Информационно-управляющая система электрораспределительной сети на основе мониторинга показателей качества электроэнергии Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 303.7:620.9 (470.65)

ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ НА ОСНОВЕ МОНИТОРИНГА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

© 2010 г. К.Г. Козлов, И.К. Хузмиев

Северо-Кавказский горно-металлургический North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy

институт (государственный технологический (State Technological University),

университет), г. Владикавказ Vladikavkaz

Рассмотрен принцип построения информационно-управляющей системы распределительной электрической сети, основным критерием управления которой предлагается мониторинг показателей качества электрической энергии. Описана общая структура системы, а также частное решение для структурного подразделения СОф ОАО «МРСК Северного Кавказа», ведущей деятельность по передаче электрической энергии на территории РСО - Алания.

Ключевые слова: информационно-управляющая система; мониторинг; качество электроэнергии; интегральный показатель.

Information-operating system of a distributive electric network construction principle is considered. The monitoring of electric energy quality indicators is offered as the basic management criterion for the system. The general structure of system, and also the private decision for structural division of NOf of OAO «MRSK North Caucasus», conducting activity on transfer of electric energy in territory RNO-Alania is described.

Keywords: information-operating system; monitoring; electric energy quality; integrated indicator.

Энергетическая отрасль любой страны является основой ее промышленного и экономического развития, что в свою очередь требует четкого и эффективного управления и принятия решений на основе множества критериев. В Северо-Осетинском филиале ОАО «МРСК Северного Кавказа», осуществляющей деятельность по передаче электрической энергии на территории РСО-Алания, эксплуатируются системы коммерческого учета электроэнергии, неприспособленные для ведения дистанционного учета показателей качества электроэнергии (ЭЭ). Данный факт накладывает временную задержку в получении ряда параметров, влияющих на выработку управляющего решения, тем самым снижая общую эффективность управления.

Повысить эффективность управления позволит создание автоматизированной системы учета качества электроэнергии, обработки информации и прогнозирования значений показателей качества ЭЭ. Это должно обеспечить реализацию контрольных и управленческих процедур, оперативную связь со всеми уровнями управления и координацию действий всех распределительных сетей региона, что должно обес-печенить устойчивую работу всей системы. Подобную информационно-управляющую систему возможно создать на основе правил построения SCADA-систем (англ. Supervisory Control And Data Acquisition - Диспетчерское управление и сбор данных), систем управления и контроля технологических, инфраструктурных и обслуживающих процессов [1]. Совмещая в себе диспетчерскую систему, систему преобразования и отправки сигнала, а также коммуникационную ин-

фраструктуру, возможно построение SCADA на основе распределенной архитектуры, что повышает стабильность и скорость работы, а также позволяет оперировать большим количеством объектов. В основе реализации информационно-управляющей системы предлагается интеллектуальная программная среда, взаимодействующая в реальном времени с аппаратно-программными системами слежения за показателями качества ЭЭ всех подстанций распределительной сети. Учитывая сложность и неоднозначность принимаемых решений, данная система предполагает наличие человека как лица принимающего решение о выдаче необходимых управляющих команд. При этом, в случае возникновения ситуаций, требующих однозначной реакции и не требующих участия человека, - система автоматически генерирует управляющее воздействие. Решение данных задач обеспечивается разбиением зон оперирования по отдельным подразделениям, и объединением их в общую систему хранения информации в единой комплексной базе данных, предусматривающей возможность иерархической системы обмена данными.

На рис. 1 изображён предлагаемый вариант построения системы для Ардонских РЭС, обслуживающих 5 подстанций Ардонского района РСО - Алания. На каждой из них подразумевается учет качества ЭЭ в шкафу учета на низкой стороне, измеряемые показатели - установившееся отклонение напряжения, коэффициент несинусоидальности напряжения и отклонение частоты. Данные показатели выбраны по заданию СОф ОАО «МРСК СК» из 11 регламентированных ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия.

Диспетчер

Сервер «Ардзнские РЭС»

База данных

ПС «Ардон-110» 110/35/10 кВ

р1 ПС «Мичурин

р2

Показания ч датчиков ^

ПС «Бекан» 35/10 кВ »> 35/10 кВ p3

Управляющий

ПС «Коста» 35/10 кВ Р5

ПС «Кадгарон» 35/10 кВ p4

I

Шкаф учета

I e1, e2, e3i=> I I

<=. e4

e6, e7

Датчик уровня

^напряжения Датчик | несинусоидальности

Датчик частоты

сС3

I

напряжения

сС2

Система управления подстанцией

Модуль управления трансформаторами

И

Модуль управления дистанционными выключателями k2

Рис. 1. Структура предлагаемой информационно-управляющей системы для Ардонских РЭС

Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», как наиболее значимые и могут считаться достаточными для определения общего уровня качества ЭЭ.

Информация с датчиков должна передаваться на сервер, обрабатываться и в дальнейшем регистрироваться в распределенную базу данных. В том случае, если установлено недопустимое отклонение качества ЭЭ от требуемых норм - принимается автоматическое решение, либо ожидается решение от диспетчера. Основным критерием принятия решения о необходимости управляющего воздействия служит «комплексный показатель качества ЭЭ Е», состоящий из субпоказателей е и параметров и, характеризующих соответствие показаний датчика С оптимальному значению: Е = /(е1, е2, е3, е4, е5, е6, е7); е(/)=/(и1 , и2 , и3); / = 1... 7, где е(1) - субпоказатель качества ЭЭ дляр(/)-й подстанции, / = 1... 7; ui - параметр качества ЭЭ, считанный с С(/)-го датчика, / = 1.3.

Расчетные модули системы основываются на математическом аппарате формирования значений интегрального показателя качества ЭЭ, и субпоказателей, входящих в его состав. Все показатели качества ЭЭ имеют определенные границы допустимых значений -предельно допустимое отклонение напряжения задается для каждой подстанции отдельно, на основании

расчета, в то время как предельно допустимые значения уровня коэффициента несинусоидальности и отклонения частоты - строго заданы ГОСТ 13109-97. В связи с этим параметр характеризует степень отклонения показателя качества ЭЭ от оптимального значения для отклонения напряжения, являющегося средним между максимальным и минимально допустимыми значениями, и при соответствии нормам качества должен принимать значение, равное 1.

UjEi min — UjEi opt — UjEi max >

u

'Е/ ор1

UjEi min + UjEi max 2

Касательно коэффициента несинусоидальности и отклонения частоты оптимальным значением параметра является 0.

Наблюдаемый параметр приводится к форме нормализованного параметра коэффициента качества ЭЭ:

где и je, =

ß ,

ß

0 — UjE, — 1,

jmax = \UjE,max ~UjE,opt\ - макСимаЛЬ-

ное отклонение '-го показателя; ру = \и]Е/ -и]Еор(\ -текущее отклонение '-го показателя.

ß

Если и]Ю > и ]Е тах, то параметр и]Е приравнивается 0.

На основе расчетов элементарных параметров вычисляются значения субпоказателей:

^ Um

e = Z -

j=i

3

e е

[0...1].

Интегральный показатель качества рассчитывается выражением:

5

Е = £ е- ^ !, Е е[0...1].

г=1

Используя описанный метод, мы провели анализ данных, полученных в результате контроля качества ЭЭ на подстанции «Мичурино» 35/10 кВ, располо-

женной в с. Кирово Ардонского района РСО - Алания. На рис. 2 изображена суточная диаграмма интегрального показателя с долями 7 субпоказателей, включающих: е1, е2, е3 - субпоказатель отклонения междуфазного напряжения; е4 - субпоказатель отклонения частоты; е5, е6, е7 - субпоказатель коэффициента несинусоидальности междуфазных напряжений.

Как видно, среднее значение показателя качества ЭЭ колеблется от 0,5 до 0,8, и легко проследить, что основной причиной низкого показателя являются субпоказатели е1, е2 и е3 - характеризующие междуфазные напряжения на фазах АВ, ВС и СА соответственно. На рис. 3 приведены зафиксированные отклонения междуфазных напряжений за тот же период, а также границы максимально и минимально допустимых значений наряду с линией оптимального уровня отклонения напряжения.

m m й и н о

V й и

я я я

m о

и

0,8

0,6

0,4

0,2

0

Время

Рис. 2. Значение интегрального показателя качества ЭЭ на подстанции «Мичурино» 35/10 кВ за 12.08.2009 г.

10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5.00 4,00

2,00 .

-I Л. i.'«' -. Г ■

л,00

-5,00 -6,00 -7,00 -8,00 -0,00 -10,00

ш

- £ Л» ■Л

§Uca 0U AB

0UU т

у opt '

in

oum

3 э о о Ё ( о э э 08:00 -09:00 - О о Cvi О m э о <ci i э о о 5> о о 21:00 ■

Время

Рис. 3. Значение отклонения междуфазных напряжений на подстанции «Мичурино» 35/10 кВ за 12.08.2009 г.

Таким образом, однозначно определены источники падения показателя качества ЭЭ, и на этом основании может быть выработано характерное управляющее воздействие, которое позволит нормализовать качество ЭЭ - в данном случае, требует изменение коэффициента мощности трансформаторов и автотрансформаторов, и снижение напряжения до оптимального уровня. При снижении значения субпоказателя отклонения частоты возможно автоматическое срабатывание системы на отключение, так как ожидание решения человека в подобной ситуации опасно.

Таким образом, в задачу управления должно входить удержание показателя качества ЭЭ в значении, максимально приближенном к 1. В случае значительного отклонения показателя от установленного система должна выявлять параметры, имеющие отклонение от заданного оптимального и принимать соответствующие решения. Помимо этого, предлагается включение в расчетный модуль системы прогнозирования будущих состояний параметров и на основе архива данных, тем самым позволяя прогнозировать теоретическое изменение интегрального показателя и заранее готовить управленческие решения.

Также особое внимание требуется уделить и пользовательскому интерфейсу и системам передачи данных. С учетом объемов информации, которой должен оперировать диспетчер, ключевым моментом является её удобное отображение, скорость обновления и доступность функций просмотра и управления системой. Передача массива показаний от коммутирующего центра в сервер системы предъявляет особые требования к скорости и стабильности соедине-

Поступила в редакцию

ния, что предполагает использование скоростных каналов связи - оптоволоконных (основных) и беспроводных (резервных).

Таким образом, предлагаемая информационно-управляющая система обеспечивает мониторинг показателей качества электроэнергии и осуществление удаленного управления параметрами электрораспределительного оборудования. Результатом применения данной системы должно стать сокращение трудовых и временных затрат на контроль и регулирование качества электроэнергии. При этом уменьшаются финансовые затраты как распределительной компании, так и обслуживаемых ими потребителей, за счет уменьшения времени работы в неэффективных режимах, что снижает износ оборудования и потери электроэнергии [2, 3].

Исследования проводились в рамках использования гранта Президента Российской Федерации для поддержки молодых российских ученых МД-2194.2010.9.

Литература

1. Андреев Е.Б., Куцевич Н.А., Синенко О.В. SCADA-системы: взгляд изнутри. М., 2004. 176 с.

2. Кумаритов А.М. Разработка основ оптимального управления сложной региональной энергетической системой «поставщик - потребитель» : автореф. дис. д-ра техн. наук, Владикавказ, 2007.

3. Осика Л.К. Коммерческий и технический учет электрической энергии на оптовом и розничном рынках. СПб., 2006. 360 с.

27 июля 2010 г.

Козлов Константин Геннадьевич - аспирант, ассистент, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Тел. 8-919-427-32-84. E-mail: htzr@mail.ru

Хузмиев Измаил Каурбекович - д-р техн. наук, профессор, Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет). Тел. 40-74-58.

Kozlov Konstantin Gennadievich - post-graduate student, assistant, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University), Ph. 8-919-427-32-84. E-mail: htzr@mail.ru

Khuzmiev Izmail Kaurbeckovich - Doctor of Technical Science, professor, North Caucasian Institute of Mining and Metallurgy (State Technological University). Ph. 40-74-58._