Разработка системы автоматизированного управления режимом изолированной микроэнергосистемы

Решение задач, стоящих перед современной электроэнергетикой, требует применения инновационных технологических решений. Целью работы является научное обоснование и формирование подходов к практической реализации систем автоматизированного управления режимами микрогрида на основе технологий распределённого реестра. В настоящей работе подтверждена целесообразность использования основанных на технологиях распределенного реестра подходов к построению системы автоматизированного управления режимами в микрогридах, характеризующихся высоким уровнем распределённой генерации и отсутствующей или слабой связью с «большими» энергосистемами.

Ключевые слова: микрогрид; солнечная генерация; система управления режимом; аккумуляторные батареи; распределенная генерация.

Современная электроэнергетика — одна из самых наукоёмких и технологичных отраслей промышленности. Одним из перспективных направлений для поиска решений задач управления режимами и коммерческого учёта электроэнергии в электроэнергетических системах является применение технологий распределённого реестра, что обусловлено повышением доступности возобновляемых источников энергии, объединяемых в системы с распределённой генерацией [1].

В настоящее время в РФ ввиду законодательных ограничений, налагаемых на операции на розничном и оптовых рынках электроэнергии, применении систем с распределенной генерацией затруднено для энергосистем, работающих параллельно с объединенными энергосистемами. Однако основанные на технологиях распределённого реестра принципы функционирования рынка электрической энергии возможно применить в рамках небольших изолированных энергосистем — микрогридов. На данный момент 2/3 территории Российской Федерации находится в зоне децентрализованного и автономного электроснабжения (Рис.1). На ней проживают 25 млн. человек.

В данной работе предлагается использование системы, для учёта переданной и потреблённой в каждом узле сети электроэнергии посредством системы самоисполняемых контрактов, а также осуществляющей функции автоматизированного управления режимами микрогрида.

Целью настоящей работы является обоснование и реализация принципов управления режимами и коммерческого учёта электроэнергии в микрогридах с помощью автоматизированной системы. Управление режимом в данном случае направлено на сокращение необходимых резервов мощности с учётом требуемого уровня надёжности электроснабжения и качества электроэнергии. При этом рыночный механизм в рамках микросети организован на основе подходов [2–4].

Описание системы

Предлагаемая система предполагает объединение некоторого количества узлов нагрузки (квартир, коттеджей) в небольшую локальную энергосистему. Каждый узел нагрузки — участник внутреннего рынка электроэнергии. Объединение позволяет участникам обмениваться между собой электроэнергией. Если у участника избыток электроэнергии — то он продает её в локальную сеть за виртуальную внутреннюю валюту, если недостаток — то, в зависимости от общей ситуации локальной энергосистеме, покупает её либо из резервного источника за реальную валюту, либо также из локальной сети за виртуальную внутреннюю валюту. Схема электроснабжения 0,4 кВ состоит из некоторого числа узлов нагрузки и одного балансирующего узла (Рис.1). Каждый узел — это дом с собственной генерацией в виде небольшой солнечной электростанции (или иной станции на возобновляемых источниках энергии) в комбинации с аккумуляторными батареями. В качестве балансирующего узла в может выступать вторичная обмотка трансформатора 6(10)/0,4 кВ, либо дизель-генераторная установка (ДГУ). Фактически в данной работе рассматривается в некоторой степени распределенная электростанция.

Управление режимом такой энергосистемы осуществляется при помощи программируемых логических контроллеров. В каждом узле нагрузке располагается ведомое устройство, в месте установки резерва — главное устройство. Между главным и ведомыми устройствами организуется надежная проводная (RS-485) или беспроводная связь (GSM).

В течение года электростанция каждого пользователя должна вырабатывать электроэнергию. Количество произведенной электроэнергии возможно спрогнозировать, зная мощность солнечных панелей в узле и среднемесячный коэффициент солнечной инсоляции. В случае использования круглогодичного варианта системы, рассчитанной на покрытие спроса в декабре — практически исключается вероятность возникновения дефицита по электроэнергии. В течение года система работает с профицитом по электроэнергии.

Разработка прототипа системы

В 2018 году на реализацию данной работы было получено финансирование от Фонда содействия инновациям в рамках программы «Умник». На данное финансирование был реализован прототип системы автоматизированного управления режимом изолированной энергосистемы с распределённой генерацией. Прототип содержит один главный энергетический модуль, устанавливаемый в месте расположения резерва и два ведомых энергомодуля пользователя системы. Главный энергетический модуль (Рис. 2) включает в себя главным образом ведущий логический контроллер и выполняет функции автоматического ввода резерва.

Рис. 2. Главный энергетический модуль (а — общий вид, б — вид спереди)

Энергетический модуль пользователя содержит комплект солнечной электростанции, оборудование промышленной автоматики, коммутационные и защитные аппараты, а также демонстрационную электрическую нагрузку. Оборудование энергомодуля пользователя располагается в шкафу (Рис. 3), однако инвертор и солнечная панель расположены за его пределами. Автоматика ведомого энергомодуля реализует контроль заряда системы накопления электроэнергии пользователя, а также осуществляет переключения между счетчиками, обеспечивая раздельный учет электроэнергии, произведенной внутри и вне изолированной системы.

Рис. 3. Ведомый энергетический модуль (а — общий вид, б — вид спереди)

Литература:

1. Z. Xu, X. Han, P. Wang, W. Qin and H. Zhang, «Two-level energy management system for coordination control of microgrid», 2015 IEEE IC on Information and Automation, Lijiang, 2015, pp. 153–157;

2. G. W. Arnold, «Challenges and opportunities in smart grid: a position article» Proceedings of the IEEE, vol. 99, no. 6, pp. 922–927, 2011;

3. J. Pascual, J. Barricarte, P. Sanchis, L. Marroyo «Energy management strategy for a renewable-based residentialmicrogrid with generation and demand forecasting», Applied Energy 158 (2015) 12–25;