Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания

В статье описаны особенности структуры распределенной сети электропитания на силовом и информационном уровне. Показана необходимость применения гетерогенных контекстных данных о внешних условиях, режимах работы силового оборудования и характере нагрузки для управления системой электропитания. Обо...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2016
Автори: Вербицкий, Е.В., Киселева, А.Г.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут електродинаміки НАН України 2016
Назва видання:Технічна електродинаміка
Теми:
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134786
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания / Е.В. Вербицкий, А.Г. Кисилева // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 1. — С. 55-59. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-134786
record_format dspace
spelling irk-123456789-1347862018-06-15T03:08:57Z Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания Вербицкий, Е.В. Киселева, А.Г. Електроенергетичні системи та устаткування В статье описаны особенности структуры распределенной сети электропитания на силовом и информационном уровне. Показана необходимость применения гетерогенных контекстных данных о внешних условиях, режимах работы силового оборудования и характере нагрузки для управления системой электропитания. Обоснована целесообразность использования иерархического принципа управления на основе логических правил. В статті описано особливості структури розподіленої мережі електропостачання на силовому та інформаційному рівні. Показано необхідність використання гетерогенних контекстних даних про зовнішні умови, режи-ми роботи силового обладнання та характер навантаження для керування системою електроживлення. Обґрунтовано доцільність використання ієрархічного принципу керування на основі логічних правил. The features of the structure of distributed power grid to the power and data level are described. The necessity of application of heterogeneous data on external conditions, power equipment operating modes and the characteristic of the load for network management is shown. The expediency of hierarchical control principle based on logical rules is substantiated. The necessity of data pre-processing and formalization in form of context in order to reduce the volume of circulating and processed information is justified. Implementing the procedure of digital filtering, verification and data forecast allowed reducing the noise and inertia of the control system. The principles of formalization of context, which reduced the volume of data transmitted and processed were elaborated. The approach of the formation of the rules allows applying intellectual control algorithms for power system, improving the quality of management. 2016 Article Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания / Е.В. Вербицкий, А.Г. Кисилева // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 1. — С. 55-59. — Бібліогр.: 8 назв. — рос. 1607-7970 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134786 621.314 ru Технічна електродинаміка Інститут електродинаміки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Електроенергетичні системи та устаткування
Електроенергетичні системи та устаткування
spellingShingle Електроенергетичні системи та устаткування
Електроенергетичні системи та устаткування
Вербицкий, Е.В.
Киселева, А.Г.
Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
Технічна електродинаміка
description В статье описаны особенности структуры распределенной сети электропитания на силовом и информационном уровне. Показана необходимость применения гетерогенных контекстных данных о внешних условиях, режимах работы силового оборудования и характере нагрузки для управления системой электропитания. Обоснована целесообразность использования иерархического принципа управления на основе логических правил.
format Article
author Вербицкий, Е.В.
Киселева, А.Г.
author_facet Вербицкий, Е.В.
Киселева, А.Г.
author_sort Вербицкий, Е.В.
title Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
title_short Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
title_full Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
title_fullStr Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
title_full_unstemmed Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
title_sort использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания
publisher Інститут електродинаміки НАН України
publishDate 2016
topic_facet Електроенергетичні системи та устаткування
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/134786
citation_txt Использование контекстных данных при управлении распределенной сетью электропитания / Е.В. Вербицкий, А.Г. Кисилева // Технічна електродинаміка. — 2016. — № 1. — С. 55-59. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
series Технічна електродинаміка
work_keys_str_mv AT verbickijev ispolʹzovaniekontekstnyhdannyhpriupravleniiraspredelennojsetʹûélektropitaniâ
AT kiselevaag ispolʹzovaniekontekstnyhdannyhpriupravleniiraspredelennojsetʹûélektropitaniâ
first_indexed 2025-07-09T22:06:07Z
last_indexed 2025-07-09T22:06:07Z
_version_ 1837208718124515328
fulltext ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 1 55 УДК 621.314 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОНТЕКСТНЫХ ДАННЫХ ПРИ УПРАВЛЕНИИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ СЕТЬЮ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Вербицкий Е.В., канд.техн.наук, Киселева А.Г., канд.техн.наук Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт», пр. Победы, 37, Киев, 03056, Украина, e-mail: kiseleva_anna@ukr.net В статье описаны особенности структуры распределенной сети электропитания на силовом и информа- ционном уровне. Показана необходимость применения гетерогенных контекстных данных о внешних условиях, режимах работы силового оборудования и характере нагрузки для управления системой электропитания. Обоснована целесообразность использования иерархического принципа управления на основе логических правил. Библ. 8, табл. 1, рис. 3. Ключевые слова: контекст, распределенная система электропитания, иерархический принцип управления. Вступление. Для экономии энергии ископаемых источников, запасы которых постепенно исто- щаются, все чаще используются возобновляемые источники энергии (ВИЭ), технический потенциал ко- торых в перспективе позволяет минимизировать использование электростанций на ископаемом топли- ве. Интеграция разнотипных источников энергии в единую систему электропитания осуществляется с помощью концепции активно-адаптивного управления SmartGrid [2, 4, 6], которая основывается на измерении и обработке гетерогенных данных об окружающей среде (мощность солнечного излучения, скорость ветра, температура, влажность), режимах работы силового оборудования (пространственное распределение источников энергии и их выходная мощность, запас энергии в системе аккумулирования энергии, уровень потерь в системе) и мощности потребления нагрузок. Централизация управления в распределенных системах электропитания предусматривает построение информационной структуры системы, которая состоит из множества датчиков, телекоммуникационных устройств передачи данных и узлов их обработки, что позволяет построить иерархическую математическую модель системы, опи- сывающую влияние измеряемых параметров на энергетические процессы генерации, распределения и потребления энергии. При этом следует отметить, что полностью централизованная система, имеющая один центр управления, наряду с высокой эффективностью, имеет недостаточную гибкость при усло- вии неполноты используемых данных. Поэтому на практике применяют иерархические системы управ- ления (СУ), которые позволяют функционировать силовому оборудованию автономно, что соответст- вует принципу децентрализованного управления. Вместе с тем, обеспечивается оптимизация и коорди- нирование режимов работы системы на основании обработки полного набора данных, собираемых СУ более высокого уровня. Повышение эффективности управления при использовании иерархического управления до- стигается при условии представления возможных состояний системы в сжатом виде, позволяющем фор мализовать процессы на каждом уровне иерархии управления и задавать режимы работы оборудования, используя присущий этому уровню набор данных. Задача формализации измеряемых данных особенно актуальна для систем распределенного электропитания, которые по сравнению с централизованной сетью имеют более сложную структуру, содержащую системы аккумулирования и резервного электропитания. Повышение структурной сложности распределенных систем электропи- тания, с одной стороны, увеличивает гибкость управления ими, что позволяет учитывать информа- цию о положении человека и условиях окружающей среды, на основании которой осуществляется динамическое управление системами жизнеобеспечения – освещением, отоплением, вентиляцией. С другой стороны, необходимость учета разнородных данных при управлении приводит к необходи- мости обработки больших массивов неструктурированной информации. Для представления модели текущего состояния системы электропитания в виде, удобном для принятия решений о формирова- нии рациональных правил по управлению системой электропитания, и для уменьшения объема обра- батываемых данных целесообразно представлять измеренные данные в формальном виде. В статье проанализирован принцип обмена данными между иерархическими уровнями системы управления и предложен принцип их обработки и формализации. Иерархическая модель системы электропитания. Одним из средств, способствующим фор- мализации состояний системы является модель контекста [5, 7]. Контекст может быть следующих ти-                                                               © Вербицкий Е.В., Киселева А.Г., 2016 56                                                                            ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 1  пов: 1) время; 2) координаты; 3) среда; 4) локация; 5) активность; 6) состояние инфраструктуры. В этом случае СУ системы электропитания предлагается представить в виде древовидной структуры (рис. 1). Каждый уровень описывает состояние системы на определенном абстрактном уровне обра- ботки контекстных данных. Данные уровни дополняют друг друга, чем обеспечивается их непро- тиворечивость. Рис. 1 Силовое оборудование, подключаемое посредством преобразователей электроэнергии к СУ пер- вого уровня иерархии, выполняет определенные функции по преобразованию параметров электрической энергии. Функции координации работы преобразователей, используемых в однотипном силовом обору- довании, выполняет СУ второго уровня иерархии, получающая контекстные данные от преобразова- телей и от СУ более высоких уровней иерархии. На основании полученных данных осуществляется рас- чет параметров, необходимых для формирования задающих воздействий для всех преобразователей си- лового оборудования определенного типа. Аналогично выполняется координация работы всех преоб- разователей с помощью СУ третьего уровня иерархии. Рассмотренный принцип управления позволяет интегрировать информационную часть силовoго оборудования в единую систему с целью повышения эффективности его совместной работы. Общее количество уровней иерархии зависит от применяемых принципов управления, количества и структурной сложности используемого оборудования. На силовом уровне интеграция осуществляется с помощью преобразователей электрической энергии, на информационном уровне – информацией о текущем состоянии системы, что позволяет гибко регулировать режимы ее работы, минимизируя потери и стоимость потребляемой энергии. Про- цесс управления системой электропитания обеспечивается постоянной циркуляцией информации. Она, с одной стороны, является временными рядами (ВР) измеренных значений параметров системы (ток, напряжение, температура) и интегральных показателей (действующие значение напряжения, коэффи- циент гармоник), передающихся от СУ низшего уровня иерархии к СУ высшего уровня иерархии. С другой стороны, − ВР задающих сигналов, которые зачастую являются мгновенными значениями мощ- ности регулируемых источников энергии и отдельных преобразователей и передаются от СУ высшего уровня иерархии к СУ низшего уровня иерархии. Ограничением для работы иерархических систем уп- равления является большой объем данных, которые нужно передавать и обрабатывать в реальном ре- жиме времени. Например, для эффективного отбора энергии от солнечных батарей (СБ) необходимо контролировать значение среднего тока и амплитуду его пульсации [3]. Поэтому для типичной частоты преобразователя f=20 кГц, который используется в качестве устройства отбора мощности, согласно тео- реме Котельникова частота измерений fИ тока и напряжения на выходе СБ должна составлять минимум 40 кГц. Если солнечная электростанция состоит из тысячи модулей СБ, объем циркулируемых данных за 1 с составляет 40·106 выборок, что усложняет процесс управления. К тому же, закон управления раз- нотипным силовым оборудованием зависит от многих параметров окружающей среды (температура, скорость ветра, влажность), режимов работы силового оборудования (источник напряжения, тока, мощ- ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 1 57 ности), значений параметров качества напряжения (коэффициент гармоник, коэффициент несиметрии, действующее значение напряжения) и параметров нагрузок (мощность, характер нагрузок). Поэтому применение традиционных принципов управления в этом случае имеет недостаточную эффективность. Для уменьшения объема обрабатываемых и измеряемых данных, а также для повышения эффективности управления системой электропитания используются знания экспертов, которые чаще всего представляются в виде правил [1] и позволяют отсеивать ненужную информацию, тем самым уменьшая количество параметров и объем циркулируемых данных. Для построения правил изме- ренные параметры целесообразно представлять в виде контекста – информации, описывающей со- стояние в виде триплетов – тип контекста: атрибут контекста := значение, например, «Помещение: температура = комфортная», «Генераторы: мощность = достаточная», «Нагрузки: характер = индук- тивно-активный». Формирование контекста из измеренных данных условно можно разделить на за- дачи обработки цифровых сигналов; нормализации данных и их последующей интеграции, осущест- вляемых на основании параметров модели оборудования системы электропитания; формализации ин- тегральных показателей. Графическая интерпретация формирования и циркуляции контекста пока- зана на рис. 2. Рис. 2 Рассмотрим этапы формирования контекста подробнее. Принцип формирования контекста. Процедура обработки цифровых сигналов разделяется на этапы: – накопление данных в буфере, имеющем структуру очереди, длина которого зависит от типа и уровня зашумленности измеренных данных; – отделение полезного сигнала от шумовой компоненты; – верификация данных, то есть оценка их достоверности и выявление аномальных значений; – прогнозирование, необходимое для уменьшения инерционности контура управления. В работе [8] показано, что при использовании методов обработки цифровых сигналов рас- ходуется порядка 10-20 тактов процессорного времени, что обеспечивает задержку в принятии ре- шения в пределах 0.1-10 мкс и позволяет работать системе в режиме реального времени, при этом достигается уменьшение шума данных в диапазоне 74-89 %. Следующие этапы формирования контекста иллюстрируются на примере системы отбора мак- симальной мощности от СБ. В этому случае для управления используется ток I, напряжение U и мощ- ность P СБ, которые нормируются значением тока IКЗ в режиме короткого замыкания, напряжением в режиме холостого хода UXX, максимальной выходной мощностью PMM соответственно: КЗI I I=* / ; XXU U U=* / ; MMP P P=* / . (1) Также для управления целесообразно использовать: удельную мощность солнечного излучения S*, значение пульсации тока ΔI*, выходное сопротивления системы отбора мощности R*, температура Tm*. Эффективность работы СБ оценивается значением выходной мощности Р*, которое зависит от значений измеренных данных всех типов, Р* = f(S,I*,U*,ΔI*,R*,Tm). Интеграция измеренных данных СУ 1 уровня иерархии СУ 2 уровня иерархии СУ 3 уровня иерархии Силовой уровень Интегр. показатели качества Информаци- онный уровень   Контекст Информаци- онный уровень   Информаци- онный уровень   Интегр. показатели качества ВР мгнов. значений мощности ВР мгнов. значений мощности Силовой уровень   Силовой уровень   Энергия Энергия Давачі Давачі Датчики Формирование ВР Фильтрация Прогнозирование Интеграция Нормализация Верификация Формализация 58                                                                            ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 1  позволяет полностью определить режим ра- боты СБ с помощью значения тока в точке максимальной мощности IMM *, тем самым уменьшив объем обрабатываемых данных в шесть раз. Используя интегральный пара- метр и определенные граничные условия, можно качественно охарактеризовать режи- мы работы СБ в установившемся и пере- ходном режимах, что иллюстрирует рис. 3. На нем показана функция выходной мощ- ности Р* = f(I*) с отмеченной на ней точкой максимальной мощности ММ, которой со- ответствует ток IMM *. Также на кривой отмечены пороговое значение мощности РП*. Ему соот- ветствуют отклонения тока I* от точки ММ ΔI1 *, ΔI2 *. Если выходная мощность Р* больше пороговой, СБ представляется источником мощности, правее этого диапазона СБ является источником напря- жения, левее – источником тока. По изменению значений тока определяется изменение выходной мощности СБ. На основании приведенного анализа формируется контекст работы СБ. Для примера в таблице приведены условия формирования и возможные значение двух атрибутов контекста – «Режим работы» и «Выходная мощность». Частота изменения парамет- ров контекста значительно меньше частоты дискретиза- ции исходных данных и опре- деляется частотой изменения параметров нагрузки и условий окружающей среды, поэтому контекстные данные, как пра- вило, передаются несколько раз в секунду. Количество типов контекстных данных для СБ не пре- вышает десяти. Поэтому для солнечной электростанции, состоящей из тысячи модулей, количество передаваемых данных достигает 104 выборок в секунду, что на четыре порядка меньше, чем при пе- редаче ВР измеренных данных. Правила на основании полученных контекстных данных имеют следующую структуру: Если → состояние системы до подачи управляющего воздействия. Набор признаков, определяющих принадлеж- ность к классу состояния; То: 1) логический (высший) уровень управления → изменение конфигурации системы и/или режимов работы электротехнического оборудования; 2) непрерывный (низший) уровень управления → формирование задающего воздействия для отдельных преобразователями электрической энергии. Использование полученного контекста вместе с контекстом других генераторов, окружающей среды и нагрузок позволяет экспертам формировать правила управления электросетью. Например: Если «Режим работы СБ := источник напряжения» И «Выходная мощность := уменьшается» То «Ток СБ := уменьшить». Простая структура правил обеспечивает формализацию процесса управления системой элек- тропитания, что позволяет задействовать интеллектуальные методы обработки данных и знания экс- пертов, а также распределить контекстные данные по разным уровням иерархии и значительно уменьшить объем их передачи и обработки. Выводы. Предложенный принцип обработки и формализации измеренных данных позволяет: – обеспечить задержку в обработке данных в пределах 0,1-10 мкс, что позволяет работать системе в режиме реального времени и уменьшить уровень шума используемых данных на 74-89 %; – уменьшить количество вычислительных операций и объем передаваемых данных минимум на порядок; – упростить процедуру использования знаний экспертов при создании правил управления системой электропитания.     1. Згуровский М.З., Панкратова Н.Д. Системный анализ: проблемы, методология, приложения. − К.: Наукова думка, 2005. − 743 с. 2. Кириленко А.В, Якименко Ю.И., Жуйков В.Я., Денисюк С.П. Преобразователи параметров элек- троэнергии в smart системах енергетики // Праці Інституту електродинаміки. Спец. випуск. − 2010. – С. 17-23. Условие Контекст I* < IMM * - ΔI1 * СБ: режим работы := источник тока IMM * - ΔI1 * < I* < IMM * + ΔI2 * СБ: режим работы := источник мощности I* > IMM * + ΔI2 * СБ: режим работы := источник напряжения (Ii * < IMM * ) AND (Ii * > Ii-1 *) СБ: выходная мощность := возрастает (Ii * < IMM * ) AND (Ii * < Ii-1 *) СБ: выходная мощность := уменьшается (Ii * > IMM * ) AND (Ii * > Ii-1 *) СБ: выходная мощность := уменьшается (Ii * >IMM * )) AND (Ii * < Ii-1 *) СБ: выходная мощность := возрастает Рис. 3 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2016. № 1 59 3.Ромашко В.Я., Вербицький Є.В., Киричик Є.І. Аналіз втрат енергії в системі відбору максимальної потужності сонячної батареї // Техн. електродинаміка. – 2014. – № 4. – С. 55-57. 4. Стогній Б.С., Кириленко О.В., Праховник А.В., Денисюк С.П. Еволюція інтелектуальних електричних мереж та їхні перспективи в Україні // Техн. електродинаміка. − 2012. − № 5. − С. 52-67. 5. Dey A. K. Understanding and Using Context // Personal and Ubiquitous Computing J. − 2001. − Vol. 5. − No 1. − Pp. 4–7. 6. Kyrylenko O.V., Strzelecki R., Denysiuk S.P., Derevianko D.G. Main Features of the Stability and Reliability Enhancement of Electricity GRID with DG in Ukraine Based on IEEE Standards // Техн. електродинаміка. − 2013. − № 6. − С. 52-57. 7. Stephan Sigg. Expectation aware in-network context processing // 4th ACM International Workshop on Context-Awareness for Self-Managing Systems, (CASEMANS'10) ACM, New York, USA. – 2010. – Pp. 9-14. 8. Zhuikov V., Kyselova, A. Integration of context-aware control system in microgrid // IEEE XXXIII International Scientific Conference "Electronics and Nanotechnology" (ELNANO), Kyiv , 2013.– Pp. 386-390. УДК 621.314 ВИКОРИСТАННЯ КОНТЕКСТНИХ ДАНИХ ПРИ КЕРУВАННІ РОЗПОДІЛЕНОЮ МЕРЕЖЕЮ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ Вербицький Є.В., канд.техн.наук, Кисельова А.Г., канд.техн.наук Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», пр. Перемоги, 37, Київ, 03056, Україна, e-mail: kiseleva_anna@ukr.net В статті описано особливості структури розподіленої мережі електропостачання на силовому та інформа- ційному рівні. Показано необхідність використання гетерогенних контекстних даних про зовнішні умови, режи-ми роботи силового обладнання та характер навантаження для керування системою електроживлення. Обґрун- товано доцільність використання ієрархічного принципу керування на основі логічних правил. Бібл. 8, табл. 1, рис. 3. Ключові слова: контекст, розподілена мережа електропостачання, ієрархічний принцип керування. APPLICATION OF CONTEXTUAL DATA FOR CONTROL OF DISTRIBUTED POWER GRID Verbytskyi I.V., Kyselova A.G. National Technical University of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Peremohy av., 37, Кyiv, 03056, Ukraine, e-mail: kiseleva_anna@ukr.net . The features of the structure of distributed power grid to the power and data level are described. The necessity of application of heterogeneous data on external conditions, power equipment operating modes and the characteristic of the load for network management is shown. The expediency of hierarchical control principle based on logical rules is substantiated. The necessity of data pre-processing and formalization in form of context in order to reduce the volume of circulating and processed information is justified. Implementing the procedure of digital filtering, verification and data forecast allowed reducing the noise and inertia of the control system. The principles of formalization of context, which reduced the volume of data transmitted and processed were elaborated. The approach of the formation of the rules allows applying intellectual control algorithms for power system, improving the quality of management. References 8, table 1, figures 3. Key words: context, distributed power grid, hierarchical control principle. 1. Zgurovsky M.Z., Pankratova N.D. System analysis: problems, methodology, applications. − Кyiv: Naukova Dymka, 2005. − 743 p. (Ukr) 2. Kirilenko A.V., Yakimenko U.I., Zhuykov V.Ya., Denysiuk S.P. Converters parameters in smart electricity system // Pratsi Instytutu Elektrodynamiky. Spetsialnyi vypusk. – 2010. – Pp. 17-23. (Rus) 3. Romashko V.Ya., Verbitsky I.V., Kyrychyk I.I. Energy loses analyze in solar battery maximum power picking system // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2014. – No 4. – Pp. 55-57. (Ukr) 4. Stogniy B.S., Kyrylenko O.V., Prahovnyk O.V., Denysiuk S.P. The evolution and prospects of smart grids in Ukraine // Tekhnichna Elektrodynamika. – 2012. – No 5. – Pp. 52-67. (Ukr) 5. Dey A.K. Understanding and Using Context // Personal and Ubiquitous Computing J. − 2001. − Vol. 5. − No 1. − Pp. 4–7. 6. Kyrylenko O.V., Strzelecki R., Denysiuk S.P., Derevianko D.G. Main Features of the Stability and Reliability Enhancement of Electricity GRID with DG in Ukraine Based on IEEE Standards // Tekhnichna Elektrodynamika. − 2013. − № 6. − С. 52-57. 7. Stephan Sigg. Expectation aware in-network context processing // 4th ACM International Workshop on Context-Awareness for Self-Managing Systems, (CASEMANS'10) ACM, New York, USA. – 2010. – Pp. 9-14. 8. Zhuikov V., Kyselova A. Integration of context-aware control system in microgrid // IEEE XXXIII International Scientific Conference "Electronics and Nanotechnology" (ELNANO), Kiyv , 2013.– Pp. 386-390. Надійшла 15.04.2015 Остаточний варіант 24.12.2015