Ozon разработал собственный инструмент для генерации и редактирования фона на изображении товаров, который работает с помощью алгоритмов машинного обучения.
По прогнозам экспертов, число предприятий, использующих отечественные решения, возрастет до 80% к концу 2024 г.
Моделирование энергосистем и их вторичного оборудования в реальном времени является общепризнанным и востребованным методом исследования энергосистем, оптимизации их функционирования, анализа работоспособности, обучения и т.д. Технологии устройств моделирования все время меняются и совершенствуются с развитием технических средств, используемых нами.
Сегодня для выполнения перечисленных работ специалисты в области электроэнергетики по всему миру пользуются методами цифрового моделирования энергосистем. Российская Федерация в этом плане не является исключением: количество установок RTDS производства компании RTDS Technologies Inc., Канада, поставляемых через официальное представительство компании, ЗАО ЭнЛАБ (Чебоксары), неуклонно растет не только по количеству, но и по мощности. Наряду с увеличением поставок RTDS необходимо также отметить увеличение потребности заказчиков в получении оперативных ответов на их вопросы, в возможности поделиться знаниями и выразить свои пожелания в отношении будущего развития самой системы.
В связи с этим “Цифровая подстанция” совместно с ЗАО “ЭнЛАБ” (Чебоксары) открывает рубрику для оперативного обмена информацией со всеми заинтересованными коллегами, а также для того, чтобы как можно более полно осветить вопросы, связанные с RTDS и с вопросами моделирования энергосистем. Мы хотим пригласить всех наших коллег помочь выбрать интересные темы для обсуждения, которые будут полезными и интересными широкой аудитории. А открываем мы рубрику статьей, рассказывающей об истории моделирования энергосистем, их эволюции и областях его применения под соответствующим названием – “Моделирование энергосистем в реальном времени”.
ВВЕДЕНИЕ
В результате воздействия различных факторов, современные энергосистемы становятся все более сложными, что во многом связано с необходимостью учета экономических и экологических аспектов. С этой точки зрения, внедрение новых технологий является необходимым условием прогресса, начиная, например, с применения управляемых силовых электронных устройств в сетях переменного и постоянного тока, а также использование других элементов FACTS (гибкая система передачи переменного тока). Все вышеперечисленное, как правило, способствует повышению устойчивости системы, однако без их надежного функционирования энергосистема, может стать неустойчивой.
Экологические требования стали причиной внедрения нетрадиционных источников энергии, например, генерирование энергии с помощью ветра и фотоэлектричества в существующих и новых энергосистемах. Такие элементы оказывают значительное влияние на работу существующих энергосистем на уровне распределения и передачи.
Все эти изменения в первичных энергосистемах требуют нового, более комплексного подхода к соответствующим вторичным системам. Это касается релейной защиты, автоматики и управления энергосистемами в обычных и аварийных режимах работы. При этом нельзя забывать о том, что должна обеспечиваться возможность быстродействующего управления современными силовыми электронными устройствами, гораздо более оперативного по сравнению с традиционным силовым оборудованием. В связи с этим, требования, предъявляемые к таким устройствам в отношении надежности несрабатывания и надежности срабатывания, должны быть более высокими, время их срабатывания (быстродействия) должно быть меньше, а обнаружение аварийных режимов должно осуществляться гораздо быстрее, чем когда-либо ранее.
Цели и требования, сформулированные выше, требуют разработки и тестирования новых систем, которые пока не эксплуатируются. Кроме того, контроль над их эксплуатацией и анализ работоспособности во время различных системных событий требуют быстродействующих методов. Одним из наиболее значимых составляющих во всей этой работе является сокращение времени на изучение новых решений в связи с жёсткими экономическими условиями, а также с возрастающей потребностью модернизации энергосистем.
Одним из способов обеспечения наиболее оперативной разработки и тестирования с сохранением высокого качества выполняемой работы является использование так называемого моделирования энергосистемы в реальном времени.
Одну из первых моделей энергосистемы «в реальном времени» создал Томас Алва Эдиссон (Thomas Alva Edison) в своей лаборатории в Менло-Парк, штат Нью-Йорк. Это была своего рода модель его первой большой энергосистемы, сегодня известная как Станция Перл-Стрит (1882) в Нью-Йорке. Разработка продолжалась, как известно, в направлении энергосистем переменного тока, и по мере их роста модели становились все больше и сложнее. Электромеханические модели использовались в течение продолжительного времени и даже сегодня во многих случаях хорошо справляются со своими задачами.
С определенностью можно сказать, что самый крупный (и сохранившийся до сих пор в работоспособном состоянии) электромеханический симулятор энергосистем находится в Санкт-Петербурге, Россия, в «Научно-техническом центре ЕЭС России», ранее известном как «НИИПТ».
Институт был основан в 1945 году как научно-исследовательский центр по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения. Институт и созданная в нем модель, несомненно, внесли свой вклад в развитие системы электропередачи высокого напряжения на постоянном токе и систем переменного тока (750 кВ и 1150 кВ) ультравысокого напряжения.
Один из интересных подходов к использованию симуляторов энергосистем был разработан в начале девяностых годов прошлого столетия в Китае. Довольно большой аналоговый симулятор был создан в Институте энергетических исследований Китая (CEPRI) в Пекине. Энергетическое управление Китая сформулировало минимальные требования к функционированию (например) реле защиты, с учетом ожиданий и предложений разных производителей, для различных уровней напряжения энергосистемы Китая. Требования были едиными для всех потенциальных предприятий-поставщиков при условии выполнения всех без исключения заранее заданных тестов. Это было первым шагом к выставлению проектов на торги. Разработка симулятора последовала за развитием Китайской энергосистемы, таким образом, были созданы модели для линий 750 кВ и 1000 кВ, соответственно.
Статические (электронные) аналоговые симуляторы
Внедрение электронных (статических) технологий и появление первых компьютеров повлияло также на создание моделей энергосистем. Интересным примером, в этом смысле, может стать аналоговый электронный симулятор энергосистемы, разработанный в конце семидесятых и начале восьмидесятых годов прошлого столетия компанией ASEA Relays (ныне ABB) в Швеции. Сама модель была создана на основе aналоговых электронных компонентов, а его работа, конфигурация, уставки и сбор данных контролировались при помощи пяти компьютеров и четырех операторов. Ее работа была основана на компонентах Кларке, что определило уникальность модели такого рода во всем мире. Здесь можно было также встретить мощные усилители тока и напряжения, которые обеспечивали подачу на тестируемые реле реальных напряжений и токов системы до 280 А.
Необходимо помнить о том, что данный симулятор использовался для разработки наиболее быстродействующей до настоящего времени защиты линии в мире, тип RALDA, быстродействие которой составляет менее 5 мс, включая (статические) выходные реле и передачу данных между двумя концами линии. Интересным представляется тот факт, как разработчики защищали свой выбор технического решения. Цитата из брошюры: «Для получения истинной картины происходящего в сети, моделирование должно выполняться в реальном времени с использованием чрезвычайно быстрых аналоговых цепей. Прямое цифровое моделирование будет слишком медленным для получения достоверных результатов тестирования».
Цифровое решение для моделирования электромагнитных переходных процессов
Уже в 1969 году Герман Доммель опубликовал свою знаменитую работу Digital Computer Solution of Electromagnetic Transients in Single-and Multiphase Networks [1]. Это был поистине революционный шаг в цифровом (компьютерном) моделировании (в реальном и не в реальном времени) электромагнитных переходных процессов в энергосистемах. Появилась возможность перехода от электромеханических и статических моделей к цифровым, что позволило увеличить частоту различных событий, наблюдаемых в энергосистеме.
Основная идея алгоритма Доммеля является идеальной для компьютерного вычисления:
Важным требованием в этом случае является значение выбранного временного шага, который должен быть намного меньше цикла максимальной частоты, ожидаемой в пределах моделируемого переходного процесса.
Время, необходимое для полного цифрового расчета, зависит от различных факторов, например: размеры моделируемой энергосистемы, характеристик анализируемых переходных процессов, числа точек наблюдения и, наконец, в большой степени, от производительности используемого компьютера (компьютеров). В общем, существует две возможности:
Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. Моделирование не в реальном времени не требует высокопроизводительных компьютеров, сохраненные файлы можно позднее воспроизвести на испытательном оборудовании, используя различные промежуточные аппаратные средства (например, усилители тока и напряжения, когда речь идёт о проверке защиты). Недостатком является то, что нет возможности проанализировать непосредственный отклик смоделированной системы на определенные воздействия со стороны испытательного оборудования во время конкретного события. С другой стороны, автономное моделирование дает возможность проанализировать чрезвычайно быстрые переходные процессы, которые невозможно смоделировать сегодня (вследствие очень коротких временных интервалов) даже с использованием самых лучших компьютеров.
На рис. 6 показан типовой пример используемого оборудования и необходимые подключения для тестирования в реальном времени реле защиты. Такая проверка была одним из первых практических применений тестирования в реальном времени с аппаратными средствами в контуре.
Результаты цифрового моделирования используются в качестве входных сигналов для высокоточных цифро-аналоговых преобразователей (контролируемые токи и напряжения) и в качестве цифровых выходных сигналов (положения выключателей, команды передачи данных и аналогично). После этого преобразованные значения токов и напряжений усиливаются в усилителях мощности, вследствие чего тестируемые реле получают на свои аналоговые входы те же величины, которые были бы получены на реальной подстанции (например, 100 В переменного междуфазного напряжения и до 250 А переменного тока). Проверяемые реле реагируют на смоделированные события и посылают различную информацию обратно в симулятор через его дискретные входы (например, команды отключения выключателя), что изменит в реальном времени условия работы системы и продолжит моделирование в новых условиях. Выбранный временной шаг для таких случаев обычно составляет примерно 50 мкс (400 вычислений на цикл при номинальной частоте 50 Гц).
Цифровое моделирование в реальном времени современных электроэнергетических систем становится неотъемлемой частью нашей повседневной исследовательской деятельности. Невозможно представить разработку современных преобразователей напряжения (VSC) или даже многомодульных преобразователей без использования данного метода. Оптимизация (задание) уставок устройств защиты комплексных линии в современных сетях без цифрового моделирования невозможна или представляет собой, по крайней мере, чрезвычайно трудоемкий процесс. Ниже перечислены некоторые наиболее важные сферы применения цифрового моделирования энергосистем в реальном времени:
Устройства релейной защиты были первыми «пользователями» цифрового моделирования замкнутого цикла в реальном времени (CLRTDS). Сегодня практически невозможно представить реализацию современных интеллектуальных устройств защиты и управления сетей со сложной конфигурацией без проверки этих устройств, оптимизации их уставок и конфигураций без помощи CLRTDS. Типовой пример такого случая – двухцепная линия электропередачи, показанная на рис. 7.
Требования, предъявляемые к современной защите линии, очень высоки. Предполагается отключать поврежденные фазы и сохранять всю линию в работе до тех пор, пока две различные фазы двухцепной параллельно работающей линии остаются неповрежденными (так называемое многофазное отключение).
Автоматическое повторное включение (АПВ) должно быть адаптивным на пофазной основе. Все вышесказанное требует тщательного изучения, моделирования различных режимов КЗ (внутренних и внешних), а также точной настройки уставок защиты. Вполне возможно, что проверяться будут не только реле защиты, но и все панели защиты на каждом конце линии. После этого они будут установлены на объекте и введены в работу.
Разработка защиты и автоматики энергосистем за последнее десятилетие сделала значительный шаг вперед, хотя еще большие изменения ожидают нас впереди. Стандарт МЭК 61850 несомненно вносит существенные изменения в общую конструкцию вторичных систем и, соответственно, в моделирование. На рис. 8 показана конфигурация тестирования, полностью соответствующая стандартной конфигурации на рис. 6. Устройства дискретного ввода/вывода заменяются специальными модулями, обеспечивающими связь по технологии GOOSE, а аналоговые выходы вместе с усилителями тока и напряжения заменяются соответствующими модулями, предоставляющими выборочные значения токов и напряжений в точках наблюдения. Совершенно очевидно, что протоколы, используемые для моделирования, должны строго соответствовать методикам проверки, предписанным данным стандартом.
Существует ряд компаний по всему миру, которые сформулировали свои требования к сертификации и методике испытаний для различных типов устройств защиты. Большая часть испытаний, которые должно (независимо от производителя) пройти сертифицируемое устройство, осуществляется на стандартизованных моделях системы при помощи CLRTDS. Кроме того, для ряда специальных проектов, в особенности применительно к системам сверх- и ультравысокого напряжения, выполняются проектно-ориентированные испытания.
В настоящее время синхрофазоры в энергосистеме (см. рис. 9) используются не только для глобального мониторинга. Все больше энергокомпаний переходят на противоаварийную автоматику (SIPS) на базе синхрофазоров, получающих информацию из всей энергосистемы. Современные CLRTDS используются для моделирования крупных систем и обеспечивают в реальном времени передачу значений из различных точек наблюдений непосредственно в подключенные концентраторы данных. Таким образом, разработчики получают возможность тестировать в оперативном режиме свои алгоритмы по контролю устойчивости системы и аварийному контролю. Интеграция различного программного обеспечения, имеющегося в распоряжении синхрофазоров сегодня, в средства моделирования системы дает пользователю возможность:
Как правило, существует две возможности получения синхрофазоров из самого RTDS симулятора. Первый вариант заключается в том, чтобы физически подключить устройства измерения углов (PMU) через усилители тока и напряжения к различным точкам контролируемой энергосистемы (аналогично реле защиты, представленным на рис. 6) или через специальные интерфейсные платы, обеспечивающие значения вектора согласно стандарту IEEE C37.118.
Тестирование и оптимизация параметров различного оборудования управления в энергосистеме при помощи CLRTDS на сегодняшний день является стандартным подходом во многих энергетических компаниях по всему миру. На рис. 10 показан типовой пример статического возбудителя, применяемого для контроля напряжения генератора мощности. Аналогичный подход применяется и для cтабилизатора энергетической системы (PSS) и управления регулятором частоты вращения.
Аналогичный подход используется также для разработки и тестирования контроллеров, используемых в устройствах силовой электроники. В этом случае можно рассмотреть следующие примеры:
Типовой временной шаг для таких случаев обычно составляет 2-5 мкс.
Особую задачу для моделирования замкнутого цикла в реальном времени представляют в этом смысле многомодульные преобразователи (MMC), получающие все большее распространение в HVDC и FACTS. В этом случае необходимо правильно представить свыше 500 подмодулей на вентиль или более 3000 на станцию HVDC в целом. Управление каждым подмодулем должно осуществляться с микросекундным интервалом времени. Такие модули применяются для детальной разработки систем управления и заводских приемочных испытаний, когда требуется физическое подключение к внешним органам управления импульсом возбуждения. Модель должна также поддерживать различные внутренние КЗ для всесторонней проверки управления.
Последние разработки энергосистем в значительной степени отличаются от тех, которыми мы пользовались в прошлом. Возобновляемые источники энергии, распределенная генерация, активно-адаптивная сеть, в каком бы то ни было смысле этого слова, вносят множество изменений в работу системы, защиту и управление. Практически невозможна дальнейшая разработка таких систем без предварительного анализа, который на заключительных этапах должен обязательно включать в себя моделирование в реальном времени.
Все это требует дополнительной работы по развитию самих симуляторов. Надежная и высокоскоростная передача данных является важной составляющей умной сети и является обязательным условием для симуляторов в реальном времени, чтобы обеспечить их коммутационные возможности, включая стандарт МЭК 61850 на уровне подстанции и МЭК 60870-5-104 (или 101) или DNP 3 на уровне системы для SCADA, а также IEEE C37.118 для PMU и SIPS.
Кроме того, обязательно использование точных моделей различных ветряных генераторов, источников солнечной энергии, топливных элементов и соответствующих силовых электронных преобразователей. Нельзя забывать о грядущей эре электромобилей, для которых необходимы надежные системы хранения и средства преобразования постоянного тока.
На сегодняшний день два больших энергетических предприятия установили так называемые крупномасштабные цифровые симуляторы реального времени (LSRTDS): KEPCO в Корее и Энергосистема Южного Китая (CSG) в Китае. Основные преимущества использования таких симуляторов заключаются в следующем:
Энергосистема Южного Китая признала свои LSRTDS в качестве одной из четырех ключевых стратегий обеспечения безопасности и надежности единой энергосистемы [5]. В дополнение к хорошо известным они добавили свое, неожиданное преимущество. Сильный ледяной дождь в 2008 году привел к значительным повреждениям сети 110 кВ. Свыше 7000 линий было повреждено, и миллионы потребителей остались без электроэнергии. Инженеры Энергосистемы Южного Китая работали круглые сутки для того, чтобы смоделировать систему в исходном виде (том виде, в котором она была до разрушения) и использовали симуляторы для управления восстановлением системы.
Применение LSRTDS открыло возможность использования их в качестве средства помощи и эффективного инструмента во время исследования пуска из полностью обесточенного состояния. Подача информации системы SCADA в реальном времени по соответствующему протоколу, приближенные к реальным режимы работы устройств защиты и управления обеспечивают, наряду с реалистичным поведением системы, надежную обратную связь с системными операторами.
С увеличением сложности энергосистемы методы обучения и изучения на различных этапах обучения идут в ногу с развитием и предлагают студентам новые инструменты и методы, которые позволят им лучше подготовиться к решению сложных задач при их самостоятельной работе. Это разные вещи, когда преподаватель говорит о каком-либо переходном процессе и дает одно или два уравнения и несколько изображений, и когда студент моделирует систему и событие в реальном времени, одновременно наблюдая за результатами различных действий оборудования защиты и управления. Объем полученной и обработанной информации в этих двух случаях, совершенно разный. Многие университеты уже отметили такую потребность и подготовили для своих студентов полный курс лекций с различными характерными примерами [6].
Различные энергопредприятия по всему миру признали необходимость всестороннего обучения своего персонала при введении новых технологий в энергосистеме, поскольку не могут полностью зависеть от каждого конкретного поставщика. Кроме того, возникает потребность в изучении и анализе различных событий в ходе работы системы, а также необходимость в изменении со временем некоторых параметров. Именно поэтому в практику входит заказ цифрового симулятора реального времени одновременно с приобретением готового проекта.
Все ранее описанные способы тестирования принадлежат к так называемому тестированию с аппаратными средствами в контуре (HIL-тестирование). В этом случае мы осуществляем связь виртуальной энергосистемы с реальным внешним вторичным оборудованием, например, реле защиты, контроллерами и т.д.
С другой стороны, можно также использовать так называемое Тестирование с силовыми аппаратными средствами в контуре (PHIL), когда предметом испытания становится первичное (силовое) устройство. Данный метод не широко распространен, но, тем не менее, его популярность непрерывно увеличивается. Сообщалось о нескольких случаях применения метода при тестировании электрических машин и электроприводов даже в мегаваттном диапазоне и для промышленных целей.
Представляется, что данный метод открывает новый способ и возможность тестирования различных устройств и систем распределенных источников энергии (DER) [4]. Несмотря на целый ряд описанных случаев применения данного метода, целесообразность PHIL-тестирования до сих пор главным образом демонстрировалась, а о практической значимости и добавочной ценности едва ли стоит говорить.
Внедрение новых технологий в современные энергосистемы является абсолютной необходимостью, начиная с управляемых силовых электронных устройств в сетях переменного и постоянного тока, а также использование других элементов FACTS (гибкая система передачи переменного тока). Все вышеперечисленное, как правило, способствует повышению устойчивости системы, однако без их надежного функционирования энергосистема, может стать неустойчивой.
Все эти изменения в первичных энергосистемах требуют нового, более комплексного подхода к соответствующим вторичным системам. Это касается систем релейной защиты, автоматики и управления энергосистемами в обычных и аварийных режимах работы. Требования к их надежности несрабатывания и надежности срабатывания становятся все более строгими, время срабатывания (отклика) должно быть меньше, а обнаружение аварийных режимов должно осуществляться гораздо более оперативно, чем когда-либо ранее.
Цифровое моделирование замкнутого цикла в реальном времени является самым надежным методом наиболее оперативной разработки и тестирования для реализации новых технологий в современных энергосистемах.
В статье рассмотрены основные требования и характеристики современных методов цифрового моделирования, традиционно используемых для тестирования и разработки различных устройств релейной защиты, систем управления генераторами, классических компонентов силовой электроники, а также цифровое моделирование современных преобразователей напряжения (VSC) и многомодульных преобразователей (MMC) и их разработка. Кроме того, в работе рассмотрен всесторонний подход к разработке и тестированию противоаварийной автоматики (SIPS) на базе информации от PMU и систем на базе полного международного стандарта связи с системой автоматизации подстанции МЭК 61850.
Внедрение новых технологий в современные энергосистемы – чрезвычайно ответственный шаг, оказывающий влияние не только на техническую сферу, но и на социально-экономические отношения в человеческом обществе. Для этого необходимы чрезвычайно высокое качество инструментальных средств, используемых для тестирования и разработки, включая CLRTDS. Хорошо известно, что качество конкретного моделирования никогда не будет выше качества менее точной модели элемента энергосистемы, используемой в пределах всей смоделированной сети. В связи с этим, очень важно выбирать правильный инструментарий, с положительными отзывами, полученными по результатам надежной эксплуатации большого числа установок по всему миру.
Можно ожидать, что с развитием цифровых компьютерных технологий будут развиваться и цифровые модели энергосистем в реальном времени, а моделируемые системы будут увеличиваться в объемах.
