Управление распределительными сетями с использованием потоковой модели установившегося режима : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук : 05.14.02

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.