Method and the device of actualization of controlling effect loading of knot of the electric power system

Full Text

Введение

Решение задач оперативно-диспетчерского управления электроэнергетических систем требует актуальных данных описывающих изменение нагрузки. Наиболее полно свойства нагрузки в установившихся режимах описываются их статическими характеристиками (СХН) [1, 2]. В тоже время приходится учитывать, что СХН, в особенности в узлах энергосистемы, хоть и медленно, но все-таки, изменяются [3]. Изменения СХН возможны вследствие сезонных изменений характера нагрузок, изменения топологии сети, изменения состава активно реактивных элементов энергосистемы. Для актуализации СХН перспективно использовать методы пассивного эксперимента, основанные на накоплении и обработке данных измерений напряжений и мощностей в конкретных узлах электрической сети [3, 4].

Особый интерес вызывает идея использования регулирующего эффекта нагрузки узла энергосистемы для выработки управляющего воздействия направленного на снижения перетоков мощности по перегруженному элементу электрической сети, что позволяет управлять перетоком мощности, не производя коммутационных переключений и не вводя ограничений потребителям [5, 6]. Численно регулирующий эффект нагрузки характеризуется коэффициентом (К_РЭН), представляющим собой тангенс угла касательной к СХН проведенной в точке конкретного напряжения рисунок 1.

 

Рисунок 1 – Иллюстрация коэффициента регулирующего эффекта нагрузки

 

Как видно из рисунка 1 использование регулирующего эффекта нагрузки перспективно для оперативного диспетчерского управления. Зная величину К_РЭН можно воздействием на напряжение добиться снижения перетока мощности, что особенно актуально при возникновении перегрузки на элементе энергосистеме [7, 8]. Например, если К_РЭН >0 снижение перетока мощности производится путем снижения напряжения, если К_РЭН <0 снижение перетока мощности производится путем увеличения напряжения, а если К_РЭН ≈ 0, регулирующий эффект нагрузки отсутствует [5].

Очевидно, что для практического использования данной идеи необходима методика актуализации данных о величине К_РЭН. При этом практический интерес ограничивается возможным диапазоном регулирования напряжения, что в большинстве случаев не превышает +15% U_ном.

Безусловно, система актуализации данных не должна строиться на активных принудительных вмешательствах в режим. Методика и устройство актуализации К_РЭН строятся на пассивном наблюдении за естественными изменениями режима в энергосистеме [8].

В данной работе ставилась задача по разработке методики актуализации данных К_РЭН для участка +15% U_ном СХН по напряжению.

Данная методика имеет авторскую специфическую особенность, которая заключается в разработке основных положений методики, регистрации обоснованного количества пар отклонений, обосновании критериев пригодности данных и разработке алгоритма обработки данных и расчете изменения К_РЭН.

Результаты и обсуждение

По мнению авторов, при актуализации К_РЭН, нет необходимости периодического и многократного перерасчета СХН, а надо проводить процедуру актуализации (корректировки) только по мере накопления изменений СХН. Как показал опыт снятия характеристики различными научными группами [9, 10, 11, 12, 13] СХН на участке +15% U_ном достаточно достоверно отображает полиномиальная функция СХН второго порядка, получаемая путем адаптивно регрессионной аппроксимации [9, 12].

$P_{*}\left(U_{*}\right)=a_0+a_1{U}_{*}+a_2{U_{*}}^2$,                                                                      (1)

Имея значения коэффициентов полиномиальной функции, легко определись К_РЭН по формуле

$K_{\text{РЭН,U}}=a_1+2a_2{U}_{*i}$,                                                                              (2)

Расчет необходимо проводить в относительных единицах. В качестве базисного напряжения берется U_ср. Базисное напряжение неизменно на всем протяжении расчетов U_BAS = const. При этом существенное значение имеет качество исходных данных. Как было доказано в [14] к расчету пригодны только приведенные к единой оси времени данные напряжения и мощности, взятые с системы оперативно измерительного комплекса (ОИК), телеизмерения (ТИ) или с АСУ ТП по каналу измерения имеющем отметку качества 100.

Исходя из необходимости регистрировать только изменения, в основе методики положена концепция, используемая научной группой ТПУ [4], а именно для расчета СХН берутся не временные ряды измерений, а пары измерений. Пара – это регистрация одного изменения мощности после одного изменения напряжения. То есть в определенный момент производится измерение напряжения и мощности, а вторая точка измерения пары фиксируется только после изменения напряжения на величину не мене чем │U_i – U_i+1│>ΔU_min. При этом исходя из возможной величины изменения напряжения за одну ступень переключения РПН принимаем ΔU_min=0,75%U_ном Следует отметить, что между первым и последующим измерениями пары проходит время и если оно достаточно большое, то возможен дрейф мощности, если же оно не существенно, то дрейфа мощности может и не быть [8].

Пример пар представлен на рисунке 2а. Как видно из рисунка 2,а из пар складывает определенный тренд. Некоторые пары (1,4,5) могут отклонятся от общего тренда вследствие некорректных измерений, дрейфа мощности, случайных колебаний и т.д., поэтому производится корректировка учитывающая дрейф мощности, а случайный измерения надо отфильтровать.

 

Рисунок 2 – Иллюстрация пары измерений

 

Как показала практика снятия СХН, для расчета достаточно иметь достоверных пять пар измерений, в тоже время практика показала, что максимально до 40…45% пар может оказаться некорректными. Следовательно, предусмотрев 20% запас по надежности, необходимым и достаточным количеством данных в выборке является N_пар=5/0,5·1,2=12 пар. Отсев пар отклонившихся от тренда производится за счет исключения пар вышедших за доверительный интервал (рисунок 2,б).

Корректировку учитывающей дрейф мощности предлагается производить путем изменения в процессе расчета базисной мощности [4]. Как видно из формулы (3) определения СХН в именованных единицах:

$P\left(U\right)=P_{BAS}\left(t_i\right)\left(a_0+a_1\frac{U}{U_{BAS}}+a_2{\left(\frac{U}{U_{BAS}}\right)}^2\right)$,                                              (3)

P_BAS(t_i) является следствием колебаний мощности нагрузки, а

$\left(a_0+a_1\frac{U}{U_{BAS}}+a_2{\left(\frac{U}{U_{BAS}}\right)}^2\right)$, реакция на изменение напряжения. Поскольку дрейф мощности и ее случайные колебания связаны с P_BAS(t_i), то возможна корректировка путем ввода масштабирующих коэффициентов. Базисная мощность изменятся случайным образом.

Методика актуализации К_РЭН

Учитывая все вышеизложенное, методика актуализации К_РЭН представляет собой последовательность следующих операций:

1. Измеренные значения напряжения переводятся в относительные единицы

$U_{*i}=\frac{U_i}{U_{BAS}}$                                                                                          (4)

2. Регистрируются 12 пар измерения исходя из условия образования пары

$\left|U_{*i+1}-U_{*i}\right|>\Delta U_{*\min }$                                                                           (5)

3. Рассчитываются для всех 12 пар (пример приведен в таблице 1)

$K_{РЭН,i}=\frac{P_{*i+1}-P_{*i}}{U_{*i+1}-U_{*i}}\cdot \frac{U_{*i+1}+U_{*i}}{P_{*i+1}+P_{*i}}$                                                        (6)

4. Отфильтровываются которые не входят в доверительный интервал.
5. Задается первое приближение базисной мощности
6. Определяются коэффициенты а₀, а₁, а₂ полиноминальной функции СХН, например, методом наименьших квадратов.

$\left.\begin{array}{l}{P}_{*\mathrm{1,1}}=a_0+a_1{U}_{*\mathrm{1,1}}+a_2{U}_{*\mathrm{1,1}}^2;\\ P_{*\mathrm{2,1}}=a_0+a_1{U}_{*\mathrm{2,1}}+a_2{U}_{*\mathrm{2,1}}^2;\\ \mathrm{...}\\ P_{*\mathrm{1,}i}=a_0+a_1{U}_{*\mathrm{1,}i}+a_2{U}_{*\mathrm{1,}i}^2;\\ P_{*\mathrm{2,}i}=a_0+a_1{U}_{*\mathrm{2,}j}+a_2{U}_{*\mathrm{2,}j}^2.\end{array}\right\}$                                                                 (7)

где $U_{*\mathrm{1,}i}$ и $P_{*\mathrm{1,}i}$ – напряжение и мощность в о.е. до j-го измерения;

$U_{*\mathrm{2,}i}$ и $P_{*\mathrm{2,}i}$ – напряжение и мощность в о.е. после j-го измерения.

7. Определяется среднеквадратичное отклонение мощности.

$\sigma =\sqrt{\frac{1}{2N}\sum _{i=1}^N\left({\left[P_{*\mathrm{1,}i}-\left(a_0+a_1{U}_{*\mathrm{1,}i}+a_2{U}_{*\mathrm{1,}i}^2\right)\right]}^2+{\left[P_{*\mathrm{2,}i}-\left(a_0+a_1{U}_{*\mathrm{2,}i}+a_2{U}_{*\mathrm{2,}i}^2\right)\right]}^2\right)}$    (8)

где N – количество пар измерений, оставшихся после фильтрации.

8. Определяется второе приближение базисной мощности

$P_{BAS,i}=\frac{\frac{P_{*\mathrm{1,}i}+P_{*\mathrm{2,}i}}{2}}{a_0+a_1\left(\frac{U_{*\mathrm{1,}i}+U_{*\mathrm{2,}i}}{2}\right)+a_2{\left(\frac{U_{*\mathrm{1,}i}+U_{*\mathrm{2,}i}}{2}\right)}^2}$                                                      (9)

9. Расчет повторяется до тех пор, пока среднеквадратичное отклонение уменьшается. После достижения среднеквадратичным отклонением минимального значения расчет заканчивается. В результате получаются коэффициенты а₀, а₁, а₂ полиномиальной функции СХН.

Для экспериментальной проверки основных положений методики на базе микроконтроллера серии 51 производителя atmel AT89S53 по блочной схеме, представленной на рисунке 3 было реализовано устройство актуализации К_РЭН.

 

Рисунок 3 – Блок схема устройства актуализации КРЭН

 

Экспериментальная апробация работы устройства осуществлялась на ОРУ 35/6 кВ Томского завода «Сибкабель» во время пассивного мониторинга в течение одних судок.

Данные поступали с периодичностью 1 раз в 150 сек. К расчету принимались значения пар с разницей по напряжению не менее 45 В при U_ном=6000 В.. На рисунке 4 и в таблице 1 приведены зарегистрированные 12 пар с рассчитанными K_РЭН,i.

 

Рисунок 4 – Пример зарегистрированных 12 пар

 

Таблица 1. Регистрация 12 пар измерений

i	U1,i, кВ	P1,i, кВт	U2,i, кВ	P2,i, кВт	KРЭН,i
1	6,09	1,41	6,18	1,4	-0,06
2	6,16	1,61	6,27	1,63	0,92
3	6,26	1,28	6,36	1,31	1,46
4	6,38	1,02	6,48	1,01	-0,76
5	6,48	1,22	6,59	1,23	0,51
6	6,58	1,03	6,68	1,05	0,98
7	6,69	1,05	6,8	1,08	1,78
8	6,79	1,06	6,89	1,09	1,55
9	6,89	1,59	6,79	1,51	3,05
10	6,79	1,01	6,69	0,98	1,85
11	6,70	1,27	6,59	1,24	1,47
12	6,60	1,18	6,49	1,15	1,51

 

В процессе расчета СХН проводилась итерационная корректировка базисной мощности. На рисунке 5 проиллюстрировано значение мощности на первой итерации рисунок 5,а и последней итерации рисунок 5,б.

Рисунок 5 – Иллюстрация расчета точек СХН после первой – а) и последней – б) итерации

 

Среднеквадратичное отклонение σ уменьшалось до величины σ = 0,003. Коэффициенты полиномиальной функции СХН приняли значения а₀=1,481, а₁=–2,277, а₂=1,796. На рисунке показана рассчитанная по этим коэффициентам СХН.

 

Рисунок 6 – Результирующая СХН

 

Для определения погрешности актуализации проводилось сравнение результирующей СХН с СХН полученной по данным активного эксперимента. В определяемом диапазоне погрешность составила 0,2%, что доказывает правильность предлагаемой методики.

Численное значение К_РЭН в контролируемом диапазоне принимает значения К_РЭН= 0,387........1,475.

Заключение и выводы

Разработана методика и устройство актуализации коэффициента регулирующего эффекта нагрузки узла электроэнергетической системы, позволяющая производить с погрешностью 0,2% определение изменений статической характеристики по напряжению на участке характеристики +15%Uном даже при наличии нерегулярных колебаний нагрузки и дрейфа мощности.

About the authors

Alena A. Shuvalova

Altai State Technical University

Author for correspondence.
Email: alena_shuvalova_360@mail.ru

Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department «Power supply of industrial enterprises»

Russian Federation, Barnaul

Vladimir I. Polishchuk

Altai State Technical University

Email: polischuk_vi@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Power supply of industrial enterprises»

Russian Federation, Barnaul

References

Supplementary files