Исследование режимов работы узла нагрузки 20 кВ интеллектуальной равномерно-распределенной электрической сети Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.311.4-52

А. Б. Лоскутов, Е.Н. Соснина, А.А. Лоскутов, Р.Ш. Бедретдинов

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ РАБОТЫ УЗЛА НАГРУЗКИ 20 кВ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ РАВНОМЕРНО-РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева

Рассмотрены вопросы создания интеллектуальных электрических сетей и предложен новый подход к построению распределительных сетей. Рассмотрена схема РУ узла нагрузки 20 кВ равномерно-распределенной сети с интегрированным модулем управления. Показаны результаты моделирования и исследования режимов работы узла нагрузки интеллектуальной равномерно-распределенной электрической сети.

Ключевые слова: узел электрической нагрузки, интеллектуальная равномерно-распределенная сеть, сотовая конфигурация, режимы работы, интегрированный модуль управления, компьютерная модель.

Ситуация, сложившаяся в энергетике России (дефицит мощности, износ энергетического оборудования, участившиеся перебои в электроснабжении потребителей в результате аварий, значительные потери электроэнергии, отсутствие автоматического управления распределением и потреблением электроэнергии и др.), свидетельствует о назревшей необходимости скорейшего перехода электроэнергетики на качественно новый уровень.

Большие надежды возлагаются на создание интеллектуальных электрических сетей (Smart Grid) [1], характерными особенностями которых являются:

• способность к самовосстановлению после сбоев в подаче электроэнергии;

• устойчивость сети к физическому и кибернетическому вмешательству злоумышленников;

• обеспечение требуемого качества передаваемой электроэнергии;

• обеспечение синхронной работы источников генерации и накопителей электроэнергии;

• повышение эффективности работы энергосистемы в целом и др.

В «Энергетической стратегии России на период до 2030 года» одним из приоритетных направлений научно-технического прогресса в электроэнергетике отмечено «создание высо-коинтегрированных интеллектуальных системообразующих и распределительных электрических сетей нового поколения в Единой энергетической системе России (интеллектуальные сети - Smart Grid)».

В настоящее время создание интеллектуальных электрических сетей России заключается в замене старого энергетического оборудования современным с установкой многочисленных датчиков. Однако вместе с этими мероприятиями необходимо изменение и самой структуры распределительных электрических сетей. Новому подходу к построению распределительных сетей авторами посвящен ряд статей [2].

С точки зрения надежности и равномерности распределения энергии наиболее рациональными являются электрические сети, состоящие из равномерно-распределенных узлов нагрузки, соединенных между собой линиями одинакового сечения, поэтому предлагается

© Лоскутов А.Б., Соснина Е.Н., Лоскутов А.А., Бедретдинов Р.Ш., 2012.

сотовая конфигурация электрической сети [2]. Вся обслуживаемая территория покрывается равномерно-распределенной сетью, имеющей конфигурацию связанных шестиугольников, в вершинах которых располагают узлы нагрузки. Каждый узел сети имеет строго определенную зону обслуживания, а в центре кольца имеется зона совместного обслуживания (рис. 1, а).

а) б)

Рис. 1. Принцип формирования распределительной сети и узлов нагрузки

Как показано на рис. 1, б, узел нагрузки имеет три луча. Первый и второй - лучи, питающие нагрузку сети, которые в зависимости от схемно-режимной ситуации могут осуществлять транзитные перетоки к другим узлам, третий - резервный (т.е. находится в горячем резерве).

Рис. 2. Варианты питания узла нагрузки

Данная сеть инвариантна: питающие лучи могут стать, при необходимости, транзитным или резервным, резервный - питающим и т. п., т. е возможна переконфигурация узла и изменение потоков мощности в сети в зависимости от той или иной ситуации (рис. 2).

Равномерно-распределенную сеть можно конфигурировать в зависимости от территории и необходимости в узлах нагрузки, т.е. там, где нет нагрузки, там сеть отсутствует.

Электрическая распределенная сеть является многоуровневой, в зависимости от распределяемой мощности и напряжения. Сеть первого уровня наиболее рационально выполнять на напряжении 20 кВ, что обеспечивает возможность построения узлов большей мощности, увеличение пропускной способности ЛЭП, снижение потерь электрической энергии и уровня токов короткого замыкания по сравнению с напряжениями класса 6-10 кВ.Узлами нагрузки сети первого уровня будут распределительные пункты 20 кВ. В сети второго уровня узлами нагрузки являются подстанции 110-220-500/20 кВ (точки А - З на рис. 1, а).

Возможным вариантом распределительного устройства (РУ) узла нагрузки сети 1 уровня может быть схема (рис. 3). В данной схеме имеются две системы шин: рабочая и обходная; рабочие и обходные выключатели, служащие для инвариантных переключений и выполнения профилактических, ремонтных работ. Так же возможно подключение генераторов на напряжение 20 кВ малой и средней мощности, в том числе и на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ). Схема имеет ограниченное количество вариантов состояния, поэтому легко алгоритмируется.

Рис. 3. Схема узла электрической нагрузки

Узловым элементом интеллектуальной равномерно-распределенной сети является интегрированный модуль управления (ИМУ) (рис. 3), позволяющий реализовать функции управления, защиты, хранения и передачи информации, а также функцию оплаты за электроэнергию.

Основная функция ИМУ - управление узлом нагрузки в автоматическом режиме. Смена режима узла выполняется путем изменения состояния выключателей в схеме (включен - выключен). ИМУ сам оценивает ситуацию в распределительной сети и выбирает оптимальный из возможных режимов. При этом на каждый из выключателей подается сигнал на включение или отключение.

Рассмотрены состояния выключателей РУ 20 кВ (рис. 3) при различных вариантах питания и режимах работы узла нагрузки (табл. 1).

Работу ИМУ можно алгоритмизировать с помощью логических уравнений для каждого выключателя, в зависимости от режима работы узла. Логические уравнения составляются с помощью простейшей операции булевой алгебры и задают вид электрической схемы.

Таблица 1

Нормальные, предаварийные и аварийные режимы работы узла нагрузки

№ п/п Состояние выключателей Варианты питания узла Режим Описание

Линия 1 Линия 2 Линия 3 СВ

61.1 61.2 62.1 62.2 63.1 63.2 64

1 - + - + + - - Л-1-питание Раб.СШ, Л-2-транзит Раб.СШ, Л-3-питание Рез.СШ (горячий резерв). Нормальный Узел находится в рабочем режиме.На экране горят зеленые лампы

2 - + + - - + - Л-1-питание Раб.СШ, Л-2-питание Рез.СШ (горячий резерв), Л-3-транзит Раб.СШ Нормальный Узел находится в рабочем режиме На экране горят зеленые лампы

3 - + + - + - - Л-1-питание Раб.СШ, Л-2-питание Рез.СШ, Л-3-транзит Рез.СШ. Нормальный Узел находится в рабочем режиме На экране горят зеленые лампы

4 - + + - + - - Л-1-питание Раб.СШ, Л-2-транзит Рез.СШ, Л-3-питание Рез.СШ. Нормальный Узел находится в рабочем режиме На экране горят зеленые лампы

5 - + - + - + - Л-1-питание Раб.СШ, Л-2-транзит Раб.СЩ, Л-3-транзит Раб.СЩ Предаварий-ный Нет резерва. Требует перевода Л-2 или Л-3 в горячий резерв. На управляющий модуль подается предупредительный сигнал

.....

22 - - - + - - - Л-1- нет питания (авария), Л-2- питание Раб.СШ, Л-3- нет питания (авария) Авария Авария на Л-1 и Л-3. Требуется восстановление питания на Л-1 и Л-3. Возможно питание только ответственных потребителей. На управляющий модуль подается сигнал аварии

23 - - - - - + - Л-1- нет питания (авария), Л-2- нет питания (авария ), Л-3- питание Раб.СШ Авария Авария на Л-1 и Л-2. Требуется восстановление питания на Л-1 и Л-2. Возможно питание только ответственных потребителей. На управляющий модуль подается сигнал аварии

Логическое уравнение для выключателя 011, когда узел находится в нормальном режиме (режим №1 - 01.1, 02.1, 03.2, 04 - отключены, 012, 02.2, 03.1 - включены) будет иметь вид:

(1)

Т^откл _ у у у у у у V ■

~ Лв1.1'лв1.2 'хО2.1 ■ хО2.2 ■ хоз.1■хоз.2 ■хО4 ;

т^вкл _ у откл

2б1.1 - 2б1.1 ,

(2)

где ГО^т1!1- выходной сигнал на катушку отключения выключателя 01-1; ^спл - выходной

сигнал на катушку включения выключателя 01-1; Хдп и ХОп - состояние вторичного контакта, дублирующего состояние выключателя.

Контактный аналог данного уравнения показан на рис. 4.

Х01-1 Х01.2 Х02.1 Х02-2 Х03.1 Х03-2 Х04

-т 7-откл 101.1

Рис. 4. Контактный аналог логического уравнения

Пример логических уравнений для одного из режимов приведен в табл. 2.

Логические уравнения для выключателей

Таблица 2

Л? пи Режим Логическое уравнение Описание

1 1 у0™" _г . У -V .V . V . V . У - У"" 'рм -грм лри лрл Л(?12 'да Сигнал ни катушку о1ключ<ни* выключи тетя Ql 1

•> ...и _ у у .у .у , у , у , Г _ Лди Лди лрл лди лд* ~'ри Сигнал на катушку включения выключателя 01.2

.1 у.««» .. у у у у у у ..«1 'ри _лри лри лди лд±2 лд>.1 лди лд* ~ гди Сигнал но катушку отключения вык иочатетя <¿2.1

4 у«О _ у . у .у .у .у .у , у _ у»"»1 ~л ум ри лди лди лд\л лдУ2 лд»~1д12 Салил на катушку вктючення выключателя ()2 2

5 у«' _ у , V .у .у .у .у , V _ у*"" 'ел -*рп Лрт: -грл лди -Лрл Лрл лд* 'рл Сшиал на катушку включения выключателя 03.1

6 .-япа. _ у у у у у у у _ ув/а 'д}2 1 лди лди лрл лдз.1 лд»-'дз.2 Сигнал на катушку отключения выключателя 03.2

7 уат< у у. у 1. у у' у д* ~ б" лди л рл л р-и л р« - 'р4 Сигнал на катушку отключения вык лючателя {¿11

Для реализации и проверки правильности работы алгоритмов по перестроению интеллектуальной равномерно-распределенной сети при аварийных режимах, а также для наглядного отображения топологии сети с численными значениями параметров узлов нагрузки и каждой линии, соединяющих их, в пакете прикладных программ Ма^аЬ разработана компьютерная модель интегрированной системы управления электрическими сетями. Компьютерная модель сети учитывает три возможных режима работы узлов нагрузки 20 кВ: нормальный, предаварийный и аварийный.

Нормальный режим работы узла - это режим, когда потребители получают питание в полном объеме, а также через узел проходит транзит мощности к соседним узлам. В этом случае первая линия является питающей, вторая находится в горячем резерве, а третья выполняет функцию транзита.

Предаварийный режим наблюдается при потере резервной линии. В этом случае питание потребителей и транзит мощности выполняется в полном объеме, но отсутствует ре-

зерв. В этом режиме узел может находиться определенный лимит времени до ликвидации аварии на резервной линии.

Аварийный режим работы характеризуется потерей резервной и транзитной линий. В этом случае питание потребителей осуществляется, но, возможно, не в полном объеме. Данный режим возможен крайне редко.

Рис. 5. Конфигурация электрической сети в нормальном режиме работы

Рис. 6. Конфигурация электрической сети после аварийного режима работы

При запуске файла, содержащего конфигурацию сети, выполняется некоторое количество внутренних итераций и на экране отображается первоначальное состояние сети в нормальный режиме работы (рис. 5).

Условные обозначения графа сети:

• Линии со стрелками обозначают питающие или транзитные линии, без стрелок — линия резерва.

• Цифры на линиях указывают нагрузку, протекающую по данной линии.

• Обозначения в узлах:

- номер узла;

- уровень удаленности узла от ПС 110(220)/20 кВ.

• В скобках указано значение расчетной нагрузки узла. Знак «-» указывает на то, что данный узел питается от высоковольтной линии 110(220) кВ.

При разрыве линии, например, соединяющей узлы №1 и №3, происходит переконфигурация схемы, с целью обеспечения непрерывного питания нагрузки в узле №3. Данные действия выполняются в соответствии с заложенными алгоритмами управления. В итоге узел №3, который питался по линии от узла №2, после разрыва этой линии будет получать питание от наиболее близкого источника - узла №8 (рис. 6). Таким образом, отказ одного из элементов в схеме не приводит к потере питания потребителей.

Разработанная компьютерная модель позволяет наглядно отразить поведение равномерно-распределенной электрической сети при различных режимах работы узлов нагрузки 20 кВ. Программа выдает численные значения параметров элементов, а также топологию электрической сети, на основе которых можно судить о корректности разработанных алгоритмов и моделей интегрированной системы управления.

Анализ нормальных и аварийных режимов работы узлов распределенной электрической сети показал, что сотовая конфигурация распределительной сети и принятая схема РУ узла нагрузки 20кВ (см. рис. 3) обеспечивают гарантированное электроснабжение потребителей в случае выхода из строя одной из линий, питающей узел нагрузки.

Библиографический список

1. Ледин, С. Интеллектуальные сети Smart Grid - будущее российской энергетики // Автоматизация и IT в энергетике./ 2010. № 11 (16).

2. Лоскутов, А.Б. Новый подход к построению электрических распределительных сетей России / А.Б. Лоскутов, Е.Н. Соснина, А.А. Лоскутов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова: научно-теоретический журнал. 2011. №3. С. 148-152.

Дата поступления в редакцию 07.02.2012

A.B. Loskutov, E.N. Sosnina, A.A. Loskutov, R.Sh. Bedretdinov

OPERATING MODES RESEARCH OF KNOT OF LOADING 20 kV IN THE UNIFORMLY-DISTRIBUTED SMART GRIDS

Purpose: Creation and research of topology of the smart distributive electric networks raising reliability of an electrical supply of consumers.

Design/methodology/approach: It is proposed configuration of the cellular electrical network. For working out of algorithms of management in site of electrical loads the logic equations algebras of Boole are used. Moreover for an estimation correctness work algorithms of site loading uniformly-distributed electric network created a computer model of functioning site of electrical loads 20 kV.

Findings: Researches normal and emergency operation of work of knot of loading have shown that the cellular configuration of a distributive network and the accepted scheme of the switching center of knot of loading 20 kV provide the guaranteed electrical supply of consumers in case of failure of one of the lines, loading feeding knot. Research limitations/implications: Research limitations - electric power industry. Working out has great value for an uninterrupted food of receivers of the electric power of the industry, transport, a life and sphere of services, agriculture. Originality/value: The central element of intellectual uniformly distributed network is an the integrated module of management (IMM), which serves as the control, protection, storage and transmission of information, as well as the function of paying for electricity. Thus the proposed approach in the construction of electricity networks and the selected circuit site load will improve the controllability and automation level of the electrical network.

Key words: knot of electric loading, uniformly-distributed smart grid, cellular configuration, the operating modes, the integrated module of management, computer model.