Электросетевой контроллер — ключевой элемент управления работоспособностью активной просьюмеризированной электрической сети 0,4 кВ | Статьи журнала «ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»

Page 1

Page 2

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

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

к.т.н., научный руково дитель

«Россети Научно-технический центр»

(АО «ФИЦ»)

Акуличев

заместитель генерального директора

по цифровой трансформации

«Россети Центр»

Воробьев

к.ф.-м.н., старший преподаватель,

замес титель директора ЦНИО

Центра энергетических технологий

(CEST) АНО ВО «Сколковский

институт науки и технологий»

Коржавин

главный специалист Фонда «НИР»

Косов

начальник управления

технологического развития и

цифрови зации филиала «Россети

Центр Белгородэнерго»

Якшина

руководитель дирекции

энергосбережения и повышения

энерге тической эффективности

«Россети Центр»

Рис

. 1.

Схематическое

представление

традиционного

потребителя

элек

–

трической

энергии

(

консьюмера

)

нового

типа

активного

потребителя

электрической

энергии

(

просьюмера

)

КОНСЬЮМЕР

ПРОСЬЮМЕР

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Page 3

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

(

)

ак

–

тивные

просьюмеризированные

электрические

сети

(

)

РГ

КЭС

ВЭС + СНЭ

СФЭС + СНЭ

Жилье + ВИЭ + СНЭ

Консьюмер +

СФЭС

Электромобиль

Промпредприятие +

микросеть

Центр питания

Консьюмер

Центр питания

а)

б)

№

3 (66) 2021

Page 4

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

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

привязке

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

из основного блока, располо-

женного на вводе фидера в РУ

0,4 кВ питающей трансфор-

маторной подстанции, и ВЩУ,

расположенного у просьюме-

ра. ВЩУ представляет собой

быстродействующее устрой-

ство телемеханики в виде из-

мерителя мгновенных значений

фазных токов и напряжений на

входе просьюмера (Блок из-

мерений) и управляемого ком-

мутирующего аппарата (АВ-2).

Управление коммутатором АВ-2

и Блоком измерений осущест-

вляет контроллер, который свя-

зан с основным блоком ЭСК по-

средством измерительного (ТИ)

и управляющего (ТУ) каналов.

В перспективе функции ВЩУ

должны выполняться с помощью

интеллектуальных

приборов

учета, которые удовлетворяют

требованиям к быстрой споради-

ческой передаче необходимых

измерений. Основной блок яв-

ляется шкафом телемеханики,

в состав которого входят два ос-

новных блока: измерений и ана-

лиза-управления. Блок измере-

ний осуществляет регистрацию

мгновенных значений фазных

токов и напряжений на входе фи-

дера. Основным устройством,

которое формирует управляю-

щие воздействия для коммута-

торов АВ-1, АВ-2, а также инвер-

торов просьюмеров, является

Блок анализа-управления.

Управление параметрами ра-

боты инверторов просьюмеров

в режиме реального времени

ЭСК осуществляет путем пере-

дачи команд, сформированных

в результате обработки поступа-

ющей информации от датчиков

тока и напряжения и выявления

аварийных и предаварийных со-

бытий, требующих вмешатель-

ства ЭСК (короткие замыкания

в фидере и в питающей сети,

перегрузки фидера по току, от-

клонения уровня напряжения

и др.), на управляемые коммута-

торы АВ-1, АВ-2, …, АВ-

у про-

сьюмеров, а также на инверторы

просьюмеров с открытой архи-

тектурой на основе разработан-

ного алгоритма с заданием па-

раметров в части оперативного

управления, поддержания опти-

мального режима работы сети,

компенсации гармоник, регули-

рования реактивной мощности.

Насыщение распределитель-

ной сети 0,4 кВ просьюмерами

приведет не только к проблемам,

связанным с необходимостью

создания единого интеллекту-

ального устройства управления,

координации и принятия реше-

ний, но вкупе с разрабатываемой

инновационной системой управ-

ления ЭСК позволит снизить пе-

ретоки мощности в нормальном

режиме, что приведет к сниже-

нию нагрузочных потерь электри-

ческой энергии, а также, в случае

достаточной суммарной мощно-

сти просьюмеров на участке сети

0,4 кВ, позволит осуществлять

автоматический переход на изо-

лированный режим работы при

отключениях питающей сети, что

позволит существенно повысить

надежность электроснабжения

потребителей.

Возможности ЭСК позволят

с минимальными доработками

адаптировать его для распреде-

лительных сетей напряжением

до 35 кВ.

Таким образом, идеология, за-

кладываемая в ЭСК, делает его

«элементарной» единицей (ячей-

кой) системы управления рас-

пределительными сетями нового

технологического уклада на ос-

нове активного электротехниче-

ского оборудования, устройств,

систем. Без подобных контрол-

леров современная микроге-

нерация существовать не мо-

жет — считает лауреат премии

«Глобальная энергия» 2020 года,

директор и профессор греческо-

го Национального Технического

Университета Афин, главный ре-

дактор журнала IEEE Transactions

on Power Systems Николаос Хат-

циаргириу [13].

Подай

заявку

на

конкурс

до

июня

на

gridology.ru

Организаторы

При

поддержке

Конкурс

инновационных

проектов

сфере

электроэнергетики

от

новых

идей

до

умных

сетей

* Возможно продление сроков приема заявок. Следите за информацией на сайте конкурса gridology.ru

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

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

Читать онлайн

Последние десять лет текущего столетия в мировой энергетике можно охарактеризовать как период смены парадигмы ее функционирования, и в первую очередь, методов управления энергетическими системами. В общих чертах данное изменение можно обозначить как переход на качественно новые принципы функционирования — так называемые интеллектуальные энергетические системы 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 является возможность обеспечения самонастройки, самоорганизации и самовосстановления в автоматическом режиме.