автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка и исследование топологии интеллектуальных городских распределительных сетей среднего напряжения

На правах рукописи

ЛОСКУТОВ АНТОН АЛЕКСЕЕВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОЛОГИИ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ГОРОДСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЕЙ СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - «Электротехнические комплексы и системы»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

28 ОКТ 2015

Нижний Новгород 2015

005563775

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева» (НГТУ).

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

ЛОСКУТОВ Алексей Борисович

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор,

заведующий кафедрой «Электроснабжение» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет» КУЗНЕЦОВ Анатолий Викторович

- кандидат технических наук, доцент, декан электротехнического факультета СамГТУ ВЕДЕРНИКОВ Александр Сергеевич

Ведущая организация: - Белгородский государственный

технологический университет им. В. Г. Шухова

Защита состоится «22» декабря 2015 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.04 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» (СамГТУ) по адресу: г. Самара, ул. Первомайская, д. 18, корпус №1, ауд. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке СамГТУ, а с авторефератом диссертации на официальном сайте: http://postgrad.samgtu.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, СамГТУ, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.04; тел.: (846) 337-09-37, факс (846) 278-44-00; e-mail:

a-ezliova@yandex.ru

Автореферат разослан октября 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к-т.н. Е.В. Стрижакова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время большинство городских распределительных сетей среднего напряжения в России являются консервативными и однонаправленными, они выполняют функции пассивного транспорта и распределения электроэнергии, а также имеют большой износ оборудования, низкий процент автоматизации, устаревшую релейную защиту и автоматику, большие потери электроэнергии, значительный процент неперспективных напряжений (6 и 35 кВ). Существующая конфигурация распределительных сетей не всегда удовлетворяет требованиям надежности электроснабжения и более широкого применения источников распределенной генерации электроэнергии.

В энергетической стратегии России на период до 2030 г. поставлена задача перевода нашей электроэнергетики на инновационный путь развития. В соответствии с этой стратегией разработана Программа инновационного развития ОАО «ФСК ЕЭС» до 2016-2020 гг., в которой в качестве модели развития энергетической системы предлагается модель «Умная энергетика», в основе которой лежит построение интеллектуальной энергетической системы на основе активно-адаптивной сети (ИЭС ААС). В данной программе также предусмотрено развитие систем электроснабжения городов с использованием технологий ИЭС АСС. За рубежом эта технология имеет название Smart Grid - интеллектуальные (или умные) сети. Она внедрена в ряде энергосистем Северной Америки, Европы и Азии. Интеллектуальная сеть представляет собой распределительную сеть, которая сочетает комплексные инструменты контроля и мониторинга состояния её элементов, информационные технологии и средства коммуникации, обеспечивающие автоматическое энергоэффективное управление производством, распределением и потреблением электроэнергии, способной автоматически адаптироваться, самовосстанавливаться и менять свою конфигурацию в зависимости от режимов и возмущений в сети.

Решению проблемы разработки и внедрения интеллектуальных электрических сетей посвящено значительное количество публикаций в нашей стране и особенно за рубежом. Среди них можно отметить работы В. В. Волобуева, Н. И. Воропая, А. В. Долбнева, В. В. Дорофеева, В. П. Куприяновского, С. Л. Кужекова, Б. Б. Кобеца, Е. Н. Сосниной, П. В. Глущенко, В. И. Гуревича, Р. Пелисье, Н. Хаджсаида, Ж.-К. Сабоннадьера, S. М. Amina, В. F. Wollenberga, С. W. Gelligsa, Т. Shono, К. Fukushima, Т. Kase, Н. Sugiura, S. Katuyama, В. Renza, F. Balalingera, Т. Jansen, M. Rieta и др. Большинство работ посвящено основам построения ИЭС ААС энергоситем и интеллектуальных подстанций. Вопросы интеллектуальных городских электрических сетей в России проработаны еще недостаточно. Нет научно обоснованных технических решений по топологии интеллектуальных городских распределительных сетей, их режимов работы,

управления и защиты. Это сдерживает их широкое применение. Решению данных вопросов и посвящена настоящая диссертация

Объект исследования. Городские распределительные сети среднего напряжения.

Предмет исследования. Топология интеллектуальных городских распределительных сетей, принципы её формирования, моделирование нормальных и аварийных режимов.

Цель диссертации. Разработка и исследование научно-технических решений по созданию интеллектуальных активно-адаптивных городских распределительных сетей среднего напряжения.

Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие научные и практические задачи:

1. Разработка основ построения городских распределительных сетей по гексагональному принципу.

2. Разработка имитационной модели гексагональной распределительной сети и исследование нормальных и аварийных режимов её работы.

3. Разработка интеллектуальной системы управления узла нагрузки (УН) гексагональной распределительной сети (ГРС).

4. Разработка автономных алгоритмов функционирования узлов нагрузки и динамического деления ГРС на гексозоны.

Связь работы с научными программами. Работа выполнялась в рамках ряда государственных контрактов с Министерством образования и науки РФ: ГК № 16.516.11.6063 от 28.04.2011. «Разработка технологии распределения электрической энергии в электроэнергетических системах (Распределенные электрические сети)»; ГК № 16.526.12.6016 от 11.10.2011. «Разработка и создание типового ряда трансформаторно-тиристорных регуляторов напряжения и мощности с расщепленной первичной обмоткой трансформатора и ключами однонаправленного тока»; ГК № 14.516.11.0104 от 14.10.2013. «Исследование режимов функционирования и разработка алгоритмов управления узлов нагрузки в гексагональной распределительной электрической сети»; соглашения № 14.577.21.0124 от 20.10.2014. «Разработка интеллектуальной релейной защиты с характеристиками, не зависящими от режимов работы активно-адаптивной электрической сети».

Методы научных исследований. Для решения поставленных научных задач использовались методы: структурного анализа, математического и имитационного моделирования с применением программ МаАаЬ/ЗтиНпк, РБСАО, сравнение, синтез, верификация, классификация, методы цифровой обработки сигналов и компьютерных технологий.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработан новый способ и система передачи и распределения электрической энергии (патенты РФ № 2475918 и № 2484571), основанные на гексагональном принципе, позволяющем строить интеллектуальные распределительные сети.

2. Разработана имитационная модель гексагональной распределительной сети, позволяющая проводить расчеты токов и моделировать нормальные и аварийные режимы работы интеллектуальных городских распределительных сетей.

3. Предложены принципы и алгоритмы управления элементами сложно замкнутой и ГРС по агентной технологии, а также определены виды адаптивной релейной защиты с абсолютной селективностью для сети с инвариантным направлением мощности.

4. Разработана классификация основных алгоритмов функционирования распределенной электрической сети и созданы универсальные алгоритмы функционирования «трехлучевого» узла нагрузки.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1. Разработанный способ организации топологии городских распределительных сетей 20 кВ, как хорошо связанной сети, образующей в вершинах шестиугольника трех- или четырехлучевой УН, позволяет: снизить потери мощности; создать системность и упорядочить построения и развития городских распредсетей, внедрять перспективный класс напряжения 20 кВ; перераспределять нагрузку между источниками, выравнивая их суточные графики нагрузки, эффективно расходовать энергоресурсы, повысить надежность и качество электроснабжения потребителей, что, в конечном итоге дает возможность реализовать концепцию «гибких» активно-адаптивных распределительных сетей с интеграцией в них возобновляемых источников энергии схемным, топологическим способом.

2. Созданные инженерные методики - расчета токов короткого замыкания; определения рационального расстояния между узлами нагрузки; определения оптимального сечения проводников в сети с заданными номинальными нагрузками в узлах - могут использоваться для оценочных расчетов, а также при проектировании новых районных ГРС.

3. Разработана программа для определения токов, напряжений и фаз, расчета нормальных и аварийных режимов в районной ГРС (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2014610176), а также программа для оценки и выбора сечений проводников в ГРС.

4. Создано схемотехническое решение и основные алгоритмы функционирования универсального узла нагрузки ГРС, сформулированы основные принципы управления и защиты, архитектуры обмена пакетов информации с применением протокола МЭК 61850, что является основой эффективного функционирования ГРС.

5. Материалы и результаты работы использованы в учебном процессе кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» НГТУ им. Р. Е. Алексеева при чтении лекций, проведении научно-исследовательских работ по дисциплинам «Автоматизация и управление систем электроснабжения», «Системы электроснабжения», «Электроэнергетика» и в дипломном проектировании. Также результаты работы были внедрены в проектную практику ООО «ЭТС-Проект» и ОАО «НИПОМ».

Достоверность полученных результатов подтверждается адекватностью и верификацией результатов теоретических и экспериментальных исследований, имитационным моделированием с диапазоном погрешности не более 10%.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Способ и система передачи и распределения электрической энергии, основанные на гексагональном принципе.

2. Результаты сравнительного анализа электрических параметров различных топологий распределительных сетей.

3. Имитационные модели и методики определения токов короткого замыкания, нормальных и аварийных режимов, уровней напряжений в узлах при перераспределении нагрузок и рационального расстояния между узлами нагрузки.

4. Алгоритм агентной системы управления ГРС, типовые алгоритмы функционирования разработанной схемы универсального распределительного узла нагрузки и алгоритм деления ГРС на зоны.

Апробация результатов работы. Основные теоретические и практические положения и результаты диссертации докладывались на международных, всероссийских, межрегиональных конференциях: IX, X, XII, XIII, XVI. Международных молодежных НТК «Будущее технической науки» (Н. Новгород, НГТУ, 2010, 2011, 2013-2015гг); форумах «Великие-реки» (Н. Новгород, 2012 - 2015гг); 9-й Всероссийской научной молодежной школе «Возобновляемые источники энергии» (г. Москва, МГУ, 2014г.); XV-XX Нижегородских региональных конференциях «Сессия молодых ученых. Технические науки» (2010-2015 гг.); 26-28 НТК «Актуальные проблемы электроэнергетики» (Н. Новгород, НГТУ, 2012-2015 гг.); XLIV Всероссийской научно-практической конференции «Федоровские чтения» (г. Москва, МЭИ, 2014г.); 10-й международной НТК «Энергия-2015» (г. Иваново, ИГЭУ, 2015г.); XVIII международной НТК «Бенардосовские чтения» (г. Иваново, ИГЭУ, 2015г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, 6 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 143 наименований и 5 приложений. Объем работы составляет 221 страницу, в том числе 170 страниц основного текста (148 рисунков и 33 таблицы).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и основные задачи исследования, показана научная новизна и ее практическая ценность. Определены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведены патентные исследования и дан аналитический обзор научно-практической литературы по существующим техническим решениям, используемым в распределительных сетях (PC) 6-20кВ.

Сформулированы основные положения интеллектуальных РС с активно-адаптивной сетью. Показаны особенности электроснабжения городов, среди которых: высокая плотность электрических нагрузок (от 5 до 15-20 МВт/км2 в центральных районах городов); большое количество потребителей, расположенных на ограниченной площади; высокая стоимость земли под застройку ПС, РП и ТП; высокие требования к надежности и категорийности электроснабжения городских потребителей. Выполнен анализ недостатков, технических и эксплуатационных проблем существующих систем электроснабжения городских потребителей. К ним относятся: отставание сетевой инфраструктуры от потребности в электрической энергии и мощности, низкие показатели надежности (8АГО1 и БАШ) по сравнению с большинством европейских стран (табл. 1), низкий уровень автоматизации в РС 6-20 кВ, низкие показатели качества электроэнергии в периферийных частях города. Надежность электроснабжения городских потребителей зависит не только от качества и надежности оборудования, технологий и материалов, но и от схемных решений построения электрической сети.

V и . 3 Таблица 1

8Ат = -

БАЮ1=

(1)

Усредненные показатели 8АШ1 и 8А1И для европейских распределительных сетей и ПО "ЦЭС" Н. Новгород

N.

где т -

Область вАШ, 8АЮ1,

электроснабжения откл/год мин/год

Австрия 0,9 72

Дания 0,5 24

Франция 1,0 62

Германия 0,5 23

Италия 2,2 58

Нидерланды 0,3 33

Испания 2,2 104

Великобритания 0,8 90

ЦЭС г. Н. Новгород 1,7 160

т - количество участков сети; количество потребителей на г'-м участке; А,- - интенсивность отказов на /-м участке; Ыс - общее количество потребителей; Т1 - ежегодное время перерыва электроснабжения потребителей /-го участка.

Проведенные исследования показали, что перевод РС крупных городов с напряжения 10 на 20 кВ позволит перейти на более высокий уровень электроснабжения потребителей, увеличить пропускную способность в 2-2,5 раза, при сохранении трансформаторной мощности, в 3,8 раз увеличить дальность передачи мощности по условию падения напряжения (рис. 1 ,а), в 4 раза уменьшить потери активной мощности (рис. 1,6).

В настоящее время класс напряжения 35 кВ не применяется в городских условиях из-за высоких требований к изоляционным габаритам и отчуждения значительной территории под ОРУ. Сети 20 кВ развиваются только локально в некоторых районах Москвы и Московской области. Однако массового внедрения не получают по причине отсутствия качественного отечественного оборудования 20 кВ, инерционности процесса замены кабелей, трансформаторов 6-10 кВ на 20 кВ и переподключения существующих потребителей.

,11

-7,11

-Я

-9

-111

II

-12. М ."/„

-•-бкВ • 1(1 кВ -«-20 кВ

о «--♦ Т---«" КВА

ЛПвПгбкВ—ЛПвПг 11)кВ Л11в11г2(1кВ 40П 1000 1250 1600 2500 3200

а) б)

Рис. 1. Сравнительные характеристики зависимости дальности передачи мощности от напряжения (а) и удельных потерь мощности от передаваемой мощности в КЛ (б)

ДРкл,

кВт/км

120

100 80 60 40 20

Установлено, что нужен системный подход к ликвидации изложенных ранее недостатков городских РС и реализации новых энергоэффективных, автоматических, самовосстанавливающихся, «гибких» РС 20 кВ.

Предложен новый, альтернативный автоматизированный способ передачи и распределения электроэнергии для городов с высокой плотностью нагрузки - гексагональная распределительная сеть 20 кВ. Дано определение:

Гексагональная распределительная сеть - гибкая интеллектуальная электрическая сеть, представленная в виде совокупности территориально распределенных узлов нагрузки (УН), соединенных между собой проводниками унифицированного сечения, и имеющая топологию в виде шестиугольников, стремящихся к правильной форме (рис.2).

Трехлучевой узел нагрузки ГРС

зона В

РнЩ

тт;

Потребители

хга+у?;

Рис.2. Принцип построения гексагональной распределительной сети

ГРС является инвариантной: возможна переконфигурация УН и смена направления мощности в ветвях сети; территориальная конфигурация

зависит от потребности в узлах нагрузки. УН является универсальным и имеет 3-4 ветви (луча).

Вторая глава посвящена целесообразности применения ГРС, исследованию её электрофизических свойств, нормальных и аварийных режимов работы, разработке инженерных методик расчета и проектирования.

Произведен сравнительный анализ идеальной гексагональной топологии и существующей древовидной топологии распредсетей. Выполнена программная реализация математических моделей сетей разных топологий на языке Ма11аЬ. Расчет токов и напряжений выполнялся программно методом узловых потенциалов:

1И-1И Мг-1^о||=Ч14-(1ИЧИ И1)' (2)

где ||У|| - диагональная матрица проводимостей; ||Л|| - матрица инцидентности вершин; ||гУ0|| - вектор-столбец узловых потенциалов; ||./|| - вектор-столбец источников тока; ||£|| - вектор-столбец источников ЭДС.

Моделирование показало, что: плотность тока ветвях ГРС на 6-10 % ниже, чем в древовидных сетях (рис.3), построенных по различным алгоритмам; потери активной мощности в ГРС на 7-15% ниже; уровень напряжения в УН более стабилен при изменении нагрузок. Для анализа напряжения в узлах использовались 500 выборок состояний сети. Моделирование нагрузок в УН выполнялось по равномерному закону, по выражению

/ _ "

+ (Атах-Аш,„)''

(3)

где / - номер узла (¿=1 ,...,т); 5Н0М - номинальная мощность УН; Лтт и Дт диапазон изменения нагрузок от 0 до 100%; г - случайное число от 0 до 1.

Распределение токов. А Распределение токов. А

а) б)

Рис.3. Распределение токов в сетях различной топологии:

а - гексагональный граф; б - древовидный граф поминимально-остовному алгоритму

Стабильность уровней напряжения в узлах определяется более высоким математическим ожиданием и более низким средним квадратическим отклонением в ГРС, чем в древовидных сетях (табл.2).

Таблица 2

Характеристики распределительных сетей 20 кВ разных топологий

Топология сети Математическое ожидание напряжений в УН, В (м„) Среднее квадратическое отклонение напряжений в УН, В (<тм) Потери активной мощности, кВт (£А Р„) Общая длина распредсети, км (L) Объем проводникового материала,

Гексагональная 19051,4 10,2 271 45 34,5

Древовидная (мин.-остовный алг.) 19048,2 23,0 307 54,52 52,05

Древовидная (алгоритм Прима) 19047,2 39,1 335 51,52 49,55

Исследование аварийных режимов в разработанной имитационной модели ГРС, созданной в Matlab/Simulink (свидетельство о регистрации программы для ЭВМ № 2014610176) показало, что величины токов установившегося трехфазного металлического короткого замыкания при числе питающих источников более двух и работающих параллельно превышают коммутационную способность имеющихся на рынке выключателей 20 кВ (рис.4). В работе дана рекомендация по делению единой ГРС на гексозоны, имеющие связи в горячем резерве. При этом каждая зона питается от одного или двух источников (рис.2).

Для небольших ГРС (8-10 ветвей) с двумя питающими источниками разработана инэ/сенерная методика определения верхнего уровня металлического тока короткого замыкания (КЗ). Методика основана на быстром определении полного сопротивления сложно замкнутой идеальной ГРС относительно точки КЗ по эмпирическим коэффициентам.

На основе численного моделирования была получена оценка импеданса между двумя узлами бесконечной гексагональной сети с проводниками унифицированного сечения. Получен безразмерный коэффициент, представляющий собой отношение

K{Nab) = Zab(Nab)-Z^, (4)

где Zab(Nab) - импеданс минимального пути (маршрута) между двумя узлами сети (А и В), Ом; ZBeTm- сопротивление единичной кабельной ветви, Ом.

Результаты экспериментов представлены в виде зависимости КАВ от длины маршрута между точками А и В - NAB (рис.5,а).

10

Ток. А 60000

Рис.4. Уровень тока короткого замыкания для модели ГРС 20 кВ

-Ктп(Ы) минимальное значение К(Л/) -К, [М) - максимальное значение К(А/)

-0 = 501

-0 = 1001

е*пш

_0 - 2001

-0 = 4001.

(5)

Рис.5. Расчет значений коэффициентов К(МАв)'-

а - для сети 0 =50-1встви; б - для четырех ГРС с 0 =50, 100, 200 и 400 £встви

После обработки по методу наименьших квадратов наборов значений Ктт(ЫАВ) и КттрЧАВ), полученных для ГРС максимального размера (0=400 /-ветви), были получены уравнения:

Ятт(Лад=0,567иЛЖ).49,где N=3,5,7,... ^WЛW=0,56■/иЛ^ь0.53,гдe N=4,6,8,... Для N=1 и N=2 значения Ктш^лв) и ЫАВ) равны. Для N=1: 2т1п= 2тах=2/3, для N=2: гтт= гтт=\.

Для оценки верхней границы тока КЗ потребуется минимальное сопротивление

2т,„(Л0 =2ВСТВИ-А:тш(Л0 = г^т(а-Ш+Ь), (6) где а и Ь - безразмерные коэффициенты из (5).

Схема сети представляется в виде трёхполюсника: питающие подстанции

представляются в виде источников напряжений, которые связаны с точкой короткого замыкания по эквивалентной схеме (рис.6). Максимальный ток КЗ определяется как

_и](г2+гс2) + и2(2]+г1,)_

л/з • ((2, + гл )-(г2 + гс2) + (г, + гл + + гс2»' (7)

где 2\, 22 и 73 - эквивалентные сопротивления схемы замещения, вычисляемые по формулам (8); 2С1 и Хс2 - сопротивление системы.

где N - число кабельных

N N ^

у.

Рис.6. Эквивалентная схема замещения ГРС с двумя источниками

ушах _

N..

линий единичной длины, составляющих кратчайшее расстояние между двумя рассматриваемыми узлами сети.

N N

Z, = 0,5-Z Га-In 13 23 +b),

3 " ветви v тк t / '

12

Для построения ГРС, стремящихся принять форму правильных шестиугольников, актуален вопрос определения рационального расстояния между УН (шага ГРС). Предложен способ определения шага ГРС по критерию расчетной плотности нагрузки или прогнозируемой нагрузки на перспективу:

где ©гор - площадь рассматриваемой зоны построения, км2; Spac4 - расчетная мощность потребителей, MBA; SYH - мощность единичного узла нагрузки, MBA; STр - номинальная мощность трансформатора, МВА; п^ - количество трансформаторов, подключенных от УН (РП); уср - средняя плотность нагрузки рассматриваемой зоны; Кткл - коэффициент среднего отклонения от идеального шага сети (Каткл =1,3-1,4).

Разработаны рекомендации по выбору унифицированной номенклатуры сечений кабелей в разных частях ГРС.

Третья глава посвящена разработке принципиальных электротехнических решений по организации гибкого функционирования сети. Разработана универсальная электрическая схема распределительного устройства узла нагрузки (рис.7).

Сигнал смежному уму |-, Сигнал смежному узлу

I Интеллектуальная система управления узла нагрузки (ИСУУ) I '"

Рис.7. Универсальная электрическая схема узла нагрузки ГРС

Рассмотрены варианты централизованного и децентрализованного управления ГРС. Предложен способ организации комбинированной системы управления, основанной на агентном принципе, в которой узлы нагрузки наделяются рядом полномочий и могут принимать решение по оперированию собственными выключателями опираясь на измерения комплексов токов и напряжений (Ь,Ь,Ь,Ц],1Ь,11з) на присоединениях (фидерах) к узлу, и на смежных узлах. За эту функцию отвечает узловая интеллектуальная система управления узлом нагрузки (ИСУУ), осуществляющая информационный обмен данных между элементами УН и смежными ИСУУ по стандарту МЭК 61850. ИСУУ является достаточно самостоятельной в принятии решения и в критических ситуациях обращается

в систему более высокого уровня - распределеную систему мониторинга и управления (РСМУ), которая расположена на источниках, поставляющих электроэнергию в сеть. Логически вся сеть разбита на области - зоны ответственности РСМУ. В каждой зоне сети существует вторая РСМУ, находящаяся в состоянии холодного резерва. Степень вершины графа не ограничивается значением 3 (рис.8). Это сделано для того, чтобы разрабатываемый узловой алгоритм был универсальным, не зависел от возможных изменений базовой модели и имел возможность работать при смешанной топологии сети, при переходе к ГРС.

а) б)

Рис.8. Структурная топология информационно-коммуникационной сети ГРС

Вариант реализации ИСУУ на основе микропроцессорной системы структурно представлен на рис.9.

Аналоговые Преобразователи первичных входы сигналов ¡(1) и u(t)

Цифровые входы

ial,ibl,icl,iOJ

iul,ibl,icl,i01

Ian2,ibn2,iai2,Wn2

ual,ubl,ucl,u01

ua2,ub2,uc2,u02

ua3,ub3,uc3,u03

мак in. uAkiii, ЦСКП1, Ц0К1И,

ИЯК2Н. ЫЙК2Н.

искги, иОкгч,

Алгоритм функционирования

3Z

Л

п

'я

г

с

1

1С

= с* п

Q. ленный

компьютер

§

с.

-6-

с

я

<

In I min,тал In2min,ma>

U3 min.max

UKUImin.mc UK2Hmin,mi

Цифровые выходы

РС1

Ql.1(0/1) Ql.2(0/1) Q2.1(0/l) Q2.2(0/l) Q3.1(0/1) Q3.2(0/l) Q4(0/l) Qh1(0/1) Qh2(0/1)

Ql.1(0/1) Q1.2(0/1) Q2.1(0/1) Q2.2(0/l) Q3.1(0/1) Q3.2(0/l) Q4(0/l) QH 1(0/1) Qu2(0/1)

Сигналы состояния от выключателей (1ЕО$)

Сигналы от > смежных узлов -ЧСООЗЕ, БУ, ММБ)

Сигналы ► состоянии выключателям (IEDs)

Сигналы смежным

(GOOSE, SV, MMS)

Рис.9. Структурная схема ИСУУ

В блок ИСУУ поступают мгновенные сигналы от измерительных органов (¡а, гЬ, /с, ю, иа, иЬ, ис, ио), характеризующие режим работы ГРС в данном УН, логические сигналы в виде «уставок» по току (/тш,тах), «уставок» по напряжению ((7тт тах), дискретные сигналы от коммутационных аппаратов

узла нагрузки («нуль» (0) - выкл., «единица» (1) - вкл.) и сигналы от ИСУУ смежных узлов и РСМУ.

Особого внимания требует выбор корректного метода цифровой обработки сигналов токов и напряжений, поступающих от трансформаторов тока, напряжения (TT, TH) или датчиков тока, напряжения (ДТ, ДН). Выполнен анализ существующих методов цифровой оценки параметров токов и напряжений. Определено, что основным, наиболее подходящим методом является традиционное дискретное преобразование Фурье (ДПФ):

■-> N-\ . Inn ~ дг_1 ~ _

Y 1 V V 2 г г2лпл ■ •

Nh" = (Ю)

где х„ - входной дискретный сигнал тока (напряжения); п - выборка в окне данных; Х - вектор тока (напряжения); N - число выборок в окне данных; у„ и у±„- ортогональные составляющие X.

Предложенная структура системы управления и цифровой обработки аналоговых сигналов была реализована на опытной цифровой трансформаторной подстанции (ЦТП) с активно-адаптивной системой управления и автоматическим плавным регулированием напряжения и мощности (рис. 10), разработанной по ГК № 16.526.12.6016 с Минобрнауки РФ.

б)

Рис.10. Внешний вид блока преобразования сигналов (я) и технологической системы управления (б) опытной ЦТП

Рассмотрены возможности оценки состояния ГРС - определение векторов напряжений (токов) в каждом УН. Оценка состояния производит уточнение полученных данных от ТТ и TH, содержащих ошибки в виде импульсных помех или потери отсчета, за счет избыточности измерений и выполняет вычисление неизвестных параметров путем математической обработки. Установлено, что оценка состояния ГРС возможна на основе SV-сообщений (Sample Value) в рамках стандарта МЭК 61850, поступающих в УН от смежных узлов. SV-сообщения представляют собой дискретизированный сигнал х„, синхронизированный с высокой точностью через GPS/ГЛОНАСС, что дает качественно новый уровень знаний о

происходящих в ГРС процессах. Зависимость вектора измерений от вектора состояния сети линейна:

у = Нх + г , (П)

где у - вектор измерений; Н - матрица, определяющая соотношение между состоянием и измерениями; х - вектор состояния; г - ошибка измерения.

Вектор состояния - вычисляемые переменные - определяется методом наименьших квадратов по выражению

х = {НТ1¥-]НУ] Нт\У~*у, (12)

где IV- матрица, обратная ковариационной матрице.

В качестве предварительной обработки данных для исключения локальных искажений предложено использование медианной фильтрации. Её применение показывает хорошие результаты, так как позволяет не использовать измерения с большой ошибкой. Оценка состояния дает возможность верифицировать измерения в УН и использовать их в РСМУ и ИСУУ, отбрасывая некритичные искажения, связанные с потерей отсчетов 8¥-сообщения при его передаче по информационно-комуникационной сети, согласно стандарту МЭК 61850.

Четвертая глава посвящена разработке автономных алгоритмов функционирования универсального УН и алгоритму динамического деления ГРС на гексозоны с целью снижения токов короткого замыкания и выравнивания суточных графиков нагрузки источников относительно друг друга.

Алгоритм деления ГРС (рис.11,а) основан на поиске оптимального сечения - места разрыва ГРС по критерию минимума суммы токов в сечении:

а) б)

15

Рис.11. Алгоритм переконфигурации сети в течение суток (я) и переход из одного состояния ГРС в другое относительно суточного графика нагрузки (б)

Распределение токов, А

. 19 *

V .Л- 1>о • 2*

>3* _ ^

, -7/ ^

.„л ^

а) б)

Рис.12. Визуализированный результат деления ГРС на гексозоны:

а - состояние А; б -состояние Б;

■ источники;

- отключаемая ветвь.

Рис.13. Алгоритм откл./вкл.

линий при изменении динамики сетевой нагрузки

Деление ГРС ориентировано на суточный график нагрузки распределительной энергосистемы и происходит в периоды нарастания и спада пиков нагрузки 1-3 раза в сутки (рис. 11,6), что допускает коммутационный ресурс современных вакуумных выключателей 20 кВ. Команды на деление ГРС формируются субагентом по реорганизации агента РСМУ и рассылаются агентам ИСУУ необходимых узлов.

Выполнено апробирование

разработанной математической модели данного алгоритма в программном виде на языке Ма11аЬ. На рис. 12 показана переконфигурация сети из состояния А в состояние Б при увеличении нагрузки в узлах 18,19,20.

Алгоритм работы смешанной агентной системы управления ГРС предполагает (при отсутствии связи с вышестоящей РСМУ) работу автономного алгоритма

функционирования ИСУУ. Данный алгоритм основан на балансе токов в узле и наличии резерва по пропускной способности подключенных линий. Он принимает решение по откл./вкл. ветвей УН при изменении 16

динамики нагрузки и включает в себя два критерия: режим сохранения сети, режим сохранения потребления узла.

Принятие решения по выбору отключаемой/включаемой линии определяется индикатором, показывающим наименьшую разности резервов в смежных линиях при отключении к-й ветви. Наименьшее значение Д/4 определяет равномерность загрузки оставшихся в работе линий УН ГРС. Блок-схема линейного алгоритма изображена на рис. 13. Автономный алгоритм позволит осуществить превентивное управление режимами работы ГРС и не допустить развития аварийной ситуации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены следующие результаты:

1. Анализ основных проблем в городских распределительных сетях России выявил необходимость реконструкции их топологии с целью реализации концепции интеллектуальных распределительных сетей. Определены показатели и численные преимущества внедрения напряжения 20 кВ в крупных городах и мегаполисах.

2. Разработан новый способ распределения электрической энергии, основанный на гексагональной топологии распределительной сети, позволяющий реализовать принцип распределенной генерации.

3. Сравнительный анализ гексагональной и древовидной топологий распределительных сетей на основе программной реализации на языке Ма11аЬ математических моделей показал, что ГРС имеет следующие преимущества: уменьшение потерь мощности (на 7-20%) и плотности тока (на 6-10 %), стабильность уровней напряжения в узлах нагрузки при изменении динамики потребления, сокращение суммарной протяженности ЛЭП, уменьшение количества расходуемого проводникового материала (на 20-40%).

4. Разработана инженерная методика расчета максимального тока короткого замыкания и деления ГРС на зоны для уменьшения этого тока.

5. Разработана методика определения рационального расстояния между узлами нагрузки, основанная на расчетной плотности нагрузки, и предложены рекомендации по выбору унифицированной номенклатуры сечений кабелей в разных частях ГРС, необходимые при проектировании районной распредсети.

6. Разработана универсальная электрическая схема распределительного устройства УН, имеющая инвариантные состояния и дающая возможность изготовления УН с высокой заводской готовностью.

7. Предложена организация управления элементами УН и ГРС в целом по комбинированному агентному принципу, основанному на централизованной и децентрализованной системе управления.

8. Выполнена оценка состояния параметров векторов напряжений, позволяющая верифицировать измерения в УН и использовать их в системах ИСУУ и РСМУ.

9. Разработаны алгоритмы автономного функционирования ИСУУ и динамического деления ГРС на зоны.

Использование результатов диссертационной работы Лоскутова А. А. рекомендуется при проектировании городских распределительных сетей 20 кВ, соответствующих интеллектуальным принципам управления.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

Статьи, опубликованные в изданиях по списку ВАК

1. Лоскутов, А.Б. Новый подход к построению электрических распределительных сетей России / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина, A.A. Лоскутов // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2011.- С. 148-152.

2. Лоскутов, А.Б. Топология городских распределительных интеллектуальных электрических сетей 20 кВ / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина, A.A. Лоскутов // Промышленная энергетика. 2012,- №5.- С.11-17.

3. Лоскутов, А.Б. Интеллектуальные распределительные сети 1020кВ с гексагональной конфигурацией / А.Б. Лоскутов, E.H. Соснина, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // Промышленная энергетика. 2013,- №12.-С.З-7.

4. Соснина, Е. Н. Опытная цифровая трансформаторная подстанция с активно-адаптивной системой управления и автоматическим плавным регулированием напряжения и мощности / E.H. Соснина, А.Б. Лоскутов, С.М. Дмитриев, А.И. Чивенков, A.A. Лоскутов // Промышленная энергетика 2013.- №12.-С.8-13.

5. Мартынюк, М.В. Оценка токов короткого замыкания равномерно распределенной гексагональной сети / М.В. Мартынюк, А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // Научно-технический вестник Поволжья. 2013 -№6.С. 359-363.

6. Анисимов, С.А. Алгоритмы управления отказами в верхних уровнях равномерно-распределенных энергетических сетей / С.А. Анисимов, A.A. Лоскутов, И.В. Полозов // Системы управления и информационные технологии,- 2015,- №2(60).- С. 68-70.

Патенты РФ:

7. Пат. 2475918 РФ: МПК Н 02 J 4/00. Способ передачи электрической энергии / А. Б. Лоскутов, E.H. Соснина, А. А. Лоскутов; заявитель и патентообладатель Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. - № 2011154427/07; заявл. 29.12.2011; опубл. 20.02.2013.

8. Пат. 2484571 РФ: МПК Н 02 J 4/00. Система передачи электрической энергии / А. Б. Лоскутов, E.H. Соснина, А. А. Лоскутов; заявитель и патентообладатель Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р. Е. Алексеева. - № 2011154308/07; заявл. 28.12.2011; опубл. 10.06.2013.

9. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2014610176. Имитационная модель расчета величины тока короткого

замыкания в узлах гексагональной сети 20 кВ / Лоскутов А. Б., Лоскутов А.А., Зырин Д. В.-№2013660300; заявл. 11.11.2013.

Статьи в других изданиях

10. Соснина, E.H. Исследование режимов работы узла нагрузки 20кВ интеллектуальной равномерно-распределенной электрической сети / E.H. Соснина, А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Р.Ш. Бедретдинов // Труды Нижегородского государственного технического университета им. Р. Е. Алексеева. 2012,- №1 (94).- С.185-191.

11. Лоскутов, A.A. Об эффективности применения напряжения 20кВ для распределительных электрических сетей / A.A. Лоскутов // Великие реки-2012: научный конгресс 14-го междунар. научно-промыш. форума / Н. Новгород, 2012. - С. 294-297.

12. Лоскутов, А.Б. Определение оптимального шага гексагональной электрической сети / А.Б. Лоскутов, М.В. Мартынюк, A.A. Лоскутов // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технич. конф. / НГТУ,- Н. Новгород, 2012,- С.16-21.

13. Лоскутов, А.Б. Моделирование гексагональной сети и исследование методов расчета токов короткого замыкания / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин, Л.А. Ларионов // XVIII Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докл.- Н. Новгород, 2013. -С.171-174.

14. Лоскутов, А.Б. Интеллектуализация нижегородских распределительных сетей / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // Великие реки-2014: научный конгресс 16-го междунар. научно-промыш. форума. - Н. Новгород, 2014 - С. 27-30.

15. Лоскутов, А.Б. Особенности автоматического функционирования узловых подстанций гексагональных электрических распределительных сетей 20 кВ / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // Федоровские чтения 2014: материалы Всерос. научно-практич. конф. - М.: МЭИ, 2014. -С. 19-24.

16. Лоскутов, А.Б. Разработка аварийных состояний универсального трехлучевого узла нагрузки распределительной сети / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин, А.И. Акимова // Актуальные проблемы электроэнергетики: материалы научно-технич. конф. - Н. Новгород: НГТУ, 2014,-С. 21-27.

17. Лоскутов, А.Б. Алгоритмы принятия решения для автоматической работы узла распределительной сети / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // XX Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докл.- Н. Новгород, 2015. - С. 126-129.

18. Лоскутов, А.Б. Моделирование переходных процессов в гексагональной распределительной сети при параллельной работе питающих источников / А.Б. Лоскутов, А. А. Лоскутов, Д.В. Зырин, А.И. Акимова // XX

Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докл.- Н. Новгород, 2015. - С. 155-157.

19. Лоскутов, А.Б. Моделирование гексагональной распределительной сети с различными режимами заземления нейтрали / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин, A.C. Демидова // XX Нижегородская сессия молодых ученых. Технические науки: материалы докл.- Н. Новгород, 2015. -С. 175-177.

20. Лоскутов, А.Б. Алгоритмизация универсального трехлучевого узла нагрузки гексагональной распределительной сети / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин, И.А. Лукичева // Энергия-2015: материалы 10-й междунар. научно-технич. конф. - Иваново: ИГЭУ, 2015,- С. 91-94.

21. Лоскутов, А.Б. Организация смешанной системы управления гексагональной сетью и узловые алгоритмы функционирования / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // Будущее технической науки: материалы XIV междунар. молодеж. научно-технич. конф,- Н. Новгород: НГТУ, 2015.-С.101.

22. Лоскутов, А.Б. Сравнительный анализ параметров разных топологий распределительных сетей / А.Б. Лоскутов, A.A. Лоскутов, Д.В. Зырин // Бенардосовские чтения: сб. науч. трудов XIX междунар. научно-технич. конф,- Иваново, 2015.- Т.1. С. 167-170.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично автором. Постановка задач исследований, определение методов решения выполнены в соавторстве [1-4, 6-8]. Автору принадлежит анализ, исследовательская часть [5, 10-13, 18,19, 22], обработка и синтез результатов, классификация [14, 15, 9] и разработка универсальных алгоритмов функционирования узла нагрузки [16, 17, 20, 21].

Подписано в печать 08.10.2015. Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. _Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 657.

Нижегородский государственный технический университет им. P.E. Алексеева.

Типография НГТУ. Адрес университета и полиграфического предприятия: 603950, ГСП-41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

'' Л

■W