Цифровой двойник управления режимами Минигрид

УДК 621.311

Рубрика журнала: Практика

Цифровой двойник управления режимами Минигрид

Фишов А.Г., Петрищев А.В., Ожулас В.А. НГТУ, Новосибирск, Россия

Аннотация: Представлены результаты разработки цифрового двойника (симулятора) самобалансирующихся локальных интеллектуальных энергосистем (Минигридов) на основе синхронной малой генерации. Цифровой двойник адекватен реальному объекту с управлением на основе специализированной системной автоматики, использующей инновационные способы противоаварийного и режимного управления Минигридами, интегрированных в существующие электрические сети централизованного энергоснабжения. Симулятор позволяет оператору осуществлять запуск электростанции с нуля при автономной работе или при поданном питании на шины станции со стороны внешней энергосистемы, выбор состава работающего генерирующего оборудования с учетом нескольких сечений в схеме выдачи мощности и условий сбалансированности при противоаварийном отделении, разные заданные режимы обмена мощностью с внешней сетью, создавать и ликвидировать аварийные ситуации. Интерфейс оператора, средства манипулирования и наблюдения максимально приближены к реальным, реализованным в пилотном проекте создания Минигрид жилмассива на базе когенерационной газовой электростанции. Симулятор предназначен для обучения студентов электроэнергетиков со специализацией по управлению режимами энергосистем и активных электрических сетей, содержащих распределенную малую генерацию, а также для подготовки дежурного персонала реальных Минигрид, интегрированных в существующие электрические сети. В симуляторе реализованы возможности ручного и полуавтоматического управления режимами Минигрида при островной и параллельной работах с сетью, а также переходами между ними.

Ключевые слова: распределённая малая генерация, минигрид, локальные системы энергоснабжения, электрическая сеть, параллельная работа, автоматика, симулятор, цифровой двойник

Введение

К числу основных направлений развития современной электроэнергетики относятся широкое применение распределенной малой генерации и различных объектов на их основе в существующих распределительных электрических сетях централизованного энергоснабжения, а также цифровизация таких объектов и технологий их проектирования, подготовки персонала [1- 11].

Важную роль в этих процессах занимают, так называемые, цифровые двойники реальных объектов, обеспечивающие ускорение процессов их разработки, подготовки эксплуатационного оперативного персонала [10-11]. Основой различных цифровых двойников являются симуляторы режимов их работы, процессов управления.

Цифровой двойник разработан в составе проектов по созданию самобалансирующихся энергосистем малой мощности (Минигрид) под управлением интеллектуального программно- технического комплекса (ПТК), интегрированных в сети питающих центров (Макрогрид, энергосистем централизованного энергоснабжения) [12,14,16-20].

Назначение разработки – презентация разработанной в НГТУ технологии интеллектуального управления режимами Минигрид при их компьютерной имитации, обучение диспетчерского персонала объектов, использующих данную технологию, а также студентов технических университетов по направлению «Электроэнергетика» особенностям режимов Минигрид и возможностям эффективного управления ими с использованием современных технологий.

Авторы убеждены, что создание цифровых двойников Минигрид будет способствовать переводу электроэнергетики РФ на новый технологический уклад, характеризующийся включением в сети генерирующих источников распределенной (малой) генерации с различными видами используемых первичных энергоресурсов, позволяющих существенно изменить возможности электрической сети по обеспечению надежного и качественного энергоснабжения потребителей, организовать их эффективное взаимодействие с другими генерирующими источниками, направленное на снижение издержек сетевой инфраструктуры, создание механизмов её сбалансированного развития, снижение затрат потребителей на энергоснабжение.

1. Объекты цифрового двойника

1.1. Минигрид жилмассива на базе когенерационной электростанции

В 2021 году впервые в нашей стране в г. Новосибирске при реконструкции локальной системы энергоснабжения жилмассива «Берёзовое» на базе собственной когенерационной электростанции была создана Минигрид с полноценной параллельной работой с внешней электрической сетью, множеством режимов обмена мощностью, надёжными переходами между режимами параллельной и автономной работы по разработанной в НГТУ технологии управления, реализуемой автооператором.

Этапность развития системы энергоснабжения жилмассива от Минигрид представлена в таблице 1, схема выдачи мощности во внутреннюю и внешнюю сеть показана на рис. 1.

Таблица 1 – Этапы развития Минигрид (пример)

Рис. 1. Схема выдачи мощности Минигрид жилмассива «Березовое» в г. Новосибирске:

ПС – высоковольтная подстанция, РП – распределительный пункт, ГРУ ГПУ – генераторное распределительное устройство (10 кВ), ЗРУ ГРУ - закрытое распределительной устройство, ГПУ - газопоршневая установка, ДГУ – резервная дизель-генераторная установка, ДРГ – дугогасящий реактор, СВ – секционный выключатель, яч. – ячейка выключателя

Состав электрогенерирующего оборудования Минигрид:

1. пять газопоршневых установок (ГПУ) фирмы Caterpillar по 2 МВт каждый;
2. две резервных дизель-генераторных установки (ДГУ) мощностью по 1,6 МВт.

Суммарная мощность теплогенерации за счет когенерации тепла и газовых котлов составляет около 50 МВт.

Характеристики электроснабжения жилмассива на этапах развития Минигрид представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Характеристики электроснабжения жилмассива на этапах развития Минигрид

Обозначения в таблице 2: «-» – не обеспечивается, «+/-» обеспечивается частично, «+»обеспечивается.

Положительные системные эффекты для внешней электрической сети от параллельной работы Минигрид с правом выдачи мощности представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Системные эффекты для внешней электрической сети от параллельной работы Минигрид с правом выдачи мощности

Особенности новых режимов Минигрид:

1. при параллельной работе с внешней сетью, жилмассив и его промышленная нагрузка имеют два источника энергоснабжения (от ГПУ Минигрид и внешней электрической сети, с регулируемым обменным перетоком мощности между ними в одном из балансируемых сечений присоединения S1 или S2 (рис. 1, 2 в);
2. генераторы Минигрид, не участвующие в этом регулировании (так называемые «свободные»), при наличии оперативного разрешения, также вводятся в работу и загружаются до максимально разрешённой мощности в балансируемом сечении;
3. переход Минигрид из режима параллельной работы в автономный осуществляется сбалансированно:
   • при оперативном отделении Минигрид от внешней сети – с разгрузкой и отключением свободных генераторов;
   • при противоаварийном отделении (при экстренном отключении выключателей в сечении) – с одновременным отключением свободных генераторов без разгрузки (что сохраняет сбалансированность отделившейся Минигрид и ее работоспособность после отделения).
4. по факту возобновления готовности Минигрид и внешней электрической сети к нормальной параллельной работе этот режим восстанавливается автоматически.

    

Отдельно стоит указать, что для обеспечения экономичной работы энергоблоков Минигрид в основном режиме параллельной работы с внешней сетью и с удержанием обменной мощности в коридоре допустимых значений предложен и запатентован [19] способ управления режимом параллельной работы синхронных генераторов на основе ступенчатого регулирования загрузки энергоблоков.

Способ позволяет:

• удовлетворить требования стандарта к участию энергоблоков электростанции Минигрид в общем первичном регулировании частоты (ОПЧР);
• обеспечить длительную постоянную загрузку энергоблоков электростанции Минигрид. Способ реализуется под управлением автооператора следующим образом [19].

1. Мощность энергоблокам задается внешними постоянными сигналами и регулируется только регуляторами частоты вращения двигателей. Т.е. системная автоматика осуществляет разомкнутое управление мощностью энергоблоков для задания желаемой выдаваемой мощности, а АРЧВ осуществляют независимое регулирование мощности по отклонению частоты (ОПРЧ). При этом, состав работающих энергоблоков и желаемая загрузка задаются автооператором, а ширина коридора допустимых небалансов определяется допустимостью набросов/сбросов мощности на энергоблоки при спорадическом отделении Минигрид от внешней электрической сети (сбросе обменного перетока мощности).
2. При приближении к границе коридора осуществляется корректировка желаемой загрузки энергоблоков для ввода режима в середину коридора. Необходимость корректировок обусловлена изменением собственной нагрузки Минигрид и производится, как правило, с частотой 1-2 раза в час. Длительность корректировки составляет (60 – 75) с. Корректировка осуществляется только при условии нахождения частоты в зоне мертвой полосы ОПРЧ, т.е. не препятствует его работе. При таком регулировании мощности энергоблоков за счет их преимущественной работы в режиме выдачи постоянной мощности удается значительно снизить расход газа на выработку эквивалентного количества энергии (на 15- 20%), что, соответственно, снижает углеродный след от использования топливной генерации.

1.2. Объект симуляции цифрового двойника как обобщение Минигрид с многоагрегатной электростанцией и разными схемами выдачи мощности

При разработке цифрового двойника Минигрид было использовано обобщение схем выдачи мощности и многоагрегатных электростанцией Минигрид, (рис. 2), позволяющее расширить область его применения на множество однотипных Минигрид с разными схемами выдачи мощности и, соответственно, различающимися условиями управления режимами.

Рис. 2. Варианты схем выдачи мощности Минигрид:

а) Базовая схема с разделяющейся на две симметричные части Минигрид с РП; б) Схема с разделяющейся на две симметричные части Минигрид без РП; в) Схема с неразделяющейся на части Минигрид с РП с основной и резервной связью с внешней сетью; г) Схема с неразделяющейся на части Минигрид без РП с одной связью с внешней сетью; д) Схема с разделяющейся на части Минигрид без РП с повышенной вариативностью отделения от внешней сети

Необходимость разделения Минигрид на две части связана с ограничением в виде недопустимости шунтирования шин подстанции присоединения Минигрид к внешней электрической сети ее внутренней сетью.

2. Инновационные способы и автоматика режимного и противоаварийного управления Минигрид при параллельной работе с внешней энергосистемой

Интеграция Минигрид с внешней энергосистемой преследует цели получения положительных системных эффектов по надежности энергоснабжения, качеству электрической энергии, а также экономичности работы электростанции Минигрид. Для достижения этих целей с минимальными затратами были предложены специальные способы управления режимами Минигрид, к числу которых следует отнести [ссылки на патенты и публикации]:

• Экстренное противоаварийное сбалансированное отделение Минигрид от внешней сети при угрозах нарушения устойчивости параллельной работы или возникновения опасных ударных моментов на валах генераторов электростанции [16];
• Поддержание постоянной готовности к спорадическому противоаварийному сбалансированному отделению Минигрид от внешней электрической сети путем совместного выбора состава работающего генерирующего оборудования и сечения для отделения [17];
• Создание наиболее благоприятных режимов для генерирующего оборудования электростанции Минигрид по экономичности и использованию эксплуатационного ресурса [19];
• Автоматическое восстановление нормального режима параллельной работы Минигрид с внешней сетью при возникновении соответствующих ему условий [18,20];
• Специализированное автоматическое регулирование частоты и обменной мощности [19].

Способы были использованы при создании специальной системной автоматики при реализации пилотного проекта Минигрид жилмассива «Березовое» в Новосибирске на базе многоагрегатной газопоршневой МиниТЭЦ.

Рассмотрим основную идею технологии безопасной параллельной работы Минигрид с внешней сетью с использованием его противоаварийного сбалансированного отделения от внешней сети по разным сечениям, в качестве основного способа обеспечения надежности энергоснабжения потребителей, на простейшем примере присоединения Минигрид к шине 10 кВ ПС внешней электрической сети (рис.3).

Рис. 3. Простейший пример принципиальной схемы присоединения Минигрид на параллельную работу с внешней сетью для демонстрации способа противоаварийного управления при угрозах нарушения

устойчивости параллельной работы: S₁, S₂, S₃ – сечения возможного деления и последующей синхронизации; ГБП – граница балансовой принадлежности

Минигрид предполагает параллельную работу с внешней сетью в одном из трех режимов:

1. Избыточный – с выдачей значимой мощности во внешнюю сеть (Р_выд = Р_зад);
2. Сбалансированный – без выдачи значимой мощности во внешнюю сеть (Р_выд = 0);
3. Дефицитный – с потреблением значимой мощности из внешней сети (Р_выд = - Р_зад).

Энергоблоки Минигрид в зависимости от общего баланса активной мощности динамически делятся на две группы:

Рассмотрим избыточный режим Минигрид, именно в нём достигаются все заявляемые повышенные характеристики: надёжость, экономичность, качество и экологичность.

1. Группа А или «Балансирующие энергоблоки» – состоит из минимального числа энергоблоков, достаточного для поддержания баланса мощности собственной нагрузки в текущем режиме;
2. Группа В или «Свободные энергоблоки» – состоит из энергоблоков с избыточной для покрытия собственной нагрузки мощностью, что позволяет направлять их мощность во внешнюю электрическую сеть.

В этом режиме энергоблоки группы А загружены на величину собственной нагрузки Минигрид с допустимым при противоаварийном экспресс-отделении от внешней сети небалансом, позволяющим сохранить их в работе без отключения. Энергоблоки группы В загружены на величину заданной оперативной уставки (Р_г(В) = Р_выд = Р_зад). Эти условия поддерживаются режимной автоматикой в нормальных режимах. Режимная автоматика поддерживает эти параметры при отсутствии возмущений (стационарный нормальный режим).

При возникающем возмущении (коротком замыкании во внутренней сети Минигрид или во внешней сети) фиксируется снижение напряжения прямой последовательности или появление напряжения обратной. Тогда до отключения КЗ устройствами РЗиА во внешней сети за время менее 0,1 с отключаются выключатели сечения S₁ и выключатели генераторов группы В.

Если КЗ являлось внешним, то при опережающем отделении сохраняется баланс мощности в отделившейся островной части и работоспособность при переходе в режим регулирования частоты оставшимися генераторами. За счет опережающего отключения Минигрид, во внешней сети устанавливаются условия для работы РЗиА, соответствующие отсутствию параллельной работы с Минигрид, что позволяет как правило, не согласовывать работу защит Минигрид и внешней сети.

Если КЗ являлось внутренним и нарушился баланс мощности, то в отделившейся части после восстановления напряжения, при необходимости, действует автоматика ограничения повышения или снижения частоты. Она обеспечивает сохранение (полное или частичное) энергоснабжения потребителей в отделившейся Минигрид за счёт:

• регулирования мощности, выдаваемой генераторами;
• включения дополнительной нагрузки;
• отключения части нагрузки.

После восстановления нормальных условий по напряжению и частоте с обеих сторон сечения (выключателя) Минигрид автоматически снова переводится в режим параллельной работы (путем точной синхронизации).

Сбалансированный режим Минигрид можно рассматривать как частный случай избыточного: множество генераторов группы В пусто, действия над ними не производятся.

В дефицитном режиме деление происходит по сечению S₂ с устранением дефицита мощности Минигрид путем отнесения части нагрузки (нагрузки РП) к внешней сети.

Представленные инновационные способы и автоматика режимного и противоаварийного управления параллельной работой Минигрид создают ряд положительных режимно-технических эффектов, представленных в таблице 4.

Таблица 4 - Положительные режимно-технические эффекты инновационных способов и автоматики режимного и противоаварийного управления параллельной работой Минигрид

Как следует из представленного описания, ключевой задачей управления режимами Минигрид в нормальных условиях является совместный выбор состава включенного генерирующего оборудования (ВСВГО) с его разделением на две группы и сечения в схеме выдачи мощности Минигрид для его спорадического противоаварийного отделения от внешней электрической сети.

2. Задача ВСВГО и определения сечения для спорадического противоаварийного отделения Минигрид от внешней электрической сети

Выбор состава включенных в работу генераторов и определение контролируемого сечения на объектах Минигрид основывается на следующих требованиях:

• Должны обеспечиваться заданные оператором цели управления (режимами);
• Небаланс по активной мощности Минигрид не должен превышать допустимое значение после оперативного или спорадического отделения Минигрид от внешней электрической сети по контролируемому сечению (отделение по сечению должно быть с допустимым небалансом);
• Режимы каждого энергоблока должны быть длительно или кратковременно (для послеаварийного режима) допустимы.

Для оптимального выбора необходимо определить контролируемое сечение, состав и загрузку энергоблоков так, чтобы обеспечивался баланс активной мощности Минигрид с учетом мощности контролируемого сечения, а величина перетока мощности по сечению должна находится внутри коридора его допустимых отклонений. При этом необходимо учитывать, что все энергоблоки Минигрид, в зависимости от условий, могут быть разделены на три типа “Балансирующие”, “Свободные”, “Находящиеся в Сервисе”, возможна смена состояния энергоблоков с балансирующего на свободный и наоборот, а энергоблоки, находящиеся в сервисе, не могут автоматически использоваться при ВСВГО.

Ограничениями по загрузке являются:

• Загрузка всех энергоблоков должна быть внутри рабочего диапазона мощности, т.е. находиться в пределах технологического минимума (P_тех.min) и максимума (P_тех.max);
• Загрузка всех энергоблоков должна обеспечивать выполнение ограничения на максимально разрешенную выдачу и максимально разрешенное потребление мощности (P_{огр.сеч} ) по выбранному сечению, с учетом мощности усредненной на интервале нагрузки ( P^инт ) и амплитуды нерегулярных колебаний (ΔP_н.к);
• Загрузка балансирующих энергоблоков, после спорадического отделения Минигрид от внешней сети, должна быть внутри рабочего диапазона мощности, определяемого величиной допустимого небаланса (ΔP_д.н) энергоблока, с учетом нерегулярных колебаний.

Математическая формулировка подзадачи загрузки включенных в работу энергоблоков с целью выдачи максимальной мощности во внешнюю сеть

Целевой функцией является величина выдаваемой мощности ( Pвыд ) энергоблоками, находящимися в работе (балансирующие и свободные), а критерием оптимизации является ее максимум, т.е. – Pвыд → max.

С учетом ограничений типа равенств и неравенств (при однотипности всех энергоблоков) задача будет иметь следующий вид:

где n_б и n_с– количество балансирующих и свободных энергоблоков;

– величина максимальной загрузки балансирующего энергоблока с учетом амплитуды нерегулярных колебаний ; P^б_загрi и P^с_загрi – соответственно величина

загрузки i-го балансирующего и свободного энергоблока;P^б_доп.mini и P^б_доп.maxi - величина минимально и максимально допустимой мощности загрузки i-го балансирующего энергоблока, соответственно;P^с_{доп. max i} - величина максимально допустимой мощности загрузки свободного энергоблока.

При этом:

В данной формулировке задача оптимальной загрузки энергоблоков сводится к задаче линейного программирования, и может быть решена известными методами (например, симплекс методом).

При этом область допустимых режимов (ОДР) будет выглядеть, как представлено на рис. 4, где по осям абсцисс и ординат отложены мощности загрузки однотипных свободных и балансирующих энергоблоков соответственно.

Рис. 4. Графическое представление ОДР для поиска оптимальной загрузки i-го энергоблока при фиксированном составе энергоблоков

(смысл номеров зон раскрывается в последующем описании, при этом зона с номером 0 удовлетворяет всем ограничениям)

Максимум целевой функции (Р_выд) для сформированной ОДР будет находиться в точке пересечения прямой Р^б_доп.max Р^с_доп.max

Пример решения подзадачи загрузки включенных в работу энергоблоков с целью выдачи максимальной мощности

Средой для решения является программа «Microsoft Excel» с реализацией симплекс метода. Окно настройки функции «Параметры поиска решений» и набор исходных данных, представлены на рис.5.

Рис. 5. Решение задачи симплекс методом в среде «Microsoft Excel» а) Рабочая область, содержащая исходные данные; б) Окно настройки для решения задачи

В ходе проверки математической модели были получены решения и построены следующие зависимости:

• Зависимость загрузки энергоблоков от величины нагрузки Минигрид (Р^инт_Н.ср), рис. 6 (а), при постоянстве следующих величин: 𝛥P_н.к, 𝛥P_д.н.i,P_тех.min, P_тех.max, P_{огр.сеч} , nБ , nС - равные значениям представленных на рис.3 (а);

• Зависимость выдачи мощности в сеть (Р_{выд.сеч} )от влечены допустимой загрузки сечения( P_{огр.сеч}), рис. 6 (б), при постоянстве следующих величин:𝛥P_н.к,𝛥P_д.н.i,P_тех.min,P_тех.max, nБ , nС - равные значениям представленных на рис.3 (а), величина нагрузки Минигрид являлась также постоянной и равнялась 3600 кВт;
• Зависимость загрузки энергоблоков от состава балансирующих и свободных энергоблоков( nБ / nС ), рис. 7,при постоянстве следующих величин:𝛥P_н.к, 𝛥P_д.н.i, P_тех.min, P_тех.max, P_{огр.сеч} - равные значениям представленных в на рис.3 (а), величина нагрузки выставлялась таким образом, чтобы загрузка балансирующих энергоблоков равнялась P_тех.min или P^Б_don.maxi (При P^Б_выд.maxi = 0). 

Рис. 6. а) Зависимость загрузки энергоблоков от величины нагрузки Минигрид; б) Зависимость выдачи мощности в сеть от величины допустимой загрузки сечения

Рис. 7. Зависимость загрузки энергоблоков от состава балансирующих и свободных энергоблоков

Полученные решения и зависимости показывают адекватность математической модели, однако, при поиске оптимальной загрузки энергоблоков могут возникать ситуации, когда не все ограничения выполняются, красная область на рис 6 (а) и (б), при этом загрузка энергоблоков упирается в ограничения по технологическому минимум или максимум, что связанно с тем, что решение определено для заданного состава энергоблоков без учета возможности его изменения. На рис.5 видно, как изменение СВГО позволяет не только увеличить/уменьшить выдачу мощности в сети, а также увеличить выдачу мощности для балансирования собственной нагрузки Минигрид. Изменение состава генерирующего оборудования является следующей подзадачей, входящей в цикл определения общего решения.

Зоны выбора и выбор СВГО и сечений с целью выдачи максимальной мощности

Помимо основной зоны ОДР на рис. 4 представлены 8 зон, границы которых формируются условиями возможной максимальной и минимальной загрузки энергоблоков. При вариации нагрузки, границ коридора выдачи мощности по сечению, состава энергоблоков, экстремум может упираться в границы одной из зон, что свидетельствует о необходимости изменения СВГО и/или сечения. При этом границы зон однозначно определяют необходимость увеличения или уменьшения ВГО. Зоны отражают следующие условия и тип воздействия (увеличение или уменьшение - числа энергоблоков в группе):

Поиск нового СВГО целесообразен динамическим методом с корректировкой на шаге состава ГО в группе на единицу при выходе на границу зоны. При этом на предварительном этапе определяется:

• Количество доступных для использования энергоблоков n_раб определяется как n_раб = n_лэс - n_сер, где n_лэс - полное число энергоблоков на станции; n_сер – число энергоблоков, находящихся в сервисе;
• Количество балансирующих собственную нагрузку энергоблоков для сечения Si определяется как 
• где P^Н.ср_Si – средне интервальная мощность нагрузки относительно сечения Si

Необходимость смены сечения S₁→S₂ возникает при условии отсутствия возможности увеличения количества балансирующих энергоблоков. Смена в данном случае приводит к уменьшению нагрузки Минигрид в случае отделения от внешней сети за счет исключения шин РП.

Целесообразность перехода от внутреннего сечения к внешнему S₂→S₁, возникает при условии достаточности мощности энергоблоков, находящихся в работе, для покрытия всей нагрузки Минигрид.

Таким образом, зная необходимое количество балансирующих энергоблоков для каждого из сечений и состав введенных в работу энергоблоков, можно установить контролируемое сечение по следующем условиям:

• n_раб ≥ n^б.min_S1 – контролируемое сечение S1;
• n^б.min_S1 n_раб ≥ n^б.min_S2 – контролируемое сечение S2.

Выбрав контролируемое сечение и количество балансирующих энергоблоков, производится поиск количества свободных энергоблоков n^c_S1, по следующему условию:

Определенный состав (n^б.min_Si) и n^с_Si на предварительном этапе, не будет отражает все выдвинутые ограничения по загрузки энергоблоков, поскольку не включает 𝛥P_д.н.i и 𝛥P_н.к, поэтому необходимо соотнести данный состав к ОДР, и если экстремум оптимальной загрузки снова находится на границе зон, то согласно зоне – указывающей направление в изменении СВГО, производится корректировка состава на одну единицу необходимого изменения от найденного на предварительном этапе.

Выбор считается оконченным, если оптимальная загрузка, для определившегося состава, соответствует всем ограничениям.

3. Моделирование обобщенного объекта симуляции, его подсистем и элементов

Базовая схема Минигрид на основе газопоршневой электростанции с шестью синхронными генераторами, подключёнными к секционированной шине, имеющей связи с внешней сетью по кабельным линиям через распределительный пункт с подключенной к нему нагрузкой приведена на рисунке 8.

Рис. 8. Видеокадр «Схема», отображающий электрическую сеть базового варианта Минигрид

В таблице 2. Приведены характеристики моделей элементов Минигрид.

Таблица 2. Модели элементов Минигрид

Математической моделью режима электрической сети является система линейных алгебраических уравнений (СЛАУ) узловых потенциалов. Решение СЛАУ осуществляется методом Гаусса.

Шаг моделирования (во времени) принят изменяемым параметром в диапазоне (0; 0,01) с, 0,009 с – по умолчанию (для обеспечения приемлемого масштаба времени).

Принятый масштаб времени обеспечивает кратное ускорение медленных технологических процессов подготовки к запуску и пуска энергоблоков для снижения времен ожидания их завершения.

Примечание: Масштаб времени - соотношение темпов процессов, происходящих в реальном объекте (Минигрид), и при симуляции, при этом ряд продолжительных процессов (например, разогрев двигателя) может быть искусственно ускорен для снижения ожиданий завершения, а некоторых может быть замедлен вследствие ограничений по вычислительному быстродействию.

Математическая модель идентификации класса состояния Минигрид (система логических выражений, аналогичная используемых в ПТК) и метод идентификации класса состояния (сравнение вычисленных значений логических выражений с предопределёнными) подробно представлены авторами в [21].

По такому же принципу построена математическая модель блокировок оперативных переключений в электрической сети, исключающая:

• шунтирование внешней сети;
• создание замкнутых контуров внутри Минигрид;
• включение источников на параллельную работу при запрете от внешней сети;
• объединение источников без синхронизации;
• включение неподготовленного генератора;
• обесточивание шин..

Применение/отмена блокировок выборочная.

В реальной Минигрид и ее симуляторе предусмотрено несколько режимов обмена мощностью с внешней электрической сетью [12]:

• Работа с нулевой средней обменной мощностью путем непрерывного регулирования;
• Выдача заданной графиком обменной мощности во внешнюю сеть путем непрерывного регулирования;
• Удержание мощности в коридоре допустимой несбалансированности Минигрид при спорадических отделениях с выдачей максимальной мощности свободными генераторами путем дискретных корректировок мощности энергоблоков.

Моделью графика выдачи мощности (в сечении) являются почасовые значения активной мощности с постоянным cos(j).

Моделирование автоматики:

• Автоматический ввод резерва (АВР) моделируется системой логических выражений, описывающих условия срабатывания, наборы и последовательности коммутаций для восстановления напряжения на пинающих шинах;
• Автоматика опережающего сбалансированного деления (АОСД) моделируется системой логических выражений срабатывания, формирования управляющих воздействий для сбалансированного отделения Минигрид от внешней сети при возмущениях (КЗ).

Моделями макрокоманд автооператора являются функция изменения параметров компонентов (энергоблоков, полустанций и т.д.), а также схемы коммутации сети Минигрид.

Под макрокомандой понимается совокупность последовательно выдаваемых простых команд (операций) над Минигрид в целом и её компонентами (полустанциями, энергоблоками и т.д.) для достижения определенной цели:

1. макрокоманды энергоблокам:
   • Пуск энергоблока;
   • Останов энергоблока;
   • Сервисный пуск энергоблока;
   • Сервисный останов энергоблока.
2. макрокоманды полустанциям:
   • Перевод полустанции Минигрид в режим параллельной работы с сетью;
   • Перевод полустанции Минигрид в режим острова.
3. макрокоманды для Минигрид в целом:
   • Объединение полустанций;
   • Разделение Минигрид на полустанции;
   • Перевод Минигрид в режим параллельной работы с сетью;
   • Запуск Минигрид с нуля при питании генераторных шин от сети;
   • Перевод системы управления Минигрид в автоматический режим;
   • Перевод системы управления Минигрид в полуавтоматический режим;
   • Перевод системы управления Минигрид в ручной режим.

Автоматический режим работы Минигрид обеспечивается Автооператором путем использования всего набора макрокоманд, контроля их выполнения на основе установленных правил, содержащихся в базе знаний.

Представленные модели Минигрид, подсистем, элементов и макрокоманд позволяют качественно и количественно с достаточной для подготовки оперативного персонала степенью достоверности симулировать поведение такой энергосистемы, как в режиме «острова», так и в режиме параллельной работы с электрической сетью централизованного энергоснабжения.

4. Общее описание программного обеспечения симулятора

Классы решаемых задач:

1. Симуляция режимов Минигрид в заданных нормальных и аварийных условиях с учетом управляющих воздействий оператора;
2. демонстрация положительных системных эффектов, возникающих при параллельной работе Минигрид с внешней сетью (надёжность, экономичность, качество энергоснабжения) и тренировка навыков их достижения при оперативном управлении;
3. демонстрация работы специальных способов управления режимами Минигриди:
   • экстренное противоаварийное сбалансированное отделение Минигрид от внешней сети при угрозах нарушения устойчивости параллельной работы или возникновения опасных ударных моментов на валах генераторов электростанции;
   • поддержание постоянной готовности к спорадическому противоаварийному отделению Минигрид от внешней электрической сети путем совместного выбора состава работающего генерирующего оборудования и сечения для деления;
   • создание наиболее благоприятных режимов для генерирующего оборудования Минигрид по экономичности и использованию эксплуатационного ресурса;
   • автоматическое восстановление нормального режима параллельной работы Минигрид с внешней сетью при возникновении соответствующих ему условий;
   • специализированное автоматическое регулирование частоты и обменной мощности.

Основные функции:

1. симуляция электрического и электромеханического режимов работы Минигрид:
   • стационарного (без возмущений);
   • аварийных (переходных), вызываемых различными возмущениями.
2. моделирование режимов управления Минигрид:
   • ручного;
   • полуавтоматического;
   • автоматического (в разработке).
3. отображение:
   • класса состояния;
   • схемы коммутации;
   • блокировок оперативных переключений;
   • действия защиты и автоматики;
   • рабочих параметров:
     • основного оборудования энергосистемы;
     • перетоков электрической энергии и режимов сечений;
     • режимов работы сети с учетом разрабатываемых сценариев.
   • ограничений и уставок;
   • текущего журнала событий.
4. администрирование пользователей;
5. работа в режиме тренажера (в разработке).

Симулятор является одномодульной программой, связанной с рядом файлов, содержащих исходные данные, и с файлами, содержащими как исходные, так выходные данные:

1. исполняемый файл (.exe);
2. файлы исходных данных: 
   • ini – инициализационные файлы элементов Минигрид, команд, интерфейса, пользователей;
   • pic – изображения элементов Минигрид;
   • snd – звуки событий;
   • lng – языковые модули (словари для представления интерфейса на различных языках).
3. файлы исходных и выходных данных:
   • log – журналы событий и журнал пользователей.

Хранение исходных данных в файлах формата .ini позволяет до запуска Симулятора редактировать ряд его настроек, в том числе те из их, доступ к которым при выполнении отсутствует, адаптируя поведение программы к потребностям пользователя.

Связи программы с другими программами отсутствуют.

Структура ПО симулятора, его баз данных и знаний (БД, БЗ) представлены на рис.9.

Рис. 9. Структура ПО, БД, БЗ симулятора

Алгоритм Симулятора представлен на рис. 10. После запуска программы и загрузки исходных данных пользователю предлагается пройти аутентификацию, настроить доступные параметры симуляции, выбрать действующие ограничения и уставки, запустить симуляцию. Симуляция выполняется в цикле последовательной обработки имеющихся данных и параллельно поступающих от пользователя команд, моделируемых сигналов и возмущений. На каждом шаге симуляции осуществляется звуковое и визуальное сопровождение событий (если они произошли) и их запись в файл.

Примечание: К событиям относятся:

• идентификация класса состояния Минигрид;
• выполнение (макро)команд;
• возмущения;
• сигналы;
• вход и выход пользователя и т.д.

Основные используемые методы представлены в таблице 5.

Таблица 5 – Используемые методы

Главное окно Симулятора содержит пять видеокадров (см. пример на рис. 10):

• Пользователи;
• Схема и режим;
• Графики;
• Ограничения и уставки;
• Тренажёр (в разработке).

Рисунок 10 – Главное окно Симулятора. Видеокадр «Схема и режим»

Управление симуляцией осуществляется с общей для всех видеокадров панели «Симулятор» кнопками:

• «Пуск» – пуск или продолжение симуляции после остановки;
• «Стоп» – остановка симуляции;
• «Сброс» – возврат к исходной (базовой) схеме и режиму без перезагрузки оболочки Симулятора с очисткой оперативной памяти от накопленных данных.

Дополнительно на панели «Симулятор» отображаются:

• Объём оперативной памяти, занимаемой Симулятором;
• Масштаб времени – отношение фактической длительности одного шага моделирования к номинальной.

На панели «События», общей для всех видеокадров, отображается журнал, содержащий время и описание событий Симулятора. При завершении работы Симулятора журнал событий записывается в log-файл. События, записываемые в журнал:

• Начало и завершение (макро)команд;
• Смена и идентификация классов состояния Минигрид;
• Ошибки работы Симулятора.

Доступно сопровождение событий:

• Сигналом – короткий звуковой сигнал в момент события;
• Голосом – последовательное голосовое озвучивание времени и описания событий, записанных в текущий журнал;
• Форсированное – голосовое озвучивание времени и описания текущего события с переходом к последнему, записанному в текущий журнал.

5. Сравнение результатов моделирования режимов Минигрид симулятором с результатами, полученными на технологической и физической моделях

В таблице 6 представлено сравнение результатов характерных этапов управления составом и загрузкой генераторов Минигрид. Графики изменения режимных параметров в процессе такого управления, полученные на цифровой модели Минигрид и ПТК, а также схемы коммутации приведены на рисунках 11-13.

Таблица 6. Сравнение результатов, определенных моделью технологии и результатов работы симулятора Минигрид

Рис. 11. Схема коммутации цифровой модели Минигрид и ПТК на этапе А-А** управления составом и загрузкой генераторов

Рис. 12. Схема коммутации цифровой модели Минигрид и ПТК на этапе Ba1 управления составом и загрузкой генераторов

Примечание: На этапе С управления составом и загрузкой генераторов восстанавливается схема коммутации цифровой модели Минигрид этапа А-А**

Рис. 13. Графики изменения режимных параметров на этапах А-С управления составом и загрузкой генераторов Минигрид, полученные на цифровой модели Минигрид и ПТК

На рисунке 14 приведены графики изменения режимных параметров в процессе управления Минигридом системной автоматикой, в т.ч. ее автооператором, зарегистрированные на физической электродинамической модели Минигрид в НГТУ.

Рис. 14. Графики изменения режимных параметров в процессе управления Минигридом автооператором системной автоматики, зарегистрированные на физической модели НГТУ: f и P – частота и активная мощность генераторов Г1-Г3; t – время; A, B,…,G – этапы процесса управления Минигридом , В -.. и т.д.

Графики изменения режимных параметров на сопоставимых этапах процесса управления Минигридом, реализованных цифровым двойником, представлены на рисунке 15 и в таблице 7.

Рис. 15. Графики изменения режимных параметров в процессе цифровой симуляции управления Минигридом: f и P – частота и активная мощность генераторов; t – время; A, B,…,G – этапы процесса управления Минигридом

Таблица 7. Сопоставление этапов процессов управления Минигридом, реализованных на физической электродинамической модели энергосистемы в НГТУ и цифровым двойником

Обозначения в таблице 8: (АО) – автооператорное управление

Заключение

Представленный цифровой двойник Минигрид с инновационным режимном и противоаварийном управлении позволяет во всех эксплуатационных режимах качественно и количественно с достаточной для подготовки оперативного персонала степенью достоверности симулировать поведение такой энергосистемы. Опыт его применения для подготовки и аттестации дежурного персонала реального объекта, а также обучения магистрантов подтвердил его эффективность.

Список литературы:

1. Хохлов А., Мельников Ю., Веселов Ф., Холкин Д., Дацко К. Распределенная генерация в России: потенциал развития. М.: Энергетический центр Московской школы управления Сколково, 2018.
2. Efimov D. N., Suslov K. V., Voropai N. I. Virtual power plants for isolated and jointly operating electric power supply systis—Perspectives and challenges for Russia //2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting. – IEEE, 2011. – С. 1-6.
3. Фишов А.Г. Технические и экономические аспекты создания минигридов и их интеграции с централизованным энергоснабжением // Энергетик. 2022. № 4. С. 27 – 34.
4. Hu C., Shi W., Jiang L. Application case of digital twin technology in electric power systi //IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – IOP Publishing, 2020. – Т. 788. – №. 1. – С. 012083.
5. Goia B., Cioara T., Anghel I. Virtual power plant optimization in smart grids: A narrative review //Future Internet. – 2022. – Т. 14. – №. 5. – С. 128.
6. Nikonowicz Ł., Milewski J. Virtual Power Plants-general review: structure, application and optimization
7. Ullah Z., Mirjat N. H. Modelling and analysis of virtual power plants interactive operational characteristics in distribution systis //Energy Conversion and Economics. – 2022. – Т. 3. – №. 1. – С. 11-19.
8. O. Dzobo, "Virtual power plant energy optimisation in smart grids," 2019 Southern African Universities Power Engineering Conference/Robotics and Mechatronics/Pattern Recognition Association of South Africa (SAUPEC/RobMech/PRASA), Bloifontein, South Africa, 2019, pp. 714-718,
9. Бык Ф.Л., Мышкина Л.С. Эффекты интеграции локальных интеллектуальных энергосистем // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т. 24. № 1. С. 3-15. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-1-3-15.
10. W. Danilczyk, Y. Sun and H. He, "ANGEL: An Intelligent Digital Twin Framework for Microgrid Security," 2019 North American Power Symposium (NAPS), 2019, pp. 1-6, doi:. 1109/NAPS46351.2019.9000371.
11. Jones D. et al. Characterising the Digital Twin: A systiatic literature review //CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. – 2020. – Т. 29. – С. 36-52.
12. Системная автоматика для интеграции локальных систем электроснабжения с синхронной малой генерацией в электрические сети. Гежа Е.Н., Ивкин Е.С., Сердюков О.В., Глазырин В.Е., Глазырин Г.В., Марченко А.И., Семендяев Р.Ю., Фишов А.Г.// Релейщик. 2018. № 2 (32). С. 24-31.
13. Илюшин, П. В. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией : / П. В. Илюшин, А. Л. Куликов. – Нижний Новгород : Нижегородский институт управления - филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Российская академия народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации", 2019. – 364 с. – ISBN 978-5-00036-236-5. – EDN UBJFNT.
14. Марченко Андрей Иванович, Денисов Виктор Владимирович, and Мурашкина Инна Сергеевна. "Средства и способы управления параллельной работой электрической станции малой генерации с электрической сетью" Системы анализа и обработки данных, no. 1 (74), 2019, pp. 77-90.
15. Суточное планирование режима работы источников электрической энергии в составе микро- и минигрид / А. В. Паздерин, В. О. Самойленко, Н. Д. Мухлынин, П. А. Крючков // Вестник Казанского государственного энергетического университета. – 2021. – Т. 13. – № 4(52). – С. 64-75. – EDN LXYVYZ.
16. Способ противоаварийного управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях. Фишов А.Г., Мукатов Б.Б., Марченко А.И. Патент на изобретение RU 2662728 C2, 30.07.2018. Заявка № 2016147843 от 06.12.2016.
17. Способ управления составом и загрузкой генераторов электростанции с собственными нагрузками, работающей изолированно и параллельно с приемной энергосистемой. Фишов А.Г., Семендяев Р.Ю., Ивкин Е.С. Патент на изобретение RU 2697510 C1, 15.08.2019. Заявка № 2018113035 от 10.04.2018
18. . Способ синхронизации частей электрической сети. Фишов А.Г., Армеев Д.В., Сердюков О.В. Патент на изобретение RU 2686079 C1, 24.04.2019. Заявка № 2017141897 от 30.11.2017.
19. Способ управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях. Фишов А.Г., Какоша Ю.В. Патент на изобретение RU 2752248 C1, 23.07.2021. Заявка № 2020140023 от 07.12.2020.
20. Способ удаленной синхронизации и восстановления нормального режима аварийно разделенной электрической сети с генераторами. Фишов А. Г., Гуломзода А. Х. Патент на изобретение RU 2752693 C1, 30.07.2021. Заявка № 2020131758 от 28.09.2020.12.
21. Фишов А.Г., Петрищев А.В. Сердюков О.В. Идентификация классов состояния автономной системы энергоснабжения для управления режим её параллельной работы с централизованной электрической сетью // Вестник ИрГТУ. 2018. Том 22. № 1. С. 168 – 185.

Сведения об авторах

Фишов Александр Георгиевич, Дата рождения: 19.02.1950

• Доктор технических наук, профессор, профессор кафедры автоматизированных электроэнергетических систем.
• Новосибирский государственный технический университет.
• Почетный работник высшего профессионального образования, Почетный работник науки и техники РФ.
• Окончил Новосибирский электротехнический институт, Электрические системы и сети в 1972 году. Защитил докторскую диссертацию «Структурная адаптация электроэнергетических систем к режимам» в 1990 году.
• 630073, г. Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20, Россия.
• Телефон: +79139370116, e-mail: fishov@ngs.ru

Петрищев Алексей Васильевич, Дата рождения: 31.08.1976

• Кандидат технических наук
• Новосибирский государственный технический университет 
• Окончил Новосибирский государственный технический университет, Автоматизированные электроэнергетические системы в 1999 году. Защитил диссертацию «Разработка экспертной системы анализа коммутационного состояния электрических сетей»
• 630073, г. Новосибирск, просп. Карла Маркса, 20
• Контактный тел.: +7 913 922 13 47 e-mail: alex_v76@mail.ru

Ожулас Владис Алисович, Дата рождения: 22.05.1997

• Инженер отдела исследования свойств ЭЭС и проектирования ПА, Институт автоматизации энергетических систем, г. Новосибирск, ул. Железнодорожная, 12/1
• Окончил Новосибирский государственный технический университет, Автоматизированные электроэнергетические системы в 2019 году 
• Контактный тел.: +7 913 713 79 25 e-mail: vlas_oj@mail.ru