Підвищення надійності та ефективності систем електропостачання шляхом використання автоматизованих систем керування та електротехнічних пристроїв на основі новітніх матеріалів

Abstract

У дисертаційній роботі міститься науково обґрунтоване технічне розв’язання актуальної проблеми підвищення надійності та ефективності електропостачання промислових і цивільних об’єктів з фотоелектростанціями (ФЕС) і накопичувачами енергії (НЕ) шляхом удосконалення систем керування електропостачання із застосуванням інтелектуальних методів керування, методів оцінювання та прогнозування технічного стану (ТС) електротехнічного обладнання (ЕО), інформаційних технологій та використання електротехнічних пристроїв на основі новітніх матеріалів. У першому розділі проведений аналіз особливостей сучасних систем електропостачання (СЕП) та актуальних шляхів їх розвитку. Основним напрямком розвитку СЕП є використання відновлюваних джерел енергії, що характеризуються стохастичним характером генерації електричної енергії та накопичувачів енергії. Ефективна робота таких СЕП в умовах ринку електричної енергії забезпечується шляхом побудови автоматизованих систем керування з використанням інтелектуальних методів керування. Для забезпечення функціонування системи керування необхідним є її поєднання з енергетичною та інформаційною структурою мережі. Функціонал системи керування повинен забезпечувати довгострокове планування генерації та транспортування електричної енергії (ЕЕ), короткострокове прогнозування навантаження та реакцію на зміну режимів відновлюваних джерел енергії (ВДЕ), надійне 3 функціонування в автоматичному режимі при пошкодженнях, введенні резервів та повторному включенні. Інтеграція систем накопичення ЕЕ в СЕП підвищує їх енергоефективність та надійність. НЕ забезпечують ефективне використання відновлюваних джерел розподіленої генерації (ДРГ). Оскільки перспективи розвитку електроенергетики пов’язують зі збільшенням частки відновлюваних ДРГ, НЕ стають необхідними елементами електропостачання. З погляду керування, системи НЕ забезпечують реалізацію функції поглинання (згладжування) короткочасної невідповідності між генерацією та споживанням, шляхом використання швидкодійних елементів силової електроніки. Також, системи накопичення забезпечують оптимізацію споживання ЕЕ, яка генерується ДРГ. На основі аналізу сучасного стану досліджень методів забезпечення надійності СЕП виділено основний метод забезпечення експлуатаційної надійності обладнання – побудова систем керування технічним станом електричного обладнання на основі оцінювання ТС, технічного обслуговування та ремонту (ТОіР) ЕО з використання предиктивного підходу, інтелектуальних методів прогнозування ТС та оцінки залишкового ресурсу обладнання. Проведений аналіз методів підвищення ефективності та надійності СЕП шляхом створення електротехнічних пристроїв та елементів електричних мереж з використанням новітніх матеріалів (зокрема, композитів та сплавів з ефектом пам’яті форми (ЕПФ)) показав доцільність та економічну ефективність їх використання. В результаті аналізу особливостей розвитку сучасних СЕП з ВДЕ та НЕ та їх перспективних структурних перетворень виявлено актуальні проблеми та сформульовано завдання дисертації. У другому розділі проведений детальний огляд та аналіз СЕП з ФЕС та НЕ, їх режимів роботи, запропонований спосіб оптимізації режимів шляхом удосконалення автоматизованих систем керування та використання комбінованих НЕ (НЕ великої енергії (ВЕ) та НЕ високої потужності (ВП)), а також методи підвищення надійності шляхом побудови системи керування технічним станом 4 електричного обладнання. Проведені розрахункові дослідження з використанням імітаційного моделювання показали ефективність запропонованої дворівневої системи керування комбінованим НЕ із застосуванням стратегії керування, що базується на енергетичному підході та враховує енергетичний стан НЕ. Використання такої системи керування сприяє мінімізації витрат на ЕЕ з урахуванням тарифів, що змінюються в часі (ціна на енергію і плата за потужність), мінімізації втрат у ФЕС, згладжування піків потужності споживання, та збільшення терміну служби системи комбінованого НЕ. Розроблено структурну та функціональну схеми, програмне та алгоритмічне забезпечення автоматизованої системи керування електропостачанням об’єктів з ФЕС та комбінованими НЕ, виконано імітаційне моделювання СЕП з використанням розроблених алгоритмів керування. Проаналізовано сучасні підходи до керування ТС ЕО. Виконано системний аналіз процесу оцінювання та керування ТС ЕО. Представлені математичні моделі оцінювання стану ЕО та керування ТС ЕО. Удосконалено метод ідентифікації потенційних несправностей обладнання ФЕС, заснований на використанні прогнозування значень параметрів режимів ФЕС з використанням штучної нейронної мережі (ШНМ) типу багатошаровий персептрон (БШП), що відрізняється попередньою класифікацією патернів поведінки ЕО і дозволяє враховувати відсутність інформації про несправності в роботі ЕО, розроблено імітаційну модель і проведено перевірку запропонованого методу ідентифікації потенційних несправностей обладнання ФЕС. Представлені рішення та керувальні сигнали, що використовуються для керування ТС ЕО. Представлена методика розробки сценарію роботи ЕО відповідно до фактичного стану ЕО. Запропонована архітектура інтелектуальної системи керування ТС ЕО та інформаційна система підтримки прийняття рішень в автоматизованій системі керування ТС ЕО. У третьому розділі йдеться про підвищення надійності та ефективності систем електропостачання шляхом використання спеціальних пристроїв на основі сплавів з ЕПФ – термокомпенсаторів (ТК), які кріпляться до проводів повітряних ліній 5 (ПЛ) і забезпечують компенсацію температурного видовження проводів повітряних ліній електропередавання (ЛЕП). Виконана класифікація ТК за призначенням, принципом роботи та особливостями конструкції. Для використання рекомендована конструкція ТК з феромагнітним екраном у вигляді феромагнітних кілець, що забезпечує спрацювання ТК при заданих температурі навколишнього середовища та струмі навантаження. Розроблено алгоритм розрахунку параметрів феромагнітних елементів ТК. Шляхом імітаційного моделювання підтверджена надійність спрацювання ТК з феромагнітними елементами і підтримання нормативних значень стріл провисання проводів ЛЕП при граничних значеннях температур навколишнього середовища та струмового навантаження ЛЕП. З використанням імітаційних моделей досліджено вплив ТК на електричні параметри ЛЕП, нормальні та аварійні режими роботи повітряних ЛЕП з ТК, що підтвердили забезпечення нормативних показників якості електричної енергії і надійну і ефективну роботу ЛЕП. Виконані розрахункові дослідження роботи повітряних ЛЕП з ТК в умовах коротких замикань (КЗ) описали негативний вплив струмів КЗ на ТК. Проведено імітаційне моделювання електричного поля навколо ТК різних конструкцій, встановлених на проводах повітряних ЛЕП, виявлено фактори, які впливають на максимальну напруженість електричного поля і умови виникнення коронного розряду. Проведена оцінка впливу ТК на надійність повітряних ЛЕП показала ефективність використання ТК з метою підвищення їх надійності. This dissertation presents a scientifically based technical solution to the current problem of increasing the reliability and efficiency of industrial and civil power supply systems, incorporating photovoltaic power stations and grid energy storage by improving power supply control systems with the use of intelligent control methods, methods of evaluating and forecasting the technical condition of electrotechnical equipment, information technologies, and the use of electrotechnical devices based on novel materials. The first chapter contains an analysis of the features of modern power supply systems and promising ways of their development. The main direction of power supply systems’ development is the utilization of renewable energy sources (characterized by the stochastic nature of electricity generation) and grid energy storage. Effective operation of such power supply systems in electricity market conditions is ensured by creating automated control systems using intelligent control methods. To ensure the functioning of the control system, it is necessary to combine it with the energy and information structure of the grid. The control system must have functionality to ensure long-term planning of the generation and transportation of electrical energy, short-term electrical load forecasting and response to changes in the modes of renewable energy sources’ operation, reliable operation in automatic mode in the event of an electrical fault, activation of reserves, and restoration of power supply after faults. Integration of grid energy storage increases the energy efficiency and reliability of power supply systems. Grid energy storage ensures efficient use of distributed renewable energy sources. Since the prospects for the development of the electric power industry are associated with an increase in the number of renewable energy sources, grid energy storage becomes a necessary element of power supply systems. From the control point of view, grid energy storage systems provide the implementation of the function of absorption (smoothing) of short-term discrepancies between the generation and consumption of electrical energy by using high-speed power electronics. Also, grid energy storage systems ensure optimization of electrical energy consumption, which is generated by distributed energy sources. Based on an analysis of the current state of research on methods of ensuring the reliability of power supply systems, the main method is highlighted: the creation of control systems for the technical condition of electrotechnical equipment based on the assessment of the technical condition, maintenance and repair of electrotechnical equipment using a predictive approach, intelligent methods of technical condition forecasting, and assessment of the remaining useful life of electrotechnical equipment. A conducted analysis of the methods of increasing the efficiency and reliability of power supply systems by creating electrotechnical devices and elements of electrical networks using novel materials (in particular, composites and shape memory alloys) showed the expediency and economic efficiency of their use. As a result of a development analysis of modern power supply systems with photovoltaic power stations and grid energy storage and their promising structural transformations, actual problems were identified and the tasks of the dissertation were formulated. The second chapter provides a detailed review and analysis of power supply systems with photovoltaic power stations and grid energy storage and their modes of operation, a proposed method of optimizing the modes by improving automated control systems and using combined grid energy storage systems (high energy storage systems and high power storage systems), as well as methods of increasing reliability by creating the control system for the technical condition of electrotechnical equipment. Performed calculations using simulation modeling showed the effectiveness of the proposed two level control system for a combined grid energy storage system, which uses a control strategy based on the energy approach and takes into account the energy state of the grid energy storage system. The use of such a control system contributes to the minimization of electrical energy costs taking into account time-varying tariffs (energy price and capacity fee), minimization of losses in a photovoltaic power station, smoothing of power consumption peaks, and increasing the service life of the combined grid energy storage system. Structural and functional schemes, software, and algorithms for an automated control system for a power supply system with a photovoltaic power station and a combined grid energy storage system were developed. Simulation modeling of a power supply system using developed control algorithms was performed. Modern control approaches of technical condition of electrotechnical equipment were analyzed. A systematic analysis of the process of evaluation and management of the technical condition of electrotechnical equipment was performed. Mathematical models of technical condition assessment and control for electrotechnical equipment were presented. The method of identifying potential malfunctions of the photovoltaic power plant’s equipment was improved. This method is based on forecasting the parameters’ values of the photovoltaic power plant’s modes using an artificial neural network (multilayer perceptron), which is distinguished by the preliminary classification of patterns of behavior of electrotechnical equipment and allows taking into account the lack of information about malfunctions in the operation of the electrotechnical equipment. A simulation model was developed, and verification of the proposed method of identification of potential malfunctions of the photovoltaic power plant’s equipment was carried out. Solutions and control signals used to control the technical condition of electrotechnical equipment were presented. The method of developing a scenario of electrotechnical equipment operation in accordance with the actual state of equipment was presented. The architecture of the intelligent control system of the technical 13 condition of electrotechnical equipment and the information decision support system in the automated control system of the technical condition of electrotechnical equipment were proposed. The third chapter focuses on increasing the reliability and efficiency of power supply systems through the use of special devices based on shape-memory alloys – thermal compensators. These devices attach to the wires of overhead power lines and provide compensation of thermal elongation of the overhead power lines’ wires. The classification of thermal compensators by purpose, principle of operation, and design features was conducted. For use, a thermal compensator with a ferromagnetic screen in the form of ferromagnetic rings was recommended. These ferromagnetic rings ensure the operation of the thermal compensator at a specified ambient temperature and load current. An algorithm for calculating the parameters of ferromagnetic elements was developed. The reliability of the operation of a thermal compensator with ferromagnetic elements and the maintenance of normative values of the power line’s sag at the limit values of ambient temperatures and current load were confirmed by means of simulation modeling. With the use of simulation models, the impact of thermal compensators on the electrical parameters of overhead power lines, normal and emergency modes of operation of overhead power lines with thermal compensators was investigated, which confirmed the provision of normative indicators of the quality of electrical energy and the reliable and efficient operation of overhead power lines. Performed calculations of the operation of overhead power lines with thermal compensators in conditions of short circuits described the negative impact of short-circuit currents on thermal compensators. Simulation modeling of the electric field around thermal compensators of various designs installed on overhead power lines was carried out. Factors affecting the maximum intensity of the electric field and the conditions for the occurrence of corona discharge were identified. The assessment of the impact of thermal compensators on the reliability of overhead power lines showed the effectiveness of using thermal compensators to increase their reliability.