CC BY
43ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В
СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
УДК 621.31:681.5
ПОНЯТИЕ И ПРИНЦИПЫ УПРАВЛЕНИЯ КОНФИГУРАЦИЕЙ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ
А.В. Виноградов
ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», Москва
Аннотация. Надёжность электроснабжения потребителей непосредственно зависит от конфигурации питающей электрической сети и эффективности управления ею. В то же время под конфигурацией разные авторы понимают схему электрической сети, расположение элементов в совокупности с их техническими характеристиками и другие параметры электрической сети. Единой трактовки этого понятия, а значит и единой классификации электрических сетей по их конфигурации нет. Поэтому в статье предлагается трактовка понятий «конфигурация электрической сети», «управление конфигурацией электрической сети». Рассмотрены возможности управления конфигурацией электрических сетей и получаемые от управления эффекты. Приведены основные принципы управления конфигурацией электрических сетей 0,4 кВ, реализуемые в рамках концепции интеллектуальных электрических сетей на базе применения мультиконтактных коммутационных систем. Среди принципов обеспечение наблюдаемости, управляемости сети, гибкости конфигурации, сегментируемости сети, а также интеллектуализация сетевого оборудования и интегрированность в экономику. Применение предлагаемых принципов управления конфигурацией позволяет повысить эффективность систем электроснабжения потребителей, сократить ущерб от недоотпуска им электроэнергии за счёт сокращения количества и продолжительности перерывов в электроснабжении, отклонения показателей качества электроэнергии и за счёт повышения доступности энергетической инфраструктуры.
Ключевые слова: конфигурация электрической сети, управление конфигурацией электрической сети, электрические сети 0,4 кВ, сельские электрические сети, мультиконтактные коммутационные системы.
Введение. Надёжность электроснабжения потребителей во многом определяется конфигурацией питающей электрической сети. В настоящее время единой трактовки понятия конфигурации электрической сети нет. Общепринятая классификация электрических сетей по их конфигурации также отсутствует [1].
Анализ литературных источников, а также понятий «конфигурация» (придание формы, расположение) внешний вид, очертание, образ; взаимное расположение предметов; соотношение составных частей сложных предметов [2]) и «электрическая сеть» (совокупность электроустановок для передачи и распределения электрической энергии, состоящая из подстанций, распределительных устройств, токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории [3]) позволяет сделать вывод, что под конфигурацией электрической сети следует понимать взаимное расположение и соотношение между собой электроустановок, входящих в состав электрической сети. Чаще всего, описывая конфигурацию сети авторы имеют в виду её схему [1]. Однако также часто речь идёт и о совокупности схемы и характеристик её элементов, то есть мощности оборудования, сопротивлении проводов и кабелей, других технических характеристиках [4], что позволяет анализировать конфигурации электрических сетей с точки зрения обеспечения их энергоэффективности, надёжности.
Предлагаемые трактовки понятий «конфигурация электрической сети» и «управление конфигурацией электрической сети». Исходя из вышесказанного, предлагаем следующую трактовку понятия: «конфигурация электрической сети -это характеристика электрической сети по взаимному расположению на схеме и в пространстве входящих в её состав электроустановок, электрооборудования, а также по соотношению между собой их технических характеристик». Под управлением (процесс целенаправленного воздействия субъекта управления на объект управления для достижения определенных результатов деятельности [5]) конфигурацией электрических сетей следует понимать процесс целенаправленного воздействия персонала, обслуживающего электрическую сеть, средств релейной защиты и автоматики, средств дистанционного управления на оборудование электрической сети для достижения требуемых параметров конфигурации электрической сети. При этом параметры конфигурации - схема электрической сети, пространственное расположение элементов электрической сети, технические характеристики электрооборудования электрической сети, параметры режимов работы электрической сети.
Таким образом, управлять конфигурацией электрической сети
можно, изменяя схему электрической сети посредством ручных, или автоматических переключений в электрической сети, а также изменяя технические характеристики электрооборудования, составляющего электроустановки электрической сети посредством ручного, или автоматического регулирования, замены оборудования и других воздействий.
Основные принципы управления конфигурацией интеллектуальной электрической сети.
Принципы выбора конфигурации электрических сетей при проектировании рассмотрены в работах разных авторов, в частности в [1, 4]. В то же время следует разрабатывать принципы управления конфигурацией в процессе функционирования электрической сети, особенно принципы управления в рамках концепций интеллектуальных электрических сетей [6-10]. Основные принципы управления конфигурацией интеллектуальной электрической сети можно сформулировать следующим образом:
1. Наблюдаемость сети - обеспечение возможности мониторинга и контроля параметров режимов работы сети и технического состояния оборудования сети как средств получения необходимых данных для управления конфигурацией сети.
2. Управляемость сети - обеспечение возможности управления оборудованием, установленным в сети, как вручную, так и автоматически, и дистанционно.
3. Гибкость конфигурации сети - обеспечение возможности ручного, автоматического и дистанционного изменения конфигурации электрической сети средствами её секционирования и резервирования, регулирования, при соответствующих изменениях параметров режимов работы сети.
4. Сегментируемость сети - обеспечение возможности работы участков сети с источниками генерации (в том числе малыми, возобновляемыми) как параллельно с централизованной сетью, так и изолированно от неё.
5. Интеллектуализация оборудования сети - обеспечение оборудования сети и потребителей умными системами мониторинга, контроля, учёта и управления.
6. Интегрированность в экономику - обеспечение технической возможности осуществления на практике механизмов экономического стимулирования энергоснабжающих компаний и потребителей к поддержанию высокой надежности, качества поставляемой электроэнергии, сокращению сроков техприсоединений.
Реализация указанных выше принципов требует создания соответствующих систем и технических средств мониторинга, контроля, учёта и управления в электрических сетях. Одним из
основных технических средств управления конфигурацией электрических сетей 0,4 кВ в рамках концепции интеллектуальных электрических сетей [7, 8] являются мультиконтактные коммутационные системы (МКС) разных типов [8, 11], позволяющие секционировать и резервировать участки линий электропередачи (ЛЭП) 0,4 кВ. Применение МКС позволяет автоматически изменять конфигурацию электрической сети и за счёт этого повышать надёжность электроснабжения потребителей [8, 11], реализовывать принципы управляемости, сегментируемости, гибкости конфигурации, интеллектуализации оборудования сети.
Автоматическое изменение конфигурации сети позволяет, в свою очередь, обеспечить возможности сетевого регулирования загрузки источников электроснабжения [12], возможности выделения повреждённых участков ЛЭП и резервирования питания потребителей, подключенных к неповреждённым участкам. Кроме того, автоматическое управление конфигурацией электрической сети с применением средств секционирования и резервирования, и особенно МКС [8] обеспечит возможность повышения чувствительности защит ЛЭП к коротким замыканиям, сокращения времени поиска повреждений в сети, а в необходимых случаях предотвратит развитие аварийных ситуаций в сети за счёт запрета переключений в обоснованных случаях (например, запрет автоматического включения резерва на участки ЛЭП с устойчивыми короткими замыканиями). Это в комплексе повышает и живучесть системы электроснабжения потребителей как свойство системы противостоять возмущениям, не допуская их каскадного развития с массовым нарушением питания потребителей.
Другим важным средством для реализации принципов управления конфигурацией электрической сети являются системы и технические средства мониторинга и контроля параметров режимов работы электрических сетей, обеспечивающие реализацию принципа наблюдаемости сети. Параметры электрической сети должны контролироваться этими системами в точках выдачи электроэнергии от источников электроснабжения (генерирующие установки, трансформаторные подстанции), в ЛЭП (при наличии в ЛЭП МКС - в точках установки МКС), а также на вводах потребителей.
Системами мониторинга, контроля, учёта и управления должны осуществляться функции мониторинга и контроля параметров режимов работы электрической сети, технического состояния и результатов работы электрооборудования, загруженности участков сети и других параметров. Необходимо осуществлять учёт потребления электроэнергии в разных точках сети, количества и результатов срабатываний электрооборудования, учёт ресурса
электрооборудования, количества и продолжительности перерывов в электроснабжении потребителей и т.п. Должно осуществляться управление электрооборудованием сети, электрооборудованием источников электроснабжения с целью необходимых переключений, осуществления регулирования параметров режимов работы электрической сети.
Принцип интегрированности в экономику достигается за счёт того, что при оснащении электрической сети средствами мониторинга, контроля и учёта как у потребителя, так и у электроснабжающей организации появляются объективные данные о режимах работы сети, об объёме электропотребления по участкам сети, о качестве поставляемой электроэнергии. Эти данные позволяют осуществлять технико-экономические механизмы стимулирования к повышению надёжности электроснабжения и качества поставляемой электроэнергии. Могут быть реализованы методики корректировки стоимости электроэнергии в зависимости от её качества, от надёжности электроснабжения, приведённые, например, в [13], но практически не реализуемые из-за отсутствия средств объективного контроля отклонений показателей качества электроэнергии (ПКЭ) и количества и времени перерывов в электроснабжении. Такие средства и новые технико-экономические механизмы разработаны в [14-16].
Также интеграция в экономику осуществляется за счёт возможности учитывать динамику изменения нагрузок по участкам сети при планировании электросетевого строительства, реконструкции электрических сетей, то есть при планировании изменения их конфигурации [17]. За счёт мониторинга загрузки возможно выявлять резерв пропускной способности ЛЭП, резерв мощности источников электроснабжения и принимать решение о возможном изменении конфигурации сети при новых технологических присоединениях.
На рисунке 1 показана структурная схема метода обеспечения доступности энергетической инфраструктуры за счёт учёта динамики технологических присоединений при формировании перечня объектов для реконструкции и сетевого строительства. На основе сбора данных с систем мониторинга режимов работы сети формируется база данных режимов работы сети.
Рисунок 1 - Структурная схема метода обеспечения доступности энергетической инфраструктуры за счёт учёта динамики технологических присоединений
Формируется база данных по мощностям подстанций (ПС), ТП, пропускной способности ЛЭП, входящих в сеть на основе их паспортных данных и допустимых режимов работы. Для этого проводится мониторинг структуры сети и все изменения вносятся в указанную базу данных. База справочных данных используется при расчётах и содержит информацию по методикам расчётов, необходимые справочные материалы. При поступлении в электросетевую компанию новой заявки на присоединение выполняется определение необходимой мощности и точки присоединения. Эти данные вносятся в базу данных по технологическим присоединениям, в которой учитываются выполненные и поданные заявки на присоединение. При этом данные по заявкам сортируются с учётом питающих центров и ЛЭП, питающих присоединяемых потребителей.
На основе имеющихся в базах данных сведений выполняется расчёт резерва мощности по питающим центрам (ПС, ТП) и пропускной способности ЛЭП. Поскольку заявленная мощность практически не совпадает с потребляемой, а обычно выше её, расчёт выполняется с использованием фактических значений потребляемой мощности, получаемых с систем мониторинга. На основе расчётных данных формируется база данных резерва мощности и пропускной способности сети.
При достижении допустимого минимального значения резерва по той, или иной ПС, ТП, или ЛЭП, данный объект вносится в перечень объектов для плана реконструкций, сетевого строительства и далее в инвестиционную программу электросетевой компании. При этом минимальный допустимый резерв мощности определяется в зависимости от динамики присоединений к конкретному питающему центру, или питающей ЛЭП. То есть, при высокой динамике присоединений, или росте нагрузки существующих потребителей, минимальный допустимый резерв устанавливается большим, чем при низкой динамике роста нагрузки. Что касается текущего присоединения, то определённая для него необходимая мощность сравнивается с резервом мощности для питающего центра и пропускной способностью ЛЭП, от которых планируется его подключение и на основе этого сравнения принимается решение о возможности подключения в данной точке без проведения реконструкции ПС, ТП, или ЛЭП. Практическим результатом метода является снижение потерь электросетевых компаний вследствие сокращения времени на осуществление технологических присоединений и повышение доступности энергетической инфраструктуры для потребителей.
Выводы
1. Предложена следующая трактовка понятия кнфигурации электрической сети: «конфигурация электрической сети - это характеристика электрической сети по взаимному расположению на схеме и в пространстве входящих в её состав электроустановок, электрооборудования, а также по соотношению между собой их технических характеристик».
2. Под управлением конфигурацией электрических сетей следует понимать процесс целенаправленного воздействия персонала, обслуживающего электрическую сеть, средств релейной защиты и автоматики, средств дистанционного управления на оборудование электрической сети для достижения требуемых параметров конфигурации электрической сети.
3. К основным принципам управления конфигурацией
электрической сети в рамках концепций интеллектуальных электрических сетей следует отнести наблюдаемость, управляемость, гибкость конфигурации, сегментируемость электрической сети, а также интеллектуализацию электрооборудования сети и интегрированность в экономику.
4. Реализация принципов управления конфигурацией электрической сети позволяет повысить эффективность систем электроснабжения потребителей за счёт сокращения количества и продолжительности перерывов в электроснабжении, отклонений ПКЭ, повышения доступности энергетической инфраструктуры.
1. Справочник по проектированию электрических сетей / под ред. Д. Л. Файбисовича. - 4-е изд., перераб. и доп. - М. : ЭНАС, 2012. - 376 с. : ил.
2. Большая Советская Энциклопедия / ред. О.Ю. Шмидт. - М.: Советская Энциклопедия, 1992. - 921 с.
3. Правила устройства электроустановок. 7-е изд. - М.: Изд-во ЕЦ «ЭНАС», 2013.
4. Вуколов В.Ю. Управление конфигурацией распределительных электрических сетей 6—35 кВ / В. Ю. Вуколов, А. А. Колесников, Е. Р. Пнев, Б. В. Папков // Электричество. - 2019. - №2. - выпуск 2. - С. 10-17.
5. Значение слова «управление». Электронный ресурс. Заголовок с экрана. Режим доступа: httos://kartaslov.ru/%D0%B7%D0%BD%D0%B0%D1%87%D0%B5%D0%B D%D0%B 8%D0%B 5 -
%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0/%D1%83%D0%BF%D1%8 0%D0%B0%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5 (дата обращения 09.11.2020г.)
6. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью: [сайт]. URL: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ies aas.pdf (дата обращения: 14.08.2020).
7. Виноградов А.В. Концепция построения интеллектуальных электрических сетей на базе применения мультиконтактных коммутационных систем. Актуальные вопросы энергетики в АПК : матер. всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Благовещенск, 27 фев. 2019 г.). - Благовещенск: Изд-во Дальневосточного гос. аграрного ун-та, 2019. -156 с., С. 109-115.
8. Виноградов А.В. Новые мультиконтактные коммутационные системы и построение на их базе структуры интеллектуальных распределительных электрических сетей. - Агротехника и энергообеспечение. - №3 (20). - 2018. - С. 7-20.
9. Smart Grids European Technology Platform. Электронный ресурс.
Список использованных источников:
Заголовок с экрана. Режим доступа: www. smartgrids.eu (дата обращения: 14.08.2020).
10. Michael T. Burr. Reliability demands drive automation investments / Michael T. Burr // Public Utilities Fortnightly, Technology Corridor department. -2003. - Nov. 1. Электронный ресурс. Заголовок с экрана. Режим доступа: http://www.fortnightly.com/fortnightly/2003/11/technology-corridor (дата обращения: 14.08.2020).
11. Виноградов А. В. Типы мультиконтактных коммутационных систем. Агротехника и энергообеспечение. - 2019г. - №2 (23). - С. 12-26.
12. Виноградов А.В. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МУЛЬТИКОНТАКТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ С МОСТОВОЙ СХЕМОЙ В МИКРОСЕТЯХ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ / А.В. Виноградов, А.В. Виноградова, А.Ю. Сейфуллин, А.А. Лансберг, И.А. Седых//Агротехника и энергообеспечение. 2020. №1(26). С.39-51.
13. Постановление Правительства РФ от 06.05.2011 N 354 (ред. от 29.06.2020) "О предоставлении коммунальных услуг собственникам и пользователям помещений в многоквартирных домах и жилых домов".
14. Большев В.Е. КОРРЕКТИРОВКА СТОИМОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ПЕРЕРЫВАХ В ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ/ В.Е. Большев В.Е., А.В. Виноградов, А.В. Виноградова, А.В. Букреев, А.А. Лансберг // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. Т. 67. № 2 (39). С. 44-50.
15. Виноградов А.В., Бородин М.В., Большев В.Е., Виноградова А.В., Букреев А.В. Совершенствование приборов учета электроэнергии для обеспечения механизма корректировки стоимости потребленной электроэнергии. Главный энергетик №7 2020. С. 35-41.
16. Vadim Bolshev, Alexander Vinogradov, Michal Jasinski, Tomasz Sikorski, Zbigniew Leonowicz, and Radomir Gono. Monitoring the Number and Duration of Power Outages and Voltage Deviations at Both Sides of Switching Devices. In Journal IEEE Access. August, 2020. DOI: 10.1109/ACCESS.2020.3011836.
17. A.V. Vinogradov, V.E. Bolshev, A.V. Vinogradova, A.A. Lansberg, M.O. Ward and N.K. Miftakhova Method of accounting the dynamics of technological connections when forming a list of objects for the reconstruction and construction of electrical networks 01030. E3S Web of Conferences Volume 178 (2020) High Speed Turbomachines and Electrical Drives Conference 2020 (HSTED-2020), Prague, Czech Republic, May 14-15, 2020. Published online: 09 July 2020. DOI: https://doi.org/10.1051/e3sconf/202017801030
Виноградов Александр Владимирович, кандидат технических наук, доцент, заведующий лабораторией электроснабжения и
теплообеспечения, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79202879024, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: winaleksandr@gmail.com
CONCEPT AND PRINCIPLES OF SMART GRID CONFIGURATION
MANAGEMENT Vinogradov A.V.
Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
Abstract. The reliability of power supply to consumers directly depends on the configuration of the power supply network and the efficiency of its management. At the same time, under the configuration, different authors understand the scheme of the electric network, the location of elements in conjunction with their technical characteristics, and other parameters of the electric network. There is no single interpretation of this concept, and therefore there is no single classification of electric networks by their configuration. Therefore, the article offers an interpretation of the concepts "configuration of the electric network", "configuration management of the electric network". The possibilities of controlling the configuration of electric networks and the effects obtained from the control are considered. The basic principles of configuration management of 0.4 kV electric networks implemented within the framework of the concept of intelligent electric networks based on the use of multi-contact switching systems are presented. Among the principles are ensuring observability, network manageability, configuration flexibility, network segmentation, as well as network equipment intellectualization and integration into the economy. The application of the proposed configuration management principles can improve the efficiency of power supply systems for consumers, reduce the damage caused by undersupply of electricity by reducing the number and duration of interruptions in power supply, deviations in power quality indicators, and by increasing the availability of energy infrastructure.
Keywords: electric network configuration, electric network configuration management, 0.4 kV electric networks, rural electric networks, multi-contact switching systems.
Alexander Vinogradov, PhD in Engineering, Associate Professor, Head of the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79202879024, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: winaleksandr@gmail.com
