшуються обсяги шформаци для прийняття обгрунтованих ршень, що вимагае значного часу на ïï передачу в центр i вщповщну обробку. Пщвищуються вимоги до комплексносп виршення завдань забезпечення надiйностi та якосп, пiдвищення економiчностi, як при поточному функщонуванш, так i при розвитку енергосистеми. Тому в основу системи керування штелектуальною системою у бшьшосп випадюв мае бути покладено мультиагентний тдхщ, в рамках яко'1' формуеться розподiлена автоматизована система реального часу, що забезпечуе взаемод^ персоналу штелектуально'1' електроенергетично'1' системи з автоматизованими i автоматичними комплексами керування [2, 3, 5, 10-14].

Переваги мультиагентних систем керування (МАСК):

- розвиток засобiв адаптацп до змш середовища, можливють модифiкацiï ïï структури i параметрiв безпосередньо в процесi функцiонування;

- застосування динамiчного моделювання в реальному чаа з прогнозуванням стану енергосистеми;

- оргашзащя розподiленого iнформацiйно-технологiчного простору, синхрошзованого обмiном i оптимiзацiею взаемодiï мiж рiзними пiдсистемами, можливiсть iнформацiйного обмiну не тiльки даними, але й знаннями;

- застосування паралельних обчислень, яю дозволяють рiзко пiдвищити швидкод^ та на порядок економити обчислювальш ресурси;

- здатнiсть здiйснювати керування станом техшчних комплексiв i систем на основi

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

розподшених мережевих шформацшних мереж i гнучко'1 iнфраструктури обчислювальних компоненпв.

Мoжливoстi МАСК: мoдифiкацiя структури i парамeтрiв безпосередньо в прoцeсi функцioнування; застосування динамiчнoгo моделювання в реальному 4aci з прогнозуванням стану; oрганiзацiя розподшеного керування з oптимiзацieю взаемоди мiж пiдсистeмами; мoжливiсть oбмiну як даними, так i знаннями; паралельш обчислення, що тдвищують швидкiсть обчислень при економи обчислювальних рeсурсiв; керування станом техшчних кoмплeксiв i систем на oснoвi рoзпoдiлeних мережевих iнфoрмацiйних мереж i гнучкою iнфраструктури обчислювальних компоненпв.

Набули поширення три типи архтектури МАСК. Архтектура МАСК на принципах штучного ттелекту використовуе методи i засоби символьного представлення знань. Обмежешсть архтектури - вiдсутнiсть пiдсистeми моделювання для прогнозування своех пoвeдiнки, поведшки iнших агeнтiв i зoвнiшньoгo середовища. Забезпечуеться створення точнох i повнох мoдeлi складного багатoрiвнeвoгo та багатозв'язного динамiчнoгo об'екта, репрезентованох спiльнoтoю взаемод^чих агeнтiв, а також системи керування таким об'ектом у данiй архiтeктурi неможливо.

Реактивна архтектура використовуе методи i засоби символьного представлення знань. Обмежешсть архтектури - вщсутшсть тдсистеми моделювання для прогнозування свое поведшки, поведшки шших агeнтiв i зовшшнього середовища. Створення точнох i повнох мoдeлi складного багатoрiвнeвoгo та багатозв'язного динамiчнoгo об'екта, репрезентованох спiльнoтoю взаемод^чих агeнтiв, а також системи керування таким об'ектом у данш архiтeктурi неможливо.

Пбридна архiтектура рeалiзуе динамiчну oрганiзацiйну модель МАСК 1ЕМ i мютить ментальну та реактивну тдсистеми з доповненням ïï системою моделювання. Дана модель дозволяе забезпечити агенту можливють вибору стратеги досягнення цшей i певних дш у рамках обрано'1' стратеги, а також забезпечити можливють гнучко'1' коригування iерархiй в структурi системи iнтeлeктуальнoгo керування.

Оргашзацшна модель МАСК описуеться багатофакторним вектором стану вше! сукупнoстi агeнтiв МАСК, тому доцшьно використовувати гiбридну арх^ектуру МАСК, доповнену системою моделювання, що дозволяе агенту забезпечити вибiр стратеги i виконати ди для досягнення цшей обранох стратеги i гнучку коригування iерархiй в структурi системи штелектуального керування.

Архiтeктура МАСК мае мютити:

- спeцiалiзoванi бази знань (онтологш) для подання iнфoрмацiйних потреб функцюнування рiзних агeнтiв;

- мoдeлi прoцeсiв функцioнальнo повнох пiдсистeми спeцiалiзoваних агeнтiв, забезпечують пошук, уявлення, обробку та розподшення iнфoрмацiï;

- тдсистему прогнозуючого моделювання;

- пiдсистeму формування критерив i обмежень;

- тдсистему моделювання та координаци взаемодй мiж агентами, oрганiзацiï кооперативного пoвeдiнки, забезпечення iнфoрмацiйнo-тeхнoлoгiчнoï взаемодй i сумiснoстi агенпв;

- пiдсистeму формування керуючих впливiв i рeалiзацiï керування;

- тдсистему аналiзу i планування.

Побудову сучасних 1ЕМ, зокрема, з використанням МАСК, та забезпечення ефективного керування електроенергетичними процесами дозволяе застосування рiзних типи пристрохв СЕ (рис. 2 та табл. 1). Зазначимо, що комплексний тдхщ до оцшки та подальшох oптимiзацiï eлeктрoмагнiтних прoцeсiв в 1ЕМ включае наступнi складoвi: аналiз обмшних прoцeсiв; аналiз складових втрат електроенерги; аналiз ЕМС та якoстi електроенерги. Власне задачi та критерй oптимiзацiï електропостачання в 1ЕМ наведено в табл. 2.

За результатами проведеного аналiзу можна сформувати наступш напрямки розвитку штелектуальних електромереж ОЕС Украши:

- реалiзацiя державно! полiтики при побудовi концепцп Smart Grid;

- запровадження та реалiзащi Smart Grid в рамках положень вщповщно! «дорожньоi карти»;

- нарощування потужностей i ефективнoстi експлуатацп мереж;

- створення стимулюючих екoнoмiчних i законодавчих механiзмiв, якi дозволятимуть на державному рiвнi прискорити впровадження передових кoнцепцiй, шщатив та рiшень;

- iнтеграцiя телекому шкацшно1 та енергетично1 iнфраструктури краши;

- взаeмoдiя рoзпoдiльних i транспортних систем;

- доставка i реалiзацiя ресурав кiнцевoму спoживачевi;

- автoматизoванi системи вимiрювань, збору даних та облшу;

- технологи обробки значних масивiв даних у мережах Smart Grid;

- забезпечення конфщенцшносп та безпеки даних у мережах Smart Grid;

- розподшеш та вщдалеш системи збору даних i керування пристроями;

- роль телекомушкацшних oператoрiв i oператoрiв машинно-машинно'1 взаемодп М2М при пoбудoвi та керування мережами Smart Grid;

- розробка стандарт для 1ЕМ Украши;

- Data-центри для електроенергетики;

- альтернативна енергетика, VPP i Microgrid;

- мультиагентнi системи керування;

- забезпечення ефективно! роботи активних спoживачiв.

Рис. 2. Основш сфери застосування пристро1в СЕ

Таблиця 1

№ з/п Тип СЕ СЕ1 СЕ2 СЕ3 СЕ4 СЕ5 СЕ6

1 Стандартна передача енерги постшним струмом (ПЕПС) + + + +

2 ПЕПС на oснoвi швертора напруги + + +

3 FACTS та FACDS, у т.ч. СТАКОМ (статичний компенсатор) + + +

Продовження таблиц 1

4 Статичш тиристорш компенсатори + + + + +

5 Ушфшоваш контролери потоку енерги + + + + +

6 1нвертори напруги та струму, в т.ч. багаторiвневi + + + +

7 Потужш випрямлячi з регулюванням вихщного сигналу + + + +

8 Перетворювачi частоти, елекгропривщ + + + + +

9 Реакторш групи, комутоваш вимикачами + + +

10 Кероваш шунтукта реактори з тдмагшчуванням постшним струмом +

11 Напiвпровiдниковi iзолюючi пристро! + + + +

12 Комутатори та переривачi + + + + +

13 Вставки постшного струму + +

14 Активш фшьтри (компенсатори) спотворень + + + +

Таблиця 2

Оптимiзацiйна задача Критери оптим1заци

Мiнiмiзацiя ампштуди /а та д1ючого значення /в струму, що вщбираеться вщ генератора /д ^ /а,м™; /в ^ /б,мш

Мiнiмiзацiя встановлено! потужност обладнання £ £ ^ £мш

Аналiз нерiвномiрностi генераци / споживання електроенерги за активною потужшстю Р | р{*) - Р | ^ Рмтм

Аналiз сумарно! активно! Р та реактивно! Q потужностей, одночасно приеднаних до мережi джерел РГ Ррг < Ррг,гр; qрг < qрг,гр

Мiнiмiзацiя обмшних процеав (обмшно! потужносп Qоб) Qoб ^ Qoб,MIN

Мтмзащя додаткових втрат електроенерги (потужносп Фризе Qф) Qф ^ Qф,мin

Анал1з стшкосп та надшносп роботи системи за струмом та/чи напругою Аи/АП < 5и; А//АП < 5/

Мтмзащя заданого р1вня електромагштно! сумюносп за обмшною потужшстю Qоб,м вищих гармошк &б,<х> ^ ^б,<х>,м™

Перелж використаноТ лггератури

1. Бахтадзе Н. Н., Ядыкин И. Б., Максимов Е. М., Максимова Н. Е. Мультиагентный подход к разработке систем управления интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью. [Электронный ресурс] - http://paco2012.ipu.ru/procdngs/C205.pdf

2. Булатов Б. Г., Тарасенко В. В. Алгоритмы интеллектуального управления режимом распределительной сети // Вестник ЮУрГУ. - 2012. - № 37. - С. 18-22.

3. Вариводов В. Н., Коваленко Ю. А. Интеллектуальные электроэнергетические системы // Электричество. - 2011. - № 9. - С. 4-9.

4. Волкова И. О., Губко М. В., Сальникова Е. А. Активный потребитель: задача оптимизации потребления электроэнергии и собственной генерации // Проблемы управления. - 2013. - № 6. - С. 53-61.

5. Интеллектуальные электроэнергетические семы: элементы и режимы / Под общ. ред. А.В. Кириленка. - К.: ИЭД НАН Украины, 2014. - 408 с.

6. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью (Концепция рассмотрена и одобрена на совместном заседании НТС ОАО «ФСК ЕЭС» и Российской академии наук в октябре 2011г.). - М.: ОАО «ФСК ЕЭС», 2012. - 51 с.

7. Стогнш Б. С., Кириленко О. В., Денисюк С. П. 1нтелектуальш електричш мережi електроенергетичних систем та !хне технолопчне забезпечення // Техн. електродинамжа. - 2010. - № 6. -

С. 44-50.

8. Стогнш Б. С., Кириленко О. В., Денисюк С. П. Розвиток штелектуальних електричних мереж Украши на ocTOBi положень концепцп Smart Grid // Пр. 1н-ту електродинамiки НАН Украши: Зб. наук. пр. Спец. вип. - К.: 1ЕД НАН Украши, 2012. - С. 5-13.

9. Grid 2030: A national version for electricity's second 100 years. - Office of Electric Transmission and Distribution, United States Department of Energy. - July 2003. - 89 p.

10. Strategic Research Agenda Update of the Smart Grids. SRA 2007 for the needs by the year 2035. - 2012. 72 p. Electronic resource] - Mode of access: http://www.smartgrids.eu/documents/sra2035.pdf

11. EPRI's IntelliGridSM initiative. [Electronic resource] - Mode of access: http: // intelligrid.epri.com

12. www.smartgrids.eu

13. www.oe.energy.gov/smartgrid.htm

14. 10 steps to Smart Grids // Union of the Electricity Industry. - EURELECTRIC, 2011.

15. Technology Roadmap Smart Grids. - Paris: OECD/IEA, 2011. - 52 p.

16. www.gridology.ru

Referenses: