Использование тестовых схем IEEE и CIGRE для исследования электроэнергетических режимов работы энергосистем

A.V. Korzhov1, ,

V.I. Safonov1, ,

V.O. Samarin1, 2, ,

P.V. Lonzinger1, ,

K.A. Nizamutdinov1, ,

Для проведения исследований в области электроэнергетических систем разработаны тестовые схемы IEEE [1–4] и CIGRE [5]. Основными преимуществами использования тестовых схем являются: возможность различным исследовательским группам сопоставлять результаты исследований; сокращение времени на сбор исходной информации (конфигурация сети, уровни напряжения узлов, параметры элементов, мощности нагрузок); наличие в открытом доступе собранных имитационных моделей (наиболее распространены MATLAB-модели). Однако использование тестовых схем имеет и некоторые недостатки: недостаточность исходных данных для решения конкретных задач, проблемы с согласованием исходных величин и необходимых для пользовательского ПО форматов данных.

Тестовые модели достаточно разнообразны по количеству узлов: от 4 [1] до 8500 [6]. Наиболее часто встречаются схемы с количеством узлов от 30 до 100. Достаточно полный набор информации по широко используемым тестовым схемам приведен в работе [7].

Тестовые модели классифицированы для проведения конкретного вида исследований: для оценки устойчивости напряжения [2, 8], для оценки статической устойчивости [3, 9], для интеграции распределенных источников энергии [5], для исследования установившихся режимов [4], для исследования сетей со вставками постоянного тока [10, 11] или распределительных сетей [1, 6, 12, 13]. Рекомендации по использованию схемы не накладывают строгих ограничений на потенциальные возможности их применения. Например, стандартные схемы были применены для тестирования экономических моделей диспетчеризации нагрузки с использованием классических [14], стохастических [15] и нейросетевых подходов [16]. Приведенный выше список примеров далеко не полный.

Основной причиной использования тестовых схем с количеством узлов до 50 является возможность сравнивать различные математические алгоритмы на одинаковых объектах. Для схем с количеством узлов более 50 важным становится наличие систематизированных данных и доступной рабочей модели. Целями настоящей работы является обсуждение основных проблем, возникающих при использовании стандартных тестовых схем, а также возможных методов их решения.

Общие проблемы использования тестовых схем

Основной проблемой при использовании тестовых схем IEEE и CIGRE является недостаток данных, приводимых в тестовых моделях. Поэтому в зависимости от задачи исследования необходимы модификации тестовой схемы. Таким образом, тестовая схема больше не являются эталонной системой и теряет большую часть своей ценности для проведения прямых сравнений между алгоритмами.

Одной из крупных и одновременно общедоступных баз данных по тестовым системам в электроэнергетике является Matpower [17], некоторые схемы из которой были разработаны более 30 лет назад [18]. Первоначально тестовые схемы были разработаны для исследований потоков мощности переменного тока, что является задачей осуществимости режима работы энергосистемы, а не задачей оптимизации. Как следствие, в тестовых схемах отсутствуют ключевые фрагменты информации, такие как данные о допустимой токовой нагрузке ЛЭП и трансформаторов. В ряде стран (Китай, США, европейские страны) при управлении режимом используется не ток, а предел передаваемой мощности. Попытка самостоятельно дополнить недостающую информацию может привести либо к тривиальному, либо к нереализуемому набору данных.

Следует отметить, что многие исследователи ощущают недостаток данных о предельных нагрузках линий. В [19] были выведены ограничения токов линий для системы IEEE 14-bus при использовании стандарта IEEE 738, однако для этого пришлось сделать обширные предположения о характеристиках сети (длина линии, марка провода) и условиях окружающей среды (температура). В работе [20] предложена методика получения предельных токовых нагрузок, исходя из минимизации расходов на передачу электроэнергии. Однако полученные авторами результаты свидетельствуют, что существуют линии, загруженные на 100% по наиболее жесткому критерию. Таким образом, в случае планового ремонта какой-то линии возможна перегрузка уже загруженной на 100 % ЛЭП, что не позволяет использовать полученный набор в задачах диспетчерского управления системообразующими сетями.

Стандарты на проектирование системообразующих сетей в РФ [21] устанавливают, что после отключения одной из ЛЭП на плановый или профилактический ремонт ни в одной из ЛЭП этого энергетического района не должна быть превышена предельная загрузка линий. Методику проектирования ЛЭП [21] можно использовать для генерации приемлемого набора предельных нагрузок линий по току или мощности. Полученный набор можно оценить на близость к предельно допустимым перетокам активной мощности, используя один из методов, обсуждаемых в работе [22]. Следование методике проектирования [21] позволит избежать нереализуемых ситуаций, а проверка близости к предельным перетокам мощности [22] позволит не исследовать тривиальные ситуации.

Следует отметить, что существует возможность обойти обсуждаемые выше проблемы. В открытом доступе есть схемы (например, [23]), в которых информация о предельной передаваемой мощности является частью исходных данных. Од- нако свободный поиск подходящей схемы и набора данных может занять весьма значительное время.

Поэтому появились платформы, в которых информация аккумулируется. Примером большой и общедоступной базы данных, содержащей информацию о предельных токовых нагрузках (предельных мощностях), может быть архив NESTA. В [24] проведен обширный обзор всех общедоступных наборов данных, собранных в архиве NESTA в едином формате данных. Продемонстрировано, что этот набор данных можно использовать для исследований в области оптимизации энергосистем и для создания новых тестовых схем, адаптированных к конкретным областям применения. Как следует из современных данных об архиве NESTA, он был преобразован в архив IEEE PES OPF Benchmark Library, PGLib-OPF [25]. Однако это не снижает актуальность информации и в исходной версии архива.

При использовании схем IEEE и CIGRE также нужно учитывать, что большую часть информацию о нагрузке (источнике) в узле нужно будет собирать дополнительно. Для узлов нагрузки заданы только максимальные значения активной и реактивной мощности. Для узлов генерации также заданы только пределы изменения активной и реактивной мощностей генераторов. Масштаб и методы решения этой проблемы зависят от того, являются ли данные об узлах независимыми или для исследования нужна самосогласованная база данных.

Для исследования в области оптимизации энергосистем достаточно независимой информации об узлах нагрузки и генерации. Фактически дополнение исходных данных в этом случае соответствует выбору конкретного набора нагрузок в узле потребления или вида и марки генератора. Для задач планирования в энергосистеме РФ [22] нужна информация о летних и зимних максимумах и минимумах нагрузки. При отсутствии более подробных данных можно воспользоваться типовыми графиками нагрузок [26]. В некоторых схемах (например, [23]) есть указание на конкретный сезон, для которого приведены данные. Необходимые для исследований PQ-диаграммы генераторов можно выбрать из паспортных данных конкретных генераторов или взять типовые графики из [27]. Аналогичным образом можно поступить с информацией о скорости ввода или вывода генерирующих мощностей. Эта информация необходима для исследований в области диспетчерского управления при возникновении аварийной ситуации, поскольку для принятия и выполнения решения у диспетчера остается только 20-минутный интервал [28], определяемый скоростью тепловых процессов в электрооборудовании энергосистемы.

Существенно другая ситуация возникает для исследований, связанных с векторными измерениями. В этом случае необходимы согласованные данные обо всех узлах на достаточно большой промежуток времени. Для некоторых схем такие данные находятся в открытом доступе. Модель Европейской сети операторов систем передачи электроэнергии (ENTSO-E) [29] доступна [30, 31], но только для моделирования потока мощности зимой 2009 года. Некоторые исследователи также предложили виртуальные электросети для исследовательского сообщества. Например, в работе [32] авторы предлагают крупномасштабную систему из более 1000 генераторов и 5000 линий электропередачи, а также с различными сценариями развития возобновляемой энергетики. Полезной является модификация данных для схемы IEEE-118 bus [33], которую можно рассматривать как энергосистему среднего размера. Расширенный набор данных включает в себя данные о предельной нагрузке линий, подробную информацию о динамике работы генераторов, уровнях выбросов, стоимости топлива и т. д. позволяет использовать модифицированную базу [33] как тестовую систему для исследований внедрения возобновляемых источников энергии.

Специфические проблемы для исследователей РФ

Использование тестовых схем для проведения исследований энергосистем в РФ связано с некоторыми специфическими проблемами, связанными с несогласованностью нормативной базы и используемого программного обеспечения в РФ и стране, где созданы тестовые схемы.

В РФ для расчета электроэнергетических сетей используют RastrWin3 [34] с общедоступной версией до 60 узлов. В то же время многие тестовые схемы реализованы в виде MATLAB-моделей. Решением этой проблемы может служить конвертация моделей из формата в другой при помощи конвертера [35]. Однако результаты работы конвертера часто приходится дорабатывать вручную, поэтому для схем с малым количеством узлов целесообразнее собирать схему в Rastr-Win3 по исходным данным без использования конвертера.

Современный способ получения данных об устойчивости режима энергосистемы – это динамическая обработка результатов векторных измерений. Векторные измерения в РФ также используются, но в связи с разветвленностью энергосистемы и малым количеством точек, в которых производятся согласованные по времени векторные измерения, определение устойчивости во многих случаях производится на основании статических характеристик нагрузок (СХН).

Для задания нагрузки в узле энергосистемы можно использовать СХН для типовых видов нагрузок [34, 36]. Однако изменение характера нагрузок, в частности массовое внедрение современных преобразователей, сильно изменяет СХН, и для определения реальных СХН необходимо проведение активных экспериментов. Вместе с тем необходимость задавать СХН для узлов моделей энергосистем позволяет существенно сократить объем самосогласованной информации [33] и, как следствие, позволяет расширить набор используемых для исследования схем и баз данных.

Для решения задач, связанных с диспетчерским управлением при ликвидации аварий, необходим специфический набор данных о настройке системы релейной защиты и автоматики, скорости ввода генерирующих мощностей, наличии персонала на станциях и т. д. Эти данные достаточно специфичны для каждой из стран, и, вероятнее всего, это является причиной отсутствия данной информации во всех просмотренных базах данных.

Система противоаварийной автоматики формируется для каждого элемента энергосистемы с учётом согласования логики действия отдельных устройств. Как результат при возникновении аварийной ситуации автоматика может как способствовать, так и препятствовать развитию аварии. Поэтому при исследовании энергосистем в математическую модель энергосистемы в аварийной ситуации нужно добавлять логику действия про-тивоаварийной автоматики и в послеаварийном режиме учитывать результат работы автоматики. В результате количество рассматриваемых послеа-варийных режимов увеличивается [22].

Обзор базы данных тестовых схем PGLib-OPF

В таблице представлены данные по тестовым схемам, имеющимся в базе данных PGLib-OPF [25].

Обзор базы данных PGLib-OPF PGLib-OPF Database Overview

Показателил	База данных PGLib-OPF
Раздел IEEE Power Flow Test Cases
1	pglib opf case14 (30, 57, 118) ieee, pglib opf case300 ieee (AC-Stat)
2	pglib opf case14 (30, 57) ieee, pglib opf case118 ieee (TL-Stat), pglib opf case300 ieee (TL-UB)
3	pglib opf case14 (30, 57, 118, 300) ieee (30◦)
Раздел IEEE Dynamic Test Cases
1	pglib opf case162 ieee dtc (AC-Stat)
2	pglib opf case162 ieee dtc (TL-Stat)
3	pglib opf case162 ieee dtc (30◦)
Раздел IEEE Reliability Test Systems (RTS)
3	pglib opf case24 (73) ieee rts (30◦)
Раздел PEGASE Test Cases
1	pglib opf case89 ( 1354 , 2869, 9241) pegase, pglib opf case13659 pegase (AC-Stat)
2	pglib opf case89 ( 1354 , 2869, 9241) pegase, pglib opf case13659 pegase (TL-UB)
3	pglib opf case89 ( 1354 , 2869, 9241, 13659) pegase (30◦)
Раздел Publication Test Cases
2	pglib opf case5 pjm (TL-Stat)
3	pglib opf case3 lmbd ( 5 pjm , 30 as , 39 epri ) (30◦)
Раздел Polish Test Cases
2	pglib opf case3012wp ( 3120sp ) k, pglib opf case3375wp k (TL-Stat)
3	pglib opf case2383wp (2736sp, 2737sop, 2746wop, 2746wp, 3012wp, 3120sp, 3375wp) k (30◦)
Раздел RTE Test Cases
1	pglib opf case1888 (1951, 2848, 2868, 6468, 6470, 6495) rte, pglib opf case6515 rte (AC-Stat)
2	pglib opf case1888 (1951, 2848, 2868, 6468, 6470, 6495) rte, pglib opf case6515 rte (TL-UB)
3	pglib opf case1888 (1951, 2848, 2868, 6468, 6470, 6495, 6515) rte (30◦)
Раздел ACTIVSg Test Cases
3 1	pglib opf case200 activ (30◦)
Раздел Sustainable Data Evolution Technology Test Cases
1	pglib opf case588 ( 2853 ) sdet, pglib opf case4661 sdet (AC-Stat)
2	—
3	pglib opf case588 ( 2853, 4661 ) sdet (30◦)
Раздел Power Systems Engineering Research Center Test Cases
1	pglib opf case240 pserc (AC-Stat)
2	pglib opf case240 pserc (TL-UB)
3	pglib opf case240 pserc (30◦)
Раздел Grid Optimization Competition Test Cases
1	pglib opf case179 goc (AC-Stat)
2	pglib opf case179 goc (TL-UB)
3	pglib opf case179 (500, 793, 2000, 2312, 2742, 3022, 3970, 4020, 4601, 4619, 4837, 4917, 9591, 10000, 10480, 19402, 24464, 30000) goc (30◦)

Для уменьшения объема таблицы использовано следующее сокращение: pglib opf case14 (30, 57) ieee означает, что данная информация относится к трем схемам с почти совпадающим кодом pglib opf case14 ieee, pglib opf case30 ieee и pglib opf case57 ieee. Указанные схемы отличаются количеством узлов (14, 30 и 57 соответственно).

В таблице показано наличие в каждой их схем следующей информации: 1 – затраты на генерацию; 2 – термические пределы; 3 – ограничение по фазовому углу. «Затраты на генерацию» включают в себя эксплуатационные затраты, связанные с производством электрической энергии. «Термические пределы» показывают наличие информации о предельной пропускной способности каждой из линий тестовой схемы. «Ограничение по фазовому углу» указывает на наличие информации о пределах статической устойчивости.

Информация в исходной базе разделена как по источнику происхождения (Polish Test Cases), так и по классам исследовательских проблем, для решения которых разработаны схемы (IEEE Dynamic Test Cases).

Информация, представленная в таблице, может быть полезна при выборе оптимальной тестовой схемы, поскольку содержит информацию о количестве узлов, а также дополнительные данные, приложенные к тестовой схеме.

Выводы

Исходные данные к базовым тестовым схемам IEEE и CIGRE содержат данные только о тополо- гии сети и параметрах ее элементов. Информация, которая необходима для проведения исследований, намного шире и включает в себя данные о предельных токовых нагрузках ЛЭП и трансформаторов, данные о нагрузках узлов в зависимости от сезона, данные о динамике работы генераторов и т. д. Всю эту информацию приходится добавлять к схеме при проведении исследования, что ограничивает возможности использования тестовых базовых схем IEEE и CIGRE как универсального инструмента для сравнения различных математических методов и моделей.

В случае, когда дополнительная информации, необходимая для проведения исследования, может быть добавлена независимо для отдельных участков энергосистемы (например, узлов), предпочтительным является небольшая модификация исходной тестовой схемы. Для обеспечения взаимодействия между исследовательскими группами в этом случае можно опубликовать источник на индивидуальную базу данных.

В случае, когда для исследования необходима база данных, самосогласованная для всей энергосистемы, получение нетривиального и реализуемого набора данных превращается в самостоятельное исследование. Тогда целесообразнее найти наиболее подходящий набор среди менее популярных баз данных или многочисленных авторских модификаций базовых схем IEEE и CIGRE. Наиболее полной и общедоступной базой тестовых схем на данный момент является PGLib-OPF.