CC BY
14ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ И ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЕ В
СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
УДК 621.3.062.8:621.31:621.3.027.5
ВАРИАНТЫ ПРИМЕНЕНИЯ МУЛЬТИКОНТАКТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ СИСТЕМ ТИПА МКСМ-4 В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ 0,4 кВ.
Виноградов А.В., Васильев А.Н., Седых И.А., Виноградова А.В. 1ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Москва, Россия
Аннотация. Большинство линий электропередачи (ЛЭП) 0,4 кВ сельских электрических сетей выполнены по радиальным схемам, и не имеют сетевого резервирования и секционирования. Это снижает надёжность электроснабжения сельских потребителей. Повреждение в любой точке ЛЭП приводит к необоснованным перерывам в электроснабжении всех подключенных к ней потребителей. Решение этой проблемы заключается в создании средств сетевого секционирования и резервирования для ЛЭП 0,4 кВ, в том числе мультиконтактных коммутационных систем (МКС), позволяющих коммутировать несколько участков ЛЭП. Разработаны различные типы МКС, в том числе мультиконтактные коммутационные системы с мостовой схемой, например, МКСМ-4. Это МКС, имеющая четыре силовые контактные группы с независимым управлением, соединенные по мостовой схеме. Основное преимущество применения МКС - возможность автоматического, или дистанционного изменения схемы сети, при этом МКС с мостовой схемой обладают большими возможностями по изменению конфигурации сети по сравнению с МКС других типов. При наличии в системе электроснабжения нескольких источников энергии применение МКСМ даёт возможность управлять режимами работы сети и загрузкой данных источников, осуществлять контроль режимов работы сети, реализуя ряд принципов интеллектуальных электрических сетей.
Ключевые слова: интеллектуальная электрическая сеть, мультиконтактные коммутационные системы, возобновляемые источники энергии, надежность электроснабжения, концепция умных сетей.
Введение.
Протяженность электрических сетей напряжением 0,4 кВ
составляет порядка 880 тыс. км. При этом ЛЭП 0,4 кВ в сельской местности, как правило, имеют завышенную длину. Это приводит к недостаточно высокой надёжности сельских электрических сетей. Для определения надёжности электроснабжения все чаще используется система её показателей, принятая в зарубежных странах [1,2]: SAIFI, SAIDI, САШ, САГО! Так, для компаний, входящих в МРСК Центра эти показатели указаны в [3]. например, на 2017 год для низкого напряжения SAIDI = 2,0017, SAIFI = 0,4569. Среднее время восстановления для ЛЭП до 1 кВ при этом составляет 4,38 ч. С учётом времени получения информации о повреждениях оно может вырасти до 5,36 ч. [4]. Частота отказов для сетей 0,4 кВ, согласно [5] составляет 25 отказов на 100 км ЛЭП в год.
Правительством принимаются решения, направленные на активизацию применения в структуре электрических сетей возобновляемых источников энергии (ВИЭ), в том числе с малой мощностью, устанавливаемых у частных потребителей [6]. Однако неготовность сетевого комплекса, в том числе негибкая конфигурация ЛЭП, не позволяет оперативно внедрять ВИЭ в электрические сети 0,4
Снизить количество перерывов в электроснабжении, их продолжительность, а также обеспечить гибкость конфигурации электрических сетей 0,4 кВ при использовании нескольких источников энергии, в том числе ВИЭ, позволяет применение средств секционирования и резервирования ЛЭП. В [7,8,9,10] предложено построение интеллектуальных электрических сетей на базе МКС разных типов, рассмотрены особенности применения данных устройств. В этих работах показано, что применение МКС позволяет повысить надёжность электроснабжения потребителей, а также автоматически изменять конфигурацию сети при возникновении различных ситуации в ней. Однако в указанных и других работах не рассмотрены варианты использования в электрических сетях напряжением 0,4кВ мультиконтактных коммутационных систем с мостовой схемой и четырьмя выводами - МКСМ-4.
Результаты и обсуждение.
Вопросы гибкого изменения конфигурации электрических сетей, в том числе содержащих в своём составе ВИЭ актуальны и зарубежом. Так, в статьях [11,12,13] описаны разные подходы к восстановлению электроснабжения потребителей в сетях разного напряжения с распределённой генерацией, в том числе подходы, основанные на «сегментации» сети, то есть её разделения на изолированные друг от друга участки при аварийных ситуациях. Тем не менее, в этих работах также не предполагается использование
кВ.
коммутационных аппаратов, подобных МКС, в том числе МКСМ-4.
Применение МКСМ-4 возможно в электрических сетях, содержащих один, или более источников энергии. Рассмотрим возможности её применения на примерах. На рисунке 1 представлена схема сети с одним источником энергии. Схема содержит: П1...П14 -потребители; МКСМ-4 - мультиконтактная коммутационная система, выполненная по мостовой схеме и содержащая 4 вывода и 4 независимых контактных группы; И1 - источник электроснабжения (например, трансформаторная подстанция); Ь1.. ,Ь4 - участки ЛЭП.
одним источником электроснабжения Вариант исполнения схемы электроснабжения с одним источником электроснабжения содержащей МКСМ-4 подходит для потребителей, относящихся к третьей категории электроснабжения. Применение МКСМ-4 в таком варианте электрической сети имеет как преимущества, так и недостатки. Основной недостаток -необходимость дополнительных затрат на приобретение и установку в сети МКСМ-4. Среди преимуществ - увеличение надёжности и наблюдаемости сети. Это достигается за счёт того, что при повреждении на любом из участков Ь2, Ь3, или Ь4 при использовании МКСМ-4 будет отключен только данный участок. Перерыва в электроснабжении других потребителей не будет в отличие от схемы с той же конфигурацией, но в которой МКСМ-4 отсутствует. Кроме того, если в функциональные возможности МКСМ-4 вложена функция АПВ, то при неустойчивых повреждениях произойдёт автоматическое восстановление нормального режима за счёт работы АПВ
соответствующих контактных групп устройства.
Приведём пример. В нормальном режиме работы системы электроснабжения представленной на рисунке 1 в устройстве МКСМ-4 будут замкнуты силовые контактные группы 1, 2, 3, 4 и питание будет подаваться на все участки линии. Предположим, повреждение произошло на участке Ь2. Будут отключены контактные группы 1 и 2 МКСМ-4 и питание остальных участков сети не будет нарушено. Произойдёт АПВ контактной группы 1 ив случае неустойчивого повреждения произойдёт восстановление электроснабжения потребителей участка сети Ь2. После этого будет включена и контактная группа 2 устройства, обеспечивая повышение надёжности подачи питания потребителям участка.
Кроме того, преимуществом применения МКСМ-4 является возможность при обслуживании электрических сетей отключать только тот участок ЛЭП, который необходимо обслуживать, или ремонтировать. Это сокращает плановые перерывы в электроснабжении потребителей.
Наблюдаемость электрической сети при использовании МКСМ-4 увеличивается за счёт того, что устройство оснащается средствами мониторинга режимов работы электрической сети, позволяющими получать данные о потреблении электроэнергии по участкам ЛЭП, подключенным к соответствующим выводам МКСМ-4, о значении напряжения в точке установки МКСМ, о значениях тока, активной и реактивной мощности и т.п. Это позволяет выделять участки ЛЭП с повышенными потерями электроэнергии, выявлять коммерческие потери электроэнергии по участкам, сокращать время поиска повреждений в ЛЭП.
На рисунке 2 показан вариант применения МКСМ-4 в случае наличия двух источников электроснабжения в сети (И1 и И2). В остальном схема аналогична той, что изображена на рисунке 1.
Схема обладает теми же преимуществами, что и схема на рисунке 1. В то же время в ней повышается надёжность электроснабжения потребителей П1...П14 за счёт возможности резервирования питания от двух источников электроснабжения И1, И2. Резервирование осуществляется переключением соответствующих контактных групп МКСМ-4. Например, в нормальном режиме потребители П1, П2, П13, П14 получают питание от И1, а остальные -от И2. При этом контактные группы 2 и 4 МКСМ-4 включены, а 1 и 3 -отключены. При выходе из строя И1 произойдёт включение контактных групп 1 и 3 (в варианте только 1 или 3), что позволит подать питание на потребителей П1, П2, П13, П14 от И2.
Рисунок 2 - Применение МКСМ-4 в системе электроснабжения с двумя источниками электроснабжения
Кроме того, в данной схеме имеется возможность регулирования загрузки источников электроснабжения, которое достигается переключением питания потребителя от одного источника к другому. Особенно это актуально при использовании в качестве источников электроснабжения возобновляемых источников энергии.
На рисунках 3 и 4 представлены варианты схем при наличии в системе электроснабжения трёх и четырёх источников электроснабжения.
И2
Рисунок 3 - Применение МКСМ-4 в системе электроснабжения с тремя источниками электроснабжения
И2
ии
Рисунок 4 - Применение МКСМ-4 в системе электроснабжения с четырьмя источниками электроснабжения
Такие варианты схем могут использоваться в микросетях с возобновляемыми источниками электроэнергии (ВИЭ). Применение МКСМ в данной схеме обеспечивает, кроме надёжности электроснабжения потребителей и возможность оптимизации режимов работы микросети. Это достигается за счёт мониторинга параметров режимов работы сети, потребителей и источников электроснабжения. Источники электроснабжения могут иметь характер неравномерной выработки электроэнергии, а в качестве одного из них рационально использовать накопитель электроэнергии, или традиционную трансформаторную подстанцию, подключенную к сети общего пользования. Это позволяет максимально использовать возможности ВИЭ и в то же время обеспечить независимость питания потребителей от характера выработки электроэнергии ВИЭ.
Предположим, для схемы на рисунке 4, что И1 - накопитель электроэнергии, или ТП 10/0,4 кВ, И2 - солнечная электростанция (СЭС), И3 - ветроэлектростанция (ВЭС), а И4 - биогазовая установка с производством электроэнергии (БГУ). В такой схеме нормальный режим работы может быть как замкнутым, то есть все контактные группы МКСМ-4 замкнуты и все источники электроснабжения работают параллельно, или сегментированным, то есть каждый источник питает часть потребителей в зависимости от мощности источника и мощности потребителей. При этом, соответственно, часть контактных групп МКСМ-4 замкнута, часть - разомкнута. При наличии достаточной выработки электроэнергии от ВИЭ источник И1,
если это накопитель электроэнергии, может потреблять электроэнергию для её накопления. В случае, если И1 - ТП 10/0,4 кВ, то он может находиться в резерве.
При снижении, или прекращении выработки электроэнергии от И2 (СЭС) в вечернее и ночное время, от ВЭС при отсутствии ветра, от БГУ при снижении выработки биогаза, или от любого ВИЭ по другим причинам, если выработка энергии другими ВИЭ для всех потребителей недостаточна, выполняется подключение И1 к сети в качестве источника электроснабжения для всех, или части потребителей. Для этого производятся переключения контактных групп МКСМ-4. Таким образом, МКСМ-4 может быть частью интеллектуальной микросети, обеспечивающей возможности использования нескольких источников энергии и повышение надёжности электроснабжения потребителей.
Выводы. Устройства МКСМ-4 могут применяться в электрических сетях, имеющих как один, так и несколько источников электроснабжения. При этом применение МКСМ-4 позволяет осуществлять секционирование и резервирование ЛЭП, повышая надёжность электроснабжения потребителей. Кроме того, применение МКСМ-4 позволяет оптимизировать режимы работы электрической сети с несколькими источниками энергии за счёт возможности гибкого изменения конфигурации сети и возможности переключения питания потребителей к разным источникам электроснабжения, или обеспечения параллельной работы источников.
Список использованных источников:
1. Надёжность электроснабжения как инструмент регулирования отношений между поставщиками и потребителями энергии. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.webenergo.bv/EiM 3 2009 art3.html на 24.09.2020г
2. Папков, Б. В. Вероятностные и статистические методы оценки надёжности элементов и систем электроэнергетики: теория, примеры, задачи: учеб. пособие / Б. В. Папков, В. Л. Осокин. - Старый Оскол: ТНТ, 2017. - 424 с
3. ПАО «МРСК Центра». Информация о качестве обслуживания потребителей услуг. Электронный ресурс. Заголовок с экрана. Режим доступа: https://www.mrsk-l.ru/information/standart/info quality/ Дата обращения 22.09.2020 г
4. Vinogradov, A.; Bolshev, V.; Vinogradova, A.; Jasinski, M.; Sikorski, T.; Leonowicz, Z.; Gono, R.; Jasinska, E. Analysis of the Power Supply Restoration Time after Failures in Power Transmission Lines. Energies 2020, 13, 2736
5. РД 34.20.574 Указания по применению показателей
надежности элементов энергосистем и работы энергоблоков с паротурбинными установками. [Электронный ресурс]. Заголовок с экра-на. Режим доступа: https://files.strovinf.rU/Data2/1/4294817 /4294817220.htm Дата обращения 23.09.2020г
6. Решения о предоставлении субсидий из федерального бюджета на государственную поддержку технологического присоединения генерирующих объектов, функционирующих на основе использования возобновляемых источников энергии. [Электронный ресурс]. Заголовок с экрана. Режим доступа: https://minenergo. gov.ru/node/12223 дата обращения 24.09.2020г.
7. Виноградов А.В., Сейфуллин А.Ю. Анализ концепций построения систем электроснабжения сельских потребителей, содержащих несколько источников электрической энергии // Вестник НГИЭИ.- 2020. -№ 2 (105). - С. 32-44
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. Виноградов А.В. Концепция построения интеллектуальных электрических сетей на базе применения мультиконтактных коммутационных систем. Актуальные вопросы энергетики в АПК : матер. все-рос. науч.-практ. конф. с междунар. участием (Благовещенск, 27 фев. 2019 г.). - Благовещенск: Изд-во Дальневосточного гос. аграрного унта, 2019. -156 с., С. 109-115
10. Виноградов А. В. Типы мультиконтактных коммутационных систем // Агротехника и энергообеспечение. - 2019г. - №2 (23). - С. 1226
11. Wang F, Chen C, Li C, Cao Y, Li Y, Zhou B, Dong X. A Multistage Restoration Method for Medium-Voltage Distribution System with DGs. IEEE Transactions on Smart Grid, 2017, vol. 8, no. 6, pp. 2627-2636. Doi: 10.1109/TSG.2016.2532348
12. Molaali M., Abedi M. A New Heuristic Method for Distribution Net-work Restoration and Load Elimination Using Genetic Algorithm. Electrical Power Distribution Conference (EPDC). IEEE, 2018. Pp. 46-51. Doi: 10.1109/EPDC.2018.8536269
13. Gechanga M.K., Kaberere K.K., Wekesa C. Optimal power service restoration using artificial bee colony algorithm. International Journal of Scientific and Technology Research, 2019, vol. 8, no. 10, pp. 1950-1956
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
Васильев Алексей Николаевич, д.т.н., профессор, руководитель научного направления "Энергообеспечение АПК" (ВИЭСХ) ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5,тел. 8(499) 170-19-20, e-mail: vasilev-viesh@inbox. ru.
Седых Иван Александрович, магистрант, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: is481@mail.ru
Виноградова Алина Васильевна, кандидат технических наук, старший научный сотрудник лаборатории электроснабжения и теплообеспечения, Россия, Москва, ФГБНУ «Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ», +79208079424, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, e-mail: alinawin@rambler. ru
VARIANTS OF APPLICATION IN THE ELECTRIC NETWORKS WITH VOLTAGE 0.4 kV OF THE MULTI-CONTACT SWITCHING SYSTEM MKSM-4
Vinogradov A.V.1, Vasiliev A.N.1, Sedykh I. A.1, Vinogradova A.V.1 1Federal Scientific Agroengineering Center VIM, Moscow, Russia
Abstract. Most of the 0.4 kV transmission lines of rural electric networks are made according to radial schemes, and do not have network redundancy and partitioning. It reduces the reliability of power supply of rural consumers. Damage at any point of the power line leads to unjustified interruptions in the power supply of all connected consumers. The solution to this problem is to create means of network partitioning and redundancy for power lines with voltage 0.4 kV, including multi-circuit switching systems (MCS) that allow switching several sections of power lines. Various types of ISS have been developed, including multi-contact switching systems with a bridge circuit, for example, MKSM-4. The MCS has four power contact groups with independent control, connected by a bridge scheme. The main advantage of using the MCS is the ability to automatically or remotely change the network scheme, while the MCS with a bridge scheme have greater opportunities to change the network configuration compared to other types of MCS. If there are several energy sources in the power supply system, the use of MKSM-4 makes it possible
to control the network operation modes and the loading of these sources, to control the network operation modes, implementing a number of principles of intelligent electric networks.
Keywords: intelligent electric network, multi-contact switching systems, renewable energy sources, power supply reliability, smart grid concept.
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
Alexey Vasiliev, doctor of technical Sciences, Professor, head of the scientific direction "Energy supply of the agro-industrial complex", Russia, Moscow, Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: vasilev-viesh@inbox. ru.
Sedykh Ivan Aleksandrovich, undergraduate, Russia, Moscow, Federal scientific Agroengineering center VIM, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: is481@mail.ru
Alina Vinogradova, PhD in Engineering, Senior Researcher at the Laboratory for Electricity and Heat Supply, Moscow, Federal Scientific Agroengineering Center VIM, +79208079424, 109428, Moscow, 1st Institutsky proezd, 5, e-mail: alinawin@rambler. ru
