От интуиции к качеству: интеллектуальное моделирование и планирование энергосетей на основе современных IT-разработок

Юрий Ющак, технический директор PSI Energo
Ирина Ужегова, IT ENERGY

Сегодня моделирование и планирование развития энергосетей России представляет собой скорее интуитивный процесс. Благодаря современным IT-технологиям он должен превратиться в сложную систему четкого математического планирования.

Главный тренд энергетической отрасли сегодня – высокое внимание к автоматизации и информатизации всех аспектов деятельности каждого энергетического предприятия. По данным аналитического обзора компании Frost & Sullivan, потребности в модернизации в энергетике России огромны, в связи с чем аналитики предсказывают более чем 100-процентный рост объема российского рынка систем автоматизации и контроля к 2020 году при реалистичном сценарии и увеличение рынка почти в три раза – при оптимистичном. И если вопрос автоматизации на технологическом уровне уже начал решаться и сегодня любая задача по поставке оборудования изначально включает в себя условие оснащения его автоматизированными решениями мониторинга и управления, то в области планирования энергосистемы до сих пор используются дедовские методы.

В компании PSI Energo – крупном интеграторе систем автоматизации для энергетической отрасли – уверены, что повышение степени автоматизации планирования электрической сети позволит сделать колоссальный качественный скачок в этой области, на порядок увеличивая эффективность принятых решений, повышая надежность и экономичность проектируемых сетей и способствуя нашему вступлению в эру интеллектуальных сетей.

INTEGRAL – интерактивная графическая система сетевого планирования

Решение INTEGRAL, предлагаемое компанией PSI Energo, представляет собой мощный инструмент для планирования электрических сетей энергоснабжения, с помощью которого можно ответить практически на все вопросы в области построения сетей: от проектирования трасс линий электропередачи и оценки уязвимых участков сети до их оптимизации по напряжению и реактивной мощности и расчета и сравнения технических и экономических характеристик различных вариантов развития сети.

INTEGRAL позволяет разработать большое количество вариантов будущей сети через удобный пользовательский интерфейс, сохраняя их в базе данных и выполняя расчеты и сравнения по каждому варианту.

Решение предоставляет проектировщику следующие возможности:

• возможность быстрого формирования и хранения большого количества иерархических вариантов сети;
• расчет всех электрических параметров различных вариантов сети: надежность, энергоэффективность и др.;
• расчет экономических характеристик различных вариантов сети, капитальных и эксплуатационных затрат, потерь электроэнергии;
• формирование обобщенных критериев для быстрого сравнения разных вариантов;
• автоматизированное формирование вариантов сети на основе заданных условий и ограничений.

Все объекты энергосистемы представлены в программе в удобном графическом виде, а любые действия, связанные с прокладкой и изменением сетей, добавлением объектов, осуществляются простым движением мышки. При этом наличие встроенного языка программирования позволяет создавать собственные расчеты, организовывать пакетную обработку данных.

Дополнительное географическое представление автоматически формируется по координатам местоположения и позволяет оперативно осуществлять ввод новых трасс, опор и соединений. Изменение объекта, топологии сети на одном графическом представлении влечет за собой автоматическое изменение в базе данных, расчетной модели, других графических представлениях (рис. 1).

С помощью функции «взять и перетащить объект мышкой» электролинии перемещаются на трассы (рис. 2). При этом расположение проводов в пределах трасс определяется автоматически, а стандартные шаблоны позволяют значительно ускорить процесс ввода данных.

Кроме того, для оптимизации регулярных действий в систему INTEGRAL встроен язык макропрограммирования, с помощью которого можно автоматизировать производственный процесс. Язык макропрограммирования позволяет использовать более 3 000 команд и обеспечивает полный доступ к модели данных и методам расчетов.

Интеллектуальные расчетные методики системы INTEGRAL

Для решения специфических задач проектирования в системе разработаны специальные расчетные методики. Каждая модель расчета выполняется специализированным модулем, отвечающим за конкретную задачу.

Расчет распределения потоков нагрузки с моделированием выхода из строя и вычислением ступенчатого графика, вероятностный расчет распределения потоков. Модуль позволяет рассчитать потоки электроэнергии в ветвях и напряжение в узлах сети. С помощью графического представления INTEGRAL позволяет быстро локализовать неточности в исходных данных, решая проблему несходимости потоков. Эта функция крайне важна, так как надежная сходимость потокораспределения является основным условием для эффективного планирования, которое часто нарушается вследствие ошибок при вводе данных. Причем обнаружить такие ошибки без автоматизированных инструментов крайне сложно.

Модуль позволяет моделировать различные режимы регулирования потоков активной мощности, устанавливая характеристики компенсируемой мощности или задавая параметры импортируемой и экспортируемой мощности для каждой сетевой группы. Система позволяет задавать зависимость потребляемой мощности от напряжения индивидуально для каждого потребителя.

С помощью функции моделирования отказа можно проверить, какое распределение потоков устанавливается при выходе из строя отдельного сетевого элемента. Отказы, которые анализируются в рамках моделирования выхода из строя, в системе INTEGRAL могут задаваться вручную или определяются автоматически.

Расчет тока короткого замыкания. Модуль включает в себя различные группы методов расчета тока короткого замыкания. Наиболее востребованы среди них методы Такахаши, которые позволяют рассчитывать короткие замыкания во всех местах повреждений одновременно. С помощью методов Такахаши осуществляются расчеты по четырем типам повреждений: трехфазное замыкание (К3), двухфазное замыкание (К2), однофазное замыкание (К1) и двухфазное замыкание на землю (К2Е). Результаты этих методов расчетов могут быть представлены в виде сетевых схем, таблиц или географического изображения, на которых уязвимые участки окрашиваются различными цветами в зависимости от результатов расчетов (рис. 3).
Для более точного анализа повреждений в масштабе всей сети в систему внедрены и другие методы расчетов, позволяющие определять напряжение и токи во всей сети.

INTEGRAL также позволяет моделировать и проводить детальный анализ основных сложных случаев повреждений, рассматривая любые комбинации из обрывов линий, коротких замыканий и межсистемных ошибок с учетом возможных полных сопротивлений в местах повреждений. При этом моделируются полностью подключенные линии и электрооборудование с несимметричной нагрузкой. Такие системы позволяют рассчитать наложение токов короткого замыкания и распределения потоков в момент наступления повреждения.

Оценка состояния. Модуль позволяет определить наиболее вероятное состояние моделируемой сети исходя из измеренных значений и топологии сети
Расчет параметров линии. Электрические параметры воздушных линий зависят от типа провода и геометрии опор линий электропередачи. На основании этих исходных данных INTEGRAL рассчитывает электрические параметры линии. Использование интерактивных графиков упрощает обнаружение ошибок, возникающих при вводе данных (рис. 4).

Вероятностный расчет надежности. Надежность энергоснабжения электрической сети может оцениваться либо качественно, например, посредством критерия (n-1), либо количественно, с помощью статистической обработки произошедших аварий и основанных на этом прогнозов о поведении системы в будущем. Отличительной чертой метода вероятностного расчета надежности являются используемые модели отказов, которые описывают сложные аварийные случаи в сети по образцу. Результатом расчетов надежности являются данные о количестве отказов, среднем времени восстановления, недоотпуске электроэнергии, времени отключения потребителей. Используя современные инструменты расчетов, INTEGRAL позволяет определить непосредственную причину отказов оборудования и выявить слабые места в сети.

Моделирование устранения повреждений в сетях среднего напряжения. Задача модуля – определить возможную частоту и длительность перебоев в энергоснабжении. При расчете длительности, наряду с ожидаемыми величинами, определяются также максимальное и минимальное время восстановления энергоснабжения, учитывая уровень сложности и доступности места повреждения. На основании полученных данных можно заранее рассчитать максимальное время восстановления энергоснабжения. При расчете времени восстановления учитываются также такие характеристики, как наличие средств телемеханики и телеуправления объектами.

Оптимизация по напряжению и реактивной мощности. Целью оптимизации соотношения напряжение – реактивная мощность является оптимизация режима реактивной мощности сети. Чтобы избежать превышения рабочих границ при оптимизации соотношения напряжение – реактивная мощность, в процессе оптимизации учитываются допустимые зоны напряжений на узлах. Данная методика расчета может применяться для решения следующих задач:
• минимизация потерь;
• аппроксимация заданного уровня номинального напряжения;
• минимизация общих затрат на передачу.

Анализ срабатывания устройств РЗА. Модуль используется для исследования защитных режимов работы аналоговых и цифровых дистанционных защитных устройств.

Оптимизация оборудования и конструкций в сетях высокого напряжения. Этот модуль представляет собой мощный инструмент, который позволяет планировать электрические сети высокого напряжения при граничных условиях надежности и выявлять в этих сетях связь между стоимостью и надежностью, устанавливая наиболее экономичные структуры сетей и оборудования. При расчете учитываются географическое положение энергообъектов и разрешенных трасс, допустимые схемы установки распределительных устройств, разрешенные параметры трасс (типы кабелей, воздушных линий, опор), а также затраты, рассчитываемые специальным модулем оценки затрат.

Анализ комплексного сопротивления сети, анализ гармонической составляющей и централизованного телеуправления. Система предлагает практичный инструмент для решения наиболее часто решаемых задач в области сетевого резонанса и распространения гармонических составляющих.
Расчет общей пропускной способности. Для распределения пропускной способности между различными участками сети электропередачи необходимо оценить максимальную имеющуюся пропускную способность. INTEGRAL позволяет рассчитывать максимальную передаваемую мощность между двумя зонами (мощность по сечению), так называемую пропускную способность (TTC).

Оценка затрат. Помимо технических вариантов прокладки сетей INTEGRAL позволяет рассчитать и экономическую составляющую проекта, включая оценку фактической стоимости и прогнозируемый годовой доход от его реализации.

Годовые затраты рассчитываются с учетом типов сетевого оборудования и суммарного времени простоев. Для определения графика расходов можно дополнительно задать год строительства и год демонтажа отдельного сетевого объекта. Любые изменения сети автоматически заносятся в базу данных, позволяя проектировщику постоянно отслеживать их влияние на расходы. Кроме того, в шаблоны, в которые вводятся исходные данные для расчета расходов, позволяют формировать сводные таблицы затрат для отдельных объектов.

Автоматизированные решения планирования – обязательный элемент интеллектуальной энергосистемы

Используя перечисленные методики расчета, система INTEGRAL позволяет учитывать все параметры, влияющие на будущую надежность и экономическую эффективность сети, заранее определять возможные уязвимые места и предпринимать меры по их устранению. Такой всесторонний анализ обеспечивает полноценное развитие энергосистемы страны, позволяя принимать экономически и технологически оправданные решения.
В настоящее время INTEGRAL успешно применяется для планирования более чем 50% всех сетей электропередачи в Германии, известной своими проектами в области реализации концепции интеллектуальной энергосистемы. Среди пользователей решения такие крупные компании, как RWE, EnBW, и другие. Все представленные расчетные модели постоянно совершенствуются, позволяя оптимизировать процесс расчетов в рамках развития сетей.
Именно с помощью таких систем должны приниматься решения о развитии энергосистемы России, и особенно остро вопрос о внедрении таких решений стоит сейчас – в период перехода к качественно новой интеллектуальной энергосистеме.