Возможности сетей, построенных в соответствии с концепцией Smart Grid для индивидуализации потоков мощности от поставщиков к потребителям

Обзор технологии Smart Grid. Учет электрической мощности. Системы генерации электроэнергии, интеллектуальные микрогриды. Главные особенности компенсации потерь. Соотношение потерь на участке "поставщик – потребитель". Общие конфигурации энергосетей.

Рубрика Физика и энергетика
Вид курсовая работа
Язык русский
Дата добавления 04.01.2015
Размер файла 2,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

В первой группе экспериментов (№ 1-3 в таблице) интенсивности потребления установлены неизменными, уменьшающимися по мере удаления от основного источника. Изменять мощность источников, варьируя число генерируемых пакетов за время моделирования. Во второй группе также изменяются мощности источников, но потребители расположены в сети произвольным образом. При этом изменяется характер распределения пакетов в сети.

Таблица 6

№ источника/ потребителя

Интенсивность генерации, с

Число генерируемых пакетов

Интенсивность потребления, с

Число пакетов, поступивших от источника в сеть

Число пакетов, поступающих в сеть от всех предшествующих источников

Число пакетов, поступивших от источника потребителю

Общее число

пакетов, поступивших потребителю

1

1

0.0001

1

1

1

134

2.64

2.71

2.84

3

129

37

37

2

10

10

89

28

7

35

3

6

6

61

27

1

5

33

4

3

3

30

26

2

1

3

32

2

1

134

129

37

37

2

3

3

89

32

3

35

3

10

10

54

25

0

8

33

4

6

6

27

24

0

2

6

32

3

1

120

116

38

38

2

12

12

77

26

10

36

3

7

7

51

26

2

7

35

4

14

14

20

19

0

0

14

33

4

1

134

2.87

2.74

2.61

3

129

33

33

2

3

3

92

32

3

35

3

10

10

57

28

0

9

37

4

6

6

27

25

0

1

6

32

5

1

134

129

33

33

2

7

7

92

29

6

35

3

6

6

61

30

1

6

37

4

6

6

27

26

0

0

6

32

6

1

120

116

34

34

2

12

12

81

27

9

36

3

7

7

54

28

3

7

38

4

14

14

20

19

0

0

14

33

Рисунок 17 - Схема расположения приборов учета в энергосети

На рисунке 17 схематично представлена моделируемая распределительная электрическая сеть. Символом здесь обозначены приборы учета электроэнергии. С помощью моделирования было показано, что для расчета необходимо знать показания n счетчиков в каждой «точке ветвления» на n направлений, как это показано на рисунке. Таким образом, контролируя каждую ветвь по перетоку мощности и зная показания приборов учета на стороне потребителей и поставщиков, можно точно рассчитать потребление клиента от каждого источника.

Число пакетов, доставленных потребителю n источником N, рассчитывается по формуле:

( 4)

Здесь - число пакетов, доставленных потребителю n источником m.

- общее число пакетов, доставленных потребителю n.

- число пакетов, генерируемых источником m.

- число пакетов, доставленных источниками, расположенными в сети до источника m.

- число пакетов, уходящих к потребителям, расположенным в сети после потребителя n.

Рисунок 18 - Схематичное изображение контролируемых перетоков мощности

На рисунке 18 показан вариант подключения источника и потребителя в общей точке, что редко случается на практике. Более вероятно, что элемент распределительной сети будет выглядеть, как показано на рисунке 19.

Рисунок 19 - Необходимые приборы учета в сети

С помощью счетчиков 3 и 4 будут учтены потери на соответствующем участке сети. Они будут пропорционально разделены между источниками на основании показаний приборов учета 1 и 2 и значениях мощностей генерации (показания собственных приборов учета источников).

Последовательность расчета распределительной сети на примере системы с четырьмя источниками и четырьмя потребителями.

В качестве исходных данных используем показания четырнадцати приборов учета. Необходимо определить число пакетов, поступивших каждому потребителю от каждого источника. Представим искомые значения в виде матрицы, где номера строк соответствуют источникам, а номера столбцов - потребителям:

Т.к. моделируемая система является однонаправленной, матрицу результатов можно представить в виде диагональной:

Рассчитываем значения , , и по формуле (4).

Таким образом, реальное потребление от каждого источника в сети рассчитано только на основании приборов учета, расположенных в системе по соответствующей схеме.

Такие расчеты могут проводиться сервисом через определенные промежутки времени для оценки реального вклада поставщиков в потребляемые энергопакеты. На основании результатов расчетов могут подтверждаться или корректироваться прямые контракты на поставку электроэнергии без участия в сделках посредников - сбытовых компаний. В такой ситуации невозможна кража электрической мощности, т.к. производится тотальный учет доставляемых пакетов. Так же отслеживаются потери в сети, что позволяет мониторить состояние ЛЭП и определять расходы на передачу электрической мощности по сети.

Имитационное моделирование является необходимым этапом проектирования сетей Smart Grid. Но с его помощью могут быть исследованы некоторые отдельные аспекты реализуемых технологий. Построенная в работе модель или отдельные ее блоки позволяют исследовать многие функциональные возможности энергосетей.

4.3 Использование накопителей электроэнергии

Уже сейчас в России существует практика использования накопителей электрической мощности на потребляющих объектах, в том числе и в частных домах. Для этих целей используются обычные источники бесперебойного питания, выполняющие не только функцию обеспечения энергопитания в случае аварии на общей энергосети, но и функцию накопителя электрической мощности при нормальном режиме работы сети.

В часы минимальной нагрузки происходит постепенный заряд емкости - заполнение накопителя. В часы максимальной нагрузки электроэнергия потребляется из накопителя наряду с питанием от общей энергосети. Таким образом, осуществляется сдвиг спроса по времени и достигается выравнивание нагрузки на электрическую сеть. С точки зрения пользователя появляется возможность в дневные часы использовать накопленную ночью энергию, когда цена на нее минимальна. С точки зрения сетей передачи энергии значительно снижается вероятность перегрузок, и, следовательно, аварий в сети.

Оценить эффективность использования накопителя электрической мощности можно с помощью имитационного моделирования, используя блоки построенной в работе модели. На рисунке представлена имитационная модель для исследования возможности использования накопителя конечным потребителем.

Рисунок 20 - Модель системы «поставщик - накопитель - потребитель»

Здесь потери на всех участках сети от поставщика потребителю учитываются единой группой блоков, т.к. в данной задаче нет смысла разделять их. В таблице 7 представлены все блоки модели и их назначение.

Таблица 7

Название

Тип

Назначение

Source

Create

Генерация пакетов электрической мощности

Counter 10

Counter

Моделирование потерь в системе

Counter Loss 10

Учет «потерянных» пакетов

Counter Loss 00m

Обеспечение выполнения законов ТЦ

To Customer

Учет пакетов, поступивших от источника потребителю

Decide

Decide

Определение адресата для каждого пакета

Consumption or loss g1

Customer

Process

«Потребление» пакетов электрической мощности

Storage

Hold

Накопление пакетов мощности «до востребования»

Loss 10

Dispose

Удаление «потерянных» пакетов

Dispose

Удаление потребленных пакетов из системы

В блоке Decide используется условие STATE(Resource 1)<>IDLE_RES. Если ресурс простаивает, энергопакет поступает напрямую потребителю, иначе остается в накопителе «до востребования». Условие удержания пакета в очереди: STATE(Resource 1)==IDLE_RES.

Параметры генерации и потребления представлены в таблице 8.

Таблица 8

Блок

Параметр

Значение

Source

Type

Constant

Value

53

Units

Minutes

Customer

Delay Type

Schedule

Units

Hours

Значения интенсивности потребления в разные периоды времени отражают реальную ситуацию энергопотребления для частного жилого дома (квартиры). Расписание для значения нагрузки (интенсивности потребления) представлено на рисунке 21. Здесь в поле Value отражено значение времени обслуживания ресурса. В теории СМО среднее время обслуживания обратно пропорционально интенсивности обслуживания данного ресурса:

, (5)

где

- среднее время обслуживания

Для модели энергосети справедливо: чем больше значение Value, тем меньше интенсивность потребления данного пользователя.

Рисунок 21 - Расписание для интервала потребления

При величине передаваемого пакета электрической мощности 1 кВт данным значениям «интервала потребления» соответствует следующий объем потребления электрической мощности (таблица 9).

Таблица 9

Интервал потребления, мин

Потребляемая мощность, кВт*ч

120

0,5

60

1

40

1,5

30

2

20

3

Увеличение интенсивности потребления приходится на утренние (6.00 - 11.00) и вечерние (16.00 - 23.00) часы. Пики заметны с 7 до 8 утра, а также с 6 до 9 вечера.

Для определения динамики использования накопителя проведем моделирование, используя параметры, описанные выше. При этом, как и в предыдущих экспериментах, считаем результаты валидными только при значении параметра Usage ресурса, превышающим установленный минимум - 0,97.

Результаты моделирования для времени нахождения пакета в накопителе и числе пакетов приведены в таблице 10.

Таблица 10

Параметр

Среднее

Минимальное

Максимальное

Время нахождения пакета в накопителе, мин

3.4435

0.0833

6.9

Число пакетов в накопителе

3.4793

0

8

Динамика изменения числа пакетов в накопителе отражена на графике (рисунок 22).

Рисунок 22 - Динамика «заряда - разряда» накопителя

Можно видеть, что в часы пиковой нагрузки (с 18.00 по 21.00) число пакетов в накопителе опускается до нуля, а в часы минимального потребления (00.00 - 6.00 и с 11.00 до 16.00) возрастает до своего максимального значения. Для данного потребителя необходим накопитель мощностью 10 кВА. При этом для энергосети пользователь является постоянной нагрузкой 1.13 кВт*ч.

Таким образом, с помощью предложенной модели можно оценить объем необходимого накопителя, а так же эффективность его использования. Можно также оценить преимущества/недостатки использования нескольких накопителей небольшого объема вместо одного более мощного, и, соответственно, более дорогого.

Компенсация потерь

Рисунок 23 - Соотношение потерь на участке «поставщик - потребитель» и дополнительной мощности генерации

При организации однонаправленных энергосетей по схеме «один ко многим» существует однозначная связь потерь в ЛЭП (на участке между генератором и потребителем) и дополнительной мощности генерации, которую необходимо вырабатывать источнику для удовлетворения клиента.

При организации сложных сетей со многими потребителями и многими источниками это соотношение неочевидно. Используем построенную в работе модель (рисунок 10) для определения так называемого «затухания на звено» (потерь на участке ЛЭП между ближайшими поставщиком и потребителем) и необходимой дополнительной мощности генерации.

Эксперименты проводятся в следующей последовательности:

Моделируется линия с потерями «один источник - один потребитель». При этом полностью удовлетворяются все запросы потребителя (параметр Usage ресурса больше или равен 0,97).

Валидация модели: одновременное увеличение потерь в сети и мощности генерации источника в соотношении 1:1. Параметр Usage, характеризующий удовлетворенность пользователя, не должен измениться по сравнению с п.1.

К сети подключаются дополнительный потребитель. Моделируется линия с потерями на всех участках сети.

Увеличиваются потери на различных участках сети, и определяется необходимая дополнительная мощность генерации для удовлетворения всех потребителей.

Сравниваются значения дополнительной мощности генерации в зависимости от точки ее подключения.

Значения параметров генерации и потребления представлены в таблице 11. Интенсивности генерации выбраны одинаковыми для удобства сравнения результатов.

Таблица 11

Интервал генерации, ч

Интервал потребления, ч

1

1,7

2,82

2

1,7

2,74

Моделируемая сеть схематично изображена на рисунке 24. Выполняя п.4 приведенной выше последовательности будем изменять значения потерь на участке от первого источника до первого потребителя (Loss g1) и от первого до второго потребителя (Loss c2). При этом последняя величина характеризуется двумя параметрами модели: потери, связанные с рассеянием мощности и ее отражением. Изменяем значение потерь на рассеяние, т.к. именно они растут по мере удаления потребителя.

Рисунок 24 - Схема расположения источника дополнительной мощности: за первым потребителем

На диаграмме (рисунок 26) представлены значения дополнительной мощности в зависимости от роста потерь в линии в системе с одним и многими потребителями.

Изменим точку подключения дополнительной мощности генерации: расположим источник на участке сети до первого потребителя (рисунок 25). Это может быть как дополнительный источник небольшой мощности, так и добавочная мощность генерации основного поставщика. Результаты для дополнительной мощности генерации в такой системе изображены на диаграмме (рисунок 26) зеленым цветом.

Рисунок 25 - Схема расположения источника дополнительной мощности: перед первым потребителем

Рисунок 26 - Дополнительная мощность генерации в зависимости от конфигурации сети

Из диаграммы видно, что наименьшие дополнительные мощности генерации требуются в случае подключения дополнительного некрупного поставщика на участке сети после первого потребителя в системе максимально близко ко второму. Таким образом, он будет поставлять электроэнергию только второму потребителю, следовательно, меньше пакетов будет проходить от первого поставщика по линии со значительными потерями. При равных мощностях генерации и потребления такая схема подключения дополнительного источника обеспечивает наиболее эффективное распределение электроэнергии в системе.

5. Энергоинтернет

Реализацию технологий Smart Grid по отношению к топологии энергосетей часто сравнивают с организацией сети Интернет. В этой части работы будет раскрыто само понятие «энергоинтернета» и исследована возможность его реализации.

Современные системы передачи электроэнергии предназначены для поддержки больших мощностей генерации, которые доставляются потребителям по сетям, являющимся, по сути, односторонними системами передачи и распределения. Но реализуемая интеллектуальная сеть - это двусторонняя система, где энергия, сгенерированная множеством мелких, распределенных источников является дополнением к основным потокам мощности и распространяется по системе, построенной на основе сети, а не иерархической структуры.

Рисунок 27 - Конфигурации энергосетей: иерархическая и «сетевая»

В реализуемых сетях становится возможной передача энергии на значительные расстояния. При использовании накопителей электрической мощности и подключении к сети небольших генераторов, выполняющих роль «подпитки», компенсируются потери в основном энергопотоке, и пакеты мощности могут быть доставлены удаленным потребителям.

С помощью построенной в работе модели можно определить характер распределения пакетов электрической мощности в сети при различных дополнительных мощностях генерации и оценить возможность передачи энергии на большие расстояния.

Используем для эксперимента модель с одним крупным источником и четырьмя потребителями электроэнергии. Пакеты при этом поступают всем пользователям, но мощности основного источника не хватает для удовлетворения потребностей подключенных клиентов. В существующих распределительных сетях единственным решением было бы отключение (не подключение) самого удаленного пользователя (возможно рассмотрение его участия в другом региональном рынке, но вероятнее всего данный объект не обеспечивается центральным энергоснабжением в существующей системе).

В соответствии с предлагаемой системой имеется возможность подключения маломощных источников на протяжении сети. Рассмотрим вариант с тремя дополнительными источниками. В таблице 12 представлены исходные данные для моделирования.

Таблица 12

Интервал генерации, часы

Интервал потребления, часы

Доля потерь на участке «генератор - сеть», %

Доля потерь на участке «сеть - потребитель», %

Рассеяние

Отражение

1

0,0001

2,61

4

2

1

2,74

0

0.8

11.9

3

1

2,87

0

2.6

11.5

4

1

3,00

0

7.9

10.5

Поставщик №1 является общей энергосетью. Поставщики №2, 3 и 4 имеют незначительную по сравнению с ним (в тысячи раз меньше) мощность генерации и являются «компенсирующими» в сети. Мощность потребления всех пользователей примерно одинакова для простоты эксперимента, при этом есть небольшой разброс значений интервалов потребления для приближения модели к реальности. Считаем, что дополнительные источники подключены напрямую к сети (процент потерь на участках подключения равен нулю). При этом моделируем значительные потери при доставке пакетов потребителям (большие значения параметров «доля потерь на участке «сеть-потребитель»»).

Распределение пакетов выглядит следующим образом (рисунок 28).

Рисунок 28 - Распределение пакетов мощности в сети

Из диаграммы видно, что мощностей дополнительных источников достаточно только для компенсации потерь на соответствующих участках сети. Все пакеты от таких генераторов поступают ближайшим к ним пользователям, не распространяясь дальше по сети. При этом обеспечивается передача мощности от основного поставщика на большие расстояния без потери в качестве доставки электроэнергии: запросы всех пользователей системы удовлетворены (параметр Usage для соответствующих ресурсов не менее 0,97).

Мощность генерации дополнительных источников не ограничивается числом потерянных пакетов в сети. При выработке избыточных пакетов, они будут поступать в сеть, и распределяться между потребителями в соответствии с запросами на данный интервал времени (рисунок 29). А так как существует возможность расчета вклада любого поставщика в потребляемый энергопакет, степень участия каждого дополнительного источника в энергоснабжении клиента будет однозначно определена и, соответственно, оплачена.

Рисунок 29 - Распределение электроэнергии при генерации избыточной мощности дополнительными источниками

Примером реализации данной технологии могут служить фонари уличного освещения, разработанные датскими инженерами. Это фонари на солнечных батареях, которые производят больше энергии, чем потребляют.

Солнечными элементами покрывается вся поверхность столба. У его основания располагается инвертор, преобразующий постоянный ток в переменный, который «скармливается» общей энергосети. Днём «Солнечные мачты» (доступные высоты: 8, 10 и 12 метров) переправляют собираемую энергию в сеть, а ночью обращаются к ней за питанием.

Такие фонари уже введены в эксплуатацию в столицах Дании и Англии. Каждая копенгагенская восьмиметровая «лампа» выдаёт в общую сеть порядка 250 киловатт-часов в год. Номинальная выходная мощность солнечных ячеек такой мачты составляет 480 ватт, а у 12-метровой достигает 720 ватт. Этот подход выглядит более рациональным, чем создаваемые и апробируемые в разных странах в последние годы автономные уличные фонари с солнечными элементами и аккумуляторами. Последние не могут вырабатывать излишки электричества, а тратят всё на себя, и к тому же - довольно дороги не только из-за солнечных ячеек, но и из-за батарей, что не вписывается в концепцию интеллектуальной сети.

На сегодняшний день идея построения «энергоинтернета» может казаться неосуществимой. Но результаты моделирования доказывают возможность ее реализации и значительное повышение эффективности использования электроэнергии, что является основной целью Smart Grid. Внедрение в эксплуатацию устройств, описанных выше, можно считать началом реализации идеи «энергоинтернета» на практике.

Заключение

В работе исследованы сети передачи электроэнергии c несколькими потребителями и поставщиками, организованные в соответствии с концепцией Smart Grid. Построена имитационная модель пакетной распределительной сети электрической мощности. Показана возможность индивидуализации потоков мощности от различных источников к каждому потребителю: предложена схема расположения в сети приборов учета, показания которых необходимы для решения данной задачи, а также, сам алгоритм расчетов. Таким образом, подтверждена возможность исключения промежуточных инстанций (сбытовых компаний) при расчетах на рынке электроэнергии.

Определены базовые процессы взаимодействия участников рынка: предложена модель их информационного взаимодействия, варианты документов; оценен объем передаваемой информации и необходимая дополнительная пропускная способность сети.

В работе оценены дополнительные мощности генерации для компенсации потерь в системе со многими потребителями, а также оценена эффективность использования накопителей в сети передачи электроэнергии на стороне конечного пользователя. В заключительной части показана возможность организации энергоинтернета для передачи мощности на значительные расстояния в сетях, построенных на основании технологий Smart Grid.

Список литературы

1. Крылов В.В., Лоскутов А.Б., Пономарев Д.М. «Распределенная энергетика. Новый подход к построению распределенных электрических сетей».//Электричество, М. (в печати)

2. Renz B. Broadband over power lines (BPL) could accelerate the transmission Smart Grid. - DOE/NETL-2010/1418, National Energy Technology Laboratory, US Department of Energy, 2010.

3. The Smart Grid Reliability Bulletin. - ABB White Paper, North American Corporate Headquarters, 2009

4. http://epri.com/ - EPRI

5. http://smartgrids.eu/

6. http://www.e-m.ru/ - журнал «ЭнергоРынок»

7. http://www.np-ats.ru/ - НП «Совет рынка»

8. http://en.wikipedia.org/wiki/Smart_grid

9. http://www.cleandex.ru/articles/2011/01/20/smart_grid_market

10. http://www.galvinpower.org/resources/microgrid-hub/microgrid-resources

11. Why the Smart Grid must be based on IP standards. - blog.ds2.es/ds2blog/2009/05/why-smart-grid-must-use-ip-standards.html

12. http://www.branan.ru/godies/pubs/203/

13. http://www.membrana.ru/particle/15794

14. Журнал «ЭнергоЭксперт», №01, 2011

15. Материалы IEEE Smart Grid Webinar 24 june 2010

Размещено на Allbest.ru


Подобные документы

  • Проблемы современных энергосистем предприятий. Процесс внедрения систем энергосбережения на базе концепции Smart Grid в виде диаграммы Ганта. Детальное рассмотрение проекта по финансам: заработная плата сотрудников и затраты на приобретение оборудования.

    курсовая работа [474,6 K], добавлен 08.10.2013

  • Проблемы, связанные с качественным и количественным обеспечением электроэнергией. Принцип работы интеллектуальной электрической сети Smart Grid. Энергокластерная экономика и новейшие технологии для интеллектуальных сетей, перспективы их развития.

    отчет по практике [36,6 K], добавлен 08.10.2013

  • История развития электросетей, возможности их модернизации. Необходимость оптимизации энергопотребления. Происхождение термина "умная сеть". Ранние технологические инновации. Технология сетей "Smart Grid" и интеллектуальные приборы. Опыт внедрения систем.

    реферат [984,1 K], добавлен 09.07.2015

  • Разработка алгоритма и программы, реализующей расчет нагрузочных потерь активной мощности и электроэнергии. Использование среднеквадратического тока линии. Учет параметров П-образной схемы замещения. Определение суммарных годовых потерь электроэнергии.

    курсовая работа [3,4 M], добавлен 28.08.2013

  • Классификация потерь в системе электроснабжения промышленного предприятия. Влияние коэффициента мощности сети на потери электроэнергии. Пути уменьшения потерь в системе электроснабжения промышленных предприятий за счет компенсации реактивной мощности.

    дипломная работа [2,4 M], добавлен 08.06.2017

  • Расчет электрических нагрузок. Коэффициент мощности. Расчетные токи. Компенсация реактивной мощности. Выбор потребительских подстанций. Расчет потерь электроэнергии в трансформаторе, газовое потребление электрической энергии. Сопротивление заземления.

    курсовая работа [204,7 K], добавлен 31.03.2018

  • Структура электрических сетей, их режимные характеристики. Методика расчета потерь электроэнергии. Общая характеристика мероприятий по снижению потерь электроэнергии и определение их эффективности. Зависимость потерь электроэнергии от напряжения.

    дипломная работа [2,0 M], добавлен 18.04.2012

  • Определение токов в элементах сети и напряжений в ее узлах. Расчет потерь мощности в трансформаторах и линиях электропередач с равномерно распределенной нагрузкой. Приведенные и расчетные нагрузки потребителей. Мероприятия по снижению потерь мощности.

    презентация [66,1 K], добавлен 20.10.2013

  • Определение осветительной нагрузки цехов, расчетных силовых нагрузок. Выбор числа и мощности цеховых трансформаторов с учетом компенсации реактивной мощности. Определение потерь мощности и электроэнергии. Выбор параметров схемы сети электроснабжения.

    курсовая работа [4,4 M], добавлен 14.06.2015

  • Выбор ориентировочных значений номинального напряжения и вариантов конфигурации электрической сети. Расчет потерь мощности в трансформаторах подстанций. Определение технико-экономических показателей радиальной, радиально-магистральной и кольцевой сетей.

    курсовая работа [527,3 K], добавлен 14.03.2015

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.