Оцінювання якості функціонування електричних мереж з відновлюваними джерелами енергії

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної проблеми, яка полягає у розробленні методів і засобів для оцінювання якості функціонування електричних мереж з відновлюваними джерелами енергії. Якість функціонування електричних мереж характеризується якістю електричної енергії, надійністю електропостачання, його економічністю, тощо. Користуючись результатами досліджень, виконаними автором у попередніх своїх роботах, запропоновано визначати інтегральний показник якості функціонування електричних мереж за моделлю, яка отримана на поєднанні теорій марковських процесів та подібності, що дозволяє перейти від векторної оцінки до скалярної. Для врахування в інтегральному показнику якості електричної енергії та рівня її втрат запропоновано визначати імовірність відповідності фактичного режиму «ідеальному». «Ідеальний» режим визначається, виходячи з принципу найменшої дії і відповідає заступній схемі мережі, сформованій за r -схемою. Такий підхід дозволяє аналіз режимних параметрів звести до аналізу струмів у вузлах споживання та генерування. Оскільки за базис прийнято «ідеальну» мережу, то можна виконувати порівняння електричних мереж різних за конфігурацією і набором споживаних та генеруючих потужностей без виконання техніко-економічних розрахунків. Показано, що запропонований в роботі підхід визначення інтегрального показника якості функціонування дозволяє враховувати індивідуальні особливості споживачів і під час розв’язання проектних задач надавати пріоритет певним складовим, які характеризують якість функціонування електричної мережі. Для розв’язання задачі розвитку електричних мереж з дискретними змінними запропоновано використовувати методи на базі динамічного програмування. Однак для цього необхідно розробити формалізовані процедури оптимізації з використанням принципу оптимальності динамічного програмування. Для цього були отримані умови оптимальності, за якими можна вибирати оптимальну стратегію розвитку з множини можливих. Відповідно до цих умов оптимальною є стратегія, для різних можливих станів якої, рівні відношення приростів витрат до приростів інтегрального показника якості функціонування. Врахування технічних обмежень, під час розв’язання проектних задач, виконується методом штрафних функцій. Визначення штрафних функцій запропоновано здійснювати за інтегральним показником якості функціонування, що дозволить врахувати багатокритеріальність задачі оптимального розвитку. Виконано дослідження можливості застосування відновлюваних джерел енергії для впливу на перетікання реактивної потужності в електричній мережі. Проведене моделювання підтвердило доцільність і ефективність застосування ВДЕ як засобу впливу на баланс реактивної потужності. Для уникнення негативних наслідків від впровадження необґрунтовано потужних джерел в електричних мережах вдосконалено метод визначення оптимальної встановленої потужності джерела. Розроблений метод, на основі інформації про об’єм, графік споживання і доступні точки приєднання об’єктів генерування, дозволяє визначити встановлену потужність ВДЕ, яка забезпечить підвищення якості функціонування мережі. Вивчення досвіду країн-лідерів у впроваджені відновлюваних джерел енергії показав, що необхідно впроваджувати заходи для корегування графіків споживання. Розроблені в світі механізми дозволяють реалізувати керування споживанням (demand response). В роботі розроблено метод визначення споживачів, зміна графіку навантаження яких буде мати найбільший ефект під час забезпечення необхідного рівня якості функціонування електричних мереж. Розроблений алгоритм реалізації методу, який ґрунтується на транспортній задачі, і дозволяє врахувати економічну складову процесу корегування графіків споживання. Розроблено метод визначення необхідного резерву в електроенергетичній системі для забезпечення достатнього рівня балансової надійності. Виконано аналіз джерел забезпечення резерву за різних варіантів функціонування відновлюваних джерел енергії в локальній електричній системі. Розглянуто проблему інформаційного забезпечення задачі оцінювання якості функціонування електричних мереж з ВДЕ. Проведений аналіз інформаційного забезпечення в розподільних електричних мережах показав, що найкращим джерелом інформаціє є автоматизовані системи комерційного обліку електроенергії (АСКОЕ). Однак АСКОЕ охоплює лише незначну частину вузлів споживання. Інші варіанти отримання інформації є розрахунок за характерним режимом (середніх навантажень) або імітацією режимів за типовими графіками, при цьому останній варіант може забезпечити розв’язання поставленої задачі з достатньою точність. Запропоновано архітектуру дворівневої системи моніторингу та керування, яка в рамках концепції Smart Grid реалізує активну поведінку кінцевого споживача та оптимальне інтегрування розосередженого генерування і систем акумулювання електроенергії різних типів і потужності в електричні мережі, що призведе до зростання надійності та якості електроенергії. Здійснено апробацію розроблених моделей та методів для оцінювання якості функціонування електричних мереж з відновлюваними джерелами енергії та показано доцільність їх використання. Для цього проведено ряд натурних експериментів для визначення рівня спотворень синусоїди напруги та струму різними об’єктами відновлюваної енергетики. The dissertation devoted by scientific and technical problem solution, which consists in developing methods and means for assessing the quality of electric networks functioning with renewable energy sources. The quality functioning of electric networks is characterized by the quality of electric energy, electricity supply reliability, economic efficiency, and other. Using research results carried out by the author in his previous papers, it is proposed to determine the integral index of electric networks quality functioning according to the model obtained by a combination of Markovs theories processes and similarity, which allows us to move from vector to scalar. In order to take into account in the integral index of electric energy quality and level of electricity losses it is proposed to determine the probability of correspondence the actual regime to the "ideal". "Ideal" regime is determined by the basis principle of least action and corresponds to the network which formed by r-scheme. This approach can change allows regime parameters analysis to the nodes currents analysis of consumption and generation. Since the "ideal" network is adopted for the basis, it is possible to perform a electrical networks comparison of different configurations and a set of consumed and generating capacities without performing technical and economic calculations. It is shown that the problem of electric networks development with discrete variables can be solved by methods based on dynamic programming. However, for this purpose, it is necessary to develop formalized optimization procedures using the dynamic programming optimality principle. For this purpose, optimal conditions have been obtained, by which one can choose the optimal development strategy from the set of possible ones. In accordance with these conditions, the strategy is optimal, for the various possible states, the ratio of incremental costs to increments of the integral quality functioning indicator. To avoid the negative consequences of the introduction of unreasonably powerful sources in electrical networks, the method of optimal installed power of the source has been improved. The developed method, based on information on the volume, consumption graph and available points of generating objects connection, allows you to determine the installed capacity of RES, which will ensure the improvement of the network operation quality. Using leading countries the experience in the renewable energy sources implementation shown that measures are needed to adjust consumption curves. The mechanisms developed in the world allow to implement demand management. The method of determination consumers which load graph change will have the greatest effect in providing the necessary level of electric networks quality functioning. An algorithm for implementing a method based on a transport task is developed and allows for the economic component of adjusting consumption graph process be taken into account. The problem of information provision in the electric networks with RES quality functioning is considered. An analysis of information provision in distribution electrical networks has shown that automated systems of commercial electricity accounting (ASCEA) are the best sources of information. However, ASCEA covers only a small part of the consumption nodes. Other options for obtaining information is the calculation of the typical mode (average load) or simulation of modes according to typical graphs, with the latter option can provide a solution to the task with sufficient accuracy. The testing of developed models and methods for assessing the electric networks with renewable energy sources functioning quality has been tested and the feasibility of their use has been demonstrated. Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы, которая заключается в разработке методов и средств для оценки качества функционирования электрических сетей с возобновляемыми источниками энергии. Качество функционирования электрических сетей характеризуется качеством электрической энергии, надежности электроснабжения, его экономичностью и тому подобное. Пользуясь результатами исследований, выполненными автором в предыдущих своих работах, предложено определять интегральный показатель качества функционирования электрических сетей по модели, полученной на сочетании теории марковских процессов и подобия, что позволяет перейти от векторной оценки к скалярной. Для учета в интегральном показателе качества электрической энергии и уровня потерь предложено определять вероятность соответствия фактического режима «идеальному». «Идеальный» режим определяется исходя из принципа наименьшего действия и отвечает сети построенной по r -схеме. Такой подход позволяет анализ режимных параметров свести к анализу токов в узлах потребления и генерации. Поскольку базисом принято «идеальную» сеть, то можно выполнять сравнения электрических сетей различных по конфигурации и набору потребляемых и генерирующих мощностей без выполнения технико-экономических расчетов. Показано, что задача развития электрических сетей с дискретными переменными может быть решена методами на базе динамического программирования. Однако для этого необходимо разработать формализованные процедуры оптимизации с использованием принципа оптимальности динамического программирования. Для этого были получены условия оптимальности, по которым можно выбирать оптимальную стратегию развития из множества возможных. Согласно этим условиям оптимальной является стратегия, для различных возможных состояний которой, равны отношение приростов расходов к приростам интегрального показателя качества функционирования. Во избежание негативных последствий от внедрения необоснованно мощных источников в электрических сетях усовершенствован метод определения оптимальной установленной мощности источника. Разработанный метод, на основе информации об объеме, графике потребления и доступных точках присоединения объектов генерации, позволяет определить установленную мощность ВИЭ, которая обеспечит повышение качества функционирования сети. Изучение опыта стран-лидеров во внедрении возобновляемых источников энергии показал, что необходимо внедрять меры для корректировки графиков потребления. Разработанные в мире механизмы позволяют реализовать управление потреблением (demand response). В работе разработан метод определения потребителей, изменение графика нагрузки которых будет иметь наибольший эффект при обеспечении необходимого уровня качества функционирования электрических сетей. Разработанный алгоритм реализации метода, основанного на транспортной задачи, и позволяет учесть экономическую составляющую процесса корректировки графиков потребления. Рассмотрена проблема информационного обеспечения задачи оценки качества функционирования электрических сетей с ВИЭ. Проведенный анализ информационного обеспечения в распределительных электрических сетях показал, что лучшим источником информации являются автоматизированные системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ). Однако АСКУЭ охватывает лишь незначительную часть узлов потребления. Другими вариантами получения информации является расчет по характерному режимом (средних нагрузок) или имитацией режимов по типовым графикам, при этом последний вариант может обеспечить решение поставленной задачи с достаточной точностью. Осуществлена апробация разработанных моделей и методов для оценки качества функционирования электрических сетей с возобновляемыми источниками энергии и показана целесообразность их использования.