Электросетевой контроллер — ключевой элемент управления работоспособностью активной просьюмеризированной электрической сети 0,4 кВ




Page 1


background image







Page 2


background image

40

Электросетевой контроллер — 
ключевой элемент управления 
работоспособностью активной 
просьюмеризированной 
электрической сети 0,4 кВ

П

оследние десять лет те-

кущего столетия в миро-

вой  энергетике  можно 

охарактеризовать как пе-

риод смены парадигмы ее функци-

онирования, и в первую очередь, 

методов  управления  энергетиче-

скими системами. В общих чертах 

данное изменение можно обозна-

чить  как  переход  на  качественно 

новые  принципы  функциониро-

вания  —  так  называемые  интел-

лектуальные  энергетические  сис-

темы  и/или  активно-адаптивные 

электрические сети (Smart Grids) 

[1–6].  Ключевой  особенностью 

функционирования 

подобных 

интеллектуальных  энергосистем 

и  активных  электрических  сетей 

нового качества или, если сказать 

другими  словами,  сетей  нового 

технологического  уклада  являет-

ся  возможность  обеспечения  са-

монастройки,  самоорганизации 

и  самовосстановления  в  автома-

тическом режиме.

Данная  тенденция  присуща 

и  отечественной  электроэнерге-

тике, что в той или иной степени 

нашло отражение в действующих 

в Российской Федерации страте-

гических  документах  развития: 

Энергетической  стратегии  Рос-

сийской  Федерации  на  период 

до  2035  года,  Прогноза  НТР  от-

раслей ТЭК России на период до 

2035  года,  Плана  мероприятий 

«Внедрение инновационных тех-

нологий  и  современных  матери-

алов  в  отраслях  ТЭК»,  Страте-

гии  развития  электросетевого 

комплекса  Российской  Федера-

ции, Стратегии цифровой транс-

формации электроэнергетики до 

2030 года.

Подобный  переход  естествен-

ным  образом  привел  к  тому,  что 

в  последние  годы  во  всем  мире 

и в Российской Федерации, в част-

ности,  в  электрических  сетях 

и,  что  особенно  важно,  в  их  рас-

пределительном  комплексе  (на 

среднем  и  низком  уровне  напря-

жения), широко распространяется 

феномен  просьюмеризма  —  дву-

направленного  обмена  электри-

ческой  энергией  между  электри-

ческой  сетью  и  просьюмером  (от 

английского prosumer, полученно-

го  от  professional,  либо,  producer 

и  consumer  —  «профессиональ-

ный  потребитель»,  «произво-

дитель-потребитель»)  —  новым 

типом  активного  «потребителя» 

электрической  энергии  (мощно-

сти).  «Потребителя»  в  кавычках 

потому, что просьюмер (в электро-

энергетике)  —  это  потребитель, 

который  владеет  устройством  ге-

нерации  и  помимо  потребления 

электроэнергии  может  свободно 

продавать ее на розничном рынке, 

выдавая ее в распределительную 

сеть  (рисунок  1).  Другими  слова-

Кононенко

 

В

.

Ю

.,

к.т.н., научный руково дитель 

«Россети Научно-технический центр» 

(АО «ФИЦ»)

Акуличев

 

В

.

О

., 

заместитель генерального директора 

по цифровой трансформации 

«Россети Центр»

Воробьев

 

П

.

Е

., 

к.ф.-м.н., старший преподаватель, 

замес титель директора ЦНИО 

Центра энергетических технологий 

(CEST) АНО ВО «Сколковский 

институт науки и технологий»

Коржавин

 

М

.

Е

.,

главный специалист Фонда «НИР»

Косов

 

П

.

А

., 

начальник управления 

технологического развития и 

цифрови зации филиала «Россети 

Центр Белгородэнерго»

Якшина

 

Н

.

В

.,

руководитель дирекции 

энергосбережения и повышения 

энерге тической эффективности 

«Россети Центр»

Рис

. 1. 

Схематическое

 

представление

 

традиционного

 

потребителя

 

элек

трической

 

энергии

 (

консьюмера

и

 

нового

 

типа

 

активного

 «

потребителя

» 

электрической

 

энергии

 (

просьюмера

)

КОНСЬЮМЕР

ПРОСЬЮМЕР

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ







Page 3


background image

41

ми, просьюмер, по сути своей, об-

ладает  двойственной  природой: 

с  одной  стороны,  он  представля-

ет  собой  источник  электрической 

энергии  (мощности),  а  с  другой 

стороны,  одновременно  является 

ее потребителем.

Таким  образом,  в  текущий  мо-

мент  в  рамках  смены  глобальной 

парадигмы 

функционирования 

энергосистем  можно  говорить 

о  трансформации  распредели-

тельных электрических сетей тра-

диционного  качества  в  активные 

просьюмеризированные  электри-

ческие  сети  (рисунок  2).  Просью-

меризированная 

электрическая 

сеть  представляет  собой  сеть, 

насыщенную  просьюмерами,  то 

есть  распределенными  источни-

ками электрической энергии (мощ-

ности),  которая  характеризуется 

перетоками  электрической  энер-

гии (мощности) во многих направ-

лениях  (можно  говорить  о  двуна-

правленных  перетоках  в  фидерах 

и  полинаправленных  перетоках 

на  участке  распределительной 

сети)  и  полицентризмом  —  нали-

чием множества центров принятия 

решения  (рисунок  2б).  Подобная 

трансформация  требует  выра-

ботки новых подходов, принципов 

и методов как организации актив-

ных  просьюмеризированных  рас-

пределительных 

электрических 

сетей, так и управления ими.

Отличительной  особенностью 

большинства  видов  активных 

устройств  является  наличие  в  их 

составе  энергетического  интер-

фейса между самим устройством 

и  электрической  сетью.  Данный 

интерфейс  представляет  собой 

силовой  преобразователь  элек-

трической  энергии  (инвертор)  на 

базе мощных электронных прибо-

ров, построенных, в большинстве 

случаев,  на  основе  кремния  или 

карбида кремния и имеющих циф-

ровую систему управления на ос-

нове микропроцессоров. Наличие 

инвертора,  с  одной  стороны,  на-

деляет активные устройства мно-

жеством  функций,  позволяющих 

решать  самые  разнообразные 

задачи  в  электрических  сетях, 

например,  повышение  гибкости 

передачи/распределения,  улуч-

шения  качества  электрической 

энергии  за  счет  активной  филь-

трации  или  компенсации  возму-

щений  и  т.п.  С  другой  стороны, 

специфическая,  можно  сказать, 

импульсная  (цифровая)  приро-

да  инверторов,  при  небрежном 

подходе  при  их  конструировании 

и, в частности, при разработке сис-

те мы  управления  их  выходными 

параметрами,  может  превратить 

активные устройства в источники 

неконтролируемых  электромаг-

нитных  возмущений  и  неустойчи-

востей,  вызванных  дисбалансом 

Техническую основу просьюме-

ризированных  электрических  се-

тей  помимо  масштабной  автома-

тизации  (и  цифровизации)  будут 

составлять  активные  электротех-

нические  и/или  электросетевые 

устройства,  каждое  из  которых 

в  автоматическом  (роботизиро-

ванном)  режиме  будет  способно 

осуществлять активный взаимный 

обмен  электрической  энергией 

(мощностью) с электрической се-

тью. Подобные устройства имеют 

в  наличии  систему  автоматиче-

ского  управления  для  изменения 

направления  перетока  электри-

ческой энергии из сети или в сеть 

(потребления/генерации)  в  зави-

симости  от  параметров  электри-

ческой сети и/или в соответствии 

с  управляющими  воздействиями 

системы  регулирования  более 

высокого уровня. К подобным ак-

тивным  устройствам  уже  сегодня 

можно  отнести  системы  накоп-

ления  энергии  (СНЭ),  объекты 

распределенной  генерации  (РГ) 

и,  в  частности,  объекты  микро-

генерации  (МРГ),  в  первую  оче-

редь,  на  основе  возобновляемых 

источников  энергии  (ВИЭ),  таких 

как СФЭС, ВЭС и др., а также ак-

тивные  фильтр-компенсирующие 

устройства  (ФКУ),  электротранс-

порт  и  зарядную  инфраструкту-

ру с поддержкой технологии V2G 

(«машина для сети») и т.п.

Рис

. 2. 

Трансформация

 

распределительных

 

электрических

 

сетей

 

традиционного

 

технологического

 

уклада

 (

а

в

 

ак

тивные

 

просьюмеризированные

 

электрические

 

сети

 (

б

)

РГ

КЭС

ВЭС + СНЭ

СФЭС + СНЭ

Жилье + ВИЭ + СНЭ

Консьюмер + 

СФЭС

Электромобиль

Промпредприятие +

микросеть

Центр питания

Консьюмер

Консьюмер

Консьюмер

Центр питания

а)

б)

 3 (66) 2021







Page 4


background image

42

выходных параметров инверторов 

и электрической сети.

Таким образом, неконтролиру-

емое  взаимодействие  активных 

устройств  друг  с  другом  и  элек-

трической  сетью  может  явиться 

причиной  появления  электро-

магнитных  возмущений  в  элек-

трической  сети,  которые,  в  свою 

очередь,  могут  привести  к  сбою 

устойчивого  функционирования 

электросетевых  объектов,  а  так-

же  нарушению  режимов  работы 

как  сети,  так  и  самих  инвертор-

ных  устройств,  а  также  других 

электротехнических 

устройств, 

объектов  генерации  и  оборудо-

вания  потребителей,  просью-

меров  и  др.,  функционирующих 

в  данной  электрической  сети. 

Другими  словами,  бесконтроль-

ное  насыщение  электрических 

сетей  активными  устройствами 

и,  в  первую  очередь,  просьюме-

рами приведет к ослаблению сети 

практически по всем параметрам. 

Особенно  остро  данная  пробле-

ма  будет  проявляться  в  сетях 

низкого  напряжения,  которые  по 

своей  сути  являются  «слабыми» 

сетями, характеризующимися вы-

соким  активным  сопротивлением 

и  сильной  зависимостью  уровня 

напряжения от величины нагрузки 

потребителей, а в просьюмеризи-

рованных  сетях  —  и  от  параме-

тров просьюмеров.

Профессиональным  сообще-

ством [7, 8] продолжает обсуждать-

ся вопрос возникновения неустой-

чивых режимов работы множества 

активных  устройств  (инверто-

ров),  подключенных  к  электри-

ческой  сети  НН  и  СН,  а  также  их 

влияния  на  режимы  работы  рас-

пределительных  сетей.  Снижение 

вероятности  возникновения  не-

устойчивых  режимов  сопряжено 

с  необходимостью  учета  специ-

альных  тонких  настроек  систем 

фазовой  автоподстройки  частоты 

(ФАПЧ)  инверторов,  выходных 

синус-фильтров,  измерительных 

систем  параметров  инверторов, 

методов  широтно-импульсной  мо-

дуляции  (ШИМ),  что,  безусловно, 

должно  найти  свое  отражение 

в  соответствующих  требованиях 

к подобным устройствам.

В  большинстве  известных  ра-

бот  [9,  10]  анализируются  (моде-

лируются) единичные инверторы, 

работающие параллельно с внеш-

ней  электрической  сетью,  и  не 

рассматривается  вопрос  появле-

ния возможных неустойчивых ре-

жимов  при  параллельной  работе 

распределительной сети несколь-

ких инверторов. Влияние взаимо-

действия  нескольких  инверторов, 

подключенных  к  электрической 

сети, в настоящее время является 

темой малоисследованной в силу 

сложности  анализа  таких  много-

компонентных  систем.  Появив-

шиеся  за  рубежом  в  последние 

5  лет  результаты  исследований 

[11, 12], полученные на достаточ-

но  упрощенных  моделях,  позво-

ляют предположить, что для таких 

многокомпонентных  систем,  как 

«электрическая  сеть  —  инверто-

ры»  границы  устойчивой  рабо-

ты  могут  определяться  сложным 

групповым  взаимодействием  ин-

верторов как друг с другом, так и с 

электрической сетью.

Таким  образом,  можно  сде-

лать  заключение  о  сложившемся 

в настоящее время тренде насы-

щения  распределительных  элек-

трических  сетей  активными  (ин-

верторными)  устройствами  при 

одновременном  недостаточном 

понимании принципов и способов 

управления  подобными  актив-

ными  просьюмеризированными 

электрическими  сетями.  Контро-

лировать  и  обеспечивать  надеж-

ность  работы  таких  полицентри-

ческих  энергетических  систем 

становится все сложнее.

Одним  из  основных  призна-

ков,  характеризующим  устойчиво 

и  эффективно  функционирующую 

сложную  иерархически  организо-

ванную  систему,  является  «прин-

цип  моноцентризма»,  в  соответ-

ствии с которым подобная система 

должна обладать единым высшим 

центром управления, координации 

и принятия решений. Полицентри-

ческие  системы  характеризуются 

дисфункцией процессов координа-

ции и управления, неорганизован-

ностью, неустойчивостью и т.д. По-

добного рода эффекты возникают 

при  наложении  одних  процессов 

(в  первую  очередь,  координаци-

онных  и  управления)  на  другие. 

Следствием этого является утрата 

целостности  системы  управления 

и, как следствие, снижение эффек-

тивности  функционирования  всей 

сложной технической системы.

Одной из основных причин воз-

никновения неустойчивостей в сис –

темах с многими устройствами си-

ловой электроники является вза-

имодействие  их  контуров  управ-

ления друг с другом. Дело в том, 

что  современные  устройства 

силовой  электроники  представ-

ляют  собой  сложные  динамиче-

ские  системы  с  иерархической 

организацией  контуров  управ-

ления  (силовая  часть,  системы 

управления  током,  ФАПЧ,  регу-

ляторы  выдачи  мощности).  При 

этом,  хотя  контуры  управления 

и разделены по временным мас-

штабам (в соответствии с класси-

ческой теорией автоматического 

управления), данное разделение 

часто нивелируется сильной свя-

зью  между  разными  степенями 

свободы,  обусловленной,  в  ос-

новном,  малыми  эффективными 

импедансами  на  уровне  распре-

делительной  сети.  Так,  в  одной 

из предыдущих работ авторов [9] 

показано,  что  именно  отсутствие 

у инверторов существенного вну-

треннего сопротивления приводит 

к  возникновению  неустойчивости 

и  накладывает  существенные 

ограничения  на  допустимые  об-

ласти значений параметров регу-

лирования  (коэффициентов  ста-

тизма). Существенно, что данные 

области сильно зависят от струк-

туры  сети  и  не  могут  быть  опре-

делены  универсальным  образом 

на уровне отдельных устройств — 

задание конкретных значений па-

раметров  регулирования  (либо 

их допустимых областей) должно 

осуществляться  централизован-

ным образом с учетом специфики 

конкретной сети.

Таким образом, для того чтобы 

придать  просьюмеризированной 

распределительной 

электриче-

ской  сети  характер  эффективной 

моноцентрической системы, необ-

ходим единый центр управления, 

координации и принятия решений 

в части функционирования актив-

ных  устройств  —  просьюмеров, 

распределенной  и  микрогенера-

ции, СНЭ и др. В таком случае все 

активные устройства распредели-

тельной сети будут функциониро-

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ







Page 5


background image

43

вать как единая система, сбалан-

сированная и скоординированная 

в  части  организации  управления 

потоками  электрической  энергии 

с учетом особенностей архитекту-

ры всей распределительной сети. 

Подобная  организация  управле-

ния просьюмеризированной элек-

трической  сетью  переведет  уро-

вень  надежности  и  качества  ее 

работы на новый уровень, карди-

нальным  образом  отличающийся 

от традиционных методов и прин-

ципов  управления  распредели-

тельной электрической сетью.

В  качестве  «элементарной» 

ячейки  (элемента)  подобного 

единого центра управления про-

сьюмеризированной  распреде-

лительной  электрической  сетью 

предлагается  использовать  спе-

циализированное  микропро-

цессорное  устройство  контроля 

и  управления  силовыми  инвер-

торами активных устройств (про-

сьюмеров) и автоматики участка 

распределительной сети — элек-

тросетевой  контроллер  (ЭСК). 

«Специализация»  ЭСК  заключа-

ется в его уникальном алгоритме 

управления, который в реальном 

времени  формирует  (вырабаты-

вает)  управляющие  воздействия 

посредством расчета режима ра-

боты контролируемого им участ-

Рис

. 3. 

Структурно

функциональная

 

схема

 

ЭСК

 

в

 

привязке

 

к

 

однолинейной

 

электрической

 

схеме

 

тупикового

 

фидера

 

0,4 

кВ

ка  распределительной  электри-

ческой  сети  на  основе  данных 

о значениях токов и напряжений 

в  точках  присоединения  про-

сьюмеров  к  электрической  сети 

0,4  кВ  и  на  вводе  ЛЭП  0,4  кВ 

в трансформаторной подстанции 

10/0,4 кВ посредством устройств 

телеметрии.

Разработкой  ЭСК  в  интересах 

Группы  «Россети»  в  настоящее 

время  занимается  консорциум 

в  составе  Центра  научно-техни-

ческой  компетенции  Группы  ком-

паний  «Россети»  (АО  «ФИЦ»), 

Фонда  «НИР»  (Иннопрактика) 

и  Сколковского  института  науки 

и технологий (Сколтех).

ЭСК  предназначен  для  обе-

спечения  устойчивой  и  безопас-

ной  работы  участка  распреде-

лительной  электрической  сети 

0,4  кВ,  насыщенного  просьюме-

рами как в рабочих, так и в преда-

варийных  (аварийных)  режимах 

работы путем:

 

– прямого  измерения  парамет-

ров участка электрической се-

ти, управляемого ЭСК;

 

– сбора  информации  с  удален-

ных  устройств  (просьюмеров 

и потребителей электрической 

энергии, функционирующих на 

данном  участке  распредели-

тельной электрической сети);

 

– определения  оптимальных

режимов  и  параметров  функ-

циональных отклонений участ-

ка электрической сети, управ-

ляемого ЭСК, и питающей се-

ти  с  учетом  конфигурации 

участка  распределительной 

сети;

 

– вычисления  посредством  спе-

циализированных  расчетных 

алгоритмов  корректирующих 

воздействий для последующе-

го формирования и выдачи ко-

манд  управления  активными 

устройствами  (инверторами 

просьюмеров).

В  определенном  смысле,  ЭСК 

осуществляет «вторичное регули-

рование» просьюмерами, задавая 

им определенные значения коэф-

фициентов  регулирования,  либо, 

в  более  простых  случаях,  допу-

стимые области значения этих ко-

эффициентов.

На текущем этапе исследова-

ний  выполняется  разработка 

алгоритмов управления просью-

мерами 

(микрогенераторами) 

и  основанного  на  этих  алгорит-

мах  программного  комплекса 

ЭСК.  Примерная  структура  ЭСК 

для участка распределительной 

сети  в  виде  тупикового  фидера 

0,4  кВ  имеет  вид,  представлен-

ный  на  рисунке  3.  ЭСК  состоит 

 3 (66) 2021







Page 6