Способ кодирования ситуаций в электрической сети, содержащей мультиконтактные коммутационные системы и возобновляемые источники энергии

Введение. В [1] разработана концепция построения интеллектуальных электрических сетей с использованием мультиконтактных коммутационных систем (МКС). Показано, что использование МКС - это шаг к повышению интеллектуализации распределительных электрических сетей, который даёт возможность автоматически изменять конфигурацию сети в соответствии с изменением ситуации в сети или по заданию оператора (диспетчера). Это позволяет сокращать затраты на строительство резервных линий электропередачи без сокращения показателей надёжности электроснабжения потребителей. Оснащение МКС умного мониторинга, учёта, контроля и управления [2] позволяет в режиме текущего времени иметь информацию о режимах работы сети и, соответственно, эффективно управлять коммутационными аппаратами, установленными в ней.

В электрической сети может изменяться нормальный режим работы, могут появляться аварийные режимы, такие как короткие замыкания, отключаться и включаться коммутационные аппараты и т.п. Совокупность режима работы и положения коммутационных аппаратов, установленных в сети, можно назвать ситуацией в сети, которую можно описать тем или иным способом. «Умное» управление сетью предполагает анализ текущих ситуаций в сети и принятие решений по их сохранению или изменению за счёт управления оборудованием сети (регулирование напряжения с помощью РПН трансформаторов или вольтодобавочных трансформаторов, отключение/ включение/ переключение коммутационных аппаратов и т.п.). Реализация цифровых способов управления сетью требует кодирования возможных в сети ситуаций и создания программного обеспечения, позволяющего переходить от одной ситуации к другой, изменяя конфигурацию сети, осуществляя управление соответствующим оборудованием.

Материалы и методы. Концепции «SMART GRID» (умных, интеллектуальных) в сформулированном виде публикуются с 80-90-х годов прошлого века. В западных странах принципы интеллектуальных сетей находят широкое внедрение [3, 4, 5, 6]. В нашей стране также активно они начинают пропагандироваться, и отдельные элементы умных сетей, концепции их выполнения, требования к ним активно обсуждаются [1,2, 7, 8, 9].

В Европе, странах Америки активно продвигаются проекты создания умных микросетей, особенностью которых является применение возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В частности, компания ENEL эксплуатирует микросеть с солнечной электростанцией (СЭС) и инновационной системой накопления и хранения электроэнергии, использующей водород в качестве агента, хранящего запас энергии. Данный проект нашёл применение в Чили [10]. Указанная микросеть используется для электроснабжения временного лагеря на 600 работников компании Cerro Pabellón. Сетевой контроллер, управляющий микросетью, эффективно распределяет потоки электроэнергии, произ- водимые СЭС, между потребителями и системами хранения.

Проекты, реализуемые совместно компаниями NISSAN и ENEL, направлены на применение аккумуляторов электромобилей в качестве распределённых накопителей энергии [11, 12]. Разработка NISSAN и ENEL реализуется в Великобритании, Франции. Предполагается, что проект позволит сэкономить на строительстве крупных накопителей и при этом обеспечить требуемый объём запасённой электроэнергии.

Упор на централизацию управления энергосистемой в России сказывается и на разработке концепций интеллектуальных сетей, в которых главное внимание уделяют обеспечению возможностей регулирования режимов работы сети. В связи со сложностью (в нормативном плане) подключения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на параллельную работу с централизованными системами электроснабжения, при разработке интеллектуальных сетей должна предусматриваться возможность работы ВИЭ в качестве не связанного с централизованной сетью источника энергии, который при этом может резервироваться ею. Решение этой задачи предложено в варианте применения МКС в электрических распределительных сетях, [1, 2]. Применение МКС требует исследования различных ситуаций, возможных в электрической сети, и разработки способов кодирования данных ситуаций.

Результаты исследований и их обсуждение. С помощью вариантов МКС, показанных в [1], и других типов можно разработать такие варианты схем электрических сетей, в которых возможно разделение сети на независимые участки, содержащие подключенных к ним потребителей и различные источники питания. Источники питания в таких вариантах сети могут быть расположены с разных сторон по отношению к МКС.

МКС классифицируются следующим образом:

• -    МКС, выполненные по мостовой схеме (МКСМ). Особенность данного исполнения заключается в том, что контактные группы не имеют общей точки присоединения. Ниже приведены примеры выполнения МКСМ на примере МКСМ-3, МкСМ-4 (цифрами обозначено количество контактных групп). Следует отметить, что при этом выводов может быть больше или меньше, чем контактных групп. Дополнительные выводы могут быть подключены к точкам соединения контактных групп МКСМ. Если число выводов больше или меньше числа контактных групп, то в маркировке МКСМ после указания числа контактных групп добавляется число выводов с буквой В и указанием в скобках точки соединения контактных групп, например МКСМ-3-4В(V1) - МКСМ с 3-мя контактными группами и с 4-мя выводами, при этом четвёртый вывод сделан из точки соединения контактных групп V1.

• -    МКС, выполненные по смешанной схеме (МКССМ). Особенность данного исполнения заключается в том, что часть контактных групп соединена по мостовой схеме как в МКССМ, а часть - с общей точкой соединения. Ниже приведены примеры выполнения МКССМ на примере МКССМ-6, МКССМ-8 (цифра-

• ми обозначено количество контактных групп). Следует отметить, что при этом выводов может быть больше или меньше, чем контактных групп. Дополнительные выводы могут быть подключены к точкам соединения контактных групп МКССМ. Если число выводов больше числа контактных групп, то в маркировке МКССМ после указания числа контактных групп добавляется число выводов с буквой В и указанием в скобках точки соединения контактных групп, например МКССМ-3-4В(V1) – МКССМ с 3-мя контактными группами и с 4-мя выводами, при этом четвёртый вывод сделан из точки соединения контактных групп V1.

Кодирование состояний МКС, МКСМ и МКССМ производится следующим образом. Все выводы МКС маркируются как В1, В2 и т.д. Контактные группы маркируются как 1, 2, 3 и т.д. Точки соединения контактных групп маркируются как V1, V2, V3 и т.д. Далее составляется таблица состояния МКС (МКСМ), в которой имеются графы, отображающие буквенный код состояния МКС, состояние контактных групп (маркируется как 0 – разомкнуто, 1 – замкнуто) при данном состоянии МКС. Также имеется графа с указанием соединений между выводами МКС, точками соединения контактов. Двоичный код состояния МКС составляется из состояния контактных групп.

Схема МКС, выполненная по смешанной схеме с тремя выводами (МКССМ-6-3В), показана на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема контактных групп с обозначениями выводов и контактов МКССМ-6-3В

МКССМ-6-3В позволяет независимо управлять контактными группами, поэтому возможен целый ряд вариантов сочетаний включенного/отключенного их состояния. Эти варианты дают набор случаев соединений выводов устройства. В таблице 1 приведена кодировка данных вариантов. Особенностью способа кодирования является то, что включенное состояние контактов отображается как 1, отключенное – как 0. Это позволяет представлять информацию о текущем состоянии всех контактных групп МКССМ-6-3В, а также удобно кодировать случаи соединений выводов МКССМ-6-3В в зависимости от состояния контактных групп.

В схемах электрических сетей используется тот же способ кодирования, что и способ кодирования состояния МКС. То есть включенное состояние контактов того или иного коммутационного аппарата представляется единицей, отключенное – нулём. Если коммутационный аппарат имеет несколько контактных групп (МКС), то вариант их соединения может быть отображён либо буквой, обозначающей данный вариант, или двоичным кодом состояния данного коммутационного аппарата. Каждому аппарату, потребителю и источнику питания присваивается свой идентификационный номер. Наличие напряжения на выводах источников питания, на вводах потребителей также представляется как 1 и 0. Таким образом, получается код всей ситуации в сети, отображающий состояние аппаратов и наличие питания на вводах потребителей и выводах источников.

Дополнительно могут кодироваться отклонения параметров режимов работы сети от норм. Например, отсутствие отклонений обозначается как 0, наличие отклонения в меньшую сторону (например, отклонение напряжения ниже установленного ГОСТ) – как 1, отклонение в большую сторону – 11. Поскольку МКС имеет несколько выводов, на каждом из которых возможен контроль отклонения напряжения и могут быть отличия отклонений, то код отклонения напряжения на каждом выводе пишется через знак /, таким же знаком отделяется указание отклонения напряжения от кода состояния контактов. В более сложном варианте значение отклонения напряжения может кодироваться двоичным числом, соответствующим значению реального отклонения напряжения. При обоих вариантах показатели режимов должны быть привязаны к конкретному устройству, контролирующему данный параметр. Например, если контроль напряжения осуществляется на выводах МКССМ-6-3В, то показатели отклонения указываются вместе с положением контактов данного МКССМ-6-3В.

Таблица 1 – Состояние контактных групп МКССМ-6-3В и их кодировка

Код ситуации	№ контакта						Соединение выводов
	1	2	3	4	5	6
А	0	0	0	0	0	0	Нет
В	1	0	0	0	0	0	B1-V1
С	1	1	0	0	0	0	B1-V1, B2-V2
Д	1	1	1	0	0	0	B1-V1, B2-V2, B3-V3
Е	1	1	1	1	0	0	В1-V1-V2-В2, B3-V3
F	1	1	1	0	1	0	В2-V2-V3-В3, B1-V1
G	1	1	1	0	0	1	В1-V1-V3-В3, B2-V2
H	1	1	1	1	1	0	В1-V1-V2-В2-V2-V3-В3
I	1	1	1	1	0	1	В2-V2-V1-В1-V1-V3-В3
J	1	1	1	0	1	1	В2-V2-V3-В3-V3-V1-В1
К	1	1	0	1	1	1	В1-V1-V2-В2-V2-V3-V1-B1
L	1	0	1	1	1	1	В1-V1-V3-В3-V3-V2-V1-B1
М	0	1	1	1	1	1	В2-V2-V3-В3-V3-V1-V2-B2
N	0	0	1	1	1	1	B3-V3-V1-V2
О	1	0	0	1	1	1	B1-V1-V2-V3
Р	0	1	0	1	1	1	B2-V2-V3-V1
Q	0	0	0	1	1	1	V1-V2-V3
R	1	1	1	1	1	1	В1-V1-V2-В2-V2-V3-В3-V3-V1-B1
S	1	1	0	1	0	0	B1-V1-V2-B2
T	1	0	1	0	0	1	B1-V1-V3-B3
U	0	1	1	0	1	0	B2-V2-V3-B3

В таблице 2 приведён пример кодирования со-   Для экономии пространства статьи приведены не- стояния МКССМ-6-3В с учётом параметра напряжения. сколько состояний МКССМ-6-3В, а не все возможные.

Таблица 2 – Пример кодирования состояния МКССМ-6-3В с учётом параметра напряжения

Код ситуации	№ контакта						Соединение выводов	Напряжение на выводах
	1	2	3	4	5	6		В1	В2	В3
А	0	0	0	0	0	0	Нет	0	1	11
В	1	0	0	0	0	0	B1-V1	1	1	0
Е	1	1	1	1	0	0	В1-V1-V2-В2, B3-V3	1	1	1
F	1	1	1	0	1	0	В2-V2-V3-В3, B1-V1	11	0	0

С учётом предлагаемого способа кодирования текущее состояния контактных групп конкретного устройства (их в схеме может быть несколько) можно записать следующим образом (без учёта отклонения напряжения), например: 1МКССМ-6-3В – F (1 перед МКССМ-6-3В – это номер устройства в схеме). С учётом отклонения напряжения: 1МКССМ-6-3В – F11/0/0. При кодировании двоичным кодом то же состояние 1МКССМ-6-3В запишется: 1МКССМ-6-3В – 111010/11/0/0. На рисунке 2 приведён пример схемы электроснабжения, содержащей различные типы МКС. Представленная на рисунке сеть – это сеть с несколькими источниками генерации, рядом потребителей, накопителем электроэнергии. Также имеется возможность резервирования питания от централизованной системы электроснабжения через трансформаторную подстанцию (ТП) 10/0,4 кВ.

В схеме содержатся следующие элементы: потребители (или их группы) 1…5; ТП 10/0,4 кВ; биогазовая установка (БГУ); солнечная электростанция (СЭС);

ветроэлектростанция (ВЭС); дизельная электростанция (ДЭС); накопитель электроэнергии (НЭ); две муль-тиконтактные коммутационные системы с четырьмя выводами 1МКС-4 и 2МКС-4; три мультиконтактные коммутационные системы с четырьмя выводами 1МКС-3 и 2МКС-3 и 3МКС-3; одна мультиконтактная коммутационная система с четырьмя выводами, выполненная по смешанной схеме 1МКССМ-8-4В; устройство автоматического включения резерва потребительское АВР-П; коммутационный аппарат СПАВР – универсальный секционирующий пункт, который может использоваться как устройство сетевого АВР; секционирующий пункт СП. Описание СП и особенности его применения приведены в [13]. Схема насыщена различными коммутационными аппаратами, источниками питания для демонстрации возможностей применения мультиконтактных коммутационных систем и систем контроля, учёта, мониторинга и управления. В реальности схемы могут быть разнообразными, более простыми, содержащими меньше оборудования или наоборот, более сложными. Предлагаемый способ кодирования ситуаций в схемах электроснабжения при этом остается неизменным.

отключаться при повреждениях на линии электропере- дачи (ЛЭП) со стороны потребителей 1 или 2, а также

Рисунок 2 – Микросеть с дополнительными источниками генерации и накопителем электроэнергии

СПАВР и СП могут находиться в двух состояниях: выключено – 0 (код А); включено – 1 (код В). Все коммутационные аппараты и системы оснащены интеллектуальными системами контроля, учёта, мониторинга и управления [2]. Эти системы дают возможность контролировать состояние данных коммутационных систем, дистанционно управлять ими, осуществлять мониторинг показателей режимов работы системы электроснабжения, учитывать количество переданной электроэнергии, учитывать количество срабатываний и другие показатели работы. Также системой мониторинга технического состояния оснащены все ЛЭП в схеме. Потребители оснащены системами учёта электроэнергии и системами мониторинга качества электроэнергии и надёжности электроснабжения [14, 15, 16], реализующими, в том числе, алгоритмы корректировки стоимости электроэнергии [17] и подающими информацию для систем регулирования напряжения в сети [18].

Коммутационные аппараты источников энергии и накопителя на схеме сети не показаны, но их работа представляется как включенное (код В или 1) или отключенное (код А или 0) состояние источников. Питание потребителей также представлено в виде кодов 0 (А – питание на вводе отсутствует) или 1 (В – питание на вводе присутствует).

Рассмотрим, для примера, несколько ситуаций, которые могут возникнуть в представленной на рисунке 2 сети.

Ситуация 1. Электрическая сеть работает в режиме, который подразумевает подзарядку НЭ от БГУ. СЭС, ДЭС и ВЭС осуществляют питание групп потребителей 3-5. ТП осуществляет питание потребителей 1, 2. В данной ситуации соединение выводов коммутационных устройств представлено в таблице 3.

Таблица 3 – Кодирование ситуации 1 в системе электроснабжения для коммутационных устройств

Код в буквенной форме

СП

СПАВР

АВР-П

1МКС-3

2МКС-3

3МКС-3

1МКС-4

2МКС-4

1МКССМ-8-4В

B

B

B

E

H

H

L

N

E1

Двоичный код

1 \

1 \

101

110

111

111

1011

1111

10010001

Код в буквенной форме

БГУ

НЭ

СЭС

ВЭС

ДЭС

ТП

Потр. 1

Потр. 2

Потр. 3

Потр. 4

Потр. 5

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Двоичный код

1 \

1 \

1 \

1 \

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1

Ситуация 2. В пиковые часы в связи с увеличением потребления электроэнергии необходимо задействовать все генераторы, в том числе и энергию, запасенную в накопителе, на питание потребителей. Это можно сделать, если выводы коммутационного обору- дования будут переключены так, что питание потребителей 3, 4 будет осуществляться от СЭС, ВЭС, ДЭС и энергии, запасенной в накопителе; а ТП и БГУ будут производить электроснабжение потребителей 1, 2 и 5. Код ситуации показан в таблице 4.

Таблица 4 – Кодирование ситуации 2 в системе электроснабжения для коммутационных устройств

Код в буквенной форме

СП

СПАВР

АВР-П

1МКС-3

2МКС-3

3МКС-3

1МКС-4

2МКС-4

1МКССМ-8-4В

B

B

С

G

G

H

K

N

G1

Двоичный код

11

1 1

011

011

011

111

1101     1

1111

01100100

Код в буквенной форме

1ВБГУ

2ВН

3ВСЭС

4ВВЭС

5ВДЭС

6ВТП

П1

П2

П3

П4

П5

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

B

Двоичный код

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1

1 1

1 1

1

Ситуация 3. В непиковые часы, когда спрос на электроэнергию невысокий, можно осуществить питание всех потребителей от возобновляемых источников электроэнергии (ВИЭ). Выключатель трансформатор- ной подстанции (ТП) отключен, также отключена ДЭС. Осуществим питание потребителей 3, 4 от БГУ и СЭС, а потребителей 1, 2, 5 от ВЭС. Код ситуации показан в таблице 5.

Таблица 5 – Кодирование ситуации 3 в системе электроснабжения для коммутационных устройств

Код в буквенной форме

СП

СПАВР

АВР-П

1МКС-3

2МКС-3

3МКС-3

1МКС-4

2МКС-4

1МКССМ-8- 4В

A

B

B

G

H

G

L

N

J

Двоичный код

0 1

1 1

101

011

111

011

1011

1111

11111010

Код в буквенной форме

1ВБГУ

2ВН

3ВСЭС

4ВВЭС

5ВДЭС

6ВТП

П1

П2

П3

П4

П5

B

B

B

B

B

A

B

B

B

B

B

Код в двоичной форме

1 1

1 1

1 1

1 1

1 1

0 1

1 1

1 1

1 1

1 1

1

Ситуация 4. Система дистанционного мониторинга технического состояния ЛЭП выявила повреждение на линии возле потребителя 1, между коммутационными устройствами 1МКССМ-8-4В и СПАВР. Эта авария делает невозможным электроснабжение потребителя 1. До ее устранения соединение выводов коммутационных устройств можно произвести так, чтобы ТП питала потребителя 2, солнечная электростанция заряжала накопитель, а электроснабжение потребителей 3-5 производили ВЭС, ДЭС и БГУ. Код ситуации показан в таблице 6.

Таблица 6 – Кодирование ситуации 4 в системе электроснабжения для коммутационных устройств

Код в буквенной форме

СП

СПАВР

АВР-П

1МКС-3

2МКС-3

3МКС-3

1МКС-4

2МКС-4

1МКССМ–8-4В

B

A

B

G

H

H

F

L

X1

Двоичный код

1 \

0 \

101

011

111

111

1100

1011

01010110

Код в буквенной форме

1ВБГУ

2ВН

3ВСЭС

4ВВЭС

5ВДЭС

6ВТП

П1

П2

П3

П4

П5

B

B

B

B

B

B

A

B

B

B

B

Код в двоичной форме

1 \

1 \

1 \

1 \

1 \

1 \

0 \

1

] 1 1

1 1

1

Аналогично могут быть рассмотрены и другие ситуации, возникающие в представленной электрической сети. Также могут, как это представлено в таблице 1, быть показаны и режимы сети по напряжению, по другим характеристикам. При создании средств управления умными сетями, содержащими МКС, МКСМ и другие коммутационные аппараты, рассматриваются все возможные ситуации в сети, разрабатываются коды (таблицы кодов) данных ситуаций. Полученные коды вносятся в память средств управления и используются для управления сетью автоматически в зависимости от изменения режимов работы или исходя из заданий оператора сети.

Использование МКС в схемах электроснабжения совместно с другими коммутационными аппаратами и при наличии систем контроля, мониторинга, управления и учёта позволяет внедрять принципы «умных» электрических сетей и повышает гибкость сети по отношению к использованию нескольких источников энергии. Это позволяет реализовывать различные предлагаемые способы повышения качества поставляемой потребителям электроэнергии, например, способы адаптивного автоматического регулирования напряжения [18] и надёжности их электроснабжения, в том числе за счёт секционирования, резервирования электрических сетей [13], других способов и средств повышения эффективности систем электроснабжения [19, 20].

Выводы

• 1.    Использование МКС позволяет повысить возможности автоматизации и интеллектуализации электрических сетей, повысить надёжность электроснабжения потребителей за счёт гибкого управления конфигурацией электрической сети, возможностей использования в сети различных источников питания независимо друг от друга, не включая их на параллельную работу, что особенно актуально при использовании возобновляемых источников энергии.

• 2.    Применённый метод кодирования состояния групп контактов коммутационных аппаратов позволяет получать код ситуации в электрических сетях в целом, с указанием как состояния коммутационных аппаратов, так и наличия питания на вводах потребителей.