Intelligent voltage regulation system in the distribution electrical network based on fuzzy logic

Full Text

Введение

Задача оптимального регулирования напряжения в распределительных электрических сетях является одной из самых важных в процессе эксплуатации. Напряжение напрямую влияет на технико-экономические показатели сети через условно-постоянные и нагрузочные потери в сетевых элементах; электрооборудования производств, основу электроприемников которых составляют асинхронные двигатели, вращающий момент которых пропорционален квадрату напряжения.

Возможности регулирования напряжения в распределительных электрических сетях в сравнении с сетями более высокого уровня ограничены и могут быть разделены на две основные группы: централизованное, когда регулирование осуществляется в центре питания и местное, когда регулирование осуществляется в непосредственной близости от электроприемников [1, 2].

При централизованном регулировании напряжения в сети в центрах питания (ЦП) изменяют коэффициент трансформации kтр. В этом режиме напряжение в начале линии может достигать наибольшего рабочего значения, а на зажимах электроприемников быть недопустимо низким, то есть средств централизованного регулирования недостаточно для качественного управления напряжением.

В таких случаях вместе с централизованным регулированием применяют и местное регулирование коэффициента трансформации. Зачастую когда диапазона регулирования коэффициента трансформации недостаточно для обеспечения требуемого уровня напряжения, используют вольтодобавочные трансформаторы и компенсирующие устройства (КУ).

Для целей регулирования напряжения могут использоваться трансформаторы с возможностью изменения коэффициента трансформации в реальном масштабе времени (устройство регулирования напряжения под нагрузкой «РПН»), так и трансформаторы не имеющие такой возможности, допускающие только сезонное регулирование – трансформаторы с переключением без возбуждения «ПБВ».

Регулировочный диапазон для трансформаторов с ПБВ изменяется в пределах ±2×2,5 %, для РПН он может достигать ±16%, а для регулировочных трансформаторов ±25%.

На практике стремятся в первую очередь обеспечить уровни напряжения в узлах распределительной сети за счет средств централизованного регулирования; местное используют как вспомогательное средство.

Однако, такой подход имеет недостатки.

Устройства РПН трансформаторов представляют собой сложной электромеханический агрегат (рисунок 1 а), который оказывает существенное влияние на надежность трансформаторного оборудования (рисунок 1 б).

 

Рисунок 1 – Устройство РПН (а) и распределение отказов силовых трансформаторов 110 кВ по элементам конструкции (б) [3]

 

При регулировании напряжения устройствами РПН их ресурс, который обычно составляет 100 тыс. переключений, расходуется и возрастают износовые отказы РПН.

Учитывая, что в электросетевом комплексе России работает свыше 14000 силовых трансформаторов 35 и 110 кВ [4], значительная часть которых находится на грани исчерпания ресурса, то задача минимизации износа переключателей силовых трансформаторов при напряжения в распределительных электрических сетях на оптимальном уровне является актуальной.

Результаты и обсуждение

В данной работе предпринята попытка повышения эффективности регулирования напряжения путем совместного использования средств централизованного и местного регулирования напряжения на применения нечеткой логики.

Нечеткая логика как принцип управления была выбрана ввиду необходимости учитывать не только характеристики электрического режима сети (уровни напряжения, потери электроэнергии и т. д.), но и износ переключателей трансформаторов.

Нечеткая логика позволяет достаточно удобно реализовать порядок действий реального оператора, учитывая его опыт работы при различных режимных ситуациях.

В качестве объекта рассмотрим распределительную электрическую сеть напряжением 6 кВ, которая получает питание через трансформаторную подстанцию 110/6 кВ, оснащенную трансформаторов ТДН-16000/110.

Первым этапом было определение границ регулирования напряжения.

Для этого было произведено моделирование электрической сети в программе RASTRWIN 3 (рисунок 2).

 

Рисунок 2 – Окно программы RASTRWIN 3

 

При моделировании были определены границы диапазона регулирования напряжения в центре питания, которые составили: ∆U=5,69 кВ – 6,235 кВ, просчитаны режимы максимальных и минимальных нагрузок.

Используя результаты моделирования в RASTRWIN 3 была создана Simscape модель. Поскольку режимы электрической сети были рассчитаны в RASTRWIN 3, то в Simscape достаточно было реализовать центр питания.

На рисунке 3 представлена Simscape модель центра питания.

 

Рисунок 3 – Simscape модель центра питания

 

Эта модель позволяет задавать электрическую нагрузку (постоянную во времени и в виде графиков нагрузки), напряжение питающей сети (стабильное во времени или в виде графика изменения), осуществлять регулирование коэффициента трансформации силового трансформатора и компенсирующих устройств.

В блок OTLC, моделирующий силовой трансформатор с РПН введены данные, соответствующие ТДН-16000/110:

Sном =16000 кВА, R1=R2=0,0027 о.е., X1=X2=0,0525 о.е., Rm=842,1 о.е., Xm=142,9 о.е.

Параметры РПН: число ступеней: ± 9; общее количество ступеней – 19; шаг регулирования: 1,78 %; заданный уровень напряжения: 1,05 о.е.; зона нечувствительности: 0,0214 о.е.; время переключения: 3 с.; выдержка времени между переключениями: 60 с.

Электрическая нагрузка задается блоками «nagruzka» (постоянная величина); блоком «signal builder», в котором моделируется переменная во времени нагрузка с помощью трех графиков, вид которых можно редактировать.

В рассматриваемом случае было решено использовать централизованную компенсацию, разместив все управляемые источники реактивной мощности в центре питания, подключив к шинам 6 кВ.

Управление ступенями компенсирующих устройств осуществляется с помощью нечеткого регулятора (рисунок 3), реализуемого с помощью Simulink блока Fuzzy.

Рассмотри подробнее настройку нечеткого регулятора.

Исходя из необходимой информации для принятия решений и технических особенностей системы определяем входы и выходы регулятора.

Входами регулятора являются напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора и информационный сигнал о количестве подключенных секций компенсирующего устройства.

В качестве выходов регулятора приняты сигналы на переключение РПН в сторону увеличения и в сторону уменьшения отпаек, а также сигнал управления секциями компенсирующего устройства (рисунок 4).

 

Рисунок 4 – Структура нечеткого регулятора

 

Для настройки нечеткого регулятора была произведена процедура фаззификации, результаты которой для двух входных переменных приведены в таблицах 1, 2.

Входной параметр «напряжение» был разделен на 5 термов (таблица 1), параметр «включенные КУ» – на 4 (таблица 2).

Диапазоны изменения параметров в рамках термов были определены исходя из моделирования распределительной сети в RASTRWIN 3.

 

Таблица 1 – Результаты фаззификации параметра «напряжение»

Описание	Терм	U, кВ	U, о.е.
Минимальное	n	< 5,69	< 0,948
Немного пониженное	sn	5,69…5,987	0,948…0,998
Нормальное	z	5,925…6,05	0,988…1,008
Немного повышенное	sp	5,987…6,235	0,998…1,039
Максимальное	p	> 6,235	> 1,039

 

Таблица 2 –Результаты фаззификации параметра «включенные КУ»

Описание	Терм	Значение
Не подключено	n	< 0,2
Одно КУ	on	0,2…1,2
Два КУ	tw	1,2…2,2
Три КУ	th	> 2,2

 

Визуализация фаззификации выполнена с помощью функций принадлежности, в качестве которых для входных параметров были выбраны треугольные функции, для выходных – треугольные и трапецеидальные (рисунки 5–7).

 

Рисунок 5 – Функции принадлежности переменной U2

 

Рисунок 6 – Функции принадлежности переменной ik

 

Рисунок 7 – Функции принадлежности переменной KU

 

На основании личного опыта, результатов моделирования в ПТК RASTRWIN 3 и задач управления сформирована база правил (рисунок 8).

 

Рисунок 8 – База правил. Окно редактора

 

Основной задачей, решаемой при создании базы правил, было снижение количества переключений РПН трансформатора. Это достигалось за счет включения и отключения секций компенсирующих устройств.

В данном примере было рассмотрено компенсирующее устройство, включающее три секции.

Таким образом, у компенсирующего устройства всего 4 положения – «Отключено», «Включена 1 ступень», «Включены 2 ступени», «Включены 3 ступени».

С одной стороны, это несколько снижает гибкость системы регулирования напряжения, но с другой – позволяет сделать базу правил весьма компактной (17 правил), что положительно сказывается на быстродействии и безотказности работы системы.

Графически правила представлены на рисунке 9.

 

Рисунок 9 – База правил. Окно просмотра

 

При моделировании работы системы регулирования напряжения были проведены численные эксперименты с различными диапазонами изменения возмущений – параметров питающей сети, нагрузки распределительной сети при использовании нечетного регулятора и без его применения.

Графики изменения переменных приведены на рисунках 10–12.

 

Рисунок 10 – Изменение положений переключателя, мощностей и напряжения без действия контролера

 

Рисунок 11 – Изменение положений переключателя, мощностей и напряжения при действии контролера

 

Рисунок 12 – Изменение напряжения на входе и выходе силового трансформатора при действия контролера

 

Из результатов моделирования видно, что включение компенсирующих устройств оказывает влияние на уровни напряжения на стороне НН центра питания и количество переключений РПН трансформатора.

В случае незначительных флуктуаций питающего напряжения и нагрузки компенсирующих устройств может вполне оказаться достаточно для регулирования напряжения.

Однако, при резких колебаниях напряжения и нагрузки выполнить регулирование напряжения, не используя РПН не представляется возможным. Кроме того, КУ позволяют производить регулирование в рамках доступного им диапазона изменения мощности, который ограничивается потребляемой реактивной мощностью нагрузки.

Вместе с тем, удалось показать, что комплексное регулирование, при котором производится управление не только РПН, но и КУ, позволяет уменьшить количество переключений анцапф РПН, а значит увеличить его ресурс.

Заключение и выводы

Достоинствами применения подхода, использованного в работе, являются возможность применять как жесткую, так и гибкую логику, быстро перенастраивать нечеткий регулятор, копируя в его память новую базу правил, т.е. система становится более гибкой.

Увеличение роли компенсирующих устройств в регулировании напряжения при управлении нечетким регулятором, позволило существенно сократить количество переключений РПН (на 37 % для «спокойного графика»), повысить быстродействие системы управления напряжением.

Также, побочным эффектом применения дополнительной компенсации реактивной мощности является снижение потерь мощности и энергии в трансформаторах центра питания и в питающей сети.

Вместе с тем необходимо отметить, что применяемый подход имеет ограничения, связанные с величиной реактивной мощности, потребляемой нагрузкой сети, а также ограничения, накладываемые требованиями устойчивости узлов электрической нагрузки.

При выбранном подходе данные ограничения должны определяться при моделировании рассматриваемой сети в специализированном программном обеспечении и учитываться в процессе фаззификации и создании базы правил.

About the authors

Pavel V. Rysev

Omsk State University

Author for correspondence.
Email: rysev_pavel@list.ru

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor

Russian Federation, Omsk

Mikhail S. Peshko

Omsk State University

Email: necheat@mail.ru

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor

Russian Federation, Omsk

Alexander O. Shepelev

Yugra State University

Email: a_shepelev@ugrasu.ru

Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor

Russian Federation, Khanty-Mansiysk

References

Supplementary files