Conditions for reproducing power consumption in electrical networks

Abstract

he article defines the conditions under which continuous current control of electrical power consumption in large, branched high-voltage electrical networks is possible. The fact is that for complete hardware current continuous control of electrical power consumption, it is necessary to have active and reactive power sensors at each node of the electrical network (at each substation) and their connection with dispatching control centers. For countries with large distances between grid nodes and control centers, this requires huge capital expenditures. Therefore, it is much more expedient to place power and voltage sensors in separate nodes and then calculate the remaining nodes using Kirchhoff's laws. Under these conditions, the system of equations using the nodal potential method becomes non-canonical, that is, the known parameters in it are part of the nodal currents and part of the nodal potentials. Such a system does not always have a unique solution, and it depends on the correct placement of power and voltage sensors. But the placement of sensors must be carried out before calculations, therefore the task of determining the conditions for correct placement of sensors without preliminary calculations is relevant, which is considered in the article.

У статті визначено умови, за яких можливе безперервне струмове керування споживанням електричної енергії у великих, розгалужених високовольтних електричних мережах з урахуванням обмеженості вимірювальної інфраструктури. Показано, що для реалізації повного апаратного струмового безперервного керування необхідно забезпечити наявність датчиків активної та реактивної потужності у кожному вузлі електричної мережі (на кожній підстанції) та організувати їх надійний інформаційний зв’язок із диспетчерськими центрами керування. Для енергосистем із значними відстанями між вузлами мережі та центрами управління така вимога супроводжується надмірними капітальними витратами на встановлення вимірювальних засобів, канали передавання даних і системи синхронізації, що ускладнює практичну реалізацію суцільного вимірювального покриття. Обґрунтовано доцільність часткового розміщення датчиків потужності та напруги лише у вибраних вузлах мережі з подальшим визначенням параметрів в інших вузлах розрахунковим шляхом на основі законів Кірхгофа та методу вузлових потенціалів. За такого підходу система рівнянь стає неканонічною, оскільки відомими величинами виступають як окремі вузлові струми, так і частина вузлових потенціалів. Встановлено, що подібна система не завжди має єдине розв’язання, а її розв’язуваність і однозначність визначаються структурою мережі, топологією з’єднань, параметрами гілок та просторовим розміщенням вимірювальних засобів. Показано, що коректність відновлення режимних параметрів мережі залежить від виконання умов спостережуваності та структурної визначеності, які забезпечують лінійну незалежність рівнянь і повний ранг відповідної матриці провідностей з урахуванням вимірюваних вузлів. Сформульовано вимоги до мінімально достатнього набору вузлів із датчиками, що гарантує однозначне визначення вузлових потенціалів і потокорозподілу потужностей у мережі без необхідності попереднього чисельного моделювання. Запропоновано підхід до вибору точок вимірювання на основі аналізу графової моделі електричної мережі, який дозволяє забезпечити спостережуваність системи за мінімальної кількості датчиків. Отримані результати можуть бути використані під час проєктування систем моніторингу та керування режимами електричних мереж, оптимізації розміщення вимірювальних пристроїв, а також у задачах побудови цифрових двійників енергосистем. Запропоновані умови правильного розміщення датчиків дають змогу зменшити капітальні витрати на вимірювальну інфраструктуру, підвищити достовірність розрахунку режимних параметрів та забезпечити можливість безперервного струмового керування споживанням електричної енергії в реальному масштабі часу.