Sistemų valdymo ir automatizavimo laboratorija (21)

Laboratorijos vadovas

Virginijus Radziukynas, Dr.
(Technologijos mokslai)

Breslaujos g. 3, LT-44403 Kaunas

Tel.: 8-37-401943
Faks.: 8-37-351271
Virginijus.Radziukynas@lei.lt



Informacinė brošiūra anglų kalba
Informacinė brošiūra rusų kalba


Pagrindinės laboratorijos tyrimų kryptys:
 
  energetikos sistemų ir tinklų matematinis modeliavimas ir valdymo problemų tyrimas;
  energetikos sistemų informacinių ir valdymo sistemų modeliavimas ir optimizavimo tyrimai.
 
Elektros energetikos sistemos (EES) yra vienos sudėtingiausių techninių ir organizacinių sistemų, apimančios generatorius, elektros tinklus ir vartotojus bei dirbančios tarpusavyje sinchroniškai, t. y. bendru režimu ir vienodu srovės dažniu didelėse teritorijose. EES darbo režimai, apibūdinami energijos, srovių, galių, įtampų, dažnio, fazinių kampų ir kitais parametrais, pasižymi nuolatine kaita. Režimus reikia tinkamai valdyti, kad jie neviršytų leistinų parametrų ribų, ir tai yra EES operatoriaus pagrindinis uždavinys. Valdymas yra gana sudėtingas uždavinys net normalių režimų atveju, o neretai sistemose susidaro įtempti režimai, kartais – avariniai ir poavariniai, kuriuos valdyti būna daug sunkiau. Nesuvaldyti režimai gali baigtis stabilumo praradimu, įtampų griūtimi ir sistemos atskirų dalių ar visišku užgesimu. Valdyti sistemas ir tinklus bei saugoti juos nuo avarijų operatoriams padeda sisteminė ir priešavarinė automatika su relinėmis apsaugomis ir įvairiais skaitmeniniais valdikliais, taip pat parametrų duomenų perdavimo realiu laiku sistemos, jungiančios generatorius ir tinklų pastotes su dispečerinio valdymo centrais.
Operatoriai valdymo priemones (įrenginių perjungimų planus, automatikos nuostatus, dispečerinio valdymo signalus) rengia remdamiesi EES modeliavimu, t. y. jos režimų skaičiavimais. Tai veikla, kuriai reikia daug mokslo žinių ir metodų išmanymo kuriant skaičiavimo algoritmus, vertinimo metodikas ir analizės procedūras.


1 pav. Elektros sistemų ir tinklų matematinio modeliavimo schema

Šiuolaikinių EES raidoje ryškėja daugnaujų pokyčių. Tarpsisteminė elektros prekyba plečiasi geografijair apimtimi,. Elektros energijos gamyba tampa švaresnė dėl didėjančios atsinaujinančiais ištekliais grindžiamos generacijos. Dėl šių veiksnių iškyla režimų nebalansų, tinklų perkrovų ir dinaminio nestabilumo rizika. Sumažinti riziką padės išmaniųjų tinklų technologijos. Tik jų infrastruktūroje efektyviai veiks bendra Europos elektros rinka. Į ją įsilies daug smulkiųjų generacijos šaltinių (pirmiausia saulės ir vėjo elektrinių). Tada tradicinis pasyvus skirstomasis tinklas (prijungtiems prie jo vartotojams persiunčiantis iš perdavimo tinklo gaunamą energiją) taps aktyviu – persiųs smulkiųjų šaltinių pagamintą energiją ir į perdavimo tinklą. Rinkoje atsiras daug aktyvių vartotojų, kurie lanksčiai keis savo vartojimą/apkrovą ir turės savo mikrogeneracijos šaltinius (pastarieji vartotojai vadinami ,,prozumeriais" (angl. prosumers) arba gaminančiais vartotojais (angl. self-consuming producers). Tinkle atsiras smulkių energijos kaupiklių, pirmiausia elektros baterijų. Dėl to išmaniajam tinklui prireiks naujų paslaugų, kurias teiks nauji verslai, kurie sukurs naujas darbo vietas.

Kuriant išmanųjį tinklą, iškyla techninių, ekonominių ir organizacinių iššūkių:
Pažymėtina, kad šiuo metu nė vienoje šalyje nėra „pilna apimtimi“ įdiegto išmanaus tinklo, o tik atskiri, daliniai sprendimai kai kuriems tinklo posistemiams.

Sistemų valdymo ir automatizavimo laboratorija siūlo šias tyrimų, ekspertizės ir inovacijų paslaugas:


Sistemų valdymo ir automatizavimo laboratorija atlieka tyrimus šiose srityse:


2 pav.  Laboratorijos naudojamas EES režimų skaičiavimo matematinis modelis


3 pav. Jungtinės EES aktyviosios galios ir dažnio reguliavimo struktūrinė schema


Europos Komisijos rengiamas energetikos politikos dokumentų rinkinys „Žiemos paketas“ aiškiai brėžia EES raidos kryptį į paskirstytą generaciją. Tai reiškia, kad mažės tradicinių didelių elektrinių svarba. Daugės smulkių elektrinių, pasiskirsčiusių visoje EES teritorijoje. Tokios elektrinės jungiamos prie skirstomųjų tinklų. Taip iš esmės keičiasi skirstomųjų tinklų paskirtis – jie ne tik skirstys iš perdavimo tinklo gaunamą energiją vartotojams, bet ir persiųs į jį pasiskirsčiusių elektrinių gaminamą energiją.

Įvertinusi šią tendenciją, laboratorija nuo 2015 m. vykdo trimetį valstybės biudžeto lėšomis finansuojamą darbą Išmanaus elektros skirstomojo tinklo darbo režimų planavimas. Toks planavimas tampa būtina tinklų operatoriaus (dispečerio, planuotojo) darbo dalimi. Operatorius parengia kitai parai tinklo režimų valdymo planą „diena-prieš“. Tai parengiamasis darbas tinklo režimųvaldymui realiu laiku.

Darbo režimas nusakomas įtampomis (kV – kilovoltais) tinklo taškuose ir galios srautais (kW – kilovatais, kVA –kilovoltamperais) arba srovėmis (A – amperais) linijose ir transformatoriuose. Režimas turi būti techniškai leistinas, tai yra įtampos negali būti per aukštos arba per žemos, o srautai (srovės) – per dideli, kitaip tinklo relinė apsauga, saugodama tinklą ir prie jo prijungtus vartotojų imtuvus, automatiškai išjunginės atskiras tinklo dalis ir paliks vartotojus be elektros energijos.

Tinklo režimą lemia jo konfigūracija (elektrinės grandinės schema), vartotojų apkrovų ir generacijos dydžiai. Apkrovos ir atsinaujinančių išteklių elektrinių generacijos nuolat kinta, ir kitimui nusakyti imamos vidutinės valandinės jų reikšmės. Operatorius įveda į 10 kV tinklo kompiuterinį modelį prognozuojamas apkrovas ir generacijas bei skaičiuoja kiekvienos valandos režimą. Jeigu tinklo režimas pasirodo būsiantis neleistinas, operatorius parenka režimo koregavimo priemones, įveda jas į kompiuterinį modelį ir perskaičiuoja. Gavęs teigiamą rezultatą, įtraukia koreguojančias priemones į sekančios paros tinklo režimų valdymo planą.

Jeigu koregavimo priemonėmis režimo pataisyti nepavyksta, operatorius imasi kraštutinių priemonių – numato dalies apkrovų ar generacijos išjungimą.

Sudarytu paros planu operatorius vadovaujasi valdydamas tinklą realiu laiku. Dienos eigoje jis gali atsižvelgti į tikslesnes meteorologų prognozes ir neplanuotus tinklo konfigūracijos, vartotojų apkrovų pokyčius, bei atlikti ir tikslinimą iki pat einamosios valandos.

Plano sudarymo pagrindas – apkrovų ir generacijų valandinės prognozės „diena-prieš“. Vėjo ir saulės elektrinių (VE, SE) generacijoms nustatyti, laboratorija rėmėsi statistiniais vėjo greičių (m/s) ir saulės spinduliuotės (W/m2) prognozavimo modeliais WIND-MET ir RAD-DIST. Pirmasis yra originalus laboratorijoje sukurtas matematinis modelis. Antrasis – tai JAV Nacionalinės atsinaujinančios energetikos laboratorijos (angl. NREL, National Renewable Energy Laboratory) sukurta skaičiuoklė-programa PVWatts®. Abu modeliai testuoti Lietuvos klimato sąlygoms, gautos prognozavimo paklaidos mažesnės nei daugumos literatūroje aprašytų modelių.


5 pav. Prognozuojamas ir faktinis vėjo greičio kitimas

Jungtinėje atsinaujinančių išteklių elektrinių generacijos ir apkrovos prognozavimo metodikoje RES-LOAD-DIST prognozavimo modeliai RAD-DIST ir vartotojų apkrovų LOAD-DIST susiejami į jungtinį modelį.

Sudarytos režimų planavimo metodikos DAY-AHEAD-DIST matmenys. Metodika susideda iš šių komponentų:
Svarbu pastebėti, kad šioje metodikoje numatyta, kad operatorius galės pasinaudoti labai perspektyvia apkrovos atsako paslauga –pagal nusiųstą vartotojams signalą galės lanksčiai keisti jų apkrovas.


6 pav.  Jungtinis atsinaujinančių išteklių elektrinių generacijos
ir apkrovos prognozavimo matematinis modelis RES-LOAD-DIST



2016 m. laboratorija baigė vykdyti darbą Priemonių parinkimas siekiant sumažinti neigiamą viršįtampių įtaką/poveikį AB ESO elektros skirstomajam tinklui (kartu su Kauno technologijos universiteto kolegomis). Šioje studijoje apžvelgtos apsaugos nuo viršįtampių skirstomuosiuose tinkluose priemonių – viršįtampių ribotuvų, iškroviklių, registratorių – techninės charakteristikos, atlikta užsienio šalių praktikos lyginamoji analizė. Techniškai-ekonomiškai įvertintos viršįtampių mažinimo priemonės, parengtos rekomendacijos viršįtampiams riboti Lietuvos elektros skirstomuosiuose tinkluose.


8 pav.  Viršįtampių vertinimas elektros skirstomajame tinkle

Šiame tyrime taikytas modernus požiūris – įvertinta įrenginių sugadinimo dėl viršįtampių rizika. Tai tikimybinis dydis, nusakomas įrenginio vertės ir sugadinimo tikimybės sandauga. 10 kV transformatoriams rizikos kainos dydis labiausiai priklauso nuo transformatoriaus galios ir jungiančiosios linijos iki viršįtampio pradžios taško ilgio (žr. pav. Rizikos vertinimas). Skaičiavimo rezultatai tik patvirtino viršįtampių ribotuvų naudojimo tikslingumą ir jų ekonominį efektą. Pateiktas rizikos kainos ir viršįtampių ribotuvų atsiperkamumo vertinimas.



Vykdant ilgalaikės institucinės programos Energetikos sektoriaus plėtros ekonominė ir darnumo analizė projektą, 2016 m. baigta kurti dažnio ir galios reguliavimo rezervų (toliau – aktyviosios galios rezervų arba rezervų) rinkos koncepcija Baltijos elektros energetikos sistemai (EES), apimanti du taikymo laikotarpius:
  1. Nuo dabar iki 2025 m., esant asinchroniniam ryšiui (jungčiai LitPol Link1) tarp Baltijos EES ir KET (ENTSO-E);
  2. Nuo 2025 m. iki 2030-2035 m., esant sinchroniniam ryšiui (per jungtis LitPol Link1 ir LitPol Link2).
Parengtoje koncepcijoje patikimumas siejamas su paties rezervo teikėjo (generatoriaus), tarpsisteminių jungčių ir atskirų EES patikimumu.
Kiekvienas laikotarpis skirstytas į 2 rinkos plėtros etapus.

Rinkos koncepcijos 1-uoju laikotarpiu numatyta sukurti Baltijos balansavimo paslaugų regioną, apimantį Lietuvos, Latvijos ir Estijos EES. Šios sistemos savo galias susibalansuoja valandos intervaluose kiekviena atskirai. Rezervinėmis galiomis ir energija jos padengia neplanuotus n-1 tipo nebalansus, remontiniuose režimuose numatomą galios deficitą ir avarijų sukeltus deficitus.

Rinkos koncepcijos 2-uoju laikotarpiu, pradedant maždaug 2025 m., Baltijos balansavimo paslaugų regionas bus plečiamas sinchroninių jungčių kryptimi į Lenkiją ir jos kaimynes, taigi, pailgės rezervo paslaugos perdavimo maršrutai ir padaugės pretendentų į paslaugos teikėjus. Todėl atskiras Baltijos regiono operatorius nepajėgs numatyti ir pretenduojančių generatorių, ir jų rezervo paslaugos perdavimo maršrutų patikimumo. Tam reikės sukurti informacinę paramos prekybai rezervais platformą, apimančią naująjį Baltijos balansavimo paslaugų regioną, įskaitant Lenkiją (ir jos kaimynes).


10 pav. Prekyba aktyviosios galios rezervais operatoriaus TSO-A aukcione



Pagal sutartį su AB „ORLEN Lietuva“ laboratorija vykdė tiriamąjį darbą Šiluminės elektrinės 6 kV uždaros skirstyklos pakeitimo tyrimas. Darbo tikslas buvo išnagrinėti skirstyklos plėtros alternatyvas ir įvertinti elektros variklių savilaidos galimybes iš naujai projektuojamos 6kV skirstyklos. Nagrinėtos dvi alternatyvos:
Alternatyvos palygintos techniniu ir ekonominiu požiūriu pagal įrangos kainų ir statybinės dalies, paleidimo/derinimo darbų ir aptarnavimo darbų sąnaudų skirtumus 20-čiai metų. Pagal parinktą alternatyvą bus projektuojamas pastatas naujai 6 kV skirstyklai, įrengiant jame šildymą, vėdinimą, kondicionavimą, apšvietimą, įžeminimą, priešgaisrinę signalizaciją ir kitą būtiną įrangą.
Variklių savilaidos dalyje buvo tiriama, kokio sunkumo avarinius trikdžius, sukeltus trumpųjų jungimų 6 kV tinkle, varikliai atlaikytų – t.y. išvengtų sustojimo ir atgautų normalų sukimosi greitį.


11 pav.  Uždaros skirstyklos, maitinančios 6-10 kV elektros variklius, schema

   Skirstyklos alternatyvų dalyje pateikta rekomendacija rinktis GIS variantą. Jis patrauklesnis dėl mažesnių skirstyklos montavimo ir eksploatavimo sąnaudų, nors pati skirstyklos įranga gali būti ir brangesnė. Vis dėlto, lemiamu argumentu siūloma laikyti ne minėtas sąnaudas, bet ekonominę, , riziką dėl galimų technologinių procesų sutrikdymo. Avarijos metu  išsijungus skirstyklos narvelių jungtuvams, įmonėje gali įvykti technologinės prastovos. Kadangi prastovų žala būtų daug didesnė nei variantų sąnaudų skirtumas (tarp GIS ir AIS), pirmenybė vienareikšmiškai teiktina gerokai patikimesniam GIS variantui.
   Savilaida yra normalus variklio darbo savaiminio atsikūrimo procesas, kai darbas buvo trumpam nutrūkęs dingus maitinimui (atjungus maitinimo šaltinį arba dėl trumpo jungimo sumažėjus ar visai dingus įtampai). Savilaidos uždavinys – neleisti, kad masiškai išsijungtų varikliai, ir užtikrinti nenutrūkstamą vartotojų maitinimą.
   Savilaida laikoma sėkminga, jei esant pažemintai įtampai variklio sukimo momento pakanka, kad įsuktų prijungtą darbo mechanizmą iki vardinių sūkių, bet su sąlyga, kad neperkais variklio apvijos. Savilaidos tyrimas atliktas specialia programa modeliuojant pereinamuosius procesus.

 
 
12 pav.  Kampo kitimas 6 kV elektros variklių gnybtuose sėkmingos savilaidos atveju
po trumpojo jungimo maitinančios pastotės šynose


Skaityti antrąją laboratorijos aprašo dalį >>>

Toliau skaitykite:

Dalyvavimas tarptautiniuose projektuose (Horizontas 2020)
Narystė tarptautinėse organizacijose
Kiti tarptautiniai ir regioniniai projektai