Проблемы анализа ошибок в интеграции распределенных энергетических ресурсов

Ускоряющаяся интеграция распределенных энергетических ресурсов (DER) - в том числе солнечных фотоэлектрических (PV) систем на крыше, ветровых турбин, аккумуляторных батарей, зарядных устройств электромобилей и микротурбин - меняет электрическую сеть. К концу 2023 года установленная мощность солнечных фотоэлектрических установок в мире превысила 1,2 тераватт, а мощность ветровых систем превысила 900 гигаватт, причем распределенные системы обеспечивают растущую долю. Это быстрое развертывание приносит экологические и экономические выгоды, но также вводит беспрецедентную сложность в поддержании стабильности и надежности сети. Одной из наиболее важных функций, на которую влияет высокое проникновение DER, является анализ неисправностей - процесс обнаружения, классификации и определения местоположения электрических неисправностей для обеспечения быстрой изоляции и восстановления. Традиционные методы анализа неисправностей были разработаны для радиальных, однонаправленных потоков энергии с централизованной генерацией. Децентрализованный, переменный и двунаправленный характер современных сетей с DER бросает вызов этим методам, требуя новых подходов для обеспечения устойчивости системы.

Основы анализа неисправностей в энергетических системах

Анализ неисправностей, также известный как вычисление неисправностей или анализ короткого замыкания, представляет собой систематическую оценку аномальных электрических условий, таких как разломы линии-к-земле, разломы линии-к-земле и разломы с тремя фазами. Основными целями являются: (1) определение величины токов разлома, (2) определение местоположения и типа неисправности, (3) оценка воздействия на оборудование и стабильность и (4) координация защитных устройств, таких как реле, выключатели и предохранители. В традиционных системах питания - с несколькими большими центральными генераторами и радиальными распределительными сетями - анализ неисправностей опирается на относительно предсказуемые токи разлома от синхронных машин, которые обеспечивают высокие и последовательные токи короткого замыкания. Модели сетевого импеданса хорошо понятны, и координация защиты проста, потому что токи разлома текут от источника к нагрузке в одном направлении. Инженеры используют симметричные компоненты, эквиваленты Тевенина и кривые характеристик времени для установки защитных реле. Эти методы эффективно работают, когда величина

Основные проблемы, связанные с высокой проникновением DER

Переменная и прерывистая

Возобновляемые DER, такие как солнечная энергия и ветер, по своей природе изменчивы и прерывисты. Солнечная мощность может упасть на 50-70% в течение нескольких минут, когда проходят облака, в то время как энергия ветра колеблется с изменением скорости ветра. Эта изменчивость напрямую влияет на ток разлома. DER на основе инвертора (например, солнечные инверторы, инверторы батареи) имеют разные характеристики тока разлома, чем синхронные генераторы. При нормальной работе инверторы ограничивают ток до 1,1-1,2 на единицу для защиты полупроводниковых устройств. Во время разлома инвертор может подавать только 1,2-2 на единицу номинального тока в течение короткого времени, тогда как синхронный генератор может подавать только 1,2-2 на единицу номинального тока в течение короткого времени, в то время как синхронный генератор может поставлять 5-10 на единицу. Следовательно, токи разлома в богатых DER сетях могут быть низкими, переменными и зависящими от условий солнца или ветра в реальном времени. Это делает обнаружение разлома с использованием обычных ре

Децентрализованный контроль и координация

Традиционные сети имеют иерархический контроль — центральные операторы генерируют диспетчерские и управляют неисправностями. DER обычно находятся под контролем прозумеров (производитель-потребители) или сторонних агрегаторов, каждый из которых имеет независимые цели. Координация ответов на неисправности через сотни или тысячи небольших генераторов чрезвычайно сложна. Например, неисправность на распределительном фидере может привести к тому, что некоторые инверторы будут спотыкаться (из-за защиты от оползней), в то время как другие останутся подключенными, изменяя топологию системы в середине неисправности. Без централизованной координации последовательность отключений и переподключений может привести к каскадным отказам или длительным отключениям. Кроме того, многие DER подключены через силовую электронику, которая может проходить через падения напряжения, но может не активно участвовать в очистке от неисправностей, создавая координационные пробелы с существующими устройствами защиты.

Двунаправленные потоки энергии и координация защиты

В традиционной системе радиального распределения потоки мощности от подстанции до нагрузок — одно направление. DER впрыскивают мощность на уровне распределения, вызывая обратные потоки мощности во времена высокой генерации и низкой нагрузки. Этот двунаправленный поток путает обычные схемы защиты от тока, которые имеют направленный характер, но часто устанавливаются с однонаправленными предположениями. Например, если неисправность возникает вверх по течению DER, DER может способствовать обратному току отключения через фидер, потенциально превосходя мгновенные настройки реле вниз по течению и вызывая несогласованность. Координация защиты — оценка времени-тока между первичными и резервными устройствами — становится недействительной, когда ток может течь из нескольких источников в обоих направлениях. Адаптивные реле направленного тока и схемы на основе связи необходимы, но еще не распространены.

Ограниченный мониторинг и доступность данных

В то время как системы передачи получают выгоду от обширных блоков измерения SCADA и фазоров (PMU), распределительные системы - где большинство DER подключены - исторически не имели эквивалентной видимости. Многие DER установлены за счетмером и не наблюдаются непосредственно операторами распределительной системы. Некоторые DER в масштабе коммунальных услуг имеют телеметрию, но жилые и небольшие коммерческие системы часто имеют только базовые инверторные данные (если таковые имеются). Эта ограниченная видимость часто создает слепые пятна для обнаружения неисправностей. Неисправность может возникать на вторичной цепи, которая не сообщает об утилите до вызова клиента. Кроме того, алгоритмы определения местоположения неисправностей, которые полагаются на данные об отставании напряжения или методы волн перемещения, требуют плотного мониторинга для достижения приемлемой точности. Без адекватных данных операторы должны отправлять полевые экипажи для патрулирования длинных секций фидеров, увеличивая продолжительность отключения и затраты. Инициативы Smart grid постепенно улучшают мониторинг, но многие коммунальные службы все еще сталкиваются с пробелами в данных.

Влияние на обнаружение и изоляцию пороков

Ослепление защитных устройств

Ослепление происходит, когда DER уменьшают ток разлома, наблюдаемый восходящими защитными устройствами. Например, на фидере с высоким проникновением PV, PV-системы подают локальные нагрузки и уменьшают чистый ток, текущий с подстанции во время разлома вниз по течению. Если ток разлома падает ниже настройки пикапа фидерного выключателя, выключатель может не спотыкаться - позволяя разлому сохраняться. Ослепление наиболее выражено, когда вклад разлома DER низкий (как с инверторами) и когда DER расположен рядом с нагрузкой. Это может привести к задержке очистки от разлома, увеличению энергии дуговой вспышки и потенциальному повреждению оборудования. Стратегии смягчения включают снижение настроек пикапа (что рискует споткнуться), используя защиту на основе напряжения или реализуя схемы поездок с поддержкой связи, такие как поездка передачи. Согласно исследованию Исследовательского института электроэнергетики, ослепительные эффекты могут увеличить время разминирования на несколько секунд, что неприемлемо для безопасности и защиты оборудования.

Непреднамеренное островитянство

Остров возникает, когда часть сети становится электрически отделенной от основной полезности, но остается под напряжением местных DER. В то время как преднамеренное островитянство может повысить надежность, если правильно спроектировано, непреднамеренное островитянство - вызванное неисправностью, которая изолирована вышестоящими выключателями, но оставляет DER подключенными - представляет серьезную опасность. Качество питания может ухудшиться, частота и напряжение могут отклониться, и возвращение на несинхронизированный остров может вызвать повреждение оборудования и риски безопасности для работников линии. Традиционные схемы обнаружения частоты / напряжения, активного дрейфа частоты или измерения импеданса хорошо работают для простых инверторов, но могут выйти из строя, если нагрузка близко соответствует генерации (зона необнаружения). Высокое проникновение DER увеличивает вероятность островитянства, потому что несколько генераторов могут поддерживать остров более легко. Необходимы передовые методы обнаружения островитян, такие как коммуникационные классификаторы потери ОС (на основе ROCoF, поездка передачи) и классификаторы машинного обучения, которые анализируют переходные сигнатуры. Стандарт IEEE 1547-2018 теперь

Inrush и гармоника

Заряжающие большие компоненты DER — такие как банки трансформаторов, конденсаторы инверторных DC-линков или кабельные сети — могут вызывать высокие токи вводимого тока, которые напоминают токи разлома. Например, когда большая фотоэлектрическая установка подключена к сетке, ток вводимого трансформатора может быть в несколько раз больше номинального тока, длящийся до нескольких циклов. Это может ошибочно запускать реле защиты, предназначенные для обнаружения неисправностей. Аналогично, гармонические искажения от инверторов (особенно во время переходов разлома) могут мешать алгоритмам защиты, которые полагаются на фундаментальные частотные компоненты. Например, некоторые реле перетокового тока используют измерение тока RMS, которое включает в себя гармоники, что приводит к чрезмерной или недостаточной оценке основного тока разлома. Проблемы качества питания также влияют на методы определения местоположения разлома, которые предполагают синусоидальную форму волны. Современные реле защиты включают гармоническую фильтрацию и высокоскоростную выборку для уменьшения ложных поездок, но настройки должны быть тщательно скоординированы с характеристиками DER.

Продвинутые стратегии преодоления проблем анализа ошибок

Улучшенный мониторинг с помощью PMU и интеллектуальных датчиков

Установка блоков измерения фазора (PMU) на ключевых узлах распределения — включая точки подключения DER — обеспечивает синхронизированные, высокого разрешения напряжения и тока фазоры, которые обеспечивают точное обнаружение и местоположение неисправностей. PMU уровня распределения (μPMU) с 1-микросекундной синхронизацией через GPS предлагают угол и величину данных со скоростью 120 образцов в секунду или выше. Это позволяет операторам обнаруживать напряжение провисания и оценивать расстояние неисправности с использованием методов импеданса или анализа движущейся волны. Micro-PMU также могут идентифицировать направление потока мощности неисправности, помогая определить, на какой стороне DER лежит неисправность. Кроме того, интеллектуальные счетчики и линейные датчики с неисправными индикаторами схемы (FCI) возможности могут обеспечить информацию о разбивке по разделам, снижение неопределенности местоположения неисправности. Проблема заключается в стоимости и пропускной способности связи, но снижение цены датчиков и увеличением ширины сетки разведки делает развертывание более осуществимым. Инициатива по модернизации сети Министерства энергетики США профинансировала несколько демонстраций

Адаптивная защита и ретрансляция

Адаптивные схемы защиты автоматически корректируют настройки ретрансляции на основе текущей топологии системы, диспетчеризации генерации и моделей нагрузки. Для богатых DER сетей адаптивные реле могут изменять значения пикапа, временные циферблаты и направленные элементы в режиме реального времени. Например, в периоды высокой солнечной генерации реле может снижать пикап, чтобы предотвратить ослепление; во время низкой генерации он может повышать пикап, чтобы избежать неприятных поездок. Связь между контроллерами DER, системами автоматизации подстанции и реле защиты имеет важное значение. Стандарт IEC 61850 обеспечивает основу для одноранговой связи с использованием сообщений GOOSE для обмена статусом и измерениями. Некоторые поставщики предлагают адаптивные реле сверхтоков, которые могут получать обновления от центральной системы координации защиты или локального краевого контроллера. В то время как адаптивная защита добавляет сложность и требует надежной кибербезопасности, пилотные проекты (например, в Hydro-Québec, E.ON и Southern California Edison) продемонстрировали улучшенное время очистки от неисправностей и координации. Ключевая область исследований разрабатывает алгоритмы, которые могут быстро вычислять

Машинное обучение и ИИ для прогнозного анализа ошибок

Методы машинного обучения (ML) применяются к обнаружению, классификации и местоположению ошибок в системах распределения с DER. Модели контролируемого обучения - такие как случайные леса, машины вектора поддержки и глубокие сверточные нейронные сети - обучаются на исторических данных о неисправностях (напряжение и текущие формы волн, погодные условия, выход DER) для классификации типов неисправностей и оценки местоположения. Неконтролируемые методы могут обнаруживать аномалии, которые указывают на зарождающиеся неисправности, прежде чем они обострятся. Например, исследователи использовали автокодировщики для изучения нормальных рабочих моделей и отклонений флага, вызванных развивающимися неисправностями. Усиление обучения изучается для адаптации к релейной координации. Обучение с подкреплением изучается для корректировки настроек посредством проб и ошибок в моделировании. Заметное исследование, опубликованное в IEEE Транзакции на Smart Grid ], применило CNN к данным μPMU и достигло более 95% точности в обнаружении неисправностей на DER-богат

Коммуникационная инфраструктура и модернизация сетей

Надежная связь с низкой задержкой является основой современного управления неисправностями в DER-интегрированных сетях. Высокоскоростные волоконно-оптические сети или лицензированные беспроводные сети (например, 4G / LTE, 5G) могут обеспечить обмен данными в реальном времени между реле, контроллерами DER, системами автоматизации подстанций и центрами управления. 5G предлагает сверхнадежную связь с низкой задержкой (URLLC) с задержками менее 10 мс, подходящую для быстрой передачи поездки и защиты от потери магистрали. Усилия по модернизации сетей также включают модернизацию устаревших центров управления распределением с передовыми системами управления распределением (ADMS), которые объединяют DER-телеметрию, исторические данные и схемы защиты. ADMS может запускать алгоритмы обнаружения неисправностей, изоляции и восстановления обслуживания (FLISR), которые могут идентифицировать неисправность, открыть ближайший автоматизированный переключатель, а затем использовать DER в здоровом острове для обслуживания критических нагрузок во время отключения - но только если связь надежна. Эти системы развертываются в прогрессивных коммунальных службах, таких как Национальная сеть, Duke Energy и Ausgrid

Тематическое исследование: анализ ошибок в высоковольтном распределительном питателе

Рассмотрим фидер распределения 12,47 кВ в Калифорнии с 40% проникновением солнечных фотоэлектрических систем (крыша и небольшой установки коммунального масштаба). Фейдер радиальный, но с трансформаторным краном в коммерческую зону. Разлом от подстанции происходит в 2 км от подстанции в солнечный день (выход фотоэлектрических систем вблизи пика). Ток отключения от подстанции, обеспечивающий локальные нагрузки: ток отключения от фидерной выключатель на 1,2 кА ниже существующей установки пикапа 1,5 кА. Выключатель не срабатывает. Неисправность сохраняется в течение 0,5 секунды, ближе к неисправности и с более низким пикапом (0,8 кА), работает. Однако неисправность сохраняется в течение 0,5 секунды, а более низкая пикап (0,8 кА) работает. Координация теряется, и неисправность очищается только через 0,9 секунды - превышение максимально допустимого времени очистки от фотоэлектрических систем 0,7 секунды для безопасности. Анализ после отказа с использованием смоделированных данных μPMU показал, что вклад тока от неисправности от близлежащих

Будущие направления и потребности в исследованиях

Заглядывая вперед, несколько областей требуют дальнейших исследований и разработок. Предсказание ошибок на основе ИИ на уровне инвертора DER может позволить проактивное вмешательство до возникновения неисправности — например, путем обнаружения аномального повышения температуры или дуговых сигнатур в инверторе. Децентрализованная координация защиты с использованием технологии распределенного реестра (блокчейн) ] исследуется, чтобы позволить DER вести переговоры о настройках защиты без центрального органа. Мультивиндорская совместимость остается проблемой; устройства защиты от разных производителей должны говорить по одному и тому же протоколу (IEC 61850, DNP3, Modbus) и иметь последовательные меры кибербезопасности. Кибербезопасность адаптивных систем защиты имеет решающее значение — кибербезопасность может изменить настройки ретрансляции, чтобы вызвать широко распространенные отключения. Исследования, проводимые

Заключение

Анализ неисправностей в энергосистемах с высоким проникновением распределенных энергетических ресурсов - это не просто расширение традиционных методов - он требует смены парадигмы. Вариабельность, децентрализация, двунаправленные потоки и ограниченная видимость, введенная DER, требуют расширенного мониторинга, адаптивной защиты, машинного обучения и надежной инфраструктуры связи. В то время как такие проблемы, как ослепление, остров и сбои в координации, реальны, они также стимулируют инновации. Коммунальные предприятия, которые инвестируют в модернизацию сетей - включая μPMU, адаптивные реле, ADMS и аналитику на основе ИИ - могут повысить точность обнаружения неисправностей, сократить продолжительность отключения и безопасно интегрировать более высокие уровни возобновляемой энергии. Продолжающийся переход от синхронного к инверторному производству будет продолжать изменять анализ неисправностей, делая исследования и отраслевое сотрудничество необходимыми. Приняв эти передовые стратегии, электрическая сеть может стать более устойчивой, надежной и способной поддерживать будущее чистой энергии. Для дальнейшего чтения см. IEEE Smart Grid ресурсная страница , [[FLT