Моделирование энергосистемы - Power system simulation

Моделирование электроэнергетической системы включает моделирование энергосистемы и сетевое моделирование для анализа электроэнергетических систем с использованием проектных / автономных данных или данных в реальном времени. Программное обеспечение для моделирования энергосистем - это класс программ компьютерного моделирования , которые фокусируются на работе электроэнергетических систем. Эти типы компьютерных программ используются в широком диапазоне проектных и эксплуатационных ситуаций для электроэнергетических систем.

Приложения моделирования энергосистемы включают: долгосрочное планирование расширения производства и передачи, краткосрочное операционное моделирование и анализ рынка (например, прогноз цен). Эти программы обычно используют математические методы оптимизации , такие как линейное программирование , квадратичное программирование и смешанное целочисленное программирование .

Можно смоделировать несколько элементов энергосистемы. В исследовании потока мощности рассчитывается нагрузка на линии электропередачи и мощность, необходимая для выработки на генерирующих станциях, с учетом требуемых нагрузок, которые должны обслуживаться. Исследование короткого замыкания или анализ неисправностей вычисляет ток короткого замыкания, который может протекать в различных точках исследуемой системы, для коротких замыканий между фазами или от проводов под напряжением к земле. Исследование координации позволяет выбрать и настроить защитные реле и предохранители для быстрого устранения короткого замыкания при минимальном воздействии на остальную часть энергосистемы. Исследования переходной или динамической стабильности показывают влияние таких событий, как внезапные изменения нагрузки, короткое замыкание или случайное отключение нагрузки на синхронизацию генераторов в системе. Исследования гармоник или качества электроэнергии показывают влияние нелинейных нагрузок, таких как освещение, на форму волны в энергосистеме и позволяют дать рекомендации по уменьшению серьезных искажений. Исследование оптимального потока мощности устанавливает наилучшую комбинацию выходной мощности электростанции для удовлетворения заданных требований к нагрузке, чтобы минимизировать производственные затраты при сохранении желаемой стабильности и надежности; такие модели могут обновляться в режиме, близком к реальному времени, чтобы дать системным операторам указания по наиболее экономичному способу диспетчеризации .

Существует множество пакетов программного обеспечения для моделирования энергопотребления в коммерческих и некоммерческих формах, которые варьируются от программного обеспечения для коммунальных предприятий до инструментов для обучения.

Расчет расхода нагрузки

Расчет потока нагрузки является наиболее распространенным инструментом сетевого анализа для изучения ненарушенной и нарушенной сети в рамках оперативного и стратегического планирования.

Используя топологию сети, параметры линии передачи, параметры трансформатора, расположение и ограничения генератора, а также расположение и компенсацию нагрузки, расчет потока нагрузки может обеспечить величины и углы напряжения для всех узлов и нагрузку компонентов сети, таких как кабели и трансформаторы. С помощью этой информации можно проверить соответствие эксплуатационным ограничениям, например, установленным диапазонами напряжения и максимальными нагрузками. Это, например, важно для определения пропускной способности подземных кабелей, где также необходимо учитывать влияние жгута кабелей на нагрузочную способность каждого кабеля.

Благодаря способности определять потери и распределение реактивной мощности, расчет потока нагрузки также помогает инженеру-проектировщику в исследовании наиболее экономичного режима работы сети.

При переходе от одно- и / или многофазных ячеистых сетей низкого напряжения к изолированным сетям расчет нагрузки-расхода имеет важное значение по эксплуатационным и экономическим причинам. Расчет расхода нагрузки также является основой всех дальнейших исследований сети, таких как запуск двигателя или исследование запланированных или внеплановых отключений оборудования в рамках моделирования простоя.

Результаты расчета расхода нагрузки, особенно при исследовании запуска двигателя, дают полезные подсказки, например, о том, можно ли запустить двигатель, несмотря на падение напряжения, вызванное пусковым током.

Анализ короткого замыкания

Анализ короткого замыкания анализирует поток энергии после возникновения неисправности в электросети. Неисправностями могут быть трехфазное короткое замыкание, однофазное заземление, двухфазное короткое замыкание, двухфазное заземление, однофазный разрыв, двухфазный разрыв или комплексные повреждения. Результаты такого анализа могут помочь определить следующее:

1. Величина тока короткого замыкания
2. Мощность автоматического выключателя
3. Повышение напряжения в одной линии из-за замыкания на землю
4. Остаточное напряжение и настройки реле
5. Помехи из-за линии электропередачи.

Моделирование переходной устойчивости

Целью моделирования устойчивости энергосистем в переходных процессах является анализ устойчивости энергосистемы от долей секунды до нескольких десятков секунд. Стабильность в этом аспекте - это способность системы быстро возвращаться в стабильное рабочее состояние после воздействия возмущения, такого как, например, падение дерева над воздушной линией, что приводит к автоматическому отключению этой линии ее системами защиты. С инженерной точки зрения энергосистема считается стабильной, если уровни напряжения на подстанции и скорости вращения двигателей и генераторов быстро и непрерывно возвращаются к своим нормальным значениям.

Рисунок 1. Указывает допустимое время, в течение которого напряжения в сети возвращаются к заданным уровням, которые могут варьироваться в зависимости от величины нарушения напряжения.

В моделях обычно используются следующие входные данные:

• Количество, размер и тип генераторов с любыми доступными механическими, электрическими и управляющими (регулятор, регулировка напряжения и т. Д.) Параметрами,
• сочетание бытовой, коммерческой и промышленной нагрузки на каждом автобусе,
• расположение и технические характеристики устройств распределенного управления, таких как трансформаторы с переключением ответвлений, переключаемая компенсация шунта, статические компенсаторы Var, гибкие системы передачи переменного тока и т. д.,
• расположение и технические характеристики устройств защиты, таких как реле и устройства отключения нагрузки, а также
• расположение и характеристики любых других соответствующих устройств управления и / или защиты.

Приемлемое время, в течение которого напряжения сети возвращаются к заданным уровням, зависит от величины нарушения напряжения, и наиболее распространенный стандарт определяется кривой CBEMA на рисунке. 1. Эта кривая используется для представления данных о конструкции электронного оборудования и стабильности сети.

Обязательство единицы

Проблема приверженности блока включает поиск наименее затратного распределения имеющихся генерирующих ресурсов для удовлетворения электрической нагрузки.

Ресурсы для генерации могут включать в себя широкий спектр типов:

1. Ядерная
2. Тепловой (с использованием угля, газа, других ископаемых видов топлива или биомассы )
3. Возобновляемые источники энергии (включая гидроэнергетику, ветер, энергию волн и солнечную энергию)

Ключевые переменные решения, которые определяет компьютерная программа:

1. Уровень генерации (в мегаваттах)
2. Количество энергоблоков на

Последние решения являются двоичными {0,1}, что означает, что математическая задача не является непрерывной.

Кроме того, генерирующие установки подвержены ряду сложных технических ограничений, в том числе:

1. Минимальный стабильный рабочий уровень
2. Максимальная скорость увеличения или уменьшения
3. Минимальный период времени устройство вверх и / или вниз

У этих ограничений есть много разных вариантов; все это порождает большой класс задач математической оптимизации .

Оптимальный поток мощности

Электроэнергия течет через сеть переменного тока в соответствии с законами Кирхгофа . Линии электропередачи подчиняются тепловым ограничениям (простые ограничения в мегаваттном потоке), а также ограничениям по напряжению и электрической стабильности .

Имитатор должен рассчитать потоки в сети переменного тока, возникающие в результате любой заданной комбинации включения блока и выдачи мегаватт генератора, и убедиться, что потоки в сети переменного тока находятся в пределах как тепловых пределов, так и ограничений по напряжению и стабильности. Это может включать непредвиденные обстоятельства, такие как потеря любого одного элемента передачи или генерации - так называемый оптимальный поток мощности с ограничениями безопасности (SCOPF), и если обязательство блока оптимизировано внутри этой структуры, у нас есть обязательство блока с ограничением безопасности (SCUC ).

В оптимальном потоке мощности (OPF) обобщенная скалярная цель, которую необходимо минимизировать, задается следующим образом:

${\ displaystyle f (u_ {0}, x_ {0})}$

где u - набор управляющих переменных, x - набор независимых переменных, а индекс 0 указывает, что переменная относится к энергосистеме на случай непредвиденных обстоятельств.

SCOPF ограничен ограничениями равенства и неравенства. Пределы ограничения равенства задаются уравнениями потока мощности до и после чрезвычайной ситуации, где k относится к k- му случаю непредвиденной ситуации:

${\ displaystyle g ^ {k} (u ^ {k}, x ^ {k}) = 0 \ qquad {\ text {for}} k = 1,2, \ ldots, n \,}$

Пределы оборудования и эксплуатации задаются следующими неравенствами:

${\ Displaystyle U _ {\ min} ^ {k} \ leq U ^ {k} \ leq U _ {\ max} ^ {k} \,}$ представляют собой жесткие ограничения на средства управления

${\ displaystyle h _ {\ min} ^ {k} \ leq X ^ {k} \ leq X _ {\ max} ^ {k} \,}$ представляет жесткие / мягкие ограничения на переменные

${\ displaystyle h ^ {k} (u ^ {k}, x ^ {k}) \ leq 0 {\ text {for}} k = 0,1, \ ldots, n \,}$ представляет другие ограничения, такие как пределы реактивного резерва

Целевая функция в ОБТК может принимать различные формы, связанные с величинами активной или реактивной мощности, которые мы хотим минимизировать или максимизировать. Например, мы можем пожелать минимизировать потери при передаче или минимизировать реальные затраты на выработку электроэнергии в энергосети.

Другие методы решения потока мощности, такие как стохастическая оптимизация, включают неопределенность, обнаруженную при моделировании энергосистем, с использованием распределений вероятностей определенных переменных, точные значения которых неизвестны. Когда присутствуют неопределенности в ограничениях, например, для оценок динамических линий, можно использовать оптимизацию с ограничениями по шансам, когда вероятность нарушения ограничения ограничена определенным значением. Другой метод моделирования изменчивости - это метод Монте-Карло , в котором различные комбинации входных и результирующих выходов рассматриваются на основе вероятности их появления в реальном мире. Этот метод может быть применен к моделированию безопасности системы и риска обязательств блока, и он все чаще используется для моделирования вероятностного потока нагрузки с возобновляемой и / или распределенной генерацией.

Модели конкурентного поведения

Стоимость производства мегаватта электроэнергии зависит от:

1. цена на топливо
2. эффективность генерации (скорость, с которой потенциальная энергия топлива преобразуется в электрическую)
3. затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание

В дополнение к этому, генерирующая установка несет постоянные затраты, включая:

1. затраты на строительство завода, и
2. постоянные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание

Предполагая совершенную конкуренцию , рыночная цена на электроэнергию будет основываться исключительно на затратах на производство следующего мегаватта энергии, так называемых краткосрочных предельных затратах (SRMC). Однако этой цены может быть недостаточно для покрытия постоянных затрат на производство электроэнергии, и поэтому цены на рынке электроэнергии редко отражают чисто SRMC. На большинстве устоявшихся рынков электроэнергии производители могут свободно предлагать свои генерирующие мощности по ценам по своему выбору. Конкуренция и использование финансовых контрактов удерживают эти цены на уровне, близком к SRMC, но неизбежно возникают предложения цены выше SRMC (например, во время энергетического кризиса 2001 года в Калифорнии ).

В контексте моделирования энергосистемы был применен ряд методов для моделирования несовершенной конкуренции на рынках электроэнергии:

1. Конкуренция Курно
2. Конкурс Бертрана
3. Равновесие функции предложения
4. Анализ индекса остаточного предложения

К этой проблеме также применялись различные эвристики . Цель состоит в том, чтобы дать реалистичные прогнозы цен на рынке электроэнергии с учетом прогнозируемой ситуации спроса и предложения.

Долгосрочная оптимизация

Долгосрочная оптимизация энергосистемы направлена ​​на оптимизацию многолетнего плана расширения и вывода из эксплуатации объектов генерации, передачи и распределения. Задача оптимизации, как правило, будет учитывать долгосрочный инвестиционный денежный поток и упрощенную версию OPF / UC (обязательство блока), чтобы обеспечить безопасную и экономичную работу энергосистемы. Эту область можно разделить на следующие категории:

1. Оптимизация расширения генерации
2. Оптимизация расширения трансмиссии
3. Совместная оптимизация расширения генерации и передачи
4. Оптимизация торговой сети

Спецификации исследования

Четко сформулированное требование к исследованию энергосистем имеет решающее значение для успеха любого проекта, так как оно снижает сложность выбора квалифицированного поставщика услуг и правильного программного обеспечения для анализа. Спецификация исследования системы описывает объем проекта, типы анализа и требуемый результат. Спецификация исследования должна быть написана в соответствии с требованиями конкретного проекта и отрасли и будет варьироваться в зависимости от типа анализа.

Программное обеспечение для моделирования энергосистемы

MAPS (Multi-Area Production Simulation) General Electric - это имитационная модель производства, используемая различными региональными передающими организациями и независимыми системными операторами в США для планирования экономического воздействия предлагаемых объектов передачи и генерации электроэнергии в оптовой торговле электроэнергией, регулируемой FERC. рынки. Части модели также могут использоваться для фазы принятия и отправки (обновляется с 5-минутными интервалами) при работе оптовых рынков электроэнергии для регионов RTO и ISO. PROMOD от АББ - аналогичный пакет программного обеспечения. В этих регионах ISO и RTO также используется программный пакет GE под названием MARS (Multi-Area Reliability Simulation), чтобы обеспечить соответствие энергосистемы критериям надежности (ожидаемая потеря нагрузки (LOLE) не более 0,1 дня в год). Кроме того, пакет программного обеспечения GE под названием PSLF (поток нагрузки с положительной последовательностью), программные пакеты Siemens под названием PSSE (моделирование энергосистемы для проектирования), а также PSS SINCAL (сетевой калькулятор Siemens) и программа анализатора электрических переходных процессов (ETAP) от Operation Technology Inc. .. анализирует поток нагрузки в энергосистеме на предмет коротких замыканий и устойчивости во время предварительных плановых исследований, проводимых RTO и ISO.

использованная литература