Введение к работе
Актуальность темы. Проблема анализа динамических свойств энергосистем при электромеханических переходных процессах является одной из центральных проблем научных исследований в электроэнергетике. Интерес к ней возник со времени образования первых энергосистем, объединяющих на параллельную работу синхронные генераторы как источники электрической энергии. По мере развития систем ее актуальность постоянно возрастает. Недостаточная изученность динамических свойств энергообъединений выступает серьезным препятствием при рек^нии задач их рационального развития, может служить глубинной причиной развития тяжелых аварийных ситуаций, затрудняет выбор средств управления стационарными и аварийными режимами. Высокую результативность при анализе динамических' свойств показали модальные методы исследования сложных динамических систем.
Наибольшая общность результатов анализа динамических свойств энергосистем достигается при использовании достаточно простых математических моделей. Глубина анализа динамических свойств энергообъединений существенным образом связана с возможностью их наглядной физической интерпретации, изученностью наиболее общих характеристик системы как средн. в которой наблюдаются электромеханические колебания. Не менее важны возможности структурного и обобщенного, не перегруженного второстепенными деталями, представления особенностей электромеханических колебательных явлений в сложной системе. Особое значение в практике имеет умение выделять слабые звенья системы как перспективные области для действенной корректировки схем и режимов, как районы приложения управляющих воздействий и, одновременно, наиболее чувствительные к неблагоприятным схемно-режимным ситуациям части системы, анализ состояния которых позволяет надежно и заблаговременно их ице :тифицировать. Наглядность результатов анализа динамических свойств определяет эффективность и широту его применения при решении задач исследования переходных процессов и устойчивости.
Основной недостаток достигнутого уровня решения проблемы анализа динамических свойств энергосистем состоит в том, что исследователи ограничиваются в основном констатацией отдельных
(хотя и очень важных в практических применениях) параметров и явлений при электромеханических колебаниях энергосистем: частот колебаний, распределений их амплитуд и фаз, постоянных затухания, наличия резонансов и доминирования. При этом характеристики энергосистемы как среды, в которой происходят электромеханические колебания, и, следовательно, их наиболее общие свойства остаются за рамками анализа. Отсутствие способов и средств интеграции расчетных данных в общую картину, в совокупности описывающую структурные динамические и спектральные свойства энергообъеданений, затрудняет интерпретацию и использование результатов расчета. В связи с этим конкретные исследования переходных процессов и устойчивости энергосистем в значительной мере проводятся в отрыве от результатов, полученных при анализе динамических свойств, и часто вынужденно основываются на расчетном опыте и интуиции.
Цель работы - совершенствование методов анализа динамических свойств энергосистем на основе разработки физической теории их электромеханических колебаний - волнового подхода, исследование динамических свойств энергообъединений и их физическое истолкование, а также использование полученных знаний при решении задач устойчивости. Основные решаемые задачи:
- разработка волнового подхода анализа электромеханических
колебаний энергосистем, позволяющего исследовать их наиболее
общие,свойства и физические характеристики, в том числе:
а) разработка аналитических методов исследования динамических свойств энергосистем в простых случаях,
б)разработка способов анализа структурных динамических свойств энергосистем и выявления их слабых звеньев при электромеханических переходных процессах,
в)разработка методики спектрального анализа свободных электромеханических колебании энергообъединений,
г)исследование механизмов локализации электромеханических колебательных движений и условий проявления нелокальных реакций;
- разработка методики проведения исследований переходных про
цессов и устойчивости энергосистем на базе результатов анализа
динамических свойств.
Научная новизна. Разработана совокупность методов исследова-
ния динамических Свойств, в целом названная волновым подходом. Волновой подход выступает в качестве физической теории электромеханических колебаний знергообьединений. Он позволяет исследовать наиболее общие свойства энергосистем при электромеханических колебаниях и давать их интерпретацию, а также проводить изучение динамических свойств конкретных сложных энерго-об7>единсний. В его рамках исследуются структурные динамические и спектральные свойства энергосистем, определяющие проявление различных механизмов локализации или, наоборот, широкого распространения электромеханических колебаний, выявляются слабые звенья системы. Разработана методика пу"ведения анализа динамических свойств сложных энергообъединений, которая можеі использоваться при решении широкого круга задач исследования переходных процессов, устойчивости и выбора средств управления. На защиту выносятся следующие результаты и положения.
-
Волновой подход как физическая теория электромеханических колебаний протяженных энергообъедшений.
-
Волновые уравнения линейных электромеханических колебаний энергосистем и их аналитические решения для" случаев энергосистем с однородными параметрами и регулярными структурами. Утверждение, что энергосистема для электромеханических колебаний в их линейной идеализации представляет собой диспергирующую среду. Способы определения основных физических характеристик электромеханических колебаний энергосистем.
-
Частотоструктурный метод выявления и анализа структурных динамических свойств энергообъединений. Способ идентификации слабых звеньев системы в электромеханических переходных процессах. Методика спектрального анализа возмущений в эиерго-объединениях.
-
Формулировки основных закономерностей формирования динамических (волновых) структур энергообъединений. Установленные закономерности в спектрах электромеханических колебаний.
-
Интерпретация механизмов локализации колебательных движении в отдельных частях объединения. Утверждение, что в основе нелокальных реакций лежат динамические цепочечные структурные образования для низких и средних частот и спектры энергообъединения, наблюдаемого из узловых и конечных подсистем волновых структур.
- б -
-
Методика исследования переходных процессов и устойчивости знергообъединении, основанная на использовании "связки" подробных и упрощенных моделей, применении результатов анализа динамических свойств и выделении слабых звеньев.
-
Результаты исследований динамических свойств конкретных протяженных энергообъединений.
-
Утверждение о качественной и количественной достоверности результатов исследования динамических свойств энергосистем с применением средств и методов волнового подхода.
-
Программные средства исследования переходных процессов и динамических свойств энергообъединений.
Практическая ценность и внедрение результатов. Выполненные теоретические исследования, разработанные методы и программы могут применяться в научно-исследовательских, проектных и эксплуатационных организациях при решении задач учета динамических свойств энергообъединений в практике проектирования сетевых структур системы, выборе структур и алгоритмов средств режимного и противоаварийного управления, исследованиях изменений динамических свойств при развитии и объединении энергосистем. Программы расчета длительных переходных процессов могут быть применены для исследования эффективности различных систем режимного и противоаварийного управления как с использованием традиционных, гак и новых средств и алгоритмов управления. Основные алгоритмы анализа переходных процессов и динамических свойств реализованы в ваде промышленных и экспериментальных программ для ПЭВМ. Программы расчета длительных переходных процессов и анализа динамических свойств использовались институтом "Энергосетьпроент". С помощьк разработанных программ проводились исследования переходных процессов и динамических свойств ЕВЗС. ЕЭС и объединения ЕЭС с энергосистемами стран Западной и Восточной Европы. Результаты исследований внедрены в институте "Энергосетьироект" и 1ЩУ.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на'II Всесоюзном совещании по применению частотных методов в электроэнергетических исследованиях (1976, Новосибирск). Y Республиканской научно-технической конференции энергетикоЕ (1976,Ташкент), IY Всесоюзном совещании по устойчивости и надежности энергосистем СССР (1979,Алма-Ата), Всесоюзном совеща-
нии "Исследование длительных переходных процессов энергосис тем" (1982, Новосибирск), Всесоюзных конференциях по моделированию электроэнергетических систем (1977,Таллин. 1987.Рига), Всесоюзном семинаре "Инитащюнный подход к изучению болышн систем энергетики" (1985, Иркутск), научном семинаре института электродинамики (1387, Киев), Мехадународном семинаре ЕЭК ООН по сравнению моделей планирования и эксплуатации ЭЭС (1987, Москва), семинаре кафедры электрических сетей и систем НГТУ (НЭТИ) (1993, Новосибирск).
Публикации. По теме диссертации опубликована 21 работа.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав. заключения, списка литературы (121 наименование) и приложений. Эбщий объем - 310 страниц (основной текст - 240 страниц, 51 рисунок).
