Идентификация классов состояния автономной системы энергоснабжения для управления режимом ее параллельной работы с централизованной электрической сетью Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

m Энергетика

Ses Power Engineering

Оригинальная статья / Original article УДК 621.311

http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-1-168-185

ИДЕНТИФИКАЦИЯ КЛАССОВ СОСТОЯНИЯ АВТОНОМНОЙ СИСТЕМЫ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ЕЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЫ С ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ

© Фишов А.Г.1, Петрищев А.В. 2, Сердюков О.В.3

1,2Новосибирский государственный технический университет, Российская Федерация, 630073, г. Новосибирск, пр-кт К. Маркса, 20. 3Институт автоматики и электрометрии СО РАН, Российская Федерация, 630090, г. Новосибирск, пр-кт акад. Коптюга, 1.

РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Создан и проходит испытания комплекс средств автоматики для обеспечения режимного и про-тивоаварийного управления автономными системами энергоснабжения с малой генерацией, работающими параллельно с централизованной электрической сетью. Для осуществления автоматического оперирования объектами малой генерации при их параллельной работе с сетью необходимо решить задачу идентификации классов их состояния. МЕТОДЫ. Предлагаемый метод решения указанной задачи основан на выявлении существенных структурно-режимных свойств объекта, их представления в виде логических переменных и уравнений. Он является универсальным, не зависящим от схемы объекта. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ. Представлена логическая основа алгоритма идентификации классов состояния (структурно-режимной идентификации состояния) автономной системы энергоснабжения, используемого автооператором. Предложены основания и критерии классификации состояний системы, математическая модель для определения классов состояния. На примере автономной системы энергоснабжения жилого массива, построенной на базе когенерационной газопоршневой электростанции, показано решение задачи идентификации классов состояния и проведена его проверка на программе-эмуляторе. ВЫВОДЫ. Ожидается, что инновационные средства автоматики для малой генерации с автооператором параллельной работы с централизованной электрической сетью будут реализованы в пилотном проекте на одном из энергообъектов в г. Новосибирске и позволят существенно (в разы) снизить затраты на подключение таких объектов к сети, повысить эффективность их работы, снизить потери в сетях. Ключевые слова: малая генерация, параллельная работа с электрической сетью, режимная и противоаварий-ная автоматика, идентификация, классы состояний, автоматическое структурно -режимное оперирование.

Формат цитирования: Фишов А.Г., Петрищев А.В., Сердюков О.В. Идентификация классов состояния автономной системы энергоснабжения для управления режимом ее параллельной работы с централизованной электрической сетью // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 1. С. 168-185. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-168-185

IDENTIFICATION OF STATE CLASSES OF STAND-ALONE POWER SUPPLY SYSTEM TO CONTROL ITS MODE OF PARALLEL OPERATION WITH CENTRALIZED ELECTRICAL NETWORK A.G. Fishov, A.V. Petrischev, O.V. Serdyukov

Novosibirsk State Technical University, 20 K. Marx pr., Novosibirsk 630073, Russian Federation Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 1 Akademika Koptuga pr., Novosibirsk 630090, Russian Federation

1

Фишов Александр Георгиевич, доктор технических наук, профессор кафедры автоматизированных электроэнергетических систем, e-mail: fishov@ngs.ru

Aleksandr G. Fishov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Automated Electric Power Systems, e-mail: fishov@ngs.ru

2Петрищев Алексей Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры автоматизированных электроэнергетических систем, e-mail: alex_v76@mail.ru

Aleksei V. Petrishchev, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Automated Electric Power Systems, e-mail: alex_v76@mail.ru

3Сердюков Олег Викторович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ИАиЭ СО РАН, e-mail: sov@tornado.nsk.ru

Oleg V. Serdyukov, Candidate of technical sciences, Senior Researcher of the Institute of Automation and Elecrtometry SB RAS, e-mail: sov@tornado.nsk.ru

ABSTRACT. PURPOSE. A complex of automatic equipment has been created and is being tested. It is designed to provide the normal and emergency mode control of the stand-alone power supply systems with distributed generation that operate in parallel with the centralized electrical network. Automatic control of the objects with small generation operating in parallel with the network requires the solution of the identification problem of their state classes. METHODS. The proposed solution method of the specified problem is based on the identification of the main structural and mode properties of district power systems and their representation in the form of logical variables and equations. It is universal and does not depend on the facility circuit. RESULTS AND THEIR DISCUSSION. The paper presents a logical basis of the identification algorithm of the state classes (structural-mode state identification) of the district stand-alone system of power supply used by an automatic operator. The reasons and criteria for the classification of the system states are proposed as well as a mathematical model for class state determination. The solution of the identification problem of state classes has been demonstrated on example of a stand-alone power supply system of a residential district, which is built on the basis of a cogeneration gas-piston power plant. Solution of the problem has been verified using an emulator program. CONCLUSIONS. Innovative automation equipment for small generation with an automatic operator ensuring parallel operation of a district stand-alone power supply system with the centralized electrical network are expected to be implemented in a pilot project at one of the energy facilities of the city of Novosibirsk. This will significantly (by several times) reduce the cost of connecting such objects to the network and improve their efficiency reducing losses in networks. Keywords: small generation, parallel operation with the electrical network, mode and emergency automatic equipment, identification, state classes, automatic structure-mode operation

For citation: Fishov A.G., Petrischev A.V., Serdyukov O.V. Identification of state classes of stand-alone power supply system to control its mode of parallel operation with centralized electrical network. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 1, pp. 168-185. (In Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2018-1-168-185

Введение

Автономные системы энергоснабжения (АСЭ) малой мощности на базе топливных электростанций (ТЭС) с синхронными генераторами, как правило, не оснащаются режимной и противоаварийной автоматикой, обеспечивающей возможность их безопасной работы параллельно с внешней сетью и надежность электроснабжения потребителей. Доступные технические решения обеспечения безопасности их присоединения к электрической сети с обменом мощностью дороги используют различные разделяющие вставки (роутеры), поэтому сопоставимы по стоимости с самой ТЭС и обладают существенными недостатками [1, 2].

Автоматика, разрабатываемая Новосибирским государственным техническим университетом и ООО «Модульные системы Торнадо» при участии Института автоматики и электрометрии СО РАН, обеспечивает безопасность параллельной работы АЭС с сетью и надежность электроснабжения потребителей при прямом подключении к внешней сети за счет комплексного (структурно-режимного и противоаварийного) управления.

В работе [3] на примере характерного объекта - автономной системы энергоснабжения жилого массива г. Новосибирска, построенной на базе когенерационной газопоршневой электростанции (ГПУ ТЭС), рассмотрены особенности параллельной работы с сетью автономной системы энергоснабжения малой мощности, а также предложен способ управления режимом параллельной работы малой генерации с сетью с использованием специальной режимной и противоаварийной автоматики.

В статьях [3, 4] дано описание действий автоматики опережающего сбалансированного деления (АОСД) по фиксированным сечениям в сети объекта при внешних (или внутренних) возмущениях и автоматики защиты внешней сети. Это оборудование воздействует на выключатели присоединений АСЭ к внешней сети.

В настоящее время автоматика разработана и проходит испытания на физической модели энергосистемы. Ее программное обеспечение содержит группы алгоритмов:

• базовые (опросы, обмены данными);

• информационно-измерительные;

• противоаварийные;

• режимно-локальные;

• режимно-системные;

• автооператорные;

• интерфейсные.

К группе информационно-измерительных относится алгоритм идентификации классов состояния объекта. Классы состояния используются автооператором системы управления для технологического перевода системы из автономного режима в режим параллельной работы, а также для восстановления нормальных режимов после их нарушения.

В данной работе представлена логическая основа идентификации классов состояния АСЭ, присоединенной к электрической сети на параллельную работу:

• характерные классы состояния (и схема переходов между ними);

• требования к определению и идентификации классов состояния объекта;

• основания и критерии классификации;

• логические уравнения идентификации классов состояния;

• объем контроля;

• алгоритм идентификации;

• программный эмулятор идентификации классов состояния.

Описание автономной системы энергоснабжения

АСЭ представляет собой локальный источник теплоэлектроснабжения (ГПУ ТЭС) микрорайона «Березовое» г. Новосибирска. Схема выдачи мощности ТЭС показана на рис. 1.

РП-39201 / DP-39201 РП-39201 / DP-39201

Рис. 1. Схема выдачи мощности ТЭС: Г - генератор; ГПУ - газопоршневая установка;

ДГУ - резервная дизель-генераторная установка; РП - распределительный пункт;

РУ - распределительное устройство Fig. 1. Circuit of HPP power distribution: G - generator; GPU - gas piston unit;

DGU - backup diesel generator unit; DP - distribution point; RU - distributing device

Основные характеристики схемы РУ I ГПУ:

• номинальное напряжение (10 кВ);

• тип схемы - «одна рабочая секционированная выключателем система шин».

В нормальном автономном режиме работы АСЭ микрорайон «Березовое» и промышленная нагрузка (РП-39201) получают питание от ГПУ ТЭС (5 генераторов по 2 МВт). Резервный источник электропитания ТЭС - два дизельных генератора по 1,6 МВт - может быть введен при отключении ГПУ.

Внешним резервным источником электропитания является электрическая сеть (отпа-ечная подстанция «Силикатная» напряжением 110/10 кВ, разделена на сторонах 110 и 10 кВ, входит в системообразующий контур сети Новосибирской энергосистемы).

Схема присоединения объекта к электрической сети показана на рис. 2.

Рис. 2. Схема присоединения АСЭ к внешней электрической сети: Г - генератор;

ГПУ - газопоршневая установка; ДГУ - резервная дизель-генераторная установка;

НГ - нагрузка; ПС - подстанция; РП - распределительный пункт;

РУ - распределительное устройство; СН - нагрузки собственных нужд

Fig. 2. Circuit of Stand alone power supply system connection to the external electrical network: G - generator; GPU - gas piston unit; DGU - backup diesel generator unit; LOAD - load; SS - substation;

DP - distribution point; RU - distributing device;OWN NEEDS - load of own needs

Схема обеспечивает автоматический резервный перевод электропитания микрорайона на источники электрической сети (ПС «Силикатная») при отключении всех ГПУ и ДГУ АСЭ.

Параллельная работа ГПУ и ДГУ АСЭ с источниками электрической сети в настоящее время недопустима и блокируется с помощью принятых и выполненных технических решений. Предусмотрена возможность автоматического восстановления нормальной схемы (для автономного режима) по факту готовности ГПУ ТЭС к работе.

Основные характеристики ГПУ ТЭС:

• количество генераторов - 5 шт.;

• номинальная мощность генератора - 2,0 МВт;

• максимально допустимый наброс/сброс мощности - 10% номинальной мощности подключенных генераторов;

• минимально допустимая нагрузка генераторов - 50% от номинальной мощности.

В этих условиях режим АСЭ характеризуется:

• частым погашением автономно работающих ГПУ в результате набросов мощности;

• АВР от электрической сети (ПС «Силикатная») после погашения ГПУ;

• при невозможности АВР вводом в работу ДГУ, покрывающих часть нагрузки;

• длительным восстановлением нормального режима работы с переводом всех потребителей после АВР на питание от ГПУ.

Включение ГПУ АСЭ на параллельную работу с электрической сетью способно дать существенный положительный эффект

• для ТЭС: устранение основной причины нарушений электроснабжения - набросы / сбросы нагрузки - за счет балансирования источниками РЭС; выдача избыточных мощностей (до 6 МВт), что способно решающим образом повлиять на экономическую эффективность АСЭ.

• для РЭС: снижение потерь за счет разгрузки сети; стабилизация напряжения в точке подключения к РЭС (шины ПС «Силикатная») за счет действия регуляторов напряжения ТЭС (нет необходимости в работе РПН); резервирование мощности за счет перевода на питание от ТЭС до 6 МВт нагрузки на ПС «Силикатная».

Требования к классам состояния объекта их идентификации. Классы состояния объекта должны отражать его существенные режимные и структурные свойства и быть выражены через измеряемые режимные и структурные свойства сети (допускается использование априорных данных);

Идентификация классов состояния объекта должна:

• базироваться на операции сравнения значений свойств идентифицируемого состояния объекта со значениями свойств, определяющими класс состояния объекта;

• быть однозначной (результатом идентификации может являться только один класс состояния объекта, множественность результатов указывает на ошибочность идентификации или на взаимное «наложение» классов состояния, отрицательный результат идентификации указывают на ее ошибочность или неполноту множества определенных классов);

• базироваться на информации, полученной по каналам телеизмерений и телесигнализации (допускается использование априорных данных).

Основания и критерии классификации состояний объекта. В качестве оснований классификации состояний системы энергоснабжения предлагается использовать априорную информацию о возможных структурах сети и режимах объекта:

• параллельность/автономность работы объекта и электрической сети;

• объединенность/разделенность объекта на полустанции;

• ущербность режима по отклонению параметров от допустимых значений и нарушению электроснабжения.

Классификационными критериями для предложенных оснований классификации состояний объекта являются:

• значения ряда структурных свойств сети: коммутационная (не)связанность полустанций объекта с электрической сетью; коммутационная (не)связанность полустанций объекта между собой; (не)инцидентность генераторов шинам; (не)инцидентность нагрузок источникам;

• значения режимных параметров (напряжение, ток, частота, мощность в точках контроля): (не)входят в допустимый интервал значений;

• значения сигналов автоматики: (не)сигнализирует об отключении потребителей при отклонении контролируемых режимных параметров - возникновении глубоких снижений частоты и/или напряжения.

Коммутационная связанность объекта с электрической сетью определяется:

• положениями выключателей «включено»;

• равенством частот в точках контроля объекта и электрической сети;

• равенством напряжений для «коротких связей» с незначительными потерями.

Классы состояний объекта и сеть переходов между ними. Выделены 16 характерных классов состояния, которые свойственны объектам рассматриваемого типа.

Эти классы состояния представлены в табл. 1.

Характерные классы состояния объекта _Typical object state classes_

Таблица 1 Table 1

Обозначение и пиктограмма /

Symbol and pictogram

Наименование / Name

Нормальная параллельная работа / Normal parallel operation

Нормальная автономная работа / Normal stand-alone operation

Резервное питание от внешней сети при отключенных генераторах / Standby power supply from external network with switched-off generators

Одна полустанция в режиме параллельной работы, потребители второй запитаны

от внешней сети, генераторы отключены / One semi-station

in the parallel operation mode , consumers of the second one are supplied

with power from external network, generators are switched-off_

Нагрузки полустанций обесточены, шины разделены / Semi-station loads are deenergized, buses are divided

Одна полустанция работает параллельно с сетью с подключенной полной нагрузкой станции / One semi-station operates in multiple with the network with the connected full load of the station

Одна полустанция работает параллельно с сетью, вторая автономно / One semi-station operates in multiple with the network, the second one is in stand-alone mode

Обе полустанции работают независимо, автономно / Both semi-stations operate independently, in a stand-alone mode

Одна полустанция работает параллельно с сетью, вторая ущербно, автономно / One semi-station operates in multiple with the network, the second one is defective, operates in a stand-alone mode

Обе полустанции работают автономно, одна из них - ущербна / Both semi-stations operate in a stand-alone mode, one of them is defective

Полустанции объединены и работают автономно, одна из них ущербна / Semi-stations are connected and operate in a stand-alone mode, one of them is defective

Обе полустанции работают раздельно, автономно и ущербно / Both semi-stations operate independently, in a stand-alone mode and are defective

Станция работает автономно, обе полустанции ущербны /

The station operates in a stand-alone mode, both semi-stations are defective

m Энергетика

Ses Power Engineering

1 ß] Одна полустанция работает автономно, потребители второй запитаны от внешней сети, генераторы отключены/ One semi-station operates in a stand-alone mode, consumers of the second one are supplied with the power from the external network, generators are switched off

1 fi] Одна полустанция работает ущербно автономно, потребители второй запитаны от внешней сети, генераторы отключены / One semi-station operates in a stand-alone mode and is defective, consumers of the second one are supplied with the power from the external network, generators are switched off

"сТб5^ ✓ Нагрузки одной полустанции обесточены, потребители второй запитаны от внешней сети, генераторы отключены / Loads of one semi-station are deenergized, consumers of the second one are supplied with the power from the external network, generators are switched off

Под «ущербностью» полустанции в автономном режиме понимается ее несбалансированность по нагрузке, выражающаяся в пониженном/повышенном напряжении и/или частоте и/или наличии потребителей, отключенных автоматикой.

Условные изображения (пиктограммы) классов состояния обладают мнемонической функцией. В табл. 2 представлено смысловое содержание элементов этих пиктограмм, отражающее характерные свойства объекта.

Таблица 2

Содержание элементов условных изображений классов состояния объекта

Table 2

Content of conditional image elements of object state classes_

Обозначение и пиктограмма / Symbol and pictogram Содержание / Content

Режим одиночный (симметричный относительно полустанций) / Single mode (symmetric relative to semi-stations)

□ Режим бинарный (несимметричный относительно полустанций) / Binary mode (asymmetrical relative to semi-stations)

Режим нормальный / Normal mode

Шина секционированная (секционный выключатель отключен) / The tire partitioned (the section switch is switched-off)

Шина секционированная (секционный выключатель включен) / Slice bus (section switch is switched on)

•- Связь электрическая между объектом и распределительной электрической сетью / Electric connection between an object and distribution electric network

/ Нагрузка / Load

О Генерация полустанции / Semi-station generation

/> Полустанция, сбалансированная нагрузкой / Load balanced semi-station

ß) Полустанция, не сбалансированная нагрузкой / Load unbalanced semi-station

Нормально объект длительно находится в состоянии С1 (параллельная работа) или С2 (автономная работа). Возмущения различного вида (изменение нагрузки, частоты, напряжения, замыкания и т.д.) в сети объекта и адаптация конфигурации его сети к последствиям этих возмущений (автоматические и оперативные переключения) меняют режим объекта. Действи-

ями ПА, направленными на предотвращение недопустимых режимов, и действиями РА, направленными на улучшение (оптимизацию) возникающих состояний, объект переводится в другие классы состояния (С3-С16).

Сеть таких переходов показана на рис. 3.

8

Рис. 3. Сеть переходов между классами состояния объекта: - переход в процессе режимного

управления; - переход в процессе автоматического противоаварийного управления Fig. 3. Network of transitions between object state classes: 4 - transition in the process of mode control;

- transition in the process of automatic emergency control

Логические уравнения классов состояния

Бинарность значений свойств, определяющих класс состояния объекта, позволяет представить эти свойства в виде логических переменных. Переменные принимают значения, равные единице при наличии у объекта определенного структурного свойства или при соответствии определенного режимного параметра установленному диапазону. При отсутствии у объекта какого-либо структурного свойства или несоответствии режимного параметра установленному диапазону соответствующая логическая переменная приравнивается к нулю.

Описание логических переменных дано в табл. 3.

Переменные 1, 2, 3 введены парами - для первой и второй полустанции; переменная 4 - единственная. Тогда уравнение одиночного класса состояния объекта может быть записано в виде

C = f ( LNG, GEN, DMG, SCS, LNG, GEN2, DMG2 ) (1)

Атрибутивное определение одиночного класса состояния предполагает нормальную конъюнктивную форму функции f:

С = (о/.M ,', ) а (оGEN, ) а (о/)М7, ) л (4SO) a {°LNG2 ) л (°GEN2 ) л (оDMG2 ), (2) где ° - один из операторов, принадлежащих бинарному множеству {1л, -}.

Таблица 3

Логические переменные, определяющие класс состояния объекта

Table 3

_Logical variables determining object state class_

Обозначение / Symbol Условное изображение / Pictogram Содержание / Content

LNG •- Подключение к шине РЭС полустанции / Connection to the district power network bus of the semi-station

GEN о Подключение к шине полустанции хотя бы одного генератора / Connection to the semi-station bus of at least one generator

DMG х- # Ущербность полустанции / Semi-station defectivity

SCS Связь между полустанциями / Connection between semi-stations

Покажем несколько примеров определения одиночного класса состояния через логические переменные:

с = (LNG ) A (GEN ) A (—DMQ ) А (-1SCS) л (LNG2 ) л (GEN2 ) л (—DMG2 ) . (3) C = (-LNG ) л (GEN ) л (-DMG ) л (SCS) л (-LNG2 ) л (GEN2 ) л (—DMG2 ) . (4) C = (LNG ) л (—GEN ) л (— DMG ) л (—SCS) л (LNG2 ) л (—GEN ) л (—DMG2 ). (5) Уравнение бинарного класса состояния - дизъюнкция двух одиночных: C = f ( LNG, GEN, DMG, SCS, LNG, GEN2, DMG2 ) v

(6)

v f ( LNG, GEN, DMG, SCS, LNG2, GEN, DMG2 )

Пример:

C9 = C9a V C9b - (7)

где

C9a = (LNG ) л (GEN ) л (— DMG ) л (—SCS) л (—LNG2 ) л (GEN ) л (DMG2 ) ; Q = (—LNGl ) л (GEN ) л (DMG, ) л (—SCS) л (LNG2 ) л (GEN ) л (— DMG2 ) .

Переменные, указанные в табл. 3, являются агрегированными. Они представляют существенные свойства объекта в достаточной мере для решения задачи идентификации определенных классов состояния, но не детализируют режим объекта и структуру его сети.

Схема дезагрегирования этих переменных к исходной информации о режиме объекта и структуре его сети, поступающей по каналам телеизмерений и телесигнализации, показана на рис. 4.

Переменная логическая агрегированная / Logical aggregated variable

Наименование / Name

Обозначение / Symbol

Значение/Value

Состав / Composllon

Переменные логическая агрегированная / Logical and aggregated variables

Переменные логические базовые / Logical and base variables

Огератор агрегирования / Aggregation operator

Переменная логическая базовая / Logical base variable

Наименование / Name

Обозначение / Symbol

Значение / Value

Результаты телеизмерен ий / Telemetry results

Сигналы телесигнализаци/ Signals

Оператор конвертации / Conversion operator

Оператор конвертации / Conversion operator

Сравнение / Comparison

Отображение / Mapping

Отображение / Mapping

Прямое / Direct

Инверсное / Inverse

Оператор агрегирования /

Aggregation

operat or

Логический / Logical

Дизъюнкция /

Disjunction

Конъюнкция /

Conju nction

Телеизмерения / Telemetry Топология / Topology

Точка контроля / Point of control Точка контроля/ Control point

Параметр контролируемый / Pa ra mete r controlled Выключатель / Switch

Автоматика / Automatic equpment

Сигналы / Signals

Положение

выключателя /

Switch position

Действие автоматики /

Automatic equipment

action

Сравнение /Comparison

Точечное / Poiit

Интервальное / Interval

Равны средние значения / Mean values are equal

Равны каждые значения / Each value Is equal to another

Длина интервала/ Interval length

Сравнение / Comparison

Равны точно/

Are equal h points

Равны в пределах

допуска / Are equal withri

the admissbn

Сравнение / Comparison

С нулём / With zero

Равны/ Are equal

Неравны/ Are not equal

С допустимым (номинальным) значением / With a permissible (nominal) value

Допустимое (номинальное)/ Permissible (nominal)

Недопустимое/ Invalid

Пониженное / Low

Повышенное / Increased

С другим значением / Wih ъа different value

Равны/ Are equal

Неравны/ Are not equal

Меньше/ Less than

Больше/ More than

Допуск /Admissbn

Погрешность измерительною канала/ Measuring channel eiror

Множитель / Factor

Рис. 4. Схема дезагрегирования логических переменных, определяющих класс состояния объекта Fig. 4. Block diagram of disaggregation of object state class determining logical variables

Под «базовыми» понимаются логические переменные, значения которых вычисляются непосредственно по результатам телеизмерений и телесигнализации.

В качестве оснований (дез)агрегирования выбран ряд сущностей, свойственных элементам сети характерного объекта и его режиму:

• образование коммутационной связанности шин объекта и электрической сети;

• подключение к шинам объекта генераторов;

• образование коммутационной связанности между шинами объекта в границах его распределительного устройства (РУ);

• допустимость отклонений частоты в точках контроля от номинальных значений;

• допустимость отклонений напряжения в точках контроля от номинальных значений;

• сигнализация автоматики об отключении потребителей от шин объекта. Результаты дезагрегирования логических переменных, определяющих класс состояния

объекта, представлены в табл. 4.

Таблица 4

Дезагрегированные логические переменные, определяющие класс состояния объекта

Table 4

Disa ggregated logical variab es determining the object state class

Обозначение/ Symbol Определение/ Determination Примечание / Note

Агрегированные / Aggregated

LNG ( Fnbe )a( Bl ) Fnbe - равенство частот в точках контроля b и e на интервале из n измерений / Fnb е - equality of frequencies in the control points b and e on the interval of n measurements BL - выключатель одной из линий, образующих связь полустанции и электрической сети, находится в положении ВКЛЮЧЕНО / B - switch of one of the lines forming connection between the semi-station and the electrical network is in the (switched) ON position

GEN 3Bg B - выключатель генератора полустанции находится в положении ВКЛЮЧЕНО / BG - switch of the semi-station generator is in the (switched) ON position

SCS Bs Bs - выключатель секционный находится в положении ВКЛЮЧЕНО / B - section switch is in the (switched) ON position

DMG FRQ v VLT v LDA FRQ - ущербность полустанции по частоте / FRQ - semi-station defectivity in frequency VLT - ущербность полустанции по напряжению / VLT - semi-station defectivity in voltage LDA - ущербность полустанции по отключению потребителей автоматикой (только для автономного режима) / semi-station defectivity in consumer shutdown by automatic equipment (only for the stand-alone mode)

FRQ 3(Fz v Fl v Fh) F - частота в точке контроля равна нулю / F - frequency in the control point equals zero F - частота в точке контроля меньше минимально

допустимого значения / F£ - frequency in the control point

is less than the minimum admissible value

F - частота в точке контроля больше максимально

допустимого значения / - frequency in the control point

is more than the maximum admissible value

Uz - напряжение в точке контроля равно нулю /

Uz - voltage in the control point equals zero

UL - напряжение в точке контроля меньше

VLT 3{UZ vUL v UH) минимально допустимого значения / UL - voltage

in the control point is less than the minimum admissible value UH - напряжение в точке контроля больше максимально допустимого значения / UH - voltage in the control point is more the maximum admissible value

L^ - фидер(ы) нагрузки на шине отключены

LDA 3LA балансирующей автоматикой / L^ - bus load feeders are disconnected by balancing automatic equipment

Bl СигналБь СигналБь - сигнал положения выключателя линии / BL signal - signal of line switch position

Bg СигналБа СигналБа - сигнал положения выключателя генератора / BG signal - signal of generator switch position

Bs СигналЩ Сигнал^ - сигнал положения секционного выключателя / BS signal - signal of section switch position

k - порядковый номер измерения в серии

измерений от 1 до n / k - sequence number of measurement in a series of measurements from 1 to n

n - количество измерений в одной серии /

n - number of measurements in one series

i0 - настоящий момент времени / ^ - present moment

of time

f (b) - частота в точке контроля b , определенная

Vk e(l, n | n ^ tQ ) при k -ом измерении f (b) / f (b) - frequency

Fnb ,e in the control point b determined at k th measurement

3(| f ( b )- f ( e)|<Af ) of fk (b) f (e) - частота в точке контроля e , определенная при k -ом измерении / /к (e) - frequency in the control point e determined at k th measurement А/ - максимально допустимая разница измерений частоты в двух точках синхронной части сети (для определения коммутационной связности) / а/ - maximum admissible difference of frequency measurements in two points of a network synchronous part (for switching connectivity determination)

Fz ^ < f zero f - частота в точке контроля /

m Энергетика

M Power Engineering

Fl f < f min f - frequency in the control point fzem - максимально допустимая частота, принимаемая равной нулю / f2ero - maximum admissible frequency accepted as equal to zero fmm - минимально допустимая частота в нормальном режиме / fmm - minimum admissible frequency in the normal mode f ах - максимально допустимая частота в нормальном режиме / fm ах - maximum admissible frequency in the normal mode

FH f > f max

Uz |U| < Um |U| - модуль напряжения в точке контроля / |U| - voltage module in the control point Uzero - максимальное допустимое напряжение, принимаемое равным нулю / Uœro - maximum admissible voltage accepted as equal to zero Umm - минимально допустимое напряжение в нормальном режиме / Umin - minimum admissible voltage in the normal mode Umx - максимально допустимое напряжение в нормальном режиме / Umx - maximum admissible voltage in the normal mode

Ul |U| < Umn

Uh \U\ > Umax

La Сигнал LA / Signal La Сигнал LA - сигнал автоматики отключения потребителей / Signal LA - signal of consumer shutdown by automatic equipment

Объем контроля. Для вычисления значений структурных свойств сети и режимных параметров объекта необходимо сформировать требуемый объем контроля и выбрать размещение точек контроля в сети. Для характерного объекта объем контроля положений выключателей представлен в табл. 5.

При отсутствии телесигнализации о положении выключателей присоединений РУ, ГПУ их положение принимается нормально замкнутым.

Таблица 5

Объем контроля положений выключателей

Table 5

Amount of switch positions control_

Выключатель / Switch Bi-B4 B5-B8 B9, B10 B11-B15 B22 B30-B41 B50- B51

Контроль положения / Switch position control + - + + + + +

Примечание/ Note - Нормально включены / Normally switched ON - - - - -

m Энергетика

M Power Engineering

Объем контроля параметров режима для идентификации классов состояния представлен в табл. 6.

Таблица 6

Объем контроля параметров режима

Table 6

Amount of mode parameter control_

Измеряемый параметр / Measured parameter Точка контроля / Control point

Наименование / Name Обозначение / Symbol Xi, X2 X Ш5, X Ш6

Напряжение / Voltage U + +

Частота / Frequency f + +

Размещение точек контроля показано на рис. 5. Номенклатура контролируемых параметров минимизирована по затратам на создание каналов передачи данных и установку контрольного оборудования (средств измерений).

Рис. 5. Схема размещения точек контроля параметров режима объекта и контроля положений выключателей: B - выключатель; Г - генератор; ГПУ - газопоршневая установка; ДГУ - резервная дизель-генераторная установка; НГ - нагрузка; РП - распределительный пункт; РУ - распределительное устройство; СН - нагрузки собственных нужд; S - характерные сечения сбалансированного деления сети при переходе объекта в автономный режим; X- точка контроля Fig. 5. Layout of control points of object mode parameters and control of switch positions: B - switch; G - generator; GPU - gas piston unit; DGU - backup diesel generator unit; LOAD - load; DP - distribution point; RU - distributing device; OWN NEEDS - load of own needs; S - characteristic sections of the balanced network division under object transition to the stand-alone mode;

X - control point

Объем контроля сигналов автоматики содержит сигналы автоматической частотной разгрузки (АЧР), автоматического ограничения снижения напряжения (АОСН).

Представленные объемы контроля позволяют идентифицировать все определенные классы состояний характерного объекта.

Алгоритм идентификации классов состояния. Основная последовательность действий для идентификации класса текущего состояния объекта:

• инициализация базовых логических переменных;

• агрегирование переменных;

• идентификация класса состояния.

Идентификация класса текущего состояния объекта производится сравнением значений агрегированных логических переменных с соответствующими значениями, свойственными определенным классам состояния. Класс состояния идентифицируется по равенству этих значений.

Алгоритм идентификации класса текущего состояния объекта представлен на рис. 6.

Под «расширенным» множеством классов состояния понимается совокупность одиночных классов состояния и бинарных, приведенных к двум уравнениям вида (1).

С Начало / Л V Start J

— С = 0

О

P ((LNG1 = C1LNG1) л л (GEN1 = C1GEN1) л л (DMG1 = C1DMG1) л л (SCS = C1SCS) л л (LNG2 = C1LNG2) л л (GEN2 = C1GEN2) л л (DMG2 = C1DMG2)) = 1 ?)

— С = С1

Конец / End

ГКпасс состояния объекта не идентифицирован / [Object state class is not identified

Все значения свойств объекта равны значениям свойств первого класса? / Are all property values of the object equal to the 1st class property values?

«Расширенный» класс состояния объекта идентифицирован, индекс равен 1 / The "extended" object status class is identified, the index is 1

P ((LNG1 = C25LNG1) л л (GEN1 = C25GEN1) л л (DMG1 = C25DMG1) л л (SCS = C25SCS) л л (LNG2 = C25LNG2) л л (GEN2 = C25GEN2) л л (DMG2 = C25DMG2)) =

— С = С25

1 ?)

МКонец / EncM

Все значения свойств объекта равны значениям свойств шестнадцатого Б класса? / Are all property values of the object equal to the 16th В class properly values?

«Расширенный» класс состояния объекта идентифицирован, индекс равен 25 / The "extended" object status class is identified, the index is 25

Рис. 6. Алгоритм идентификации класса текущего состояния объекта Fig. 6. Identification algorithm of the object current state class

р

р

р

р

Эмулятор идентификации классов состояния. Для проверки правильности логических выражений классов состояний объекта и наглядного представления результатов такой проверки разработана программа-эмулятор со следующими функциями:

• главная - проверка правильности логических выражений идентификации классов состояний объекта;

• основные: наглядное представление результатов проверки правильности логических выражений идентификации классов состояний объекта; отображение электрической схемы объекта; отображение условного изображения идентифицированного класса состояний объекта;

• дополнительные: переопределение идентифицируемых классов состояний объекта; эмуляция режима объекта и его изменений при коммутациях сети; блокировка недопустимых оперативных переключений на основе формализованных правил; контроль ошибок.

Примеры изображений главного окна эмулятора в показаны на рис. 7 и 8.

Рис. 7. Гпавное окно эмулятора (идентифицирован класс состояния С1) Fig. 7. Emulator main window (identified C1 state class)

Эмулятор испытан по программе, содержащей план факторного эксперимента. Факторами являются положения выключателей, значения частот и напряжений в точках контроля, сигналы автоматики отключения потребителей. Заданные значения факторов преобразуются в значения логических переменных, определяющих эмулируемое состояние объекта. Идентификация класса эмулируемого состояния объекта производится сравнением вычисленных значений логических переменных с предопределенными. По равенству этих значений можно судить об успешности идентификации.

На основании результатов испытаний эмулятора сделано заключение о: пригодности эмулятора для проверки правильности логических выражений идентификации классов состояний объекта; правильности предложенных логических выражений идентификации классов состояний объекта.

Рис. 8. Главное окно эмулятора (идентифицирован класс состояния С9) Fig. 8. Emulator main window (identified C9 state class)

Выводы

Задачи классификации состояний системы и идентификации текущего класса состояния решены на примере характерного объекта, для которого создана и проходит испытания автоматика режимного и противоаварийного управления параллельной работы с сетью.

Способ решения, примененный для указанных задач, основан на исследовании существенных режимно-структурных свойств объекта и их представления в виде логических переменных и уравнений. Он является универсальным, не зависящим от схемы объекта.

Автооператорное управление автономной системой энергоснабжения с малой генерацией, присоединяемой к централизованной электрической сети на параллельную работу, -эффективный способ обеспечения надежности их совместного функционирования.

Ожидается, что инновационные автооператорные средства автоматики, обеспечивающие параллельную работу малой генерации с централизованной электрической сетью, будут реализованы в пилотном проекте на одном из энергообъектов в Новосибирске. Они позволят существенно (в 10-20 раз) снизить затраты на подключение таких объектов к сети, повысить эффективность их работы, снизить потери в сетях и затраты на их реконструкцию в связи с присоединением АСЭ.

Тиражирование созданных автооператорных средств автоматики возможно, как на энергообъектах в России, так и в странах-партнерах, приобретающих топливо, как существенный элемент комплексной технологии эффективного использования энергоресурсов (топливо-оборудование-управление).

Библиографический список

1. Илюшин П.В. Особенности реализации делительной автоматики на генерирующих установках объектов распределенной генерации // Релейная защита и автоматика энергосистем 2017: материалы междунар. выставки и конф. (Санкт-Петербург, 25-28 апреля 2017 г.). СПб, 2017. С. 18-25.

2. Илюшин П.В. Анализ особенностей выбора устройств РЗА в распределенных сетях с объектами распределенной генерации // Релейная защита и автоматика энергосистем 2017: материалы междунар. выставки и конф. (Санкт-Петербург, 25-28 апреля 2017 г.). СПб, 2017. С. 43-50.

3. Фишов А.Г., Марченко А.И., Ивкин Е.С., Семендяев Р.Ю. Автоматика опережающего деления в схемах присоединения малой генерации к электрической сети // Релейная защита и автоматика энергосистем 2017: материалы междунар. выставки и конф. (Санкт-Петербург, 25-28 апреля 2017 г.). СПб, 2017. С. 270-278.

4. Фишов А.Г., Ландман А.К., Сердюков О.В. SMART-технологии для подключения к электрическим сетям и управления режимами малой генерации // Электроэнергетика глазами молодежи: материалы VIII Междунар. науч.-техн. конф. (Самара, 02-06 октября 2017 г.). Самара, 2017. Т. 1. С. 27-34.

References

1. Ilyushin P.V. Osobennosti realizacii delitelnoi avtomatiki na generiruyuschih ustanovkah obektov raspredelennoi gen-eracii [Implementation features of out-of-step automatics on generating installations of distributed generation facilities]. Materiali mejdunarodnoi vistavki i konferencii "Releinaya zaschita i avtomatika energosistem" [Materials of the International exhibition and conference "Relay Protection and Automation for Electric Power Systems"]. St. Petersburg, 2017, pp. 18-25. (In Russian).

2. Ilyushin P.V. Analiz osobennostei vibora ustroistv RZA v raspredelennih setyah s obektami raspredelennoi generacii [Analysis of selection features of relay protection devices in distribution networks with distributed generation objects]. Materiali mejdunarodnoi vistavki i konferencii "Releinaya zaschita i avtomatika energosistem" [Materials of the International exhibition and conference "Relay Protection and Automation for Electric Power Systems"]. St. Petersburg, 2017, pp. 43-50. (In Russian).

3. Fishov A.G., Marchenko A.I., Ivkin E.S., Semendyaev R.Yu. Avtomatika operejayuschego deleniya v shemah prisoedineniya maloi generacii k elektricheskoi seti [Automation of advanced division in the circuits of small generation connection to electric network]. Materiali mejdunarodnoi vistavki i konferencii "Releinaya zaschita i avtomatika ener-gosistem" [Materials of the International exhibition and conference "Relay Protection and Automation for Electric Power Systems"]. St. Petersburg, 2017, pp. 270-278. (In Russian).

4. Fishov A.G., Landman A.K., Serdyukov O.V. SMART-tehnologii dlya podklyucheniya k elektricheskim setyam i uprav-leniya rejimami maloi generacii [SMART-technologies for connection to electrical networks and control of small generation modes]. Materiali VIII Mejdunarodnoi molodejnoi nauchno-tehnicheskoi konferencii "Elektroenergetika glazami mo-lodeji" [Materials of the VIII International Youth Scientific and Technical Conference "Electric Power Systems through the eyes of the youth"]. Samara, 2017, vol. 1, pp. 27-34. (In Russian).

Критерий авторства

Фишов А.Г., Петрищев А.В., Сердюков О.В. обладают равными авторскими правами и несут равную ответственность за плагиат.

Authorship criteria

Fishov A.G., Petrishchev A.V., Serdyukov O.V. have equal authors' rights and bear equal responsibility for plagiarism.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Conflict of interests

The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.

Статья поступила 22.11.2017 The article was received 22 November 2017