Совершенствование методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительных сетях железнодорожного транспорта

Актуальность проблемы.

Несмотря на существенный прогресс в развитии систем учета, наблюдается практически повсеместный рост отчетных потерь электроэнергии и снижение ее качества в распределительных сетях ОАО «РЖД», что в основном обусловлено следующими факторами: совершенствованием систем учета, техническими параметрами изношенных элементов сетинеоптимальными режимами работынедостатком или полным отсутствием средств регулирования напряженияотсутствием или неудовлетворительной компенсацией реактивной мощностивысокой неравномерностью графиков электрических нагрузоквлиянием внешней сетиувеличением установленной мощности нелинейных и несимметричных нагрузокнедостаточным финансированием программ технического перевооружения распределительных сетей.

В соответствии с «Энергетической стратегией холдинга „Российские железные дороги“ на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года» основными инновационными энергосберегающими техническими решениями и технологиями, на которые должна быть ориентирована железнодорожная энергетика на перспективу в части снижения потерь и повышения качества электроэнергии в распределительных сетях, являются применение современных устройств компенсации реактивной мощности, фильтр-устройств, накопителей электроэнергии и систем контроля [1].

Наряду с внедрением современного энергоэффективного электрооборудования проблему повышения эффективности использования электрической энергии в стационарной энергетике железнодорожного транспорта можно решить за счет внедрения активно-адаптивных технологий управления работой компенсирующих устройств, управляемых средств регулирования напряжений, накопителей, коммутационного и силового оборудования и их диагностирования на основе цифровых технологий, в том числе для автоматического поддержания минимума потерь в сетях при изменении нагрузок.

В настоящее время управление режимами активной и реактивной мощности, напряжением в распределительных сетях ОАО «РЖД» реализуется организационно-технической системой, которая обеспечивает поддержание напряжения по графику в контрольных пунктах и в допустимых пределах во всех точках сети. Единственным способом регулирования напряжения является переключение регулятора напряжения трансформатора под нагрузкой (РПН) на стороне высокого напряжения с сезонной периодичностью. В распределительных сетях 35 кВ и ниже полностью отсутствуют известные технические средства управления параметрами режима: устройства компенсации реактивной мощности, вольтодобавочные трансформаторы, реакторы, фильтры переменного тока, накопители. Таким образом, метод регулирования напряжения на основе поддержания заданных графиков в контрольных пунктах сети не в состоянии обеспечить уровень напряжения с учетом всех предъявляемых требований, что свидетельствует о недостаточной разработке темы.

Новейшие технологии, применяемые в сетях, обеспечивающие адаптацию характеристик оборудования к режимной ситуации, активное взаимодействие с генерацией и потребителями, позволяют создать эффективно функционирующую систему, в которую встраиваются современные информационно-диагностические системы, системы автоматизации управления всеми элементами, включенными в процессы производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии. Для реализации этой новой функции сети должны оснащаться современными быстродействующими устройствами силовой электроники и электромашиновен-тильных систем, а также системами, обеспечивающими получение информации о режимах работы сети и состоянии оборудования в темпе процесса [2].

Значительный вклад в развитии методов оптимизации режимов энергосистем и распределительных сетей, повышения качества электрической энергии внесли такие ученые как Аввакумов В. Г., Беркович М. А., Веников В. А.,.

Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Идельчик В. И., Карташев И. И., Лыкин А. В., Холмский В. Г., Черемисин В. Т., Шидловский А. К. [3−28].

Предпосылками создания системы управления объектами электроснабжения распределительной сети ОАО «РЖД» на базе активно-адаптивных технологий оптимизации параметров режима в реальном времени является ряд актуальных проблем. Во-первых, это проблема, связанная с согласованием системы электроснабжения распределительных сетей с источниками генерации. Существующие распределительные сети выполнены в виде иерархических структур от источника к нагрузке, поэтому общепринятые законы регулирования напряжения в таких сетях при наличии источников генерации на стороне среднего (низкого) напряжения оказываются непригодными. Наличие источников генерации (в том числе накопителей энергии в активном режиме) приведет к уравнительным токам и дополнительным потерям, существенно меняется идеология построения релейной защиты. Требуется управление объектами электроснабжения на основе реализации алгоритмов оптимизации параметров режима в реальном времени. Во-вторых, проблема оптимального управления режимами напряжений в точках распределительных сетей, параметрами режима по реактивной мощности в реальном времени, управление электропотреблением для снижения потерь в сетях, повышения качества электроэнергии и повышения надежности электроснабжения.

Настоящая работа посвящена развитию и разработке методов управления напряжением, реактивной мощностью и параметрами режима в распределительных электрических сетях железнодорожного транспорта. Развитие оперативно-технологического управления сетями и энергообъектами 35 кВ и ниже на основе аппаратно-программных средств системы управления электропотреблением и качеством электроэнергии позволит обеспечить: а) повышение надежности электроснабжения и качества электрической энергии, снижение потерь, онлайн-мониторинг результатов управления параметрами режима в распределительных сетях по данным информационно-измерительных системб) повышение эффективности использования данных с АСКУЭ не только для определения электропотребления, но и управления им (при развитии синхронных измерений) — в) возможность включения распределенной генерации на параллельную работу с сетью за счет управления режимами напряжения и параметрами генерации в месте подключения в реальном времени, в том числе с учетом графиков выработки и накопления энергии, графиков нагрузки потребителей.

Целью диссертационной работы является повышение качества и снижение потерь электрической энергии в распределительных электрических сетях железнодорожного транспорта за счет совершенствования методов управления напряжением и реактивной мощностью.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи.

1. Провести сравнительный анализ современных технических средств и методов управления напряжением, реактивной мощностью, другими параметрами режима и КЭ в распределительных сетях, обосновать применение адаптивных технологий управления объектами электроснабжения в распределительных сетях железнодорожного транспорта для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии.

2. Разработать математическую модель распределительной сети железнодорожного транспорта для расчета и оптимизации установившихся режимов по напряжению и реактивной мощности при условии минимума потерь электроэнергии применительно к централизованным автоматизированным системам управления в реальном времени.

3. Разработать методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

4. Выполнить обоснование требований к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях ОАО «РЖД».

5. Выполнить моделирование предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети реальной системы электроснабжения железнодорожного транспорта и оценить их экономическую эффективность.

Методы исследования. В ходе проводимых исследований использовались теоретические и экспериментальные методы: теории электрических цепейрасчета электрических сетейнепосредственного натурного экспериментаматематической статистикиоптимизации методом генетического алгоритмаимитационного моделирования.

Большинство выводов и результатов работы получено с использованием средств вычислительной техники, прикладных пакетов математических программ.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1. Разработана оптимизационная модель определения параметров состояния объектов управления напряжением и реактивной мощностью распределительной сети железнодорожного транспорта для снижения потерь и стабилизации напряжения.

2. Предложены и реализованы на модели методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления.

Практическая ценность исследования заключается в следующем.

1. Разработанная оптимизационная модель позволяет определять параметры состояния объектов распределительной сети железнодорожного транспорта для реализации управления напряжением и реактивной мощностью.

2. Предложенные методы оптимального управления напряжением и реактивной мощностью могут быть использованы при разработке пилотных интеллектуальных распределительных сетей ОАО «РЖД».

На защиту выносятся следующие положения и результаты.

1. Задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии и среднеквадратичного отклонения напряжения в распределительной сети железнодорожного узла за счет выбора оптимального положения РПН, изменения значений реактивной мощности КУ и активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети.

2. Методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети железнодорожного транспорта, основанные на оптимизации параметров режима в реальном времени.

3. Требования к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях железнодорожного транспорта.

4. Результаты моделирования предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги и оценка их экономической эффективности.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при разработке энергосберегающих технологий и мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в распределительных сетях Входнинской дистанции электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях различного уровня: «Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития)» (Новосибирск, 2009), «Проблемы развития железнодорожного транспорта» (Красноярск, 2009), «Энергоэффективность», «Ресурсосберегающие технологии на Западно.

Сибирской железной дороге" (Омск, 2010), «Инновации для транспорта» (Омск, 2010).

Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, две из них — в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы.

В первой главе рассматриваются средства и методы управления качеством электроэнергии для повышения энергетической эффективности системы электроснабжения распределительных сетей ОАО «РЖД». Приводится обзор научных работ отечественных и зарубежных ученых, внесших значительный вклад в исследование проблемы управления напряжением и реактивной мощностью в сетях, оптимизации параметров режима. Рассматриваются различные способы и технические средства обеспечения качества электроэнергии и снижения потерь, показатели энергетической эффективности передачи и распределения электроэнергии по распределительным сетям ОАО «РЖД».

Акцентировано внимание на проблеме согласования рассматриваемых распределительных сетей с элементами распределенной генерации и накопителями энергии. Рассмотрены перспективы развития активно-адаптивных технологий управления объектами электроснабжениями в распределительных сетях ОАО «РЖД».

Вторая глава посвящена обоснованию математической модели и разработке оптимизационных алгоритмов определения параметров режима распределительной сети с объектами управления качеством электроэнергии.

Представлены схемы замещения и описание элементов электрической сети (линий, трансформаторов, нагрузок, вольтодобавочных трансформаторов, устройств продольной емкостной компенсации, компенсирующих устройств, реакторов, накопителей энергии). Выполнено обоснование метода расчета установившегося режима. Дана оценка адекватности математической модели. Предложена задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии в распределительной сети 35/6/10−0,4 кВ железнодорожного узла за счет оптимального положения ответвлений РПН трансформаторов, значений реактивной мощности компенсирующих устройств, активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети с помощью коммутационных аппаратов и др.

В качестве целевой функции приняты потери мощности и отклонение напряжения с коэффициентами влияния при условии соблюдения ограничений на управляющие параметры и параметры состояния. Оптимизация выполнена методом простого генетического алгоритма и реализована в MATLAB Genetic Algorithm Tool с использованием графической оболочки.

В третьей главе приводятся структура и алгоритм управления параметрами режима распределительной сетей ОАО «РЖД» для решения задачи оптимального управления качеством электроэнергии и снижения потерь. Разработанный алгоритм на основе оптимизации параметров режима позволяет формировать управляющие воздействия на объекты системы электроснабжения в виде оптимального вектора состояния. Управляющие воздействия получены с учетом прогнозируемых значений графика нагрузки и ограничений на запасаемую энергию в накопителях для управления в реальном времени.

В четвертой главе сформулированы основные положения алгоритма определения оптимального состава и параметров компенсирующих устройств с учетом случайных процессов потребления мощностей электрическими нагрузками. Предложенный алгоритм апробирован на примере действующего нетягового железнодорожного потребителя. Выполнена оценка экономической эффективности разработанных мероприятий с использованием предложенного алгоритма.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников из 73 наименования, одного приложения. Общий объем диссертации составляет 166 страниц, включая 67 рисунков и 11 таблиц.

4.3 Выводы.

1. Выполнена апробация предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения. Анализ состава оборудования показал, что средств регулирования параметров режима недостаточно. Для возможности управления КЭ по режимам напряжения и реактивной мощности предлагается на первых секциях шин 10 кВ ЭЧЭ-111 и ТП-11 установить ступенчато-регулируемое КУ. Данные по напряжениям, токам, графикам нагрузок в течение расчетных суток представлены на основании данных системы АСКУЭ, установленных во всех точках учета рассматриваемого участка.

Для решения задачи рассматриваемый участок распределительной сети был смоделирован в Ма11аЬ 81тиНпк. Реализован алгоритм оптимизации режима с определением параметров состояния отпаек РПН понизительных трансформаторов и емкости ступенчатого КУ. Оптимизация режима выполнялась на часовом интервале с получением почасовых векторов состояния РПН трансформаторов и КУ.

2. Результаты моделирования на интервале расчетных суток свидетельствуют о снижении потерь мощности в рассматриваемой участке сети на 28%, среднеквадратичного отклонения напряжения — вдвое.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем:

1. Проведен сравнительный анализ современных технических средств и методов управления напряжением, реактивной мощностью, другими параметрами режима и качества электроэнергии в распределительных сетях, обосновано применение адаптивных технологий управления объектами электроснабжения в распределительных сетях железнодорожного транспорта для повышения энергоэффективности передачи и распределения электроэнергии. Показано, что уровень технической оснащенности распределительных сетей не позволяет обеспечить управление качеством электроэнергии на должном уровне.

В настоящее время уровень технической оснащенности средствами обеспечения качества электроэнергии и снижения потерь в распределительных сетях железнодорожного транспорта крайне низок. Единственным способом регулирования напряжения является переключение регулятора РПН трансформатора на стороне высокого напряжения с сезонной периодичностью. Полностью отсутствуют в распределительных сетях 35 кВ и ниже известные технические средства управления параметрами режима: устройства компенсации реактивной мощности, вольтодобавочные трансформаторы, реакторы, фильтры переменного тока, накопители. Таким образом, метод регулирования напряжения на основе поддержания заданных графиков в контрольных пунктах сети не в состоянии обеспечить уровни напряжения с учётом всех предъявляемых требований.

2. Разработана математическая модель распределительной сети железнодорожного транспорта для расчета и оптимизации установившихся режимов по напряжению и реактивной мощности при условии минимума потерь электроэнергии применительно к централизованным автоматизированным системам управления в реальном времени. Выполнена проверка адекватности математической модели.

В работе предложена задача оптимизации, заключающаяся в снижении потерь электроэнергии и среднеквадратичного отклонения напряжения в распределительной сети железнодорожного узла за счет оптимального положения ответвлений РПН трансформаторов, значений реактивной мощности компенсирующих устройств, активной мощности накопителей и элементов распределенной генерации в узлах, изменения топологии сети с помощью коммутационных аппаратов.

3. Разработаны методы управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети ОАО «РЖД», основанные на широком применении современных средств регулирования и централизованных систем автоматического управления. Предлагаются усовершенствованные методы управления напряжением и реактивной мощностью распределительных сетей железнодорожного транспорта на базе активно-адаптивных технологий и аппаратно-программного комплекса оптимизации параметров режима в реальном времени по данным информационно-измерительных систем для выработки управляющих воздействий на объекты электроснабжения с высоким быстродействием.

Разработанный алгоритм на основе оптимизации параметров режима позволяет формировать управляющие воздействия в виде оптимального вектора состояния на объекты системы электроснабжения. Управляющие воздействия получены с учетом оценивания состояния сети, прогнозных значений графика нагрузки и ограничений на запасаемую энергию в накопителях для управления в реальном времени.

4. Выполнено обоснование требований к программно-аппаратным комплексам и техническим средствам контроля и регулирования напряжения и реактивной мощности в распределительных сетях железнодорожного транспорта.

При внедрении системы адаптивного управления напряжением и реактивной мощностью предлагается доработать существующие программные средства расчета и анализа электрических режимов электрических сетей для решения рассматриваемых задач. Кроме этого, технические средства сети, обеспечивающие её управляемость, должны иметь возможность «интеллектуализации».

5. Выполнено моделирование предложенных методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительной сети Входнинской дистанции электроснабжения и оценена их экономическая эффективность.

Реализован алгоритм оптимизации режима с определением параметров состояния отпаек РПН понизительных трансформаторов и емкости ступенчатого КУ. Оптимизация режима выполнялась на часовом интервале с получением почасовых векторов состояния РПН трансформаторов и КУ. Результаты моделирования на интервале расчетных суток свидетельствуют о снижении потерь мощности в рассматриваемой участке сети на 28%, среднеквадратичного отклонения напряжения — вдвое. Окупаемость около 15 лет из-за низкой оснащенности сети управляемыми техническим средствами параметров режима.