CC BY
273
УДК 621.31б.1 В. Д. АВИЛОВ
Е. А. ТРЕТЬЯКОВ А. В. КРАУЗЕ
Омский государственный университет путей сообщения
УПРАВЛЕНИЕ
КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
Несмотря на существенный прогресс в развитии систем учета, наблюдается практически повсеместный рост отчетных потерь электроэнергии и снижение ее качества. Наряду с внедрением современного энергоэффективного электрооборудования проблему повышения эффективности использования электрической энергии в стационарной энергетике можно решить за счет внедрения активно-адаптивных технологий управления работой компенсирующих устройств, управляемых средств регулирования напряжений, коммутационного и силового оборудования и их диагностирования на основе цифровых технологий, в том числе для автоматического поддержания минимума потерь в сетях при изменении нагрузок. Предлагается система управления объектами электроснабжения нетяговых потребителей на базе адаптивных технологий и аппаратно-программного комплекса оптимизации параметров режима в реальном времени.
Ключевые слова: качество электроэнергии, управление объектами, оптимизация параметров режима, программный комплекс, интеллектуальная сеть.
В последние годы актуализировались задачи повышения энергетической эффективности объектов ОАО «РЖД»: принята «Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», «Стратегия инновационного развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г. (Белая книга)», определяющие основной вектор развития железнодорожной отрасли.
Применительно к распределительным сетям железнодорожного транспорта повышение эффективности использования электрической энергии связано со снижением потерь и повышением ее качества. Современные технологии и технические решения также должны быть направлены на повышение эксплуатационных показателей надежности электроснабжения, качества электроэнергии, внедрение силовых трансформаторов и другого энергоэкономичного оборудования с улучшенными характеристиками.
В соответствии с общепринятыми подходами [1] создание системы управления КЭ предусматривает выполнение ряда требований: формирование структуры управления КЭ; правовое регулирование отношений в части обеспечения КЭ; разработка технических мероприятий на этапе проектирования и ввода в эксплуатацию нового присоединения; разработка методических требований; организационные задачи; контроль КЭ; договоры.
При этом под управлением КЭ понимается система методических, технических и организационных мероприятий, направленных на обеспечение электромагнитной совместимости в электрических сетях.
Однако обеспечение КЭ в указанном смысле не может являться его управлением, предполагающим наличие обратной связи для корректирующего воздействия на КЭ с целью достижения заданных значений (показателей) КЭ.
В настоящее время техническая оснащенность распределительных сетей нетяговых потребителей не позволяет в полной мере осуществлять управление качеством электроэнергии, ограничиваясь функциями ручных переключений уровня напряжений с помощью распределительных трансформаторов, батарей статических конденсаторов и т.п.
Для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии за счет снижения потерь в распределительных сетях нетяговых потребителей требуется внедрять адаптивные методы управления работой компенсирующих устройств, управляемых средств регулирования напряжений, коммутационного и силового оборудования и их диагностирования на основе цифровых технологий, в том числе для автоматического поддержания минимума потерь в сетях при изменении нагрузок. Подобные системы электроснабжения в более узком смысле в виде smart grid успешно реализуются за рубежом [2, 3]. Отличительной особенностью активно-адаптивных технологий в распределительных сетях (smart grid) является наличие большого количества измерительной аппаратуры для оценки состояния параметров сети и выработки решений по его изменению в различных режимах работы. Подход к построению электрических сетей на базе smart grid базируется на возможности использования распределенной генерации, наблюдаемости сети, создания системы онлайн-мониторнга и интеллектуальной диагностики состояния оборудования, повышения надежности и качества электроснабжения (без управления объектами).
Предпосылкой создания системы управления объектами электроснабжения нетяговых потребителей железнодорожного транспорта на базе адаптивных технологий и аппаратно-программного комплекса оптимизации параметров режима в реальном времени является ряд актуальных проблем:
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
1. Проблема согласования системы электроснабжения распределительных сетей с источниками распределенной генерации. Существующие распределительные сети выполнены в виде иерархических структур от источника к нагрузке, поэтому общепринятые законы регулирования напряжения в таких сетях при наличии источников генерации на стороне среднего напряжения оказываются непригодными. Наличие источников генерации (в том числе накопителей энергии в активном режиме) приведет к уравнительным токам и дополнительным потерям, существенно меняется идеология построения релейной защиты. Требуется управление объектами электроснабжения на основе реализации алгоритмов оптимизации параметров режима в реальном времени.
2. Проблема разработки методов и алгоритмов обоснования внедрения передовых энергосберегающих средств и технологий повышения надежности, качества электроэнергии и снижения потерь. Определение оптимальных мест размещения, типов и параметров компенсирующих устройств в электрических сетях, выбор оптимального состава (нерегулируемые батареи статических конденсаторов, ступенчато-регулируемые компенсирующие устройства (КУ), статические тиристорные компенсирующие устройства и др.), параметров, законов регулирования КУ для получения требуемых характеристик установившихся режимов по реактивной мощности, отклонениям, несимметрии и колебаниям напряжения при минимальных затратах, выбор и расчет параметров технических средств по компенсации искажений синусоидальности кривой напряжения, корректировка схемных решений для повышения надежности электроснабжения, моделирование — вот лишь краткий круг вопросов, который необходимо проработать для повышения энергоэффективности систем электроснабжения нетяговых потребителей. Процесс выбора технических средств регулирования реактивной мощности, напряжения, современных силовых электроустановок при их модернизации должен сопровождаться обширными экспериментальными исследованиями с помощью цифровых средств измерений и диагностирования.
3. Проблема оптимального управления режимами напряжений в точках распределительных сетей, параметрами режима по реактивной мощности в реальном времени, управление электропотреблением для снижения потерь в сетях, повышения качества электроэнергии и повышения надежности электроснабжения. Речь идет о развитии оперативно-технологического управления сетями и энергообъектами 35 кВ и ниже на основе аппаратно-программного комплекса, которое в ближайшем будущем без существенных доработок может быть интегрировано в цифровую систему управления электропотреблением и качеством электроэнергии, а на данный момент обеспечивать снижение потерь и повышение надежности электроснабжения нетяговых потребителей. Предлагается разработать систему управления объектами электроснабжения нетяговых потребителей на базе адаптивных технологий и аппаратнопрограммного комплекса оптимизации параметров режима в реальном времени.
Представленная работа базируется на широком применении проведенных авторами исследований: разработанных методик оценки влияния состава электрооборудования на синусоидальность питающих напряжений, определения оптимальных мест
размещения компенсирующих устройств, алгоритмов оптимизации их состава и параметров.
В настоящий момент на сети железных дорог практически завершены работы по внедрению современных систем учета электроэнергии АСКУЭ (Smart Metering), данные с которых пока используются не в полной мере (как правило, для ежемесячных балансов и оплаты счетов за потребленную энергию). Реализация технологий smart grid также не позволит осуществлять управление качеством электроэнергии и потерями в распределительных сетях крупных железнодорожных узлов, т.к. в основном нацелено на энергосбытовую деятельность, взаимодействие «поставщик-потребитель».
В настоящее время техническая оснащенность распределительных сетей нетяговых потребителей не позволяет в полной мере осуществлять управление качеством электроэнергии, ограничиваясь функциями ручных переключений уровня напряжений с помощью распределительных трансформаторов, батарей статических конденсаторов и т.п.
Требования к оборудованию. Объекты управления требуется оснастить контроллерами и исполнительными механизмами (приводами) для воздействия на активные элементы сети (выключатели, устройства автоматического включения резерва, секционирующие пункты, переключатели регулирования напряжения под нагрузкой трансформаторов, вольтодобавочные трансформаторы, конденсаторные установки) с целью изменения её топологических параметров и воздействия на смежные энергетические объекты по заранее рассчитанным сценариям.
Требования к аппаратно-программному комплексу. Существующие специализированные программно-вычислительные комплексы, ориентированные на расчеты, как правило, электрических сетей высокого напряжения для задач анализа и прогнозирования, оперативно-диспетчерского управления (RastrWin, DAKAR, АНАРЭС-2000, Energy CS, PSS/E и др.), не позволяют определять типы, параметры технических средств и место их установки, предлагать другие энергоэффективные решения для повышения энергоэффективности электрических сетей.
Предлагается доработать (разработчиками) программные средства расчета и анализа электрических режимов электрических сетей для решения задач:
— расчет параметров режима в реальном времени (в настоящее время отсутствует возможность даже динамического анализа) на основе данных информационно-измерительных систем (АСКУЭ, датчики положения анцапф трансформаторов, коммутационного оборудования и т.п.);
— определение оптимальных мест размещения, типов и параметров КУ, их законов регулирования; выбор и расчет параметров других технических средств; корректировка схемных решений для повышения надежности электроснабжения с точки зрения технико-экономической эффективности;
— возможность выработки управляющих воздействий в автоматическом режиме в реальном времени на объекты электроснабжения с высоким быстродействием (по данным синхронизированных измерений и расчетов) для минимизации потерь в сетях и управления электропотреблением;
— возможность оптимизация режима при наличии в сети СН I и ниже источников распределенной генерации электрической энергии.
Связь между объектами электроснабжения распределительной сети и диспетчерским пунктом должна осуществляться с использованием стандартных устройств и протоколов. В качестве инструмента для создания систем сбора, обработки и представления информации в графическом виде должны применяться инструментальные оболочки, соответствующие стандартам МЭК. Установленные на железнодорожном транспорте системы АСКУЭ отвечают предъявляемым требованиям.
Программно-вычислительный комплекс должен содержать полную топологию электрической сети, объекты управления (компенсирующие устройства, трансформаторы, коммутационные аппараты и др.) с указанием параметров режима по данным информационно-измерительной системы (в том числе АСКУЭ) в реальном времени. Возможности комплекса: моделирование участка электрической сети в программном комплексе для анализа перетоков мощности, уровня потерь и других параметров в зависимости от топологии сети, уровней напряжения, используемых средств компенсации реактивной мощности; определение оптимальных мест размещения, типов и параметров компенсирующих устройств в электрических сетях по разработанным методикам; выбор оптимального состава (нерегулируемые батареи статических конденсаторов, ступенчато-регулируемые КУ, статические тиристорные компенсирующие устройства и др.) и параметров КУ для получения требуемых характеристик установившихся режимов по реактивной мощности, отклонениям, несимметрии и колебаниям напряжения при минимальных затратах; прогнозирование уровня искажений кривой напряжения в точках электрической сети 35 — 6/0,4 кВ, отклонений, колебаний и других параметров режима, потерь электроэнергии на основе математического моделирования; оптимизация параметров режима с определением законов регулирования напряжения в заданных точках (законы изменения плавно-регулируемых устройств, определение положений ступеней анцапфы трансформаторов), уровня компенсации реактивной мощности (закон изменения для регулируемых, количество ступеней для ступенчато-регулируемых КУ и т.п.), положение коммутационных аппаратов для минимизации потерь в сетях и обеспечения качества электроэнергии до заданного уровня. Таким образом, аппаратно-программный комплекс позволяет оптимизировать параметры режима в реальном времени (с заданным усреднением при необходимости). При отсутствии в действующих сетях полностью управляемых объектов, определяются положение анцапф трансформаторов, количество ступеней нерегулируемых устройств и т.п. для ручных переключений с разумной периодичностью, определяемой усреднением расчетов за определенный период.
Совмещение возможностей аппаратно-программного комплекса и системы управления объектами электроснабжения на базе результатов расчета и данных информационно-измерительных систем позволит эффективно управлять электропотреблением и качеством электроэнергии. Возможности представленной системы управления шире развиваемых smard grid и могут развиваться параллельно.
В качестве исходных данных расчета параметров режима задаются схема замещения системы электроснабжения, значения параметров пассивных элементов, а также значения параметров режима активных элементов, определяемые реальными условиями работы источников и потребителей элект-
роэнергии в системе. Источники электроэнергии водятся в расчет значениями активной мощности и модуля напряжения на зажимах. Нагрузки задаются статическими характеристиками активной и реактивной мощности по напряжению (нелинейные) и частоте (линейные) (Р = Рн(и, /), 0 = 0н(и, /)).
Таким образом, установившийся режим системы электроснабжения математически описывается двумя группами уравнений: 1) линейными алгебраическими уравнениями, связывающими токи и напряжения пассивных элементов схемы замещения, представляющей собой линейную электрическую цепь; 2) нелинейными уравнениями, связывающими мощности, напряжения и токи источников и нагрузок.
Система уравнений с комплексными переменными и коэффициентами, описывающая установившейся режим электрической системы:
YyU + Y6U6=U^Sr
где У. у — квадратная матрица узловых проводимостей;
и — вектор-столбец линейных напряжений всех узлов;
ид — диагональная матрица линейных напряжений независимых узлов (кроме балансирующего (символ «б»));
Sу — вектор-столбец узловых мощностей;
символ « » означает сопряженный комплекс.
Представленная система уравнений нелинейна, может быть решена итерационно и может иметь одно или несколько решений или не иметь решения вообще. Вопросы существования и единственности
Рис. 1. Алгоритм работы аппаратно-программного комплекса
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
185
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013
Рис. 2. Структурная схема управления объектами электроснабжения
решения уравнений установившегося режима электрической системы подробно рассмотрены в [3].
Кроме классического подхода к расчету установившихся режимов в электрических сетях разрабатываются методы определения параметров режима в условиях неполноты начальных данных с применением средств нейронного моделирования, теории нечетких множеств, теории многополюсников.
При моделировании распределительных сетей, в том числе нетяговых железнодорожных потребителей, существует ряд особенностей: схемы замещения содержат только продольные активные и реактивные сопротивления; пренебрегают поперечной составляющей падения напряжения и в трансформаторах и в линиях; необходимо учитывать несим-метрии токов и напряжений, а также наличие нелинейных нагрузок; случайный характер изменения нагрузок и параметров режима.
Задача расчета параметров режима с учетом топологии электрической сети решается в пространстве мощностей и имеет высокой уровень научной проработки, используется как базовая для решения других, более сложных проблем планирования, оптимизации и противоаварийного управления [4].
Основные функции автоматизированной системы (рис. 1): сбор, накопление и передача информации, характеризующей режим электропотребления, состояние электрической сети (конфигурация, ремонт оборудования); передача информации с контрольных точек на диспетчерский пункт и обратно; обработка полученной информации, расчет и оптимизация параметров режима; автоматическое изменение параметров устройств электроснабжения (КУ, выключатели, РПН и т.п.).
Структурная схема управления объектами электроснабжения для оптимизации параметров режима электрической сети в реальном времени для снижения потерь электроэнергии и повышения ее качества может быть реализована как на рис. 2.
Ожидаемые результаты. Повышение надежности и качества электрической энергии, снижение потерь, онлайн-мониторинг результатов управления параметрами режима в распределительных сетях по данным информационно-измерительных систем.
Повышение эффективности использования данных с АСКУЭ не только для определения электропотребления, но и управление им (при развитии синхронных измерений).
Возможность включения распределенной генерации на параллельную работу с сетью по СН за счет управлением режимами напряжения и параметрами генерации в месте подключения в реальном времени, в том числе с учетом графиков выработки (в случаях с нетрадиционными источниками энергии), накопления энергии (в случае с накопителями энергии) и нагрузки потребителей.
Библиографический список
1. Карташов, И. И. Современные задачи управления качеством электроэнергии / И. И. Карташов, В. Н. Тульский // Энергонадзор и энергобезопасность. — 2007. № 4. — С. 15—19.
2. Бернас, С. Математические модели элементов электроэнергетических систем : пер. с польск. / С. Бернас, З. Цек. — М. : Энергоиздат, 1982. — 312 с. 3. Weng, B. Optimal signal reconstruction using the empirical mode decomposition // Euroasip Journal on Advances in Signal Processing, 2008, vol. 4, p. 12-18.
программирования / Ю. А. Максимов. — М. : МИФИ, 1982. — 324 с.
4. Максимов, Ю. А. Алгоритмы решения задач нелинейного ТРЕТЬЯКОВ Евгений Александрович, кандидат
технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Электрические машины и общая электротехника». КРАУЗЕ Андрей Викторович, аспирант кафедры «Электрические машины и общая электротехника». Адрес для переписки: kruserjeep@mail.ru
АВИЛОВ Валерий Дмитриевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Электрические машины и общая электротехника».
Статья поступила в редакцию 04.07.2012 г.
© В. Д. Авилов, Е. А. Третьяков, А. В. Краузе
УДК 621318 В. К. ФЁДОРОВ
И. В. ФЁДОРОВ
Омский государственный технический университет
ЭНТРОПИЙНЫЕ АСПЕКТЫ ЭФФЕКТИВНОСТИ, УСТОЙЧИВОСТИ И ЖИВУЧЕСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
В статье рассматриваются вопросы надежности и устойчивости функционирования сложных электроэнергетических систем. Анализируются различные подходы к оценке допустимых небалансов узлов таких систем. Предлагается способ определения устойчивоспособности, основанный на разработанных методах расчета и описания режимов электроэнергетических систем и методах oпределения допустимых режимов.
Ключевые слова: электроэнергетическая система, энтропия, режимы работы.
Рассмотрим вопрос стратегии распределения информационных ресурсов, исходя из возможности возникновения аварийных ситуаций и влияния этого распределения на устойчивость электроэнергетической системы (ЭЭС). Управление ЭЭС представляет собой иерархическую структуру узлов управления, которая характеризуется информационными ресурсами (ИР). К последним относятся: ЭВМ, каналы связи, люди в узлах управления, программы, датчики информации и т. д. Очевидно, чем больше в системе информационных ресурсов (будем исходить из их рационального использования), тем более эффективной будет функционирование ЭЭС. Для каждой данной ЭЭС и для каждого уровня технологии имеется своя функциональная связь между эффективностью работы ЭЭС и ИР. Формирование структуры управления ЭЭС в той или иной степени сводится к распределению ИР между возможными ситуациями в ЭЭС, т. е. между некоторым конечным набором ситуаций от Sx до Sn, определяемых су-щественными изменениями ее свойств или изменениями окружающей среды. Причем решение прежде всего будет сводиться к тому, как лучше распределить дефицитный ресурс ИР между базисными ситуациями, определяющими основные режимы функционирования ЭЭС, и экстремальными ситуациями. Последние при неблагоприятных условия могут вызывать возникновение аварийных режимов, связанных с ущербами для системы вплоть до потери ее живучести, т. е. прекращения ее существования как единого целого.
Выделение необходимого ИР на покрытие экстремальных ситуаций позволяет предотвратить
переход их в аварийные режимы. При этом имеется минимальный ИР, необходимый для сохранения живучести ЭЭС. Отсюда возникает возможность неоднозначности выбора решающего правила и широкого диапазона для проявления человеческого фактора. Возьмем два крайних случая: лицо, принимающее решение (ЛПР) является либо «оптимистом», либо «пессимистом». В первом случае ЛПР может считать, что надо исходить из базисного режима и попытаться получить максимальный эффект от ЭЭС, а если и произойдет авария, то к тому времени он уже будет работать в другом месте — это авантюристическая стратегия. «Пессимист», наоборот, будет исходить из концепции: пусть лучше быть далеко от оптимальности, но зато быть максимально гарантированным от опасных неожиданностей — это сверхосторожная стратегия.
Таким образом, если подходить чисто формально, то более результативной будет авантюристическая стратегия распределения ИР. Даже такой упрощенный анализ позволяет сделать ряд важных выводов. Из них отметим два:
1. Нельзя, оценивая функционирование ЭЭС при распределении информационного ресурса, концентрировать внимание только на базисном режиме и не учитывать последствий аварийных ситуаций.
2. Сократить диапазон действия человеческого фактора (исключить принятие решений типа авантюристических или сверхосторожных) можно только повышая информированность ЛПР.
Пока мы говорили об экстремальных ситуациях и аварийных режимах, не раскрывая их различные проявления и последствия. Возникновение аварий-
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (117) 2013 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА
