Анализ перспектив применения технологии СМПР в распределительных сетях

«Релейщик»

1. Введение

Системы мониторинга переходных режимов (СМПР или WAMS), базирующиеся на синхронизированных векторных измерениях параметров электрического режима (СВИ или PMU-измерениях), пока не находят широкого применения в отечественных электрических сетях. Данному факту имеется рациональное объяснение – в текущих условиях для практического применения таких систем не сложились достаточные технологические и экономические основания.

Действующие распределительные сети (РС) адаптированы к сегодняшним фактическим требованиям потребителей и этому их состоянию соответствует стоимость оказываемых ими сетевых услуг. Любые значимые изменения в технологиях обуславливают соответствующие изменения в стоимости сетевых услуг, поэтому для внедрения революционных технологических инноваций, к числу которых, безусловно, относятся WAMS- технологии, нужен серьезный повод.

2. Тенденции развития распределительных сетей

Конфигурация РС определяются территориальным размещением электропотребления, а их технологии находятся в зависимости от прогресса электротехнического оборудования, информационно-коммуникационных систем и технологий потребления электроэнергии.

Основные направления развития современного общества характеризуются:

• желанием населения жить за пределами перегруженных мегаполисов, стремлением к выносу промышленности и ее инфраструктуры за пределы городской черты;
• ростом электровооруженности домашних хозяйств и культурно-спортивно-развлекательных предприятий, преобладанием нелинейных электрических нагрузок как в бытовом секторе, так и во многих отраслях производства, неизбежно приводящих к все возрастающим проблемам с качеством электроэнергии;
• повышением КПД и встречным снижением себестоимости распределенной и ВИЭ-генерации (РГ), особенно – ко- и тригенерации, формированием широкого рыночного предложения оборудования РГ при встречном росте потенциального спроса со стороны потребителей электроэнергии.

Потребность общества в расширении жизненного пространства за пределы мегаполисов может послужить поводом, который приведет к качественному изменению требований к РС и, как следствие, к существенному изменению подходов к их формированию. В первую очередь, перемещение значительных потребительских нагрузок из центров питания внутри городов в сети среднего и низкого напряжения пригородных территорий повлечет за собой потребность в усиленном сетевом строительстве. Очевидно, что при сохранении действующих подходов к проектированию электрических сетей в части обеспечения надежности электроснабжения и качества электроэнергии, которые обеспечиваются в основном за счет сетевого резервирования, затраты на строительство новых сетей приведут к дальнейшему росту доли сетевой составляющей в цене на электроэнергию для конечных потребителей. Для обеспечения нормируемых показателей надежности электроснабжения и качества электроэнергии, учитывая необходимость сдерживания роста сетевых тарифов, потребуется изменить требования к проектированию РС. В частности, возможно снижение требований по обязательному строительству новых ЛЭП в тех случаях, когда дефицит баланса мощности на территории может быть закрыт путем присоединения РГ и/или посредством энергоэффективных технологий.

Новые условия функционирования РС будут характеризоваться повышенной скоростью реакций и сложностью, вызванных тем, что присоединяемая к сетям РГ располагает малыми постоянными инерции и разнородными локальными системами регулирования. Повышение динамичности и сложности объекта управления влечет за собой необходимость изменения оперативно-технологического и автоматического управления РС. Как следствие, в требованиях к проектированию РС повысится роль технических средств автоматического регулирования напряжения, компенсации реактивной мощности, управления качеством электроэнергии; противоаварийного и послеаварийного управления.

Потребуется повысить интеллектуальность управляющих системы РС. Для этого они должны быть обеспечены полной информацией, доставляемой с темпом, превышающим возможности SCADA-систем. Такими возможностями в полной мере обладают WAMS-технологии, которые могут стать реальной интеллектуальной информационной платформой для системы управления современными РС.

3. Анализ прикладных функций СМПР для РС

Анализ выполнен в отношении перспективных РС, предназначенных для обслуживания распределенного электропотребления, обеспечивающих нормированные надежность электроснабжения и качество электроэнергии за счет интеграции РГ, средств накопления энергии, быстродействующих средств регулирования реактивной мощности и иных элементов smart grid.

   3.1. Использование СМПР при управлении РС с присоединенной распределенной генерацией

Присоединение к РС потребительской и иной генерации изменит привычную ситуацию, возникающую при сетевых отключениях в радиальной сети. Отключения питания со стороны головных участков РС будут приводить не к простому погашению отдельных ее участков, а к разделению на множество фрагментов (островов), часть из которых будет все же погашена, но часть продолжит функционирование в изолированном режиме с собственной частотой и уровнями напряжения. Восстановление целостной работы РС без специальной технологии, которая может быть построена на платформе СМПР, вызовет значительные трудности из-за необходимости подгона частоты и векторов напряжения на границах синхронизации. В отсутствие означенной WAMS-технологии попытка «вслепую» включить остров в противофазе может заканчиваться нарушением устойчивости параллельной работы генераторов, а возможно, и порчей оборудования. В состав WAMS-технологии войдут функции:

1. Детекция изолированных фрагментов энергосистемы. Функция поддерживает быстрое обнаружение фактов образования островов, сигнализацию об этих фактах, а также визуализацию информации, характеризующую параметры электрического режима на островах. Функция способствует сокращению продолжительности нештатных ситуаций, снижению вероятности ошибочных действий персонала и автоматических устройств (например, АПВ или АВР), предотвращению развития аварийных ситуаций, сокращению продолжительности перерывов питания потребителей.

Факт образования острова устанавливается при обнаружении разности электрических частот и/или наличии устойчивого «вращения» относительных углов между фазорами напряжения в точках размещения измерительных преобразователей СВИ (phasor measurement unit, PMU). Часть точек размещения PMU-измерений должны располагаться в хорошо наблюдаемой области сети, например на шинах магистральных ПС, другая – в точках присоединения РГ. В качестве дополнительных данных, подтверждающих факт выделения острова, а также позволяющих определить его границы, должны использоваться ТС, а также расчетные критерии, отражающие существенное изменение корреляционных или функциональных связей между параметрами режима внутри и вне острова.

2. Мониторинг допустимых условий синхронизации островов. Функция предназначена для обеспечения информационной осведомленности дежурного персонала центров управления за выполнением автоматических процедур синхронизации островов сети и для организации дистанционной синхронизации островов в случае, если автоматические процедуры не обеспечивают условий для фактической синхронизации.

Синхронизация островов должна сводиться к автоматическим процессам, осуществляемым при выполнении условий:

• частота в синхронной зоне энергосистемы восстановлена и в течение заданного времени находится на уровне не ниже заданной величины;
• разности частот и векторов напряжений в синхронной части энергосистемы и в острове находятся в пределах заданной величины.

Если синхронизация островов нежелательна, система автоматической синхронизации должна дистанционно блокироваться с центров управления.

3. Управление синхронизацией. Если автоматическая синхронизация острова не осуществляется из-за низкой частоты в синхронной части энергосистемы, дежурный персонал сетей не производит никаких действий.

Если автоматическая синхронизация острова не осуществляется из-за низкой частоты на острове или из-за недопустимой разности векторов напряжения в граничных точках энергосистемы и острова, персонал центров управления должен принять меры к восстановлению частоты или напряжения на острове, воздействуя дистанционно или через персонал ОВБ на средства регулирования напряжения, нагрузку генерации и потребления. Объем воздействий должен определяться автоматически с учетом статических характеристик нагрузки в островах по частоте и напряжению, автоматически уточняемых по фактическим СВИ.

   3.2. Мониторинг допустимых условий переноса точек секционирования сетевых транзитов

В ЕЭС России имеется большое количество нормально разомкнутых транзитов 110–220 кВ, соединяющих различные части энергосистем, энергосистемы между собой и объединенные энергосистемы. В ходе эксплуатации возникает потребность в периодическом переносе точек разрыва на указанных транзитах. В ряде случаев перенос точек секционирования сопровождается погашением потребителей, в других случаях погашения потребителей можно избегать.

Функция предоставит дежурному персоналу информацию о наличии синхронизма и о величине разности между векторами напряжения по модулю и углу на полюсах отключенных выключателей. Этой информации достаточно для выбора рационального способа переноса точки секционирования с наименьшим ухудшением условий электроснабжения потребителей.

   3.3. Мониторинг перегрузочной способности электротехнического оборудования по току и продолжительности работы при повышенных напряжениях

Функция предназначена для непрерывного пофазового контроля токовой нагрузки и напряжения на электрооборудовании. Функция автоматически формирует отчеты об использовании перегрузочной способности оборудования, сигнализирует о приближении допустимых границ и/или о наступлении фактов перегрузок, повышенных уровней напряжения и недопустимых несимметрий напряжений и токов.

В отличие от функций мониторинга, реализуемых в SCADA-системах, применение WAMS-технологии позволит выявлять и фиксировать кратковременные токовые перегрузки и отклонения напряжения, допустимые в течение секунд и долей секунды, определять перегрузки или перенапряжения, разрешенные при различных условиях предшествующего режима оборудования, фиксировать несимметричные режимы.

Данные, формируемые функцией, могут использоваться в системах ограничения перегрузок и стабилизации напряжения, позволят выявлять проблемные области сети для установки систем регулирования, формировать отчеты, а в перспективе – аналитические выкладки о влиянии условий эксплуатации оборудования на изменение срока его службы и показатели отказов.

   3.4. Мониторинг устойчивости нагрузки по напряжению

Функция предназначена для мониторинга устойчивости нагрузки ответственных потребителей, чувствительных к снижению напряжения.

Стандартные функции мониторинга напряжения, реализуемые в SCADA-системах, позволяют отслеживать случаи понижения уровня напряжения до заранее заданных величин. В реальных условиях заранее рассчитанные допустимые уровни напряжения могут быть как завышенными, так и заниженными. Первый случай чреват нарушением устойчивости нагрузки и соответствующими сбоями технологического цикла у потребителей. Второй будет приводить к излишним ограничениям режима.

Применение функции позволит объективно выявлять и контролировать фактически опасные понижения напряжения в сети, в том числе предупреждать тревожное развитие режимной ситуации. Функция может использоваться в системах стабилизации напряжения, а также позволяет выявлять проблемные области сети для установки там соответствующих систем стабилизации или кондиционирования.

Для каждого узла, входящего в куст распределительной сети, в котором размещены PMU-измерения, рассчитывается индекс устойчивости нагрузки. Точки предпочтительного размещения PMU-измерений определяются на основе предварительного изучения характера взаимных зависимостей между модулями напряжений внутри куста. При наличии жестких взаимных зависимостей между модулями напряжения общее количество точек измерений может быть соответственно сокращено. Индекс устойчивости каждой нагрузки определяется соотношением между: а) полным эквивалентным сопротивлением внешней сети (Thevenin-эквивалент) и б) полным сопротивлением нагрузки, которые автоматически рассчитываются в темпе реального времени на основании PMU-измерений. Нормальный режим характеризуется ситуацией, когда сопротивление внешнего эквивалента значительно превышает сопротивление нагрузки. С ростом потребления полное сопротивление нагрузки снижается. При достижении равенства сопротивлений наступает предел устойчивости нагрузки.

Для узлов с минимальными индексами устойчивости также в темпе реального времени определяются фактические запасы устойчивости, которые визуализируются для дежурного персонала в виде графической зависимости «активная мощность – модуль напряжения».

   3.5. Мониторинг низкочастотных колебаний

Функция предназначена для непрерывного контроля за появлением в сетях опасных низкочастотных колебаний (НЧК) параметров электрического режима (частоты, потоки мощности, векторы напряжений и токов), которые могут возникать в условиях присоединения к РС генерации и нагрузок, приводимых синхронными двигателями.

Стандартные функции мониторинга, реализуемые в SCADA-системах, не обеспечивают выявления НЧК. Однако скрытое наличие этих колебаний, тем не менее, существенно снижает пропускную способность электрических сетей. Функция позволит выявлять наличие и численные характеристики доминирующих составляющих (мод) НЧК, в том числе параметры их затухания. Снижение способности демпфировать НЧК свидетельствует об опасном приближении передачи к пределу по статической устойчивости. Границы колебательной статической устойчивости могут не совпадать с заранее заданными максимально допустимыми перетоками активной мощности, рассчитанными методами утяжеления режима на математической модели.

Данные работы функции могут быть использованы оперативным персоналом или системами управления для приятия мер по стабилизации режима; могут послужить для обоснования необходимости установки стабилизирующих систем или замены систем регулирования возбуждения генераторов.

Поток PMU-измерений параметров режима подвергается обработке одним из методов модовой декомпозиции, например EMD (Empirical mode decomposition). EMD представляет собой итерационную вычислительную процедуру разложения исходного сигнала на эмпирические моды или внутренние колебания (intrinsic mode functions – IMF). IMF представляет собой колебательный процесс (например, в виде синусоиды), амплитуда и частота которого изменяется во времени.

   3.6. Детекция присоединения к сети скрытой генерации

Функция обеспечивает автоматическое сопоставление:

• прошлых и текущих графиков потребления активной и реактивной мощности;
• реакций параметров режима в точках присоединения потребителей на стандартные возмущения в сети: отключения линий электропередачи, перевод РПН, включение/отключение источников реактивной мощности в близлежащих сетях.

Изменение характера реакции электрических параметров на возмущения и/или изменение профиля электропотребления свидетельствует об изменении характера присоединенных устройств и оборудования. На основании анализа изменения реакций параметров на внешние возмущения можно сделать заключение о появлении активных устройств в электроустановках. Данные работы функции могут быть использованы для инициализации проверок электроустановок потребителей электроэнергии.

   3.7. Обнаружение фактов образования гололеда, аномально высоких потерь на коронный разряд и иных утечек тока

Область действия данной функции выходит за рамки РС и охватывает также магистральные электрические сети. Функция осуществляет непрерывный мониторинг параметров и баланса энергии в ЛЭП, что позволяет обнаруживать появление гололеда на проводах, повышенный коронный разряд, аномальные утечки с проводов, несимметрию напряжений и токов.

Результаты работы функции могут быть использованы дежурным персоналом центров управления для инициализации включения схем плавки гололеда, выполнения операций по регулированию напряжения, направления ОВБ к местам вероятных утечек с ЛЭП. Результаты работы функции также могут быть использованы инженерным персоналом для анализа и разработки технических мероприятий.

В основе работы функции лежат методы пофазной оценки параметров схемы замещения ЛЭП, которые определяются по данным PMU-измерений в ходе решения переопределенной системы уравнений, сформированных на основании закона Ома для П-образной (или Т-образной) схемы замещения ЛЭП.

О факте появления гололеда свидетельствует аномальное повышение поперечной емкостной составляющей проводимости. Факт повышенного коронного разряда может быть установлен на основании повышенной поперечной активной проводимости ЛЭП на фоне увеличенной емкостной составляющей проводимости. Иные утечки тока, возникающие в результате индуктивно-емкостного или прямого электрического отбора мощности, идентифицируются на основании повышенной поперечной активной проводимости ЛЭП.

Дополнительным приемом, позволяющим подтвердить факты и оценить локализацию области образования гололеда, повышенной короны или иного отбора мощности, является моделирование режимов ЛЭП со скользящей по ее длине точкой присоединения поперечного шунта.

   3.8. Диагностика автотрансформаторов

Функция может использоваться как дополнительное средство диагностики автотрансформаторов в ходе мониторинга их режимных и схемных параметров, а также баланса энергии. Функция позволяет выявлять и контролировать динамику процессов ухудшения состояния магнитопровода и нарушения симметричности расположения обмоток. Функция позволяет: 

• оценивать пофазные значения параметров схемы замещения и коэффициентов трансформации автотрансформаторов и контролировать их изменения во времени;
  
• обнаруживать несимметрии в параметрах режима и схемы замещения; 
  
• контролировать небалансы мощности автотрансформатора.

Результаты работы функции могут быть использованы дежурным и инженерным персоналом ЦУС для организации своевременного обслуживания оборудования.

В основе работы функции лежат методы оценки параметров схемы замещения автотрансформатора по данным PMU-измерений. Параметры схемы замещения определяются в результате решения переопределенной системы уравнений, сформированных на основании закона Ома для Г-образной схемы замещения автотрансформатора и уравнений балансов активной и реактивной мощности автотрансформатора.

Повышенное значение и/или стабильный рост поперечных проводимостей автотрансформатора свидетельствуют о процессах ухудшения состояния его магнитопровода.

Повышенное значение и/или стабильный рост продольного сопротивления Z на фоне увеличения неравенства этих сопротивлений по фазам автотрансформатора свидетельствуют о процессах деформирования обмотки и о нарушении симметрии расположения обмоток относительно магнитопровода. Осуществляется сравнение с прошлыми оцененными значениями сопротивлений.

   3.9. Контроль достоверности ТС

Функция позволяет подтверждать или ставить под сомнение достоверность ТС или восполнять функцию ТС при их отсутствии.

Функция анализирует корреляционную и/или функциональную связь между измеряемыми параметрами режима. При отключении электрической связи коэффициенты корреляции между параметрами на противоположных сторонах присоединения скачкообразно уменьшаются, нарушаются функциональные зависимости.

   3.10. Регулирование напряжения

Функция предназначена для централизованной координации локального управления уровнями напряжения в магистральных и/или распределительных сетях с целью снижения потерь электроэнергии при соблюдении допустимых параметров режима или для ввода указанных параметров в допустимые границы. Другие полезные свойства функции: выявление фактов выхода уровней напряжения за допустимые пределы и быстрый возврат уровней напряжения в допустимую область с последующей оптимизацией режима.

Автоматическое регулирование напряжения осуществляется интеллектуальными регуляторами центрального и локальных уровней.

Работа центрального регулятора производится с шагом выработки оптимального решения 1 раз в 5 минут. Для осуществления адекватной централизованной координации центральный регулятор должен получать от локальных регуляторов реалистичные характеристики: а) ограничения по токам ветвей и уровням напряжения в узлах; б) статические характеристики нагрузки по напряжению и частоте, для автоматического формирования которых необходимы PMU-измерения.

Локальное управление реализуется местным интеллектуальным регулятором с темпом 1 раз в несколько секунд на основании законов управления, заданных центральным регулятором. Главная задача местного регулятора – оптимальное распределение ресурсов регулирования с учетом допустимого быстродействия средств управления. Например, если на ПС имеется трансформатор с РПН (быстродействие – десятки секунд) и быстродействующий управляемый источник реактивной мощности (десятые и сотые доли секунды), то в случае быстрого снижения или повышения напряжения с нарушением заданных границ в первую очередь реагирует быстродействующее устройство, вводя режим в область допустимых значений. Затем на основании закона регулирования, рассчитанного центральным регулятором, производится «высвобождение» быстродействующего ресурса за счет более медленного ресурса РПН трансформатора.

Другими неотъемлемыми задачами локальных регуляторов являются:

• определение сетевых ограничений по току и уровням напряжения;
• расчет и коррекция статических характеристик нагрузки по напряжению и частоте;
• формирование блокировок.

   3.11. Вспомогательные функции, реализуемые на основе PMU-измерений

      3.11.1. Определение фактических реакций параметров режима

Функция осуществляет натурные измерения фактических реакций энергосистемы на включения/отключения сетевых элементов или изменение положений регулирующих устройств. Знание фактических реакций энергосистемы помогает дежурному персоналу при управлении сетями и способствует адекватной настройке автоматических устройств. Ценность натурным измерениям придает то, что фактические реакции энергосистемы сразу учитывают в себе все статические и динамические характеристики нагрузки, правильно отражают действие всех автоматических систем регулирования.

Функция должна рассчитывать коэффициенты чувствительности как частное от деления изменения параметра режима в элементе на общую величину возмущения, например к отключенной активной мощности в ЛЭП, реактивной мощности ШР, др.

Коэффициенты чувствительности рассчитываются для короткого (несколько секунд) и более длинного (несколько минут) интервала времени для оценки немедленной и адаптированной реакции энергосистемы.

     3.11.2. Определение характеристик активной и реактивной нагрузки по напряжению и частоте

Определение характеристик производится на основе PMU-измерений методами пассивного эксперимента (но будут, естественно, работать и в случае активного эксперимента тоже) при существенных скачкообразных изменениях напряжения и частоты в периоды относительно стабильных участков графика суточного потребления.

Вид аппроксимации статических характеристик задается при настройке программного обеспечения. В качестве основных видов аппроксимации статических характеристик целесообразно принимать те, которые применяются в программном обеспечении расчета установившегося режима, используемом сетевой компанией. Таким образом, решение задачи определения статических характеристик сводится к формированию вида аппроксимации характеристики и затем к определению констант аппроксимации [1].

     3.11.3. Расчет эмпирических зависимостей

Функция позволяет рассчитать дисперсии, ковариации, коэффициенты корреляции, эмпирические взаимные зависимости между режимными параметрами (векторами токов и напряжений, потоками активной и реактивной мощности, частотами), которые используются в решении прикладных задач.

4. Заключение

Для поддержания требуемых показателей надежности, качества и экономичности распределения электроэнергии в новых технологических условиях необходима динамическая наблюдаемость режима РС, не обеспечиваемая современными SCADA-системами. WAMS- технологии способны обеспечить достоверность и необходимый темп обновления информации о режиме и состоянии элементов сети, поэтому они могут рассматриваться в качестве информационной платформы для систем оперативно-технологического и автоматического управления РС нового поколения.

5. Литература

1. А. С. Бердин, П. А. Крючков «Формирование параметров модели ЭЭС для управления электрическими режимами», Издательство УГТУ, 620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19.