Damping of the cold load pick-up during hourly outage schedules using gamification methods

Abstract

Main objectives of the study consist in the theoretical formalization and exploratory experimental evaluation of a non-capital-intensive socio-technical demand-side management method designed for damping the parameters of a cumulative charging avalanche that occurs in low-voltage residential distribution electrical networks during scheduled blackout periods of hourly outage schedules. To demonstrate how these objectives were achieved, an analytical mathematical model of load restoration transient processes in time coordinates was synthesized based on the superposition principle and component phase decomposition, a field experimental study was performed on a typical sixty-apartment multi-family residential building with the voluntary deployment of a local demand gamification information loop, and a mathematical calculation of group simultaneity factors was carried out taking into account the integration weight coefficient of individual apartment voltage relays. The most important results are the empirical confirmation of the structural cascade splitting of household energy storage system inverter starting fronts and the controlled time shift of the mathematical expectation of the stochastic socio-behavioral demand phase, which led to a verified reduction in the cumulative peak load of the residential distribution node by 17.0% and a decrease in the recorded maximum current by 27.3 amperes under the combined mitigation scenario, successfully minimizing the risk of accelerated thermal degradation of input fuse links. The significance of obtained results lies in the creation of an efficient, scalable, and non-invasive engineering tool for distribution system operators, the potential integration of which into mobile customer services and automated supervisory control complexes ensures local feeder stability and transformer load profile leveling without expensive modernization of physical equipment and grid cable infrastructure.

Principalele obiective ale studiului constau în formalizarea teoretică și evaluarea experimentală exploratorie a unei metode socio-tehnice de gestionare a cererii, care nu necesită investiții semnificative de capital și este concepută pentru atenuarea parametrilor unei avalanșe cumulative de încărcare ce apare în rețelele electrice rezidențiale de distribuție de joasă tensiune în timpul perioadelor de întreruperi programate ale alimentării cu energie electrică. Pentru a demonstra modul în care au fost atinse aceste obiective, a fost elaborat un model matematic analitic al proceselor tranzitorii de restaurare a sarcinii în coordonate temporale, bazat pe principiul suprapunerii și pe descompunerea în componente de fază; a fost realizat un studiu experimental de teren pe o clădire rezidențială multifamilială tipică, cu șaizeci de apartamente, prin implementarea voluntară a unei bucle informaționale de gamificare a gestionării cererii locale; și a fost efectuat un calcul matematic al factorilor de simultaneitate ai grupului, luând în considerare coeficientul de pondere al gradului de integrare a releelor individuale de tensiune din apartamente. Cele mai importante rezultate constau în confirmarea empirică a divizării structurale în cascadă a fronturilor de pornire ale invertoarelor sistemelor casnice de stocare a energiei și în deplasarea controlată în timp a valorii așteptate a fazei stochastice a cererii socio-comportamentale. Aceste efecte au condus la o reducere verificată cu 17.0 % a sarcinii cumulative de vârf a nodului de distribuție rezidențial și la o diminuare cu 27.3 A a curentului maxim înregistrat în scenariul combinat de atenuare, reducând astfel riscul degradării termice accelerate a siguranțelor de intrare. Semnificația rezultatelor obținute constă în dezvoltarea unui instrument ingineresc eficient, scalabil și neinvaziv destinat operatorilor sistemelor de distribuție, a cărui integrare potențială în aplicațiile mobile destinate clienților și în sistemele automate de monitorizare și control poate contribui la creșterea stabilității alimentatorului local și la uniformizarea profilului de sarcină al transformatorului, fără a fi necesară modernizarea costisitoare a echipamentelor și a infrastructurii rețelei electrice.

Основные цели исследования заключаются в теоретическом описании и предварительной экспериментальной оценке малозатратного социотехнического метода управления спросом электроэнергии, предназначенного для демпфирования параметров перегрузок, возникающих в распределительных электрических сетях низкого напряжения бытового сектора в периоды планового обесточивания при действии графиков почасовых отключений. Для достижения поставленных целей были решены следующие задачи: на основе принципа суперпозиции и фазовой декомпозиции компонентов была синтезирована математическая модель переходных процессов восстановления нагрузки; проведено экспериментальное исследование на базе типичного многоквартирного жилого дома с организацией локального информационного контура геймификации спроса; а также выполнен математический расчет групповых коэффициентов одновременности с учетом весового коэффициента интеграции индивидуальных квартирных реле напряжения. Наиболее важными результатами являются экспериментальное подтверждение структурного каскадного расщепления пусковых фронтов токов и мощностей инверторов бытовых систем накопления энергии и контролируемое смещение во времени математического ожидания стохастической фазы социально-поведенческого спроса населения. Эксперимент позволил снизить кумулятивный пик нагрузки распределительного узла и сократить зарегистрированный максимальный ток в сценарии совместного применения защитных мер, что успешно минимизировало риск ускоренной термической деградации вводных плавких вставок. Значимость полученных результатов состоит в создании эффективного, масштабируемого и неинвазивного инженерного инструмента для операторов систем распределения, потенциальное внедрение которого в мобильные клиентские сервисы и автоматизированные диспетчерские комплексы обеспечивает стабилизацию работы локального фидера и выравнивание графиков нагрузки трансформаторного узла без проведения дорогостоящей модернизации физического оборудования и кабельной инфраструктуры сетей.