Способ формирования управляемой агрегации и управления агрегацией электрической нагрузки и/или источников электрической мощности
METHOD FOR FORMATION OF CONTROLLED AGGREGATION AND CONTROL OF AGGREGATION OF ELECTRICAL LOAD AND/OR ELECTRICAL POWER SOURCES

Заявленное изобретение относится к области программных решений и алгоритмов управления, а именно к программным комплексам, направленным на решение задачи создания агрегации территориально распределенной электрической нагрузки и/или источников электрической мощности, присоединенных к централизованной электрической сети, и управления такой агрегацией.
Для целей настоящей заявки нижеприведенные термины имеют следующее значение:
Гибкость в электроэнергетической системе (электроэнергетическая гибкость) - возможность изменять нагрузку на электроэнергетическую систему со стороны потребителей электроэнергии за счет применения технологий управления электрической нагрузкой, а не за счет изменения режима работы генерирующего оборудования системообразующих электростанций и/или электросетевого оборудования.
Территориально распределенная электрическая нагрузка - электротехническая установка, электротехническое устройство (электрическая нагрузка) или их совокупность, подключенная к централизованной электрической сети и расположенная на разных географических территориях.
Территориально распределенные источники электрической мощности - источники электрической мощности (например, накопители электрической энергии, тепловые электростанции малой мощности), подключенные к централизованной электрической сети, работающие в параллельном (с централизованной электрической сетью) режиме и расположенные на разных географических территориях.
Управляемый объект - электротехническая установка, электротехническое устройство (электрическая нагрузка) и/или источник электрической мощности, присоединенный к централизованной электрической сети и изменяющий собственные режимы работы вследствие управляющих воздействий аппаратно-программного комплекса.
Управляемая агрегация - совокупность управляемых объектов, объединенных алгоритмами управления в единый массив управления.
Аппаратно-программный комплекс (АПК) - совокупность аппаратных решений, программных решений, а также алгоритмов управления, направленных на решение задач непосредственного регулирования режимов работы управляемых объектов и формирования агрегации.
Узел координации - программно-определяемый компонент инфраструктуры АПК на уровне объектов управления, обеспечивающий иерархическое формирование управляемой агрегации и автономное управление сформированной агрегацией.
Команда управления - инструкция в специализированном машиночитаемом формате, передаваемая по протоколам информационного взаимодействия управляемых объектов, сообщающая программному обеспечению управляемого объекта требуемый режим управления электрической нагрузкой и/или источниками электрической мощности с характеристиками управления.
Регулирование параметров централизованной электрической сети с применением управляемой агрегации - процесс автоматического изменения режимов работы управляемой агрегации, вызванный изменением регулируемых параметров и направленный на уменьшение этого изменения.
Централизованная электрическая сеть - совокупность производственных и иных имущественных объектов электроэнергетики, связанных единым процессом производства и передачи электрической энергии.
Уровень техники
Предпосылками к необходимости создания заявленного изобретения является следующее:
В настоящий момент стабильная работа энергосистемы достигается за счет централизованного оперативно-технологического управления энергетической системой.
В энергетической системе должно осуществляться непрерывное регулирование электроэнергетического режима по частоте и перетокам активной мощности с целью поддержания частоты в определенных пределах и поддержания перетоков активной мощности в определенных пределах максимально допустимых значений.
Технически, решение задачи поддержания частоты в определенных пределах и поддержания перетоков активной мощности в определенных пределах происходит посредством полуавтоматического и/или автоматического изменения режимов работы генерирующего оборудования электростанций.
Использование генерирующего оборудования для регулирования электроэнергетического режима по частоте и перетокам активной мощности должно осуществляться в пределах имеющихся регулировочных возможностей генерирующего оборудования, ограниченных только его допустимыми режимами работы по условиям безопасной эксплуатации.
Для регулирования частоты и перетоков активной мощности собственники генерирующего оборудования должны обеспечивать:
- создание и эксплуатацию на электростанциях систем автоматического управления активной мощностью генерирующего оборудования;
- поддержание заданных параметров на генерирующем оборудовании резервов первичного, вторичного и третичного регулирования частоты;
- готовность генерирующего оборудования к реализации резервов в автоматическом режиме или по диспетчерским командам системного оператора;
- внедрение и эксплуатацию на электростанциях устройств системы мониторинга участия генерирующего оборудования в первичном, вторичном и третичном регулировании;
- организацию и эксплуатацию каналов связи с диспетчерскими центрами системного оператора для обеспечения системы мониторинга участия генерирующего оборудования в первичном, вторичном и третичном регулировании.
Заявленное изобретение является инструментом, который позволяет осуществлять непрерывное регулирование электроэнергетического режима по частоте и перетокам активной мощности с целью поддержания в пределах допустимых значений. Непрерывное, автоматическое регулирование электроэнергетических режимов достигается посредством программных решений и алгоритмов, агрегирующих индивидуальные регулировочные возможности управляемых объектов и аппаратных решений, непосредственно регулирующих режимы работы управляемых объектов. Заявленное изобретение описывает способы создания агрегации и управления агрегацией управляемых объектов, присоединенных к централизованной электрической сети.
В качестве наиболее близкого аналога выбран - Способ агрегированного управления территориально распределенной электрической нагрузкой (патент RU 2699048, МПК H02J 3/06, 27.09.2018).
Указанный способ заключается в агрегированном управлении территориально распределенной электрической нагрузкой малой мощности на централизованную энергетическую сеть, содержащий этапы, на которых обеспечивают аппаратно-программный комплекс, включающий три уровня: объектная часть, серверная часть и клиентская часть, при этом количество объектов объектного уровня не ограничено и является единым массивом мощности для серверной части АПК, при этом на серверной части АПК осуществляют расчет агрегированных значений таким образом, что получив команду от системного оператора, серверная часть АПК выполняет расчет изменения потребляемой мощности по каждому объекту и формирует для каждого из множества объектов команды, которые передаются одновременно на все контролируемые объекты с использованием каналов связи, при этом обеспечивают передачу информации со скоростью, позволяющей управляющему оборудованию на объекте, получив команду от серверной части АПК, выполнить регулирование мощности потребления в отведенный системным оператором срок, при этом способы регулирования мощности потребления на объекте определяются составом и характеристиками силового оборудования, составляющего оснащение объекта, и реализуются посредством регулирования параметров работы данного силового оборудования с применением одного из физических принципов либо их комбинацией.
Недостатком указанного аналога является применение централизованного способа формирования агрегации регулируемой электрической нагрузки в единый массив управления. В силу общих ограничений архитектуры (алгоритмы формирования агрегации) использованной для формирования агрегации управляемых объектов, данный способ обладает ограничениями в части увеличения вычислительной сложности алгоритмов формирования агрегации, увеличения требований к вычислительным ресурсам серверной части и к пропускной способности каналов передачи данных, увеличения времени реакции на изменения контролируемых параметров среды при масштабировании агрегации. Так, например, при централизованном способе формирования агрегации команды передаются напрямую, всем низшим по иерархии элементам управляемых объектов. Данный недостаток является фактором-риском, ограничивающим применение данного способа для решения задач автоматического регулирование электроэнергетического режима по частоте и перетокам активной мощности с целью поддержания в пределах допустимых значений.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение заключается в разработке альтернативного, эффективного алгоритма с помощью которого формируется и управляется агрегация электрической нагрузки, позволяющая регулировать электроэнергетические режимы по частоте и перетокам активной мощности в энергетической системе в автоматическом режиме.
Техническим результатом заявляемого способа является высокоэффективное, непрерывное регулирование электроэнергетического режима по частоте и перетокам активной мощности в энергетической системе.
Способ формирования управляемой агрегации и управления агрегацией электрической нагрузки и/или источников электрической мощности содержит этапы на которых для иерархического агрегированного управления объектами, в соответствии с установленной конфигурацией, формируется управляемая агрегация по параметрам электропотребления в иерархическом порядке, при этом один из управляемых объектов входящий в управляемую агрегацию назначается узлом координации, обеспечивающим формирование команд управления для передачи низшим по иерархии управляемым объектам в режиме реального времени на основании данных мониторинга регулируемых параметров централизованной электрической сети и ресурсов управления подчиненных управляемых объектов, а именно количества и доступности электрической нагрузки и источников мощности, их регулируемости.
Кроме того, узел координации выполняет динамическое автономное формирование управляемой агрегации в режиме реального времени на основании данных мониторинга регулируемых параметров централизованной электрической сети и информации о ресурсах управления доступных для подключения к агрегации управляемых объектов, а именно, географическом местоположении/точке подключения к централизованной электрической сети, количестве и доступности электрической нагрузки и источников мощности, их регулируемости.
Кроме того, формирование иерархических управляемых агрегаций выполняется на уровне объектов управления, в режиме реального времени по принципам мультиагентной системы, в процессе горизонтального обмена данными, при этом выбор узла координации реализуется на основе алгоритмов голосования управляемых объектов в соответствии со стратегией самоорганизации.
Заявленный способ характеризуется как иерархический способ формирования агрегации территориально распределенных управляемых объектов, присоединенных к централизованной эклектической сети.
При этом критериями включения управляемых объектов в управляемую агрегацию, являются:
критерий «подключенности» - физического, электрического присоединения управляемого объекта к электроэнергетической системе вне зависимости от территориального удаления от другого управляемого объекта;
критерий «доступности» - наличие на управляемом объекте свободного, управляемого резерва электрической нагрузки и/или электрической мощности (например, управляемые накопители электрической энергии, подключенные к электроустановкам потребителей электрической энергии и работающие в режиме заряд или разряд).
При иерархическом способе формирования управляемых агрегаций указанный технический результат достигается тем, что из элементов управляемых объектов в режиме реального времени формируются группы по параметрам энергопотребления в иерархическом порядке, при этом один из элементов группы выполняет роль узла координации, при этом в зависимости от архитектуры системы за формирование групп отвечает серверная часть, узел координации или алгоритмы самоорганизации.
Кроме того, узел координации выполняет непрерывный мониторинг регулируемых параметров централизованной электрической сети и при возникновении условий регулирования выполняет расчет изменения мощности (нагрузки) по каждому подчиненному элементу управляемых объектов, а также формирует для каждого элемента, команды регулирования.
Кроме того, алгоритмы самоорганизации в зависимости от количества доступных ресурсов управляемых объектов, формируют балансирующие кластеры по принципам мультиагентной системы в автономном от серверной части режиме.
Кроме того, управляемые компоненты управляемых объектов осуществляют горизонтальный обмен данными между собой в соответствии с иерархией подчинения.
Заявляемый способ формирования управляемой агрегации и управления агрегацией, описывает архитектуру системы управления энергетической гибкостью для энергосистемы, обеспечивающей эффект аналогичный работе генерирующего оборудования электростанций в целях непрерывного регулирования электроэнергетического режима по частоте и перетокам активной мощности.
Для создания гибкости в энергетической системе, как инструмента регулировки режимов работы энергетической систем из управляемых объектов формируют группы по регулируемым параметрам в иерархическом порядке. При этом один из элементов группы выполняет роль узла координации. Узлы координации являются специализированными программно-определяемыми элементами инфраструктуры АПК, обеспечивающими консолидацию объектов управления в управляемую агрегацию и использование регулировочных способностей агрегации в целях создания виртуальной электростанции.
Каждый узел координации выполняет непрерывный мониторинг регулируемых параметров централизованной электрической сети и подчиненных управляемых объектов, расчет, формирование и передачу, при возникновении условий управления, подчиненным управляемым объектам команд управления. Ответной реакцией АПК на управляемом объекте (на получение команды управления) является запуск требуемого режима управления электрической нагрузкой и/или источниками электрической мощности с характеристиками управления и отправка уведомления о запуске режима, либо в случае сбоя или отсутствии технической возможности исполнить режим - отправка на узел координации сообщения об ошибке установки режима с информацией о причине отказа.
Формирование узлов координации на уровне объектов управления обеспечивает повышение показателей надежности управления, снижение времени реакции АПК на возникновение условий регулирования, снижение информационной нагрузки на централизованные компоненты АПК.
Изобретение поясняется следующими чертежами, на которых представлено:
На фиг. 1 представлена схема информационного взаимодействия управляемых объектов с узлом координации, узла координации с центральной системой управления для реализации стратегии иерархического управления.
На фиг. 2 представлена схема информационного взаимодействия.
На фиг. 3 представлена схема информационного взаимодействия управляемых объектов, для реализации стратегии интеллектуальной одноранговой самоорганизации с горизонтальным взаимодействием.
На фиг. 4 представлена схема информационного взаимодействия между управляемыми агрегациями для создания гибкости в энергетической системе.
Осуществление заявленного способа.
Реализация заявленного способа на примере внедрения АПК на базовых станциях сотовой связи и применения способа формирования управляемой агрегации в целях достижения технического результата: регулирования частоты и перетоков активной мощности в единой энергетической системе.
Частота в энергосистеме определяется балансом вырабатываемой и потребляемой активной мощности. Например, в случае нарушения баланса мощности происходит отклонение частоты из пределов допустимых значений. Для восстановления нормального значения частоты с помощью управляемой агрегации, необходимо изменить активную мощность, потребляемую от централизованной электрической сети или выдаваемую управляемой агрегацией в централизованную электрическую сеть, что равнозначно изменению значений генерируемой активной мощности на электростанциях.
Применение управляемой агрегации в целях регулирования режимов работы единой энергетической системы по частоте и перетокам активной мощности возможно как в первичном, так и вторичном регулировании частоты. Применение управляемой агрегации для регулирования частоты и перетоков активной мощности, возможно для методов централизованного и децентрализованного комплексного регулирования частоты и перетоков мощности. При этом применение управляемой агрегации позволяет достигать системно значимых эффектов, из-за потенциально значимых размеров управляемой агрегации, достигающих значений десятков/сотен МВт.
При этом настройки алгоритмов работы управляемой агрегации зависят от типа участия в процессе регулирования частоты, первичное или вторичное регулирование частоты, методов регулирования, централизованное или децентрализованное (детализировано в прикладных технических регламентах конкретного системного оператора) и согласованных с системным оператором единой энергетической системы двухсторонних технических протоколах, описывающих параметры участия (управляемой агрегации) в системных услугах по регулированию частоты и перетоков активной мощности в единой энергетической системе.
Например, для создания управляемых объектов может быть использована инфраструктура сотовой связи, базовые станции сотовой связи. Управляемые объекты могут быть сформированы путем установки и подключения аппаратной части АПК к системам электропитания базовых станций сотовой связи. В качестве аппаратной части АПК применяются управляемые накопители электрической энергии, работающие в режимах потребления электрической энергии (мощности) из системы электропитания базовых станций сотовой связи или выдачи электрической энергии (мощности) в систему электропитания базовых станций сотовой связи. За счет большого количества базовых станций сотовой связи (сотни тысяч объектов) достигаются существенные, агрегированные значения мощности регулирования, измеряемые сотнями МВт. За счет равномерного, географического расположения и постоянного подключения к централизованной электрической сети достигается качественная возможность регулирования баланса активной мощности в энергосистеме.
При этом заявленными целями управляемой агрегации созданной на инфраструктуре сотовой связи могут быть:
создание гибкости в единой энергетической системе, как инструмента регулировки режимов работы единой энергетической системы;
создание технического инструмента для работы на рынках электрической энергии (мощности), а именно продажи совокупности регулировочных способностей в качестве товара или услуги;
создание технического инструмента для работы на рынке системных услуг, рынке управления спросом (demand response), а именно продажи совокупности регулировочных способностей управляемой агрегации в качестве товара или услуги;
создания на основе управляемой агрегации виртуальной электростанции.
В частном случае управляемая агрегация базовых станций сотовой связи формируется методом кластеризации по критерию географической близости с учетом границ зон свободных перетоков. Стратегия иерархического управления фиг. 1, может быть реализована различными способами:
1. при выходе значений контролируемых параметров, полученных в процессе прямого измерения, за пределы зоны стабильности, путем интеллектуального реактивного регулирования направленного на поддержание устойчивых режимов работы энергосистемы непосредственно на управляемых объектах, и передачи полученных результатов измерений и информации о корректирующих воздействиях на узел координации и далее в центральную систему АПК;
2. путем формирования в центральной системе АПК заданий или критериев регулирования по поддержанию устойчивых режимов работы в энергетической системе для управляемых агрегаций, на основании данных прямого измерения контролируемых параметров переданных в центральную систему через узлы координации с управляемых объектах, и передачи сформированных заданий или критериев регулирования на узлы координации для осуществления непосредственного управление физическими процессами в агрегациях посредством АПК управляемых объектов (УО);
3. путем передачи из внешних информационных систем системного оператора единой энергетической системы запросов к центральной системе АПК на предоставление услуги по поддержанию устойчивых режимов работы в энергетической системе/ В случае подтверждения запроса центральная система управления формирует для узлов координации (УК) критерии регулирования, по которым осуществляется непосредственное управление физическими процессами посредством АПК управляемых объектов (УО).
В частном случае реализации способа, информационное взаимодействие между централизованной системой управления и узлом координации, а также между узлом координации и подчиненными управляемыми объектами осуществляется по протоколам Интернета вещей с шаблоном доставки сообщений - «издатель - подписчик» (publish - subscribe pattern), предусматривающим гарантированную доставку данных. К таким протоколам относятся, например, AMQP (Advanced Message Queuing Protocol), MQTT (Message Queue Telemetry Transport).
Например, в случае участия управляемой агрегации в первичном регулировании частоты в энергосистеме, регулирование достигается изменением потребления (реализация требуемой первичной мощности) управляемой агрегации в соответствии с формулой:
п
ном
где ΔР %, - требуемая первичная мощность (величина изменения потребления), % от Р;
ном
P - номинальная (максимальная) мощность потребления, МВт;
p
Δƒ - величина отклонения частоты, превышающая величину отклонения частоты от ближайшей границы «мертвой полосы», Гц;
S - статизм первичного регулирования, %.
ном
ƒ - номинальная частота, Гц.
Статизм первичного регулирования,
Согласованность и синхронизация управления физическими процессами в агрегации на уровне управляемых объектов достигается в процессе горизонтального информационного обмена фиг. 2, в режиме реального времени на основании данных полученных из окружающей среды (величина превышения текущим значение частоты минимальной «мертвой полосы», текущее значение частоты, требуемая общая мощность или емкость накопителей электрической энергии, реализованная мощность или емкость накопителей электрической энергии) и данных о внутреннем состоянии управляемых объектов (доступность, объем доступного для исполнения режимов ресурса мощности/емкости электроэнергии на БС, текущий режим БС, статус готовности к исполнению режима, аварийные статус, индекс здоровья, оценка ущерба/выгоды от действия или бездействия, приоритетная политика поведения итд). При этом узлы координации формируют общую для агрегации политику управления путем задания глобальных (для агрегации) приоритетов и критериев регулирования. Реакция каждого объекта управления на информацию, полученную от узла координации и других участников агрегации, определяется алгоритмами и их программной реализацией в модулях АПК для децентрализованного, целенаправленного, согласованного и оптимального управления режимами электропитания базовых станций для первичного регулирования частоты в энергосистеме, с минимальным временем отклика.
Узел координации осуществляет информационный обмен с центральной системой для обеспечения мониторинга и контроля жизненного цикла управляемой агрегации и входящих в нее управляемых объектов и актуализации заданий регулирования. Центральная система обеспечивает внешним информационным системам Системного оператора Единой энергетической системы доступ к данным оказываемых услуги, в частном случае по поддержанию частоты в энергетической системе в пределах установленной «мертвой полосы» первичного регулирования.
В процессе функционирования управляемой агрегации при выходе из строя действующего узла координации, новый узел координации выбирается на основе алгоритмов консенсуса управляемых объектов в соответствии с принятой стратегией интеллектуальной одноранговой самоорганизации с горизонтальным взаимодействием фиг. 3.
В частном случае реализации способа, управляемые объекты осуществляют горизонтальный обмен данными по принципу одноранговой сети (peer-to-peer), по протоколам Интернета вещей с шаблоном - «асинхронный обмен сообщениями» (asynchronous messaging pattern), предусматривающим двунаправленный обмен сообщениями между равноправными системами или агентами, находящимися на одной ступени иерархии. К таким протоколам относятся, например, AMQP (Advanced Message Queuing Protocol), XMPP (eXtensible Messaging and Presence Protocol). Для коммуникаций между агентами применяется специализированный язык (например, АПК может использовать синтаксис и семантику FIPA ACL).
На фиг. 4 представлена схема горизонтального информационного взаимодействия между управляемыми агрегациями для создания гибкости в единой энергетической системе путем согласованного и синхронного управления физическими процессами на уровне управляемых агрегаций в режиме реального времени через социальное взаимодействия - т.е. обмен информацией между узлами координации управляемых агрегаций. Также на фиг. 4 представлена схема вертикального иерархического информационного взаимодействия управляемых агрегаций с центральной системой через узлы координации для обеспечения мониторинга и контроля жизненного цикла управляемых агрегаций и входящих в них управляемых объектов и актуализации заданий регулирования.
Кроме того, приведенные сведения (о частном варианте применения) носят исключительно иллюстративный характер и не служат для ограничения объема правовой охраны заявленного изобретения. В частности, описанное применение, формирование управляемой агрегации на основе инфраструктуры сотовой связи (базовых станциях сотовой связи), с очевидностью для специалиста может быть заменено на любое возможное применение, в том числе с использованием различных аппаратных решений используемых для процесса регулирования режимов потребления или выдачи электрической мощности на управляемом объекте. Применение, соответствующее вышеприведенным критериям включения управляемых объектов в управляемую агрегацию и формирование управляемой агрегации описанным способом.
Заявитель полагает, что приведенные, сведения позволяют в дальнейшем производить включение в формулу изобретения признаков, характеризующих как составные элементы АПК, так и связи между ними, поскольку для специалиста они явным образом следуют из чертежей и иных содержащихся в заявке материалов. В то время как подробное раскрытие в описании отмеченных выше признаков будет явно излишним и приведет к увеличению объема материалов заявки с затруднением понимания сущности заявленного изобретения.
Таким образом, используя описанный выше способ, характеристика которого приведена в предлагаемой формуле изобретения, возможно формировать управляемую агрегацию и использовать ее в качестве технического инструмента для регулирования режимов работы единой энергетической системы, использовать регулировочные способности управляемой агрегации в качестве инструмента для работы на рынках электрической энергии (мощности), системных услуг, рынке управления спросом (demand response).