CC BY
108
05.20.02 ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ _В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ_
05.20.02
УДК 621.311(1-22):005.52:621.316.11
АНАЛИЗ КОНЦЕПЦИЙ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СЕЛЬСКИХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, СОДЕРЖАЩИХ НЕСКОЛЬКО ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
© 2020
Александр Владимирович Виноградов, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории электро- и энергоснабжения и электробезопасности
Анатолий Юрьевич Сейфуллин, инженер ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, г. Москва (Россия)
Аннотация
Введение: обеспечение роста и модернизация сельскохозяйственной отрасли невозможна без опережающего развития энергетической инфраструктуры. Повышение эффективности и надежности систем электроснабжения объектов агропромышленного комплекса - это один из основных этапов модернизации сельскохозяйственной отрасли. В целях определения направлений развития энергетической инфраструктуры сельского хозяйства и разработки инновационных подходов по ее модернизации требуется фундаментальный анализ концепций построения существующих систем электроснабжения сельских потребителей и перспективных систем, содержащих несколько источников электроснабжения, объекты распределенной генерации и микросети.
Материалы и методы: выполнено исследование существующих систем электроснабжения объектов сельского хозяйства на примере существующих объектов распределительных электрических сетей г. Москвы и Московской области. Рассмотрены основные проблемные вопросы, связанные с режимами работы объектов распределенной генерации в распределительных электрических сетях. Произведен анализ материалов и результатов отечественных и иностранных исследований перспективных концепций построения систем электроснабжения.
Результаты: в результате анализа концепций построения систем электроснабжения был сформирован ряд актуальных проблем, которые необходиморешить для успешного построения перспективных интеллектуальных систем электроснабжения, содержащих объекты распределенной генерации, в том числе микросети. Обсуждение: рассмотрены существующие схемы электроснабжения распределительных электрических сетей г. Москвы и Московской области, где в качестве основных источников применяются подстанции высоковольтных электрических сетей, произведен анализ режимов их работы. Рассмотрены варианты подключения объектов распределенной генерации к распределительным электрическим сетям, произведен анализ изменения режимов работы электрических сетей, вследствие подключения объектов распределенной генерации. Заключение: наиболее перспективная концепция, которая позволит добиться максимального экономического и технологического эффекта - это построение системы электроснабжения сельских потребителей в рамках концепции интеллектуальных микросетей. Актуальной является задача разработки средств управления и оптимизации режимов работы интеллектуальных систем электроснабжения (SmartGrid) сельских потребителей, содержащих мультиконтактные коммутационные системы и объекты распределенной генерации, что позволит в значительной степени решать указанные выше проблемы организации интеллектуальных электрических сетей.
Ключевые слова: SMART GRID, распределенная генерация, интеллектуальная электрическая сеть, мульти-контактные коммутационные системы, распределительные электрические сети, режимы работы, системы электроснабжения сельских потребителей.
Для цитирования: Виноградов А. В., Сейфуллин А. Ю. Анализ концепций построения систем электроснабжения сельских потребителей, содержащих несколько источников электрической энергии // Вестник НГИЭИ. 2020. № 2 (105). С. 32-44.
THE ANALYSIS OF CONCEPTS OF CONSTRUCTION OF SYSTEMS OF POWER SUPPLY OF OBJECTS OF AGRICULTURE CONTAINING SEVERAL SOURCES OF ELECTRIC ENERGY, INCLUDING MICROGRIDS
© 2020
Alexander Vladimirovich Vinogradov, Ph. D. (Engineering), associate Professor, leading researcher of the laboratory of electrical and power supply and electrical safety Anatoliy Yurievich Seyfullin, engineer
state University Federal agricultural research centre VIM, 109248, Moscow (Russia)
Abstract
Introduction: ensuring the growth and modernization of the agricultural sector is impossible without the advanced development of energy infrastructure. Improving the efficiency and reliability of power supply systems for agricultural facilities is one of the main stages of modernization of the agricultural sector. In order to determine the directions of development of the energy infrastructure of agriculture and the development of innovative approaches to its modernization, a fundamental analysis of the concepts of construction of existing power supply systems for agricultural consumers and promising systems containing several sources of power supply, distributed generation facilities and mi-crogrids is required.
Materials and methods: the research of existing systems of power supply of objects of agriculture on the example of existing objects of distribution electric grids of Moscow and the Moscow region is carried out. The basic problem questions connected with modes of operation of objects of the distributed generation in distributive electric grids are considered. The analysis of materials and results of domestic and foreign researches of perspective concepts of construction of systems of power supply is made.
Results: the analysis of concepts of power supply systems was formed a number of important problems that must be solved to successfully build promising intellectual power systems containing distributed generation, including mi-crogrids.
Discussion: the existing schemes of power supply of distribution electric networks of Moscow and the Moscow region where substations of high-voltage electric grids are used as the main sources are considered, the analysis of electrical modes of their work is made. Variants of connection of objects of distributed generation to distribution electric grids are considered, the analysis of change of modes of operation of electric grids, in consequence of connection of objects of distributed generation is made.
Conclusions: the most promising concept that will achieve maximum economic and technological effect is the construction of a power supply system for agricultural consumers within the framework of the concept of intelligent mi-crogrids. The actual problem is the development of management tools and optimization of intelligent power supply systems (Smart Grid) agricultural consumers containing multi-contact switching systems and distributed generation facilities, which will help greatly to solve the above problems of the organization of smart grids. Keywords: intelligent electric grids, distribution electric grids, operating modes, distributed generation, SMART GRID, power supply systems of objects of agriculture, multi-contact switching systems.
For citation: Vinogradov A. V., Seyfullin A. Y. The analysis of concepts of construction of systems of power supply of objects of agriculture containing several sources of electric energy, including microgrids // Bulletin NGIEI. 2020. № 1 (105). P. 32-44.
Введение
Согласно данным Аналитического центра при Правительстве РФ, доля сельского хозяйства в 2018 году составила 3,1 % от ВВП [1, с. 6, 7]. Обеспечение роста и модернизация сельскохозяйственной отрасли невозможна без опережающего развития энергетической инфраструктуры. В целях определения направлений развития энергетической инфраструктуры сельского хозяйства и разработки инновационных подходов по ее модернизации требуется фундаментальный анализ концепций построения существующих систем электроснабжения сельских потребите-
лей и перспективных систем, содержащих несколько источников электроснабжения, объекты распределенной генерации и микросети.
Материалы и методы Как правило, в Российской Федерации сельские электрические сети являются частью распределительных электрических сетей региональных электросетевых компаний. В данном исследовании для анализа концепций построения существующих систем электроснабжения были подробно рассмотрены объекты распределительных электрических сетей 0,4-20 кВ Московского региона ПАО
«МОЭСК» (схемы электрических соединений, режимы работы распределительных электрических сетей, характеристики и состав оборудования, схемы построения защит и автоматики), обеспечивающих электроснабжение объектов сельского хозяйства, а также действующие отраслевые нормативно -технические документы по проектированию и эксплуатации распределительных электрических сетей и электроустановок потребителей электрической энергии.
Для анализа концепций построения перспективных систем электроснабжения объектов сельского хозяйства были проанализированы материалы и результаты отечественных и иностранных исследований в области технологий интеллектуальных электрических сетей «SmartGrid» [2; 3; 4; 5].
Результаты
Концепции построения существующих систем электроснабжения.
Рассмотрим характеристики основных элементов системы электроснабжения распределительных электрических сетей ПАО «МОЭСК» напряжением 0,4-20 кВ, осуществляющих электроснабжение объектов сельского хозяйств в г. Москве и Московской области.
Основными классами номинальных напряжений распределительных электрических сетей, осуществляющих электроснабжение сельских потребителей, являются 0,4, 6, 10, 20, 35 кВ. В настоящее время ведется работа по ликвидации сетей номинального класса напряжения 6, 35 кВ и перевод питания потребителей на более высокие классы номинального напряжения 10-20 кВ и 110-220 кВ соответственно [6, с. 48]. Электрические сети 220, 110, 35 кВ и является питающими по отношению к объектам сети 0,4, 6, 10, 20 кВ. Подстанции номинальным классом напряжения 220/04, 110/0,4, 35/0,4 кВ практически отсутствуют.
Основными источниками питания - центрами питания (ЦП) в распределительной электрической сети ПАО «МОЭСК» являются:
- подстанции с номинальными классом напряжения 220/35/10/6, 110/35/10/6, 35/10/6 кВ;
- районные электрические станции большой и средней установленной мощности, применяющие традиционные виды органического топлива, газо-
вые и дизельные электрические станции малой мощности реже применяются в качестве источников питания.
Мало представлены:
- объекты распределенной генерации;
- гидравлические электрические станции;
- электрические станции, использующие нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. Практически отсутствуют электрические накопители большой мощности.
Схема сети определяет способ коммутации линий электропередачи (ЛЭП), условия резервирования отдельных элементов, электрические режимы работы, особенности конструктивного выполнения трансформаторных подстанций (ТП), а также используемую защиту и автоматику. Выбор схемы электроснабжения зависит от категории электроприемников. Основными видами конфигурации распределительной электрической сети 6-20 кВ являются радиальные и магистральные сети, которые по своему назначению являются:
- питающими сетями - совокупность ЛЭП между ЦП и распределительными пунктами (РП) или распределительными трансформаторными пунктами (РТП). ЛЭП между ЦП и РП - называются питающими линиями, ЛЭП между РП называются линиями связи.
- распределительными сетями - совокупность ЛЭП от РП до трансформаторных пунктов (ТП), а также ЛЭП между ТП;
- распределительная сеть низкого напряжения - сеть номинальным напряжением до 1000 В (как правило 0,4 кВ), представляющая собой совокупность ЛЭП от шин 0,4 кВ ТП до вводного-распределительного устройства (ВРУ) потребителя.
На рисунке 1 приведен пример схемы распределительных электрических сетей с двумя ЦП -подстанциями 110/10 кВ.
Согласно технической политике ПАО «Россе-ти» в распределительных сетях 6-20 кВ должны применяться следующие схемы электроснабжения [7, с. 25]:
- тупиковая;
- двухлучевая петлевая;
- автоматизированная двухлучевая.
Схемы приведены на рисунке 2.
Рис. 1. Схема электрической сети от двух ЦП - ПС 110/10 № 1, ПС 110/10 № 2. Fig. 1. The scheme of the electric network from two power centers - electric substation 110/10 No. 1,
electric substation 110/10 No. 2.
Рис. 2. Схемы электроснабжения распределительной сети Fig. 2. Circuits of power supply of the distribution grid
В распределительных сетях низкого напря- схем - радиальные и магистральные, указаны на
жения 0,4 кВ, как правило, применяются два вида рисунке 3.
1 с0,4
ТП-1
(3SH
1 АВР-
®ч
-|==|—I ВРУ-1
1 с0,4
-в-
■e-t
2 с0,4
-ЕЭ—I ВРУ-3
(3SH
ВРУ-2 ТП-1 АВР"
(SSM
2 с0,4
[] [] [] [] []
РАДИАЛЬНАЯ СХЕМА/ RADIAL CIRCUIT
ВРУ-1 ВРУ-1 ВРУ-3
МАГИСТРАЛЬНАЯ СХЕМА/ MAIN CIRCUIT
Рис. 3. Схемы электроснабжения в сетях низкого напряжения 0,4 кВ Fig. 3. Circuits of power supply in grids of low voltage 0,4 kV
Чаще всего в распределительных электрических сетях 6-20 кВ присутствует несколько источников питания, взаимно резервирующие друг друга, однако отсутствуют замкнутые транзитные связи в связи с большим уровнем токов короткого замыкания и транзитной конфигурацией сетей 35-220 кВ. В распределительных сетях большое количество точек деления. Следует отметить, что в связи с высоким уровнем токов короткого замыкания сети 35 и 110 кВ Московского региона также имеют большое количество точек деления.
В распределительных сетях низкого напряжения 0,4 кВ резервные транзитные связи либо отсут-
ствуют, либо разомкнуты, присутствует один или намного реже - несколько источников питания.
Режим работы нейтрали сети 20 кВ - эффективно заземленный, сети 6-10 кВ изолированный, сети 0,4 кВ - глухозаземленный. По результатам расчетов и по результатам замеров емкостных токов в сетях 6-20 кВ применяются дугогасящие реакторы. Как правило, компенсация емкостных токов характерна для распределительных кабельных сетей г. Москвы, в распределительных сетях Московской области применяется реже.
В распределительных сетях Московской области применяется централизованная компенсация
реактивной мощности, как правило, в узлах с пониженным напряжением на протяженных участках распределительной сети. В отдельных ТП и РП установлены батареи статических конденсаторов (БСК), БСК на шинах 6-20 кВ подстанций не установлены. У отдельных потребителей применяется групповая и индивидуальная компенсация реактивной мощности.
В распределительных кабельных сетях 6-20 кВ г. Москвы широко применяется автоматика включения резерва (АВР) и автоматическое секционирование сети, в распределительных сетях 6-20 кВ Московской области АВР и автоматическое секционирование применяется гораздо реже. Воздушные ЛЭП ВЛ 6-20 кВ оснащены устройствами простого трехфазного автоматического повторного включения АПВ [8, п. 3.3.2]. Основными защитами в сетях 6-20 кВ является ступенчатая максимальная токовая защита и токовая отсечка, в зависимости от защищаемого элемента. Направленные защиты, как правило, отсутствуют.
Электрические сети 0,4 кВ, как правило, не оснащены устройствами сетевого АВР и устройствами секционирования.
Концепции построения схем электроснабжения, содержащих объекты малой генерации в распределительных электрических сетях и особенности режимов работы.
Следует отметить, что на начальном этапе развития электроэнергетики в нашей стране было сооружено большое количество сельских гидравлических электрических станций на малых реках. Позже в процессе развития единой энергетической системы (ЕЭС) электроснабжение сельских потребителей стали обеспечивать от государственных распределительных электрических сетей. В советское время сельские электрические станции сооружались преимущественно в малонаселенных районах, не охваченных сетями ЕЭС. Также в сельских электрических сетях объекты малой генерации применялись в качестве резервных источников электроснабжения для электроприемников первой категории, а также для электроприемников второй категории, не допускающих перерыва в электроснабжении более 0,5 ч независимо от наличия резервного питания по электрическим сетям. Кроме того в сельских электрических сетях применялись передвижные электрические станции, например разработанное ВИЭСХ совместно с ВИМ мобильное энергетическое средство (МЭС), используемое для агрегатирования с комплексом мобильных сельхозмашин с электроприводом активных рабочих органов, используемое для электроснабжения сезонных
потребителей: насосных станций оросительных систем, дождевальных установок, пунктов по очистке зерна и прочих. Следует отметить, что преимущественно сельские электрические станции работали изолированно от сетей ЕЭС [9, с. 380].
В последнее время в связи с высокой степенью износа оборудования распределительных электрических сетей и, как следствие, высокими показателями аварийности на оборудовании распределительных электрических сетей [7, с. 18] наблюдается новые вводы объектов распределенной генерации, как правило на основе дизельных и газопоршневых генерирующих установок. Одной из причин является стремление собственников предприятий обеспечить резервное питание наиболее ответственных групп электроприемников при авариях в энергосистеме, в том числе с выделением их на изолированную работу [10, с. 2], с сохранением показателей качества электрической энергии в соответствии с ГОСТ 54129-2010 [11, с. 1-20]. В процессе проектирования, сооружения и эксплуатации объектов распределенной генерации возникает ряд проблем, связанных с работой объектов РГ в составе энергосистемы согласно, а именно:
- первичное регулирование частоты;
- регулирование напряжения и перетоков реактивной мощности;
- обеспечение устойчивой работы синхронных машин при нормативных возмущениях (короткие замыкания, отключения электрической связи).
Рассмотрим варианты подключения объектов РГ к электрическим сетям. Варианты присоединения объектов распределенной генерации приведены на рисунке 3.
Объекты распределенной генерации могут подключаться по вариантам:
1. Вариант А - к шинам 6-20 кВ подстанций высоковольтных электрических сетей.
2. Вариант Б - к шинам 6-20 кВ РП, ТП распределительных электрических сетей.
3. Вариант В - к шинам 0,4 кВ ТП распределительных электрических сетей.
При этом режимы работы объектов генерации по вариантам Б и В относительно параллельной работы с внешними электрическими сетями могут быть:
1) изолированными (автономными) от внешних электрических сетей;
2) смешанными. В нормальном режиме изолированно, а в аварийном режиме от внешних электрических сетей;
3) параллельными с внешними электрическими сетями.
Рис. 4. Варианты подключения объектов распределенной генерации к электрическим сетям Fig. 4. Options for connecting distributed generation facilities to electric grids
При подключении объектов распределенной генерации к шинам электрических подстанций по варианту А потокораспределение в распределительных электрических сетях не меняется, соответственно не изменяются алгоритмы работы и принципы действия устройств релейной защиты и автоматики (РЗ и А) в распределительных электрических сетях. При вариантах подключения В и Г изменяется схема потокораспределения прилегающей сети, возникают реверсивные перетоки активной и реактивной мощности, и, как следствие, возникает необходимость в реконструкции и применении более сложных устройств РЗ и А, устройств синхронизации, а также изменение топологии сети, возникновения новых точек деления и установки новых секционирующих коммутационных аппаратов в связи с ростом уровня токов короткого замыкания. Кроме того, на объектах распределенной генерации, подключенных по вариантам В и Г, возникает необходимость создания комплекса автоматики ликвидации асинхронного режима, автоматики, обеспечивающей их выделение на изолированную работу при аварии в энергосистеме.
В связи с малой мощностью, ограничениями по технологическому минимуму и прочими конструктивными особенностями газотурбинных и газопоршневых установок [12, с. 1-24] возникает ряд проблем при протекании электромеханических переходных процессов в результате аварийных возмущений, вызываемых короткими замыканиями в прилегающей сети, а также набросами и сбросами нагрузки при изменении топологии сети в результате аварийных отключений. Кроме того, в связи с низкими значениями механических постоянных инерции ге-
нерирующих установок малой мощности возникают дополнительные проблемы с обеспечением динамической устойчивости, а также вторичные нарушения устойчивости в узлах нагрузки [10, а 6] в соответствии с требованиями [13, с. 1-14].
Помимо этого, при создании объектов малой генерации возникает необходимость:
- в организации оперативно-технологического управления объектом;
- в наборе персонала высокой квалификации, способного осуществлять качественное оперативное и ремонтное обслуживание;
- в организации взаимоотношений с системным оператором, электросетевыми и энергосбытовыми компаниями.
На основании вышесказанного, при построении систем электроснабжения сельских потребителей, содержащих несколько источников электроснабжения, а также осуществляющих работу в смешанном или параллельном режиме с внешними электрическими сетями, необходимо решить ряд проблем, связанных с управлением технологическими режимами работы не только объектов распределенной генерации, но и распределительной сети в целом. Данные проблемы могут быть успешно решены с помощью построения перспективных распределительных электрических сетей с применением технологий интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью, иными словами технологий «SmartGrid».
Концепции и направления развития перспективных интеллектуальных распределительных электрических сетей.
Интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью (ИЭС ААС) - это электроэнергетическая система нового поколения, основанная на мультиагентном принципе организации и управления ее функционированием и развитием с целью обеспечения эффективного использования всех ресурсов для надежного, качественного и эффективного энергоснабжения потребителей за счет гибкого взаимодействия всех ее субъектов (всех видов генерации, электрических сетей и потребителей) на основе современных технологических средств и единой интеллектуальной иерархической системы управления. ИЭС ААС, кроме силового оборудования, включает в себя:
- быстродействующую многоуровневую управляющую систему с соответствующим информационным обменом для управления и контроля состояния системы в целом, ее частей и элементов с различными временными циклами для разных уровней управления;
- автоматизированную систему управления генерацией, в т. ч. малой и распределенной [14, с. 19].
Основным отличием концепций построения перспективных интеллектуальных распределительных электрических сетей от существующих концепций построения распределительных электрических сетей - это подход к обеспечению надежного и качественного снабжения конечного потребителя. Существующий подход - это централизованное производство электрической энергии на крупных электростанциях, торговля электрической энергией на оптовом рынке электрической энергии и мощности, централизованное оперативное управление процессом передачи и распределения электрической энергии по высоковольтным сетям государственных электросетевых компаний и обеспечение надежного электроснабжения путем развития и увеличения количества связей в существующих распределительных электрических сетях. Перспективный подход - это уход от централизованного производства электрической энергии на крупных электростанциях путем создания объектов распределенной генерации в непосредственной близости к узлам потребления, развитие розничных рынков электрической энергии, а также развитие локальных центров оперативного управления процессом передачи и распределения электрической энергии.
Основным функциональным свойством, которое необходимо обеспечить в результате создания интеллектуальных распределительных электрических сетей, является оптимальная интеграция электростанций и систем аккумулирования электроэнер-
гии различных типов и мощностей путем подключения их к энергосистеме по стандартизованным процедурам технического присоединения и переход к созданию «микроэнергосистем (микросетей)» (microgrid - англ.) [15] на стороне конечных пользователей.
При развитии интеллектуальных распределительных сетей выделяют три основных направления развития это:
- развитие распределенной генерации;
- развитие микросетей;
- развитие многоуровневой иерархической мультиагентной системы управления производством, распределением и потреблением электрической энергии.
Распределенная генерация в интеллектуальных распределительных сетях подразумевает:
- распределение генерирующих источников по сети общего назначения, при котором они приближены к узлам потребления электроэнергии;
- наличие многих потребителей, которые производят электрическую энергию для собственных потребностей, направляя ее излишки в общую сеть;
- координированное управление генерирующими источниками, использующее возможности ИЭС ААС в целях повышения надежности и качества электроснабжения всей совокупности потребителей с учетом их индивидуальных требований.
Основными проблемами при производстве электрической энергии на большом количестве объектов распределенной генерации малой мощности, особенно при производстве электроэнергии на электростанциях, использующих нетрадиционные и возобновляемые источники электрической энергии - это:
- стохастический характер выработки электрической энергии;
- непредсказуемость выдачи мощности возобновляемыми источниками электрической энергии;
- координация режимов работы большого количества источников и единой энергетической системы;
- организация взаимоотношений между независимым производителем электрической энергии и оператором электрической сети.
Решение этих проблем подразумевается путем создания локальных центров управления распределенной интегрированной генерацией - «виртуальных электрических станций» (ВЭС) [16, а 14-15]. Виртуальная электростанция представляет собой объединение под единым управлением многих небольших генераторов. Как правило, в структуру та-
кой станции входит система накопления энергии. Распределенные генераторы, как правило, имеют незначительную мощность и в силу неопределенности режимов работы усложняют диспетчерское управление ЕЭС. Объединение множества небольших генераторов под единое управление разгружает блок общесистемного управления, который имеет дело с одним достаточно мощным источником энергии - виртуальной электростанцией, а не с каждым отдельным генератором. В режиме обмена мощности с энергосистемой диспетчерский центр получает задания от системного оператора и перераспределяет их по распределенным генераторам, обеспечивая максимальную эффективность работы виртуальной электростанции в целом. Пример управления режимами работы в энергосистеме с
распределенной генерацией представлен на рисунке 5. При возникновении асинхронного хода интеллектуальная система управления локального центра управления переводит энергосистему территории в режим острова посредством адаптивной реконфигурации виртуальной электростанции, не допуская погашения источников генерации. Таким образом ААС энергосистемы территории увеличивает системную надежность и живучесть в режиме возникновения опасности каскадной аварии. Функции управления на местном уровне могут выполнять различные компании (в том числе, сетевые, энергосбытовые, генерирующие и энергосервисные), деятельность которых координируется отраслевым органом управления (в части энергоснабжения) местной исполнительной власти.
Рис. 5. Система управления режимами работы интеллектуальной распределительной электрической сети Fig. 5. Control system of operating modes of intelligent distribution grids
Микросети - это сети низкого напряжения, установленной мощностью до нескольких мегаватт, включающие в себя:
- источники распределенной генерации;
- устройства когенерации тепловой и электрической энергии;
- накопители электрической энергии;
- потребителей электрической энергии с контролируемой нагрузкой.
Пример микросети приведен на рисунке 6.
Ключевое свойство микросетей - это их возможность автоматически изменять режимы работы, от параллельного к изолированному и от изолированного к параллельному путем ресинхронизации. Управление режимами работы микросетей осуществляется посредством локальных центров управления распределенной интегрированной генерацией - «виртуальных электрических станций» (ВЭС). ВЭС определяет как режим работы распределенной генерации, так и режимы накопления электрической
энергии, режимы работы электроприемников. ВЭС осуществляет управление не только параметрами нормального и аварийного режима микросети, но и с точки зрения наиболее экономичного режима работы микросети. Таким образом микросети и ВЭС делают систему электроснабжения более гибкой и позволяют подключать более широкий диапазон источников электроэнергии, включая ветровые и солнечные. Кроме осуществления управления режимами работы микросети, ВЭС также будет обеспечивать выполнение задач, связанных с коммерческим учетом электроэнергии, а также функционированием микросети, как субъекта розничного рынка электроэнергии [17, а 6]. Микросеть став частью единой энергетической системы, позволит повысить уровень управления производством и потреблением электрической энергии, а также уровень мониторинга и управления нормальными и аварийными режимами работы энер-госитемы в целом, существенно повысив ее показатели экономической эффективности.
Рис. 6. Пример микросети Fig. 6. An example of a microgrid
Концепция использования в интеллектуальных электрических сетях мультиконтактных коммутационных систем.
Предложенная в [18] и рассмотренная на примерах в [19; 20] концепция построения интеллектуальных электрических сетей на основе применения мультиконтактных коммутационных систем (МКС) позволяет решить значительную часть проблем подключения к электрическим сетям возобновляемых источников энергии, так как позволяет гибко изменять конфигурацию сети. Применение различных типов МКС, оснащённых системами мониторинга режимов работы сети, системами управления, контроля и учёта, в сети даёт возможность работы сети таким образом, что ВИЭ или малые генераторы, накопители энергии работают отдельно от централизованной энергосистемы, хотя возможна и их параллельная работа с системой. Такая сеть оснащается устройствами мониторинга, учёта, контроля и управления не только на МКС, но и у источников генерации, и у потребителей, что позволяет своевременно реагировать как на изменение вырабатываемой генераторами энергии, так и на изменение потребности в ней у потребителей. Происходит обмен данными между всеми элементами сети и единым информационным центром сети, что, в свою очередь, даёт возможность реализовывать принципы SMART GRID [2; 3; 4; 5]. Тем не менее, реализация данной концепции требует научной и технической проработки многих вопросов, таких как анализ возможных режимов работы сетей, разработки микроконтроллерных блоков управления МКС, систем мониторинга режимов работы сети, алгоритмов и программных средств анализа данных по режимам работы сети, соответствующих технических
средств. Поэтому актуальной является задача разработки средств управления и оптимизации режимов работы интеллектуальных систем электроснабжения SMART GRID сельских потребителей, содержащих мультиконтактные коммутационные системы и объекты распределенной генерации.
Заключение
Как и распределительные сети государственных электросетевых компаний, распределительные сети сельских потребителей нуждаются в модернизации. Системы электроснабжения объектов сельского хозяйства - это в первую очередь сети низкого напряжения 0,4 кВ, поэтому наиболее перспективная концепция, которая позволит добиться максимального экономического и технологического эффекта - это построение системы электроснабжения сельских потребителей в рамках концепции интеллектуальных микросетей, отметим преимущества:
- повышение надежности и независимости электроснабжения сельских потребителей в результате использования нескольких источников электрической энергии (сети государственных электросетевых компаний, собственная распределенная генерация, накопители электрической энергии) и возможность изменения их режимов;
- повышение экономической эффективности от возможности использования технологий когенерации тепловой и электрической энергии, в сочетании с накопителями и нетрадиционными и возобновляемыми источниками энергии, в том числе источниками на основе технологий утилизации биологических отходов сельскохозяйственной деятельности;
- повышение экономической эффективности от самостоятельного принятия решений при управ-
лении режимами производства, потребления, накопления электрической энергии.
Однако при реализации концепции микросетей для организации систем электроснабжения сельских потребителей возникает ряд проблем:
- организация взаимодействия с другими субъектами электроэнергетики (электросетевые и энергосбытовые компании, системный оператор) при подключении к сети объектов распределенной генерации на всех этапах от процедуры технологического присоединения до ввода объекта в эксплуатацию;
- определение схем выдачи мощности и состава генерирующего оборудования, способного обеспечить устойчивую работу при различных видах нормативных возмущений в прилегающей сети;
- оптимизация и управление режимами параллельной работы микросетей, содержащих в себе объекты распределенной генерации использующие различные виды энергии и существующих распределительных электрических сетей государственных электросетевых компаний;
- низкий уровень автоматизации существующих распределительных электрических сетей,
отсутствие специальных коммутационных устройств, обеспечивающих параллельную работу микросетей;
- ограниченное количество и высокая стоимость накопителей электрической энергии установленной мощности сопоставимой с мощностью генерирующего оборудования объектов распределенной генерации;
- необходимость реконструкции и модернизации существующих объектов распределительных электрических сетей, а также применяемых там устройств релейной защиты и автоматики;
- отсутствие отдельных нормативных документов определяющих требования к генерирующему оборудованию объектов распределенной генерации и подключению их к единой энергосистеме.
Актуальной является задача разработки средств управления и оптимизации режимов работы интеллектуальных систем электроснабжения (SmartGrid) сельских потребителей, содержащих мультиконтакт-ные коммутационные системы и объекты распределенной генерации, что позволит в значительной степени решать указанные выше проблемы организации интеллектуальных электрических сетей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бюллетень о текущих тенденциях российской экономики (апрель 2019 г.). Аналитического центра при правительстве РФ [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://ac.gov.ru/files/publication/a/21979.pdf (дата обращения 18.12.2019).
2. Michael T. Burr. «Reliability demands drive automation investments», Public Utilities Fortnightly, Technology Corridor department, Nov. 1, 2003. [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: http://www.fortnightly.com/fortnightly/2003/11/technology-corridor (дата обращения 18.12.2019).
3. SmartGrid или умные сети электроснабжения [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: https://www.eneca.by/ru_smartgrid0/ (дата обращения 18.12.2019).
4. Grid Modernization and the Smart Grid. [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа URL: https://www.energy.gov/oe/activities/technology-development/grid-modernization-and-smart-grid (дата обращения 18.12.2019).
5. Smart Grids European Technology Platform. [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: http://www.smartgrids.eu (дата обращения 18.12.2019).
6. Методические указания по применению в ПАО «МОЭСК» основных технических решений по эксплуатации, реконструкции и новому строительству электросетевых объектов.(Утверждены приказом ПАО «МОЭСК» № 718 от 05.07.2019 г.) [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: https://www.moesk.ru/zakupki/podryadchik/doc/2014/Metod_1.pdf. (дата обращения 18.12.2019).
7. Положение ПАО «Россети» «О единой технической политике в электросетевом комплексе». (Утверждено советом Директоров ПАО «Россети», протокол от 22.02.2017 № 252). [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.mrsk-ural.ru/public/upload/content/files/2019/tech_policy2019.pdf (дата обращения 10.12.2019).
8. ПУЭ 7. Правила устройства электроустановок. Издание 7 [Электронный ресурс]. Режим доступа URL: https://www.elec.ru/library/direction/pue/razdel-3-3-2.html (дата обращения 18.12.2019).
9. Будзко И. А., Зуль Н. М.. Электроснабжение сельского хозяйства. Москва, Изд-во: «ЭНЕРГОАТОМ-ИЗДАТ», 1990, 490 с.
10. Илюшин П. В., Кучеров Ю. Н. Подходы к оценке возможности обеспечения надежного электроснабжения потребителей за счет строительства объектов распределенной генерации // ЭЛЕКТРО, № 5 / 2014, Москва, 2014. С. 2-7
11. ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» (Введен в действие с 01.01.2014). Москва, Изд-во: Стандартинформ, 2014, 20 с.
12. ГОСТ IEC 60034-3-2015 «Машины электрические вращающиеся. Часть 3. Специальные требования для синхронных генераторов, приводимых паровыми турбинами и турбинами на сжатом газе» (Введен в действие с 01.03.2017). Москва, Изд-во: Стандартинформ, 2016, 14 с.
13. Методические указания по устойчивости энергосистем. (Утверждены приказом № 277 Минэнерго России от 30.06.2003). Москва, Изд-во: ЭНАС, 2004, 24 с.
14. Под ред. Академиков РАН Фортова В. Е., Макарова А. А. Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы с активно-адаптивной сетью. Редакция 5.0., Москва, ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС», 2012, [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: https://publications.hse.ru/mirror/pubs/share/ folder/mfl4voxwok/direct/73743691 (дата обращения 18.12.2019).
15. Microgrids at Berkly Lab. About microgrids. [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: https://building-microgrid.lbl.gov/about-microgrids (дата обращения 18.12.2019).
16. Кеннеди Д. Виртуальная электростанция - «умный контроль» распределенной генерации // Энергетика и промышленность России № 08 (244), Санкт-Петербург, С. 14-15.
17. Юрчук О. Создание виртуальной электростанции - многоуровневого агрегатора распределенной генерации и регулируемых потребителей, применяемого для их интеграции в оптовый и розничные рынки электроэнергии, повышения эффективности локальных систем энергоснабжения. АО «РГК-1». [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: http://www.rgk1.ru/Cms_Data/Contents/rgk-1/Folders/Files/ ~contents/EBP2N4WMV9B6K8K8/VS.pdf(дата обращения 18.12.2019).
18. Виноградов А. В. Новые мультиконтактные коммутационные системы и построение на их базе структуры интеллектуальных распределительных электрических сетей // Агротехника и энергообеспечение. № 3 (20). 2018. С. 7-20.
19. Лансберг А. А. Повышение надежности электроснабжения поселка корсунь посредством применения мультиконтактных коммутационных систем // Научный журнал молодых ученых. 2019. № 1 (14). С. 51-60.
20. Лансберг А. А., Панфилов А. А. Электрическая принципиальная схема управления мультиконтакт-ной коммутационной системой с 4 контактами и микроконтроллерным блоком управления ArduinoNanoV3/0 CH340 для демонстрационного стенда // Научный журнал молодых ученых 2019. № 2 (15). С. 69-75.
Дата поступления статьи в редакцию 21.11.2019, принята к публикации 25.12.2019.
Информация об авторах: Виноградов Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории электро- и энергоснабжения и электробезопасности Адрес: ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109248, г. Москва, 1 -й Институтский проезд, д. 5
E-mail: [email protected] Spin-код: 6652-9426
Сейфуллин Анатолий Юрьевич, инженер
Адрес: ФГБНУ Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109248, г. Москва, 1 -й Институтский проезд, д. 5
E-mail: [email protected]
Заявленный вклад авторов:
Виноградов Александр Владимирович: научное руководство, формулирование основной концепции исследования, участие в разработке способов и схемных решений, критический анализ и доработка текста. Сейфуллин Анатолий Юрьевич: участие в разработке способов и схемных решений, подготовка текста статьи, поиск аналитических материалов в отечественных и зарубежных источниках, участие в обсуждении материалов статьи, анализ полученных результатов.
Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.
REFERENCES
1. Byulleten' o tekushch i htendenciyah rossijskoj ekonomiki (aprel' 2019 g.) [Bulletin on current trends in the Russian economy (April 2019). Analiticheskogo centra pri pravitel'stve RF. [Elektronnyj resurs] [Analytical center under the government of the Russian Federation] [Electronic resource] Available at: http://ac.gov.ru/files/publication7a/21979.pdf (accessed 18.12.2019).
2. Michael T. Burr, «Reliability demands drive automation investments» Public Utilities Fortnightly, Technology Corridor department, Nov. 1, 2003. [Elektronnyj resurs]. Zagolovok s ekrana. Available at: http://www.fortnightly.com/fortnightly/2003/11/technology-corridor (accessed 18.12.2019).
3. Smart Grid iliumnyesetielektrosnabzheniya [Smart Grid and «Smart» energy supply]. [Elektronnyj resurs] Available at: https://www.eneca.by/ru_smartgrid0/ (accessed 18.12.2019).
4. Grid Modernization and the Smart Grid. [Elektronnyj resurs]. Zagolovok s ekrana.Rezhimdostupa, Available at: https://www.energy.gov/oe/activities/technology-development/grid-modernization-and-smart-grid (accessed 18.12.2019).
5. Smart Grids European Technology Platform. [Elektronnyj resurs]. Zagolovok s ekrana. Available at:http://www.smartgrids.eu (accessed 18.12.2019).
6. Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu v PAO «MOESK» osnovnyh tekhnicheskih reshenij poeks plu-atacii, rekonstrukciii novomustroitel'stv uelektrosetevyh ob' ektov. (Utverzhdeny prikazom PAO «MOESK» № 718 ot 05.07.2019 g.) [Elektronnyj resurs]. Zagolovok s ekrana. [Guidelines for the application of the main technical solutions for the operation, reconstruction and new construction of power grid facilities in PJSC MOESK.(Approved by order of MOESK PJSC #718 dated 05.07.2019) [Electronic resource]. Title from the screen] Available at. https://www.moesk.ru/zakupki/podryadchik/doc/2014/Metod_1.pdf. (accessed 18.12.2019).
7. Polozhenie PAO «Rosseti» «O edinojtekhnicheskojpolitike v elektrosetevomkomplekse». (Utverzhdeno-sovetomDirektorov PAO «Rosseti», protokolot 22.02.2017 № 252). [Elektronnyj resurs] [Regulation of PJSC «Rosseti» on the unified technical policy in the electric grid complex. (Approved by the Board of Directors of PJSC «Rosseti», minutes No. 252 of 22.02.2017). [Electronic resource]. Available at: https://www.mrsk-ural.ru/public/upload/content/files/2019/tech_policy2019.pdf (accessed 10.12.2019).
8. PUE 7. Pravilaustrojstva elektroustanovok. Izdanie 7 [Elektronnyj resurs] PUE 7. Rules for electrical installations. Edition 7 Available at: https://www.elec.ru/library/direction/pue/razdel-3-3-2.html (accessed 18.12.2019).
9. Budzko I. A., Zul' N. M. Elektrosnabzhenie sel'skogohozyajstva [Energy supply of agriculture], Moscow, Publ. «ENERGO-ATOMIZDAT», 1990, 490 p.
10. Ilyushin P.V., Kucherov YU.N. Podhody k otsenke vozmozhnosti obespecheniya nadezhnogo elektro-snabzheniya potrebitelej za schet stroitel'stva ob"ektov raspredelennoj generacii [Approaches to assessing the possibility of providing reliable power supply to consumers through the construction of distributed generation facilities], EL-EKTRO, No. 5 / 2014, Moscow, 2014, pp. 2-7.
11. GOST 32144-2013 «Elektricheskaya energiya. Sovmestimost' tekhnicheskih sredstv elektromag-nitnaya.Normy kachestva elektricheskoj energii v sistemah elektrosnabzheniya obshchego naznacheniya» (Vveden v dejstvie s 01.01.2014) [GOST 32144-2013 «Electric energy. Compatibility of technical means is electromagnetic. Standards of quality of electric energy in general-purpose power supply systems» (Put into effect from 01.01.2014)]. Moscow, Publ. Standartinform, 2014, 20 p.
12. GOST IEC 60034-3-2015 «Mashiny elektricheskie vrashchayushchiesya. Chast' 3. Special'nye trebo-vaniya dlya sinhronnyh generatorov, privodimyh parovymi turbinamii turbinaminaszhatom gaze » (Vveden v dejstvie s 01.03.2017) [GOST IEC 60034-3-2015 «electric rotating Machines. Part 3. Special requirements for synchronous generators driven by steam and compressed gas turbines» (Put into effect from 01.03.2017)]. Moscow, Publ.Standartinform, 2016, 14 p.
13. Metodicheskie ukazaniya po ustojchivosti energosistem. (Utverzhdeny prikazom No. 277 Minenergo Ros-siiot 30.06.2003) [Guidelines for the stability of power systems. (Approved by order No. 277 of the Ministry of energy of Russia dated 30.06.2003)]. Moskva, Publ. ENAS, 2004, 24 p.
14. Konceptsiya intellektual'noj elek-troenergeticheskoj sistemy s aktivno-adaptivnoj set'yu. Redaktsiya 5.0., In Fortova V. E., Makarova A. A. (ed.) Moscow, OAO «NTC FSK EES», 2012, Zagolovok s ekrana [Concept of an intelligent electric power system with an active-adaptive network. Revision 5.0., Moscow, JSC «STC FGC UES», 2012, [Electronic resource]. Title from the screen]. Available at: https://publications.hse.ru/mirror/pubs/share/folder/mfl4voxwok/direct/73743691 (accessed 18.12.2019).
15. Microgrids at Berkly Lab. About microgrids. [Elektronnyj resurs]. Zagolovok s ekrana. Available at:: https://building-microgrid.lbl.gov/about-microgrids (accessed 18.12.2019).
16. Kennedi D. Virtual'naya elektrostantsiya - «umnyjkontrol'» raspredelennoj generatsii [Virtual power plant is a "smart" control of distributed generation], Energetika i promyshlennost' Rossii [Russian energetic and industry], No. 08 (244), Sankt-Peterburg, pp. 14-15.
17. Yurchuk O. Sozdanie virtual'noj elektro stantsii - mnogourovnevogo agregatora raspredelen-noj generacii i reguliruemyh potrebitelej, primenyaemogo dlya ih integratsii v optovyji roznichnye rynki elektroenergii, povysheniya effektivnostil okal'nyh sistem energosnabzheniya. AO «RGK-1». [Elektronnyj resurs]. Zagolovok s ekrana. [Creation of a virtual power plant - a multi-level aggregator of distributed generation and regulated consumers used for their integration into wholesale and retail electricity markets, increasing the efficiency of local power supply systems. JSC «RGC-1». Title from the screen] Available at: http://www.rgk1.ru/Cms_Data/Contents/rgk-1/Folders/Files/~contents/EBP2N4WMV9B6K8K8/VS .pdf (accessed 18.12.2019).
18. Vinogradov A. V. Novye mul'tikontaktnye kommutacionnye sistemy i postroenie na ih baze struktury intel-lektual'nyh raspredelitel'nyh elektricheskih setej [New multi-contact switching systems and building on their basis the structure of intelligent distribution electric networks], Agrotekhnika i energoobespechenie [Agro machines and energy supply]. No. 3 (20). 2018. pp. 7-20.
19. Lansberg A. A. Povyshenie nadezhnosti elektrosnabzheniya poselka korsun' posredstvom primeneniya mul'tikontaktnyh kommutatsionnyh sistem [improving the reliability of power supply in korsun village through the use of multi-contact switching systems], Nauchnyj zhurnal molodyh uchenyh [Scientific journal of young scientists]. 2019. No. 1 (14). pp. 51-60.
20. Lansberg A. A., Panfilov A. A. Elektricheskaya principial'naya skhema upravleniya mul'tikon-taktnoj kommutacionnoj sistemoj s 4 kontaktami i mikrokontrollernym blokom upravleniya ArduinoNano V3/0 CH340 dlya demonstracionnogo stenda [Electrical schematic diagram for controlling a multi-contact switching system with 4 contacts and a microcontroller control unit ArduinoNanoV3/0 CH340 for a demonstration stand], Nauchnyj zhurnal molodyh uchenyh [Scientific journal of young scientists], 2019. No. 2 (15). pp. 69-75.
Submitted 21.11.2019; revised 25.12.2019.
About the authors: Alexander V. Vinogradov, Ph. D. (Engineering), associate professor, leading researcher of the laboratory of electrical and power supply and electrical safety
Address: state University Federal agricultural research centre VIM, 109248, Moscow, 1st Institutskiy Proezd, 5 E-mail: [email protected] Spin-code: 6652-9426 Anatoliy Yu. Seyfullin, engineer
Address: state University Federal agricultural research centre VIM, 109248, Moscow, 1st Institutskiy Proezd, 5 E-mail: [email protected]
Contribution of the authors:
Alexander Vinogradov: research supervision, developed the theoretical framework, participation in the development of methods and circuit solutions, critical analysis and revision of the text.
SeyfullinAnatoliy: participation in the development of methods and circuit solutions, writing of the draft, search for analytical materials in Russian and international sources, participation in the discussion on topic of the article, analysed data.
All authors have read and approved the final manuscript.
