Введение к работе
Актуальность темы. При высоких темпах развития экономики объемы электропотребления в России к 2030 г. могут возрасти по сравнению с 2000 г. в два раза. Обеспечение таких уровней производства электроэнергии (ЭЭ) невозможно без системного решения следующих задач:
создание новой технологической основы энергетики, построенной с использованием принципов интеллектуальных электрических сетей (smart grid);
придание интегрирующей роли электрической сети;
установка в сетях активных технических средств для регулирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) и создание на их основе адаптивной системы управления;
применение новых информационных технологий и быстродействующих вычислительных комплексов для оценки состояния и управления;
повышение эффективности использования энергоресурсов и энергосбережение.
В итоге должен произойти переход электроэнергетики к новому качеству управления технологическими процессами производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии на основе интеллектуальных электроэнергетических систем с активно-адаптивной сетью (ИЭЭСААС). ЭЭС, построенные на основе технологий smart grid, включает в свой состав следующие сегменты:
все виды источников электроэнергии, включая установки распределенной генерации;
различные типы потребителей, принимающих непосредственное участие в регулировании качества электроэнергии и надежности ЭЭС;
электрические сети разного напряжения и функционального назначения, имеющие развитые возможности адаптации следующих типов:
изменение параметров и топологии по текущим режимным условиям;
регулирование напряжения в узловых точках, обеспечивающее минимизацию потерь при соблюдении нормативных значений показателей качества электроэнергии;
комплексный учет ЭЭ на границах раздела сети и на подстанциях;
всережимную систему управленій с полномасштабным информационным
обеспечением.
В электрических сетях, питающих тяговые подстанции магистральных железных дорог, а также в системах тягового электроснабжения (СТЭ) в полном объеме применимы технологии smart grid. Особую актуальность вопрос использования этих технологий приобретает в Восточной Сибири и на Дальнем Востоке, где основная системообразующая электрическая сеть непосредственно связана с тяговыми подстанциями железнодорожных магистралей. Ввиду значительного объема резкопере-
менной нелинейной однофазной тяговой нагрузки показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в этих сетях далеко выходят за допустимые пределы. Указанные проблемы в полной мере относятся и к системам электроснабжения промышленного железнодорожного транспорта.
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. Вопросам, связанным с моделированием и управлением сложных ЭЭС и СТЭ, посвящены работы Бадера М.П., Баринова В.А., Бермана А.П., Бочева А.С., Быкадорова А.Л., Веникова В.А., Висящева А.Н., Гамма А.З., Германа Л.А., Дынькина Б.Е., Идельчика В.И., Котельникова А.В., Косарева А.Б., Лосева СБ., Мамошина P.P., Марквардта Г.Г., Марквардта К.Г., Мельникова Н.А., Мирошниченко Р.И., Мисриханова М.Ш., Попова Н.М., Пупынина В.Н., Строева В.А., Тарасова В.И., Тер-Оганова Э.В., Фигурнова Е.П., Черемисина В.Т. и их коллег.
Работы перечисленных авторов создали методологическую основу для разработки интеллектуальных систем электроснабжения железных дорог (СЭЖД), построенных с использованием технологий smart grid. Для эффективного использования этих технологий необходима разработка методов моделирования СЭЖД, позволяющих адекватно учитывать активные элементы smart grid, такие как устройства FACTS (flexible alternative current transmission systems'), активные кондиционеры гармоник (АКТ), вставки постоянного тока (ВПТ), установки распределенной генерации (РГ) и т.д.
Цель диссертационной работы заключается в разработке методов моделирования СЭЖД, использующих технологии smart grid, в задачах управления технологическими процессами выработки1, передачи, преобразования, распределения и потребления ЭЭ в СЭЖД переменного тока.
Для реализации сформулированной цели потребовалось решение следующих задач:
разработать статические и динамические модели активных элементов smart grid;
разработать метод комплексного моделирования режимов ИЭЭСААС, питающих электротяговые нагрузки;
выполнить математическое моделирование режимов СЭЖД, оснащенных установками регулируемой компенсации реактивной мощности и вольтодобавочными трансформаторами, подтверждающее эффективность применения этих устройств в тяговых сетях;
Выработка ЭЭ в СЭЖД может осуществляться на основе установок собственной (распределенной) генерации.
предложить методику и алгоритмы анализа повреждаемости электрооборудования СЭЖД;
разработать методику моделирования рельсовых цепей многопутных участков железных дорог с учетом влияния активных элементов smart grid.
Объект исследований. Система электроснабжения железной дороги переменного тока, построенная с использованием технологий smart grid для управления процессами производства, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии.
Предмет исследований. Методы управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии на основе технологий интеллектуальных сетей {smart grid).
Методы исследования рассмотренных в диссертации задач базируются на математическом моделировании режимов сложных электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения с использованием аппарата теории автоматического управления, многомерных статистических методов, линейной алгебры, теории функций многих переменных.
Для проведения вычислительных экспериментов использовались комплекс программ «FAZONORD-Качество», разработанный в ИрГУПСе и модернизированный в части реализации моделирования режимов СЭЖД, построенных с использованием технологий smart grid, а также пакет SimPowerSystem системы Matlab.
Научную новизну составляют следующие результаты, выносимые на защиту:
алгоритм комплексного моделирования режимов интеллектуальных ЭЭС, питающих электротяговые нагрузки, отличающийся тем, что в его основу положено совместное использование имитационных и динамических моделей активных элементов smart grid, применяемых для управления режимами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии
статические и динамические модели активных элементов smart grid, отличающиеся применимостью в задачах управления режимами СЭЖД с активно-адаптивными сетями; оригинальная методика моделирования режимов СЭЖД, оснащенных различными типами активных устройств, используемых в технологиях smart grid для управления технологическими процессами выработки, передачи, распределения, преобразования и потребления ЭЭ.
методика и компьютерные технологии анализа повреждаемости электрооборудования СЭЖД, отличающиеся от известных применением многомерных статистических методов и учетом размытости факторного пространства на основе алгоритмов нечеткой кластеризации;
методика моделирования рельсовых цепей, отличающая корректным учетом
электромагнитного влияния контактной сети (КС) и путевых дроссель-
трансформаторов, обеспечивающая получение реального токораспределения в рельсовых нитях многопутпых участков и применимая для расчета режимов интеллектуальных систем электропитания устройств сигнализации; централизации и автоблокировки (СЦБ) железных дорог.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертационной работе научных результатов подтверждена их сравнением в сопоставимых случаях с результатами расчетов, выполненных с помощью промышленных программ, прошедших полномасштабную практическую апробацию, а также с данными замеров в реальных системах электроснабжения железных дорог Восточной Сибири.
Практическая значимость полученных результатов исследований состоит в решении актуальных научно-технических задач, связанных с управлением технологическими процессами в системах электроснабжения железных дорог, а также с повышением энергоэффективности и качества электроэнергии в СЭЖД переменного тока. Результаты исследований, полученные в диссертационной работе, позволяют решать следующие задачи, актуальные при проектировании и эксплуатации СЭЖД:
моделирование режимов СЭЖД с учетом активных устройств smart grid;
рациональный выбор комплекса интеллектуальных средств автоматического управления режимами на тяговых подстанциях и постах секционирования контактной сети СЭЖД переменного тока;
стабилизация уровней напряжения на токоприемниках ЭПС, снижение потерь электроэнергии и уравнительных токов, а также уменьшение несимметрии и гармонических искажений в электрических сетях высокого напряжения, питающих тяговые подстанции.
Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационных исследований в виде практических рекомендаций по внедрению интеллектуальных технологий электроснабжения использованы в структурном подразделении «Трансэнер-го» - Восточно-Сибирской дирекции по энергообеспечению ОАО «РЖД» при разработке перспективных схем построения автоматизированных систем контроля и учета электропотребления и 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 повышению качества электрической энергии в электрических сетях, осуществляющих электроснабжение тяговых подстанций Байкало - Амурской магистрали.
Материалы диссертации используются в учебном процессе в Иркутском государственном университете путей сообщения.
Апробация работы. Результаты, полученные на основе проведенных в диссертации исследований, докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: всероссийских научно-практических конференциях с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона», г. Иркутск, 2009,
2011, 2012 гг.; международной научно-практической конференции «Транспорт-2010», г. Ростов-на-Дону, 2010 г.; всероссийских научно-практических конференциях международным участием «Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири», г. Иркутск, 2010, 2012 гг.; XVII Байкальской всероссийской конференции с международным участием «Информационные и математические технологии в науке и управлении», г. Иркутск, 2012 г.; совместных научных семинарах НИ ИрГТУ (г. Иркутск) и университета Отто фон Герике (г. Магдебург) по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего» в мае и октябре 2012 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе пять статей в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ для опубликования результатов диссертационных исследований. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 25 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, библиографического списка из 131 наименования и приложения. Общий объем диссертации 170 страниц, в тексте содержится 152 рисунка и 18 таблиц. В приложении приведены акты о внедрении.
Диссертационная работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети {Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего», проводимых под руководством ведущих ученых в российских образовательных учреждениях высшего профессионального образования в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г. Договор Л' 11.G34.31.0044"от 27.10.2011.
При работе над диссертацией автор пользовался научными консультациями доктора технических наук, профессора Закарюкина В.П.
Похожие диссертации на Применение технологий интеллектуальных сетей (smart grid) для управления технологическими процессами в системах электроснабжения железных дорог
