Управление распределительными сетями с использованием потоковой модели установившегося режима : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02
ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………………………………………………. 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР ТЕКУЩЕГО СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО, ИНФОРМАЦИОННОГО И
ДИСПЕТЧЕРСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ ……… 16
1.1 Реализация элементов концепций Smart Grid и Smart Metering ……………… 16
1.2 Обзор электрических схем распределительных сетей……………………………. 22
1.2.1 Существующие схемы распределительных сетей …………………………… 23
1.2.2 Перспективные схемы распределительных сетей …………………………… 27
1.3 Особенности работы сетей в замкнутых кольцевых схемах …………………… 30
1.3.1 Факторы, ограничивающие использование кольцевых схем …………… 30
1.3.2 Способы организации кольцевых структур в существующих схемах … 36
1.4 Схема функционирования диспетчерско-технологического контроля …… 38
1.5 Перспективы использования измерений и устройств управления ………….. 46
1.5.1 Особенности использования счетчиков и систем на их основе ……….. 46
1.5.2 Управление активными элементами распределительной сети ………… 50
1.6 Выводы по главе 1 ……………………………………………………………………………….. 55
ГЛАВА 2. ПОТОКОВАЯ МОДЕЛЬ УСТАНОВИВШЕГОСЯ РЕЖИМА РАБОТЫ
СЕТИ. ЗАДАЧА ОЦЕНИВАНИЯ СОСТОЯНИЯ РЕЖИМА СЕТИ ………………….. 57
2.1 Модели для расчета установившихся режимов электрических сетей …….. 57
2.1.1 Существующие модели режима работы сети …………………………………. 58
2.1.2 Потоковая режимная модель …………………………………………………………. 61
2.1.3 Сравнение потоковой и классической режимных моделей……………… 67
2.2 Расчет режима работы сети на основе задачи оценивания состояния …….. 73
2.2.1 Известные подходы к решению задачи оценивания состояния……….. 73
2.2.2 Необходимость использования задачи оценивания состояния………… 76
2.3 Оценка режимных параметров в распределительных сетях …………………… 77
2.3.1 Особенности работы сетей 6-35 кВ и проблемы их учета ……………….. 78
2.3.2 Проблемы использования классической режимной модели ……………. 81
2.4 Задача оценивания состояния с использованием потоковой модели ……… 85
2.4.1 Постановка задачи оценивания состояния ……………………………………… 87
2.4.2 Наблюдаемость в потоковой модели оценивания состояния…………… 95
2.5 Достоинства потоковой модели в задаче оценивания состояния ……………. 96
2.5.1 Расчетные примеры, демонстрирующие возможности модели ……….. 97
2.5.2 Оценка режима работы сети при частичном отсутствии измерений .. 106
2.6 Перспективы создания системы SCADA для станций и подстанций ……. 111
2.7 Выводы по главе 2 ……………………………………………………………………………… 116
ГЛАВА 3. МОДЕЛЬ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМА РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ
УЧАСТНИКОВ ЭНЕРГООБМЕНА В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ …………. 118
3.1 Характеристика собственников сетей, их взаимодействие и оборудование 118
3.1.1 Финансовая модель взаимодействия участников энергообмена ……. 121
3.1.2 Характеристики устройств управления собственников сети …………. 124
3.2 Оптимизации режима работы участников энергообмена в потоковой модели. 126
3.2.1 Постановка задачи оптимизации ………………………………………………….. 127
3.2.2 Описание затратных составляющих …………………………………………….. 131
3.2.3 Компоновка целевой функции в суточном разрезе времени …………. 137
3.2.4 Учет ограничений в потоковой модели оптимизации …………………… 145
3.3 Особенности перехода от задачи оценивания состояния к задаче
оптимизации на основе единого расчетного алгоритма потоковой модели …… 148
3.4 Контроль параметров сети при решении оптимизационной задачи ……… 153
3.5 Выводы по главе 3 ……………………………………………………………………………… 165
ГЛАВА 4. ПРИНЦИПЫ И ЭТАПЫ РАЗДЕЛЬНОГО ПОВЫШЕНИЯ
ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ РАЗЛИЧНЫХ СОБСТВЕННИКОВ СЕТИ …….. 168
4.1 Информационная среда устройства управления распределительной сетью 168
4.2 Описание модели сети расчетного примера ………………………………………… 175
4.3 Влияние ценовых сигналов на работу потребительской генерации ……… 178
4.3.1 Суточный прогнозный интервал ………………………………………………….. 179
4.3.2 Часовой коммерческий интервал …………………………………………………. 184
4.4 Повышение эффективности работы сетевых компаний ……………………….. 190
4.5 Снижение затрат на энергообеспечение крупных потребителей ………….. 193
4.6 Выводы по главе 4 ……………………………………………………………………………… 194
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………………………………………….. 196
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ………………………… 199
СЛОВАРЬ ТЕРМИНОВ…………………………………………………………………………………. 202
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………………. 203
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ О ВНЕДРЕНИИ В УЧЕБНЫЙ ПРОЦЕСС ……………….. 216
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ О ВНЕДРЕНИИ В ПТК ARIS-SCADA ……………………… 217
Актуальность темы исследования. Снижение затрат на процессы
выработки и передачи электроэнергии (ЭЭ), ее хранение и потребление является
одной из главных задач повышения эффективности функционирования
современного электросетевого распределительного комплекса. Известными в
настоящее время ключевыми направлениями, связанными с решением этой задачи,
являются концепции: «интеллектуальной» активно-адаптивной сети (Smart Grid)
[1], «интеллектуальных» измерений (Smart Metering) [2], Интернета вещей (Internet
of Things) [3]. Их элементы получают свое развитие в силовом оборудовании,
терминалах релейных защит и автоматики, устройствах связи и коммуникации от
различных российских и мировых производителей, таких как: ООО «Прософт-
Системы», ABB, Schneider Electric, General Electric, Cisco и др. Вместе с тем
решению поставленной задачи посвящены меры по техническому и
информационному перевооружению сетей напряжением 6 кВ, 10 кВ, 20 кВ и 35 кВ,
именуемых далее как распределительные сети (РС). В них начинают применяться
современная коммутационная аппаратура и автоматизированные реклоузеры,
микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики с дискретными
сигналами, установки распределенной генерации (РГ) и накопители ЭЭ, а также
широко развиваются «интеллектуальные» автоматизированные информационно-
измерительные системы (АИИС) с двухсторонними каналами связи [4-12].
Появление нового, ранее не свойственного для РС оборудования, в том
числе и работающих параллельно с сетью генерирующих установок, связано с
личной заинтересованностью участников энергообмена в повышении надежности
электроснабжения, снижении своих затрат на энергообеспечение, а также в
максимизации прибыли при реализации своих возможностей как генерирующего
участника. Это стало возможным благодаря появлению доступных технических
средств выработки и хранения ЭЭ, в том числе и возобновляемой энергетики [13].
Также росту числа установок РГ в сетях способствует утверждение более гибких
правовых механизмов, связанных с введением в первой половине 2012 года новых
правил функционирования розничных рынков электроэнергии [14]. Появление
установок РГ в сетях 6-35 кВ технологически приводит к изменению ранее
устоявшихся принципов функционирования всех процессов электроснабжения
потребителей и, в большей степени, к изменению взаимодействия различных
участников энергообмена (крупных и малых потребителей, сетевых,
генерирующих и сбытовых компаний) между собой. Рост числа установок
распределенной генерации в РС постепенно ведет к увеличению многообразия в
их электрических схемах, в том числе и к появлению участков сетей с
двухсторонним питанием и замкнутых кольцевых архитектур. Возможности
использования современной коммутационной аппаратуры для изменения
электрической схемы новых участков сетей уже сегодня позволяют оперативно
решать проблемы перекомпоновки схем РС в условиях перераспределения потоков
из-за работы установок РГ [15]. При этом становится возможным сочетание
комбинаций традиционных разомкнутых и новых замкнутых кольцевых
электрических схем. Все эти изменения, происходящие в составе информационного
и технического оборудования, предоставляют новые возможности по управлению
РС, постепенно приближают их к сетям более высоких классов напряжения и, как
следствие, приводят к повышению требований к их информационному
обеспечению, надежности функционирования и режимной управляемости.
Сегодня техническое и информационное перевооружение сетей 6-35 кВ
направлено главным образом на усиление и увеличение надежности ее отдельных
компонентов. В решаемых на текущий момент оптимизационных задачах новое
оборудование участвует косвенно, и весь потенциал по управлению им до сих пор
не задействован. Комплексная реализация управляющих возможностей такого
оборудования позволит еще больше повысить эффект от его использования как
для отдельных потребителей, так и для всей электрической сети в целом.
Причиной ограниченного использования средств управления является отсутствие
адекватной математической модели режима работы распределительной сети, без
которой комплексная оптимизация участков энергообмена в ней невозможна.
Поэтому одной из актуальных подзадач развития распределительных сетей
является создание системы управления, которая бы учитывала специфику
функционирования РС вместе с основными тенденциями в их развитии и
потребности всех участников энергообмена. С другой стороны, идеология
простоты организации всей системы транспорта и распределения ЭЭ, изначально
заложенная в основу при проектировании распределительных сетей, при
разработке системы управления для РС должна быть принята во внимание.
На текущий момент, существует ряд опытно-производственных полигонов,
построенных и поддерживаемых крупными зарубежными электротехническими
компаниями в рамках внедрения стандарта Facility Smart Grid Information Model в
распределительные сети [16]. Среди них можно выделить: Energy Smart Miami,
American Electric Power, Pacific Gas and Electric. В основу системы управления
этими полигонами положены математические алгоритмы, заимствованные из
аналогичных систем для сетей более высоких классов напряжения. В связи с этим
перечисленные зарубежные системы управления унаследовали ряд недостатков,
ограничивающих применимость классической модели для математического
описания режима работы сети в сетях 6-35 кВ [17], [18]. Из-за недостаточной
алгоритмической проработанности данных систем управления их широкое
внедрение в потребительские сети и сети общего пользования пока ограничено.
Поэтому создание математического аппарата для распределительных сетей,
лишенного данных недостатков, остается актуальной и перспективной задачей.
Современный подход к созданию системы управления должен основываться
на возможности получения информации об актуальной схеме сети, знании текущих
режимных параметров для выдачи управляющих воздействий (УВ) на устройства
управления. Сегодня среди основных устройств управления в РС можно выделить
современную коммутационную аппаратуру, в том числе и автоматизированные
реклоузеры, устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) силовых
трансформаторов, устройства компенсации реактивной мощности, накопители ЭЭ,
источники генерации. Использование возможностей регулирования величины и
скорости выдачи активной и реактивной мощности установок РГ также дает новые
перспективы по управлению потоками в сетях, где они установлены [19]. Таким
образом, вследствие технического развития РС возникает необходимость
расширения круга задач по обеспечению их надежной и эффективной работы.
Решение этих задач невозможно без математической модели текущего режима
работы сети, а также развития информационно-измерительного комплекса.
Ключевым направлением в развитии информационно-измерительных систем
РС становится интеграция всех измерений с системами оперативно-технологического
управления. Доступные измерения режимных параметров сети от интеллектуальных
счетчиков ЭЭ, работающих в составе АИИС коммерческого (КУЭ) и технического
(ТУЭ) учета ЭЭ и, вместе с тем, дискретные сигналы о состоянии контактов
коммутационной аппаратуры от цифровых устройств релейной защиты и автоматики
образуют информационную основу сетей 6-35 кВ. К тому же в качестве отчетных
финансовых параметров между участниками энергообмена, определенных
механизмами розничного рынка, выступают мощность и энергия. Ввиду такой
технической и экономической специфики функционирования РС для управления
установившимися и квазиустановившимися режимами работы не требуется сбор и
обработка информации в режиме реального времени. Система информационной
поддержки должна основываться на интегральных характеристиках (измерениях
электроэнергии) узлов нагрузок и генерации и давать оценку режимным параметрам
не мгновенно, а на определенных, заранее сконфигурированных для РС, интервалах
времени. Перспективной особенностью использования измерительной информации
об ЭЭ, полученной от современных систем АИИС (КУЭ, -ТУЭ), является
возможность получения оценок параметров режима работы РС на интервале опроса
измерительных систем при схемных и режимных изменениях в сети [20].
В работе взаимосвязь перечисленных тенденций в развитии РС реализована в
единой потоковой модели (ПМ) режима работы сети, основу которой составляет
задача энергораспределения [21], опирающаяся на балансовые уравнения в ветвях и
узлах схемы сети. Потоковая модель позволяет проводить оценку состояния (ОС)
режима работы сети при отсутствии базисного узла, в условиях схемно-режимных
изменений и наличии ненаблюдаемых участков в сети, которые часто имеют место
в РС. Еще одним преимуществом ПМ в задаче ОС является возможность учитывать
короткие по длине ветви в схеме сети, сопротивление которых стремится к нулю.
Через балансовые уравнения ПМ становится возможным формирование
многофункциональной модели оптимизации режимов работы различных
участников энергообмена, учитывающей их интересы и доступные в их
распоряжении устройства управления. В рамках задачи оптимизации ПМ позволяет
связать технические и финансовые параметры, определяющие стоимость покупки и
выработки ЭЭ. Это становится важным при наличии доступной информации о
прогнозном изменении цен на ЭЭ (веб-сайт АО «АТС»1) и топливо (например, веб-
сайт компании ПАО «Лукойл»2). Поэтому управление оборудованием должно
осуществляться автоматизировано с возможностью ручного ввода графиков
нагрузок и генерации в узлах сети, а также выбора условий покупки ЭЭ и
коррекции параметров схемы сети и состава включенного оборудования.
Создание автоматизированного устройства управления участками РС и
микроэнергосистем напряжением от 6 кВ до 35 кВ с заложенной в нем потоковой
режимной моделью позволит более полно реализовывать возможности установленных
в сети современных устройств управления и систем сбора и передачи измерительной
информации для повышения эффективности работы участников энергообмена РС.
Помогаем с подготовкой сопроводительных документов
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.9 (826 отзывов)
4.7 (18 отзывов)
4.2 (25 отзывов)
5 (158 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.2 (13 отзывов)
0 (13 отзывов)
5 (145 отзывов)
4.9 (37 отзывов)
