К вопросу оптимального управления автономной комбинированной системой электроснабжения

Воронин Сергей Михайлович; Цыганов Василий Васильевич

Podobedov Pavel Nikolaevich - engineer of the Power supply, operation of electrical installations laboratory, Federal State Budget Scientific Institution, Federal Scientific Engineering Centre «All-Russian Institute of Mechanization» (Center FNAC VIM) (Moscow, Russian Federation). Phone: (499) 171-85-40. E-mail: nalios@mail.ru.

Dovlatov Igor Mamedyarevich - engineer of the Power supply, operation of electrical installations laboratory, Federal State Budget Scientific Institution, Federal Scientific Engineering Centre «All-Russian Institute of Mechanization» (Center FNAC VIM) (Moscow, Russian Federation). Phone: (499) 171-85-40. E-mail: nalios@mail.ru.

УДК 620.97

К ВОПРОСУ ОПТИМАЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ КОМБИНИРОВАННОЙ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Использование автономных топливных электростанций сопряжено со следующими недостатками: зависимость от традиционного топлива, постоянный рост цен на него, его доставку и хранение. При малых нагрузка КПД топливной электростанции уменьшатся, и резко увеличивается расход топлива. Эти недостатки можно устранить, включив в систему электроснабжения аккумуляторные батареи, работающие на незначительные нагрузки. Зарядку аккумуляторных батарей предлагается проводить от фотоэлектрических преобразователей, которые требуют минимального обслуживания, не загрязняют окружающую среду, цена на фотоэлектрические преобразователи с каждым годом снижается. Такие недостатки, как зависимость от уровня инсоляции, неизбежные излишки энергии в летнее время года или ее недостаток в зимнее время года, решаются путем резервирования топливной электростанции, которая является основой автономной системы электроснабжения. Своевременное включение разных источников электроэнергии остается одной из основных проблем. В статье проанализирован опыт автоматизации комбинированной системы электроснабжения под управлением программируемого логического контроллера (ПЛК). Анализ отечественных и зарубежных источников говорит о том, что активно ведутся разработки в создании гибридных ПЛК. Их использование влечет за собой увеличение стоимости всей комбинированной электрической системы. Решением является испопьзование стандартного ПЛК в комбинированной системе электроснабжения. Для оптимального использования источников электрической энергии целесообразно воспользоваться HMI (человеко-машинный интерфейс). Совместно с ПЛК, HMI обеспечит эффективный контроль и управление всей автономной системы электроснабжения. Это решение позволит оперативно реагировать на быстрые изменения нагрузки, условия окружающей среды, учитывать влияние этих изменений и обеспечить оптимальное использование доступных источников электрической энергии.

Ключевые слова: топливная электростанция, фотоэлектрический модуль, ПЛК, комбинированная электростанция, виэ.

The use of autonomous fuel power plants has the following disadvantages: dependence on traditional fuel, the constant rise in prices for it, its delivery and storage. At low loads, the efficiency of the fuel power plant decreases, and fuel consumption increases dramatically. These disadvantages may be corrected by including batteries operating at low load in the power supply system. It is proposed to charge batteries from photoelectric converters that require minimal maintenance, do not pollute the environment, and the price of photoelectric converters becomes less every year. Disadvantages such as the dependence of the level of insolation, the unavoidable surplus of energy in summer, or the lack of it in the winter time, are solved by fuel reserving that is the basis of the autonomous power supply system. In-time inclusion of different sources of electricity remains a major challenge. The experience of combined automation of power supply system under the control of a programmable logic controller (PLC) is analyzed in the article. The analysis of domestic and foreign sources shows that developments in the creation of hybrid PLC are actively in progress. Their use entails an increase in the cost of the entire combined electrical system. The solution is to use a standard PLC in a combined power supply system. In order to make optimal use of electrical energy sources it is recommended to use HMI (human-machine interface). Together with PLC, HMI will provide effective control and management of the entire autonomous power supply system. This decision will allow us to respond to rapid changes in load, external conditions, to consider the impact of these changes and to ensure optimal use of available sources of electrical energy.

Keywords: fuel power plant, photovoltaic module, PLC, combined power plant, renewable energy.

Введение. Производство электроэнергии от топливных электростанций (ТЭ) играет ключевую роль для автономных сельских объектов в России, особенно для отдаленных регионов без хорошей сетевой инфраструктуры. Общее число ТЭ превышает 47 тысяч, их установленная мощность достигает 15 млн кВт [1]. ТЭ

имеют ряд преимуществ: универсальность применения, низкую стоимость оборудования, быструю окупаемость, достаточную надежность и долговечность. Они позволяют электрифицировать автономные сельские объекты с умеренными начальными инвестициями. Вместе с тем ТЭ присущи и некоторые недостатки. Во-

первых, возникает зависимость от традиционного топлива, отсутствие которого приведет к дефициту электроэнергии. Во-вторых, традиционное топливо ежегодно увеличивается в цене [4], его нужно доставлять до автономного объекта,

требуются особые условия хранения. На рисунке 1 представлена динамика изменения цен на бензин в России. Использование традиционного топлива сопровождается высокими эксплуатационными расходами [1].

га

п: си

39 37 35 33 31 29 27 25 23

2010

2011

2012

2013

2011

2015

2016

2017

Год

Рисунок 1 - Динамика изменения цен на бензин в России

Кроме того, при работе в автономном режиме при изменении нагрузки от нескольких ватт до нескольких киловатт (что имеет место при электроснабжении фермерских усадеб и других мелких сельскохозяйственных объектов) существенно изменяется КПД топливных электростанций, что снижает их эффективность.

Эти недостатки вынуждают изыскивать альтернативные варианты электроснабжения. Одним из таких вариантов могут быть фотоэлектрические преобразователи (ФЭП) и аккумуляторные батареи (АБ), используемые совместно с ТЭ.

Методика исследования. За последние несколько лет цены на ФЭП значительно упали. В настоящее время это дает возможность получать электрическую энергию по более конкурентоспособной цене. В регионах с высокой солнечной инсоляцией и дорогим топливом ФЭП окупаются менее чем за четыре года [1]. Кроме того, ФЭП требуют минимального обслуживания, и они могут быть настроены в соответствии с конкретным графиком нагрузки автономного сельского объекта, а их использование приводит к уменьшению выбросов токсичных выхлопных газов.

При существующих достоинствах у ФЭП есть значительные недостатки. К ним можно отнести зависимость выработки энергии от уровня инсоляции. Если автономный сельскохозяйственный объект имеет сезонный характер, то возникает проблема выработки излишней

энергии (в летнее время года) или ее недостаток (в зимнее время года) [1, 2, 9]. Значительно уменьшается вырабатываемая ФЭП электрическая энергия при большой облачности.

Интеграция ФЭП в состав ТЭ и АБ позволит уменьшить эти недостатки. Эффективность комбинированного использования различных источников электрической энергии зависит от своевременного включения необходимого источника генерирования. Решением может быть автоматизация комбинированной электрической системы для автономных сельских объектов с использованием программируемого логического контроллера (ПЛК) [1, 2, 3, 5, 6].

В странах, заинтересованных в развитии комбинированных электрических систем, ведутся разработки гибридных ПЛК [1, 5]. Они могут включать в себя функционал следующих устройств: контроллер заряда и инвертор для АБ, инвертор для ТЭ. Главным недостатком гибридных ПЛК является их высокая цена. Это приводит к увеличению срока окупаемости комбинированной электрической системы, что делает ее экономически менее выгодным вариантом [3].

В данной статье рассматриваются комбинированные электрические системы, включающие в себя следующие источники электрической энергии: ФЭП, ТЭ (например, дизельная или бензиновая), АБ. В качестве управляющего оборудования для комбинированной электрической системы предполагается использовать

ПЛК. В мире накоплен большой опыт работы с ПЛК в комбинированных электрических системах [2, 3, 6].

Результаты и их обсуждение. Предлагается следующая система управления комбинированной электростанцией. Система управления переключает режим электропитания и регулирует часть нагрузки в зависимости от солнечной инсоляции и нагрузки потребителя. Солнечное излучение имеет неуправляемый характер, который нужно учитывать при создании комбинированной электрической системы. Генерируемая мощность комбинированной электрической системы сравнивается с нагрузкой. Если генерируемая мощность превышает нагрузку, тогда избыточная энергия будет накапливаться в АБ. Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторных батареях, отдается в общую сеть, когда электрической энергии, вырабатываемой ФЭП и ТЭ, недостаточно, а также при малых нагрузках, когда КПД ТЭ недопустимо низкий.

Комбинированные электрические системы для автономных сельских объектов имеют небольшую мощность (1-10 кВт). Для повышения эффективности системы управления и экономии средств существуют гибкие варианты реализации комбинированных электрических систем. Поэтому, используя одну из реализаций, можно производить мониторинг нагрузки и управление источниками электрической энергии. Это позволит снизить потребность в мощности ТЭ и увеличить производство электрической энергии, вырабатываемой ФЭП, следовательно, повысится экономическая эффективность от использования ФЭП во всей системе. Комбинированную электрическую систему можно реализовать на основе теории мультиаген-тов [6], в которой система управления рассматривается в качестве агента. Он может состоять из ПЛК, человеко-машинного интерфейса (HMI), который при помощи стандарта RS485 или TCP контролирует и управляет работой ТЭ, ФЭП, АБ. Примерная схема комбинированной электрической системы представлена на рисунке 2.

ДГ

CCD И

Рисунок 2 - Примерная схема комбинированной электрической системы

ПЛК имеют встроенные порты связи, обычно 9-контактный разъем RS-232, но при необходимости RS485 или Ethernet. Modbus, ВАС или DF1 обычно включаются в качестве одного из протоколов связи. Другие варианты включают в себя различные полевые шины, такие как Device Net или Profibus. Большинство современных ПЛК могут взаимодействовать по сети с другими системами, например с компьютером под управлением SCADA-системы (диспетчерская система управления и сбора данных) или веб-браузера. Это позволяет управ-

лять каждым объектом комбинированной электрической системы индивидуально.

В работе [2] представлена одна из реализаций комбинированной электрической системы, состоящая из нескольких модулей. Их управление осуществляется ПЛК, FBs-40MAT. ПЛК программируются с помощью программного обеспечения на персональных компьютерах. Компьютер подключен к ПЛК через Internet, RS-232 или RS-485 или RS-422. Программное обеспечение позволяет осуществлять отладку и устранение неполадок в ПЛК. Благодаря ПЛК

комбинированная электрическая система реагирует на быстрые изменения нагрузки и условий окружающей среды (увеличение или уменьшение солнечной инсоляции), обеспечивается оптимальное использование доступных энергетических ресурсов.

Недостатком рассмотренной работы является отсутствие математической связи между параметрами разных источников электроэнергии, отсутствие примерной реализации кода для ПЛК. Данные упущения не дают возможности осуществить оптимальный выбор оборудования с целью сокращения расхода топлива и уменьшения стоимости всей комбинированной электрической системы. Стоит принять во внимание, что на сегодня существуют российские ПЛК, которые могут быть импортированы в комбинированную электрическую систему для автономных сельских объектов.

Выводы

1. Учитывая неизбежные суточные и сезонные колебания нагрузки автономных объектов электроснабжения (сельских объектов малой мощности, удаленных на значительные расстояния от централизованной системы электроснабжения), для повышения эффективности топливной электростанции в автономную систему электроснабжения следует ввести дополнительный источник (например, ФЭП) и аккумулятор электроэнергии.

2. Для оперативного управления, обеспечивающего оптимальное использование источников электрической энергии, целесообразно применять блок управления с помощью ПЛК и HMI, который обеспечит эффективный контроль и управление всей автономной системой электроснабжения. Это позволит оперативно реагировать на быстрые изменения нагрузки, условия окружающей среды, учитывать влияние этих изменений и обеспечивать оптимальное использование доступных источников электрической энергии.

3. Для реализации предлагаемой системы управления необходимо выявить и уточнить закономерности изменения внешних факторов (энергетические и временные характеристики солнечного излучения, параметры нагрузки), установить зависимости параметров источников электроэнергии от этих факторов и разработать модель оптимального управления на базе ПЛК.

Литература

1. FV-Diesel Solutions [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.ingeteam.com.

2. Воронин, С.М. Обоснование площади батареи фотоэлектрических преобразователей для автономной электростанции [Электронный ресурс] / С.М. Воронин, А.П. Жогалев, В.В. Цыганов // АгроЭкоИнфо. - 2017. -№ 1. - Режим доступа: http://agroecoinfo.narod.ru/joumal/ STATYI/2017/1/st_113.doc.

3. Pavan, К. PLC Based Energy Management and Control Design for an Alternative Energy Power system with Improved Power Quality [Электронный ресурс] / К. Pavan II IEEE Transaction on smart grid. - 2013. - № 3(3). - C. 186-193. - Режим доступа: http://www.re-solve.in/perspectives-and-insights/smart-power-management-during-islanding-condition.

4. Siti Hamnah Ahsan. Energy yreld of photovoltaic (pv) systems suppoutting hybrid power generation in bontang city, Indonesia [Эпектронный ресурс] / Hamnah Ahsan Siti, Manjang Salama, Tjaronge Wihardi IIICIC Express Letters. -2015. - № 9(11). - P. 3127-3134. - Режим доступа: http://www.ijicic.org/el-9(11).htm.

5. Динамика изменения цен на бензин в России [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://autotraveler.ru/russia/dinamika-izmenenija-cen-na-benzin-v-rossii.html#. WQMEgdKLSUk.

6. PV diesel hybrid applications [Эпектронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sma.de/en/industrial-systems/hybrid.html.

7. Li Guangming. The Realization of Control Subsystem in the Energy Management of Wind [Эпектронный ресурс] / Guangming Li, Yuanruil Chen, Tao Li II Power Electronics Systems and Applications. - 2009. - № 3. - Режим доступа: http://ieeexplore.ieee.org/document/5228624.

8. Характеристики синхронного генератора, работающего в составе инверторной дизепьной электростанции / С.Г. Обухов, Н.Ю. Сипайлова, И.А. Плотников, А.Г. Сипайлов II Известия вузов. Электромех. — 2012. — № 5. - С. 41-45.

9. Лукутин, Б.В. Способы снижения расхода топлива дизельных электростанций [Электронный ресурс] / Б.В. Лукутин, Е.Б. Шандарова // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 2. - Режим доступа: https://www.science-education.ru/ru/article/view?id=8615.

10. Bernal-Agustin, J.L. Simulation and optimization of stand-alone hybrid renewable energy systems [Электронный ресурс] I J.L. Bernal-Agustin, R. Dufo-Lopez II Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2009. - Vol. 13. -P. 2111-2118. - Режим доступа: https://ideas.repec.Org/a/eee/rensus/v13y2009i8p2111-2118.html.

References

1. Produkcija PV-Diesel Solutions (Products PV-Diesel Solutions) [Electronic resource], Available at: http://www.ingeteam.com.

2. Voronin S.M., Zhogalev A.P., Tsyganov V.V. Obosnovanie ploshhadi batarei fotojelektricheskih preobra-zovatelej dlja avtonomnoj jelektrostancii [The rationale square battery of photovoltaic converters for autonomous power plants] [Electronic resource], AgroEcolnfo, 2017, No 1, Available at: http: //agroecoinfo.narod.ru/journal/ STATYI/2017/1/st_113.doc.

3. Pavan K. PLC Based Energy Management and Control Design for an Alternative Energy Power system with improved Power Quality [Electronic resource], IEEE Transaction on smart grid, 2013, No 3(3), pp. 186-193, Available at:

http://www.re-solve.in/perspectives-and-insights/smart-power-management-during-islanding-condition.

4. Siti Hamnah Ahsan. Energy yreld of photovoltaic (pv) systems suppoutting hybrid power generation in bontang city, Indonesia [Electronic resource], ICIC Express Letters, 2015, No 9(11), pp. 3127-3134, Available at: http://www.ijicic.org/el-9(11).htm.

5. Dinamika izmenenija cen na benzin v Rossii [Dynamics of prices on gasoline in Russia] [Electronic resource], Available at:http://autotraveler.ru/russia/dinamika-izmenenija-cen-na-benzin-v-rossii.html#.WQMEgdKLSUk.

6. PV diesel hybrid applications [Electronic resource], Available at: http://www.sma.de/en/industrial-systems/ hybridhtml.

7. Guangming Li, Chen Yuanrui, Tao Li.The Realization of Control Subsystem in the Energy Management of Wind [Electronic resource], Power Electronics Systems and Applications, 2009, No 3, Available at: http://ieeexplore.ieee.org/

document/5228624.

8. Obuhov S.G. Harakteristiki sinhronnogo genera-tora, rabotajushhego v sostave invertornoj dizel'noj jelektro-stancii [Characteristics of a synchronous generator, which consists of inverter diesel power plant], Izv. vuzov. Jelek-tromeh., 2012, No 5, pp. 41-45.

9. Lukutin B.V., Shandarova E.B. Sposoby snizhenija rashoda topliva dizel'nyh jelektrostancij [Ways to reduce fuel consumption in diesel power plants] [Electronic resource], Sovremennye problemy nauki i obrazovanija, 2013, No 2, Available at: https://www.science-education.ru/ ru/article/view?id=8615.

10. Bernal-Agustin J.L., Dufo-Lopez R. Simulation and optimization of stand-alone hybrid renewable energy systems [Electronic resource], Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, No 13, pp. 2111-2118, Available at: https://ideas.repec.Org/a/eee/rensus/v13y2009i8p2111-

2118.html.

Сведения об авторе

Воронин Сергей Михайлович - доктор технических наук, профессор кафедры «Теплотехника и ИУС», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зерно-граде (Ростовская область, Российская Федерация).

Цыганов Василий Васильевич - аспирант, кафедры «Теплотехника и ИУС», Азово-Черноморский инженерный институт - филиал ФГБОУ ВО «Донской государственный аграрный университет» в г. Зернограде (Ростовская область, Российская Федерация). Email: tsyganov.vasily.v@gmail.com.

Information about the authors

Voronin Sergei Mihailovich - Doctor of Technical Science, professor of the Heat engineering and ICS department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation).

Tsyganov Vasiliy Vasilevich - post-graduate student of the Heat engineering and ICS department, Azov-Black Sea Engineering Institute - branch of FSBEI «Don State Agrarian University» in Zernograd (Rostov region, Russian Federation). Email: tsyganov.vasily.v@gmail.com.

УДК 621.3.051

УСТРОЙСТВО КАБЕЛЬНОЙ МУФТЫ НА ОПОРЕ ВОЗДУШНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ

НАПРЯЖЕНИЕМ 35 кВ И ВЫШЕ

Принцип предлагаемого технического решения может быть использован в системе электроснабжения объектов в сельской местности. Оно относится к области электросетевого строительства. Целями предлагаемого являются поиск вариантов, их инженерные исследования и определение оптимального сооружения перехода линий электропередачи с одного вида на другой по технико-экономическим показателям. Предложено устройство для осуществления перехода воздушной линии электропередачи в кабельную, при этом оборудование устройства перехода установлено на стойке опоры линии электропередачи. При строительстве и монтаже воздушной линии электропередачи (ВЛ) возникает проблема «врезки» к ней кабельной линии, например, из-за отсутствия трассы для воздушной линии электропередачи, подключение подстанции (ПС) «глубокого ввода» только кабельной линии на территории промышленной зоны или отсутствует экономичный вариант сооружения специального перехода над инженерными сооружениями. В законодательной базе по градостроительству и архитектуре застройки городов имеется положение о запрете сооружения воздушных линий электропередачи в пределах красной линии генерального плана. Аналогичное решение существует на застройку промышленных зон особых предприятий и производств. Компоновка сооружения предусматривает установку следующего высоковольтного оборудования: концевой кабельной муфты, разъединителя и ограничителя перенапряжений. Каждое оборудование закреплено на монтажной рамной металлоконструкции. Предложенное техническое решение имеет следующие преимущества относительно традиционного устройства перехода одного вида ЛЭП на другой:

- устройство перехода кабельно-воздушной линии электропередачи не требует дополнительного отвода земельных угодий для ее сооружения, поскольку сооружается на землях, отчужденных для линий электропередачи;

Текст научной работы на тему «К вопросу оптимального управления автономной комбинированной системой электроснабжения»