Система мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ
SYSTEM FOR MONITORING AND MANAGING QUALITY OF ELECTRICAL ENERGY IN INDUSTRIAL ENERGY REGIONS OF 6-220 KV

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике, а именно к системам сбора, учета и управления качеством электрической энергии в системах промышленного электроснабжения, в том числе включающих источники распределенной генерации (ИРГ).
Известна система мониторинга качества электрической энергии (КЭЭ) на базе синхронных измерений показателей качества электрической энергии (ПКЭ) [Патент на полезную модель РФ № 112441, МПК G01R 21/00, опубл. 10.01.2012, Бюл. № 1], включающая в свой состав информационно-вычислительный комплекс (ИВК), выполненный с возможностью осуществления функций мониторинга КЭЭ в энергосистеме и выявления виновников и причин нарушения КЭЭ, подключенный через сеть передачи данных системы мониторинга КЭЭ, по крайне мере, к одному программно-аппаратному комплексу синхронных измерений показателей КЭЭ энергообъекта, состоящему из устройств синхронных измерений (УСИ) ПКЭ, объединенных сетью передачи данных энергообъекта, причем каждое из УСИ ПКЭ, выполненное с возможностью обеспечения оценки КЭЭ в точке измерения и осуществления одновременных измерений ПКЭ в фиксированные временные интервалы, подключено через сеть тактовой синхронизации к внешнему источнику единого времени и содержит коммуникационный интерфейс, связанный с сетью передачи данных энергообъекта, блок тактовой и календарной синхронизации, подключенный через интерфейс тактовой синхронизации к сети тактовой синхронизации, интерфейс измерительных трансформаторов, подключенный к измерительным трансформаторам, блок обработки первичных данных, подключенный к интерфейсу измерительных трансформаторов, коммуникационному интерфейсу, блоку тактовой и календарной синхронизации, блок измерения ПКЭ и учета электроэнергии, подключенный к блоку обработки первичных данных и блоку тактовой и календарной синхронизации, блок контроля ПКЭ, подключенный к блоку измерения ПКЭ и учета электроэнергии, база данных, подключенная к блоку контроля ПКЭ, блоку измерения ПКЭ и учета электроэнергии, телекоммуникационный блок, подключенный к коммуникационному интерфейсу, базе данных, блоку измерения ПКЭ и учета электроэнергии.
Известное устройство предназначено лишь для сбора и анализа данных о ПКЭ, а также потребленной электроэнергии, но не позволяет формировать и реализовать управляющие воздействия на восстановление нормального функционирования промышленного энергорайона при существенных отклонениях ПКЭ.
Известно устройство контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях [Патент на полезную модель РФ № 162008, МПК G06Q 50/06, опубл. 20.05.2016, Бюл. № 14], содержащее блок архива данных учета, блок системы учета, блок контроля качества электроэнергии, блок электротехнических устройств управления качеством электрической энергии, причем выход блока архива данных учета связан с блоком системы учета, выход которой в свою очередь связан с блоком контроля качества электрической энергии, выход которого связан с блоком электрических устройств управления качеством электрической энергии, выход которого связан с блоком архива данных учета.
Согласно описания полезной модели, информационной базой устройства контроля и управления качеством электрической энергии в электрических сетях являются результаты учета параметров электропотребления с интервалом осреднения 30 мин., хранящихся в блоке архива данных учета. Таким образом, известное техническое решение не может быть использовано для реализации управления в реальном масштабе времени качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах с ИРГ.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является система автоматического ограничения снижения напряжения (АОСН) в промышленных энергорайонах 6-220 кВ с источниками распределенной генерации [Патент РФ № 2715339, МПК G05F01/30, H02H03/24, опубл. 27.02.2020, Бюл. № 6], содержащая не менее одного устройства АОСН, включающее блок последовательного отключения групп присоединений, блок последовательного включения присоединений, блок определения режимов электрической сети, блок анализа, блок задания уставок устройства АОСН, блок хранения результатов моделирования и выбора варианта противоаварийного управления, блок пусковых органов АОСН, блок контроля предшествующего режима, блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий и блок превентивных управляющих воздействий, а блок анализа выполнен с возможностью контроля систем технологической безопасности промышленного производства энергорайона, причем первый, второй и третий выходы блока определения режимов электрической сети подключены к первым входам блока хранения результатов моделирования и выбора варианта противоаварийного управления, блока пусковых органов АОСН, блока контроля предшествующего режима, первый выход блока хранения результатов моделирования и выбора варианта противоаварийного управления через блок задания уставок устройства АОСН подключен ко второму входу блока пусковых органов АОСН, к третьему входу блока пусковых органов АОСН подключен первый выход блока контроля предшествующего режима, второй выход блока контроля предшествующего режима подключен к первому входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий, ко второму, третьему и четвертому входам блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий подключены соответственно выход блока пусковых органов АОСН, второй выход блока хранения результатов моделирования и выбора варианта противоаварийного управления, выход блока анализа, с первого по третий выходы блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий подключены к входам соответственно блока последовательного включения присоединений, блока превентивных управляющих воздействий, блока последовательного отключения групп присоединений, четвертый выход блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий является информационным и предназначен для информирования дежурного персонала энергорайона о действиях АОСН, на вход блока последовательного включения присоединений выдается разрешающий сигнал на включение нагрузки от дежурного персонала энергорайона, выход блока последовательного включения присоединений является выходом для выдачи управляющих воздействий на включение нагрузки, выходы блока превентивных управляющих воздействий являются выходами соответственно для реализации управляющих воздействий на изменение конфигурации сети, загрузку и пуск генераторов, изменение режимов возбуждения генераторов, изменение состояния средств компенсации реактивной мощности, изменения коэффициентов трансформации силовых трансформаторов, выходы блока последовательного отключения групп присоединений предназначены для выдачи управляющих воздействий на блокировку систем технологической безопасности промышленного производства энергорайона, а также отключение нагрузки.
Однако известная система автоматического ограничения снижения напряжения в промышленных энергорайонах 6-220 кВ с источниками распределенной генерации относится к противоаварийной автоматике, предназначена для предотвращения недопустимого по условиям устойчивости снижения напряжения на шинах питающих подстанций и не может в полной мере реализовать управление КЭЭ в системах промышленного электроснабжения.
Напротив, предлагаемая система мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ относится к автоматике нормального режима и не должна функционировать на протяжении времени ликвидации аварийной ситуации.
Задача изобретения – разработка системы автоматического мониторинга и управления качеством электрической энергии, учитывающей особенности промышленных энергорайонов 6-220 кВ, в том числе с источниками распределенной генерации.
Технический результат достигается тем, что в системе мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ, включающей блок последовательного отключения присоединений, блок последовательного включения присоединений, блок определения режимов электрической сети, блок анализа, блок хранения результатов моделирования и выбора варианта управления, блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий, блок анализа выполнен с возможностью контроля систем технологической безопасности промышленного производства энергорайона, первый выход блока определения режимов электрической сети подключен ко входу блока хранения результатов моделирования и выбора варианта управления, выход блока хранения результатов моделирования и выбора вариантов управления подключен ко входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий, к другому входу которого подключен выход блока анализа, первый и второй выходы блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий подключены ко входам соответственно блока последовательного включения присоединений и блока последовательного отключения присоединений, блок определения режимов электрической сети выполнен с возможностью определения и фиксации показателей качества электрической энергии, второй выход блока определения режимов электрической сети подключен к третьему входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий, блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий имеет вход/выход, предназначенный для информирования дежурного персонала энергорайона о действиях системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, а также для реализации ручной блокировки дежурным персоналом энергорайона системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, блоки последовательного включения и отключения присоединений объединены в блок реализации управляющих воздействий, причем выходы блоков последовательного включения и отключения присоединений являются выходами блока реализации управляющих воздействий и выходами системы мониторинга и управления качеством электрической энергии.
Поставленная задача достигается системой мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ, включающей блок последовательного отключения присоединений, блок последовательного включения присоединений, блок определения режимов электрической сети, блок анализа, блок хранения результатов моделирования и выбора варианта управления, блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий, блок анализа выполнен с возможностью контроля систем технологической безопасности промышленного производства энергорайона, первый выход блока определения режимов электрической сети подключен ко входу блока хранения результатов моделирования и выбора варианта управления, выход блока хранения результатов моделирования и выбора вариантов управления подключен ко входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий, к другому входу которого подключен выход блока анализа, первый и второй выходы блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий подключены ко входам соответственно блока последовательного включения присоединений и блока последовательного отключения присоединений. Согласно предложения блок определения режимов электрической сети выполнен с возможностью определения и фиксации показателей качества электрической энергии, второй выход блока определения режимов электрической сети подключен к третьему входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий, блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий имеет вход/выход, предназначенный для информирования дежурного персонала энергорайона о действиях системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, а также для реализации ручной блокировки дежурным персоналом энергорайона системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, блоки последовательного включения и отключения присоединений объединены в блок реализации управляющих воздействий, причем выходы блоков последовательного включения и отключения присоединений являются выходами блока реализации управляющих воздействий и выходами системы мониторинга и управления качеством электрической энергии.
На фиг. 1 представлена функциональная схема системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ.
Система мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ (фиг. 1) включает: блок последовательного отключения присоединений 1 и блок последовательного включения присоединений 2, объединенные в блок 3 реализации управляющих воздействий; блок определения режимов электрической сети 4; блок хранения результатов моделирования и выбора варианта управления 5; блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий 6; блок анализа 7.
Блоки системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ (фиг. 1) соединены следующим образом: первый выход блока определения режимов электрической сети 4 подключен ко входу блока хранения результатов моделирования и выбора варианта управления 5, выход блока хранения результатов моделирования и выбора вариантов управления 5 подключен ко входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий 6, к другому входу которого подключен выход блока анализа 7, первый и второй выходы блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий 6 подключены ко входам соответственно блока последовательного включения присоединений 2 и блока последовательного отключения присоединений 1. Второй выход блока определения режимов электрической сети 4 подключен к третьему входу блока выдачи (блокировки) управляющих воздействий 6, блок выдачи (блокировки) управляющих воздействий 6 имеет вход/выход, предназначенный для информирования дежурного персонала энергорайона о действиях системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, а также для реализации ручной блокировки дежурным персоналом энергорайона системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, блоки 2 и 1 последовательного включения и отключения присоединений объединены в блок 3 реализации управляющих воздействий, причем выходы блоков 2 и 1 последовательного включения и отключения присоединений являются выходами блока реализации управляющих воздействий 3 и выходами системы мониторинга и управления качеством электрической энергии.
Следует отметить, что для каждого энергорайона 6-220 кВ имеют место специфические особенности функционирования системы мониторинга и управления качеством электрической энергии, которые определяются особенностями промышленной нагрузки, а также результатами имитационного моделирования и схемно-режимными ситуациями, характерными для функционирования системы электроснабжения.
Система мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ функционирует следующим образом.
Перед началом функционирования системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ реализуется предварительное имитационное моделирование, целями которого являются:
- определение режимов функционирования системы промышленного электроснабжения, с учетом особенностей промышленной нагрузки, а также возможностей проведения ремонтно-эксплуатационных работ;
- выявление режимов, в которых возможны существенные отклонения параметров КЭЭ, требующих реализации мероприятий по восстановлению нормального функционирования системы промышленного электроснабжения;
- создание специальной базы данных, включающей наборы отклонений параметров КЭЭ для каждого из моделируемых режимов, которые характеризуют степень и источник искажающих воздействий.
При моделировании имитируются только нормальные режимы. В аварийных режимах управляющие воздействия системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ блокируются. Такая блокировка необходима и вводится ввиду того, что совместные несогласованные действия устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики энергорайона 6-220 кВ, а также системы мониторинга и управления качеством электрической энергии могут спровоцировать утяжеление аварийной ситуации и привести к более значительным ущербам для потребителей.
Таким образом, с использованием результатов предварительного имитационного моделирования формируется база данных возможных вариантов функционирования системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в различных нормальных режимах работы энергорайона. Результаты имитационного моделирования вносятся в память блока 5 хранения результатов моделирования и выбора варианта управления (фиг. 1).
Важно отметить, что выбор возможных вариантов управления, которые вносятся в базу данных блока 5, должен учитывать следующие критерии:
- надежность электроснабжения потребителей энергорайона при реализации управляющих воздействий не должна снижаться ниже заданного уровня с учетом особенностей производственного процесса промышленного потребителя;
- количество оперативных переключений при реализации управляющих воздействий должно быть минимальным;
- отключение потребителей (в том числе неответственных и потребителей-регуляторов) должно рассматриваться как крайняя мера;
- при отключении потребителей должны учитываться экономические и социальные последствия ущербов;
- другие специфичные критерии, например, связанные с особенностями режимов системы электроснабжения энергорайона или технологическими особенностями потребителей.
В отличие от способа-прототипа в состав управляющих воздействий, помимо реализации отключений потребителей, могут входить следующие мероприятия:
- ввод в работу устройств, обеспечивающих компенсацию отклонений параметров КЭЭ в отдельных узлах электрической сети (активных фильтров, преобразователей с элементами силовой электроники и др.);
- автоматическая реконфигурация системы электроснабжения путем реализации оперативных переключений по заранее подготовленным программам и бланкам переключений;
- ввод в работу (изменение параметров) источников распределенной генерации, а также источников хранения электрической энергии;
- изменения параметров нагрузки, например, за счет перевода ее на резервные фидеры или источники питания;
- другие мероприятия, обеспечивающие комплексное воздействие на систему электроснабжения, с целью компенсации отклонений параметров КЭЭ.
При реализации указанных выше мероприятий предполагается последовательное, а также одновременное, как включение, так и отключение присоединений, обеспечиваемое блоком 3 реализации управляющих воздействий (фиг. 1).
Для мониторинга режимов функционирования энергорайона задействуется блок 4 определения режимов электрической сети, реализованный, например, на основе SCADA системы. Особенностью исполнения блока 4 является его возможность определения и фиксации показателей качества электрической энергии. Такая возможность может быть достигнута за счет дополнительного использования в блоке 4 информации от автоматизированных систем коммерческого учета электрической энергии (АСКУЭ), приборы учета электрической энергии которых выполнены с возможностью расчета и фиксации показателей качества электроэнергии. В блок 4 дополнительно поступает информация из систем диспетчерско-технологического управления энергорайона (например, оперативно-информационного комплекса – ОИК) о токах и напряжениях в узлах, а также данные о положениях коммутационных аппаратов системы внешнего и внутреннего электроснабжения энергорайона, определяющие состояние («отключено»/«в работе») электрооборудования (генерирующих установок источников распределенной генерации, линий электропередачи, силовых трансформаторов, электроприемников потребителей и др.).
В каждый момент времени на основе входной информации блок 4 определяет текущий режим энергорайона с учетом отклонения параметров качества электрической энергии. Данные с первого выхода блока 4 определения режимов электрической сети используются в блоке 5 для выбора варианта управления, а со второго выхода блока 4 в блоке 6 для его блокирования при возникновении аварийного режима в энергорайоне.
Информация с выходов блока 5 хранения результатов моделирования и выбора варианта управления в виде управляющих воздействий, соответствующих текущему режиму, поступает в блок 6 выдачи (блокировки) управляющих воздействий.
Условия блокирования управляющих воздействий системой мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ включают:
- присутствие сигналов от систем технологической безопасности промышленного производства (например, включение автоматики повторного пуска электродвигателей и/или пуск резервных технологических установок, передача команд технологического управления производством и др.), которые могут спровоцировать аварийный режим функционирования энергорайона;
- аварийный режим в сети внешнего электроснабжения (например, отключение одной или нескольких питающих энергорайон линий электропередачи), при котором управляющие воздействия для нормализации показателей качества электроэнергии могут усугубить аварийную ситуацию;
- сигналы управления от диспетчерского персонала энергорайона для «ручного» вывода системы из работы (например, из-за возникновения вероятности экологических последствий или угрозы жизни людей при неустойчивой работе отдельных электроприемников);
- суммарное потребление энергорайона больше максимально допустимого значения (режим максимальных нагрузок при выводе в техническое обслуживание генерирующих установок источников распределенной генерации).
Указанные выше блокирующие сигналы поступают в блок 6 от блоков 4 и 7, а также через вход/выход от дежурного персонала энергорайона.
При отсутствии блокировки управляющие сигналы от блока 6 передаются на блок 3 реализации управляющих воздействий и в последующем на соответствующие выходы системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ.
В заключении отметим, что функционирование системы мониторинга и управления качеством электрической энергии в промышленных энергорайонах 6-220 кВ осуществляется автоматически, таким образом достигается цель изобретения и учитываются особенности промышленных энергорайонов, в том числе с источниками распределенной генерации.