Opis projektu

 

Súčasný stav problematiky:

V oblasti distribúcie elektrickej energie sa v súčasnosti najviac skloňuje pojem Smart Grids. Tento pojem predstavuje nový prístup-koncept ku riadeniu distribučných sietí, ktorý je založený na získavaní a výmene dát medzi jednotlivými zložkami podieľajúcimi sa na distribúcii elektrickej energie. V rámci konceptu Smart Grids existuje viacero podoblastí, medzi ktoré patrí aj inteligentné riadenie sietí. To sa v najväčšom rozsahu uplatňuje u elektrických sietí 22 kV. Je to dané tým, že charakter prevádzky týchto sietí sa v poslednom období dramaticky mení. Dôvodom je pripojovanie elektrární využívajúce obnoviteľné zdroje energie - OZE (fotovoltické, veterné a geotermálne elektrárne, elektrárne na biomasu, poprípade malé vodné elektrárne) a inštalácia inteligentných zariadení priamo do vedení 22 kV.

Pripájanie týchto nových zdrojov má v mnohých prípadoch za následok zmenu smeru toku výkonu v 22 kV sieťach. Pred ich inštaláciou bol smer toku výkonu od elektrických staníc 110/22 kV smerom ku odberateľom, ktorí boli napájaní z distribučných transformátorov 22/0,4 kV. Tento smer toku výkonu bol považovaný za typický a boli podľa neho navrhované parametre vedení a nastavenia elektrických ochrán a automatík. Prítomnosť OZE spôsobuje odklon od tohto typického spôsobu prevádzky. Navyše sa prevádzka distribučných sietí stáva zložitejšou kvôli nestálosti výroby OZE. U niektorých z nich dochádza vďaka premenlivosti primárneho zdroja energie (rýchlosť vetra, intenzita slnečného žiarenia, ...) ku veľkej fluktuácii generovaného výkonu počas dňa, čo môže vyvolávať zmeny smeru toku výkonu aj niekoľkokrát za deň.

Inštaláciou inteligentných zariadení do vedení 22 kV (vzdušných alebo káblových) sa vytvárajú možnosti pre nové prístupy ku riadeniu týchto sietí. Za inteligentné prvky sú považované tie zariadenia, ktoré sú schopné vykonávať určité funkcie automaticky a o tejto svojej činnosti podávať správu okolitým zariadeniam alebo nadradenému riadiacemu informačnému systému (RIS). V súčasnosti sa medzi ne radia reclosery, diaľkovo riadené úsekové odpínače, diaľkovo riadené transformačné stanice 22/0,4 kV a indikátory prechodu poruchového prúdu. Práve schopnosť týchto zariadení komunikovať s nadradeným RIS a navzájom medzi sebou sa dá využiť na automatické riešenie porúch, ktoré pozostáva z lokalizácie miesta poruchy a následnej rekonfigurácie siete s účelom minimalizovať počet odberateľov bez dodávky elektrickej energie a taktiež zabezpečiť bezpečnosť pre pracovníkov vykonávajúcich opravné práce na mieste poruchy.

Oba spomínané faktory vplývajú na postupnú zmenu charakteru prevádzky distribučných sietí, na ktorú by absolventi bakalárskeho odboru Elektrotechnika a magisterského odboru Elektroenergetika mali byť pripravení. Preto je potrebné študentom príslušných odborov poskytnúť možnosť vyskúšať si rôzne aspekty prevádzky týchto sietí už počas štúdia. Keďže je však z hľadiska bezpečnosti a spoľahlivosti prevádzky distribučných sietí neprípustné, aby sa rôzne prevádzkové a poruchové scenáre testovali priamo na reálnych vedeniach, je potrebné študentom poskytnúť také fyzikálne a softvérové modely, ktoré im čo najvernejšie poskytnú obraz o reálnej prevádzke a poskytnú im možnosť osvojiť si niektoré zručnosti spojené s riešením bežných prevádzkových ako aj poruchových stavov.

Zameranie a opis projektu:

Projekt bude zameraný na dobudovanie a vytvorenie dvoch nástrojov na modernizáciu výučby v oblasti inteligentného riadenia distribučných sietí.

Prvým z týchto nástrojov bude trojfázový fyzikálny model siete 22 kV, ktorý bude vytvorený v mierke 1:100 . Tento model vznikne dobudovaním a rozšírením trojfázového modelu vedenia 22 kV, ktorý bol na pracovisku riešiteľského kolektívu budovaný v priebehu posledných štyroch rokov. Tento model pozostáva z:

  • modelu transformátora 110/22 kV, ktorý slúži na napájanie modelu vedenia,
  • modulov reprezentujúcich úseky vedenia s vodičom AlFe 95/15 usporiadanom na rovinnej konzole a dĺžkami od 5 do 10 km, ktorých celková dĺžka reprezentuje 117 km vedenia,
  • modulu reprezentujúceho recloser alebo diaľkovo riadený úsekový odpínač - závisí na voľbe zapojenia modulu,
  • modelu distribučného transformátora 22/0,4 kV,
  • z modelu vodnej elektrárne využívajúcu Peltonovu turbínu (viď. príloha).

Celý model vedenia bol budovaný tak, aby ho bolo možné monitorovať a riadiť cez riadiaci systém vytvorený v počítači v programe Labview. V rámci projektu bude existujúci model rozšírený o:

  • moduly úsekov vzdušného vedenia s inými typmi vodičov používaných pre distribučné vedenia,
  • moduly úsekov reprezentujúcich káblové úseky vedenia,
  • model zhášacej tlmivky vrátane automatiky ladenia tejto tlmivky,
  • moduly reprezentujúce inteligentné prvky inštalované do vedení (reclosery, diaľkovo riadené úsekové odpínače, ...),
  • modely distribučných transformátorov 22/0,4 kV,
  • modely riaditeľnej záťaže, ktoré budú pripojené k modelom distribučných transformátorov,
  • moduly umožňujúce modelovať rôzne typy porúch (zemné spojenia, medzifázové skraty, ...).

Z vytvorených modulov a modelov bude vytvorený model siete 22 kV, ktorý umožní modelovať rôzne prevádzkové ako aj poruchové stavy tejto siete. Celý model bude monitorovaný a riadený pomocou počítača, čo umožní študentom sledovať charakteristické prevádzkové veličiny pre modelované situácie a tým získať lepšiu predstavu o reálnej prevádzke sietí 22 kV. Zároveň bude možné na tomto modeli testovať nové prístupy inteligentného riadenia distribučných sietí (chránenie vedení, lokalizácie porúch, automatizované rekonfigurácie siete , ...). Pre riadenie a monitorovanie je plánované použitie programu Labview, ktorý umožňuje vytvorenie riadiaceho rozhrania prostredníctvom webovej stránky. Pre túto stránku budú vytvorené vzorové cvičenia vysvetľujúce prevádzku sietí 22 kV, v rámci ktorých bude možné ovládať potrebnú časť modelu, prípadne celý model. Tým bude poskytnutá možnosť vyskúšať si vytvorený model siete aj pre iných študentov podobného zamerania a pre širokú odbornú verejnosť.

Druhým vytváraným nástrojom bude softvérový simulátor distribučnej sústavy, ktorý bude v sebe obsahovať matematické modely pre modelovanie napäťových úrovní 110 kV a 22 kV. Dôvodom realizácie tohto simulátora je to, že:

  • niektoré dostupné softvérové nástroje sú veľmi drahé,
  • v matematických modeloch používaných simulačných programov sú zanedbávané niektoré prevádzkové veličiny majúce zásadný vplyv na reálnosť vykonávaných simulácií u distribučných sietí,
  • výpočet pomocou týchto programov pre zložitejšie topológie sietí sú veľmi časovo náročné,
  • licenčné podmienky používania niektorých programov neumožňujú poskytnúť vytvorené modely pre širšie využitie.

Vytvorený simulátor bude slúžiť na modelovanie širších súvislostí vyplývajúcich z inteligentného riadenia distribučných sietí. Simulátor umožní študentom:

  • modelovať bežnú aj poruchovú prevádzku distribučných sietí,
  • analyzovať vplyvy OZE na prevádzku distribučných sietí,
  • nalyzovať možnosti riadenia OZE v rámci virtuálnych blokov,
  • analyzovať prínos diaľkovo riadených inteligentných zariadení pre riešenie porúch v distribučných vedeniach,
  • modelovať kritické stavy z hľadiska bezpečnosti a stability distribučnej sústavy.

Pre dosiahnutie prijateľného času modelovania bude výpočtové jadro simulátora založené na paralelných výpočtoch vykonávaných na výpočtových akcelerátoroch. To umožní študentom získať skúsenosť s odlišnými prístupmi k modelovaniu elektrických sietí. Nespornou výhodou vytvoreného simulátora bude aj to, že ho bude možné, podobne ako fyzikálny model, sprístupniť cez webové rozhranie pre vlastných aj cudzích študentov.

Na základe skúseností získaných pri tvorbe modelu budú vytvárané e-learningové materiály popisujúce problematiku inteligentného riadenia distribučných sietí, ktoré budú zamerané na:

  • využitie informačno-komunikačných technológii pri riadení distribučných sietí,
  • základné problémy prevádzky týchto sietí,
  • výpočty chodu sietí.

Vytvorené študijné materiály budú zverejnené na webovej stránke projektu. V rámci týchto materiálov budú vytvorené aj spomínané návody na cvičenia využívajúce oba vytvorené modely.

Charakter výskumu a vývoja projektu:

Vytvorené modely bude možné okrem výučby v rámci predmetov oboch študijných odborov taktiež využiť v rámci vedecko-výskumných aktivít realizovaných na pracovisku riešiteľského kolektívu. Výsledky získané pomocou vytvorených modelov poslúžia na:

  • lepšiu integráciu OZE do distribučnej sústavy,
  • návrh a overenie metód a algoritmov pre riadenie OZE v rámci virtuálnych blokov,
  • návrh a overenie metód a algoritmov pre inteligentné riešenie porúch v sieťach 22 kV,
  • testovanie a zavádzanie nových postupov v riadení a prevádzke distribučných sietí,
  • analýzu dopadov zavádzania konceptu Smart Grid na odberateľov a prevádzkovateľov distribučných sústav.

V neposlednom rade vytvorené modely poskytnú výborný základ pre riešenie hodnotných diplomových a dizertačných prác nie len po skončení projektu, ale aj počas jeho riešenia.