Способ и устройство для мониторинга электрической сети - RU2470439C2

Чертежи

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к мониторингу электрических сетей.

Уровень техники

Электрические сети сооружаются с целью соединения конечных потребителей электрической энергии с электростанциями и другими производителями электрической энергии. Традиционно такие сети предназначаются для распределения электрической энергии, производимой небольшим количеством больших электростанций. Таким образом, традиционная система электроснабжения является однонаправленной: электрическая энергия передается от электростанции в энергетическую систему высокого напряжения, из энергетической системы в сеть высокого напряжения (сеть ВН), из сети ВН в сеть среднего напряжения (сеть СН), из сети СН в сеть низкого напряжения (сеть НН) и, наконец, из сети НН к конечным потребителям. Также могут иметь место другие уровни напряжения.

Электрическую сеть Соединенного Королевства можно рассматривать как такую сеть с нисходящим потоком. В Соединенном Королевстве производителями электрической энергии главным образом являются большие электростанции, и только относительно небольшое количество электрической энергии производится маломощными установками, такими как ветроэнергетические установки, малыми теплоэлектроцентралями (ТЭЦ) и т.д. Электростанции соединены с государственной энергетической системой, обеспечивающей распределение электрической энергии к потребителям по всей стране. Таким образом, энергетическая система в некоторой степени является большим источником электрической энергии, хотя в целом она не запасает энергию (гидроаккумулирующие электростанции являются редким исключением).

Так как потребители рассчитываются за электрическую энергию по фиксированным тарифам, управление активами и нагрузкой в полном смысле слова обосновано только для энергетической системы высокого напряжения, к которой подключены генераторы, выполненные с возможностью регулирования. При переходе на более низкие уровни напряжения управление активами и нагрузкой сводится лишь к согласованию систем с нагрузкой. Мониторинг потребления электрической энергии и потерь для обеспечения оценки производительности в такой системе относительно прост. В таблице 1 приведен простой пример, в котором сеть ВН через трансформатор питает линию электропередачи СН, которая в свою очередь питает узлы 1-10. Приведены расстояния (длина кабеля) от узла до предыдущего узла (от узла 1 до трансформатора).

Узлами могут являться конечные потребители (то есть промышленные потребители среднего напряжения), другие радиальные сети в сети СН или трансформаторы сетей НН - в этом случае узел может являться сетью НН подобной представленной сети СН схемы. Эта сеть СН также представляет узел в сети ВН, который в свою очередь может представлять узел в энергетической системе, к которой подключены производители электрической энергии.

В такой системе отсутствуют оперативные измерения, а есть только накопленные показания (за месяц, квартал или год) от измерительных средств конечных потребителей. Заказчики изменяют нагрузку по своему усмотрению, а баланс производства электрической энергии обеспечивается путем поддержания напряжения энергетической системы и сети ВН, а также частоты путем увеличения или уменьшения нагрузки генераторов. В случае возникновения серьезных проблем в сети ВН (например, выхода из строя мощного генератора) сети СН отключаются до восстановления баланса (ограничение нагрузки вследствие дефицита мощности).

Фактическая стоимость доставки электрической энергии в данный момент и в данную точку или узел в системе неизвестна, стоимость накапливается и распределяется по заказчикам в соответствии с установленными тарифами.

На основе этих накопленных показаний статистические сведения и информация от потребителей о специальном электрооборудовании и согласовании системы собираются с использованием "наилучшего метода", то есть на основе ряда стандартных предположений и расчетов. Непосредственные измерения (то есть измерения на трансформаторах) выполняются только в случае жалоб от заказчиков, например, на провалы напряжения, фликер и т.д.

Фактическое состояние может быть таким, как в таблице 2, и приведенные в ней величины могут отличаться от величин, полученных оценкой с помощью наилучшего метода. Для получения этих величин необходим тщательный анализ каждого элемента в системе.

Поток мощности в каждом узле показан как "мощность, отходящая от предыдущего узла для питания этого и следующих узлов". Таким образом, поток мощности в узле 1 является мощностью, передающейся от трансформатора для питания узлов 1-10, поток мощности в узле 2 является мощностью, передающейся от узла 1 для питания узлов 2-10, и т.д. Показано потребление в каждом узле, которое является, например, измеренным потреблением конечного потребителя. Потери показаны как "потери трансформатора" и "потери линии" (кабеля) и могут быть рассчитаны как потери на единицу электрической энергии, поступающей в элемент (трансформатор или линию электропередачи). Зная потери, можно рассчитать фактическую стоимость доставки единицы электрической энергии в каждом узле. Величины потерь и стоимости крайне значимы для оценки производительности сети и определения участков, модернизация или техническое обслуживание которых были бы наиболее эффективны для улучшения производительности сети.

Однако многие электрические сети больше не соответствуют описанным выше традиционным однонаправленным моделям. Интенсивно увеличивается производство электрической энергии маломощными установками, особенно экологически благоприятными источниками электрической энергии, например ветровой или приливной энергии, а также ТЭЦ. Наличие производителей электрической энергии на уровнях низкого напряжения системы известно как распределенное производство электрической энергии.

Например, в Дании в отличие от Соединенного Королевства около 70% электрической энергии производится маломощными установками. Вся система может быть описана как распределенная система, так как генерирующие мощности распределены территориально. Существует большое количество маломощных ТЭЦ, а также ветровых турбин. Ветровые турбины производят электрическую энергию там, где есть ветер, а централизованное управление маломощными установками, такими как ТЭЦ, отсутствует. Поэтому, когда Дания производит электрической энергии больше, чем необходимо, она вынуждена экспортировать электрическую энергию, например, с помощью подводного кабеля в Норвегию или останавливать мощные электростанции. Управление производством электрической энергии ТЭЦ и ветровыми турбинами и передачей ее в энергетическую систему сильно ограничено. Несколько ТЭЦ средней мощности и ветровых электростанций большой мощности могут быть централизовано остановлены в экстремальной ситуации.

При наличии значительного количества распределенных производителей электрической энергии переток мощности в сети полностью изменяется. В таблице 3 показано, как изменяется описанная выше ситуация при подключении двух производителей электрической энергии к той же сети СН с образованием новых узлов 4 и 9. Номера узлов, использованные в таблице 1 и 2, показаны в скобках.

Величина и направление потока мощности между трансформатором и узлом 9 неизвестны. Более того, неизвестно даже, является ли этот узел сети СН нагрузкой или источником по отношению к сети ВН. В распределенной сети электрическая энергия передается и потребляется по всей сети, а это значит, что нагрузка в сети/"фактическая ценность" активов сети значительно изменяется. Существующие наилучшие методы расчетов не могут быть эффективно применены для этого типа распределенного производства электрической энергии. Это создает существенные проблемы для оценки производительности сети и затрудняет эффективное управление активами сети. При невозможности эффективного мониторинга сети на любом участке сети может неожиданно возникнуть перегрузка, а техническое обслуживание и капитальные вложения в элементы и активы сети не могут быть эффективно проведены.

Считается, что такой тип системы, скорее всего, станет более распространен в будущем, так как все больше электрической энергии производится экологически благоприятными источниками, такими как ветровые и приливные установки. Такая система также благоприятствует потенциально более эффективным технологиям, таким как маломощные ТЭЦ. Для эффективной работы такой системы с учетом как энергетической, так и экономической эффективности необходим способ точного мониторинга электрической сети.

Раскрытие изобретения

В соответствии с первым аспектом настоящее изобретение обеспечивает способ мониторинга электрической распределительной сети, содержащей соединение электрической сети для передачи электрической энергии во множество узлов N₁-N_N, причем соединение электрической сети подключено к узлу N₁, а указанные узлы соединены последовательно, включающий: начало обхода с последнего узла N_N и переход по узлам к соединению электрической сети с вычислением величины, представляющей количество электрической энергии, переданной в каждый узел от предыдущего узла, на основе потребления мощности узлом и потерь в элементах, расположенных между данным узлом и предыдущим узлом; и вычисление величины, представляющей количество электрической энергии, переданной от соединения электрической сети в первый узел N₁, на основе потребления мощности узлом и потерь в элементах, расположенных между соединением электрической сети и первым узлом N₁.

Понятно, что количество узлов не ограничено величиной, превышающей множество узлов. В ограничивающем случае двух узлов конечный узел N_N и узел N₂ совпадают.

Данный способ позволяет выполнять анализ электрической распределительной сети на основе потребления мощности в каждом узле и потерь в элементах между узлами и соединением электрической сети.

В традиционной сети с нисходящим потоком соединение электрической сети всегда является источником электрической энергии, которая затем потребляется в узлах. Однако в настоящем изобретении соединение электрической сети может как передавать электрическую энергию в узлы, так и получать электрическую энергию от узлов. Таким образом, поток электрической энергии может быть направлен от соединения электрической сети к узлу, что соответствует положительной величине "переданной" электрической энергии ниже, или от узла к точке подключения электрической сети, что соответствует отрицательной величине "переданной" электрической энергии ниже. Количество электрической энергии, переданной в каждый узел, также представляется положительной величиной, соответствующей потреблению электрической энергии, или отрицательной величиной, соответствующей производству электрической энергии. Количество электрической энергии, переданной в узел, включает количество электрической энергии, использованной в данном узле, а также количество электрической энергии, переданной к следующим узлам, то есть узлам, расположенным дальше от соединения электрической сети. Как количество использованной электрической энергии, так и количество переданной электрической энергии могут, конечно, принимать отрицательные значения, что фактически соответствует произведенной и принятой электрической энергии. Настоящий способ обеспечивает вычисление величины, представляющей потоки мощности между элементами, и следовательно, обеспечивает оценку производительности сети без необходимости выполнения полного измерения и анализа каждой части сети.

Настоящий способ, в частности, позволяет добиться положительного результата в распределенных сетях, но также может применяться и для менее сложных сетей, и в действительности может использоваться для анализа производительности традиционных сетей, а также сетей с небольшой долей распределенного производства электрической энергии. Кроме того, так как настоящий способ не зависит от анализа фактических элементов и их производительности, а также не зависит от количества узлов, он может использоваться для прогнозирования результатов изменения нагрузки и производства электрической энергии заказчиками. Например, может быть оценена возможность работы системы при внезапном пике нагрузки или может быть получен прогноз результатов введения новой электростанции или ветровой электростанции. При добавлении новых узлов в модель сети или реальную сеть способ может обеспечить мониторинг расширенной сети без каких-либо изменений.

Измерение количества электрической энергии, используемое в настоящем способе, может производиться в единицах тока, что позволяет производить непосредственное вычисление потерь, хотя могут использоваться и другие подходящие единицы измерения количества электрической энергии. Например, может использоваться измерение электрической энергии или мощности, и оно является преимущественным, так как обеспечивает использование способа в ситуациях, когда напряжение и ток непостоянны, например, когда трансформатор образует часть соединения между узлами.

Потребление мощности в каждом узле может быть, например, измеренным потреблением конечного потребителя в сети НН или СН или потреблением сети более низкого напряжения, например, трансформатора сети НН, соединенного с несколькими потребителями и являющегося узлом в сети СН. Сами узлы могут быть как едиными устройствами, так и группами устройств, например, подключенных к узлу электрической сети. Соединение электрической сети может являться трансформатором, соединяющим узлы с сетью более высокого напряжения. Потери могут являться потерями линии в линиях электропередач и/или потерями трансформатора.

В предпочтительном примере осуществления настоящий способ включает следующие этапы: начало обхода с первого узла N₁ и переход от соединения электрической сети с оценкой суммарных потерь в каждом узле относительно соединения электрической сети и использование суммарных потерь для вычисления стоимости электрической энергии для каждого узла относительно стоимости электрической энергии в соединении электрической сети.

Таким образом, преимущественно настоящий способ может быть использован для оценки местных потерь, а также местной стоимости. Это позволяет определить фактическую стоимость любых потерь и выполнить техническое обслуживание или капитальные вложения в новую инфраструктуру именно там, где это максимально эффективно. Большие потери при малой стоимости могут иметь меньшую важность, чем малые потери при значительно более высокой стоимости.

Этап вычисления величины, представляющей количество электрической энергии, переданной от соединения электрической сети и узлов к следующим узлам, может быть выполнен путем:

(а) определения количества электрической энергии, доставленной к конечному узлу N_N, на основе потребления мощности указанным узлом;

(б) определения потерь элементов для соединения между узлом N_N и предыдущим узлом N_N-1;

(в) вычисления суммарного количества электрической энергии, переданной в узел N_N от точки подключения предыдущего узла N_N-1, на основе количества электрической энергии, доставленной в узел N_N, и потерь между узлами N_N и N_N-1;

(г) определения количества электрической энергии, использованной в предыдущем узле N_N-1, на основе потребления мощности указанным узлом и последующего вычисления величины, представляющей количество электрической энергии, переданной в узел N_N-1, путем суммирования количества электрической энергии, использованной в узле N_N-1, и количества электрической энергии, переданной в узел N_N;

(д) повторения этапов (б)-(г) для узла N_N-1 и предыдущих узлов для определения величины, представляющей количество электрической энергии, переданной в каждый узел от соответствующего предыдущего узла, до перехода к узлу N₁ и, таким образом, определения величины, представляющей количество электрической энергии, переданной от точек подключения узлов N₁-N₂; и

(е) вычисления величины, представляющей количество электрической энергии, переданной в узел N₁ от соединения электрической сети, на основе количества электрической энергии, доставленной в узел N₁, и потерь соединения между соединением электрической сети и узлом N₁.

Способ может включать оценку потерь в каждом узле относительно соединения электрической сети путем:

(ж) вычисления отношения "Р/Р" для каждого узла, причем для первого узла N1 отношение Р/Р равно количеству электрической энергии, отходящей от соединения электрической сети, разделенному на количество электрической энергии, доставленной до указанного узла, а для каждого узла N₂-N_N отношение Р/Р равно количеству электрической энергии, отходящей от предыдущего узла, разделенному на количество электрической энергии, доставленной до данного узла;

(з) вычисления отношения "Р_транс/Р" для каждого узла, причем отношение Р_транс/Р равно произведению Р/Р для данного узла и Р/Р для предыдущего узла или Р/Р для соединения электрической сети, в которой данный узел является первым узлом N₁, а отношение Р/Р для соединения электрической сети равно единице;

(и) определения суммарных потерь для каждого узла как Р_транс/Р минус 1.

Суммарные потери могут быть использованы для вычисления стоимости электрической энергии в каждом узле путем:

(к) вычисления стоимости в первом узле N₁ путем умножения стоимости электрической энергии в соединении электрической сети на отношение Р/Р для узла N₁; и

(л) вычисления стоимости в следующем узле N₂ и каждом последующем узле путем умножения стоимости в предыдущем узле на отношение Р/Р для узла N₂ и каждого последующего узла.

Таким образом, мониторинг сложной электрической распределительной сети может быть осуществлен путем повторения последовательности простых этапов. Способ данных предпочтительных примеров осуществления не ограничен множеством узлов. Таким образом, в ограничивающем случае двух узлов конечный узел N_N и узел N₂ совпадают, как описано выше, а узел N_N-1 совпадает с узлом N₁.

Простота вычислений и маленькое количество информации, передаваемой от узла к узлу на каждом этапе, позволяют осуществлять мониторинг в реальном времени. Влияние потерь на эффективность сети может быть определено с учетом изменяющихся условий в течение дней или часов, тем самым можно отказаться от использования месячных или даже квартальных накопленных величин для определения точек нагрузки. Например, узел, имеющий относительно маленькие суммарные потери, может иметь максимальные потери в период большой стоимости или большого спроса, и эти потери могут оказывать большее влияние на эффективность, чем у узла с большими суммарными потерями, проявляющимися в период маленького спроса.

Указанный способ может применяться для каждого уровня напряжения сети для мониторинга всей сети. Таким образом, соединение электрической сети может образовывать узел в сети более высокого напряжения, состоящий из других подобных источников и потребителей или производителей на данном уровне напряжения. Узел может также образовывать соединение электрической сети для сети более низкого уровня, состоящей из узлов более низкого уровня.

Величины потерь и потребления для каждого узла могут храниться. Такое хранение может выполняться в запоминающем устройстве, расположенном в вычислительном устройстве, для каждого узла. Указанные величины могут считываться любым подходящим устройством и передаваться в компьютер для последующего анализа. В другом примере может выполняться какой-нибудь анализ в каждом узле до выдачи результатов для данного узла или передачи данных куда-либо.

Определение величин для каждого узла может выполняться удаленно. Однако определение величин выполняется предпочтительно вычислительным устройством в каждом узле.

В соответствии со вторым аспектом настоящее изобретение обеспечивает способ мониторинга узла N_x в электрической распределительной сети, имеющей множество узлов, включающий: оценку количества электрической энергии, потребленной узлом N_x, и определение потерь мощности при передаче от предыдущего узла N_x-1; прием от следующего узла N_x+1 количества электрической энергии, переданной от узла N_x в указанный узел N_x+1; и вычисление количества электрической энергии, переданной в узел N_x от предыдущего узла N_x-1 на основе количества потребленной электрической энергии, потерь при передаче и количества электрической энергии, переданной в следующий узел N_x+1, и передачу этой величины в предыдущий узел N_x-1.

Способ в соответствии со вторым аспектом позволяет определить величины, относящиеся к месту рядом с каждым узлом, лишь на основе информации, переданной от смежных узлов. Таким образом, знание всей сети не требуется. Поэтому расширение сети путем включения дополнительных узлов не создает проблемы для настоящего изобретения.

Предпочтительно способ в соответствии со вторым аспектом включает: вычисление отношения "Р/Р" для узла N_x на основе количества электрической энергии, переданной в узел N_x от предыдущего узла N_x-1, и потерь при передаче между узлом N_x и предыдущим узлом N_x-1, передачу величины Р/Р для узла N_x в следующий узел N_x+1; прием величины Р/Р для предыдущего узла N_x-1, вычисление отношения "Р_транс/Р" для узла N_x, причем отношение Р_транс/Р равно произведению Р/Р для узла N_x и Р/Р для предыдущего узла N_x-1, и определение суммарных потерь относительно соединения электрической сети для узла N_x как Р_транс/Р минус 1. Кроме того, способ может включать: прием величины стоимости от предыдущего узла N_x-1, вычисление стоимости в узле N_x путем умножения стоимости в предыдущем узле N_x-1 на отношение Р/Р в узле N_x и передачу величины стоимости для узла N_x в следующий узел N_x+1.

Таким образом, местные величины потерь и стоимости могут быть вычислены без знания всей сети.

В соответствии с третьим аспектом изобретение обеспечивает устройство для мониторинга узла N_x в электрической распределительной сети, имеющей множество узлов, содержащее: устройство приема данных для приема от следующего узла N_x+1 данных относительно количества электрической энергии, переданной от узла N_x в указанный узел N_x+1, вычислительное устройство, выполненное с возможностью оценки количества электрической энергии, потребленной узлом N_x, определения потерь мощности при передаче от предыдущего узла N_x-1 и вычисления количества электрической энергии, переданной в узел N_x от предыдущего узла N_x-1, на основе количества потребленной электрической энергии, потерь при передаче и количества электрической энергии, переданной в следующий узел N_x+1, и устройство передачи данных для передачи данных относительно количества электрической энергии, переданной в узел N_x от предыдущего узла N_x-1, в предыдущий узел N_x-1.

Устройство может быть выполнено с возможностью выполнения способа предпочтительных примеров осуществления в соответствии со вторым аспектом, описанным выше.

Устройство может быть расположено на удалении от узла. Однако в предпочтительном примере осуществления устройство расположено в узле. Так как каждый узел может иметь устройство для мониторинга данного узла и передачи/приема данных от смежных узлов, в любую точку сети можно легко добавить новый узел, имеющий устройство для собственного мониторинга, которое может быть подключено между смежными узлами, которые до этого были подключены друг к другу.

В соответствии с четвертым аспектом настоящее изобретение обеспечивает устройство для мониторинга электрической распределительной сети, содержащей соединение электрической сети для передачи электрической энергии во множество узлов N₁-N_N, причем соединение электрической сети подключено к узлу N₁, а указанные узлы соединены последовательно, содержащее устройство обработки данных, выполненное с возможностью осуществления способа в соответствии с первым и вторым аспектом, описанными выше.

Устройство может быть выполнено с возможностью мониторинга нескольких узлов или всей последовательности узлов в сети. Однако устройство предпочтительно содержит устройство для мониторинга в каждом узле сети. Описанное выше устройство в соответствии с третьим аспектом может быть установлено в каждом узле.

В узлах могут быть предусмотрены средства измерения электрической энергии для мониторинга потребления электрической энергии. Некоторые измерения у конечного потребителя необходимы всегда, но потребление в узлах, расположенных выше конечного потребителя, может быть вычислено с помощью описанного выше способа и затем передано в вышестоящую сеть как величина узлового потребления. При установке средств измерения у каждого конечного потребителя описанные выше способ и устройство могут использоваться для определения потерь лишь на основе показаний данных средств измерений и основной информации о характеристиках системы. Таким образом, нет необходимости в мониторинге всех узлов сети. Однако использование большего количества измерительных средств обеспечивает большую точность мониторинга, так как дополнительные средства измерения позволяют сравнить величины, вычисленные от сети более низкого уровня, с измеренными величинами. Таким образом, мониторинг потребления в каждом узле может осуществляться с помощью средства измерения.

Средства измерения могут быть встроены в устройство в соответствии с третьим аспектом, что позволит осуществлять непосредственную передачу данных о потреблении в вычислительный блок.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения изобретение обеспечивает компьютерную программу, содержащую команды, которые при исполнении обеспечивают выполнение устройством обработки данных способа в соответствии с первым или вторым аспектом, описанными выше.

В соответствии с еще одним аспектом изобретение обеспечивает способ управления электрической распределительной сетью, содержащей соединение электрической сети для передачи электрической энергии во множество узлов N₁-N_N, причем соединение электрической сети подключено к узлу N₁, а указанные узлы соединены последовательно, включающий: передачу электрической энергии между соединением электрической сети и первым узлом N₁, и между каждым узлом и следующим узлом, определение потребления или производства электрической энергии в каждом узле и количества электрической энергии, переданной между первым узлом и соединением электрической сети, определение потерь при передаче электрической энергии между соединением электрической сети и первым узлом N₁ и между каждым узлом и следующим узлом, и мониторинг электрической распределительной сети или узлов в ней с использованием способа, описанного выше в соответствии с первым или вторым аспектом и его предпочтительными признаками.

Краткое описание чертежей

Ниже приведены предпочтительные примеры осуществления данного изобретения только в качестве примера и со ссылкой на сопроводительные графические материалы, на которых

фиг.1 представляет собой схему государственной электроэнергетической системы;

фиг.2 представляет собой схему узлов обобщенной сети;

фиг.3 представляет собой график изменения цены на электрическую энергию в течение недели.

Осуществление изобретения

В качестве примера распределенной сети на фиг.1 показана электроэнергетическая система, используемая в Дании. В этом примере существует пять уровней напряжения. Наибольшие генерирующие мощности обеспечиваются одной или несколькими традиционными электростанциями, которые передают мощность порядка тысяч мегаватт в сеть 13 ВН напряжением 400 кВ. Эта сеть используется для передачи электрической энергии на большие расстояния. Затем напряжение понижается до 150 кВ и подается в региональную сеть 14. Эта сеть также имеет подключенные к ней генерирующие мощности, такие как мощные ветровые турбины 15, расположенные в море.

Напряжение в сети 150 кВ затем понижается до 60 кВ и подается в районные сети, которые можно рассматривать как описанные выше сети ВН. К этой сети могут быть подключены ветровые турбины 16, расположенные на суше, и мощные районные теплоэлектроцентрали 17.

Для распределения электрической энергии к различным местным участкам напряжение понижается до 10 кВ с образованием сетей 20 СН. Менее мощные ТЭЦ 18 и менее мощные ветроэнергетические установки 21 могут также питать эту часть сети электрической энергией. Именно от этой части сети питаются большие промышленные здания 19, и в некоторых случаях они могут иметь возможность передачи электрической энергии в сеть.

Местные распределительные сети 22 и 23 напряжением 400 В питаются от каждой сети 20 среднего напряжения через трансформаторы.

Местная сеть 22 содержит несколько потребителей 22a, 22b, и т.д. В местной сети 23 некоторые потребители имеют свои собственные генерирующие мощности. К этим генерирующим мощностям относятся теплоэлектроцентрали 23а и 23b.

Из последующего описания станет ясно, что в этой системе электрическая энергия передается в распределительную сеть на самых разных уровнях напряжений. При наличии избытка мощности в сети она может экспортироваться из уровня 3 напряжением 400 кВ по международным подводным кабелям.

В соответствии с изобретением мониторинг сети обеспечивается вычислительными устройствами с использованием данных в узловых точках. Например, в сети 20 СН имеется пять узлов, включающих по порядку, начиная от трансформатора, который является соединением электрической сети: местную сеть 23, ветроэнергетическую установку 21, промышленный потребитель 19, ТЭЦ 18 и местную сеть 22. В точках за пределами местной сети 22 могут находиться другие узлы.

Фиг.2 представляет собой схему обобщенной сети, имеющей соединение S электрической сети в виде трансформатора, соединяющего сеть 24 более низкого напряжения с сетью 25 более высокого напряжения. Подключение соединения S электрической сети к сети 25 более высокого напряжения образует узел 26 в сети 25. В сети 24 более низкого напряжения показаны три узла как последовательность узлов N_x-1, N_x и N_x+1. Каждый узел имеет узловую нагрузку, которая потребляет электрическую энергию из сети. Узлы соединены линиями передач 27, 28. Понятно, что до и после показанных узлов N_x-1, N_x и N_x+1 может быть подключено любое количество узлов.

Каждый узел имеет вычислительный блок или узловое вычислительное устройство, выполненное с возможностью вычисления потерь в элементе распределительной сети (то есть кабеле данной длины, трансформаторе) между данным узлом и предыдущим узлом (по направлению к точке общего присоединения) в данной сети и вычисления накопленных потерь и относительной стоимости в данном узле на основе следующей информации: относительных характеристик, например характеристик потерь, узловой нагрузки и нагрузки предыдущего узла. Вычислительный блок передает информацию о суммарной нагрузке, включая узловую нагрузку плюс нагрузку следующих узлов в предыдущий узел, а также передает информацию о накопленных потерях и относительной стоимости в следующий узел.

Воображаемая сеть из таблицы 3 использована для расчета в качестве примера способа мониторинга и работы узлового вычислительного устройства. В данном случае "элементы сети" (кроме трансформатора) являются участками кабеля сети СН с указанными длинами ("расстояние"). Результаты вычислений приведены в таблице 4.

Для ясности вычисление потерь лучше начинать с последнего узла и переходить по направлению к трансформатору. В таблице 5 показаны результаты вычислений для узлов 7-12 из таблицы 3.

В таблице 5:

"Потери элем." (потери элементов) являются суммарными потерями в кабеле сети СН от точки подключения предыдущего узла, вычисленные как ток при номинальном напряжении (трансформатора).

"Суммарный ток" является суммой узлового тока и тока следующих узлов, вычисленный в точке подключения предыдущего узла. Отрицательное значение означает, что поток направлен к трансформатору/предыдущему узлу.

"Узловой ток" является узловым током, вычисленным в точке подключения предыдущего узла. Отрицательное значение означает, что узел является источником электрической энергии, а не потребителем.

"Р/Р" является отношением мощности, отходящей от точки подключения предыдущего узла, к мощности входящей в точку подключения данного узла. Если Р/Р больше 1, то поток направлен к предыдущему узлу.

"Ртранс/Р" ("Р_транс/Р") является отношением мощности, отходящей от трансформатора, к мощности, входящей в точку подключения данного узла.

"Суммарные потери" являются потерями в относительных единицах в узле относительно трансформатора.

"Стоимость" является относительной стоимостью/величиной в узле относительно цены у трансформатора.

"Опор. ток" является величиной опорного тока, доставленного в узел, вычисленной при номинальном напряжении (номинальном напряжении трансформатора, в данном примере 10 кВ) из электрической мощности (кВт). Эта величина мощности может быть получена от узлового измерительного средства или получена в результате последовательности вычислений, сходных с вычислениями в этой сети и основанных на показаниях средств измерения конечных потребителей.

В данном примере коэффициент мощности принят равным 1, но могут использоваться другие коэффициенты мощности, как фиксированные, так и переменные, то есть обусловленные трансформатором ВН/СН.

Вычисления производятся, как описано ниже, при этом знак^"*" обозначает операцию умножения.

Суммарная величина опорного тока, поступающего в точку подключения узда (т.п.), находится как сумма "опор. тока" и тока для точки подключения следующего узла. Эта величина не показана в таблице 5.

Для точки подключения узла 12 суммарная опорная величина = "опор. ток", так как узел 13 отсутствует. Потери элементов ("потери элем.") от точки подключения (т.п.) узла 11 к точке подключения узла 12 равны потерям в кабеле, которые могут быть определены как ток в квадрате * величина элемента (сопротивление единицы кабеля) * длина кабеля. В данном примере величина элемента кабеля равна 0,0001/единицу, а длина кабеля равна 2,4 единицы. На основе этой информации вычислительный блок узла 12 вычисляет количество электрической энергии (в данном примере количество единиц тока), отходящей от узла 11 следующим образом

→ Потери элем. = 0,0001*2,4*7,506*7,506=0,0135

→ Р/Р (единицы, отходящие от т.п. узла 11 в относительных единицах в т.п. узла 12)=(7,506+0,0135)/(7,506)=1,0018.

→ Суммарный ток (величина для т.п. узла 12 с.р при опорном токе т.п. узла 11)=7,5*1,0018=7,5191.

Величина "суммарного тока" затем передается в узел 11. Поэтому опорный ток, приходящий в т.п. узла 11, равен

("Опор. ток" узла 11)+("суммарный ток" узла 12)=12,715,

Вычислительный блок узла 11 затем вычисляет единицы, доставленные из узла 10 так же как и выше.

→ Потери элем. = 0,0001*1,9*12,715*12,715=0,0307.

→ Р/Р (единицы, отходящие от т.п. узла 10 в относительных единицах в т.п. узла 11)=(12,715+0,0307)/12,715=1,0024.

→ Суммарный ток (величина для т.п. узла 11 при опорном токе т.п. узла 10)=12,715*1,0024=12,7459.

Величина "суммарного тока" затем передается в узел 10.

Опорный ток, приходящий в т.п. узла 10.

("Опор. ток" узла 10)+("суммарный ток" узла 11)=23,138.

Вычислительный блок узла 10 затем вычисляет единицы, доставленные из узла 9, так же как и выше

→ Потери элем. = 0,0001*1,2*23,138*23,138=0,0642.

→ Р/Р (единицы, отходящие от т.п. узла 9 в относительных единицах в т.п. узла 10)=(23,138+0,0642)/23,138=1,0028.

→ Суммарный ток (величина для т.п. узла 9 при опорном токе для т.п. узла 10)=23,138*1,0028=23,2025.

Величина "суммарного тока" затем передается в узел 9.

Опорный ток, приходящий в т.п. 9:

("Опор. ток" узла 9)+("суммарный ток" узла 10)=-11,439.

Здесь "опор. ток" отрицательный, значит узел 9 является источником, но вычисления для т.п. узла 8 такие же.

→ Потери элем. = 0,0001*1,0*(-11,439)*(-11,439)=0,0131.

→ Р/Р (единицы, отходящие от т.п. узла 8 в относительных единицах т.п. узла

9)=(-11,439+0,0131 )/(-11,439)=0,9989.

→ Суммарный ток (величина для т.п. узла 8 при опорном токе для т.п. узла

9)=-11,439*0,9989=-11,4254.

Величина "суммарного тока" затем передается в узел 8.

В данном случае "суммарный ток" также отрицательный, поэтому поток мощности от т.п. узла 8 в т.п. узла 9 отрицательный, значит поток мощности (и потерь) направлен от т.п. узла 9 к т.п. узла 8.

Опорный ток, приходящий в т.п. узла 8:

("Опор. ток" узла 8)+("суммарный ток" узла 9)=-6,2292.

Здесь "опор. ток" положительный, так как узел 8 является потребителем, а "суммарный ток" от узла 9 отрицательный, и поток мощности направлен от узла 9, но вычисления для т.п. узла 7 такие же.

→ Потери элем. = 0,0001*2,7*(-6,2292)*(-6,2292)=0,0105.

→ Р/Р (единицы, отходящие от т.п. узла 7 в относительных единицах в т.п. узла

8)=(-6,2292+0,0105)/(-6,2292)=0,9983.

→ Суммарный ток (величина для т.п. узла 7 при опорном токе для т.п. узла

8)=-6,2292*0,989=-6,2188.

Величина "суммарного тока" затем передается в узел 7.

В этом случае "суммарный ток" также отрицательный, и поток мощности (и потери) направлен от т.п. узла 8 к т.п. узла 7.

Опорный ток, приходящий в т.п. узла 7:

("Опор. ток" узла 7)+("суммарный ток" узла 8)=0,1321.

Здесь "опор. ток" положительный, так как узел 7 является потребителем, а "суммарный ток" от узла 8 отрицательный, и поток мощности направлен от узла 6, но вычисления для т.п. узла 6 такие же.

→ Потери элем. = 0,0001*3,5*(0,1322)*(0,1322)=0,000006.

→ Р/Р (единицы, отходящие от т.п. узла 6 в относительных единицах в т.п. узла 7)=(0,1322+0,000006)/(0,1322)=1,00005.

→ Суммарный ток (величина для т.п. узла 6 при опорном токе для т.п. узла 7)=0,1321*1,00005=0,1321.

Величина "суммарного тока" затем передается в узел 6.

В данном случае "суммарный ток" стал положительным, и поток мощности (и потери) направлен от т.п. узла 6 и т.п. узла 8 к т.п. узла 7.

Этот порядок вычислений повторяется каждым узловым вычислительным устройством, а вычислительное устройство узла 1 вычисляет потоки мощности от трансформатора ВН/СН. Вся последовательность вычислений непрерывно повторяется через короткие промежутки времени (например, через 1 сек).

Трансформатор ВН/СН может быть сам оборудован вычислительным устройством и таким образом может образовывать узел с вычислительным устройством в сети ВН.

Таким же образом узел в сети СН может являться трансформатором СН/НН, подключенным к сети НН с узлами и вычислительными устройствами, которые также могут являться промышленными конечными потребителями или генераторами, но в данном случае информация об "опорном токе" может быть получена от измерительных средств конечных потребителей, которые образуют основу измерительных средств системы.

После этого могут быть определены потери, отношение Р/Р и суммарный ток для каждого узла, а также "суммарные потери" и, следовательно, "стоимость" для каждого узла. Так как и "суммарные потери" и "стоимость" (или ценность) в вычислениях относятся к стороне СН трансформатора ВН/СН, для простоты описания вычисление лучше начать с первого узла от трансформатора (узел 1) и переходить в направлении к концу линии. В таблице 6 показаны результаты для узлов 1-6, а порядок вычислений описан ниже.

Как описано выше, величина "Р_транс/Р" представляет относительные единицы, отходящие от трансформатора в данной т.п. узла, и рассчитывается следующим образом

Р_транс/Р=(Р_транс/Р величина от предыдущего узла)*Р/Р

В трансформаторе "Р_транс/Р"=1. Поэтому в узле 1 "Р/Р"="Р_транс/Р".

Величина "суммарных потерь" является относительной величиной, так же как "Р_транс/Р", и здесь обозначает единицы, потерянные при доставке одной единицы в этот узел относительно трансформатора. Стоимость рассчитывается следующим образом

Суммарные потери = ("Р_транс/Р")-1.

В результате потери из-за генерирования электрической энергии в сети могут быть представлены отрицательными величинами. Конечно, это можно исправить при использовании абсолютных величин, так как они действительно являются потерями, но в данном случае отрицательные величины сохранены для четкого разделения нагрузок сети на "проигрывающие" и "выигрывающие", то есть отрицательные потери в узле потребителя представляют "выигрывающий" узел, но в узле производителя они представляют "проигрывающий" узел.

"Стоимость" представляет стоимость доставки одной единицы (кВт-ч) энергии от трансформатора или балансовой величины электрической энергии от производителя в сети. Стоимость рассчитывается следующим образом

Стоимость = (стоимость предыдущего узла)*Р/Р, так как Р/Р представляет "единицы, отходящие от предыдущей т.п. узла. в относительных единицах в т.п. этого узла".

Вычислительный блок (в.б.) узла 1 получает величину "Р_транс/Р" и "стоимость" от предыдущего узла (в данном случае трансформатора).

Р/Р (узел 1)=1,0001.

→ Р_транс/Р=1*1,0001=1,0001 (величина трансформатора=1).

→ Суммарные потери = 1,0001-1=0,0001.

→ Стоимость = 10*1,0001=10,001.

В данном случае только часть электрической энергии передается от трансформатора. Поэтому потери очень малы и стоимость почти равна цене в трансформаторе.

В.б. узла 2 получает от узла 1 величины "Р_транс/Р" (=1,0001) и "стоимость" (=10,001).

Р/Р (узел 2)=0,9983.

→ Р_транс/Р=1,0001*0,9983=0,9985.

→ Суммарные потери = 0,9985-1=-0,0015.

→ Стоимость 10,001*0,9983=9,9846.

Для узла 2 вся электрическая энергия передается от т.п. узла 3, и поток мощности направлен в т.п. узла 1, при этом Р/Р<1, и в данном случае суммарные потери отрицательные. Так как узел 2 является потребителем, то поэтому он "выигрывающий" узел. Стоимость уменьшается по сравнению с ценой в трансформаторе.

В.б. узла 3 получает от узла 2 величины "Р_транс/Р" (=0,9985) и "стоимость" (=9,9846).

Р/Р (узел 3)=0,9971.

→ Р_транс/Р=0,9985*0,9971=0,9956.

→ Суммарные потери = 0,9956-1=-0,0044.

→ Стоимость = 9,9846*0,9971=9,9561.

Для узла 3 вся электрическая энергия передается от т.п. узла 4, и поток мощности направлен в т.п. узла 2, при этом Р/Р<1, ив данном случае суммарные потери отрицательные. Так как узел 3 является потребителем, то поэтому он "выигрывающий" узел.

В.б. узла 4 получает от узла 3 величины "Р_транс/Р" (=0,9956) и "стоимость" (=9,9561).

Р/Р (узел 4)=0,9974.

→ Р_транс/Р=0,9956*0,9974=0,9930.

→ Суммарные потери = 0,9930-1=-0,0070.

→ Стоимость = 9,9561*0,9974=9,9305.

Узел 4 является производителем, а поток мощности направлен к т.п. узла 3 с.р., при этом Р/Р<1 и суммарные потери опять отрицательные. Так как узел 4 является производителем, для которого "Стоимость" = "Ценность", то он является "проигрывающим" узлом.

В.б. узла 5 получает от узла 4 величины "Р_транс/Р" (=0,9930) и "стоимость" (=9,9305).

Р/Р (узел 5)=1,0051.

→ Р_транс/Р=0,9930*1,0051=0,9981.

→ Суммарные потери = 0,9981-1=-0,0019.

→ Стоимость = 9,9305*1,0051=9,9807.

Узел 5 является потребителем, и вся электрическая энергия передается от т.п. узла 4, при этом Р/Р>1, но суммарные потери остаются отрицательными. Так как узел 5 является потребителем, то поэтому он "выигрывающий" узел.

Этот порядок вычислений повторяется каждым узловым вычислительным устройством до последнего вычислительного устройства в сети (узел 12). Вся последовательность вычислений непрерывно повторяется через короткие промежутки времени (например, через 1 сек).

Трансформатор ВН/СН может быть сам оборудован вычислительным устройством и таким образом может образовывать узел с вычислительным устройством в сети ВН, от которого получается "стоимость".

Таким же образом узел в сети СН может являться трансформатором СН/НН, подключенным к сети НН с узлами и вычислительными устройствами, которые также могут являться промышленными конечными потребителями или генераторами, но в данном случае последнее вычислительное устройство встроено в измерительное средство конечного потребителя, которое использует вычисленную "стоимость" непосредственно для ведения коммерческой отчетности, а также учета потребленной энергии и передает информацию далее в оборудование конечного потребителя, выполненное с возможностью реагирования на цену, что образует основу средств системы, выполненных с возможностью реагирования.

Фактическая стоимость (а не потери мощности) как основа для выставления счета заказчику и управления нагрузкой очень важна, так как цены на электрическую энергию крайне изменчивы. Нет смысла инвестировать, если потери, устраняемые инвестированием, проявляются только при очень низких ценах (или даже нулевых ценах), например в случае производства большого количества электрической энергии ветровой турбиной ночью.

На фиг.3 показан график цен на электрическую энергию за обычную неделю на участке Контек (часть Норд Пул в Дании). Цены изменяются от нуля до 149 €/МВт-ч (=14,9 центов/кВт·ч), что является "низким" пиком. Рекордная цена для данного участка более чем в 10 раз выше.

Очевидно, что потери мощности при цене, равной нулю, почти не имеют значения, в такой ситуации значение имеет лишь полная мощность системы. С другой стороны, при цене 14,9 центов/кВт-ч на уровне энергетической системы ВН потери мощности очевидно необходимо минимизировать.

В системе "фактической стоимости", описанной выше, заказчики могут быть потребителями энергии, производителями энергии или теми и другими. Каждый узел может содержать генерирующее оборудование с переменной мощностью и эксплуатационными расходами, у каждой сети могут быть разные характеристики мощности/нагрузки/потерь, изменяющиеся во времени, соединения с энергетической системой могут быть сильными или слабыми, и мощность, генерируемая ветроэлектростанциями, может быть переменной. Такая система вычислений позволяет оборудованию заказчика, выполненному с возможностью реагирования на цену, оптимизировать систему электроснабжения вплоть до последнего элемента путем непрерывного регулирования нагрузок и входных величин для обеспечения оптимальной производительности отдельных составляющих и всей сети. Таким образом, управление нагрузкой превращается в непрерывный процесс.

Недостатки настоящей системы с фиксированным тарифом видны на фиг.3, на которой пики цен представляют нехватку генерирующих мощностей, а падения до нуля представляют избыток генерирующих мощностей. В системе с фиксированным тарифом заказчики рассчитываются по одной цене за единицу электрической энергии в любое время. В примере с участком Контек цена может составлять около 6 центов/кВт·ч без учета тарифов энергетической системы и сети, а также налогов. Даже если оборудование заказчика, выполненное с возможностью реагирования на цену, составляет только часть полной нагрузки, влияние на пиковые цены очень существенно, так как отношение цена/нагрузка на участках экстремумов цены может быть 50:1 и более. Реакция потребителей на повышенные цены (отражающие нехватку генерирующих мощностей) может заключаться в уменьшении доли несущественных потребителей, а производители электрической энергии при возможности могут увеличить производство электрической энергии.

Кроме того, при наличии вычислительного блока также и в трансформаторе вся сеть, питаемая этим трансформатором, может относиться к сети ВН как одна виртуальная электростанция с возможностью реагирования в экстремальных ситуациях. Например, пиковая цена 14,9 центов/кВт·ч на участке Контек, показанная на фиг.3, может с учетом затрат на передачу и операционных затрат составить фактическую цену 18 центов/кВт·ч на стороне ВН трансформатора ВН/СН. В качестве реакции на этот уровень цены в сети, выполненной с возможность реагирования, ТЭЦ в узлах 4 и 9 будут работать, а потребление электрической энергии другим выполненным с возможностью реагирования на цену оборудованием в узлах 3 и 10 может быть уменьшено. В результате сеть СН может являться генератором по отношению к сети ВН. Потери мощности очень малы, но из-за высокой цены они тем не менее экономически значимы (составляют до 0,47 центов/кВт·ч). В таблице 7 показаны результаты этих изменений.

В другом случае нулевое потребление может стать причиной цены в 2 цента/кВт·ч на стороне ВН. В таком случае производство электрической энергии узлами 4 и 9 ТЭЦ очевидно будет остановлено. В примере, показанном в таблице 8, узел 4 не производит электрическую энергию, а использует дешевую электрическую энергию для обогрева, при этом узлы 3 и 10 вновь потребляют электрическую энергию в нормальном режиме. В данном случае потери мощности очень существенны, и только 85% доставляемой сетью ВН электрической энергии доходит до узлов, но экономические потери меньше, чем в предыдущем случае (составляют до 0,43 цента/кВт·ч), и все потребители получают дешевую электрическую энергию.

Ясно, что в таких условиях колебания цены значительно уменьшаются. При использовании предложенной системы в полном объеме, то есть при мониторинге и управлении всей сетью в соответствии с описанным выше способом, вся система электроснабжения может быть существенно изменена: баланс системы обеспечивается главным образом конечными потребителями, поглощающими колебания в электроснабжении, например, из-за мощности, генерируемой в энергосистеме ВН ветроэлектростанциями. Существующие соединения линий передач ВН с соседними участками в большей энергосистеме (например, ЕЕ_х - E.ON, DK восток) неожиданно оказываются востребованными.

В результате управление нагрузкой значительно улучшается благодаря описанным выше мониторингу и вычислениям.

Также обеспечиваются преимущества в управлении активами электрических сетей. Требования управления активами сильно отличаются от требований управления нагрузкой. В данном контексте управление активами подразумевает сбор существенной информации для определения надежной основы принятия решений об инвестициях.

Относительно данной системы вычислений это означает, что

- операционные величины от функций управления нагрузкой должны накапливаться, и

- вычислительные устройства должны быть выполнены с возможностью связи с элементами за пределами "ближайшего соседа".

В очень простом варианте вычислительное устройство просто накапливает величины для электрической нагрузки, "экономической нагрузки", потерь мощности и экономических потерь элемента в запоминающем устройстве, выполненном с возможностью доступа подходящим устройством для считывания, при помощи чего могут быть определены операционные затраты данного элемента.

В более сложном варианте вычислительное устройство собирает накопленные величины необходимыми частями, то есть экономические потери для разных электрических нагрузок, на основе которых может быть оценена стоимость/ценность другого элемента.

В еще более сложном варианте вычислительное устройство выполняет набор параллельных вычислений и сбор величин для виртуального элемента и/или виртуальной нагрузки, на основе которых может быть оценена стоимость/ценность виртуального элемента.

В еще более сложном варианте вычислительное устройство передает набор параллельных вычислений, включая потери элемента, в соседние вычислительные устройства, а также получает, обрабатывает и передает параллельные наборы информации от соседних вычислительных устройств точно так же, как в основном операционном порядке. На основе этого может быть определена сетевая стоимость/ценность виртуальной нагрузки и виртуального элемента.

В еще более сложном варианте вычислительное устройство трансформатора ВН/СН передает указанную выше информацию в компьютер, выполненный с возможностью доступа к нему оператора сети.

В еще более сложном варианте вычислительное устройство может по запросу или через заданные промежутки времени (например, 1 мин) передавать пакеты информации, содержащие собранные и накопленные величины, в компьютер, в котором они могут быть сохранены с отметкой времени как "узловая информация", собраны еще раз и сохранены как сетевая информация.

Величина суммарных потерь при передаче в сети (здесь 10 кВ) может быть рассчитана по формуле:

Потери при передаче в сети = (сумма(потери элем.))*√3*10 кВ (кВт) при коэффициенте мощности 1.

Конечно, могут быть использованы другие коэффициенты мощности (измеренные или рассчитанные).

Другая величина суммарных потерь при передаче в сети может также быть рассчитана по формуле:

Потери при передаче в сети* = (нагрузка трансформатора (сторона СН)) - (сумма(узловые нагрузки)). Однако при этом требуются измерения на стороне СН трансформатора. С другой стороны, такие измерения могут быть использованы для калибровки отдельных вычислительных блоков путем вычисления "коэффициента мощности сети" на основе разности "потерь при передаче в сети" и "потерь при передаче в сети*".

Затем могут быть рассчитаны суммарные экономические потери в сети по формуле:

(потери при передаче в сети)*(цена за единицу на стороне СН трансформатора)

Реферат

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эффективности. Способ мониторинга электрической распределительной сети, содержащей соединение электрической сети для передачи электрической энергии во множество узлов N-N, причем соединение S электрической сети подключено к узлу N, а указанные узлы соединены последовательно, включает действия: начало обхода с последнего узла Nи переход по узлам к соединению S электрической сети с вычислением величины, представляющей количество электрической энергии, переданной в каждый узел от предыдущего узла, на основе потребления мощности узлом и потерь в элементах, расположенных между данным узлом и предыдущим узлом, и вычисление величины, представляющей количество электрической энергии, переданной от соединения электрической сети в первый узел N, на основе потребления мощности узлом и потерь в элементах, расположенных между соединением электрической сети и первым узлом N. 5 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил., 8 табл.

Формула