УДК 004
Анализ существующих методов и технических средств организации интеллектуального мониторинга электрической сети
Старостин Иван Олегович – магистрант Сахалинского государственного университета
Минервин Игорь Георгиевич – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры электроэнергетики и физики Сахалинского государственного университета
Максимов Виктор Петрович – доктор педагогических наук, профессор, заведующий кафедрой электроэнергетики и физики Сахалинского государственного университета
Аннотация: Научная статья посвящена актуальной на данной момент теме анализа методов и технических средств организации интеллектуального мониторинга электрической сети. Показано, что сегодня в рамках развития интеллектуализации электрических сетей получили распространение три типа архитектуры мультиагентных систем управления. Показано, что с точки зрения технических средств организации интеллектуального мониторинга наряду с широко применяемыми в последнее время полностью управляемыми силовыми ключами (IGBT, GCT, IGCT, SIT и т.д.) продолжают использовать стандартные биполярные приборы. По-прежнему диоды, тиристоры и триаки остаются основой отечественного преобразовательного оборудования для электроэнергетики, транспорта, машиностроения, металлургии, стройиндустрии, военной техники и т.д.
Ключевые слова: методы, технические средства, организация интеллектуальный мониторинг, электрические сети.
Введение
В большинстве развитых зарубежных стран все больше внимания уделяется вопросам внедрения в электроэнергетике «интеллектуальных» технологий («Smart Grid») как основы будущего развития энергетики. В этой связи в зарубежной энергетической практике инициирована разработка концепций инновационного обновления электроэнергетики, основанной на следующих положениях: генерация электроэнергии, диспетчеризация, передача и распределение, сбыт и управление энергопотреблением. Стратегическая цель развития электроэнергетического комплекса Российской Федерации - построение интеллектуальных электрических сетей (ИЭС) – Smart Grid как платформы для рыночных, управленческих и технологических инноваций, что обеспечит переход к новому уровню развития российской электроэнергетики [1]. Именно поэтому весьма актуальным направлением исследования является осуществления анализа особенностей построение интеллектуальных электрических сетей и особенностей применяемых методов и технических средств организации интеллектуального мониторинга в них.
Цель статьи – исследовать методы и технические средства организации интеллектуального мониторинга электрических сетей.
Материалы и методы
Материалами исследования выступают методы и технические средства организации интеллектуального мониторинга электрических сетей. Методы исследования включают комплекс средств систематизации, обобщения и анализа научной и исследовательской литературы по тематике развития методов и технических средств организации интеллектуального мониторинга электрических сетей.
Обсуждение
На пути развития системы интеллектуализации электрических сетей внедрение современных методов и технических средств организации мониторинга электрических сетей приведет к уменьшению последствий аварийных ситуаций, потерь электрической энергии и позволит получить значительный суммарный энергосберегающий эффект. При реализации интеллектуальных сетей в ведущих странах мира были признаны основные 10 шагов, которые подлежат реализации для российского рынка электроэнергетики [2]:
- обеспечение нормативных стимулов для инновационных инвестиций в сети);
- разработка моделей рынка;
- установление стандартов и обеспечение защиты данных и конфиденциальности;
- тестирование с использованием демонстрационных проектов и обмен знаниями;
- развертывание интеллектуальных измерений
- информированные клиенты;
- мониторинг и управление сетями с рассредоточенной генерацией, а также движение к интеграции местной и центральной балансировки для всех типов генерации;
- агрегация рассредоточенных источников, а также интеграция в больших масштабах е-мобилей, отопления, охлаждения и хранения;
- движение к реальному участию потребителей в энерго-рынке.
В основу современной системы управления интеллектуальной системой в большинстве случаев должен быть положен мульти-агентный подход, в рамках которого формируется распределенная автоматизированная система реального времени, обеспечивающая взаимодействие персонала интеллектуальной электроэнергетической системы с автоматизированными и автоматическими комплексами управления [3-4].
Можно выделить основные преимущества мульти-агентных систем управления (МАСУ):
- развитие средств адаптации к изменениям среды, возможность модификации ее структуры и параметров непосредственно в процессе функционирования;
- применение динамического моделирования в реальном времени с прогнозированием состояния энергосистемы;
- организация распределенного информационно-технологического пространства, синхронизированного обменом и оптимизацией взаимодействия между разными подсистемами, возможность информационного обмена не только данными, но и знаниями;
- применение параллельных вычислений, позволяющих резко повысить быстродействие и на порядок экономить вычислительные ресурсы;
- способность управлять состоянием технических комплексов и систем на основе распределенных сетевых информационных сетей и гибкой инфраструктуры вычислительных компонентов.
Важнейшие возможности МАСУ приведены ниже [5-7]:
- модификация структуры и параметров непосредственно в процессе функционирования; применение динамического моделирования в реальном времени с прогнозированием состояния;
- организация распределенного управления с оптимизацией взаимодействия между подсистемами;
- возможность обмена, как данными, так и знаниями;
- параллельные вычисления, повышающие скорость вычислений при экономии вычислительных ресурсов;
- управление состоянием технических комплексов и систем на основе распределенных сетевых информационных сетей и гибкой инфраструктуры вычислительных компонентов.
Получили распространение три типа архитектуры МАСУ. Архитектура МАСУ по принципам искусственного интеллекта использует методы и средства символьного представления знаний. Ограниченность архитектуры – отсутствие подсистемы моделирования для прогнозирования собственного поведения, поведения остальных агентов и наружной среды.
Реактивная архитектура употребляет способы и средства символьного представления знаний. Ограниченность архитектуры – отсутствие подсистемы моделирования для прогнозирования собственного поведения, поведения остальных агентов и внешней среды.
Организационная модель МАСУ описывается многофакторным вектором состояния всей совокупности агентов МАСУ, поэтому целесообразно использовать гибридную архитектуру МАСУ, дополненную системой моделирования, позволяющей агенту обеспечить выбор стратегии и выполнить действия для достижения целей выбранной стратегии и гибкую корректировку иерархий в структуре системы интеллекта.
Результаты
Построение современных ИЭС, в частности, с использованием МАСУ и обеспечение эффективного управления электроэнергетическими процессами позволяет применение различных типов устройств на основе силовых полупроводниковых устройств (СПУ). Отметим, что комплексный подход к оценке и последующей оптимизации электромагнитных процессов в ИЭС включает следующие составляющие [8-10]:
- анализ обменных процессов;
- анализ составляющих потерь электроэнергии;
- анализ электрических сетей и качества электроэнергии в них.
При построении современных ИЭС и реализации современных программных и аппаратных средств систем управления ИЭС необходимо учитывать появление в электроэнергетических системах активных потребителей, виртуальных электростанций (VPP) и микросетей – Microgrid.
Развитие СПУ в Российской Федерации определяется состоянием отечественного рынка преобразовательной техники, а также мировыми тенденциями развития силовой электроники для эффективной организации интеллектуального мониторинга электрических сетей.
Наряду с широко применяемыми в последнее время полностью управляемыми силовыми ключами (IGBT, GCT, IGCT, SIT и т.д.) продолжают воспользоваться стандартные биполярные приборы. По-прежнему диоды, тиристоры и триаки остаются основой отечественного преобразовательного оборудования для электроэнергетики, транспорта, машиностроения, металлургии, стройиндустрии, военной техники и т.д.
В России производят широкий ряд низкочастотных диодов, тиристоров, силовых полупроводниковых модулей и является одним из немногих в мире предприятий по выпуску мощных триаков с двухполярным управлением. В России раньше триаки именовались симисторами или симметричными тиристорами.
Эти устройства считаются достаточно эффективными в качестве регуляторов и коммутаторов в цепях переменного тока промышленной частоты. В своей основе они имеют пятислойную n-p-n-p-n структуру, в которой интегрально соединены две тиристорные p-n-p-n структуры (прямая и обратная), включенные встречно-параллельно. Триак имеет один управляющий электрод, способный работать при любом сочетании полярности на силовых и управляющих электродах.
Большой опыт применения триаков в системах электропривода, разрабатываемых на кафедре электроэнергетики и физики Сахалинского государственного университета подтверждает выводы о том, что обеспечение устойчивости триаков к критической скорости нарастания коммутационного напряжения (dUD/dt)com – одна из главных задач усовершенствования триаков с сохранением приемлемого уровня мощности управления. При создании этой конструкции учитывался весь мировой опыт разработки мощных триаков.
Разработанная авторская конструкция выполнена с максимальной изоляцией составляющих структур в объеме, с полным отсутствием перекрытия n+ эмиттеров в области управления.
Это стало возможным благодаря применению новой конструкции управляющей области, обеспечивающей включение силовой структуры током 100–200 мА с ожидаемым уровнем динамических параметров dUD/dtcom =100-300 В/мкс, di/dt =100-200 А/мкс.
Наряду с токовым управлением силовой полупроводниковой структурой одним из перспективных направлений считают применение светового излучения как управляющего сигнала, что позволяет создать новый класс приборов с гальванической развязкой силовой и управляющей цепи. Собственно, изделиями такого типа являются серийно выпускаемые оптронные триаки: ТСО 115, 132, 142, 165, 152 на токи 5–125 А и полупроводниковые модули на основе оптронных тиристоров типов МТОТО4, МТОТО8, МТОТО9 на токи 2А.
В оптронных приборах оптическая связь между источником излучения (светодиодом) и фотоприемником осуществляется путем прямого управления светом, падающим на лицевую поверхность силовой n-p-n-p-n структуры, обеспечивающей гальваническую развязку между сигналом управления и силовой цепью. По мнению потребителей этой продукции, эти приборы являются одними из лучших на мировом рынке силовых полупроводниковых приборов.
Однако в последнее время такие оптоэлектронные приборы удовлетворяют не всем потребителям. Они характеризуются незначительной мощностью управления (постоянный ток управления – 10 мА). Триаки изготавливают в стандартных металлостеклянных, модульных (МТСТС, МТОТО) и таблеточных корпусах для работы в диапазоне токов от 10 до 1000 А и напряжением до 1800 В.
Заключение
На сегодняшний день увеличиваются объемы информации для принятия обоснованных решений, что требует значительного времени на ее передачу в центр и соответствующую обработку. Повышаются требования к комплексности решения задач обеспечения надежности и качества, повышения экономичности, как при текущем функционировании, так и при развитии энергосистемы.
Создание интеллектуальной системы организации интеллектуального мониторинга электрических сетей – это формирование новой информационно-энергетической структуры, основу которой составляют современные силовые и информационные технологии, система эффективных рынков электроэнергии и сопутствующих услуг (системных, информационных и др.). Сегодня в рамках развития интеллектуализации электрических сетей получили распространение три типа архитектуры МАСУ. Архитектура МАСУ по принципам искусственного интеллекта использует методы и средства символьного представления знаний.
Показано, что с точки зрения технических средств организации интеллектуального мониторинга наряду с широко применяемыми в последнее время полностью управляемыми силовыми ключами (IGBT, GCT, IGCT, SIT и т.д.) продолжают воспользоваться стандартные биполярные приборы. По-прежнему диоды, тиристоры и триаки остаются основой отечественного преобразовательного оборудования для электроэнергетики, транспорта, машиностроения, металлургии, стройиндустрии, военной техники и т.д.
Список литературы
- Анашкин С.С. Способы повышения надежности электроснабжения потребителей в сельской местности / С.С. Анашкин, А.П. Борисовский, Ю.Е. Ерохина // Молодой ученый. – – № 3 (189). – С. 34-36. – URL: https://moluch.ru/archive/189/47932/ (дата обращения: 13.04.2023).
- Безбожнов О.Н., Чадаев Д.И. Интеллектуальные сети энергоснабжения: мониторинг качества электроэнергии // NBI-technologies. 2022. № 2. С. 5-10.
- Бородин М.В., Виноградов А.В. Редакция методики корректировки стоимости потребленной электроэнергии в зависимости от её качества и алгоритм её реализации в соответствии с гост на качество электроэнергии // Вестник НГИЭИ. 2018. № 4 (83). С. 54-64.
- Игольникова И.В., Чепиков Е.В. Развитие электроэнергетики в условиях цифровизации // Экономика. Социология. Право. 2022. №2 (26). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-elektroenergetiki-v-usloviyah-tsifrovizatsii (дата обращения: 13.04.2023).
- Колчин М.А., Фенцель А., Муромцев Д.И., Попов С.О., Павлов Д.С., Климов Н.В., Андреев А.А., Гарайзуев Д.С.. Мониторинг потребления энергии в умных сетях электроснабжения (smart grid) на основе семантического анализа потоковых данных // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2015. Т. 15. № 2. С. 285-292.
- Кравченко А. Г. Повышение качества электроэнергии в сельских электрических сетях // Материалы XIII Международной студенческой научной конференции «Студенческий научный форум» URL: https://scienceforum.ru/2021/article/2018025326/ (дата обращения: 12.04.2023).
- Лещинская Т. Б., Наумов И. В. Электроснабжение сельского хозяйства: Учебник для вузов. – М.: Колосс, 2008. – 655 с.
- Мозохин А.Е., Шведенко В.Н. Анализ направлений развития цифровизации отечественных и зарубежных энергетических систем // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. № 4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/analiz-napravleniy-razvitiya-tsifrovizatsii-otechestvennyh-i-zarubezhnyh-energeticheskih-sistem (дата обращения: 13.04.2023).
- Налбандян Г.Г., Жолнерчик С.С. Ключевые факторы эффективного применения технологий распределенной генерации в промышленности // СРРМ. 2018. №1 (106). С. 80-87.
- Ховалова Т.В., Жолнерчик С.С. Эффекты внедрения интеллектуальных электроэнергетических сетей // СРРМ. 2018. № 2 (107). С. 92-101.