Automatická sekundární regulace napětí v přenosové a distribuční soustavě

Kód výsledku v IS VaVaI

<a href="https://www.isvavai.cz/riv?ss=detail&h=RIV%2F46900829%3A_____%2F18%3AN0000001" target="_blank" >RIV/46900829:_____/18:N0000001 - isvavai.cz</a>

Výsledek na webu

—

DOI - Digital Object Identifier

—

Jazyk výsledku

čeština

Název v původním jazyce

Automatická sekundární regulace napětí v přenosové a distribuční soustavě

Popis výsledku v původním jazyce

Soustavný rozvoj decentrálních zdrojů elektrické energie připojovaných do elektrizační soustavy, zejména do hladin nízkého a vysokého napětí, ale také velmi vysokého napětí 110 kV, vede k tomu, že současný přístup k problematice řízení elektrizační soustavy se bude v budoucích letech měnit, a to jak v distribučních, tak přenosových sítích. Vlivem vysoké penetrace obnovitelných zdrojů energie a rostoucí kabelizace se zvyšuje objem nevyžádaných toků jalového výkonu v přenosové a distribuční soustavě, a hlavně k přetokům z distribuční do přenosové sítě. Automatická sekundární regulace napětí v přenosové a distribuční soustavě umožňuje integrovat vzájemně nezávislé systémy regulace napětí a jalových výkonů do jednoho celkového regulačního systému, který bude zajišťovat hospodárnost, bezpečnost a kvalitu dodávky elektrické energie konečnému odběrateli při všech provozních stavech soustav 400 kV, 220 kV, 110 kV a soustav vysokého napětí (35 a 22 kV). V současné době funguje automatická sekundární regulace napětí a jalových výkonů v přenosové soustavě a odděleně v některých částech distribuční soustavy. Při využití výsledků výzkumu bude možné uzlové oblasti elektrizační soustavy s akčními prvky vybavit automatickými sekundárními regulátory napětí v přenosové a distribuční soustavě. Akčními prvky schopnými regulovat napětí a jalový výkon jsou zdroje, transformátory s přepínáním odboček pod zatížením a tlumivky. Zdroje a výrobní moduly, zde jsou zahrnuty točivé zdroje i nesynchronní výrobny, které jsou připojeny k elektrizační soustavě přímo anebo přes frekvenční měnič, jsou schopné regulace napětí a jalového výkonu, a to v rámci rozsahu, který je reprezentován nejčastěji pomocí PQ diagramu zdroje (závislost činného a jalového výkonu zdroje). Tato skupina akčních prvků je charakterizována zpravidla rychlou a plynulou odezvou regulace, zejména rychlost závisí na typu regulátoru a jeho nastavení. U regulace napětí a jalového výkonu se většinou volí delší časové konstanty oproti regulaci činného výkonu. Tím se zajišťuje stabilní odezva s minimálním rizikem na to, aby došlo k cyklickému přeregulování a tím pádem k napěťovému rozkývání elektrizační soustavy. Transformátory vybavené automatickým přepínáním odboček pod napětím jsou umístěny v uzlech s přechodem mezi distribuční a přenosovou soustavou, tedy 400/110 kV a 220/110 kV, v uzlech přenosové soustavy jako vazební transformátory 400/220 kV nebo v uzlech distribuční soustavy s přechodem mezi hladinou velmi vysokého a vysokého napětí. V popsaných případech odbočky na transformátorech umožňují přepnutím skokovou změnu napětí na nižší hladině transformační vazby. Pomocí přepínání odboček transformátorů je také možné redistribuovat jalový výkon mezi napěťovými hladinami. V uzlech s přechodem mezi vysokým a nízkým napětím jsou většinou transformátory také vybaveny přepínačem odboček, ale už ne pod zatížením (výjimku tvoří některé speciální uzly anebo pilotní projekty) a pro automatickou sekundární regulaci napětí a jalového výkonu se nevyužívají. Tlumivky jsou prvky dlouhodobě využívány ke kompenzaci sítě. V naprosté většině případů nedisponují možností plynulé nebo krokové regulace. Dochází k aktivaci nebo deaktivaci celého výkonu tlumivky a tím zasahují do regulačního procesu v dané lokalitě sítě. Vyvolaná změna v síti je pak většinou větší než požadovaná odchylka a je nutné ji doregulovat. Na ověřeném matematickém modelu byly prováděny analýzy týkající se hlavně chování jednotlivých typů uzlových oblastí. Vliv akčních prvků na provozní parametry, jejich příspěvky do regulačního procesu, ale i jejich vzájemné ovlivňování. Takto získané poznatky jsou uplatňovány v návrzích regulačních algoritmů pro proces propojeného řízení napětí přes více napěťových hladin. Jeden ze základních výpočtů pro potřeby automatické regulace napětí a jalového výkonu je založen na tzv. load flow síťových výpočtech, s jeho pomocí je stanovena citlivost pro daný tip uzlové oblasti. Citlivost uzlu je v tomto kontextu vyjádřena jako potřebný výkon (jalového charakteru) pro úspěšnou změnu napětí ve sledované části sítě. Tento poměr se mění s konfigurací sítě, s prvky, které jsou k ní připojeny, a jejími elektrickými parametry. Jedná se tedy o lokální parametr pro danou část sítě. Aplikací výše popsaného výpočtu citlivosti uzlové oblasti na zkoumanou soustavu je možné získat lokální citlivostní parametry, které jsou potřeba pro správné nastavení a ladění regulačních algoritmů. Vzhledem k systému regulace napětí v elektrizační soustavě, který je rozdělen do několika pilotních uzlů v rámci přenosové soustavy a dále navazuje ve vertikálním směru do radiálně koncipované distribuční soustavy je potřeba tyto citlivosti napočítat pro všechny uzlové oblasti i k nim připojených oblastí distribuční soustavy a v těchto případech je použito typizace. Dochází k využití opakujícího se charakteru typického pro distribuční soustavu, hlavně venkovské, městské a jejich kombinace (projeví se skladbou typizovaných vývodů). Po této úpravě se rozšíří výpočet citlivosti pro dané uzlové oblasti i o typizované uzlové oblasti distribučních soustav. Právě výše popsané výpočty citlivosti určují potenciál připojených akčních prvků pro regulaci napětí a jalového výkonu pro daný uzel sítě. Výpočty zohledňují lokalizaci akčního prvku vůči sledované síti, jeho výrobní charakter a typ. Základní dělení je na synchronní a nesynchronní výrobní moduly, podle způsobu připojení a technologie zdroje, dále je zde skupina pasivních prvků jako kondenzátorové baterie nebo statické tlumivky. Výpočty ukazují, jak velký dopad mají jednotlivé prvky na regulaci napětí a zda jejich regulační schopnosti ovlivňují další prvky v síti. Pro potencionální využití zdrojové základny na hladině nízkého napětí, byl proveden výpočet, který porovnával možnosti s přímým řízením regulace zdrojů (nesynchronních i synchronních výroben) a využitím tzv. autonomních regulačních křivek. Výhody přímého řízení, těchto skupin zdrojů, nemají takový efekt jako zdroje vyvedené do vyšších napěťových hladin. Toto je dáno charakterem sítě nízkého napětí, poměrem odporu k reaktanci a zkratovým výkonem. Zdroje vyvedené do sítí vyššího napětí jsou pak modelovány buďto obdobnou charakteristikou anebo, a to je častější případ pomocí charakteristiky činného a jalového výkonu zdroje. Algoritmus součinnosti jednotlivých akčních členů při regulaci napětí a jalového výkonu vychází hlavně z požadavku na jejich vzájemné ovlivnění. Tím je především myšleno, aby nedocházelo k vzájemným zpětným vazbám mezi některými akčními prvky nebo jejich skupinami s výsledkem protichůdných regulačních zásahů v rámci jedné regulované oblasti. V návrhu regulačních algoritmů je toto zajištěno zejména striktním rozdělením povelů pro jednotlivé skupiny zdrojů a výrobních modulů s hlavním kritériem na jejich místo připojení do soustavy a charakteru vnitřní regulace. Samotné povelování prvků je řazeno v pravidelně definovaných časových krocích, čímž je zajištěna dostatečná doba na provedení regulačního zásahu, jeho dopadu na síť a opětovná zpětná vazba do měření sítě a znovu načtení takto aktualizovaných dat do modulu analýza sítě. Další sledovaný aspekt již zmiňované nastavení regulátoru na zdrojích a výrobních modulech. Je dbáno na to, aby časové konstanty nebyly příliš rychlé a nemohlo tak dojít k rychlému přeregulování v rámci zadaného pokynu např. ve větší skupině zdrojů. Uzlové oblasti pro účely rychlejších analýz sítě rozdělujeme do několika skupin podle jejich charakteru ve vztahu k lokalitě, napájení a zásobované oblasti. Podle toho jsou vazby na nižší hladinu napětí nahrazovány typovými ekvivalenty, které s sebou nesou kumulovanou informaci o dění na úrovni nízkého napětí. Algoritmus regulace napětí a jalového výkonu je navržen jako smyčka se vstupy dat, výkonnými bloky, v kterých je soustředěna výpočetní analýza, vytvoření povelů a jejich distribuce do jednotlivých bloků akčních prvků zapojených do regulačního procesu. Výpočet je možné konfigurovat podle požadované cílové hodnoty – změna napětí nebo požadovaný tok jalového výkonu, tímto je možné nastavovat samotnou regulační úlohu. Navržený algoritmus byl naprogramován v prostředí total integrated automation (TIA) portal. Inženýrské prostředí TIA Portal nabízí neomezený přístup ke kompletnímu portfoliu řešení a služeb pro automatizaci a digitalizaci výrobních procesů, a to od návrhu produktu přes plánování a projektování výroby až po transparentní provoz. TIA Portal představuje dokonalou bránu do světa automatizace a digitalizace. Poslední verze přináší nové funkce, které umožňují programování z několika stanic najednou, čímž značně urychluje práce na projektu. Díky nové verzi inženýrského softwaru TIA Portal se výrazně zkracuje doba potřebná pro uvedení produktu na trh. Toho se docílí například pomocí nástrojů pro pokročilou simulaci a vytvořením digitálního dvojčete. Rozšířené funkce pro diagnostiku a monitoring spotřeby energií umožňují dosáhnout vyšší produktivity energetických provozů. Nabízí také mnohem flexibilnější komunikaci a možnost propojení s nadřazenými systémy na úrovni řízení podniků. Společně se softwarovými systémy z rodiny PLM Software a MES systémy tvoří TIA Portal ucelené portfolio řešení společnosti Siemens pro digitální podnik tzv. Digital Enterprise Suite, které firmám umožňuje úspěšnou digitální transformaci. Vytvořený software automatické sekundární regulace napětí byl odzkoušen v simulátoru, který je součástí TIA Portálu. Jednotlivé softwarové moduly jsou uzpůsobeny pro jednoduché naladění dle konkrétní aplikace na základě modelových výpočtů. Další vývoj by řešil hlavně zpracování a validaci velkých objemů dat, který by s sebou nesl rozvoj chytrého měření v elektrizační soustavě. V dalším rozvoji je možné uvažovat nad tím, jak zahrnout propojenou funkci regulace napětí do stávajícího systému podpůrných služeb definovaných provozovatelem přenosové soustavy, když dojde k zapojení akčních prvků i z distribučních soustav.

Název v anglickém jazyce

Automatic secundary voltage regulation in transmission and distribution system

Popis výsledku anglicky

The continuous development of decentralized power sources connected to the electricity grid, especially to the low and high voltage levels, but also to the very high levels [110 kV], lead to constant changes in the approach to the electricity management within both distribution and transmission networks. Due to high incorporation of renewable energy sources and increasing cabling, the volume of unwanted reactive power flows in the transmission and distribution systems is increasing. Furthermore, there is an increase of overflows from the distribution to the transmission network as well. Automatic secondary voltage regulation within transmission and distribution systems, enable the integration of mutually independent voltage and reactive power control systems, into one overall control system. That will ensure the economy, safety and quality of the electricity supply to the end user at all operating states of 400 kV, 220 kV, 110 kV, as well as in the high voltage systems of 35 and 22 kV. Currently, the automatic secondary regulation of voltage and reactive power works in the transmission system and separately in some parts of the distribution system. Using the results of the research, there is the possibility to equip the key areas of the power system actuators with the automatic secondary voltage regulators and use them in both the transmission and distribution systems. Actuators capable of regulating voltage and reactive power are power sources transformers with on-load tap-changers and chokes. Included in the power source and the production modules are rotary sources and non-synchronous plants, which are connected to the power system directly, or via frequency converter with the capability of regulating voltage and reactive power. All that within the range that is frequently represented by the PQ diagram of the source (dependency on the active and the reactive power output of the source). This group of actuators is typically characterized by fast and smooth response regulation, in particular the speed and the type of regulator and its setting. When regulating voltage and reactive power we usually choose longer time constants over the regulation of active power. This ensures a stable response with minimal risk of cyclic over-regulation and consequently the voltage oscillation of the whole system. Transformers equipped with automatic switch between live taps are located in the key areas between distribution and transmission systems, i.e. 400/110 kV and 220/110 kV. Concretely, in the key junctions of the transmission system, as a connecting transformer 400/220 kV, or the key areas of the distribution system junctions with a transition between very high and high voltage levels. In the above described cases, taps on the transformers allow sudden change of voltage at a lower level of the transformer coupling. With the help of transformer taps, there is possibility to redistribute reactive power between the voltage levels as well. Transformers are usually equipped with the on-load tap-changers in the high- and low-voltage nodes, however not when under load (except for special nodes or pilot projects). Furthermore, they are not used for the automatic secondary voltage and reactive power control at all. For quite a long time, the reactors are used for network compensation purposes. In the majority of the cases they do not possess the ability of continuous or step regulation. This leads to the activation or the deactivation of the entire choke power, thus interfering with the regulation processes within the network point. The induced change within the network is usually greater than the required deviation and must be re-regulated. The analysis of the individual types of nodal areas was conducted on a verified mathematical model, as well as, the influence of actuators on operating parameters and their contributions to the regulation processes and their interaction. Knowledge thus obtained is applied in the design of the control algorithms for the process of interconnected voltage control across multiple voltage levels. One of the basic calculations for the needs of automatic regulation of voltage and reactive power, is based on the so-called load flow network calculations, with the help of which the sensitivity for a given type of node area is determined. The node sensitivity in this particular context is expressed as following: the necessary power (reactive character) for a successful voltage change in the monitored part of the network. This ratio then varies with the configuration of the network and the elements connected to it, together with its electrical parameters, local parameter for a given part of the network. By applying the above-described “nodal area sensitivity calculation” to the given system, it is possible to obtain local sensitivity parameters that are needed for a correct adjustment and alteration of the control algorithms. Voltage regulation system in the electricity grid is subsequently divided into several pilot nodes within the transmission system. Those are further connected in a vertical direction to a radially conceived distribution system. It is necessary to calculate the sensitivities for all of the nodal areas and their connected areas of the distribution system using typization. Using a recurring character that is typical for the rural and urban [or their combination] distribution systems, which are manifested by the composition of the standardized outlet. After this adjustment, the sensitivity calculation for given nodal areas will be extended to include the standardized nodal areas of distribution systems. The above described sensitivity calculations determine the potential of the connected actuators for the voltage and reactive power control for a given network node. The calculations take into account the localization of the actuator relative to the monitored network, its production character and type. The basic division of production modules is between synchronous and non-synchronous. The division is done according to the connection method and the technology of the source. Furthermore, there is also a group of passive elements such as capacitor batteries or static chokes. The calculations show how much impact individual elements have on voltage regulation and whether their control capabilities affect other network elements. For the potential utilization of the source base at the low voltage level, a calculation was performed comparing the possibilities with direct control over the source regulations (non-synchronous and synchronous production plants) while using the so-called autonomous control curves. The advantages of direct control over these groups of power sources, do not have the same effect, as power sources brought to higher voltage levels. This is due to the nature of the low voltage network and because of the ratio of resistance to reactance plus the short-circuit power. The sources connected to the higher voltage networks are then modelled either by a similar characteristic, or more often, by the characteristic of active and reactive power of the source. The synergy algorithm of individual actuators in voltage and reactive power regulation, is mainly based on the requirement for their mutual influence. This is primarily meant to avoid mutual responses between some of the action elements, or their groups, which would then result in conflicting regulatory interventions within one regulated area. This is then ensured in the design of the control algorithms by the strict distribution of commands for the individual groups of sources and the production modules with a norm for its place of connection to the system and character of internal regulation. The command of the elements is ordered in regularly defined time steps, this ensures sufficient time to perform the regulatory intervention and evaluate its impact on the network. Consequently, feedback is send back to the network measurements and then reload of the updated data back into the network analysis module. Another monitored aspect, is the above mentioned, regulator setting on power supplies and production modules. It is important to ensure that the time constants are not too fast and that there is no possibility of over-regulation within the given order, e.g. in a larger group of sources. For the purpose of faster network analysis, nodal areas are divided into several groups according to their nature in relation to location, power supply and supply area. Accordingly, links to a lower voltage level are replaced by the type equivalents that carry cumulative information about the low-voltage events. The voltage and reactive power control algorithm is designed as a loop with data inputs, power blocks, in which the computational analysis is concentrated. The creation of commands and their distribution into individual blocks of actuators are involved in the control processes. The calculation can be configured according to the required target value - voltage change or required reactive power flow (in this way it is possible to set the control task itself). The proposed algorithm was programmed in the total integrated automation (TIA) portal. The TIA Portal engineering environment offers unlimited access to a complete portfolio of solutions and services for automation and digitization of the production processes. All that from product design through a production planning and design to transparent operations. TIA Portal is the perfect gateway to the world of automation and digitization. The latest version introduces new features that allow programming from multiple stations at once, thus greatly speeding up the project work. The newest version of TIA Portal engineering software also significantly reduces time necessary to put the product on market. One of the way of achieving this outcome is to use tools for an advanced simulation and subsequent creation of a digital twin.

Druh

R - Software

CEP obor

—

OECD FORD obor

20201 - Electrical and electronic engineering

Projekt

<a href="/cs/project/EG15_019%2F0004615" target="_blank" >EG15_019/0004615: Součinnost přenosové a distribuční soustavy v oblasti automatické sekundární regulace napětí a jalových výkonů</a><br>

Návaznosti

P - Projekt vyzkumu a vyvoje financovany z verejnych zdroju (s odkazem do CEP)

Rok uplatnění

2018

Kód důvěrnosti údajů

S - Úplné a pravdivé údaje o projektu nepodléhají ochraně podle zvláštních právních předpisů

Interní identifikační kód produktu

ASRU SW ORGREZ

Technické parametry

Automatická sekundární regulace napětí v přenosové a distribuční soustavě umožňuje sloučit vzájemně nezávislé systémy regulace napětí a jalových výkonů do celkového regulačního systému. Při využití výsledků výzkumu bude možné uzlové oblasti elektrizační soustavy s akčními prvky vybavit automatickými sekundárními regulátory napětí v přenosové a distribuční soustavě. Akčními prvky schopnými regulovat napětí a jalový výkon jsou zdroje, transformátory s přepínáním odboček pod zatížením a tlumivky. Algoritmus součinnosti jednotlivých akčních členů při regulaci napětí a jalového výkonu vychází hlavně z požadavku na jejich vzájemné ovlivnění. Tím je především myšleno, aby nedocházelo k vzájemným zpětným vazbám mezi některými akčními prvky nebo jejich skupinami s výsledkem protichůdných regulačních zásahů v rámci jedné regulované oblasti. V návrhu regulačních algoritmů je toto zajištěno zejména striktním rozdělením povelů pro jednotlivé skupiny zdrojů a výrobních modulů s hlavním kritériem na jejich místo připojení do soustavy a charakteru vnitřní regulace. Samotné povelování prvků je řazeno v pravidelně definovaných časových krocích, čímž je zajištěna dostatečná doba na provedení regulačního zásahu, jeho dopadu na síť a opětovná zpětná vazba do měření sítě a znovu načtení takto aktualizovaných dat do modulu analýza sítě. Uzlové oblasti pro účely rychlejších analýz sítě rozdělujeme do několika skupin podle jejich charakteru ve vztahu k lokalitě, napájení a zásobované oblasti. Podle toho jsou vazby na nižší hladinu napětí nahrazovány typovými ekvivalenty. Algoritmus regulace napětí a jalového výkonu je navržen jako smyčka se vstupy dat, výkonnými bloky, v kterých je soustředěna výpočetní analýza, vytvoření povelů a jejich distribuce do jednotlivých bloků akčních prvků zapojených do regulačního procesu. Navržený algoritmus byl naprogramován v prostředí total integrated automation (TIA) portal. Inženýrské prostředí TIA Portal nabízí neomezený přístup ke kompletnímu portfoliu řešení a služeb pro automatizaci a digitalizaci výrobních procesů, a to od návrhu produktu přes plánování a projektování výroby až po transparentní provoz. Poslední verze přináší nové funkce, které umožňují programování z několika stanic najednou, čímž značně urychluje práce na projektu. Rozšířené funkce pro diagnostiku a monitoring spotřeby energií umožňují dosáhnout vyšší produktivity energetických provozů. Nabízí také mnohem flexibilnější komunikaci a možnost propojení s nadřazenými systémy na úrovni řízení podniků. Společně se softwarovými systémy z rodiny PLM Software a MES systémy tvoří TIA Portal ucelené portfolio řešení společnosti Siemens pro digitální podnik tzv. Digital Enterprise Suite, které firmám umožňuje úspěšnou digitální transformaci. Vytvořený software automatické sekundární regulace napětí byl odzkoušen v simulátoru, který je součástí TIA Portálu.Jednotlivé softwarové moduly jsou uzpůsobeny pro jednoduché naladění dle konkrétní aplikace na základě modelových výpočtů.

Ekonomické parametry

Regulace napětí a jalového výkonu v přenosové soustavě je placenou podpůrnou službou a její potřebnost se bude v příštích letech navyšovat z důvodu zvyšování doby přepětí v přenosové soustavě a tím i zhoršování bezpečnosti a spolehlivosti provozu této soustavy. V distribuční soustavě bude situace obdobná. Provozovatelé těchto soustav budou zavádět řadu dílčích opatření pro zlepšení provozu soustav a jedním z nich by mohlo být nasazení systémů automatické sekundární regulace napětí v přenosové a distribuční soustavě. Naše společnost je připravena nabídnout hotový produkt a v případě zájmu předpokládáme navýšení tržeb v řádu jednotek až desítek miliónů Kč ročně a vytvoření dvou až tří nových pracovních pozic s vysokými nároky na kvalifikaci. Vzhledem k očekávané velikosti zisku ve výši 10 – 20 % tržeb odhadujeme návratnost projektu na 3 až 5 let.

IČO vlastníka výsledku

46900829

Název vlastníka

ORGREZ, a. s.