Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время осуществляется переход электроэнергетики РФ на новую технологическую платформу, в основу которой положена концепция интеллектуальных электрических сетей {smart grid). Проектирование и эксплуатация таких сетей требуют создания новых подходов к решению задач управления технологическими процессами генерации, передачи и распределения электрической энергии. Реализация таких подходов требует разработки эффективных методов моделирования режимов электроэнергетических систем (ЭСС), обеспечивающих высокую точность, которая определяется адекватностью используемых математических моделей и погрешностями исходных данных. Вектор исходных данных D включает две группы параметров: структурные П и режимные Y,T.e. D = П U Y. В состав вектора П входят параметры высоковольтных линий электропередачи (ЛЭП), трансформаторов, а также регулирующих и компенсирующих устройств. Вектор Y образуют активные и реактивные мощности генераторов и нагрузок. В современных ЭЭС компоненты вектора Y определяются на основании телеизмерений с использованием хорошо разработанных методов оценивания состояния, и потому вопрос об адекватности этой группы параметров можно считать решенным. Параметры П определяются по справочным данным на основании аналитических выражений; при этом могут возникать значительные погрешности. Эти погрешности возникают, прежде всего, из-за отличия справочных данных от реальных параметров элемента.
Уточнение параметров и получение адекватных реальным условиям математических моделей элементов ЭЭС может быть выполнено на основе методов параметрической идентификации. Теория идентификации достаточно хорошо разработана, однако предлагаемые в ней алгоритмы в основном касаются динамических систем управления и мало применимы для решения задач идентификации элементов ЭЭС. Предложены методы идентификации элементов ЭЭС, основанные на однолинейных схемах замещения, которые не могут использоваться для расчета режимов при наличии продольной и поперечной несимметрии. Она особенно проявляется в ЭЭС, питающих электротяговые нагрузки.
Существенный вклад в решение проблемы создания технологий smart grid внесли Вариводов В.Н., Воропай Н.И., Дорофеев В.В., Иванов Т.В., Иванов С.Н., Кобец Б.Б., Логинов Е.И., Макаров А.А., Наумов Э.Б., Шакарян Ю.Г., C.W. Gelling, J.M. Guerrero Zapata, Z. Styczynski, J. Schmid и др. Теоретическим основам идентификации посвящены работы Александровского Н.М., Андриевского Б.Р., Бессонова А.А., Дейча A.M., Дмитриева А.Н., Карабутова Н.Н., Кашьяпа Р.Л., Льюнга Л. Му-зыкина С.Н., Острейковского В.А., Перельмана И.И., Прангишвили И.В., Салыги В.И., Сейджа Э.П., Солодовникова В.В., Цыпкина Я.З., Эйхскоффа П. и их коллег.
Вопросам параметрической идентификации ЭЭС посвящены работы Лордкипанид-зе В.Д., Файбисовича В.А., Шелюга С.Н. и др.
Работы перечисленных авторов создали методологическую основу для разработки методов параметрической идентификации элементов ЭЭС. В диссертации предлагаются новые методы параметрической идентификации линий электропередачи и трансформаторов, основанные на использовании фазных координат и применимые в задачах управления несимметричными режимами.
Целью диссертационной работы является разработка методов параметрической идентификации линий электропередачи, а также двух- и трёхобмоточных силовых трансформаторов для решения задач управления технологическими процессами в электроэнергетике.
Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
-
Проанализировать погрешности определения параметров ЛЭП и силовых трансформаторов.
-
Оценить возможности использования систем векторных измерений PMU-WAMS для решения задач параметрической идентификации ЛЭП и трансформаторов.
-
Формализовать задачу определения параметров ЛЭП и трансформаторов на основе синхронизированных измерений токов и напряжений и выполнить процедуру структурной идентификации моделей этих элементов ЭЭС.
-
Разработать методы параметрической идентификации ЛЭП и силовых трансформаторов на основе полносвязанных решётчатых схем замещения (РСЗ) из Л/,С-элементов.
-
Оценить погрешности, возникающие при расчетах режимов ЭЭС с использованием параметров силовых элементов ЭЭС, полученных на основе предложенных методов идентификации.
Объект исследований. Электроэнергетическая система, построенная с использованием технологий smart grid для управления процессами производства, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии, оснащенная системами векторных измерений PMU-WAMS.
Предмет исследований. Методы параметрической идентификации силовых элементов ЭЭС для целей управления технологическими процессами передачи и распределения электроэнергии.
Методы исследования базировались на математическом моделировании сложных электроэнергетических систем с использованием аппарата теории автоматического управления, методов математической статистики, линейной алгебры, функционального анализа. Для выполнения экспериментальных исследований и практических расчётов был использован программный комплекс «Fazonord-
Качество», разработанный в ИрГУПСе и модернизированный в части реализации алгоритмов параметрической идентификации силовых элементов электроэнергетических систем.
Научная новизна.
-
Формализована задача идентификации силовых элементов ЭЭС и предложен метод определения их параметров на основе синхронизированных измерений фазоров токов и напряжений, построенный, в отличие от известных, на базе фазных координат и применимый в задачах управления сложно-несимметричными режимами электроэнергетических систем, выполненных с использованием технологий smart grid.
-
Предложен метод параметрической идентификации линий электропередачи на основе информации, получаемой от устройств векторных измерений PMU-WAMS, отличающийся от известных построением модели ЛЭП в виде РСЗ.
-
Разработаны методы определения параметров двухобмоточиых силовых трансформаторов на основе измерений комплексов токов и напряжений обмоток, позволяющие, в отличие от известных, использовать разработанные модели п задачах моделирования сложнонесимметричных нормальных и аварийных режимов ЭЭС; проведено обобщение методов для решения задач идентификации многообмоточных трансформаторов.
-
На основе компьютерного моделирования по разработанной в диссертации методике показана робастность предложенных идентификационных моделей при вариации погрешностей измерения фазоров токов и напряжении в пределах класса точности устройств PMU.
Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных и диссертационной работе, подтверждена корректным применением математических методов, сравнением полученных результатов в сопоставимых случаях с результатами расчетов, выполненных с помощью промышленных программ, прошедших полномасштабную практическую апробацию, а также сопоставлением с данными измерений на реальных объектах.
Практическая значимость. На основе разработанных идентификационных моделей ЛЭП и трансформаторов возможно решение следующих актуальных практических задач управления режимами ЭЭС, построенных с использованием технологий smart grid:
повышение адекватности моделирования нормальных, сложнонесимметричных, несинусоидальных и предельных режимов ЭЭС;
увеличение точности настройки микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики (РЗА) ЭЭС и обеспечение адекватной реакции этих устройств в аварийных режимах и при перегрузках.
Реализация результатов работы. Научные результаты диссертации использованы в Филиале ОАО «Научно-технический центр Федеральной сетевой компании Единой энергетической системы» - Сибирском научно-исследовательском институте электроэнергетики (СибНИИЭ) при выполнении научно-исследовательских работ по темам:
устранение несимметрии напряжений и снижение гармонических искажений в сети 220 кВ БАМ;
устранение несимметрии напряжений и снижение гармонических искажений в сети 220 кВ Забайкальской железной дороги;
выбор пилотного проекта МЭС Сибири с использованием элементов активно-адаптивной сети (ААС); создание системы активных фильтров высших гармоник и адаптивных устройств компенсации напряжений обратной последовательности на подстанциях МЭС Сибири транзитов БАМ и Забайкальской железной дороги.
Материалы диссертации использованы в Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ОАО «РЖД» при разработке программы повышения энергоэффективности Восточно-Сибирской железной дороги на 2012-2016 гг., а также при разработке мероприятий по улучшению качества электроэнергии в электрических сетях, питающих тяговые подстанции Байкало-Амурской железнодорожной магистрали.
Отдельные положения диссертации используются в учебном процессе Иркутского государственного университета путей сообщения.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских, региональных конференциях: [I и Ш Межвузовских научно-практических конференциях «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2011, 2012 г.); Всероссийской научной конференции молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2011 г.); Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Повышение эффективности производства и использования электроэнергии в условиях Сибири» (Иркутск, 2012 г.); Smart Grid for Efficient Energy Power System for the Future (Magdeburg-Irkutsk, 2012); XVII Байкальской Всероссийской научной конференции «Информационные и математические технологии в науке и управлении» (Иркутск, 2012 г.); Joint PhD colloquium of Project Baikal participants (St. Petersburg, 2012); III Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи» (Екатеринбург, 2012 г.).
Публикации. По результатам диссертационного исследования опубликовано 16 печатных работ, из них 6 статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. В работах, опубликованных с соавторами, соискателю принадлежит
от 25 до 75% результатов. Положения, определяющие научную новизну и выносимые на защиту, получены автором лично.
Объём и структура диссертации. В состав диссертации входят введение. три главы, заключение, библиографический список из 83 наименований и приложения. Общий объем текста диссертации 157 страниц, в нём содержится 77 рисунков и 46 таблиц. В приложении приведены материалы о внедрении результатов работы.
Диссертация подготовлена в соответствии с планом исследований по направлению «Интеллектуальные сети (smart grid) для эффективной энергетической системы будущего», проводимых в соответствии с Постановлением Правительства РФ №220 от 09.04.2010 г. Договор № 11.G34.31.0044 от 27.10.2011.
В процессе диссертационных исследований автор пользовался научными консультациями доктора технических наук, профессора Закарюкина В.П.
