Многоуровневая система распределенного управления интеллектуальными энергосетями

Размещено на http://www.allbest.ru/

Южный федеральный университет, институт радиотехнических систем и управления, Таганрог

Многоуровневая система распределенного управления интеллектуальными энергосетями

В.Х. Пшихопов

М.Ю. Медведев

Для традиционных систем электроэнергетики характерно наличие относительно небольшого числа электростанций, большая часть которых не задействована в первичном регулировании частоты [1]. В качестве регулирующих станций, обычно используются относительно маломощные гидроэлектростанции.

В первую очередь следует отметить, что современный уровень развития средств автоматизации и автоматического управления энергосистем позволяет осуществлять первичное регулирование на всех элементах энергосети, как генераторах, так и потребителях. Согласно (Оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС и изолированно работающих энергосистемах России. Требования к организации и осуществлению процесса, техническим средствам // Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС Росии», Москва, 2007. 20 c) основной целью первичного регулирования является надежная отработка заданий по обмену мощностями, поступающих от центрального диспетчерского управления. При этом все элементы энергосети должны участвовать в регулировании частоты не только по заданию от центрального диспетчерского пункта. Предписывается также самостоятельное выявление небаланса мощности.

Во-вторых, в современных энергосетях увеличивается число генерирующих и потребляющих элементов, в том числе, за счет таких источников, как солнечные батареи [2], ветряные электростанции [3, 4], генераторы на биологическом топливе [6].

В этой связи многие страны перестраивают свои системы управления электроснабжением, что обусловлено усложнением процессов, протекающих в энергосетях, изменением их параметров и структуры и современными техническими возможностями. Указанная перестройка в мире получила распространение как построение «умных сетей» (Smart Grid) [7 - 8]. Следует отметить, что указанная перестройка заключается, прежде всего, в техническом переоснащении элементами управления, связи и обработки информации, которое позволит всем элементам сети участвовать в поддержании заданной частоты и баланса мощностей.

Вместе с тем, следует отметить, что строящаяся система, с точки зрения теории автоматического управления, представляет собой объект, требующий развития методов распределенного или децентрализованного управления [9].

В данной работе для решения задачи синтеза системы управления используется метод позиционно-траекторного управления [10 - 13], успешно применяющийся в системах управления роботами (в том числе группами) воздушного [14 - 17], морского [18 - 20] и наземного базирования [21]. На основе данного метода строятся алгоритмы регулирования частоты и мощности генерируемой энергии.

На втором уровне системы управления формируются задания по мощности для каждого элемента сегмента энергосети. Для формирования заданий применяется алгоритм распределения, обеспечивающий минимум СКО текущего баланса мощностей. Указанный алгоритм реализуется с помощью псевдообратной матрицы [22].

Рис. 1 - Структура системы управления

Верхний уровень системы управления формирует сегменты. Как правило, сегментация сети происходит по географическому признаку. В данной статье алгоритмы распределения сети на сегменты не рассматриваются.

Алгоритмы системы управления сегментом энергосети

Сегмент энергосети представляет собой ряд генерирующих источников и потребителей, связанных между собой. Связи между сегментами представляются внешними источниками или потребителями энергии.

В общем случае от одного генератора питаются несколько потребителей. Каждый потребитель энергии также может быть подключен к нескольким источникам, например, потребители первой и второй категории. Таким образом, сегмент может быть представлен двумерным графом со связями «многие ко многим».

Уравнения баланса мощностей для отдельного потребителя имеют вид

, ,

где - мощность, необходимая i-му потребителю; - мощность, вырабатываемая j-м генерирующим источником; бij - коэффициент потребления мощности i-го потребителя от j-го генератора; n - число потребителей; j - число генераторов.

Систему уравнений (1) перепишем в матричном виде

,

где матрица коэффициентов A имеет вид

,

Таким образом, задача распределения потребляемой мощности между генераторами сводится к решению линейной системы алгебраических уравнений. В частном случае, когда количество потребителей равно количеству генераторов, а матрица A неособенная, решение имеет вид

,

В общем случае матрица A является прямоугольной, поэтому для решения системы уравнений (2) можно использовать псевдообратную матрицу A+, в данной работе вычисляемую в соответствии с [22]:

,

Если псевдообратная матрица A+ вычислена по [22], то решение (5) является наилучшим с точки зрения минимума СКО решением (2) с предельным вариантом регуляризации.

Решение системы уравнений (5) дает требуемые мощности для каждого генератора сети. Однако постановка задачи не включает в себя ограничения на мощности генераторов. Указанные ограничения могут быть введены в виде дополнительных логических условий, однако при этом не гарантируется, что найденное решение будет лежать в заданной области.

Введение ограничений мощности генераторов возможно путем постановки задачи как проблемы математического программирования. В этом случае формулируется следующая оптимизационная задача

,

,

где - максимальные значения мощностей, производимых генераторами энергосистемы.

Таким образом, задача (6), (7) является задачей линейного математического программирования, для решения которой существует большое количество методов [23].

Алгоритмы локального уровня управления

На нижнем уровне управления энергосетью происходит отработка заданий, полученных в результате решения системы уравнений (2). В этой связи рассмотрим локальную систему управления как систему первичного регулирования частоты и мощности.

Рассмотрим систему дифференциальных уравнений, описывающую математическую модель синхронного генератора [1].

где ; - собственные индуктивности обмоток статора по продольной d и поперечной q оси, обмотки возбуждения ротора; - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора; - активные сопротивления обмоток статора, обмотки возбуждения ротора и линии электропередачи, - напряжения шины бесконечной мощности (действующее значение) и обмотки возбуждения ротора, k -постоянная Парка, - механическая постоянная времени. Все параметры модели, включая токи, напряжения и время, представлены в относительных единицах. Предположение о не учете демпферных обмоток для рассматриваемых ЭТК с СГ небольшой мощности является допустимым.

Синтез алгоритма управления синхронным генератором производится по двум целям. Регулятор должен обеспечивать заданную частоту тока и необходимый уровень вырабатываемой мощности генератора, задаваемый соответствующим элементом матрицы Pg. Ошибки регулирования задаются в виде

где Pgj, j - текущие мощности и частоты генераторов; - заданные значения мощностей и частот.

В соответствии с методом позиционно-траекторного управления [10 - 13] потребуем, чтобы ошибки (9) подчинялись дифференциальным уравнениям, обеспечивающим экспоненциальную устойчивость относительно требуемого состояния:

где a1 и a2 - коэффициенты, определяющие быстродействие регулятора.

Далее опустим индекс j и рассмотрим пример синтеза регулятора на одном из генераторов.

Выразим мощность генератора через переменные состояния, входящие в математическую модель синхронного генератора (8):

,

Предположим, что нагрузка генератора является активной, тогда выражение фазное напряжение описывается выражением



С учетом (12) выражение (11) принимает вид

,

Продифференцируем выражением (13) в силу уравнений объекта (8):

,

где

,

,

,

,

Управляющими воздействиями синхронного генератора являются механический момент Mmx и напряжение возбуждения uF. Механическим моментом регулируется частота, а напряжением возбуждения - мощность. Решая систему (10) с учетом (8), (9) и (13), (14) получим:

,

,

где .

Уравнения (15), (16) представляют собой базовый регулятор, который может быть дополнен уравнениями оценивания возмущений, синтезируемыми в соответствии с работами [24 - 29].

Пример

Рассмотрим сегмент энергосети, представленный на рис. 2.

Рисунок 2 - Сегмент энергосети

На рис. 1: Г1, Г2, Г3 - генераторы электроэнергии; П1, П2, П3, П4 - потребители электроэнергии.

Запишем уравнения баланса мощностей для каждого связей для каждого потребителя:

где Ppi - мощность необходимая i-му потребителю; Pgj - мощность, вырабатываемая j-м генерирующим источником, бij - коэффициенты потребления мощности i-го потребителя от j-го генератора.

Для данного примера матрица (3) принимает вид

.

На уровне управления сегментом, представленным на рис. 2, применяется алгоритм распределения мощностей (5), (18). В качестве локальных регуляторов генераторов используются алгоритмы управления (15), (16). распределенный производство энергия генератор

Для каждого потребителя имеется суточный график потребления мощности. Например, первый потребитель сегмента, представленного на рис. 3, имеет суточный график потребления мощности, показанный на рис. 3. По графику видно, что с 0 до 5 часов потребление составляет 20% от максимальной мощности, потребляемой в течение дня, с 5 до 9 часов потребляется 70%, с 9 до 16 потребляется 40%, с 16 до 19 -80%, с 19 до 22 - 100%, с 22 до 24 часов потребляется 20%.

Рисунок 3 - Суточный график потребления мощности 1-ым потребителем

Предполагается, что суточный график потребления каждого из потребителей состоит из кусочно-постоянных функций, разделить которые можно на соответствующие рис. 3 временные участки. Таким образом, можно записать матрицы значений Pp для каждого участка времени:

.

На рис. 4 и 5 представлены результаты моделирования системы управления рассматриваемым сегментом энергосети. Система управления решает задачу обеспечения потребителей с суточным графиком потребления, заданным системой (19), достаточным уровнем генерируемой мощности.

Рисунок 4 - График суточной генерации мощностей 1-м и 2-м генератором

Рисунок 5 - График суточной генерации энергетических мощностей 3-им генератором

Заключение

В работе представлена многоуровневая система управления энергосетью. Верхний уровень системы предназначен для сегментации сети. На этом уровне осуществляется назначение коэффициентов бij, вычисление которых может базироваться на потерях электроэнергии (пропорциональны длине линий) и пропускной способности имеющихся линий передач.

Уровень управления сегментом осуществляет распределение потребляемой мощности между генераторами энергии. В рамках концепции «умной энергосети» возможен мониторинг потребляемой в сегменте каждой подстанцией энергии и выполнение алгоритмов (5) или (6), (7) непосредственно в системе управления каждого генератора без использования графиков суточного потребления. В такой системе выпадение генерирующего источника из системы не является критичным, если потребитель связан с еще хотя бы одним генерирующим источником, и этот источник имеет резервы мощности, как это требуется рядом документов (Оперативно-диспетчерское управление в электроэнергетике. Регулирование частоты и перетоков активной мощности в ЕЭС и изолированно работающих энергосистемах России. Требования к организации и осуществлению процесса, техническим средствам // Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС Росии», Москва, 2007. 20 c).

В алгоритмах первичного регулирования сделано допущение об активном характере нагрузки. Наличие реактивной составляющей может быть учтено введением дополнительный динамических уравнений в систему (8). Следует отметить, что наличие процедур оценивания позволяет системе управления адаптироваться к изменяющейся нагрузке.

Литература

1. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Горский Ю.М., Карасев Д.Д., Маркович И.М. Электрические системы. Кибернетика электрических систем. Под ред. Веникова В.А. Учебное пособие для электроэнергетических вузов. М.: Высшая школа, 1974. 328 c.

2. Крюченко Ю.В., Саченко А.В., Бобыль А.В., Костылев В.П., Соколовский И.О., Теруков Е.И., Вербицкий В.Н., Николаев Ю.А. Годовые зависимости генерируемой мощности и электроэнергии для солнечных элементов на основе A-SI:H // Журнал технической физики. 2013. Т. 83.№ 11. С. 86-91.

3. Медведев М.Ю., Борзов В.И., Пшихопов В.Х., Вершинин Г.Ф. Автономные управляемые ветроэнергетические установки. // Известия ТРТУ. 2006, № 3. С. 202 - 207.

4. Марченко О.В., Соломин С.В. Вероятностный анализ эффективности ветроэнергетических установок // Известия Российской академии наук. Энергетика. 1997. № 3. С. 52-60.

5. Мусин А. Компьютерная модель для расчета оптимальных параметров электростанций, работающих на биомассе // Инженерно-техническое обеспечение АПК. Реферативный журнал. 2000. № 1. С. 21.

6. Cуrdova Geirdal, C.A. , Gudjonsdottir, M.S., Jensson, P. Economic comparison of a well-head geothermal power plant and a traditional one // Geothermics, Volume 53, January 2015, Pages 1-13.

7. Sancho-Asensio, A., Navarro, J., Arrieta-Salinas, I., Armendбriz-Нсigo, J.E., Jimйnez-Ruano, V., Zaballos, A., Golobardes, E. Improving data partition schemes in Smart Grids via clustering data streams // Expert Systems with Applications, Volume 41, Issue 13, 1 October 2014, Pages 5832-5842 .

8. Kayastha, N., Niyato, D., Hossain, E., Han, Z. Smart grid sensor data collection, communication, and networking: A tutorial // Wireless Communications and Mobile Computing, Volume 14, Issue 11, 10 August 2014, Pages 1055-1087.

9. Миркин Б.М. Адаптивное децентрализованное управление с модельной координацией // Автоматика и телемеханика. 1999. № 1. С. 90-100.

10. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Управление подвижными объектами в определенных и неопределенных средах. М.: Наука, 2011. 350 с.

11. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Оценивание и управление в сложных динамических системах. М.: Физматлит, 2009. С. 295.

12. Пшихопов В.Х. Управление подвижными объектами в априори неформализованных средах // Известия Южного федерального университета. Технические науки. 2008. Т. 89. № 12. С. 6-19.

13. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Структурный синтез автопилотов подвижных объектов с оцениванием возмущений // М., Информационно-измерительные и управляющие системы. 2006. №1. С.103-109.

14. Пшихопов В.Х. Дирижабли: Перспективы использования в робототехнике // Мехатроника, автоматизация, управление. 2004. № 5. С. 15 - 20.

15. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Сиротенко М.Ю., Носко О.Э., Юрченко А.С. Проектирование систем управления роботизированных воздухоплавательных комплексов на базе дирижаблей. // Известия ТРТУ. 2006, № 3 (58). С. 160 - 167.

16. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гайдук А.Р., Нейдорф Р.А., Беляев В.Е., Федоренко Р.В., Костюков В.А., Крухмалев В.А. Система позиционно-траекторного управления роботизированной воздухоплавательной платформой: математическая модель // Мехатроника, автоматизация и управление. 2013, № 6. С. 14 - 21.

17. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю., Гайдук А.Р., Нейдорф Р.А., Беляев В.Е., Федоренко Р.В., Костюков В.А., Крухмалев В.А. Система позиционно-траекторного управления роботизированной воздухоплавательной платформой: алгоритмы управления // Мехатроника, автоматизация и управление. 2013, № 7. С. 13 - 20.

18. Пшихопов В.Х., Суконкин С.Я., Нагучев Д.Ш., Стракович В.В., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Костюков В.А., Волощенко Ю.П. Автономный подводный аппарат «Скат» для решения задач поиска и обнаружения заиленных объектов // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2010. № 3(104). С. 153 - 162.

19. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Синтез систем управления подводными аппаратами с нелинейными характеристиками исполнительных органов // Извести ЮФУ. Технические науки. 2011. № 3(116). С. 147 - 156.

20. Пшихопов В.Х., Чернухин Ю.В., Федотов А.А., Гузик В.Ф., Медведев М.Ю., Гуренко Б.В., Пьявченко А.О., Сапрыкин Р.В., Переверзев В.А., Приемко А.А. Разработка интеллектуальной системы управления автономного подводного аппарата // Известия ЮФУ. Технические науки. 2014. № 3(152). С. 87 - 101.

21. Пшихопов В.Х., Гайдук А.Р., Медведев М.Ю., Беляев В.Е., Полуянович Н.К., Волощенко Ю.П. Энергосберегающее управление тяговыми приводами электроподвижного состава // Известия ЮФУ. Технические науки. 2013. № 2(139). С. 192 - 200.

22. Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. - 5-е изд. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 560 с.

23. Coleman, T.F. and Y. Li, "An Interior, Trust Region Approach for Nonlinear Minimization Subject to Bounds," SIAM Journal on Optimization, Vol. 6, pp. 418-445, 1996.

24. Медведев М.Ю. Алгоритмы адаптивного управления исполнительными приводами. // Мехатроника, автоматизация и управление. 2006, № 6. С. 17 - 22.

25. Медведев М.Ю. Структура и алгоритмическое обеспечение нелинейного наблюдателя производных в условиях действия случайных шумов // Известия ЮФУ. Технические науки. № 12. 2008. С. 20 - 25.

26. Пшихопов В.Х., Медведев М.Ю. Синтез адаптивных систем управления летательными аппаратами // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. № 3(104). С. 187 - 196.

Аннотация

В последнее время актуальной становится проблема управления распределенным процессом производства, передачи и потребления энергии. Данный факт связан с появлением значительного числа генераторов и возможность реализации первичного регулирования на всех элементах энергосети. В этой связи в работе предлагается трехуровневая система распределенного управления энергосетью, которая включает в себя верхний уровень сегментации сети, средний уровень распределенного управления частотой и мощностью и нижний уровень первичного регулирования. Рассмотрены методы управления для каждого из описанных уровней, приводятся результаты моделирования.

Ключевые слова: интеллектуальная энергосеть, система управления, распределенное управление, регулирование частоты и мощности.

Размещено на Allbest.ru

...