СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕННОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ СНИЖЕНИЯ ПЕРЕТОКОВ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПО ЭЛЕМЕНТАМ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПРИ ИХ ПЕРЕГРУЗКЕ
METHOD FOR AUTOMATIC DISTRIBUTED LOAD TRIPPING TO REDUCE ACTIVE POWER FLOW THROUGH ENERGY SYSTEM ELEMENTS WHEN LATTER ARE OVERLOADED

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к электротехнике, а именно к противоаварийному управлению. Изобретение может быть использовано для создания распределенной автоматической системы, выполняющей функции отключения нагрузки потребителей для целей снижения перетоков активной мощности по элементам энергосистемы при их перегрузке. При этом сложная сеть энергообъединения должна быть разбита на подсистемы, оказывающие минимальное взаимное влияние. Автоматика каждой подсистемы контролирует текущий режим и предотвращает перегрузку элементов путем выдачи управляющих воздействий (УВ) на отключение нагрузки потребителей.
Уровень техники.
Известно большое количество способов локальной разгрузки элементов сети энергообъединения путем ограничения перетока мощности [Россия. Патент на изобретение №RU 2023337, кл. Н02J 3/06, 1994]; [Россия. Патент на изобретение №RU 2011263, кл. Н02J 3/06, 1994]; [Россия. Патент на изобретение №RU 2015601, кл. Н02J 3/06, 1994]; [Россия. Патент на изобретение №RU 2069437, кл. Н02J 3/24, 1994]. Данные способы используются для локального контроля перетока по одному или нескольким элементам (как правило, включенным параллельно) без учета влияния изменения перетока на другие связи энергообъединения. Такой локальный подход оправдан при управлении загрузкой связей, входящих в одно сечение, либо связей, изменение перетока мощности по которым не окажет существенного влияния на загрузку других элементов системы. Однако для систем со сложной структурой, в которых нельзя четко определить отправную и приемную части, способы локального контроля перетока мощности могут привести к недопустимой перегрузке других элементов сети.
Известны также способы централизованного контроля перетоков мощности [«Методические указания по устойчивости энергосистем», Утверждены Приказом Минэнерго России от 30.06.2003 №277]. В настоящее время при выполнении централизованного противоаварийного управления (ПАУ) энергообъединение разбивают на районы ПАУ. При этом нормируются перетоки по сечениям и частичным сечениям с учетом необходимых запасов. Обычно границы районов ПАУ определяются как технологическими особенностями районов, так и возможностями организации надежной и быстрой телепередачи необходимой информации о схемах и режимах контролируемой сети. Различные аварийные ситуации приводят к набросам мощности на линии сечения, и с целью предотвращения нарушения устойчивости по этим сечениям противоаварийная автоматика производит разгрузку путем отключения нагрузки или путем изменения генерации отправной или приемной частей. Выбор уставок противоаварийной автоматики осуществляется с учетом тяжести возмущения, текущих режимов и схем района ПАУ, в котором возник небаланс мощности. Описанный подход в настоящее время успешно применяется при реализации ПАУ ЕЭС России. Однако рост электропотребления и последующее сетевое строительство, а также сопутствующая реструктуризация электроэнергетики и переход к рынку оказывают существенное влияние на процесс функционирования энергосистемы. Дальнейшее усложнение структуры сети крупных энергорайонов, вероятнее всего, приведет к необходимости создания в данных районах единой централизованной системы ПАУ, которая будет контролировать не перетоки по отдельным сечениям, а работу всего энергорайона как единого объекта управления. Но даже при возможности использования существующей идеологии ПАУ применительно к управлению крупными энергорайонами со сложной структурой, алгоритмы централизованного комплекса претерпят существенные изменения, связанные с необходимостью учета взаимного влияния перетоков по различным сечениям.
К основным недостаткам крупных централизованных комплексов ПАУ следует отнести высокую стоимость реализации и эксплуатации. В частности, скорость реализации УВ для централизованных комплексов ПАУ задана нормативами, однако при росте числа каналов связи обеспечить требуемую скорость реализации УВ будет все труднее, что связано в основном с необходимостью синхронизации измерений во времени. Таким образом, рост сложности централизованного комплекса приведет к существенному росту стоимости его создания и эксплуатации. Кроме того, централизованные комплексы ПАУ не учитывают возможность возникновения маловероятных событий, а как показала практика, именно маловероятные наложения отказов являются причиной возникновения крупных системных аварий. Вопросам надежности функционирования крупных централизованных комплексов ПАУ должно уделяться особенное внимание. Надежность крупных централизованных комплексов ПАУ будет существенно зависеть от надежности большого числа каналов связи передачи данных. Безусловно, можно говорить о резервировании каналов связи и о разработке некоторых адаптивных централизованных алгоритмов, для работы которых необходима лишь часть информации о текущем состоянии системы. Однако важно отметить два аспекта. Во-первых, резервирование каналов связи само по себе является довольно затратным мероприятием. Во-вторых, если алгоритмы централизованных систем будут требовать полного набора данных, то такие алгоритмы ненадежны по своей природе. Если же разрабатывать некоторые централизованные адаптивные алгоритмы, работающие на произвольном объеме информации, то такие алгоритмы будут не только сложны сами по себе, но и создадут существенные сложности при реализации взаимодействия с оконечными (низовыми) устройствами ПА.
Вышеизложенные рассуждения не призывают к отказу от существующей системы централизованного ПАУ, эффективность которой была проверена временем. Предлагаемый способ автоматического распределенного отключения нагрузки призван повысить интеллектуальный уровень быстродействующих устройств локальной автоматики, контролирующей загрузку внутрисистемных связей. Локальные устройства ПАУ всегда работали совместно с централизованными комплексами ПАУ. Таким образом, внедрение предлагаемого способа приведет к повышению уровня надежности системы ПАУ в целом. Кроме того, предлагаемый способ позволит снизить ущерб от отключения нагрузки за счет реализации оптимальных УВ.
В качестве способа-прототипа можно привести [Авторское свидетельство СССР № SU 1785063, кл. Н02J 3/24, 1992]. Данное авторское свидетельство описывает способ уменьшения ущерба от отключения нагрузки в энергосистеме с цепочечной структурой. Авторы уделяют большое внимание вопросам взаимного влияния подсистем и уменьшения ущерба от отключения нагрузки. В качестве недостатков данного способа можно указать на возможность его применения лишь для энергосистем с цепочечной структурой.
Новый же способ применим для энергосистем со сложной структурой, он способен быстро адаптироваться к изменяющимся условиям работы энергосистемы, что позволяет адекватно реагировать на непредвиденные аварийные ситуации. Предлагаемый способ обладает высокой отказоустойчивостью и использует для своей работы локальную информацию о состоянии режима и минимальный объем информации, получаемый от близлежащих устройств измерения. Минимизация объема информации для управления загрузкой элементов сети позволит повысить надежность системы ПАУ, так как, например, при выходе из строя каналов связи, передающих информацию в централизованный комплекс ПАУ, автоматика, основанная на предложенном способе, останется в работе. Кроме того, предлагаемый способ реализует оптимальные или субоптимальные УВ, что позволит минимизировать объем отключаемой нагрузки.
Раскрытие изобретения.
Предлагаемый способ направлен на решение задачи распределенного контроля загрузки элементов сети сложного энергообъединения. Основным техническим результатом предлагаемого способа является снижение загрузки перегруженных элементов. Снижение загрузки перегруженных элементов выполняется путем отключения нагрузки потребителей.
Сущность изобретения раскрыта на примере энергосистемы, схема которой приведена на фиг.1. Перетоки мощности по межсистемному сечению 1 могут контролироваться с использованием известных способов, в том числе и при помощи способа-прототипа [Авторское свидетельство СССР №SU 1785063, кл. Н02J 3/24, 1992]. Однако с помощью известных методов сложно осуществить контроль загрузки элементов внутри подсистемы 2 и подсистемы 3. В данном конкретном случае предлагаемый способ может быть направлен на решение задачи контроля загрузки элементов в подсистеме 2. Условия осуществления способа включают следующий предварительный набор действий:
1. Создание компьютерной модели любого характерного режима рассматриваемой энергосистемы. Например, модель режима зимнего максимума нагрузок. Разработанная модель используется для расчета коэффициентов влияния для различных послеаварийных режимов (одиночные и двойные отключения связей, отключения генераторов и т.п.). Коэффициент влияния определяется как отношение изменения перетока активной мощности по некоторой линии при изменении нагрузки в некотором узле. Например, коэффициент влияния нагрузки в узле i на переток по некоторой линии j определится как:
ij
ij
где  - изменение перетока по j-й линии и соответствующее ему изменение нагрузки  в i-м узле. Коэффициенты влияния слабо зависят от режима энергосистемы и остаются практически неизменными для заданной топологии системы. Если k>0, то отключение нагрузки в узле i приведет к снижению перетока по связи j, и наоборот, если k<0, то отключение нагрузки в узле i приведет к увеличению перетока по связи j.
2. Создание единой базы данных энергосистемы, содержащей информацию о коэффициентах влияния для каждой линии для различных типов аварийных возмущений. База данных также должна содержать информацию о максимально допустимых перетоках активной мощности для всех связей, входящих в подсистему.
3. На основании разработанной базы данных, путем анализа величин коэффициентов влияния рассматриваемая энергосистема должна быть разбита на совокупность контролируемых и неконтролируемых подсистем, оказывающих минимальное взаимное влияние. Контролируемые подсистемы - это подсистемы, в которых будет реализовываться предлагаемый способ отключения нагрузки.
4. На основании принятого разбиения для каждой из подсистем формируется индивидуальная база данных коэффициентов чувствительности и максимально допустимых перетоков активной мощности.
5. Все линии и узлы нагрузки каждой из контролируемых подсистем, участвующие в работе автоматики, основанной на предлагаемом способе, должны быть оснащены агентами. Агенты связей (4) и агенты нагрузки (5) - это интеллектуальные электронные устройства, каждое из которых имеет уникальный идентификационный номер (адрес агента). Используя единое информационное пространство, агенты способны передавать друг другу информационные сообщения. Программная и аппаратная реализация агента должна быть достаточна для реализации описываемого способа.
6. Внутри каждой контролируемой подсистемы должна быть реализована информационная система, которая способна организовать передачу сообщений между агентами. Любой агент линии в любой момент времени должен получать информацию о текущей топологии сети, которая содержит информацию о факте отключения элемента в подсистеме. Кроме того, агент связи с определенной периодичностью, зависящей от уровня критической загрузки каналов связи, должен получать информацию о текущем состоянии узлов нагрузки, которые оказывают наибольшее влияние на загрузку связи, контролируемой данным агентом. Информация о текущем состоянии узлов нагрузки должна включать сведения о текущем количестве работающих присоединений, о загрузке данных присоединений, а также о цене, которую необходимо будет заплатить в случае отключения каждого из присоединений.
7. Все агенты связей в каждой из контролируемых подсистем получают соответствующую базу данных коэффициентов чувствительности и предельно допустимых перетоков активной мощности по связям контролируемой подсистемы.
Предлагаемый способ ПАУ включает в себя следующую совокупность действий (пунктов), выполняемых циклически:
1. Исходя из информации о текущей топологии сети, агенты всех перегруженных связей выбирают соответствующую таблицу коэффициентов влияния. На основании таблицы коэффициентов влияния и информации о текущем состоянии узлов нагрузки, оказывающих существенное влияние на загрузку перегруженной связи, выполняется предварительный расчет оптимального объема отключаемой нагрузки. Для каждой j-й перегруженной связи данный расчет заключается в решении следующей линейной задачи оптимизации:
i
ij
где В - множество узлов нагрузки в подсистеме, участвующих в работе автоматики; С, и ΔP - соответственно стоимость и объем отключения i-й нагрузки; - соответственно максимально допустимый и текущий переток активной мощности по j-й перегруженной связи; k - коэффициент влияния, определяющий величину воздействия изменения i-й нагрузки на переток по j-й связи; α - минимально допустимое значение коэффициента влияния, α≥0; - текущее значение величины i-й нагрузки. В результате решения задачи оптимизации должен быть получен вектор управляющих воздействий (УВ), содержащий оптимальный объем отключения для узлов нагрузки в контролируемой подсистеме. Если задача оптимизации не имеет решения, работа алгоритма завершается.
2. Каждый агент перегруженной связи на основании текущего вектора УВ формирует список уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния. Формирование данного списка происходит следующим образом - если отключение нагрузки в некотором узле n ∈ Г приводит к увеличению перетока по некоторой связи n ∈ L (здесь Г - множество узлов нагрузки, входящих в текущий вектор УВ; L - множество контролируемых связей в подсистеме), то данная связь должна быть единожды включена в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния.
3. Агент перегруженной связи запрашивает информацию о текущем перетоке активной мощности по связям, входящим в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния. Обычно данный список содержит не слишком большое количество связей, так как, как правило, отключение нагрузки приводит к снижению загрузки большинства элементов в контролируемой подсистеме.
4. После получения информации о текущих перетоках активной мощности по связям из списка уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния агент каждой j-й перегруженной связи выполняет повторный расчет оптимального объема отключаемой нагрузки. При этом учитывается воздействие отключения нагрузки на связи с отрицательными коэффициентами влияния:
i
i
ij
где В - множество узлов нагрузки в подсистеме, участвующих в работе автоматики; Г - множество узлов нагрузки, входящих в текущий вектор УВ, Г ⊂ B; Т - множество связей, входящих в список уникальных связей; С и ΔP - соответственно стоимость и объем отключения i-й нагрузки;  - соответственно максимально допустимый и текущий переток активной мощности по j-й перегруженной связи;  - соответственно максимально допустимый и текущий переток активной мощности по m-й связи, m ∈ T; k - коэффициент влияния, определяющий величину воздействия изменения i-й нагрузки на переток по j-й связи; α и β - минимально допустимые значения коэффициентов влияния, α≥0, β≥0;  - текущее значение величины i-й нагрузки. В результате решения задачи оптимизации должен быть получен вектор управляющих воздействий (УВ), содержащий оптимальный объем отключения нагрузки в контролируемой подсистеме с учетом воздействия на связи с отрицательными коэффициентами влияния. Элементы вектора управляющих воздействий (УВ), полученные в результате решения задачи оптимизации, округляются, исходя из предварительно полученной информации о загрузке присоединений нагрузочных узлов.
5. Для каждого элемента из вектора УВ формируется список связей, которые ранее не входили в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния. Список связей, которые ранее не входили в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами, формируется следующим образом. Если отключение нагрузки в некотором узле i ∈ В, входящим в вектор УВ, приводит к увеличению перетока по некоторой связи m ∈ L (здесь L - множество контролируемых связей в подсистеме) и если связь m ранее не входила в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния, то данная связь должна быть включена в список связей с отрицательными коэффициентами влияния. Если сформированный таким образом список связей оказался пуст, то выполняется переход к шагу 6, иначе выполняется переход к шагу 2.
6. Каждый элемент вектора УВ, полученного на шаге 5, включается в информационное сообщение-запрос и передается соответствующему агенту нагрузки. Агент нагрузки обрабатывает запросы, поступающие от агентов связей, и реализуют запрашиваемые УВ. Если агент нагрузки не в состоянии выполнить отключение запрашиваемого присоединения либо если объем нагрузки на присоединении существенно меньше запрашиваемого, то он отправляет агенту связи информационное сообщение о невозможности выполнения отключения запрашиваемого присоединения. Данное сообщение должно содержать информацию о текущем состоянии агента нагрузки: количество присоединений, находящихся в работе, а также объем нагрузки на каждом присоединении. Если агенту нагрузки удается реализовать запрашиваемое УВ, то он отправляет агенту связи сообщение об успешной реализации запрашиваемого УВ.
7. Если после реализации УВ переток активной мощности хотя бы по одной из контролируемых связей в подсистеме превышает предельно допустимый, то, учитывая данные изменения, переходим к шагу 1. В противном случае заканчиваем выполнение алгоритма.
На любом шаге алгоритма агент связи завершает выполнение алгоритма при условии, что переток активной мощности по связи, контролируемой данным агентом, меньше предельно допустимого. На любом шаге алгоритма работоспособный агент связи должен отвечать на запросы других агентов связи о текущем перетоке активной мощности по связи, контролируемой данным агентом.
Сопоставительный анализ предлагаемого способа с известными не выявил способов, содержащих признаки, идентичные или эквивалентные отличительным признакам предлагаемого способа. Поэтому можно сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию «существенные отличия».
Краткое описание чертежей
На фиг.1 приведена схема энергосистемы, на примере которой раскрывается суть предлагаемого способа.
На фиг.2 приведена блок-схема устройства, с помощью которого можно осуществить описываемый способ.
Осуществление изобретения
Реализация способа возможна с помощью устройства, блок-схема которого приведена на фиг.2. Данное схематическое изображение отражает особенности выполнения локального устройства ПАУ, реализующего функции агента связи. Устройство ПАУ состоит из блока сбора измерений 6 и блока выдачи управляющих воздействий 16. В блок сбора измерений 6 поступают набор сведений о текущей топологии сети и информация о текущем состоянии узлов нагрузки, которые оказывают наибольшее влияние на загрузку связи, контролируемую данным агентом. Информация о текущей загрузке контролируемой связи поступает в блок 7, в котором проверяется логическое условие наличия перегрузки. В случае отсутствия перегрузки управление вновь передается в блок 6, в случае наличия перегрузки управление передается в блок 8. В блоке 8 на основании информации о текущей топологии сети происходит выбор таблицы коэффициентов влияния, после чего управление передается в блок 9. В блоке 9 на основании текущей информации, которой располагает агент связи, производится предварительный расчет оптимального объема отключаемой нагрузки. В случае отсутствия решения задачи линейной оптимизации, формируемой в блоке 9, работа алгоритма завершается, и управление передается в блок 10, который не относится к рассматриваемому алгоритму и реализует прочие алгоритмы ПАУ. В случае наличия решения задачи, формируемой в блоке 9, полученный вектор управляющих воздействий (УВ) передается в блок 11. В блоке 11 происходит формирование списка уникальных связей с отрицательными коэффициентами влияния. Затем данный список передается в блок 12. Блок 12 выполняет запрос информации о текущем перетоке активной мощности по связям, входящим в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами, после получения данная информация передается в блок 13. В блоке 13 происходит повторный расчет оптимального объема отключаемой нагрузки с учетом воздействия УВ на связи с отрицательными коэффициентами влияния. В случае отсутствия решения задачи линейной оптимизации, формируемой в блоке 13, работа алгоритма завершается, и управление передается в блок 10, который не относится к рассматриваемому алгоритму и реализует прочие алгоритмы ПАУ. В случае наличия решения задачи, формируемой в блоке 13, полученный вектор УВ передается в блок 14, в котором формируется список связей, которые ранее не входили в список уникальных связей с отрицательными коэффициентами. Сформированный список передается в блок 15. В блоке 15 происходит проверка логического условия. Если список, переданный в блок 15, не пуст, то происходит передача текущего вектора УВ в блок 11, в противном случае вектор УВ передается в блок 16. Блок 16 выполняет отправку информационных сообщений агентам нагрузки с запросом реализации управляющих воздействий. Запрашиваемые агенты нагрузки могут ответить либо отказом, при этом ответное сообщение должно содержать информацию о текущем состоянии агента нагрузки, ответившего отказом, либо согласием, при этом агенты, ответившие согласием, реализуют запрашиваемые УВ. После получения ответов от всех запрашиваемых агентов нагрузки либо спустя некоторое фиксированное время ожидания, которое зависит от уровня текущей перегрузки контролируемой линии, времени максимально возможного ожидания отклика и т.п., агент связи передает управление в блок 6. Передача управления в блок 6 может также выполняться из любой части алгоритма по внешнему прерыванию в случае снятия перегрузки с контролируемой связи.