Совершенствование методов управления передачей и распределением электроэнергии в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, доктор наук Третьяков Евгений Александрович

• Третьяков Евгений Александрович
• доктор наук
• 2022

Оглавление диссертации доктор наук Третьяков Евгений Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ПЕРСПЕКТИВ РАЗВИТИЯ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

1.1 Анализ состояния системы электроснабжения

1.2 Исследование качества электрической энергии и параметров режима

1.3 Сравнительный анализ способов и технических средств повышения качества и снижения потерь электрической энергии

1.4 Анализ перспектив развития электросетевого комплекса железных

дорог

1.5 Обоснование требований к перспективным методам управления передачей и распределением электрической энергии в системе электроснабжения стационарных потребителей

железных дорог

1.6 Выводы по главе

2 РАЗРАБОТКА МЕТОДА УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

2.1 Разработка концепции управления распределенными объектами

2.2 Разработка метода управления передачей и распределением электрической энергии в системе электроснабжения

стационарных потребителей железных дорог

2.3 Реализация компонентов мультиагентной системы управления

2.4 Разработка структуры онтологии и базы знаний в системе электроснабжения

2.5 Разработка принципов координации распределенными объектами

2.6 Осуществление распределенного оценивания состояний системы электроснабжения

2.6.1 Реализация мониторинга состояния энергообъектов и параметров режима

2.6.2 Структурный анализ топологии сети по результатам измерений

2.6.3 Идентификация параметров случайных процессов изменения нагрузок

2.6.4 Учет статических характеристик графиков нагрузок по напряжению

2.6.5 Оценка регулирующего эффекта нагрузки

2.6.6 Реализация аппроксимации и квантования графиков нагрузки для

целей управления параметрами режима

2.6.7 Осуществление эмпирической модовой декомпозиции графика нагрузки

2.6.8 Исследование рассеяния параметров режима

2.7 Разработка модели прогнозирования данных для целей управления

2.8 Выводы по главе

3 РАЗРАБОТКА МЕТОДА АДПАТИВНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЕМ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

3.1 Сравнительный анализ перспективных методов регулирования напряжения

3.2 Определение управляющих воздействий на основе сенсорного

анализа электрической сети

3.3 Разработка метода адаптивного регулирования напряжения

3.4 Разработка структурно-функциональной схемы устройства регулирования напряжения в электрической сети

3.5 Выводы по главе

4 РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ МОЩНОСТИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

4.1 Определение оптимальных мест размещения и параметров

источников реактивной мощности

4.2 Разработка алгоритма реконфигурации распределительных электрических сетей в нормальных режимах

4.3 Разработка принципов координации потребления и выработки мощности в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог

4.4 Разработка силового трансформатора с управлением потерями холостого хода при малых нагрузках

4.5 Разработка алгоритма управления спросом активных потребителей

4.5.1 Построение модели управления спросом

4.5.2 Исследование возможности участия стационарных потребителей железных дорог в управлении спросом

4.6 Разработка структурно-функциональной схемы устройства регулирования мощности в электрической сети

4.7 Выводы по главе

5 АВТОМАТИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ НОРМАЛЬНОГО РЕЖИМА В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СТАЦИОНАРНЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ

5.1 Анализ методов восстановления нормального режима в электрических сетях

5.2 Анализ устойчивости системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог при управлении распределенными энергообъектами

5.3 Разработка алгоритма автоматического восстановления нормального режима в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог

5.4 Разработка структурно-функциональной схемы устройства восстановления нормального режима

5.5 Выводы по главе

6 РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ И РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

6.1 Имитационное моделирование адаптивного управления передачей

и распределением электрической энергии в системе электроснабжения

6.1.1 Разработка имитационной модели электрической сети

6.1.2 Разработка имитационной модели реального времени для адаптивного управления передачей и распределением электрической энергии

в системе электроснабжения

6.2 Разработка прототипа программно-технического комплекса интеллектуальной системы автоматического управления передачей

и распределением электрической энергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог

6.3 Испытание прототипа программно-технического комплекса

с сигналами реального времени

6.4 Технико-экономическая оценка эффективности предлагаемых решений в системе электроснабжения железных дорог на базе цифровых подстанций

6.5 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Свидетельства РФ об официальной регистрации

программ для ЭВМ

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Патенты РФ на изобретение и полезные модели

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты внедрения

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Фрагмент программного кода ПТК

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование методов управления передачей и распределением электроэнергии в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог»

Актуальность темы исследования.

Система электроснабжения железнодорожного транспорта Российской Федерации (холдинга «РЖД») является крупнейшей в России в части оказания услуг по передаче и распределению электроэнергии стационарным потребителям.

В настоящее время развиваются технологии, связанные с реализацией интеллектуальных электрических сетей и цифровых подстанций, в том числе на железнодорожном транспорте, которые позволяют, обеспечивать новые свойства устойчивости, гибкости, энергоэффективности и надежности в условиях распределенной генерации, накопления энергии и управления спросом активных потребителей. Гибкость системы электроснабжения заключается в адаптации характеристик электрооборудования и устройств к режимам работы в автоматическом режиме на основе информационно-управляющих систем последнего поколения уровня Индустрии 4.0 при передаче и распределении электроэнергии.

Основными стратегическими документами в области развития систем электроснабжения железнодорожного транспорта и электроэнергетических систем России в целом являются концепция единой технической политики холдинга «РЖД», стратегия развития электросетевого комплекса Российской Федерации, разработанной на период до 2030 года, стратегия научно-технологического развития холдинга «РЖД» на период до 2025 года и на перспективу до 2030 года, национальная технологическая инициатива EnergyNet с приоритетными направлениями «Надежные и гибкие сети», «Распределенная энергетика» и пр.

Приоритетами развития систем электроснабжения стационарных потребителей железных дорог в соответствии с указанными стратегическими документами является совершенствование методов управления передачей и распределением электроэнергии в условиях цифровой трансформации электроэнергетических систем на основе технологических решений автоматизации и управления цифровых тяговых подстанций, в том числе связанных с координацией и адаптацией характеристик распределенных устройств регулирования параметров режима, источников генерации (накопления) и потребления электроэнергии для обеспечения снижения потерь, повышения качества электроэнергии и надежности снабжения потребителей.

Реализация технологических решений для автоматизации и управления цифровых тяговых подстанций и системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог требует решения комплекса научных проблем, связанных с разработкой и созданием методов, принципов, алгоритмов и средств функционирования интеллектуальных электрических сетей железнодорожного транспорта. Согласно утвержденной в 2020 г. концепции цифровой тяговой подстанции (п. 6.5) системы ее оперативно-технологического управления должны обеспечивать поддержку следующих технологий: управление тяговым и нетяговым электроснабжением, в том числе и электроснабжением сторонних стационарных потребителей в части идентификации состояния режима, управления переключениями коммутационных аппаратов (реконфигурация электрической схемы) в автоматическом режиме и (или) в режиме советчика энергодиспетчера (в том числе после аварийных отключений); автоматическое и (или) автоматизированное изменение схемы питания и секционирования и (или) схем электроснабжения линий электропередачи и (или) схем электроснабжения сторонних потребителей и (или) схемы внешнего электроснабжения; автоматическое управление загрузкой по активной мощности накопителей, генераторов, управление спросом активных потребителей; автоматическая диспетчеризация оперативного управления электросетевыми контроллерами просьюмеров и режимами работы электрических сетей, включающей объекты микрогенерации, в условиях неполноты информации с использованием искусственного интеллекта; автоматическое координированное поддержание оптимальных (квазиоптимальных) уровней напряжения в тяговой и распределительных сетях системы электроснабжения; возможность выполнения как централизованной, так и распределенной оптимизации режима по напряжению и активной/реактивной мощности с учетом измеренных потерь, в том числе за счет активных потребителей/тяговых нагрузок; автоматическое координированное интеллектуальное управление средствами регулирования напряжения и средствами компенсации реактивной мощности, системами FACTS, системами накопления электроэнергии, генерацией/рекуперацией, активными потребителями для ведения нормальных, аварийных и послеаварийных режимов в реальном времени; автоматическое управление спросом активных потребителей и отключениями/ограничением нагрузок по логическим условиям для управления нормальными и послеаварийными режимами; применение алгоритмов самоорга-

низации, экспертных систем и алгоритмов прогнозирующего управления распределенными энергообъектами на основе обработки больших данных.

Реализация утвержденной концепции цифровой тяговой подстанции позволит автоматизировать управление двумя основными технологическими процессами в системе электроснабжения железных дорог: передача и распределение электроэнергии на тягу поездов и нетяговым, стационарным потребителям для повышения надежности и энергетической эффективности системы электроснабжения; оперативное управление и техническое обслуживание объектов системы электроснабжения для повышения безопасности труда и снижения стоимости эксплуатации. Одной из базовых технологий интеллектуальных систем цифровой тяговой подстанции являются многоагентные интеллектуальные системы управления для создания адаптивных самовосстанавливающихся систем электроснабжения железных дорог.

К настоящему времени указанная проблематика в рамках указанной концепции находится на этапе разработки и имеет значительный потенциал развития.

Данная работа посвящена совершенствованию методов управления передачей и распределением электроэнергии в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог для реализации функций системы оперативно-технологического управления согласно концепции цифровой тяговой подстанции и интеллектуальных электрических сетей.

Степень разработанности темы исследования.

Значительный вклад в разработку методов снижения потерь, повышения качества электроэнергии, управления режимами в системах электроснабжения, внесли ученые Аввакумов В. Г., Агунов А. В., , Арзамасцев Д. А., Бородулин Б. М., Бадер М. П., Бардушко В. Д., Бартоламей П.И., Бурков А. Т., Веников В. А., Гамм А.З., Горнштейн В.М., Демирчян К. С., Дынькин Б. Е., Дрехслер Р., Ермоленко Д. В., Жарков Ю. И., Жежеленко И. В., Железко Ю. С., Зиновьев Г. С., Ка-рякин Р. Н., Крогерис А. Ф., Кучумов Л. А., Ли В. Н., Лурье Е. С., Мамошин Р. Р., Мельников Н. А., Маевский О. А., Манусов В.З., Пантелеев В. И., Тимофеев Д. В., Хрущев Ю. В., Черемисин В. Т., Шидловский А. К. и другие ученые.

Вопросы оценки эффективности применения накопителей энергии в системе тягового электроснабжения железнодорожного транспорта и метрополитена, расчет их параметров, мест установки, методы оптимизации режимов ис-

следованы в работах Гречишникова В. А. Шевлюгина М. В. Широкий круг задач, связанный с разработкой алгоритмов управления локальными регуляторами напряжения, устройствами компенсации реактивной мощности, устройствами продольной компенсации системы тягового электроснабжения и стационарных потребителей железных дорог, в том числе с возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и распределенной генерацией, решаются в работах ученых Аржанникова Б. А., Германа Л. А., Закарюкина В. П., Крюкова А. В. и других ученых.

Научные исследования в области разработки активных энергетических комплексов, системы электроснабжения с применением ВИЭ и накопителями электроэнергии, включая разработку системы предиктивного управления зарядом и разрядом батарей на основе прогнозов генерации и потребления, обеспечение устойчивости в электрических сетях с источниками распределенной генерации (просьюмеров) при их параллельной работе с сетью, тенденции развития электроэнергетики на базе распределенной генерации, технико-экономические проблемы использования нетрадиционной энергетики, управление напряжением с источниками распределенной генерации в электроэнергетических системах, противоаварийное управление с опережающим делением электрической сети с источниками распределенной генерации, разработки гибридных автономных систем электроснабжения с ВИЭ, с ветро-дизельными установками выполняют ученые Волошин А. А., Воропай Н. И., Велькин В. И., Елистратов В. В., Лоскутов А. Б., Лукутин Б. В., Подковальников С. В., Фи-шов А. Г. и другие.

Вопросы создания интеллектуальных электроэнергетических систем нашли отражение в работах зарубежных ученых Budenau C., Moore W., Niknam T., Zare M., Aghaei J., Morattab A., Akhrif O.,Saad M., Alobeidli K., Moursi S., Yassami H., Bayat F., Jalilvand A., Rabiee A. и др.

Несмотря на значительное количество работ и научных исследований по отдельным аспектам проблем функционирования интеллектуальных электроэнергетических систем, в том числе железнодорожного транспорта, комплексные вопросы создания информационно-управляющих систем в рамках реализации принятых концепций «Цифровая тяговая подстанция», «Цифровая железная дорога» имеют значительный потенциал развития, особенно в части реализации адаптивных технологий цифровых тяговых подстанций и интеллектуальных электриче-

ских сетей применительно к системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

Данная работа посвящена совершенствованию методов управления передачей и распределением электроэнергии в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог для реализации функций системы оперативно-технологического управления согласно концепции цифровой тяговой подстанции и интеллектуальных электрических сетей.

Цель работы - повышение эффективности функционирования системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог путем совершенствования методов управления передачей и распределением электроэнергии, основанных на адаптивных технологиях цифровых тяговых подстанций и интеллектуальных электрических сетей.

Задачи исследования.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие научные задачи:

1. Выполнить системный анализ текущего состояния системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог и обосновать требования к перспективным интеллектуальным методам управления передачей и распределением электрической энергии.

2. Разработать метод управления системой электроснабжения стационарных потребителей железных дорог на базе мультиагентного подхода.

3. Усовершенствовать метод адаптивного регулирования напряжения в распределительных электрических сетях железных дорог.

4. Создать методы управления потоками мощности для снижения потерь электроэнергии, повышения пропускной способности транспортных каналов и восстановления нормального режима в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

5. Разработать интеллектуальные электронные устройства на основе усовершенствованных методов в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

6. Выполнить имитационное моделирование и апробацию разработанных методов в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог и оценить технико-экономическую эффективность предлагаемых технических решений.

Объект исследования - система электроснабжения стационарных потребителей железных дорог с трансформаторными и тяговыми подстанциями, распределительными электрическими сетями среднего и низкого уровня напряжений, источниками генерации (накопления) мощности.

Предмет исследования - разработка методов координированного управления устройствами регулирования параметров режима, источниками генерации (накопления) активной и реактивной мощности в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог на основе адаптивных технологий цифровых тяговых подстанций и интеллектуальных электрических сетей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод управления передачей и распределением электроэнергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог на основе мультиагентного подхода, дополненный средствами прогнозирования изменений параметров режима и самоорганизации (адаптации) с измененяемой зоной ответственности.

2. Усовершенствован метод адаптивного регулирования напряжения в распределительных электрических сетях железных дорог, основанный на определении величины воздействий в виде приращений активной и реактивной мощности путем координации распределенных источников генерации (накопления) электроэнергии, разнотипных регуляторов напряжения и мощности с учетом их технических особенностей (ступенчато, плавно-регулируемые).

3. Предложен метод управления потокораспределением и повышением пропускной способности транспортных каналов системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог, основанный на реконфигурации электрических схем без расчета установившихся режимов, оптимальной выработки (накопления) активной и реактивной мощности и управления спросом активных потребителей.

4. Предложены схемные решения и получены законы управления регулируемым силовым трансформатором, позволяющие снижать потери холостого хода при малых нагрузках.

5. Разработан алгоритм управления спросом активных потребителей с привязкой к технологическому процессу ремонтного железнодорожного пред-

приятия во взаимосвязи с генерацией, накоплением электроэнергии и дифференциацией нагрузок по значимым факторам.

6. Усовершенствован метод восстановления нормального режима системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог, обеспечивающий дифференциацию подключенных нагрузок на всем контролируемом участке электрической сети путем деления-реконфигурации схемы его питания с корректировкой параметров режима источниками генерации (накопления) мощности.

7. Предложен новый подход к построению интеллектуальных электронных устройств для регулирования напряжения, мощности, автоматического восстановления нормального режима в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог, основанный на наличии в указанных устройствах модулей координации и доказана работоспособность предложенных устройств и алгоритмов в условиях действующих предприятий.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Полученные в диссертационной работе результаты представляют собой новые научно обоснованные технические, технологические решения и разработки, направленные на повышение энергоэффективности системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог на основе технологий автоматизации и управления цифровых подстанций, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие страны.

Практическая значимость результатов работы состоит в том, что:

1. Метод управления передачей и распределением электроэнергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог на основе муль-тиагентного подхода может быть использован при создании системы оперативно-технологического управления цифровыми тяговыми подстанциями.

2. Методы и алгоритмы автоматического управления напряжением, потоками мощности, восстановлением нормального режима за счет реконфигурации электрических схем, координированного управления выработкой активных (накопители, генерация) и реактивных мощностей и спросом активных потребителей позволяют усовершенствовать информационно-технологические и управляющие системы электроснабжения железных дорог и электросетевых компаний.

3. Подходы к управляемому снижению потерь холостого хода в силовых трансформаторах с учетом их загрузки послужили основой для разработки схем-

ных решений секционирования обмоток силовых трансформаторов, которые могут найти применение в системах электроснабжения.

4. Усовершенствованные методы управления передачей и распределением электроэнергии позволили создать прототип интеллектуального электронного устройства в виде программно-технического комплекса, применение которого позволит повысить энергоэффективность адаптивных систем электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

Практическая значимость работы подтверждается актами об использовании результатов научных исследований и разработок в производстве.

Достоверность научных исследований и результатов диссертационной работы проверена и подтверждается совпадением результатов имитационного и численного моделирования с результатами физических экспериментальных данных, полученных с использованием сертифицированного оборудования, приборов по измерению показателей качества электрической энергии (расхождение результатов не превышает 5 %), а также положительными результатами внедрения предложенных методов и технических решений на действующих объектах.

Теоретические результаты получены на основе корректного использования известных методов расчета установившихся режимов, методов оптимизации и математического аппарата мультиагентных систем, специализированного программного обеспечения.

Методы исследования.

Решение поставленных задач базировалось на использовании расчета установившегося режима электрической сети методом узловых напряжений в форме баланса мощностей, интегрального и дифференциального исчисления, метода ветвей и границ, численных методов аппроксимации экспериментальных данных, теории графов, мультиагентного управления, прогнозирования на основе регрессионного анализа, методов имитационного моделирования с использованием программных пакетов МайаЬ, AnyLogic, С++.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод управления передачей и распределением электроэнергии в системе электроснабжения железных дорог на основе мультиагентного подхода.

2. Метод автоматического регулирования напряжения в распределительной электрической сети железных дорог на основе координированного управления распределенными регуляторами с учетом их технических особенностей.

3. Метод управления потоками мощности в распределительных электрических сетях железных дорог.

4. Метод восстановления нормального режима системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

5. Схемные решения и законы управления регулируемым силовым трансформатором, позволяющие снижать потери холостого хода при малых нагрузках.

6. Предлагаемый подход к построению интеллектуальных электронных устройств для регулирования напряжения, мощности, автоматического восстановления нормального режима в адаптивных системах электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

Реализация результатов работы.

Научные результаты диссертации апробировались и внедрялись во Вход-нинской, Омской, Барабинской, Новосибирской, Инской, Карасукской дистанций электроснабжения - структурных подразделениях Западно-Сибирской дирекции по энергообеспечению - структурного подразделения Трансэнерго - филиала ОАО «РЖД», территориальных сетевых организациях ПАО МРСК Сибири - Ом-скэнерго, АО «ОНИИП», АО «Омскшина», ООО «Таврида Электрик Омск».

Внедрение и апробация осуществлялось при выполнении хоздоговорных работ путем:

- разработки мероприятий по обеспечению допустимых параметров энергетического режима, снижения потерь и повышения качества электрической энергии на основе предложенных методов управления напряжением и средствами компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения Входнинской, Омской, Барабинской, Новосибирской, Инской, Карасукской дистанций электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги - филиала ОАО «РЖД»;

- разработки программы энергосбережения и повышения энергетической эффективности электрических сетей на основе координированного совместного применения средств местного и централизованного регулирования напряжения, активных и реактивных мощностей в АО «Омскшина»;

- разработки программ снижения потерь электроэнергии в электрических сетях ФГУП ОмПО «Иртыш» (с 1 августа 2019 г. АО «ОНИИП») до уровня нормативных технологических с использованием предложенных методов адаптивно-

го регулирования напряжения и потоков мощности в распределительных электрических сетях на основе мультиагентного подхода;

- передачи принципов организации мультиагентной системы управления режимами в интеллектуальных электрических сетях, структурно-функциональной схемы интеллектуального электронного устройства регулирования напряжения, мощности и автоматического восстановления нормального режима в распределительной электрической сети, а также прототипа программно-технического комплекса на основе представленных алгоритмов, технических решений по новым методам управления режимами и надежностью электрической сети, базирующимся на применении в электроэнергетике комплексных интеллектуальных технологий в рамках разрабатываемого ООО «Таврида Электрик Омск» проекта концепции интеллектуальной электроэнергетической системы на примере Центрального РЭС Тюменского ТПО филиала «Тюменские распределительные сети» ОАО «Тюменьэнерго»;

на основе соглашения о совместной работе путем:

- передачи в ПАО «МРСК Сибири - Омскэнерго» предложенных методов управления потоками мощности для снижения потерь электроэнергии, повышения пропускной способности транспортных каналов и восстановления нормального режима в распределительных электрических сетях, математической (цифровой) модели реального времени участка распределительной сети Омского РЭС, прототипа программно-технического комплекса на основе представленных алгоритмов, оценки эффекта от внедрения предложений по повышению экономичности и пропускной способности участка распределительных электрических сетей Омского РЭС за счет управления режимами и внедрения современного оборудования.

Внедрение и апробация научных результатов осуществлялось на основе обширных экспериментальных исследований показателей качества электроэнергии в системе электроснабжения железных дорог.

Акты об использовании и внедрении результатов диссертационной работы приведены в приложениях.

Выполнение диссертационной работы осуществлялось согласно с планами госбюджетных НИР в соответствии с приоритетными направлениями развития науки и техники. Темы НИР:

Оптимизация состава и параметров компенсирующих устройств в электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей (№ гос. регистрации 01960000796, 2011 г.);

Совершенствование методов управления напряжением и реактивной мощностью в распределительных сетях железнодорожного транспорта (№ гос. регистрации 01960000796, 2013 г.);

Повышение эффективности эксплуатации, ремонта и технического обслуживания электроподвижного состава и устройств электроснабжения (№ гос. регистрации АААА-Б20-220070690026-2, 2020 г.);

Улучшение эксплуатационных показателей электроподвижного состава и устройств электроснабжения (№ гос. регистрации АААА-А18- 118091090005-4, 2018 г., госзадание Федерального агентства железнодорожного транспорта на 2021 г.).

Отдельные положения диссертации включены в учебный процесс Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС) для аспирантов и слушателей повышения квалификации.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы:

П. 8. Разработка методов статической и динамической оптимизации для решения задач в электроэнергетике.

П. 10. Теоретический анализ и расчетные исследования по транспорту электроэнергии переменным и постоянным током, включая проблему повышения пропускной способности транспортных каналов.

П. 13. Разработка методов использования ЭВМ для решения задач в электроэнергетике.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались на всероссийских и международных конференциях, тематика которых соответствовала направлению диссертационного исследования, в том числе на международных симпозиумах «Екгапэ - 2011, 2017» (г. Санкт-Петербург); международной научно-технической конференции Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 2009); международных научно-технических

конференциях Омского государственного технического университета (Омск, 2010, 2017); международных научно-технических конференциях Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2010, 2013, 2014, 2016, 2018, 2020, 2021); международной научно-технической конференции Уральского государственного университета путей сообщения (Екатеринбург, 2011); международной научно-практической конференции Самарского государственного университета путей сообщения (Самара, 2013); международных научно-практических конференций Иркутского государственного университета путей сообщения (Иркутск, 2014, 2015, 2018, 2019, 2020); международных научно-практических конференциях Юго-Западного государственного университета, (Курск, 2015, 2017, 2019, 2020); международной научно-практической конференции Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (Санкт-Петербург, 2019).

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Третьяков Евгений Александрович, 2022 год

- ■ -

- Operation

+AddAgents(Agents: IAgent(*)) +RemoveAgents(Agents:IAgennt(*)) +StartProcessing() +StopProcessing()

- Q

- I Attributes

+ Satisfaction : Real

- Operation

+ProcessChanges(Objects : IObject() +RecalculateSatisfaction()

Ва81с01вра1с Иег

- Attributes

+ CurrentAgent: Iagent

-

Operation

+AddAgents(Agents: Iagent(*)) +ChooseNextAgent() : Iagent +Process()

+ProcessChanges(Iobject :IObject(*)) +RemoveAgents(Agents:Iagennt(*)) +StartProcessing() +StopProcessing()

IMessage

- Attributes

- Operation

0..1

0..1

Dispatcher

0..1

IScence

Рисунок 6.13 - Модули базы данных по агентам

Приращения по активной и реактивной мощности на узлы электрической сети (из выражения (6.5)) записываются на основе уравнений:

АР = (Зри - Зр8Г^8Зди)Аи; Л0 = (Зо>и - JQsJ-->l5Зди)Аи.

В таблице 6.11 представлены исходные данные для определения управляющих воздействий КУ при координированном управлении напряжением (на примере отклонении напряжения Лиз4 на шине ТП 34).

Запас по активной и реактивной мощности - это ресурс соответствующего агента на текущий момент.

Таблица 6.11 - Исходные данные для определения управляющих воздействий КУ

Номер шины (ТП, КТП) Весовые коэффициенты по активной и реактивной мощности Коэффициенты чувствительности по напряжению для активной и реактивной мощности кР34 aj 34 к Л234 Ь34 Запас по активной и реактивной мощности, кВт и квар соответственно

к- 34 к234 aj 34 Ь 34 р тах дт „х

ТП 1 1 сш — 0,02 0,09 — — — —

ТП 7 — 0,72 0,04 0,1 — 8,9 — 500,0

ТП 34 — 0,92 0,08 0,50 — 3,2 — 0,0

ТП 9 1 сш 2,2 0,72 0,06 0,29 72,1 3,3 200,0 300,0

ТП 16 1 сш — 0,62 0,04 0,25 — 3,4 — 400,0

Показателями полезности (эффективности) локальных агентов (КУ ТП 7, КУ ТП 9, КУ ТП 16) являются соответствующие соотношения кд34 / Ь' 34 , локального агента ^ ТП 9) - кр34 / а} 34.

Агент-координатор ранжирует показатели полезности (приведены в таблице 6.11) и определяет наибольшие из них для расчета управляющих воздействий через оптимизационную модель (см. Глава 3).

Как видно, показатели полезности (эффективности) выстраиваются по убыванию в следующем порядке: КУ ТП 9, КУ ТП 16, КУ ТП 7 и G ТП 9.

На рисунке 6.14 представлены полученные управляющие воздействия (в зависимости от величины отклонения напряжения Ли34.) на указанные регуляторы.

Приращения генерации по активной мощности на ТП 9 не потребовалось. Управляющие воздействия определяются не «с нуля», а относительно текущих параметров режима и текущих инъекций регуляторов.

600 квар

450

300

б

150

0 500 1000 1500 В 2000

ЛП34 -►

7

„______—

9

16

Рисунок 6.14 - Управляющие воздействия КУ ТП 9, КУ ТП 16, КУ ТП 7

Задача координации и определения управляющих воздействий решается итерационно. На первой итерации распределенные вычислители локальных контроллеров определяют свою чувствительность к заданным точкам электрической сети и рассчитывают свои показатели полезности по отношению к решаемой задаче, отправляют свои ресурсы (запас по мощности) агенту-координатору. Далее агент-координатор ранжирует все функции полезности агентов, учитывает их ресурсы и отправляет им для информации управляющие воздействия.

Если какой-то агент не имеет ресурса для управления, то на следующей итерации все локальные агенты обновляют свои показатели полезности без учета выбывшего агента и процесс повторяется.

Как следует из данных таблицы. 6.11 и рисунка 6.14 первыми из локальных контроллеров при отклонении напряжения на шине ТП 34 в работу вступают источники активной и реактивной мощности с наименьшим соотношением кР34 / а]34 и кд334 / bj34 в пределах имеющегося запаса.

Применительно к данному случаю ресурсов локальных регуляторов достаточно для поддержания напряжения в допустимых пределах с отклонением б до А и34 > 1900 В.

Реализация управляющих воздействий моделировалась для участка электрической сети 2 сш ТП 1-110, представленном на рисунке 6.15 и 6.16.

Расчеты установившихся режимов выполнялись в МайаЬ Simulink и РТП 3.

Создание агентных моделей управления имеет определенную специфику связанную с тем, что большинство математических программных продуктов хорошо работают с расчетами и моделями системной динамики, а агентные модели строятся на других принципах.

Для преодоления этого противоречия для моделирования систем управления, созданных на агентом подходе, с моделированием поведения объектов на основе системной динамики, разработано специализированное программное обеспечение.

Особенно можно выделить программные продукты, которые разработаны специально для мультиагентных моделей различных типов, например, JADE, Jason, Repast Simphony, Eclipse AMP, NetLogo, StarLogo, AnyLogic [204 -206].

Многие из указанных программ предполагают серьезную подготовку и навыков пользователей в программировании.

Неплохие результаты можно получить, используя Matlab расширения Sim-ulink, Statflow, а также SimInTech.

На рисунке 6.15 представлена имитационная модель рассматриваемого участка электрической сети в Matlab Simulink, на рисунке 6.16 - в РТП 3.

Моделирование мультиагентного управления напряжением может быть выполнено на основе статических расчетов установившихся режимов для каждого момента времени (дискретно) с вводом в настройки регуляторов расчетных управляющих воздействий.

Второй вариант - это интеграция расчета установившегося режима и имитации работы мультиагентной системы управления. Здесь показана реализация и первого и второго варианта.

Рисунок 6.15 - Модель участка электрической сети с центром питания 2 сш ТП 1-110

2 сш Ш 1

1 ЦП ГП 16

Ю 00

Рисунок 6.16 - Расчет установившегося режима электрической сети в программе РТП 3

Для реализации имитационной модели реального времени с адаптивным управлением напряжением в системе электроснабжения в программной среде Matlab Simulink требуется установить управляющий контроллер, локальные контроллеры и изменяемую по времени нагрузку.

Полученная имитационная модель представлена на рис. 6.17. В качестве источника генерации электрической энергии в 1 сш ТП 9 выступает синхронный генератор. Источники генерации и накопления электроэнергии на стороне 0,4 кВ подключаются в сеть, как правило, через инвертор.

Управляющий контроллер (агент-координатор) реализован в виде диаграмм состояний в Stateflow (рисунок 6.18).

Оптимизационная задача решается встроенными средствами Matlab и счи-тывается в Simulink.

Локальные агенты, реализованные в контроллере имеют три состояния: измерение (Metering), ожидание работы (Waiting), работа (Control).

Переход из одного состояния в другое происходит после наступления определенных событий: получение сообщения, по времени, в результате события внутри агента. Агент-координатор ранжирует показатели полезности (производительности) локальных агентов, оценивает их ресурсы и выдает задание на достижение общей цели - стабилизации напряжений.

Рассматривается нормальный режим, управляющие воздействия реализуются исполнительными устройствами с малыми электромагнитными постоянными времени относительно изменения действующих значений параметров режима. Расчет и проектирование оптимальных регуляторов и их настроек не производилось. Возможные инерционные процессы на полученных графиках нарастания тока, напряжения или закона изменения мощности определяются параметрами силовых электрических цепей, а не настройками регуляторов.

В ряде блоков управления КУ при моделировании Matlab Simulink имеется возможность изменять настройки регуляторов, но это не являлось целью исследования.

ю оо чо

Рисунок 6.17 - Имитационная модель адаптивного управления напряжением

Рисунок 6.18 - Диаграммы состояний управляющего контроллера

Схема управления синхронным генератора в Simulink представлена на рисунке 6.19.

Рисунок 6.19 - Управление синхронным генератором

Модель управляемой нагрузки представлена на рисунке 6.20.

Рисунок 6.20 - Модель нагрузки

Модель нагрузки реализована на основе управляемых источников тока, в блок которых в табличной форме задавался профиль нагрузки.

Имитационная модель производила расчет установившихся режимов встроенными функциями на основе заданной схемы замещения на каждом шаге по времени. Было принято 24 шага, но можно было принять любое количество.

Локальный агент и агент-координатор (управляющий контроллер) реализованы в виде диаграмм состояний (рисунок 6.21, 6.18).

На рисунках 6.22 и 6.23 представлены результаты моделирования муль-тиагентного управления напряжением на шинах ТП 9 и ТП 16 в электрической сети на основе представленных подходов (рисунок 6.14) в программе Simulink.

< t statechart

^_^ Control j

Рисунок 6.21 - Диаграмма состояний локального агента

t -►

а

t -►

б

1 - без стабилизации напряжения; 2 - с управлением с помощью КУ Рисунок 6.22 - Напряжение на шине ТП 9 (а), на шине ТП 16 (б) электрической

сети

t -►

1 - на шине ТП 16; 2 - на шине ТП 9 Рисунок 6.23 - Закон управления КУ

Результаты моделирования показали следующие результаты.

Допустимое отклонение на шинах задано в пределах ± 6%.

Агент КУ на шине ТП 9 имеет лучший показатель полезности чем агент КУ на шине ТП 16, поэтому на всю свою установленную мощности в работу вступает агент КУ ТП 16 (рисунок 6.23).

В момент времени 8 (на шаге 8) регулировочных свойств агента КУ ТП 16 (исчерпал установленную мощность) в работу вступает агент КУ ТП 9 с несколько худшим показателем полезгости.

В данном случае включение активной и реактивной мощности на других ТП не потребовалось.

Сравнительная оценка эффективности мультиагентного и централизованного регулирования напряжений в рассматриваемом энергорайоне системы электроснабжения выполнялась на основе сравнения результатов имитационного моделирования участка электрической сети при условиях:

1) исходная схема нормального и послеаварийного режимов;

2) в работе локальные регуляторы (компенсирующие устройства и синхронный генератор) и (или) регулятор РПН в центре питания ТП 1-110.

На рисунке 6.24 представлено снижение падения напряжений в линиях и потерь мощности в них после указанных (см. таблицу 6.11) инъекций активной и реактивной мощности рассматриваемого участка электрической сети.

60,00 %

А 40,00 30,00 SU 20,00 10,00 0,00

rate

Шш

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер ветви

а

SP

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номер ветви

б

Рисунок 6.24 - Снижение падения напряжения в линиях и потерь мощности в них

В таблице 6.12 представлены полученные результаты по моделированию нормального и послеаварийного режимов для различных вариантов (мультиа-гентное управление, централизованное управление РПН, без управления).

Таблица 6.12 - Результаты моделирования нормального и послеаварийного

режимов

Мультиагентное Централизованное Без управления

Номер управление (1) управление РПН (2) (3)

узла Напряжение, кВ

норм. послеав. норм. послеав. норм. послеав.

1 35,29 35,27 34,68 33,38 33,62 32,61

2 35,49 35,31 34,71 33,44 33,64 32,94

3 35,65 35,57 34,91 33,97 33,84 33,31

4 35,90 35,67 34,97 34,03 33,89 33,32

5 36,42 36,12 35,54 34,40 34,39 34,06

6 36,04 36,23 35,08 34,27 37,62 34,13

7 37,10 36,48 35,82 34,29 34,61 34,23

8 37,00 36,94 36,36 35,78 34,99 34,29

9 37,14 37,05 36,48 35,98 35,09 35,01

10 37,23 37,21 36,65 36,08 35,23 35,06

11 37,80 38,17 37,75 36,96 36,01 35,58

12 37,88 38,37 37,87 37,19 36,09 35,83

13 37,99 37,97 37,99 37,99 36,18 35,88

14 37,62 37,84 35,58

15 37,62 37,83 35,57

16 37,61 37,39 35,56

Результаты многократного имитационного моделирования для мгновенных значений графиков нагрузок с учетом их статистических характеристик по напряжению с определением и ранжированием управляющих воздействий, полученных указанным выше способом, представлены в таблице 6.13 и на рисунке 6.25 в виде статистических оценок: математических ожиданий, среднеквад-ратических отклонений напряжения в узлах электрической сети в послеаварий-ном режиме.

Таблица 6.13 - Результаты моделирования суточного послеаварийного режима

Номер узла Мультиагентное управление КУ (1) Локальное управление КУ (2)

математическое ожидание, кВ СКО, кВ математическое ожидание, кВ СКО, кВ

1 35,27 1,82 35,48 2,74

2 35,31 1,83 35,81 2,76

3 35,02 1,81 35,16 2,71

4 35,07 1,81 35,18 2,71

5 35,18 1,82 35,92 2,77

6 35,23 1,82 35,99 2,78

7 35,48 1,83 36,09 2,78

8 35,94 1,86 36,15 2,79

9 36,05 1,86 36,87 2,84

10 36,20 1,87 36,92 2,85

11 36,46 1,88 37,44 2,89

12 36,36 1,88 37,69 2,91

13 36,76 1,90 37,74 2,91

14 36,61 1,89 37,44 2,89

15 36,61 1,89 37,43 2,89

16 36,60 1,89 37,42 2,88

Локальный регулятор, например, КУ, настраивается на стабилизацию напряжения в точке подключения в автоматическом режиме, что приводит к существенному отклонению напряжения в других узлах электрической сети. Координированное мультиагентное управление предполагает расчет управляющих воздействий на КУ исходя из требуемых значений напряжения в конкретных узлах электрической сети на основе анализа чувствительности. При невозможности обеспечить поддержание напряжения на требуемом уровне локальными средствами управляющие воздействия передаются на регулятор РПН в центре питания.

Номер узла-►

Рисунок 6.25 - Напряжение рассматриваемого участка электрической сети:

1- мультиагентное управление; 2 - централизованное; 3 - локальное

Как следует из данных таблицы 6.12 и рисунка 6.25, среднеквадратиче-ское отклонение меньше при мультиагентном управлении.

Современные КУ работают под управлением своих локальных контроллеров, как правило, по алгоритмам, обеспечивающих поддержание заданного напряжения или коэффициента мощности в точке подключения.

Мультиагентное управление группой локальных контроллеров обеспечивает стабилизацию напряжения не только в месте подключения КУ, а во всех узлах электрической сети на основе координации их между собой.

Координация заключается в данном случае в получении управляющих воздействий не только на основе глобального критерия управления, но и с учетом приоритета стоящих перед локальными регуляторами частных задач и непредсказуемых ситуаций (например, отказ от участия в управлении) в каждый момент времени.

6.2 Разработка прототипа программно-технического комплекса интеллектуальной системы автоматического управления передачей и распределением электрической энергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог

Разработанный прототип программно-технического комплекса интеллектуальной системы автоматического управления передачей и распределением электрической энергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог является надстройкой (дополнением) к существующей (перспективной) автоматизированной системе управления электросетевой инфраструктурой, обеспечивающий следующие основные функции:

- автоматическое поддержание оптимальных (квазиоптимальных) уровней напряжения в контролируемой зоне распределительной сети;

- автоматическое координированное интеллектуальное управление распределенными средствами регулирования напряжения и средствами компенсации реактивной мощности, устройствами FACTS, накопителями, генерацией, спросом активных потребителей на основе причастных компонентов концепций «Виртуальная электростанция» и «Интернета энергии» для стабилизации напряжения, исключения перегрузки (повышение пропускной способности) энергообъектов электрической сети, снижения потерь электроэнергии и затрат на нее;

- автоматическая реконфигурация электрической сети.

Архитектура связей ПТК для питающей подстанции и контролируемого участка распределительной электрической сети может быть реализована, например, как на рис. 6.26 и включает в себя АРМ с серверами, коммутаторами, контроллеры связи и управления, коммутаторы сети, интеллектуальные электронные устройства (подстанционный уровень), интеллектуальные электрон-

ные устройства (уровень присоединения), объекты управления, устройства сопряжения (УСО) с измерительными устройствами (полевой уровень).

Рисунок 6.26 - Архитектура связей ПТК для питающей подстанции и контролируемого участка распределительной электрической сети

Укрупненная структурно-функциональная схема ПТК представлена на рисунке 6.27.

Модель электрической сети реального времени формируется по итогам оценки состояния по данным модуля ввода исходных данных.

Модуль вывода

Рисунок 6.27 - Упрощенная структурно-функциональная схема ПТК

Упрощенная структурно-функциональная схема ПТК соответствует основным этапам разработанных алгоритмов управления напряжениями и потокам мощности.

Как указывалось, основным из важнейшим элементом архитектуры ПТК на уровне подстанции и присоединения являются ИЭУ, под которыми мы будем понимать только те устройства, которые реализуют алгоритмы управления рассматриваемого ПТК.

ИЭУ подстанционного уровня предназначено для реализации рассматриваемых алгоритмов в качестве управляющего контроллера и может быть выполнено на базе промышленного компьютера в виду отсутствия жестких требований по времени выработки управляющих воздействий и достаточно сложных оптимизационных расчетов и методов обработки данных, требующих значительных вычислительных ресурсов.

ИЭУ уровня присоединения имеет свободно программируемую логику, может быть выполнено на базе контроллера и предназначено для реализации алгоритмов автоматики элементов системы электроснабжения, т.е. выступает в качестве локального контроллера исполнительных устройств (энергообъектов).

При необходимости ИЭУ уровня присоединения может иметь выходные реле для непосредственного управления исполнительными устройствами старых типов.

ИЭУ имеет, как правило, следующий состав:

- контроллер (промышленный компьютер);

- источник питания;

- LCD монитор (при необходимости);

- фильтр подавления электромагнитных помех;

- плата аналого-цифрового преобразования;

- PCI плата дискретного ввода/вывода;

- кроссплата (при необходимости);

- плата аналогового ввода-вывода;

- плата дискретного ввода-вывода;

- модули SIM, GPS и пр. (при необходимости);

- корпус;

- системное программное обеспечение;

-прикладное программное обеспечение.

На рис. 6.28 представлена упрощенная структурная схема взаимосвязи аппаратных средств подстанции, включая ИЭУ.

Интеллектуальные электронные устройства подстанционного уровня в соответствии с предлагаемыми подходами могут выступать в качестве агентов-координаторов, а интеллектуальные электронные устройства уровня присоединения - в качестве локальных активных агентов системы автоматического управления передачей и распределением электроэнергии или ее подсистем.

Серверы различных систем

Станционная шина

MMS, GOOSE

устройства аппараты и пр.

Рисунок 6.28 - Структурная схема взаимосвязи аппаратных средств подстанции

Развитие цифровых технологий и внедрение цифровых подстанций, основанных на стандартах серии МЭК 61850, набирает новый темп в России.

На железнодорожном транспорте проходят опытную эксплуатацию несколько тяговых подстанций. Утверждена концепция тяговой подстанции [207].

Подключение ИЭУ к шине подстанции предполагается осуществлять на основе Ethernet по МЭК 61850 и RS 485 (для поддержки старых устройств). Ин-

теллектуальные электронные устройства подключаются к шине процесса, подстанции по Ethernet.

Для передачи дискретной информации от коммутационных аппаратов к шине процессе могут применяться выносные модули сопряжения (УСО). Данные модули также имеют дискретные выходы для управления коммутационными аппаратами

Передача команд на объекты управления может осуществляться также через дискретные релейные выходы ИУЭ. Передача оцифрованных мгновенных значений от измерительных трансформаторов тока и напряжения через модули УСО осуществляется с использованием протокола МЭК 61850-9-2 (SV). Устройства смежных систем (РЗА и др.) должны подключаться к станционной шине по резервированным каналам передачи данных Ethernet. В качестве протокола для интеграции должен использоваться протокол МЭК 61850-8-1 (MMS) [208]. Протоколы приема данных от ИЭУ и других устройств нижнего уровня по RS 485 выполняются по Modbus (RTU/ASCII/TCP).

В таблице 6.14 приведена краткая характеристика информационных данных подстанции.

Таблица 6.14 - Краткая характеристика информационных данных подстанции

Шина Данные на шине Характеристики данных Требования к передаче

Формирование данных Объем данных Скорость Надежность

Шина станции MMC Дискретное Средний Низкая Низкая

Шина процесса GOOSE Дискретное Малый Высокая Высокая

SV Непрерывное Большой Высокая Высокая

Более подробная информация о протоколах связи в электроэнергетике, стандартах МЭК 61850, автоматизированных системах управления технологи-

ческими процессами цифровых подстанций и электроэнергетических систем (в том числе предъявляемых к ним требований), систем электроснабжения железнодорожного транспорта представлены в работах [209 - 214].

Технические требования к скорости передачи данных между типовыми ПТК и АСУ ТП подстанции, а также иными технологическими системами, с которыми ПТК будет взаимодействовать приведены в документах [215, 216].

Разработанное программное обеспечение (ПО) прототипа ПТК для ИЭУ под-станционного уровня предназначено для определения оптимальных скоординированных управляющих воздействий источников генерации, накопителей, устройств компенсации реактивной мощности, устройств FACTS, энергороутеров для стабилизации напряжений, снижения перегрузки в электроэнергетической системе на основе мультиагентного подхода.

Математический алгоритм программы на основе оценки состояния электроэнергетической системы (топологии, параметров режима, в том числе по результатам измерений) с учетом онтологии (базы знаний), которая содержит модели процессов, критерии и ограничения, определяет по условию стабилизации напряжений величину управляющих воздействий для реализации исполнительными устройствами на основе мультиагентного подхода.

Тип ЭВМ: промышленный компьютер.

Язык программирования: С#.

ОС: Windows XP, Vista, 7, 10.

Общий вид программы в режиме вывода результатов в реальном времени на экран монитора для рассматриваемой электрической сети из 12 узлов в нормальном режиме представлен на рис. 6.29. На программу получено свидетельство регистрации программы для ЭВМ [217, 218], Приложение Г.

Рисунок 6.29 - Общий вид программы в режиме вывода результатов на

экран монитора

Программа для модели электрической сети обеспечивает выполнение следующих функций: ввод и получение от внешних измерительных устройств исходных данных; вывод результатов решения на экран монитора и передачу данных на внешние устройства, в том числе исполнительные.

Программа включает в себя следующий набор средств: сервисное (функциональное) ПО, редактор схем, клиентское ПО и ПО конфигурирования.

Программа может использоваться в программно-технических комплексах управления интеллектуальными электронными устройствами, контроллерами присоединений, энергетическими роутерами электроэнергетических систем.

Фрагмент исходного кода программы представлен в приложении Д.

В электросетевом комплексе железных дорог несмотря на принятие ряда стратегических документов [218] развитие цифровых технологий существенно отстает от ПАО «Россети», где реализованы проекты цифровых подстанций, разработано значительное количество нормативных инструкций и положений, представленных в реестре [219].

В 2020 г. разработана и утверждена концепция «Цифровая тяговая подстанция» [70, 220].

Концепция разработана в целях селекции перспективных технологий и мероприятий по цифровизации тяговых подстанций, выполняемой в соответствии с основными положениями государственной политики Российской Феде-

рации в сфере повышения конкурентноспособности отечественной промышленности и программного обеспечения в рамках программы импортозамеще-ния, и определения порядка их внедрения на сети железных дорог, а также условий взаимодействия информационной модели цифровой тяговой подстанции с информационными моделями других субъектов железнодорожного транспорта, участвующих в обеспечении перевозочного процесса и иных видов деятельности ОАО «РЖД», которые будут разработаны в рамках концепции «Цифровая железная дорога».

С точки зрения настоящей Концепции под термином «цифровая тяговая подстанция» понимается тяговая подстанция с высоким уровнем автоматизации управления, в которой практически все процессы информационного обмена между элементами, а также управление работой осуществляются посредством передачи данных и команд управления по цифровым каналам связи.

Система электроснабжения является одним из ключевых элементов инфраструктуры ОАО «РЖД».

Реализация утвержденной ОАО «РЖД» 5 декабря 2017 г. Концепции реализации комплексного научно-технического проекта «Цифровая железная дорога» направлена на решение вопроса цифровизации элементов и оборудования системы тягового электроснабжения, в частности, создание информационной модели цифровой тяговой подстанции, что позволит автоматизировать управление двумя основными технологическими процессами в системе тягового электроснабжения:

а) прием и распределение электроэнергии на тягу поездов и нетяговым потребителям;

б) оперативное управление и техническое обслуживание объектов системы электроснабжения для повышения безопасности труда и снижения стоимости эксплуатации.

Результаты указанной работы опубликованы, но не нашли отражение в новых нормативных правовых документах.

В ГОСТ Р 57121-2016 [221] установлены требования технических регламентов Таможенного союза. Требования к функциям связи представлены в таблице 6.15.

Таблица 6.15 - Требования к функциям связи интеллектуальных терминалов присоединения

Наименование интерфейса

Функциональное назначение интерфейса

Последовательный порт связи

Системный интерфейс

Обеспечивает связь терминала с подсистемой телемеханики АСУТП

RS-485 (Modbus RTU) или Ethemet 10Base-T (Modbus ТСР/1Р)

Технологический интерфейс

Обеспечивает связь терминала с подсистемами постоянного технологического контроля, технического диагностирования и мониторинга оборудования присоединений АСУТП

RS-485 (Modbus RTU) или Ethemet 10Base-T (Modbus ТСР/1Р)

Интерфейс обслуживания

Обеспечивает связь терминала с переносным компьютером (для считывания осциллограмм, ввода уставок, контроля функционирования терминала и т.д.)

RS-232 или USB

Как следует из представленных в таблице 6.15 данных, требования к применению протоколов передачи данных по МЭК 61850 в указанном стандарте отсутствуют.

В распоряжении ОАО «РЖД» от 24 марта 2014 г. N 734р [222] утвержден стандарт организации СТО РЖД 11.010-2013 [223], который распространяется на электроустановки систем железнодорожного электроснабжения и устанавливает номенклатуру физических величин, подлежащих контролю при постоянном техническом диагностировании.

Технические требования к интеграции ПТК в информационно-управляющую систему интеллектуальных распределительных электрических сетей могут быть частично приняты из документов ПАО «Россети» [224, 225] для затрагиваемых уровней напряжения CHI, CHII, НН системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог.

Требования к выдаче управляющих воздействий:

1) номинальное напряжение коммутации дискретных выходов 220 В и/или 24 В постоянного тока и/или 230 В переменного тока ГОСТ Р 51179 [226].

2) формирование управляющих воздействий на исполнительные устройства осуществляются по командам телеуправления;

Требования к обмену информацией между системами подстанций и вышестоящими уровнями управления:

1) Передача информации осуществляется по интерфейсу физического уровня Ethernet («витая пара» и/или оптическое волокно), RS-485;

2) Поддержка протокола обмена данными по ГОСТ Р МЭК 60870-5;

Требования к обмену информацией с системами подстанций и вышестоящими уровнями управления:

1) прием сигналов точного времени - рекомендуется ГЛОНАСС (GPS резерв);

2) точность синхронизации внутренних таймеров устройств ПТК не менее 100 мс;

3) точность хода встроенных часов ПТК не менее ± 5 с / сут.

Сеть передачи данных между цифровой тяговой подстанцией и центрами управления сетями (ЦУС) должна быть построена как широкополосная мульти-сервисная унифицированная транспортная среда с обеспечением обмена всеми типами соответствующей информации с гарантированным качеством. Модели всех цифровых подстанций импортируются в ПТК ЦУС в то время как ПТК ЦУС автоматически подписывается на услуги обновления моделей подстанции.

Для целей контроля состояния питающих и внешних сетей в алгоритмах работы ЦТП следует предусмотреть прием и использование CIM моделей этих сетей в ПТК ЦТП (цифровой тяговой подстанции).

Управление сетями нетяговых потребителей, находящимися на балансе ОАО «РЖД», но не входящими с состав оборудования ЦТП, осуществляется из ПТК SCADA Энергодиспетчера, как с применение каналов связи АСУ ТП ЦТП (в случае применения коммутационных средств ЦТП), так и с применением отдельных каналов связи.

Предлагаемый ПТК может быть интегрирован в ПТК ЦТП.

6.3 Испытание прототипа программно-технического комплекса с сигналами

реального времени

Цифровое моделирование электроэнергетических систем в реальном времени является эффективным способом исследования устройств автоматики, релейной защиты, интеллектуальных электронных устройств, особенно с их физическим подключением.

Наиболее известным и проработанным решением в этом направлении является симулятор энергосистемы для моделирования в реальном времени (Real Time Digital Simulator, RTDS). Его основное преимущество заключается в том, что он позволяет объединить реальные устройства с виртуальной моделью среды с полноценной обратной связью, т.е. в режиме замкнутого контура [227].

Программное обеспечение таких и подобных им систем позволяет воспроизводить реальные процессы из электроэнергетических систем, записанных в формате COMTRADE.

Главным недостатком симуляторов энергосистем для моделирования в реальном времени является их высокая стоимость.

Если не моделировать мгновенную обратную связь электроэнергетической системы на устройства автоматики, микропроцессорной защиты, то испытания

можно проводить в режиме разомкнутого контура с использованием специальных аппаратно-программных комплексов.

Испытание с разомкнутым контуром показывают неплохие результаты, особенно если процесс испытаний разбивать на этапы для исследования реакции устройств автоматики и микропроцессорной защиты на каждом шаге выработки управляющего воздействия. Получается как бы склейка процесса с замкнутым контуром.

Достаточно неплохие результаты для решения рассматриваемых задач дает применение программно-аппаратного симулятора.

Например, программная среда МайаЬ ^т^еЛ и пр.) во взаимодействии с машиной реального времени позволяет проводить прототипирование системы управления в жестком реальном времени. В этом случае на одном устройстве (ПК) создается математическая и имитационная модель поведения исследуемого объекта управления, а в машине реального времени имитируется физическая работа устройства со своими встроенными алгоритмами работы и реакции на внешние сигналы и возмущения.

Структура программно-аппаратного комплекса для испытаний разработанного ПТК представлена на рис. 6.30.

Испытание ПТК выполняется для проверки разработанных алгоритмов на основе заложенной в комплекс испытаний математической (цифровой) модели системы электроснабжения, как внешней среды (параметры линий, трансформаторов и прочих элементов, их математические модели, система уравнений состояний электроэнергетической системы для расчета установившегося режима и т.д.).

|Модель!

I сети I___I

| Расчет сети

| База

.данных! 1____I

ЫаЙаЪ Simulink

ЫаЙаЪ

Программный комплекс

Выход

Промышленный компьютер

Рисунок 6.30 -Структура программно-аппаратного комплекса для испытаний

ПТК

Для исследований и апробации разработанных научно-технических решений и методов интеллектуального управления передачей и распределением электроэнергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог был создан прототип программно-технического комплекса (ПТК) интеллектуального электронного устройства (ИЭУ) на базе промышленного компьютера.

Испытание проводились на аппаратно-программном комплексе с применением физических сигналов токов и напряжений.

В аппаратно-программном комплексе были интегрированы разработанная программная часть предлагаемого ПТК (на промышленном компьютере), на отдельном компьютере имитировалась среда системы электроснабжения в программной среде ЫайаЪ ^т^еЛ и пр.). В этом случае на одном устройстве

(ПК) создается математическая и имитационная модель поведения исследуемого объекта управления, а в машине реального времени имитируется физическая работа устройства со своими встроенными алгоритмами работы и реакции на внешние сигналы и возмущения.

Общий вид испытательного комплекса представлен на рисунке 6.31.

Рисунок 6.31 - Общий вид испытательного комплекса

Методика испытаний ПТК включала в себя следующие этапы: Методика испытаний ПТК включала в себя следующие этапы: 1) Разработка математической модели заданного участка систем электроснабжения в нормальном режиме из 12 шин с полным описанием.

Математическая модель задавалась на основе описания параметров схемы замещения электрической схемы (12 узлов, 12 линий, погонные параметры линии, длины линий, мощность всех узлов нагрузки, номинальное напряжение сети, 35 кВ; напряжение базисного узла 35 кВ; мощность генерации в узлах 5, 9,

12, матрица инцидентности, графики нагрузок во всех узлах; параметры устройств КУ, синхронного генератора и пр.

2) Задание модуля расчета установившегося режима электрической сети на основе нелинейных уравнений состояния для имитации реакции параметров режима на внешние возмущения.

Модуль расчета установившегося режима содержит нелинейные уравнения по формуле (6.1) для данного расчета в комплексном виде через матрицу узловых проводимостей, вектор-столбец узловых мощностей в явном виде. Количество уравнений определяется количеством независимых узлов в электрической схеме. Один узел со стороны питания принимается за базисный. Содержит матрицу инцидентности.

Матрица узловых проводимостей учитывает емкостные проводимости поперечных ветвей.

3) Задание модуля базы данных, необходимых для работы программного комплекса.

Включает в себя необходимые данные для математического описания расчета дополнительных параметров работы электрической сети и системы управления на базе агентного подхода.

К таким сведениям относят, например, выражения для расчета напряжений в начале и конце ветвей схемы замещения и токов, мощностей в ветвях.

Задаются допустимые параметры режима по напряжению в узлах схемы, мощности по всем ветвям схемы замещения, показатели эффективности всех локальных агентов и их количественны оценки, установленные мощности всех распределенных устройств регулирования и пр.

4) Подключение к программному комплексу, имитирующему внешнюю среду, по Ethernet промышленного компьютера с установленным ПТК;

На промышленный компьютер устанавливается программное обеспечение с заложенным функционалом работы мультиагентной системы управления. Указанный промышленный компьютер выступает в качестве интеллектуально-

го электронного устройства, к которому по Ethernet подключается персональный компьютер, имитирующий внешнюю среду с моделью системы электроснабжения стационарных потребителей железных дорог с 12 узлами.

5) Подключение к промышленному компьютеру на параллельный порт через поверенный измерительный преобразователь трех аналоговых сигналов с программно-технического комплекса Ретом 41М;

Для проверки способности обрабатывать входные физические сигналы токов и напряжений к промышленному компьютеру подключен через преобразователь интерфейсов измерительный преобразователь типа Овен МЭ110-220.3М, на вход которого поданы три аналоговых сигнала с программно-технического комплекса Ретом 41М.

Данные физические сигналы имитируют часть внешней среды в виде задающих трехфазных напряжений для проверки работоспособности устройства работать с реальными измерительными данными. Ретом 41М способен выдавать заданное программно трехфазное напряжение с требуемыми параметрами, в том числе путем воспроизведения физических сигналов на основе заложенного COMTRADE файла.

6) Адаптация ПТК под математическую модель электрической сети.

Выполнялась отладка программного обеспечения под заданную конфигурацию схемы замещения и параметры устройств электроснабжения, ввод необходимых параметров для чтения из базы данных.

7) Программная имитация с шагом в 1-5 секунду изменения параметров режима системы электроснабжения по нагрузкам и в виде расчетных напряжений, потоков мощности и прочего на основе математической модели сети.

Программная имитация изменения параметров режима осуществлялась в программном комплексе Matlab в соответствии с заложенной математической моделью системы электроснабжения из 12 узлов. По введенному массиву графиков изменения нагрузки во всех узлах схемы по нелинейным уравнениям

рассчитывались контролируемые параметры напряжений, токов и прочие необходимые данные.

8) Считывание ПТК параметров режима, состояния топологии сети и определение управляющих воздействий (напряжение в трех узлах электрической сети имитируется аналоговыми сигналами с Ретом 41М) по условию стабилизации напряжений.

С помощью ПТК, программное обеспечение которого установлено на промышленном компьютере, осуществлялось считывание данных по Ethernet от персонального компьютера с математической моделью внешней среды и через параллельный порт от измерительного преобразователя.

Программное обеспечение ПТК выполняет оценку состояния системы электроснабжения по контролируемым параметрам и в случае отклонений определяет управляющие воздействия для всех причастных регуляторов в соответствии с заложенными алгоритмами.

9) Передача управляющих воздействий с ПТК на программный комплекс с математической моделью сети и получение новых параметров режима. Блок-схема формирования COMTRADE файла средствами Matlab Simulink (а) и полученные напряжения (в процентах от номинального) (б) представлены на рисунке 6.32.

ПТК по Ethernet передает управляющие воздействия во внешнюю среду (персональный компьютер с математической моделью системы электроснабжения) для получения реакции на новые возмущения, переданные регуляторам параметров режима.

С помощью программно-технического комплекса Ретом 41М задавалось влияние внешней системы электроснабжения по напряжению на параметры режимов исследуемой системы электроснабжения. Подобное влияние может оказывать тяговая нагрузка, если сторонние потребители получают питание от тяговой подстанции железных дорог.

Управление выдаваемыми напряжениями в Ретом 41М может осуществляться либо в ручном режиме, либо путем воспроизведения данных COMTRADE файла аварийных событий (до 9 с.).

Формирование COMTRADE файла было выполнено средствами Matlab Simulink и осуществляется на основе наложения заданных сигналов электрических величин на машинное время, соответствующее реальному. Полученные сигналы электрических величин сохраняются в поле Matlab и файл с требуемым разрешением.

Таким образом, с помощью программно-технического комплекса Ретом 41М были поданы сигналы напряжения на основе данных COMTRADE файла через измерительный преобразователь в ПТК, которые он заместил в математической модели системы электроснабжения.

Указанные питающие напряжения были замещены в математической модели системы электроснабжения в базисном узле. Это позволило в процессе испытания оценить влияние возмущений по питающему напряжению на работоспособность систему управления.

б

Рисунок 6.32, Лист 2 - Блок-схема формирования СОМТЯАОЕ файла средствами МайаЬ Simulink и полученные напряжения (в процентах от

номинального)

На рисунке 6.33-6.39 представлены результаты испытаний прототипа ПТК на базе промышленного компьютера в виде полученных приращений активной и реактивной мощности регуляторов, напряжений без управления и с управлением на основе заданной схемы сети для стабилизации напряжений (рис. 6.1, от 1 сш ТП 1)

Нагрузка по вводу, кВт

2000 1500 1000 500 0

Рисунок 6.33 - Нагрузка по вводу 1 сш ТП 1

Рисунок 6.34 - Приращение активной генерации ТП 35

34,5 34,0 33,5 33,0 32,5 32,0 31,5

Рисунок 6.35 - Напряжение 1 сш ТП 16 без (2) и с управлением (1)

напряжением

34,5

Напряжение Ш, кВ

32,0 31,5 31,0

Напряжение Ш, кВ

2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

Нагрузка по вводу, кВт

Рисунок 6.37 - Нагрузка по вводу 1 сш ТП 1 без усреднения

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0

PG12, кВт

1 1

1 .11 1

Рисунок 6.38 - Приращение активной генерации ТП 1 без усреднения

500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0

Рисунок 6.39 - Реактивная мощность 1 сш ТП 16 без усреднения

Результаты исследований показали, что предлагаемые подходы к совершенствованию методов передачи и распределения электроэнергии в системе электроснабжения железных дорог могут быть реализованы практически. Проведенные испытания на прототипе ИЭУ в виде ПТК подтвердили эффективность разработанных алгоритмов координированного управления распределенными энергообъектами.

В одном программном комплексе интегрированы как задачи системной динамики, связанные с моделированием установившихся режимов системы электроснабжения, так и вопросы функционирования агентов мультиагентной системы управления.

6.4 Технико-экономическая оценка эффективности предлагаемых решений в системе электроснабжения железных дорог на базе цифровых подстанций

В настоящее время продолжается внедрение цифровых тяговых подстанций на сети железных дорог, что позволяет реализовать технологии управления «умные сети», диагностику состояния оборудования.

Интеллектуальная электроэнергетическая система, характеризующаяся среди прочего следующими технологиями:

- многоагентные интеллектуальные системы управления для создания адаптивных самовосстанавливающихся систем электроснабжения железных дорог;

- системы управления, основанных на знаниях (экспертные системы).

Под эффективностью внедрения интеллектуальной энергетической инфраструктуры железных дорог при электроснабжении стационарных потребителей будем в дальнейшем понимать технико-экономический эффект от внедрения предлагаемых решений на базе цифровых подстанций. То есть затраты, необходимые для внедрения предлагаемых устройств (приведены ниже в соответствующих таблицах), не включают в себя инвестиции на техническое пере-

вооружение информационно-измерительных систем, управляющих систем, автоматизированных систем управления технологическими процессами, а также на устройства КУ, накопители и прочее на подстанциях и в электрических сетях. Заявленные капитальные затраты включают стоимость самого ПТК по присоединению на участок электрической сети 35кВ или 10 кВ.

Рассмотрим результаты имитационного моделирования ряда разработанных технических решений в области информационно-управляющих комплексов на основе мультиагентного подхода применительно к реальному участку электроснабжения стационарных потребителей железных дорог напряжением 10 кВ, представленные в предыдущих главах. Моделирование выполнено в программном комплексе, имитирующем ПТК интеллектуальной системы автоматического управления передачей и распределением электрической энергии в системе электроснабжения стационарных потребителей железных дорог, обеспечивающий следующие основные функции:

- автоматическая стабилизация напряжений с допустимым отклонением в пределах установленных значений показателей качества электроэнергии в контролируемой зоне электрической сети с учетом влияния тяговой нагрузки;

- автоматическое координированное интеллектуальное управление распределенными средствами регулирования;

- автоматическая реконфигурация электрической сети для оптимизации или восстановления нормального режима.

Полученные выше результаты имитационного моделирования позволили для расчетного участка электрической сети дистанции электроснабжения определить значения технического эффекта по снижению потерь мощности, повышению качества электроэнергии (по медленному изменению напряжения).

Технические эффекты от внедрения интеллектуальной энергетической инфраструктуры железных дорог при электроснабжении стационарных потребителей на основе расчетов по ряду представленных выше подходов и результатов моделирования представлены в таблице 6.16.

Технический эффект Способы достижения / технологические процессы Эффект

1 2 3

Снижение потерь мощности (электроэнергии) Повышение качества электроэнергии (по напряжению) Автоматическое управление электросетевыми контроллерами (про-сьюмерми) электрической сети ко-ординированно с генерацией/потреблением активной и реак- 23 % 14 %

Повышение пропускной способности тивной мощности, работой линейных регуляторов параметров режима. Реконфигурация электрической сети в автоматическом режиме 30 %

Повышение надежности электроснабжения Снижение средней суммарной длительности устойчивых отключений на одного потребителя в год (БАГОГ). (БАШГ). Сокращение поездо-часов задержек по вине хозяйства электроснабжения Сокращение отказов технических средств, времени ликвидации технологических нарушений (аварий). Обеспечение автоматического восстановления нормального режима. 7 %

1 2 3

Сокращение затрат на содержание энергетической инфраструктуры Существенное снижение САРЕХ и ОРЕХ за счет сбора данных от удаленных объектов и устройств в электрической сети, автоматизированной обработки массивов данных анализа неисправностей, планирования и контроля ТО и ТР и прочего в рамках задач онлайн и офлайн систем поддержки принятия решений на основе разработанных математических алгоритмов. Повышение производительности труда (снижение трудозатрат на обслуживание условной единицы оборудования) до 20 %

В качестве измерителя при оценке сокращения затрат на содержание энергетической инфраструктуры принималось: протяженность воздушных и кабельных линий электропередач, количество подстанций, объем отпуска электроэнергии в сеть по уровням напряжений, уровень фактических потерь электроэнергии.

Уровень капитальных затрат для модернизации системы электроснабжения железных дорог, необходимый для перехода к автоматическому распределенному управлению в реальном времени на основе самоорганизующихся интеллектуальных распределенных систем накопления, генерации, передачи и потребления электроэнергии (управление спросом) путем их оптимальной координации, зависит от уровня цифровизации и определяется сметной документацией.

Экономический эффект от внедрения комплекта ПТК ИЭУ с двухуровневым контроллером на одну цифровую тяговую подстанцию с прилегающим энергорайоном электроснабжения стационарных потребителей железных дорог (на базе существующих аппаратных средств связи и коммуникаций) оценивался

в соответствии с методикой [231] в виде сокращения затрат на содержание инфраструктуры путем повышения производительности труда, сокращении отказов технических средств, сокращении поездо-часов задержек по вине хозяйства электроснабжения, экономия электроэнергии Западно-Сибирской дирекции по энергообеспечению - структурного подразделения Трансэнерго - филиала ОАО «РЖД» за счет уменьшения доли ручного труда, снижения отказов технических средств по вине хозяйства электроснабжения, снижения потерь электроэнергии в электрических сетях для передачи сторонним потребителям. Расчет экономии эксплуатационных расходов согласно [231] приведен в таблице 6.17.

Таблица 6.17 - Расчет экономии эксплуатационных расходов

Значение Экономия Цена (тариф) ресурса (руб.) Экономия