CC BY
14
УДК 621.316
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
В. Т. Черемисин, Е. А. Третьяков Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск, Россия
DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-3-128-133
Аннотация - Выделение в холдинге «РЖД» из системы электроснабжения железных дорог электросетевого кластера по оказанию услуг по передаче электроэнергии по электрическим сетям позволит за счет инвестиционной составляющей тарифа приступить к модернизации распределительных электрических сетей железных дорог. Инновационное развитие электросетевой компании холдинга «РЖД» должно быть синхронизировано по своим технологическим показателям с ПАО»ФСК ЕЭС» и ПАО «Россети» и направлено на создание устойчивой, эффективной, гибкой и интеллектуальной электрической инфраструктуры. Целью исследования является повышение эффективности транспорта электроэнергии в распределительных электрических сетях железных дорог за счет адаптивного управления регуляторами параметров режима. Представлена реализация метода адаптивного управления транспортом электроэнергии в распределительных электрических сетях железных дорог на основе агентного подхода.
Ключевые слова: транспорт электроэнергии, распределенное управление, регулятор.
I. Введение
Вопросы использования современных технологий в электрических сетях железнодорожного транспорта нашли отражение в нормативных документах, определяющих перспективы развития отрасли, например, в энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2015 г. и на перспективу до 2030 г. [1], в которой отмечается, что на железнодорожном транспорте предусматривается развитие собственной генерации электроэнергии на нетяговые нужды. Это, в свою очередь, потребует создание системы управления транспортом электроэнергии на основе новых современных методов и средств управления параметрами режима.
Основные направления развития электросетевого комплекса России, представлены в стратегии развития электросетевого комплекса Российской Федерации, разработанной на период до 2030 года [2]. Основные требования к перспективным методам управления качеством, транспортом и распределением электрической энергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог: новые системы управления, обладающие двухсторонней связью; идентификация численных значений параметров возмущений, необходимых для принятия управляющих решений и моделирования в системах управления.
II. Постановка задачи
В энергетических системах наиболее актуальными и проработанными являются вопросы оптимизации режимов электрических сетей по напряжению и реактивной мощности, а в ряде случаев - по активной мощности и частоте [3]. При этом до недавнего времени считалось, что локальные системы автоматического управления объектами электроснабжения, использующие информацию в пределах объекта, не могут обеспечить наилучший режим энергосистемы в целом. Одним из недостатков централизованного управления (оптимизации) является необходимость сбора, передачи и обработки в одном месте значительного объема информации о состоянии режима и элементов энергосистемы. Указанные методы управления, как правило, реализуются в электрических сетях высокого напряжения. Ряд авторов [4] развивают метод ситуационного управления с теорией нечетких множеств, имеющий грубое усреднение параметров режима из-за конечного числа сценариев управления.
Наиболее перспективным является подход к управлению электроэнергетической системой на основе агент-ного подхода. Несмотря на то, что централизация в управлении более выгодна, с возрастанием информационных потоков она существенно затруднена. Агентный подход предполагает интеграцию централизованного и децентрализованного управления [5]. К примеру, в ОАО «ФСК ЕЭС» реализуется пилотный проект по разработке и внедрению интеллектуальной энергетической системы с активно-адаптивной сетью. Как известно, ПАО «ФСК ЕЭС» имеет в основном магистральные и распределительные сети высокого напряжения, характеризующиеся высокой наблюдаемостью. Основной отличительной особенностью агентного подхода является множество центров управления (распараллеливание информационных потоков). Вопросы реализации методов адаптивного управления транспортом электроэнергии в распределительных электрических сетях железных дорог среднего и низкого напряжений на основе агентного подхода в настоящее время являются недостаточно прора-
ботанными в научной среде. В частности, актуальной задачей является определение управляющих воздействий на локальные регуляторы для достижения целей управления.
III. Теория
Распределительные электрические сети железных дорог представляют собой сложные изменяющиеся во времени объекты по топологии и параметрам режима. Основными параметрами такой электрической сети, которые можно изменять (регулировать) являются: активные и реактивные источники мощности в узлах, нагрузки и ток линий электропередачи, напряжение в узлах электрической сети, коэффициенты трансформации трансформаторов и др.
Объектами управления могут быть следующие устройства
- РПН трансформаторов;
- поперечные компенсирующие устройства (плавно и ступенчато регулируемые);
- линейные регуляторы и вольтодобавочные трансформаторы;
- устройства FACTS;
- источники распределенной генерации;
- накопители энергии;
- коммутационные аппараты и др.
Метод управления транспортом электроэнергии в распределительных сетях железных дорог содержит архитектуру распределенного управления (контроллеры) на основе измерений, онтологии и высокой скорости анализа данных, основанную на агентных системах; электрические датчики (ток, напряжение, мощность, показатели качества электроэнергии и т. д.) и датчики неэлектрических величин (положение переключающих устройств, отводов РПН, компенсирующих устройств и т. д.); локальные контроллеры линейных регуляторов.
Все измерительные устройства, контроллеры объединены по своим протоколам в единое информационное поле виртуальной модели сети в границах энергорайона (с возможностью обмена данными и передачи прав управления с соседними энергорайонами). Локальные контроллеры на основе собственных вычислительных средств в режиме реального времени решают задачи по управлению исполнительными устройствами в заданном энергорайоне с частотой, на порядок превышающей скорость расчета глобального критерия управления для всего рассматриваемого участка электрической сети. При выходе из строя локального регулятора параметров режима система перераспределяет его функционал на соседние. повышая надежность системы электроснабжения.
Рассмотрим участок распределительной сети 35 кВ системы электроснабжения сторонних потребителей железных дорог (рис.1) в нормальном и послеаварийном режиме (отключение трансформатора 1Т на подстанции А-110). Применительно к реализации метода адаптивного управления транспортом электроэнергии в распределительных электрических сетях железных дорог в данной статье ограничимся задачей управления напряжением в узлах электрической сети.
A-110 2Т disabled 1Т
w
17 12«
6 7 7 8
10
13
11 13
d
16
15
16
14
Рис. 1. Расчетная схема
5
5
6
8
9
4
9
4
3
c
e
3
2
f
Для установившихся режимов выявление сенсорных и когерентных элементов электрической сети осуществляется через сенсорный анализ соответствующих матриц Якоби (матрица частных производных вторичных параметров режима в случае описания в форме баланса мощностей) в полярной системе координат [3].
Уравнения установившегося режима в тригонометрической форме (в полярных координатах) имеют следующий вид:
п—1
ПX соъ(81—8] — у1}) = р
]=0
п—1
(1)
и X ¥ии] зЩЪ—З]. —У]) = д.
]=0
где П1, П ■ - напряжения в узлах; - составляющие матрицы узловой проводимости; р, д - активная и реактивная задающая мощности в узле (генерация минус нагрузка). Матрица Якоби для баланса мощности в полярных координатах:
3 =
( др дР_}
д8 дП
дд дд
д8 дП
(2)
Частные производные небалансов (1) по независимым параметрам (на примере активной мощности) принимают вид:
дР п
^ = X и П] [ь9 «*(*, —8]) — ё] —8])];
, ]=1
др дё
-Р- = 2^. + X и] [В] С05(8 — 8]) + Ь] 5т(8г — 8])];
ди, ,=1
дР
= и , [В] с0*(8 , —8] ) + Ь ,] 5Ш(8г —8] )] ;
иП ] [Ь,] С0$(8,—8])—в ] ®^п(8,—8])];
(3)
В результате сенсорного анализа рассматриваемого участка электрической сети наиболее сенсорными узлами являются: по реактивной мощности - 3, 5. Наиболее «слабые» ветви по потерям напряжения и мощности: 10 (протяженностью 12,4 км, провод АС 95), 3+4 (протяженностью 1,7+13,7 км, провод АС 70), 7 (протяженностью 8,1 км, провод АС-95).
Зависимость потерь активной мощности в сети от нагрузок отдельных узлов близка к квадратичной, относительных приростов потерь и мощностей - к линейной. Целевая функция управления имеет вид:
^=х
X {кР АР] + к^ ) .]=1 .
+ к. АЬ ^ шт,
(4)
X
X (*]кАр] + Ь]к д)
]=1
+ еь АЬ = АПк;
Ьшш < Ь +АЬ < Ьшах;
ргпш < рО + АР < ршах .
V/ = 1.....от,.
п - число участков, подключенных к той же шине с трансформатором; II, 1шт, 1шях - настройка регулятора (ответвлений) трансформатора с РПН и его ограничения (в о. е.); кр, кв - весовые коэффициенты по активной и реактивной мощности («стоимость» регулирования); к, - весовой коэффициент для управления действиями регулятора РПН, характеризующий чувствительность напряжения на шине к ТП при изменении шага регулятора РПН трансформатора на ВН/СН; Р , Q^ - активная и реактивная мощность (генерация и (или) потребление); а]к, Ъу<: - коэффициенты чувствительности по напряжению для активной и реактивной мощности.
Таким образом, из (4) следует, что
(1 и ^
^ ДР. + kQ AQ
\ajk bjk ■ у
= AUk. (5)
Для определения управляющих воздействий, в виде изменения активных АР и реактивных ЛQ приращений используется линеаризованное уравнение:
АЛ=^-1 Г ], (6)
А и) [А Q)' ( )
где A3 , AU - изменения фаз и модулей напряжения; J - матрица Якоби J =
(JP3 JPU ^
\JQS JQU
Величины управляющих воздействий по активной и реактивной мощности на узлы электрической сети (из выражения (6)):
АР = (Зри - Зр5Г^5 JQи )Аи; АQ = (JQU - JQSJ-]S JQU )Аи.
Эффективность управляющих воздействий определяется из соотношений (ке / Ъл ) и (кр / а^).
IV. Результаты экспериментов
В результате ранжирования по убыванию соотношений (ке / Ъш) и (кр / а^) итерационно были определены наиболее эффективные источники реактивной мощности в узлах 3 и 5 для достижения цели 1 (рис. 2).
Рис. 2. Распределение локальных регуляторов для регулирования напряжения в результате ранжирования
Для стабилизации напряжения (ДUk ^ min) за счет оперативного управления локальными регуляторами в конкретный момент времени по выражениям (4) - (7) были определены оптимальные управляющие воздействия для установленных линейных регуляторов - источников реактивной мощности в узлах 3 и 5 указанных устройств (рис. 3).
0,15
0,1
8U ~8Q
0,05
Ш - 1 ы 1 гп
400
i k kvar
Q 200
100
5 10 15
the node number
5 10 15
the node number
Рис. З.Чувствительность напряжения к изменению реактивной мощности и управляющие воздействия источников реактивной мощности
В табл. 1 приставлены результаты моделирования нормального и послеаварийного режимов электрической сети с расчетными уставками регуляторов. На рис. 4 представлены снижения падений напряжений и потерь мощности в линиях после указанных инъекции реактивной мощности в узлах 3 и 5.
0
SU
60,00 %
40,00 30,00 20,00 10,00 0,00
III
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 the number of branches
SP
50,00
%
40,00 35,00 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00
ITT
и
И
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 the number of branches
Рис. 4. Снижение падений напряжений и потерь мощности в линиях
ТАБЛИЦА 1
РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ НОРМАЛЬНОГО И ПОСЛЕАВАРИЙНОГО РЕЖИМОВ
1
Узел Мультиагентное управление Централизованное управление
Напряжение, кВ
Норм. Послеав. Норм. Послеав.
1 35,11 35,09 34,51 33,21
2 35,31 35,13 34,54 33,27
3 35,47 35,39 34,74 33,80
4 35,72 35,49 34,80 33,86
5 36,24 35,94 35,36 34,23
6 35,86 36,05 34,91 34,10
7 36,92 36,30 35,64 34,12
8 36,82 36,76 36,18 35,60
9 36,96 36,87 36,30 35,80
10 37,04 37,02 36,47 35,90
11 37,61 37,98 37,56 36,78
12 37,69 38,18 37,68 37,0
13 37,80 37,78 37,80 37,80
14 - 37,43 - 37,65
15 - 37,43 - 37,64
16 - 37,42 - 37,20
Отличительной особенности агентного подхода к управлению транспортом электроэнергии в распределительных электрических сетях является то, что управляющие воздействия на локальные контроллеры источников реактивной мощности рассчитывались не на основе громоздкой оптимизации параметров режима всей сети, а на основе выбора регуляторов путем их ранжирования по типу аукциона и определение оптимальных уставок.
V. Обсуждение результатов
Как следует из данных табл. 1, координированное мультиагентное управление в лучшей степени справляется с задачей стабилизации напряжения в узлах электрической сети. Современные компенсирующие устройства оборудованы локальными контроллерами, способными обеспечивать заданный уровень напряжения в точке подключения к электрической сети. Автономная работа источников реактивной мощности в автоматическом режиме стабилизирует напряжение в точке подключения, что не всегда соответствует целям управления напряжением в соседних узлах электрической сети. Использование скоординированного управления несколькими указанными устройствами позволяет поддерживать необходимый уровень напряжения с учетом инъекций мощности в прилегающих районах электрической сети.
Результаты имитационного моделирования свидетельствуют о снижении падений напряжений в среднем на 25 %, потерь мощности на 15 % в линиях при использовании заданных уставок линейных регуляторов на основе агентного подхода.
VI. Выводы и заключение
Таким образом, результаты исследований показали эффективность метода управления транспортом электроэнергии в распределительных электрических сетях железных дорог за счет адаптивного управления регуляторами реактивной мощности. Использование согласованного регулирования напряжения локальными регуляторами, в том числе с РПН в центре питания позволяет не только повысить качество напряжения, но и снизить потери электроэнергии в сети.
Список литературы
1. Стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации (на период до 2030 года): утв. распоряжением Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2013 г. N 511 -р.
2. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года» / ОАО «РЖД». М., 2011. 96 с.
3. Augugliaro A., Dusonchet L., Favazza S., Riva E. Voltage Regulation and Power Losses Minimization in Automated Distribution Networks by an Evolutionary Multiobjective Approach // IEEE Trans. on Power Delivery. Vol. 19, no 3. P. 1516-1527.
4. Morales D., Lopez R. Location of voltage regulators in radial distribution networks using genetic algorithms // IEEE Trans. on Power System. Vol. 11. P. 15-16.
5. Han Xue, Kosek A.M., Bondy D.E.M., Bindner H.W., You Shi, Tackie D.V., Mehmedalic J., Thordarson F. Assessment of distribution grid voltage control strategies in view of deployment // 2014 IEEE International Workshop on Intelligent Energy Systems (IWIES). P. 46-51.
