В электроэнергетической системе

1.1.1. Вводные замечания

Осуществляемый переход к интеллектуальным электроэнергетическим системам (ЭЭС) с активно-адаптивной сетью предполагает существенное увеличение роли потребителей, способных оказывать влияние как на конфигурацию суточных графиков нагрузки, так и на режим электропотребления в условиях возможных дефицитов мощности и энергии. Задачи управления нагрузкой (электропотреблением) уже решались с использованием потребителей-регуляторов. Поэтому известный слоган «новое – это хорошо забытое старое» вполне применим и к настоящему сообщению, так как активно-адаптивная сеть предусматривает управление нагрузкой, но уже с учётом возрастающей роли автоматических систем технологического управления процессом производства товарной продукции и информационного взаимодействия производственной системы и системы электроснабжения.

Существующие тенденции в интеллектуализации ЭЭС предусматривают необходимость и возможность выявления активных элементов потребителей электроэнергии, принудительное изменение режима работы которых повышает надёжность и эффективность функционирования ЭЭС. Активные потребители способствуют автоматическому обнаружению, устранению или уменьшению последствий нарушений в работе ЭЭС как на локальном, так и на системном уровне. Это обеспечивается управлением электропотреблением стимулирующими методами и избирательным управлением, что даёт возможность развивать системные услуги на базе рыночных механизмов.

В условиях рынка электроэнергии и мощности ряд жизненно важных задач управления возникает в одних экономически самостоятельных структурных подразделениях, а решение их возможно либо в других, либо совместными усилиями. К числу их относятся задачи выбора и поддержания наиболее экономичных режимов потребления, а эффективное их решение возможно только при активном участии потребителей.

1.1.2. Учёт технологических резервов потребителей

Одним из факторов, обеспечивающих надёжное электроснабжение потребителей, является резерв мощности в ЭЭС, предназначенный для компенсации суточных и сезонных колебаний электропотребления, а также для использования при реализации случайных и детерминированных событий, связанных с уменьшением производства или ограничением передачи электроэнергии потребителям.

Усиление связей в системообразующей и распределительной сетях, а также величины ущербов от отключений и ограничений потребителей, требования к характеристикам резервов ЭЭС могут быть удовлетворены только при обеспечении высокого уровня управляемости её элементов, в число которых входят и потребители. Резервы потребителей позволяют решать задачи оперативного управления путём экономически обоснованного выбора средств управления потребляемой мощностью и параметров производственного процесса как в аварийных, так и в плановых режимах работы ЭЭС. Так выделяется направление исследований по технико-экономическому анализу возможностей потребителей в задачах управляемости ЭЭС. Использование потребителей-регуляторов (в старом понимании) не всегда приводит к требуемому эффекту, так как потребляемая ими мощность часто недостаточна не только для компенсации аварийных, но и плановых дефицитов мощности, не говоря уже о нормальных режимах работы.

В условиях прохождения максимума нагрузки и (или) дефицита мощности в ЭЭС может быть достигнут определённый уровень работоспособности потребителя, определяемый в пространстве его внутренних (технологических) параметров, что позволяет получать максимальные значения выходных показателей. В связи с этим возникает задача подбора и настройки параметров функционирования конкретного потребителя с целью оценки эффективности регулировочных мероприятий.

Резервами потребителей, которые могут быть использованы при аварийных и (или) плановых дефицитах мощности в ЭЭС, являются накопители сырья, полуфабрикатов и готовой продукции, наличие которых не позволяет в ряде случаев произойти срыву производственного процесса отдельных технологических объектов производства. Учёт таких накопителей позволяет существенно уменьшить ущерб объектов потребителя, сохранив при, этом показатели выпускаемой продукции.

У ряда потребителей существует второй вид резерва, связанный с возможностью снижения производительности, перехода на выпуск других видов продукции или переводом работы объектов производства в режим поддержания рабочих параметров без выдачи готовой продукции. Величина ущерба при такой смене работы существенно уменьшается. На рис. 7.1 показаны зоны технологического регулирования электропотребления обобщённого потребителя.

Третий вид резервов потребителей может быть получен на основе правильного подбора электроприёмников при введении ограничений заданной (или расчётной) глубины и длительности. Эффективность решения такой задачи определяется тем, что при одной и той же величине ущерба, возникающего при введении ограничений, отключаемая мощность может быть увеличена на 10–20%. Величина ущерба при конкретном значении снижения мощности в зависимости от типа производства и заблаговременности предупреждения об изменении режима электропотребления может быть уменьшена от 2 до 10 раз.

1.1.3. Повышение эффективности управления электропотреблением на основе активных элементов

Наиболее простыми, но эффективными способами управления нагрузкой конечного потребителя является дистанционное управление (включение-отключение или изменение производительности) циклическим режимом работы потребителей в зависимости от погодных условий и (или) требований технологического регламента. Относительно дёшевы блокировки включения одновременно работающих электроприёмников с возможностью учёта их приоритета или ограничителей нагрузки (таймеров). Однако с увеличением сложности систем потребления существенно усложняются рекомендации по управлению электропотреблением и энергосбережению.

В подобных условиях может быть рекомендован метод нечёткого управления, заключающийся в реализации нечётких правил управления, связывающих оценку состояния объекта управления с последовательностью операций с помощью высказываний «если ... то» [19]. При этом происходит нечёткое разделение пространства входных переменных, и в каждой локальной области указывается последовательность необходимых операций. В реальных условиях производства разрабатываются правила адаптивного управления. Структурирование их осуществляется на основе характеристик технологического оборудования потребителя. В конечном итоге появляются правила, удовлетворяющие требованиям надёжности и простоты технического обслуживания. Наиболее существенный эффект получается когда длительность и частота цикла включения, производительность и т.п. функционально зависят от особенностей технологического процесса.

Перечисленные процессы определяются: соотношением количества (или) мощности «активных» (АЭ) и «защитных» (ЗЭ) элементов потребителей, используемых для управления электропотреблением; количеством элементов, ответственных за сбор и обработку исходной информации; связями между элементами ПС и элементами систем контроля и управления.

Рисунок 1.1 – Режимы электропотребления обобщённого потребителя

Под понятием «активные элементы» понимаются:

- периодически включающиеся электроприёмники, сдвиг работы которых во времени не влияет (или оказывает минимальное влияние) на ход технологического процесса;

- специальные потребители-регуляторы и объекты, отключение или изменение режима работы которых сопровождается минимальным экономическим ущербом.

Чем больше мощность множества АЭ и множества связей между ними, тем потребитель устойчивее к любому управляющему воздействию. Это обеспечивается полнотой следующих предварительных исследований:

- выявления наличия АЭ и их количества;

- изучения особенностей режимов электропотребления и возможностей АЭ и их групп;

- анализом схемных возможностей воздействия на АЭ;

- моделированием вариантов поведения АЭ при различных воздействиях со стороны ЭЭС;

- выбором предпочтительного сценария поведения АЭ;

- изучением возможностей предварительной подготовки технологического процесса потребителя для оптимального восприятия управляющего воздействия.

На этом основании определяются условия допустимого режима функционирования потребителя, которые должны быть обеспечены необходимой структурной, временной, информационной и ресурсной избыточностью. Таким образом, эффективность управления электропотреблением определяется объёмом, новизной, достоверностью исходных данных, временами их обработки и выработки решения. Результатом воздействия ЭЭС на потребителя является ущерб, выражающийся в «искажении» результатов его работы.

При неблагоприятных ситуациях, возникающих в ЭЭС из-за дефицитов мощности и энергии по причинам аварий, недостаточной пропускной способности сетей, задержками в поставках топлива, а также из-за несовершенства систем управления, потребитель несёт потери от принудительного изменения режима электропотребления. Критической ситуацией является срыв производственного процесса, приводящий в отдельных случаях к полному останову с возможностью катастрофических и (или) иных тяжких последствий.

Поскольку системы производства и потребления электроэнергии неразрывно связаны, потребитель обязан реагировать на управляющие воздействия со стороны ЭЭС. Однако последствия такого управления могут быть различными в зависимости от решений, принимаемых потребителем.

Например, на основе использования в ЭЭС информации, предоставляемой потребителем, могут решаться вопросы рационального выбора мест размещения противоаварийной автоматики (АЧР, САОН), состава отключаемых присоединений, глубины и длительности ограничения потребителей, а также учёта их технологических возможностей.

При этом возникает задача, связанная с минимизацией технических и экономических последствий внезапного или преднамеренного изменения электропотребления [19]. Эффективное решение поставленной задачи возможно на основе изучения особенностей технологических процессов потребителей с целью выделения электроприёмников и их совокупностей, входящих в состав технологических агрегатов, отключение которых недопустимо по условиям безопасности потребителя. Очевидно, что при решении этих задач необходимо активное участие специалистов по управлению технологическими процессами для выработки чётких правил, обеспечивающих ответственность сторон при принятии решений по управлению режимами энергообеспечения.

Для выработки решений в рассматриваемых условиях необходим анализ поведения и последствий взаимодействия ЭЭС и потребителя. Для этого предлагается подход, заключающийся в анализе пространства состояний работоспособности потребителя в соответствии с реальными уровнями качества его функционирования (рис. 1.1).

Пространство состояний работоспособности большинства потребителей состоит из режимов, представленных в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Управление электропотреблением в пространстве состояний потребителя

Однако чётко задать или оценить вероятности попадания режима потребителя в каждое из подпространств (табл. 1.1) достаточно сложно, а во многих случаях невозможно. Поэтому для каждого подпространства выделяются группы технологических объектов, работа которых обеспечивает тот или иной режим функционирования потребителя.

Области работоспособности строятся как в пространстве технологических параметров, так и в пространстве начальных условий развития неблагоприятного воздействия ЭЭС. Область неработоспособности определяется аварийной и технологической броней.

Количественные оценки устойчивой и безопасной работы потребителей представляются критическими значениями технологических параметров, соответствующих возможному переходу в неработоспособное состояние.

Одним из основных является максимально возможная длительность внезапного нарушения электроснабжения, не приводящая к срыву технологического процесса – t₀.

Показателями, характеризующими воздействия ЭЭС, являются предельные величины:

- отключаемой мощности – P_0пр,

- максимальная длительность – t_эпр нарушений нормального режима электроснабжения;

- максимальная частота – w_пр нарушений электроснабжения.

Тогда цель функционирования потребителя – достижение предпочтительных состояний с сохранением питания ответственных электроприёмников и обеспечением функционирования в подпространствах, соответствующих минимальному изменению параметров производственного процесса.

Эта задача решается на основе анализа управляемости и самоорганизации потребителя. Управляемость его зависит от количества и мощности АЭ, которыми осуществляется управление. Неблагоприятное воздействие ЭЭС может быть в той или иной степени нейтрализовано путём учёта структурной, нагрузочной и (или) временной избыточности как АЭ, так и жизненно важных (защитных) элементов (ЗЭ).

Очевидно, что в пространстве состояний Z (табл. 1.1) необходимо выделение:

- области катастроф – Z₀ Ì Z, попадание в которую может привести к гибели персонала и (или) разрушению объекта потребителя;

- аварийной области – Z₁ Ì Z, в которой могут разрушиться технологические компоненты;

- области пониженной эффективности функционирования – Z₂ Ì Z .

В пространстве последствий управляющих воздействий на потребителя – Y выделяются:

- Y₀ Ì Y – область поражающих выходных последствий (возможная гибель людей),

- Y₁ Ì Y – область разрушающих последствий (повреждение функциональных элементов потребителя).

Для технологических систем потребителей задача состоит в том, чтобы вероятности наступления состояний

z_i Ì Z₀, z_i Ì Z₁, z_i Ì Z₂

и выходных последствий

y_i Ì Y₀, y_i Ì Y₁

были возможно меньшими.

Это позволяет установить наиболее ответственных потребителей, упростить обоснование объёмов аварийной, технологической и брони функционирования, перейти к решению задач эффективного управления электропотреблением.

Отметим, что эффективное решение анализируемых задач связано с соответствующим информационным обеспечением. Последствия внезапных нарушений электроснабжения ответственных потребителей и их характер нередко неясны, причинно-следственные связи сложны, их оценка весьма субъективна, многим из них присуща неопределённость. Последняя связана с отсутствием необходимой информации, множественностью вариантов последствий нарушений электроснабжения объектов потребителей, их вероятностным характером.

Одно и то же воздействие, происходящее в различные периоды времени не обязательно оценивается одинаково. Это зависит от попадания момента нарушения электроснабжения на ту или иную стадию технологического процесса, а также длительности t_э. Следовательно, объективные требования к управляемости можно выработать лишь при организации базы данных ретроспективной информации о возможных состояниях как ЭЭС, так и потребителей.

1.1.4. Об адаптивном управлении активными элементами

Функционирование активно-адаптивной электрической сети связано с её постоянным обучением (корректировкой), под которым подразумевается процесс выработки той или иной реакции потребителя на возмущения со стороны ЭЭС. Этот процесс моделируется путём многократных воздействий и корректировок, осуществляемых экспериментатором (конструктором системы), которому известна желаемая реакция ЭЭС и (или) потребителя на определённые внешние воздействия (рис. 1.2).

Характерная особенность такого управления (обучения) состоит в том, что для достижения цели всегда существующий недостаток априорной информации компенсируется за счёт текущей информации, обработка которой возможна на основании байесовского подхода к принятию решений в условиях неопределённости.

Рисунок 1.2 – Структурная схема системы адаптивного управления

активными элементами потребителя

Адаптивная система может обеспечить приемлемые характеристики управляемости в достаточно широком диапазоне режимов, что допускает гибкий подход к выбору конкурирующих вариантов функционирования потребителя. Однако возможности адаптации системы управления активными элементами потребителя для обеспечения надёжности электроснабжения требуют детального исследования его технологических особенностей. При этом необходимо учитывать, что контур адаптации (рис. 1.2) может быть «введён в заблуждение» как своими собственными неисправностями (сбоями, отказами), так и внешними факторами, включая помехи.

Очевидно, что эффективность адаптивной системы будет обеспечена только в сочетании структурной избыточности технологической системы потребителя и системы его электроснабжения.

Таким образом, задача энергетики на современном этапе – интегрирование потребителя в систему планирования, функционирования и управления энергосистемой. Поэтому построение интеллектуальной энергетики, действующей на принципах Smart Grid, возможно лишь с вовлечением в этот процесс конечного потребителя. Без потребителя сегодня невозможно долгосрочное планирование и развитие отрасли. Необходимо создать механизмы, которые будут стимулировать участие потребителя в финансировании тех или иных проектов интеллектуальной электроэнергетики. Среди основных направлений, которые способны обеспечить качественный прорыв в области инноваций выделяются: управление спросом, энергоэффективность, новые системы учёта и интеллектуальные сети.