Керування енергоспоживанням в системі MicroGrid

Метою роботи є розробка алгоритмів керування навантаженнями та генераторами на базі прогнозу електроспоживання для усунення пікових навантажень та забезпечення надійності роботи системи. Поставлені у роботі задачі вирішувалися шляхом проведення теоретичних досліджень та моделювання. Використано апарат математичного аналізу. Також застосовувались сучасні методи та програмні засоби комп’ютерного моделювання. На базі проведеного огляду методів прогнозування енергоспоживання розроблено класифікацію моделей прогнозування та визначено їх переваги при застосуванні в MicroGrid. Для визначення ефективності всіх моделей проведено порівняння погодинного прогнозу для трьох діапазонів. Розроблена технічна реалізація прогнозування енергоспоживання в системі MicroGrid, що забезпечують координоване управління розподіленими енергоресурсами, засобами управління режимом і конфігурацією мережі. Визначено сценарії використання таких систем. Дані результати можуть бути використані для застосування в локальних мережах MicroGrid а також в SmartGrid. Основні наукові положення дисертації представлено в двох наукових публікаціях, одна з яких опублікована в міжнародній базі SCOPUS, друга – в матеріалах конференції «Електроніка 2018».The purpose of work is development of load management algorithms and generators on the basis of the forecast of electricity consumption to eliminate peak loads and ensure the reliability of the system. The tasks put in the work were solved by conducting theoretical studies and modeling. Used mathematical analysis device. Also, modern methods and software tools for computer simulation were used. On the basis of the review of methods for forecasting energy consumption, the classification of forecasting models has been developed and their advantages in application in MicroGrid have been determined. To determine the effectiveness of all models, a comparison of the hourly forecast for the three ranges was made. The technical implementation of forecasting of energy consumption in the system of MicroGrid, which provides coordinated management of distributed energy resources, means of regime control and network configuration, is developed. Scenarios for using such systems are defined. These results can be used for use on local networks of MicroGrid as well as in SmartGrid. The main scientific provisions of the dissertation are presented in two scientific papers publications, one of which is published in the international base of SCOPUS, the second one - in the materials of the conference "Electronics 2018".Целью работы является разработка алгоритмов управления нагрузками и генераторами на базе прогноза электропотребления для устранения пиковых нагрузок и обеспечения надежности работы системы. Поставленные в работе задачи решались путем проведения теоретических исследований и моделирования. Использован аппарат математического анализа. Также применялись современные методы и программные средства компьютерного моделирования. На основе проведенного обзора методов прогнозирования энергопотребления разработана классификация моделей прогнозирования и определены их преимущества при применении в MicroGrid. Для определения эффективности всех моделей проведено сравнение почасового прогноза для трех диапазонов. Разработана техническая реализация прогнозирования энергопотребления в системе MicroGrid, обеспечивающих координированное управление распределенными энергоресурсами, средствами управления режимом и конфигурацией сети. Определены сценарии использования таких систем. Данные результаты могут быть использованы для применения в локальных сетях MicroGrid а также в SmartGrid. Основные научные положения диссертации представлены в двух научных публикациях, одна из которых опубликована в международной базе SCOPUS, вторая - в материалах конференции «Электроника 2018»

Оцінка режимів MicroGrid на базі регресійного аналізу

У магістерській дисертації розроблено систему, яка виконує функції збору даних про споживання та генерацію електричної енергії від пристроїв системи розподіленої генерації MicroGrid. Накопичені дані зберігаються у базі даних та підлягають обробці на базі методів кореляційно-регресійного аналізу, що дає можливість обчислити прогнозований обсяг залишкової енергії, виробленої альтернативними генераторами, яка підлягає реалізації за «зеленим тарифом» на локальному ринку електроенергії. Представлено дослідження взаємодії факторів, що впливають на генерацію, споживання та продаж електричної енергії з використанням регресійного аналізу. Виявлено основні показники, які мають найбільший вплив на кількість залишкової енергії та зроблені висновки з приводу ефективного використання цього методу для локального ринку MicroGrid. Розроблено програмне забезпечення для проведення лінійного регресійного аналізу даних.The master's thesis developed a system that performs the functions of collecting data on the consumption and generation of electrical energy from devices of the distributed generation system MicroGrid. The accumulated data is stored in a database and subject to processing based on the methods of correlation and regression analysis, which allows us to calculate the predicted amount of residual energy produced by alternative generators to be sold at a “green tariff” in the local electricity market. Studies are presented on the interaction of factors affecting the generation, consumption and sale of electrical energy using regression analysis. The main indicators that have the greatest impact on the amount of residual energy are identified and conclusions are drawn about the effective use of this method for the local MicroGrid market. Developed software for linear regression data analysis.В магистерской диссертации разработана система, которая выполняет функции сбора данных о потреблении и генерацию электрической энергии от устройств системы распределенной генерации MicroGrid. Накопленные данные хранятся в базе данных и подлежат обработке на базе методов корреляционно-регрессионного анализа, что позволяет вычислить прогнозируемый объем остаточной энергии, производимой альтернативными генераторами, подлежащей реализации по «зеленому тарифу» на локальном рынке электроэнергии. Представлены исследования взаимодействия факторов, влияющих на генерацию, потребление и продажи электрической энергии с использованием регрессионного анализа. Выявлены основные показатели, которые оказывают наибольшее влияние на количество остаточной энергии и сделаны выводы по поводу эффективного использования этого метода для локального рынка MicroGrid. Разработано программное обеспечение для проведения линейного регрессионного анализа данных

Керування електроспоживанням за вартісним критерієм в MicroGrid

Розвиток відновлюваної електроенергетики є одним з пріоритетів енергетичної політики України - це передбачає "Національний план дій з відновлюваної енергетики до 2020 року". Переорієнтація принципів в енергетиці локальних об’єктів стала основою появи нової концепції MicroGrid. Це концепція повністю інтегрованої, саморегулюючої і самовідновлювальної електроенергетичної системи, що має мережеву топологію і включає в себе генеруючі джерела, розподільні мережі і споживачів електричної енергії, що керуються єдиною інформаційною системою в режимі реального часу. Концепція енергетичної системи, побудованої на принципах MicroGrid, полягає у тому, що вона передає не тільки енергію, але й інформацію. У цьому випадку споживач, крім енергії, отримує ряд можливостей про взаємодію з енергосистемою, зокрема може більш гнучко вибирати тарифи, планувати енергоспоживання і, як наслідок, знижувати витрати на електроенергію. Тому MicroGrid є зручною платформою для відпрацювання та реалізації передачі електроенергії. Електрична енергія від відновлюваниї джерел електроенергії (ВДЕ) генерується, споживається і має власну вартість в залежності від типу джерела, якість енергії і особливості потоків енергії циркуляції в електротехнічних системах і комплексів - від приватного домогосподарства до MicroGrid, Smart Grid, енергетичної установки і великої генеруючої станції. Таким чином, електрична енергія може розглядатися як товар на ринку. І, як для будь-якого виду товару, необхідно розглянути три аспекти товару: законодавчу базу, економічну доцільність та технічну реалізацію передачі електроенергії. Саме тому розгляд різних взаємопов'язаних аспектів передачі електроенергії є досить актуальним завданням. Систему електроживлення мережі MicroGrid можна розглядати як ринковий майданчик, в межах якого здійснюється перерозподіл потоків електроенергії. По відношенню до зовнішньої мережі живлення MicroGrid виступає єдиним блоком, що споживає електроенергію, а за наявності ВДЕ – генерує надлишок електроенергії у мережу, якщо така можливість передбачена технічно та організаційно. Як і інший товар електроенергія характеризується економічними, правовими та технічними аспектами свого функціонування. Правові аспекти описують регулювання ринку енергетики в Україні нормативними документами. Економічні аспекти містять економічні моделі навантажень та генераторів, а також методи ціноутворення електроенергії. Технічні аспекти регламентують схемну реалізацію здійснення можливості під‘єднання альтернативних джерел до загальної мережі із забезпеченням заданої якості електроенергії та надійності постачання. Впровадження принципів MicroGrid неможливе без використання пристроїв силової електроніки. Застосування даних пристроїв в інтелектуальних мережах є досить широким і охоплює системи розподіленої генерації, що об’єднують мережевою структурою генеруючі установки з відновлюваними джерелами електроенергії, накопичувачі енергії та споживачів. Однією з основних вимог при локальному впроваджені перетворювальних систем в інтелектуальні мережі є підвищення енергоефективності системи електропостачання. Розглянуто два варіанта MicroGrid: з мережею та без мережі. «Island» MicroGrid являють собою автономні системи електроживлення, між собою традиційною комунальною мережею. Згідно з нещодавно опублікованими результатами досліджень за програмою Microgrid Deployment Tracker 2Q19, проведеними компанією Navigant Research, в цю категорію потрапляє близько 41% всього світового ринку Microgrid. Системи типу айленд широко розповсюджені в промислово розвинених країнах, що часто зазнають впливу стихійного лиха, мають пересічений ландшафт або острівне розташування, що ускладнює застосування традиційних рішень з енергопостачання. Для таких систем MicroGrid з альтернативними та відновлювальними джерелами енергії особливо актуальним є пошук шляхів підвищення вартісної та економічної ефективності використання енергоресурсів із одночасним збереженням необхідних параметрів якості електричної енергії. Керування складовими елементами MicroGrid – генераторами та навантаженнями – має здійснюватися відповідно до поставленої екстремальної задачі із заданим вартісним критерієм ефективності з урахуванням обмежень. При цьому попередньо необхідно вирішити задачі прогнозування споживання та генерації енергії та визначити локальні «умовні» тарифи на електроенергію від ВДЕ (сонячних панелей, вітрогенераторів, тощо) для забезпечення внутрішнього балансу вартісних показників айленд-систем. Вихідними даними для алгоритмів керування MicroGrid, крім кількості генераторів, навантажень та характеристик їх режимів, є прогноз споживання/генерації на певний період (наприклад, добу) та вартість електроенергії (статична або динамічна). Зазначимо, що прогнозні дані постійно коригуються у відповідності з виміряними у реальному часі значеннями. При побудові алгоритмів керування режимами навантажень та генераторів, які забезпечують максимізацію однієї з заданих величин (наприклад, потужності чи прибутку) або мінімізацію (наприклад, витрат) з урахуванням обмежень, використовуються математичні методи знаходження умовного локального екстремуму. Найпопулярнішими з них є: метод золотого перерізу, метод Ньютона (надалі розвинутий у метод хорд), метод невизначених коефіцієнтів Лагранжа, симплекс-метод. Для вирішення задачі максимізації обрано метод невизначених коефіцієнтів Лагранжа, який дає точний розв’язок та працює з виразами будь-якого порядку. Він дозволяє звести задачу на відшукання умовного екстремуму (екстремуму при заданих умовах) до задачі на знаходження безумовного екстремуму. Системи керування в MicroGrid являють собою інформаційно-управляючі системи, що забезпечують координоване управління розподіленими енергоресурсами, засобами управління режимом і конфігурацією мережі, а також локальними комплексами управління навантаженням. Такі системи можуть встановлюватись як централізовано (на сервері з можливістю резервування) і в диспетчерському пункті та забезпечує централізований варіант керування), так і локально (локальний контролер встановлюється на одному або декількох контролерах, близько до місць установки силового обладнання, із забезпеченням можливості дистанційного моніторингу). Оскільки елементи системи MicroGrid як правило рознесені у просторі, має сенс використовувати для їх зв‘язку бездротові технології. Обрано ZigBee технологію. У загальному випадку система керування MicroGrid за має вигляд ієрархічної структури, де кожен рівень описує стан системи на певному абстрактному рівні обробки даних. Дані рівні доповнюють один одного, чим забезпечується їх несуперечливість. Формалізація даних дає можливість мінімізувати обсяг обчислень, необхідних для формування керуючих впливів, і здійснити декомпозицію керування по різних рівнях ієрархії. Ефективність роботи систем керування с вартісним критерієм залежить від якості вихідної напруги, тому актуальною є задача підтримки її параметрів у заданому діапазоні та забезпечення роботи перетворювачів у відповідності до вимог щодо вихідного спектра напруги та обмеження рівня гармонік. Отже, системи з ВДЕ потребують розробки методів підвищення ефективності витрат енергоресурсів із збереженням необхідних параметрів якості електричної енергії. Тому актуальною є задача розробки методів керування елементами MicroGrid (генераторами та навантаженнями). І тому, розробка способів та систем керування електроспожавання за вартісним критерієм в MicroGrid, які забезпечують ефективне використання наявної енергії та мінімізують ціну на дану електроенергію, є актуальною науково-прикладною проблемою, яка визначила напрям дисертаційного дослідження. Дисертація присвячена розробці системи керування електроспоживанням в MicroGrid, а саме прогнозуванню споживання та генерації електроенергії, визначення умов локального балансу вартісних показників та оптимізації Лагранжа для сформованих математичних рівнянь максимізації прибутку системи в MicroGrid, а також оптимізації за критеріями мінімізації витрат на дану електроенергію. Це дозволяє використовувати енергію більш ефективно, а також зменшити витрати на електроенергію для споживача