Применение распределенного мониторинга качества электрической энергии в Microgrid

Библиографический список

1. Дончев А. Системы оптимального управления. Возмущения, приближения и анализ чувствительности. М.: Мир, 1987. 156 с.

2. Фортов В.Е., Макаров А.А. Концепция интеллектуальной электроэнергетической системы России с активно-адаптивной сетью. М.: Наука, 2012.

3. Дорофеев И.Н. Пилотный проект активно-адаптивной сети кластера «Эльгауголь» - задачи создания и основные технические решения // Релейная защита и автоматизация. 2011. № 3. С 66-73.

4. Правила оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике. Утверждены Постановлением Правительства Российской Федерации 27 декабря 2004 г. № 854.

5. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. РД 34.20.501-95. Утверждены президентом РАО "ЕЭС России" 24 августа 1995 г.

6. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. № 1715-р.

УДК 621.311.001

ПРИМЕНЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕННОГО МОНИТОРИНГА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В MICROGRID

© К.В. Суслов1, Н.Н. Солонина2, А.С. Смирнов3, З.В. Солонина4

Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

В интеллектуальных электрических системах широкое использование элементов силовой электроники приводит к появлению высших гармоник тока и напряжения, причем применение силовой электроники будет в перспективе возрастать. В связи с этим оценка влияния отдельных объектов на качество электрической энергии является актуальной задачей. Авторами, для осуществления непрерывного контроля уровня высших гармоник в различных сечениях энергосистемы предлагается распределенная система мониторинга качества за счет использования имеющейся инфраструктуры PMU. Ил. 3. Библиогр. 17 назв.

Ключевые слова: Smart Grid; Microgrid; качество электрической энергии; высшие гармоники напряжения и тока; распределенный мониторинг качества электроэнергии; PMU.

APPLICATION OF DISTRIBUTED POWER QUALITY MONITORING IN MICROGRID K.V. Suslov, N.N. Solonina, A.S. Smirnov, Z.V. Solonina

Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The growing use of the elements of power electronics in intelligent electric power systems leads to the occurrence of higher harmonics of voltage and currents. Therefore, the assessment of the effect of specific facilities on power quality is a relevant problem. To perform continuous control of the level of higher harmonics in different cutsets of the electric power system the authors propose a distributed power quality monitoring system based on the use of available PMU infrastructure.

3 figures. 17 sources.

Key words: Smart Grid; Microgrid; power quality; higher harmonics of voltage and current; distributed power quality monitoring; phasor measurement units.

Введение. В настоящее время в связи с глобальным дефицитом энергоносителей на первое место выдвигается задача более эффективного использова-

ния существующих генерирующих мощностей и линий электропередачи. При этом имеет место известное противоречие: результативность работы постоянно

1Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu

Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu

2Солонина Нафиса Назиповна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

Solonina Nafisa, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89500846006, e-mail: otep@istu.edu

3Смирнов Анатолий Серафимович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89027673385, e-mail: otep@istu.edu

Smirnov Anatoly, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89027673385, e-mail: otep@istu.edu

4Солонина Зоя Валерьевна, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89500846006, e-mail: v40@istu.edu

Solonina Zoya, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89500846006, e-mail: v40@istu.edu

внедряемых современных технологических установок повышается, но, вместе с тем, в питающем напряжении увеличивается уровень высших гармоник (ВГ). В итоге снижается качество питающего напряжения, что, в свою очередь, уменьшает результативность применения электрической энергии [1; 2; 3]. Таким образом, возникает необходимость контролировать распределение ВГ в различных сечениях питающей сети [4; 5; 6; 8]. На основе анализа можно выработать сигналы управления работой частотозадающих цепей: управляемых конденсаторных компенсирующих устройств, реакторов, пассивных и активных фильтров.

Авторами предлагается в качестве источника первичной информации использовать имеющиеся инфраструктуры регистраторов векторных параметров (PMU) - датчики мгновенных значений токов и напряжений. Их сигналы, передающиеся по спутниковой связи в центр управления для мониторинга режимов, вполне пригодны и для контроля качества электрической энергии. В центре управления необходимо установить интеллектуальный счетчик раздельного измерения энергии ВГ и энергии основной гармоники [7], на вход которого через мультиплексор поступает информация о токах и напряжениях в различных узлах системы. Затем эта информация обрабатывается, и принимается решение о воздействии с помощью аппаратуры FACTS на переменные (управляемые) реактивные элементы С и L

Решение проблемы. Энергосистема напоминает организм, для обеспечения живучести которого необходимы системы управления его параметрами. С одной стороны, они автономны, а с другой, - должны быть взаимосвязаны. Этой цели служит создание распределенной системы мониторинга качества электроэнергии и, в частности, уровня ВГ в питающем напря-

жении [9; 10]. Причем, замеры потоков необходимо производить в различных сечениях в режиме, близком к режиму реального времени. Для выполнения поставленной задачи есть инфраструктура PMU, а именно: измерение мгновенных значений тока и напряжения в различных сечениях и передача их в центр управления. Традиционно эта информация используется для регистрации векторных параметров энергосистемы [10; 11; 12].

Предлагается ту же информацию использовать для определения потоков энергии ВГ в разных сечениях с помощью интеллектуального счетчика, разработанного авторами [13; 14]. Кроме того, существует FACTS, позволяющая дистанционно изменять величины реактивных элементов цепи.

Следует отметить, что значительная часть территории регионов России в силу своего географического положения не охвачена централизованным электроснабжением, поэтому решение данной задачи является актуальной проблемой и для изолированных систем.

Основные положения подхода. Пока теоретически не удалось разработать алгоритм для управления параметрами нескольких реактивных элементов, поэтому предлагается использовать метод последовательных приближений, т.е., произвольно изменяя в небольших пределах один из параметров, к примеру, регулируемую емкость, наблюдать за реакцией системы. В качестве целевой функции используем отношение мощности основной гармоники р к мощности ВГ

P„„ , получаемой с выхода счетчика.

_P_

р

1 T-JZJ

В общем случае данная целевая функция (1) за-

Lg

7\

Ld

-TVY"V

Cd

L

Lr

Uab

.3

R

L

Lc

Rc

Рис. 1. Схема замещения микросети

a

е

g

b

висит от многих переменных, где x1, х2, х3... хя -значения реактивных элементов, влияющих на частотные свойства цепи; причем х1,х2 переменные величины, которые можно изменять дистанционно с центра управления. Остальные величины х3,х4 и т.

д. - квазипостоянные, т.е. трансформируются со скоростью изменения режимов работы системы.

Рассмотрим схему замещения типичной изолированной системы электроснабжения (микросеть) (рис.1). Для простоты считаем, что в напряжении присутствует только одна высшая гармоника, например, третья, которая генерируется как е источником, так

и нелинейной нагрузкой е3, и имеются два переменных реактивных элемента: емкость С, индуктивность Ь .

г

переменных х1, х2. Затем, фиксируя первое значение переменной х2 в начале установленного диапазона ( х21), увеличиваем переменную х1 с шагом Лх1 от минимального до максимального значения диапазона. При каждом значении х определяем расчетным путем отношение мощности основной гармоники к мощности ВГ в точках используя методы расчета электрических цепей. Находим х1тах, соответствующее максимуму целевой функции (1), при данном значении х . Полученные значения х , х и целевой функции заносятся в память логического устройства. Затем даем приращение переменной х2 с шагом Ах2 и получаем

Xi 1 x12(x1max} Xi3

X23 (x2max}

Рис. 2. Определение максимума целевой функции

Настройка переменных величин. Для определения принципиальной возможности настройки переменных величин в автоматическом режиме рассмотрим частный случай. Пусть необходимо обеспечить максимально высокое качество электроэнергии в точке присоединения линейного приемника. Индуктивность генератора Ь , распределенную емкость

С, распределенную индуктивность Ь и индуктивности потребителей Ьис и Ь1с считаем неизменными, а регулируемую емкость С, индуктивность регулируемого реактора Ьг переменными. Процедура определения максимума целевой функции при двух изменяющихся параметрах цепи (х1 - переменная емкость, х - переменная индуктивность) представлена на рис. 2. В приведенную модель вводим исходные числовые параметры постоянных величин х3,х4 и др. и минимальное значение диапазона изменения

Х21 + ^2 _ Х22 . Вновь повторяем операцию изменения x во всем диапазоне и находим xlmax7 при значении x22. Этот

процесс продолжаем до достижения переменной x2

верхнего предела диапазона его изменения. Полученный массив данных обрабатывается логическим устройством, и определяются конечные значения

Ximax, x2max. Эти значения, соответствующие наибольшему из максимумов целевой функции, поступают на логическое устройство, которое вырабатывает выходной сигнал, управляющий исполнительными устройствами FACTS. В свою очередь FACTS изменяет зНачеНия fi и f2 до /maxi и /тах2 .

Это было предварительное определение оптимальных значений переменных, так как не учитывались многие влияющие факторы, а именно: не все гармоники высших порядков, другие источники ВГ и т.д.

На рис. 3 представлена схема управления качеством на основе поиска максимума целевой функции (1). Значение соответствует минимальному значению ВГ в питающем напряжении в точках присоединения. На схеме показаны регулируемые элементы x

и x2: емкость синхронного компенсатора Сг и индуктивность регулируемого реактора L . Их значения

изменяются с помощью устройств FACTS. Первичная информация (мгновенные значения токов и напряжений u, i) в точках присоединения (a, b) линейной нагрузки через спутниковую связь поступает в центр управления, а затем на вход интеллектуального счетчика раздельного измерения основной и высших гармоник. Цифровые сигналы на выходе счетчика пропорциональны мощности основной гармоники и мощности высших гармоник. Эти сигналы попадают на вход логического устройства, и сразу вычисляется

отношение

, то есть значение целевой функции

туальный счетчик раздельного измерения энергии ВГ и энергии основной гармоники, что позволяет определить значение реальной целевой функции и

значения f и f , в соответствии с которыми

mmax 1 J max 2 1

устройства FACTS изменяют значения переменных x и x2. Поскольку система мониторинга работает в реальном времени, то и режим возможного минимального уровня напряжения ВГ в точках присоединения поддерживается непрерывно.

Рассмотренная методика подходит и для более разветвленных систем. Для этого необходимо перед счетчиком поставить мультиплексор, что позволит оптимизировать частотные режимы во многих точках присоединений.

Указанная процедура осуществляется в режиме текущего времени, и тем самым происходит непрерывная настройка системы электроснабжения на режим, близкий к оптимальному, с точки зрения содержания высших гармоник в питающем напряжении в выбранных точках присоединения.

Power Grid Control Center

Рис. 3. Схема управления качеством

(1). После завершения процедуры изменения значений переменных Xj и x2, логическое устройство определяет максимальное значение целевой функции ^ и значения переменных x и X, соответствующих этому максимуму. Одновременно с выхода логического устройства вырабатывается сигнал управления устройствами FACTS, которые в свою очередь изменяют переменные x и x до их оптимального значения.

При реализации данного метода для определения

истинных значений переменных x и x необходимо

осуществить вышеописанную процедуру путем действительной модификации параметров. В качестве регистратора целевой функции выступает интеллек-

Заключение. Содержание уровня ВГ в питающем напряжении является важным показателем качества электроэнергии, от которого во многом зависит эффективность ее использования. Предлагаемая авторами распределенная система мониторинга качества позволяет осуществлять непрерывный контроль уровня ВГ в различных сечениях энергосистемы. Для определения направления и уровня высших гармоник используется интеллектуальный счетчик, разработанный авторами. Для передачи информации о мгновенных значениях тока и напряжения используется имеющаяся инфраструктура PMU. Также разработана методика определения оптимальных значений регулируемых реактивных сопротивлений для снижения уровня ВГ с применением устройств FACTS.

Статья поступила 13.05.2014 г.

Библиографический список

1. Kovernikova L.I. The problems of centralized decrease of harmonic voltages in the HV networks with distributed nonlinear loads: ICHQP, 14th International Conference on Harmonics and Quality of Power, 2010.

2. Byman B., Yarborough T. and other. Using distributed power quality monitoring for better electrical system management // IEEE. Transactions on Industry Application. 2000. Vol. 36. Pp.1481-1485.

3. Arrillaga J. Power system harmonics. Chichester: Wiley, 2003.

4. Kovernikova L.I. Centralized normalization of voltage harmonics in the network with distributed nonlinear load by the third-order filters: ISNCC, 10th Conference-Seminar International School on Nonsinusoidal Currents and Compensation, 2010.

5. Коверникова Л.И. Централизованное снижение уровня высших гармоник в сети высокого напряжения с распределенными нелинейными нагрузками с помощью пассивных фильтров // Электричество. 2010. № 9. С. 50-55.

6. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Качество электроэнергии в линиях ДПР // Наука и техника транспорта. 2008. № 3. С. 6064.

7. Suslov K.V., Solonina N.N., Smirnov A.S. Distributed filtering of high harmonics in Smart Grid // CIGRE. 2011. № 1.

8. Chanedeau G., Gaubert J., Rambault L., Tissier J. Frequency measurement with high accuracy and method for harmonics identification in polluted distribution power networks // IEEE. 2012. № 3. _

9. Castaldo D., Gallo D. and other. Power Quality Analysis: a

Distributed Measurement System // IEEE. 2003. № 1.

10. Ayuev B., Erokhin P., Kulikov Y. IPS/UPS Wide Area Monitoring System: CIGRE, 41st Session, 2006.

11. Chow J. Synchrophasor Data and Their Application in Power System Control: IEEE, 49th Conference on Decision and Control, 2010.

12. Vanfretti L., Chow J. Synchrophasor Data Applications for Wide-Area System: 17th Power System Computation Conference, 2011.

13. Smirnov A.S., Solonina N.N, Suslov K.V. Separate measurement of fundamental and high harmonic energy at consumer inlet - a way to enhancement of electricity use efficiency: Power International Conference on Power System Technology, 2010.

14. Суслов К.В., Солонина Н.Н., Смирнов А.С. Перспективный путь снижения высших гармоник в питающей сети // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2012. № 6. С. 52-53.

15. Ivanova I., Popov S., Simonenko A., Tuguzova T. Estimation of Markets for Renewable Energy Technologies in Russia's Eastern Regions: AEC Asian Energy Cooperation. Interstate infrastructure and energy markets, 2004.

16. Morais H., Kadar P. and other. Optimal scheduling of a renewable micro-grid in an isolated load area using mixed-integer linear programming // Renewable Energy. 2010. Vol. 35. Issue 1. Pp.151-156.

17. Voropai N., Suslov K. and other. Development of Power Supply to Isolated Territories in Russia on the Bases of Mi-crogrid Concept: IEEE PES General Meeting, 2012.