Мониторинг потерь и количества электроэнергии в распределительных электрических сетях на основе балансовых зон по данным АИИС КУЭ

Актуальность темы

Реформирование электроэнергетики в нашей стране проходит более десяти лет. Основные направления реформы заданы федеральным законодательством [1,2] и Постановлениями Правительства РФ [3, 4].

Основными достигнутыми результатами в рамках реформы можно считать создание из государственных структур по управлению энергетикой ряда новых независимых компаний, ведущих свою деятельность в рамках следующих рыночных направлений — выработка энергии, транспорт, управление её сбытом в рамках оптового и розничного рынков. Государство сохраняет за собой важные функции по общему регулированию правил работы на таких рынках [4], а также обеспечивает жизнедеятельность единой национальной энергетической системы (ЕЭС России) посредством подконтрольных организаций по оперативно-диспетчерскому управлению (СО ЕЭС).

Одним из ключевых положений внедренной в настоящее время переходной модели оптового рынка электрической энергии (мощности) (далее — ОРЭ) является обязанность крупных поставщиков поставить на рынок энергию (мощность), сетевых предприятий — обеспечить транспорт энергии, а сбытовых организаций — купить энергию (мощность) на ОРЭ и обеспечить поставку электрической энергии (далее — ЭЭ) конечным потребителям. Поставщики и покупатели ОРЭ обязаны оснастить принадлежащие им группы точек поставки электрической энергии (мощности) на ОРЭ, в которых переходит право собственности на ЭЭ, автоматизированными информационно-измерительными системами коммерческого учёта электрической энергии (далее — АИИС КУЭ), соответствующими предъявляемым требованиям [4, 5]. На основе данных, поступающих от таких систем коммерческого учёта, а также с использованием математической модели ОРЭ коммерческий оператор ОРЭ.

Администратор торговой системы — ОАО «АТС») организует финансовые взаиморасчёты между субъектами рынка.

Многолетний опыт создания автоматизированных систем управления (далее — АСУ) в энергетике показал, что техническая база составляет около трети общих затрат, при этом только информационное и математическое обеспечение позволяет обеспечить успех использования АИИС КУЭ. Сегодня в этом направлении существует много нерешённых задач, к основной из которых следует отнести отсутствие достаточно полного внутреннего и внешнего математического обеспечения для решения коммерческих задач.

Для каждого из субъектов ОРЭ крайне важной становится задача точного и своевременного сбора данных о поступлении и отпуске ЭЭ в границах своей балансовой принадлежности, поскольку именно учётная информация в значительной степени определяет финансовый результат работы каждого из субъектов энергетического рынка.

Вместе с тем, в рамках переходной модели ОРЭ возможны отлагательные условия по введению АИИС КУЭ, и многие субъекты ОРЭ (например, гарантирующие поставщики) используют системы учёта смежных субъектов для предоставления данных в коммерческий оператор. Помимо этого, региональные сетевые компании (далее — РСК) не являются субъектами ОРЭ, за них функцию покупки электрической энергии на оптовом рынке в целях компенсации потерь в их сетях осуществляют сбытовые организации и гарантирующие поставщики, впоследствии рассчитывающиеся с РСК на розничном рынке электроэнергии [6]. Естественным образом возникает конфликт интересов между РСК и гарантирующими поставщиками (сбытовыми организациями) по согласованию значений потерь, приобретающих статус товара.

К ряду важных проблем функционирования АИИС КУЭ на сегодняшний день относятся — практически полное отсутствие резервирования и верификации учётной информации в рамках существующих систем коммерческого учёта энергии, что на современном этапе их внедрения для многих субъектов рынка актуализирует вопросы внешней информационной диагностики коммерческих учётных систем, их оперативного мониторинга.

В данных условиях функционирования субъектов энергорынков возникает потребность в разработке математических моделей, адекватно описывающих процессы обмена электрической энергией между участниками отношений по купле-продаже ЭЭ, позволяющих не только достоверно, с гарантированной точностью верифицировать обязательства таких участников по совершенным сделкам, но и оперативно решать вопросы мониторинга состояния измерительных каналов систем коммерческого учёта энергии (далее — КУЭ), определять и выявлять недостоверную учётную информацию, а также резервировать данные КУЭ в случаях отказа учётных систем.

Приведенные выше проблемы свидетельствует об актуальности выполненного в данной работе исследования.

Цель работы — разработка метода оперативного мониторинга потоков и потерь мощности и электрической энергии по данным АИИС КУЭ на основе расчётов установившихся режимов и погрешностей расчётных параметров электрического режима, предназначенного для информационной диагностики и мониторинга систем коммерческого учёта ЭЭ.

Предмет исследования — модели, описывающие процессы распределения энергии в электрических сетях на основе данных систем учёта электроэнергии на ОРЭ.

Объект исследования — электрические распределительные сети ОАО «Красноярскэнерго» 35−110 кВ до шин 6−10 кВ уровня развития 2005;2006 гг. и АИИС КУЭ данных сетей.

На основе цели поставлены и решены следующие задачи: — анализ современного состояния систем учёта электроэнергии, обзор современных моделей расчёта и учёта потерь ЭЭ, проблем и задач, возникающих при использовании АИИС КУЭ;

— разработка метода мониторинга потоков и потерь мощности (электрической энергии), построенного на использовании балансовых соотношений уравнений установившегося режима с учётом погрешностей исходной информации и дополненного специальными алгоритмами расчёта сетей с реверсивными перетоками мощности, для объекта исследования на учётных интервалах ОРЭ;

— разработка модели оперативного анализа распределения энергии в электрических сетях на основе данных коммерческого учёта электрической энергии;

— исследование методических погрешностей;

— разработка математической модели расчёта погрешностей параметров электрического режима (потоков мощностей, потерь мощности) — на основе величин допускаемых при измерениях погрешностей измерительных каналов активнойш реактивной мощностей;

— диагностика АИИС КУЭ на основе балансовых соотношений, вытекающих из метода оперативных расчётов — на базе сравнения расчётных и измеренных потоков мощности с использованием математической модели5 расчёта погрешностей параметров, электрического режима;

— расчёт, потерь ЭЭ для* сетей объекта исследования, анализ их структуры;

— разработка и создание программного комплекса для оперативного мониторинга потерь и количества ЭЭ, диагностики и мониторинга АИЙСКУЭ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан метод мониторинга потерь и количества ЭЭ' на основе расчёта и анализа установившихся режимов в балансовых зонах.

• - • распределительных сетей, к основным отличительным особенностям данного которого относятся: использование оперативной информации от АИИС КУЭ для моделирования процессов распределения ЭЭ по элементам электрических сетей на интервалах времени, соответствующим периодам измерений, расчёт и корректный учёт потерь электрической энергии в соответствии с нормативной структурой. Методу дано название — метод балансовых зон;

2. Построена математическая модель, позволяющая дать оценку предельных ошибок рассчитываемых параметров электрического режима, возникающих по причине использования измерительной информации с погрешностью;

3. Метод балансовых зон применён для оперативного решения задач мониторинга и диагностики АИИС КУЭ;

4. Предложена методика расчёта замещающей информации с учётом потерь для АИИС КУЭ в случаях отказа измерительных каналов, или обнаружения несбалансированности в учётных данных;

5. Разработан новый метод расчёта потерь мощности (электрической энергии) в распределительных электрических сетях, при наличии в них реверсивных перетоков мощности.

Практическая значимость результатов работы. По результатам настоящего исследования можно отметить следующие практические результаты:

1. Разработан метод мониторинга потерь электрической энергии на основе балансовых зон, корректно моделирующий процессы распределения и передачи ЭЭ, в том числе в сложных ситуациях — реверсивной передачи мощности, при несовпадении точек учёта и точек поставки ЭЭ. Метод имеет существенное практическое значение на этапе согласования разногласий по поставленному и приобретённому количеству ЭЭ между сбытовыми организациями-участниками ОРЭ и территориальными (региональными) сетевыми организациями, или смежными субъектами ОРЭ;

2. Метод балансовых зон позволяет проводить мониторинг, диагностику, и замещение учётной информации АИИС КУЭ;

3. Ключевые положения метода балансовых зон реализованы при непосредственном участии автора в программном комплексе «БАРС», который является мощным инструментом для практического применения субъектами ОРЭ. Программный комплекс «БАРС» прошёл тестирование на сетевом предприятии ОАО «Красноярскэнерго».

Апробация результатов работы. Отдельные результаты исследования обсуждались на: научной студенческой конференции «Дни науки НГТУ-2005» в г. Новосибирске, 2005гседьмом всероссийском студенческом научно-практическом семинаре «Энергетика: экология, надежность, безопасность» в г. Томске (ТПУ), 2005гвсероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» в г. Новосибирске, 2005гнаучной студенческой конференции «Дни науки НГТУ-2006» в г. Новосибирске, 2006гвсероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» в г. Новосибирске, 2006гвсероссийской научно-практической конференции, посвящённой 50-летию подготовки специалистов по электрическим системам и сетям в НЭТИ-НГТУ «Технологии управления режимами энергосистем XXI века» в г. Новосибирске, 2006гвсероссийской научной конференции молодых ученых «Наука, технологии, инновации» в г. Новосибирске, 2007гнаучной студенческой конференции «Дни науки НГТУ-2008» в г. Новосибирске, 2006гмеждународной научно-технической конференции «Энергосистема: Исследование свойств, Управление, Автоматизация» в г. Новосибирске, 2009 г.

Публикации. Всего опубликованных по теме диссертации 9 работ, из них 3 научных статьи в изданиях, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ- 6 публикаций в материалах международных и всероссийских конференций.

Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит формализация поставленных задач, разработка математических моделей и методов, реализация и тестирование алгоритмов в программно-вычислительных комплексах, анализ и обобщение результатов.

Положения, выносимые на защиту — оригинальный метод, позволяющий проводить оперативный расчёт потерь ЭЭ, диагностику и мониторинг систем учёта ЭЭ, в том числе в сетях с реверсивными перетоками мощности, основывающийся на хорошо проработанной задаче расчётов установившихся режимов, с учётом современных положений по расчёту и анализу потерь ЭЭ [7, 8, 9]. Программный комплекс «БАРС», авторские разработки и методики, примененные к созданию метода и модели учёта ЭЭ.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников, включающего 112 наименований, и 8 приложений. Объём работы составляет 162 страницы основного текста, включая 26 рисунков и 15 таблиц. Приложения включают результаты расчётов и модельные примеры, схемы электрических сетей.

4.4. Выводы.

В настоящей главе представлена методика расчёта границ допускаемой погрешности при измерениях активной и реактивной мощностей, выполняемых АИИС КУЭ. Данная методика основана на регламентирующих документах, таких как государственные стандарты. Граница допускаемой при измерениях АИИС КУЭ погрешностей используется для подстановки в математическую модель расчёта погрешностей параметров электрического режима (потери, мощности балансирующего узла), разработанную в настоящем исследовании, и представленную в разд. [2.3.].

Представлено описание порядка применения метода балансовых зон для контроля точности результатов измерений АИИС КУЭ с использованием методики расчёта границ допускаемой погрешности и расчётных значений, полученных по методу балансовых зон. При этом приведены соотношения для оценки фактических и допустимых значений небалансов по ЭЭ, что позволяет более обоснованно подходить к задачам диагностики, мониторинга и резервирования АИИС КУЭ, в том числе путём расчёта замещающих значений учётных показаний, имеющих оценку точности полученных результатов.

Важным аспектом настоящего исследования явилась разработка программного комплекса, реализующего основные положения предлагаемого в настоящей работе метода.

Заключение

.

В современных условиях функционирования оптового и розничного рынков электрической энергии (мощности) крайне важным инструментом контроля уровня расходов и выручки, финансового планирования и построения эффективных взаимоотношений с иными субъектами, становятся АИИС КУЭ. В то же время, сами АИИС КУЭ, как критический элемент систем управления предприятиями энергетической отрасли, требуют оперативного мониторинга, диагностики, решения сопутствующих задач по статистически достоверному расчёту потерь ЭЭ путём использования вместо устаревших расчётных методов, основанных на обобщённой измерительной информации, современных методов расчёта, основанных на прямых измерениях в рамках АИИС КУЭ.

В настоящей работе предложен и обоснован метод мониторинга потерь и количества электрической энергии в электрических распределительных сетях, использующий оперативный расчёт потоков и потерь мощности и ЭЭ на учётных интервалах оптового рынка электроэнергии, базирующийся на использовании результатов прямых среднеинтервальных измерений активных и реактивных мощностей и актуальной расчётной модели режима электрической сети. Дополнительно, применение метода позволяет получать замещающую учётную информацию в случае отказа АИИС КУЭ (либо при несбалансированности учётных данных) и расчётные значения учётных показателей (при несовпадении точек учёта с точками поставки).

В основу метода положена идея усреднения потоков энергии на узловых и линейных элементах сети и получения усреднённых потоков мощности, используемых для организации циклических расчётов установившихся режимов. В работе предложен метод мониторинга и информационной диагностики систем учёта электроэнергии, который основан на сравнении измеренных и расчётных потоков мощности для точек учёта балансовых зон, в том числе соответствующих границам субъектов ОРЭ.

Поскольку корректное сравнение измеренных и расчётных величин требует оценки границ погрешностей соответствующих сравниваемых величин, разработана математическая модель, предназначенная для определения погрешностей расчётных параметров электрического режима — потоков и потерь мощности (электрической энергии) исходя из входных погрешностей прямых измерений среднеинтервальных мощностей. В дополнение к этому, оценено влияние дополнительных погрешностей, обусловленных как принятием определенных допущений в методе балансовых зон, так и использованием в расчётах УР величин сопротивлений и проводимостей, содержащих погрешности.

По результатам моделирования процессов распределения энергии в электрических сетях на основе данных систем учёта ЭЭ на ОРЭ (предмет исследования) с применением разработанного в работе метода балансовых зон, можно сделать следующие выводы:

1. В рамках настоящей работы разработан новый метод анализа электрических режимов распределительных сетей, предназначенный, прежде всего, для использования гарантирующими поставщиками ОРЭ и энергосбытовыми организациями с целью оптимизации взаимоотношений и проведения корректных расчётов с территориальными сетевыми организациями и смежными субъектами. Методу дано название «метод балансовых зон». К основным отличительным особенностям данного метода относятся: использование оперативной информации от автоматизированных информационно-измерительных систем коммерческого учёта электрической энергии для моделирования процессов распределения ЭЭ по элементам электрических сетей на интервалах времени, соответствующим периоду измерения, расчёт и корректный учёт потерь электрической энергии в соответствии с нормативной структурой, учёт в процессе моделирования возникающих погрешностей на основе разработанной математической модели.

2. Показана возможность использования метода балансовых зон для оперативного решения балансовых задач, мониторинга потерь и количества электрической энергии, решения в темпе процесса задач диагностики и мониторинга систем коммерческого учёта на основе моделирования установившихся режимов по данным систем коммерческого учёта ЭЭ. Обоснованием такого использования служит проведённый в рамках работы анализ возникающих при этом погрешностей с оценкой их влияния на расчётные величины. Так, приближенно можно считать, что погрешность в определении потерь мощности пропорциональна погрешности в определении активных сопротивлений схемы замещения электрической сети. Величина этой погрешности без корректировки активных сопротивлений может быть принята ±18% (су = 6%. при нормальном законе распределения).

3. Разработана оригинальная методика расчёта потоков и потерь мощности (и электрической энергии), позволяющая использовать метод балансовых зон в распределительных электрических сетях с произвольным размещением и количеством измерительных комплексов ЭЭ при наличии реверсивных перетоков по точкам измерений. Модель принципиально отличается от существующих методик, в которых происходит непосредственное использование дисперсий мощностей и расчётных значений ковариаций напряжений и взаимных ковариационных моментов напряжений и мощностей. Предложенная в настоящем исследовании модель представляется автору более обоснованной, так как между напряжениями и мощностями существует функциональная связь, а применение взаимных ковариационных моментов напряжений и мощностей трудно поддаётся обоснованию. В дополнение к этому, определение дисперсии напряжений, особенно в нескольких узлах, сопряжено со значительными техническими сложностями и фактическим отсутствием измерений.

4. Разработаны положения в рамках метода балансовых зон, позволяющие получить обоснованное значение потока мощности (величины энергии) — замещающую информацию, необходимую для расчётов за ЭЭ при отказах и/или сбоях каналов учёта ЭЭ, что позволяет, в условиях достаточности измерительной информации, обеспечить информационное резервирование финансовых расчётов за поставленную/потреблённую ЭЭ. При этом, метод балансовых зон позволяет получать расчётные значения учётных показателей даже в сложных случаях — при наличии реверсивных перетоков, в любой наперёд заданной точке электрической сети моделирующей границу балансовой принадлежности (данное положение важно при актуализации групп точек поставки на ОРЭ и изменении границ балансовой принадлежности субъектов энергорынка). Таким образом, представленная в работе модель учёта ЭЭ может иметь большое практическое значение на этапе урегулирования разногласий между участниками рынка, вызванных неизбежной погрешностью и недостоверностью измерительной информации, поступающих от АИИС КУЭ, и обеспечить необходимое и обоснованное информационное резервирование и оперативный контроль.

5. Предложены направления применения метода балансовых зон в практике работы субъектов оптового рынка электрической энергии. В работе представлен разработанный для практического применения программный комплекс, методической основой которого послужил разработанный метод балансовых зон. Результаты работы комплекса могут быть использованы для анализа потерь ЭЭ в электрических сетях, оценки правильности показаний систем коммерческого учёта, расчёта замещающей информации для точек поставки на ОРЭ, повышения экономичности работы электрических сетей, накопления статистической информации по объёмам и структуре потребления ЭЭ для целей оптимизации закупок на ОРЭ и бизнеспланирования энергосбытовой деятельности.