ПАКЕТНЫЙ СПОСОБ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2024 года по МПК H02J7/00 

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано в системах генерации, передачи и распределения электрической энергии, в частности, в распределенных электрических сетях (РЭС) с альтернативными источниками энергии (АИЭ) ЭНЕРНЕТ.

Из уровня техники известны способы передачи электрической энергии от источника энергии (ИЭ) к потребителю электрической энергии (ПЭ). Такие системы называют электроэнергетическими. Для передачи электрической энергии используются следующие основные элементы: электрогенераторы (ЭГ), распределительные устройства высшего и низшего напряжения (РУ ВН, РУ НН), линии электропередач воздушные или кабельные (ВЛ, КЛ), повышающие и понижающие трансформаторные подстанции (ТП). (Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов. - М.: Издательство «Мастерство», 2002, с. 4-5), патент на изобретение РФ №2475918, «Способ передачи электрической энергии», МПК H02J 4/00, опубл. 20.02.20; патент на изобретение РФ №2337451, «Способ передачи электрической энергии трехфазного напряжения на переменном токе и система для его реализации», МПК H02J 3/00, опубл. 27.10.2008; патент на изобретение РФ №2496208, «Устройство и способ для формирования, накопления и передачи электрической энергии», МПК H02J 7/34, опубл. 20.10.2013 г.

В этих технических решениях электрическую энергию на высоком напряжении передают от источников энергии к трансформаторным подстанциям, а затем к распределительным сетям на низком напряжении. Распределительные сети подключают к узлам нагрузки от которых электрическая энергии передается электроприемникам. С целью снижения токов короткого замыкания, повышения надежности электропитания, снижения потерь электрической энергии распределительные сети включают на параллельную работу, снабжают устройством автоматического включения резерва (АВР), устанавливают главную понижающую подстанцию (ГПП) в центре электрических нагрузок (ЦЭН).

Альтернативная энергетика и современные задачи энергосбережения и энергоэффективности требуют не только снижения потерь электрической энергии на различных этапах передачи и преобразования электроэнергии, но и сохранения баланса энергии, генерируемой в электросистеме и потребляемой электроприемниками в различных режимах работы. С увеличением числа электроприемников и усложнением электроэнергетических систем произвести такое согласование в известных способах передачи электрической энергии невозможно, что неизбежно приводит к потерям энергии, снижению энергоэффективности таких систем (Смоленцев, Н.И. Энернет. Состояние и перспективы / Н.И. Смоленцев, А.Н. Игнатов, Д.С. Иргибаева // Современные проблемы телекоммуникаций: Материалы Международной научно-технической конференции, Новосибирск, 22-23 апреля 2021 года. - Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2021. - С. 409-413. - EDN GZWWNI).

Характерной особенностью существующих способов передачи электрической энергии является одновременность или синхронность процессов генерации, распределения и потребления электрической энергии. Такие способы передачи энергии могут быть названы синхронными. Это связано с электромагнитным характером процессов, происходящих в электрических генераторах, линиях электропередачи и электроустановок потребителей.

С увеличением числа электроприемников возрастает количество электростанций, усложняется распределительная сеть, усложняются требования к управлению работой электроэнергетических систем.

Электростанции должны вырабатывать столько электрической энергии, сколько требуется электроприемникам в текущий момент времени. Эту задачу решают диспетчерские службы энергосистемы путем планирования графика нагрузок на предстоящий период и регулирования объема вырабатываемой мощности на электрических станциях. Планирование осуществляется по результатам статистического анализа графиков нагрузок за предшествующие периоды времени. При этом ставится задача достижения следующих целей в работе энергосистемы:

- выполнение плана выработки и распределения электрической энергии с покрытием максимумов нагрузки;

- бесперебойная работа электрооборудования и систем энергоснабжения;

- обеспечение необходимого качества отпускаемой потребителям электроэнергии по напряжению и частоте.

Несмотря на комплектование диспетчерских пунктов управления работой энергосистем средствами контроля, управления, связью, четкой мнемонической схемой расположения электростанций ЛЭП и подстанций, достичь баланса вырабатываемой и потребляемой при синхронном способе передачи энергии невозможно. Причины следующие:

- невозможно учесть реальную нагрузку в текущий момент времени из-за большого количества электроприемников и отсутствия информации их состояния в любой текущий момент времени, следовательно, невозможно определить объем необходимый электроэнергии в текущий момент времени;

- данная конфигурация электрических сетей не соответствует принципу распределенной генерации и принципу приближения источников электроэнергии к потребителю;

- большие потери электроэнергии на трансформаторных подстанциях на различных уровнях напряжения;

- технически сложно согласовать работу электросистем с локальными электрическими сетями, использующими альтернативные источники энергии со стохастическими параметрами генерации.

Все это приводит к неизбежным потерям электрической энергии из-за нарушения баланса выработанной электроэнергии при уменьшении электропотребления или к дефициту электрической энергии при возрастании электропотребления. К тому же возникают дополнительные затраты, поскольку отношение себестоимости энергии в базовой и пиковой части графика нагрузок достигает более 400. (Рауль Е.В. Перспективы применения накопителей энергии для сетей электроснабжения 0,4 кВ / Е.В. Рауль, М.А. Рашевская, С.И. Гамазин, С.В. Логинов // Вестник МЭИ. - №3. - 2013).

Современные задачи энергосбережения и энергоэффективности требуют не только снижения потерь электрической энергии на различных этапах передачи и преобразования электроэнергии, но и сохранения баланса энергии, генерируемой в электросистеме и потребляемой электроприемниками в различных режимах работы.

В качестве прототипа принят способ передачи электрической энергии (патент на изобретение РФ №2475918, «Способ передачи электрической энергии», МПК H02J 4/00, опубл. 20.02.2011 г.). Согласно данному способу, электрическую энергию передают через линии электропередачи и по кабелям распределительных сетей к узлам нагрузки, причем каждый узел нагрузки имеет питающую электрическую линию, резервную электрическую линию, транзитную электрическую линию. Узлы нагрузки соединены между собой и пространственно образуют вершины шестиугольника, расположенного на обслуживаемой территории. Электроприемники присоединены к узлам нагрузки с минимальным приближением к источникам энергии, что соответствует принципу адаптивно-распределенных сетей. Причем электрическая сеть выполняется многоуровневой:

- в сети первого уровня располагают узлы нагрузки, представляющие распределительные пункты на напряжение 10-20 кВ;

- в сети второго уровня - распределительные пункты на напряжение 110-220 кВ;

- сети третьего уровня напряжения и выше - распределительные пункты на 220 кВ и выше.

Данный способ передачи электрической энергии по своей сути является синхронным, процессы генерации, распределения и потребления происходят одновременно.

Основным недостатком предложенного в прототипе способа передачи энергии является дисбаланс объема выработанной и потребленной энергии при случайных непредсказуемых изменениях потребляемой электроприемниками электрической энергии, невозможность достижения баланса выработанной и потребленной энергии.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение энергоэффективности и энергосбережения при передаче электрической энергии от ее источников к потребителю, повышение надежности электроснабжения, переход к новой энергетике ЭНЕРНЕТ, в которой для передачи электрической энергии используют сетевые технологии, аналогичные сетевым технологиям передачи информации в Интернете. (Смоленцев, Н.И. Двухстороннее управление энергетическими потоками в распределенных электрических сетях ЭНЕРНЕТ / Н.И. Смоленцев, Л.М. Четошникова, Н.В. Томских // Современные проблемы телекоммуникаций: Материалы Всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Новосибирск, 19-20 апреля 2023 года / Под редакцией А.В. Ефимова, Т.И. Монастырской. - Новосибирск: Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2023. - С. 136-143. - DOI 10.55648/978-5-91434-084-8-2023-112-117. - EDN WXSYFK.)

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом пакетном способе передачи электрической энергии, в отличие от прототипа, узлы нагрузки, расположенные в вершинах шестиугольников, образующих равномерно распределенную по обслуживаемой территории многоуровневую электрическую сеть, кроме питающих, транзитных, резервных электрических линий имеют дополнительно накопительную электрическую линию. Накопительная линия соединяет каждый из узлов нагрузок шестиугольника с накопителем энергии, играющем роль памяти и энергетического маршрутизатора и регулирующим двухсторонние энергетические потоки через узлы шестиугольника, а также между шестиугольниками что обеспечивает постоянный баланс между вырабатываемой и потребляемой электроэнергией в шестиугольниках и соответственно во всей многоуровневой электрической сети ЭНЕРНЕТ. Накопитель энергии работает в интеллектуальном режиме управления и использует электротехнические данные, получаемые непрерывно с узлов нагрузки. Это позволяет реализовать непрерывный двухсторонний обмен энергией между источниками энергии, потребителями, направляя энергию с узлов с низкой нагрузкой в узлы с высокой нагрузкой, причем такой двухсторонний обмен энергией по заданным протоколам, аналогичным протоколам Интернета, может осуществляться не только внутри локальной распределенной сети, но и между любыми локальными сетями (шестиугольниками), составляющими архитектуру ЭНЕРНЕТ. Этот двухсторонний способ передачи электрической энергии логично назвать пакетным способом передачи электрической энергии. Величина энергии Е, передаваемой в пакете, определяется выражением:

где P(t) - мощность, энергетического пакета, передаваемого или забираемого из сети накопителем энергии, τ=t₁-t₂- длительность энергетического пакета.

Степень отличия энергического пакета от идеальной прямоугольной формы будет определяться степенью искажения его фронтов, зависящих от постоянной времени накопителя энергии, нагрузки и характеристик системы управления.

Пакетный способ передачи электрической энергии поясняется схемой, изображенной на чертежах. На фиг. 1 изображен общий вид распределенной электрической сети. На фиг. 2 изображена часть распределенной электрической сети.

Так, на фиг. 1 распределительная сеть 1 имеет двухуровневую конфигурацию связанных шестиугольников 2 первого уровня и связанных шестиугольников 5 второго уровня. В вершинах шестиугольников 2 первого уровня располагаются узлы нагрузки (на фиг. 1 не обозначены), соединенные с накопителями энергии 3 первого уровня. Узлы нагрузки (на фиг. 1 не обозначены) в связанных многоугольников 5 второго уровня соединены с накопителями энергии 4 второго уровня.

Остальные шестиугольники первого и второго уровней имеют аналогичные накопители энергии и узлы нагрузки.

На фиг. 2 представлены узлы нагрузки 6-11 в многоугольнике 2 первого уровня, к которым подсоединены электроприемники с потребляемой мощностью S₆-S₁₁ и номинальной мощностью S_H6-S_H11 соответственно. Каждый из узлов нагрузки 6-11 содержит питающую 12, транзитную 13, накопительную 14 и резервную 15 линии.

Распределительная сеть является инвариантной. Питающая линия может стать при необходимости транзитной или резервной, транзитная - питающей, резервная - транзитной.

Также, на фиг. 2, накопитель энергии 3 соединен с каждым из узлов нагрузки 6-11 при помощи накопительных линий 14.

Способ осуществляют следующим образом. Электрическую энергию передают через линию электропередачи и по кабелям распределительных сетей к узлам нагрузки 6-11 (см. фиг. 2) в текущий момент времени. Узлы нагрузки 6-11 находятся под напряжением и являются источниками энергии для электроприемников с мощностями S₆-S₁₁.

Предположим, например, что для данного текущего момента времени потребляемые мощности и номинальные мощности в узлах нагрузки 6-11 шестиугольника 2 удовлетворяет следующим условиям:

S₆>S_H6, S₇=S_H7, S₈=0, S₉<S_H9, S₁₀=S_H10, S₁₁=S_H11.

Таким образом, в шестиугольнике 2 образовался избыток мощности, равный S₈+(S_H9-S₉), который поступает (на фиг. 2 показано стрелками) в накопитель энергии 3. Накопитель энергии 3 аккумулирует избыточную энергию и распределяет ее затем в узел нагрузки, испытывающему дефицит энергии. В нашем случае энергия распределяется к узлу нагрузки 6, т.к. потребляемая мощность S₆ превышает номинальную мощность S_H6 (в соответствии с условием S₆>S_H6). Направление передаваемой энергии из накопителя энергии 3 в узел нагрузки 6 показано стрелкой.

На других уровнях напряжения распределительной электрической сети происходит аналогичное накопление и перераспределение электрической мощности. Избыточная мощность, возникающая в распределительной сети в один момент времени, сохраняется в накопителе энергии, а в другой момент времени при необходимости отдается электроприемникам, где потребляемая мощность возросла. Накопитель играет роль памяти и энергетического маршрутизатора аналогично жесткому диску и маршрутизатору в технологиях Интернет, причем управление энергическими потоками осуществляется с помощью телекоммуникационных технологий Интернет.

Таким образом, в пакетном способе передачи электрической энергии по предлагаемому изобретению возникает временной интервал времени, равный циклу «заряд-разряд» накопителя энергии, в течение которого нарушается принцип одновременности циклов генерации, распределения и потребления электрической энергии, характерный для прототипа и аналогичным способам, отнесенных выше к синхронным. Обмен энергией между узлами и локальными сетями ЭНЕРНЕТ осуществляется с помощью протоколов, аналогичным протоколам обмена информацией в сетях Интернет.

Пакетный способ передачи электрической энергии по предлагаемому изобретению может быть также назван асинхронным. Асинхронный способ передачи электрической энергии позволяет достичь баланса между вырабатываемой и потребляемой электроэнергией в любой момент времени. Реализация предлагаемого изобретения позволит:

- реализовать сетевые технологии ЭНЕРНЕТ;

- увеличить надежность электроснабжения электроприемников за счет дополнительной накопительной электрической линии;

- существенно снизить потери электрической энергии за счет двухстороннего управления и сбережения в накопителях энергии;

- увеличить срок службы электрооборудования.

Изобретение относится к области энергетики. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности и энергосбережения при передаче электрической энергии от ее источников к потребителю. Такой результат достигается тем, что на всей обслуживаемой территории размещают равномерно распределенную электрическую сеть, имеющую конфигурацию связанных многоуровневых шестиугольников, в вершинах которых располагают узлы нагрузки, к которым электрическую энергию передают через линии электропередачи и по кабелям распределительных сетей, а также от альтернативных источников энергии, а каждый узел нагрузки имеет взаимозаменяемые питающую, транзитную и резервную линии, дополнительно в каждом многоугольнике устанавливают накопители энергии, подсоединяют накопительные линии, соединяющие узлы нагрузки с накопителями энергии и реализуют двустороннюю передачу электрической энергии между узлами распределённой электрической сети, причем управление двусторонними энергетическими потоками осуществляют с помощью многоуровневой коммуникационной модели, для чего каждый узел снабжают интеллектуальным модулем контроля состояния и управления электроустановками, а интеллектуальные модули узлов соединяют в коммуникационную сеть, использующую различную физическую среду для передачи сообщений между модулями, включая силовую сеть, интеллектуальные модули узлов передают сообщения-запросы о поставках энергии электроприемникам и сообщения-ответы источников энергии, включая накопители энергии о готовности поставки энергии, сообщения-запросы и сообщения-ответы содержать различные параметры и условия поставки электрической энергией, например технические и экономические, а также идентификационные номера электроприемников, узлов, потребителей, нумерацию распределенных сетей, другие данные, затем передачу электрической энергии между узлами электрической сети осуществляют по сетевой многоуровневой технологии, аналогичной многоуровневой технологии передачи информации, причем каждый уровень имеет свой протокол, определяющий порядок выполнения функций данного уровня, при этом сетевая многоуровневая архитектура телекоммуникационных сетей и электрических сетей объединены в единый стек протоколов, реализующих передачу электрической энергии между источниками и потребителями. 2 ил.

Способ передачи электрической энергии, согласно которому на всей обслуживаемой территории размещают равномерно распределенную электрическую сеть, имеющую конфигурацию связанных многоуровневых шестиугольников, в вершинах которых располагают узлы нагрузки, к которым электрическую энергию передают через линии электропередачи и по кабелям распределительных сетей, а также от альтернативных источников энергии, а каждый узел нагрузки имеет взаимозаменяемые питающую, транзитную и резервную линии, отличающийся тем, что дополнительно в каждом многоугольнике устанавливают накопители энергии, подсоединяют накопительные линии, соединяющие узлы нагрузки с накопителями энергии и реализуют двустороннюю передачу электрической энергии между узлами распределённой электрической сети, причем управление двусторонними энергетическими потоками осуществляют с помощью многоуровневой коммуникационной модели, для чего каждый узел снабжают интеллектуальным модулем контроля состояния и управления электроустановками, а интеллектуальные модули узлов соединяют в коммуникационную сеть, использующую различную физическую среду для передачи сообщений между модулями, включая силовую сеть, интеллектуальные модули узлов передают сообщения-запросы о поставках энергии электроприемникам и сообщения-ответы источников энергии, включая накопители энергии о готовности поставки энергии, сообщения-запросы и сообщения-ответы содержать различные параметры и условия поставки электрической энергией, например технические и экономические, а также идентификационные номера электроприемников, узлов, потребителей, нумерацию распределенных сетей, другие данные, затем передачу электрической энергии между узлами электрической сети осуществляют по сетевой многоуровневой технологии, аналогичной многоуровневой технологии передачи информации, причем каждый уровень имеет свой протокол, определяющий порядок выполнения функций данного уровня, при этом сетевая многоуровневая архитектура телекоммуникационных сетей и электрических сетей объединены в единый стек протоколов, реализующих передачу электрической энергии между источниками и потребителями.