Искусственный интеллект и конденсаторные установки в компенсации реактивной мощности.

Несмотря на безусловные выгоды для жизни людей, эволюции технологий, экономики в целом от решений IT отрасли, следует отметить и очевидные негативы национального (и не только) тренда «цифровизации». Во-первых, продвижение программных решений, безусловно полезных, часто инновационных, с помощью маркетинговых слоганов типа искусственные нейронные сети (Artificial neural networks - ANN), искусственный интеллект (ИИ), предиктивное управление, технологии квантовых пакетов, VR (виртуальной) реальности, RFID (Radio Frequency Identification), Интернет вещей, систем, цифровые двойники (Digital Twins) и т.п. некорректно и в большинстве случаев не отвечает действительности. Так, ANN по факту не имеет ничего общего со спецификой работы нейронов в человеческом мозгу, ИИ – не более, чем пакет программ, построенных на прогрессивных алгоритмах, математическое моделирование процесса Digital Twins явно несовершенно, поскольку в большинстве случаев, в том числе при моделировании силовой сети пока не отвечает закону необходимого разнообразия кибернетики (число управляющих воздействий не равно, а существенно меньше числа возмущений) и т.д.

Во-вторых, далеко не всегда тот же ИИ или ANN необходимы для решения текущих задач промышленного, непромышленного, инфраструктурного объекта, а все, например, технические решения по компенсации реактивной мощности и нивелированию гармонических искажений «на базе ИИ» обойдутся менеджменту дороже даже типовых активных фильтров гармоник (АФГ) и, тем более «традиционных» конденсаторных установок.

Искусственный интеллект в компенсации реактивной мощности силовых сетей низкого напряжения.

В последний десяток лет активно проводятся исследования и продвигаются разработки, в которых реализованы эвристические и метаэвристические (прим.: от англ. meta — «за пределами», heuristic — «найти») методы, «основанные на искусственном интеллекте». Среди наиболее популярных – предиктивное управление тиристорно-управляемыми реакторами (Thyristor Controlled Reactor - TCR), тиристорно-коммутируемыми конденсаторами (Thyristor Switched Capacitor - TSC), гибридными сборками (TSC – TCR Configuration) в рамках систем STATCOM (STATic COMрensator) или же UPFC (Unified Power-Flow Controller).

В основе управления, безусловно, находится программа (или пакет программ), загруженных на программно-логический контроллер (ПЛК) или сервер объекта, а наиболее популярные сегодня программы строятся на алгоритмах - генетических, поиска ворон (crow search algorithm – CSA, в нашей стране - «вороний алгоритм поиска»), оптимизации роя частиц (particle swarm optimization - PSO), «муравьиный» или оптимизации муравьиных колоний (ant colony optimization - ACO) и др.

CSA «имитирует социальный интеллект» вороньей стаи при их добыче, укрытии собственной пищи, разграблению укрытий других ворон, PSO построен по образу поведения птиц в стае или рыб в большом косяке, ACO моделирует поведение муравьев в колонии и в целом все эти алгоритмы схожи. Однако выглядит достаточно сомнительным их использование в качестве «ИИ» для прогнозирования и управления перетоками реактивной мощности и, тем более набросом токов гармоник, ведь число возможных изменений в «устоявшейся» энергосистеме даже с учетом трансмиссии гармонических искажений из распределительной сети далеко не так многочисленно, как в колониях муравьев, стаях ворон, косяках рыб и пр.

Наряду с этим для работы дорогого программного обеспечения «ИИ» потребуется сервер или ПЛК большей вычислительной мощности, а суммарные затраты превысят покупку типового АФГ, скорость реакции которого благодаря полевым транзисторам выше, чем у TSC – TCR на тиристорах. И это при том, что далеко не всегда целесообразно использовать дорогой АФГ, альтернативой которому в силовых сетях с быстроизменяющейся нагрузкой для компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник могут стать тиристорные конденсаторные установки УКРМТ (УКРМТФ) и пассивные резонансные фильтры гармоник.

Конденсаторные установки в компенсации реактивной мощности объектов разного назначения.

Превалирующее большинство энергосистем промышленных, непромышленных, инфраструктурных объектов имеют индуктивные нагрузки, которые снижают коэффициент мощности – (упрощенно) потребляют и активную, и реактивную энергию, но только активная составляющая полной энергии преобразуется в полезную (тепло, свет, механическую). Низкий коэффициент мощности требует передачи большего объема полной энергии, что увеличивает электрические потери в сети и затраты, снижает напряжение, негативно влияет на надежность и безопасность энергосистемы, однако это происходит только в случае, если не выполняется компенсация реактивной мощности непосредственно в силовой сети объекта.

Сопутствующий негативный эффект на силовую сеть объекта оказывает эмиссия и трансмиссия (из распределительной сети) гармонических искажений, причем на текущий момент число тех же преобразователей, как потребляющих реактивную энергию, так и генерирующих гармоники растет по экспоненте и по прогнозам уже в ближайшие 10 лет до 80% всей электрической энергии будет проходить через преобразователи - выпрямители переменного тока в постоянный (AC–DC), инверторы DC–AC, конвертеры DC–DC, циклопреобразователи AC–AC и т.д.

Т.е. компенсация реактивной мощности и нивелирование гармонических искажений, по сути, общая задача, однако с учетом реального финансового положения многих отечественных предприятий не решается просто, ведь тот же АФГ помимо большой стоимости при интеграции в точке общего подключения (PCC) для «централизованной» компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник в действительности блокирует трансмиссию гармонических искажений из силовой сети объекта в распределительную сеть (и обратно), но ниже точки подключения (т.е. практически во всей сети объекта) гармоники будут свободно воздействовать на электрическое, электронное оборудование, кабельные коммуникации, информационную сеть. Кроме того, при централизованной компенсации остается стабильным переток реактивной энергии по сети, а это, соответственно, провалы напряжения, электрические потери в кабелях, оборудовании и т.д.

Поэтому в новом веке активно проводятся исследования по оптимизации размещения технических средств компенсации реактивной мощности и нивелирования гармоник в силовых сетях объекта, а практика показывает, что:

• распределенная (индивидуальная и/или групповая) компенсация более эффективна для улучшения коэффициента мощности, уменьшения изменения напряжения и смягчения гармоник, в том числе в PCC, причем первоначальные инвестиции сравнимы с централизованной компенсацией АФГ и быстро окупаются.
  Здесь важно понимать, что совсем не обязательно для всех сегментов силовой сети использовать один тип установок, например УКРМТ (или УКРМФ) – при правильной группировке нелинейных нагрузок для оборудования с медленно и монотонно изменяющейся потребностью в реактивной энергии могут использоваться релейные УКРМ (или УКРМФ), для сетей освещения и подобных им по характеру нагрузок – неуправляемые (коммутируемые вручную или по времени) конденсаторные установки и т.д.;
• в большинстве случаев для нивелирования гармонических искажений может быть достаточно простых настроенных пассивных фильтров, интегрированных непосредственно возле (выше) нелинейной нагрузки, иногда демпфирующих реакторов, а использование фильтрующих L-C контуров в УКРМФ или УКРМТФ должно быть технически и экономически обосновано, что можно выполнить только на базе данных энергетического аудита объекта.