Диссертация: Разработка методов управления активно-адаптивными сетями на основе оценки актуального состояния ЭЭС.

Актуальность темы. Активное развитие электросетевого комплекса предполагает решение задач в различных отраслях его работы. Современным трендом совершенствования проектирования, реновации и эксплуатации объектов электроэнергетики является создание адекватных моделей для интерпретации электрических процессов. Повышение качества моделирования требует учёта связности параметров всего производственного цикла, снижения вычислительных и временных ресурсов, необходимых для расчёта, при увеличении требований к достоверности результата. Новые методы оценки состояния и управления параметрами активно-адаптивных электроэнергетических систем позволят найти наилучшие места внедрения гибких систем электропередачи и устройств распределённой генерации, рассчитать оптимальные параметры этих элементов, обеспечить наилучшие технико-экономические показатели. Аналитические выражения контролируемых параметров открывают дополнительный перспективный путь для комплексного подхода к проектированию и эксплуатации электросетей. В таких выражениях вектор контролируемых величин представлен функцией параметров электрической цепи. К этим выражениям применимы известные методы исследования функций, доступна визуальная интерпретация результатов, снижен объём вычислений. Отсутствие оснащения средствами телеизмерений для большинства современных электросетей оставляет актуальной задачу контроля электропотребления. Получение точных аналитических зависимостей между напряжениями узлов и нагрузками, а также параметрами линий, способно повысить качество расчёта и оптимизации режимов ЭЭС. Актуальные значения узловых мощностей необходимы при планировании ремонтных работ, снижения потребления энергоресурсов, индикации хищения мощности в сети. В области потребления электроэнергии актуальной остаётся задача определения нелинейности безынерционных элементов. Такими компонентами представлена значительная доля нагрузки, оснащено современное силовое оборудование. Для современной энергетики нерешённой остаётся задача восстановления ВАХ активно-резистивных элементов в реальном времени. Обеспечение точности расчёта в цепи с неограниченным возрастанием ВАХ позволит получить адекватную расчётную модель схемы. Нерешённой остаётся и задача определения тока в нелинейных RL и RC цепях. Задача актуальна для моделирования процессов в цепях с разгруженными трансформаторами, дросселями, сегнетоэлектриках. С целью контроля качества поставляемой электроэнергии важно решить задачу идентификации состава многокомпонентной нелинейной нагрузки. Необходимым требованием к решению является не только обнаружение нелинейных компонентов, но и их количества. В изучение вопросов по поставленным задачам большой вклад внесли отечественные и зарубежные учёные: К.С. Демирчян, Н.И. Воропай, М.А. Шакиров, В.Л. Чечурин, В.В. Титков, Н.В. Савина, Ю.В. Мясоедов, И.М. Маркович, М.Н. Розанов, Г.А. Волков, В.А. Непомнящий, Ю.Б. Гук, И.М. Волькенау, Л.Д. Хабачев, Н.А. Манов, Ю.Я. Чукреев, Г.Ф. Ковалев, Л.М. Лебедева, В.А. Обоскалов, за рубежом Р. Алан, Р. Биллинтон и др.
Цель работы - разработать методы управления активно-адаптивными электрическими сетями, способные повысить качество эксплуатации электросетей, сформировать подходы к определению параметров нелинейных нагрузок и производить определения состава нелинейного оборудования, обеспечить конкурентоспособность предлагаемых решений, подтвердить эффективность практического применения разработанных методов.
Поставленная цель дифференцирована следующими задачами: 1. Получить аналитическое решение системы баланса узловых мощностей для электросетей простейших структур. Наметить пути применения результатов для решения задачи в сетях с произвольной структурой. 2. Разработать метод расчёта узловых нагрузок в распределительной электросети без внедрения дополнительного оборудования. Привести исходную нелинейную задачу к линейному виду. 3. Реализовать способ расчёта вольт-амперных характеристик нелинейных безынерционных элементов. Обеспечить наилучшую точность воспроизведения кривой. 4. Разработать метод определение параметров нелинейных RL и RC цепей. Получить адекватную модель исследования цепей при их работе в установившемся режиме. 5. Разработать способ идентификации состава многоэлементной нелинейной нагрузки. Расширить подход до возможности определения количества нелинейных компонентов.
Научная новизна основных результатов работы: 1. Предложен аналитический подход к решению задачи оценки состояния электросети. Полученные решения позволяют комплексно управлять параметрами схемы. Обоснован алгоритм проведения структурного улучшения схемы электроснабжения. 2. Получены аналитические зависимости для узловых напряжений и узловых нагрузок распределительной электросети от напряжения источника питания. Результат достигнут за счёт использования значений узловых напряжений, полученных в разных состояниях схемы. Подход позволил привести нелинейную задачу к линейному виду и решить её аналитически. 3. Для реализованного способа восстановления ВАХ доказана эффективность применения для моделей, ВАХ которых стремится к постоянной величине. 4. Разработан алгоритм измерения нелинейности тока в RL и RC цепях. Доказана эффективность работы метода при исследовании цепи в установившемся режиме. Рассмотрена чувствительность метода к объёму экспериментальных данных. 5. Изложен метод идентификации и определения состава нелинейной нагрузки. Получены достоверные расчёты при апробации метода на модели, содержащей линейную и нелинейные нагрузки с известными ВАХ. Даны заключения о чувствительности метода к помехам в измерении тока, числу экспериментальных данных, учёту гармонического состава входного тока.
Практическая ценность работы: 1) Полученные в работе аналитические выражения для расчёта узловых напряжений позволяют сократить объём вычислений при оценке состояния электросети и, как следствие, повысить оперативность расчёта. 2) Применение формул расчёта узловых нагрузок даёт возможность оценить состояние электросети в случаях, когда узловые нагрузки не заданы. Так же подход позволяет контролировать наличие несанкционированных подключений к системе электроснабжения. 3) Метод определения ВАХ нелинейных активно-реактивных цепей позволяет получить математическую модель элемента по экспериментальным данным, полученным в течение одного периода, при его работе в установившемся режиме. Информация о составе нелинейной нагрузки может использоваться при решении споров о причинении вреда оборудованию поставщика электроэнергии или потребителя при нарушении качества электроэнергии в сети.
Методология и методы исследования. В работе использованы следующие методы исследования: теория нелинейных электрических цепей, элементы теории матриц, комбинаторного анализа и математической логики.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Предложен новый метод оценки актуального состояния ЭЭС, основанный на аналитическом решении уравнений баланса узловых мощностей. Получены решения для электрических сетей простейших структур. Намечены пути для расширения решения задачи в сложнозамкнутых сетях. 2. Разработан оригинальный способ расчёта электрических нагрузок. Анализ результатов апробации показал, что достаточными данными для решения являются параметры актуальной сети и параметры режима источника питания. Выполнено приведение исходной нелинейной задачи к линейной. 3. Изложен метод расчёта ВАХ нелинейных безынерционных элементов. Доказана адекватность расчётной модели в областях асимптотического поведения кривой. 4. Предложен способ расчёта параметров нелинейных активно-реактивных цепей. Математические модели построены по экспериментальным данным, осциллограммам тока и напряжения, достоверность модели подтверждает расчёт абсолютной и относительной погрешности. 5. Разработан метод идентификации состава многоэлементной нелинейной нагрузки. По измерениям в одном узле метод позволяет фиксировать подключение конкретных устройств в составе нагрузки, либо существенное изменение режима их работы без установки датчиков у каждого устройства.
Достоверность результатов подтверждается аналитическим решением поставленных задач, выполненных в сертифицированной системе компьютерной алгебры Maple; для отдельных результатов исследования воссозданы лабораторные условия работы цепей в программной среде NI Multisim, подтверждено совпадение теоретических и экспериментальных результатов; для другой части исследования проведено сопоставление результатов, полученных разными методиками расчёта.
Апробация и внедрение результатов. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: кафедральных научных семинарах СПбПУ; X Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии северного Кавказа», г. Грозный, 14-18 октября 2020 г.; конференции молодых исследователей в области электротехники и электроники 2021 ElConRus, 26-29 января 2021 г.; международной научной электроэнергетической конференцииISEPC 2021, 17-19 мая 2021 г.
Публикации. По теме диссертации опубликованы 10 печатных работ. 8 изданы на английском языке в изданиях из перечня Scopus, 2 работы опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка, содержащего 126 наименований. Работа изложена на 120 страницах печатного текста, содержит 30 рисунков, 24 таблицы, 46 формул, 126 литературных источников.