Параметрическая идентификация линий электропередачи и трансформаторов для целей управления технологическими процессами в электроэнергетике

Актуальность работы. В настоящее время осуществляется переход электроэнергетики РФ на новую технологическую платформу, в основу которой положена концепция интеллектуальных электрических сетей {smart grid) [49]. 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, т. е. D = IIUY. 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 [4], и потому вопрос об адекватности этой группы параметров можно считать решенным. Параметры П определяются по справочным данным на основании аналитических выраженийпри этом могут возникать значительные погрешности. Эти погрешности возникают, прежде всего, из-за отличия справочных данных от реальных параметров элемента [57].

Уточнение параметров и получение адекватной реальным условиям математической модели элемента ЭЭС может быть выполнено на основе методов параметрической идентификации [3, 6, 50]. Теория идентификации достаточно хорошо разработана, однако предлагаемые в ней методы 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.

54, 57], которые не могут использоваться для расчета режимов при наличии продольной и поперечной несимметрии. Она особенно проявляется в ЭЭС, питающих электротяговые нагрузки [8, 9].

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 A.A., Наумов Э. Б., Шака-рянЮ.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 A.A., Дейча A.M., Дмитриева А. Н., Карабутова H.H., Кашьяпа P. JL, Льюнга Л., Музыкина С. Н., Острейковско-го В.А., Перельмана И. И., Прангишвили И. В., Салыги В. И., Сейджа Э. П., Солодовникова В. В., ЦыпкинаЯ.З., Эйхскоффа П. и их коллег [1.3, 6, 7, 19, 20, 21, 30, 35, 36, 37, 38, 39, 44, 46, 48, 56, 63]. Вопросам параметрической идентификации ЭЭС посвящены работы Лордкипанидзе В. Д., Файбисови-ча В.А., Шелюга С. Н. и др. [54, 57].

Работы перечисленных авторов создали методологическую основу для разработки методов параметрической идентификации элементов ЭЭС. В работе предлагается 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 двухи трёхобмоточных силовых трансформаторов для решения задач управления технологическими процессами в электроэнергетике.

Для достижения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:

1. Проанализировать погрешности определения параметров ЛЭП и силовых трансформаторов.

2. Оценить возможности использования систем векторных измерений PMU-WAMS для решения задач параметрической идентификации ЛЭП и трансформаторов.

3. Формализовать задачу определения параметров ЛЭП и трансформаторов на основе синхронизированных измерений токов и напряжений и выполнить процедуру структурной идентификации моделей этих элементов ээс.

4. Разработать методы параметрической идентификации ЛЭП и силовых трансформаторов на основе полносвязанных решётчатых схем замещения (РСЗ) из ЖС-элементов [10. 15, 17, 24, 59].

5. 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 [45] и модернизированный в части реализации алгоритмов параметрической идентификации силовых элементов электроэнергетических систем.

Научная новизна.

1. 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.

2. Предложены методы параметрической идентификации линий электропередачи на основе информации, получаемой от устройств векторных измерений PMU-WAMS, отличающиеся от известных построением модели ЛЭП в виде решётчатых схем замещения из ЛСС-элементов.

3. Разработаны методы определения параметров двухобмоточных силовых трансформаторов на основе измерений комплексов токов и напряжений обмоток, позволяющие, в отличие от известных, использовать разработанные модели в задачах моделирования сложнонесимметричных нормальных и аварийных режимов ЭЭСпроведено обобщение методов для решения задач идентификации многообмоточных трансформаторов.

4. На основе компьютерного моделирования по разработанной в диссертации методике показана робастность предложенных идентификационных моделей при вариации погрешностей измерения фазоров токов и напряжений в пределах класса точности устройств PMU.

Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в 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, сложнонесим-метричных, 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:

II и III 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 приведёны материалы о внедрении результатов работы.

Выводы.

1. На основе компьютерного моделирования по разработанной в диссертации методике показана робастность предложенных идентификационных моделей при вариации погрешностей измерения фазоров токов и напряжений в пределах класса точности устройств РМи.

2. Предложенные алгоритмы моделирования ЛЭП и трансформаторов обеспечивают построение моделей, использование которых позволяет получить высокую точность расчета режимов ЭЭСсредние значения погрешностей определения напряжений не превышают по модулям 1%, а по фазамодного градуса.

3. Полученные результаты свидетельствуют о достаточно высокой точности идентификации и применимости описанных методов для решения практических задач, возникающих при управлении режимами ЭЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основании проведённых диссертационных исследований решена актуальная научно-техническая задача повышения точности моделирования режимов ЭЭС на основе параметрической идентификации ЛЭП и силовых трансформаторов для целей управления технологическими процессами передачи и распределения электроэнергии. При этом получены следующие результаты.

1. На основе системного описания ЭЭС сформулирована задача параметрической идентификации линий электропередачи и трансформаторов. Определены необходимые параметры для осуществления параметрической идентификации: фазоры тока и напряжения, измеренные в нескольких характерных режимах.

2. Проанализированы существующие методы параметрической идентификации элементов ЭЭС. Установлено, что эти методы основаны, в основном, на однолинейном представлении элементов. Дальнейшее использование и тем более развитие однолинейного представления для решения задач управления режимами ЭЭС при наличии мощных средств вычислительной техники и информационных технологий не оправдано, поскольку не позволяет производить учёт многократных несимметрий, возникающих в реальных ЭЭС.

3. На основе практических измерений и анализа литературных источников установлено, что реальные параметры ЛЭП и трансформаторов существенно отличаются от данных, приведенных в справочной литературе. Определено, что при решении практических задач, связанных с моделированием режимов ЭЭС для целей управления эти отличия могут привести к существенным погрешностям. Решение данной проблемы можно осуществить путем определения реальных параметров с использованием синхронизированных измерений комплексов токов и напряжений.

4. На основе анализа концепции развития интеллектуальных сетей определена область применения разработанных методов параметрической идентификации в задачах управления режимами ЭЭС. С их помощью возможно повышение адекватности моделирования нормальных, сложнонесим-метричных, несинусоидальных и предельных режимов ЭЭС, а также увеличение точности настройки микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики.

5. Разработаны методы и алгоритмы параметрической идентификации ЛЭП и трансформаторов в фазных координатах, основанные на использовании решетчатых схем замещения из ЯЬС-элементов и применимые для целей управления технологическими процессами передачи и распределения электроэнергии.

6. Исследование разработанных алгоритмов позволило сделать вывод о том, что предложенные методы идентификации ЛЭП и трансформаторов обеспечивают построение моделей, использование которых позволяет получить высокую точность определения режимов электроэнергетических систем: средние значения погрешностей определения модулей напряжений не превышают 1%, аналогичные параметры для углов не достигают одного градуса. Эти результаты свидетельствуют о достаточно высокой точности идентификации и применимости предложенных методов для решения практических задач, возникающих при управлении режимами ЭЭС.