Введение к работе
Актуальность проблемы .Расчеты предельных по
статической апериодической устойчивости (САУ)
режимов весьма актуальны при проектировании и
эксплуатации энергосистем (ЭС) и имеют как
самостоятельное значение, так и являются составной частью других электроэнергетических задач, связанных с обеспечением требуемого уровня надежности и экономичности функционирования Э-С.
Значительный вклад в разработку различных аспектов проблемы исследования САУ ЭС внесли Андреюк В.А., Баринов В.А., Бартоломей П.И., Бушуев В.В., Васин В.П., Веников В.А., Гамм А.З., Горев А.А., Жданов П.С, Идельчик В.И., Крумм Л.А., Левинштейн М.Л., Лукашов Э.С., Манусов В.Э., Маркович И.Н., Рудницкий М.П., Совалов С.А., Строев В.А., Тарасов В.И., Ушаков Е.И., Фазылов Х.Ф., Цукерник Л.В., Щербачев О.В. и их коллеги.
В настоящее время актуальность вопросов, связанных с расчетами предельных режимов, оценкой запасов и построением областей САУ в пространстве регулируемых параметров существенно возросла. Это вызвано широким внедрением в электроэнергетику современных средств вычислительной техники, созданием информационно-вычислительных систем (ИВС) и оперативных информационных комплексов (ОИК) для решения задач диспетчерского и противоаварийного управления энергосистемами. Появились и новые задачи, обусловленные, например, необходимостью:
ввода режимов в область устойчивости с минимальным ущербом от отключения генераторов и нагрузок при определении управляющих воздействий
в централизованных системах противоаварийного управления (ЦС ПАУ);
оперативного выбора технически рациональных мероприятий по повышению устойчивости;
оценкой допустимой области управления по условию обеспечения САУ;
определения параметров предельных режимов с учетом фактора неопределенности. Большинство из перечисленных выше задач должно
решаться непосредственно в контуре управления
энергосистемами и энергообъединениями на основе
информации, получаемой по каналам телемеханики. Это
требует создания научно обоснованных методов оценки и
нормирования запасов САУ, разработки эффективных
алгоритмов расчета предельных и допустимых режимов,
обеспечивающих высокую степень надежности получения
решения и построенных на единой методологической базе.
Работа выполнялась в соответствии с
координационными планами комплексной целевой
программы Минвуза СССР на 1986-1990 гг. «Разработка
методов и средств экономии электроэнергии в
электрических системах» и государственной
(общеакадемической) программы «Коренное повышение
эффективности энергетики» (Направление 5:
«Оптимальное развитие и управление функционированием ЕЭЭС СССР», подраздел 5.2.3 «Теория и методы оптимального управления функционированием ЕЭЭС».
Цель работы состоит в повышении надежности,
быстродействия и точности функционирования
автоматизированных систем диспетчерского и централизованных систем противоаварийного управления энергосистемами, снижении ущербов от выполнения
противоаварийных мероприятий, упрощении алгоритмов
выбора управляющих воздействий.
Для достижения этих целей потребовалось решение
следующих задач:
« разработать быстродействующие и надежные методы и алгоритмы определения предельных по статической устойчивости и передаваемой мощности режимов ЭС;
создать научно-обоснованные методы оценки запасов устойчивости;
разработать способы экспресс-расчетов допустимых по условиям статической устойчивости режимов энергосистем;
выполнить исследования, направленные на создание методов эквивалентирования внешних по отношению к району управления частей ЭС, обеспечивающих требуемую точность выбора управляющих воздействий.
Методы исследования. Методы решения
рассмотренных в диссертации задач разработаны на основе
анализа математических моделей сложных электрических
систем с применением аппарата линейной алгебры, теории
функций многих переменных, нелинейного
программирования.
Проверка эффективности предложенных методов и алгоритмов основывалась на вычислительных экспериментах, проводимых на базе специально разработанных программ для ЭВМ, применительно к реальным и эквивалентным схемам энергосистем.
Научная новизна.
1. Создан математический аппарат теории расчета и анализа предельных режимов сложных энергосистем, основанный на использовании и физической
интерпретации собственных векторов матрицы Якоби уравнений установившегося режима (УУР), отвечающих нулевым собственным значениям.
2.Получены уравнения предельных режимов (УПР) энергосистем и даны методы их решения. На основе этих уравнений разработана новая методика определения пределов статической устойчивости и передаваемой мощности, обеспечивающая высокую эффективность расчетов и надежность получения решения в задачах оперативного управления энергосистемами.
3.Показана применимость УПР для построения и аппроксимации областей устойчивости, а также ввода режимов в область существования по заданным и оптимальным траекториям.
4.Сформулирован общий подход к решению задачи нахождения запасов статической апериодической устойчивости, на основе которого получены обобщенные уравнения предельных режимов (ОУПР). На основе этих уравнений разработана оригинальная методика, позволяющая определять параметры предельного режима в критическом (наиболее опасном) направлении утяжеления и величину запаса устойчивости, находить допустимый режим, отвечающий требуемому запасу.
5.На базе ОУПР получены стохастические модели для
нахождения запасов устойчивости, позволяющие
оценивать вероятность наступления предельного режима в задачах анализа функциональной надежности ЭС, а также сформулировать вероятностный подход к выбору наиболее опасного (критического) направления утяжеления.
6.Разработана методика выбора оптимальных управляющих воздействий противоаварийной автоматики (ПАА), отвечающих минимальным ущербам, связанным с отключением ответственных потребителей электроэнергии. Предложены алгоритмы учета изменений напряжений и
частоты в ЭС при выборе оптимальных управляющих воздействий ПАА.
7.Разработан альтернативный подход к построению допустимых областей управления ЭС, основанный на использовании минимальных сингулярных чисел матрицы Якоби уравнений установившегося режима (УУР).
8.Разработана методика эквивалентирования внешних по отношению к району управления частей ЭС, основанная на линеаризации УУР и позволяющая учитывать реальные характеристики генераторов и нагрузок с их регулирующими устройствами.
9. Даны методы корректировки линейных эквивалентов по данным телеизмерений в процессе оперативного управления- ЭС. Разработаны способы выбора районов эквивалентирования, позволяющие рассчитывать режимы в эквивалентных схемах с заданной точностью.
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся методы и алгоритмы, позволяющие решать следующие актуальные задачи оперативного управления режимами сложных энергосистем:
экспресс-расчет предельных по статической апериодической устойчивости и передаваемой мощности режимов энергосистем в заданном направлении утяжеления;
определение предельных режимов в критическом (наиболее опасном) направлении утяжеления;
ввод режимов в область существования (устойчивости) по заданным траекториям изменения регулируемых параметров;
ввод режимов в область существования по траектории, отвечающей кратчайшему расстоянию до предельной гиперповерхности;
определение режимов, отвечающих требуемой
величине запаса статической апериодической
устойчивости;
расчет предельных режимов, отвечающих минимальным значениям функционалов, определяющих ущерб от выполнения противоаварийных мероприятий;
определение предельных режимов в критическом направлении утяжеления с учетом случайных колебаний нагрузок;
построение границ областей устойчивости (существования), кусочно-линейная и нелинейная аппроксимация сечений этих областей координатными плоскостями;
построение эквивалентных моделей ЭС для целей расчета послеаварийных режимов в централизованных системах противоаварийного управления;
выбор рационального размера контролируемой части ЭС, обеспечивающего требуемую точность расчета послеаварийных режимов;
оперативная корректировка параметров
эквивалентной модели по данным телеизмерений
Практическая ценность научных результатов, изложенных в диссертации, состоит в решении актуальных научно-технических проблем, связанных с созданием автоматизированных систем диспетчерского управления ЭС и централизованных систем противоаварийной автоматики .
Полученные в работе результаты позволяют
повысить скорость принятия решений, точность
оперативного управления ЭС, снизить ущерб при
отключении генераторов и нагрузок при проведении
режимных ограничений потребителей, упростить
алгоритмы выбора управляющих воздействий, полнее использовать резервы энергосистем по пропускной способности.
Разработанные методы оценки запасов устойчивости
обеспечивают научно-обоснованный подход к решению
проблемы нормирования запасов статической
апериодической устойчивости.
Теоретические и методические результаты,
полученные в диссертации, использованы в разработанном
в Санкт-Петербургском государственном техническом
университете комплексе программ ПАУЭР, включающем
алгоритм расчета установившихся и
самоустанавливающихся по частоте режимов и алгоритмы получения и учета линейных эквивалентов.
Теоретические и практические результаты, полученные в диссертации, созданное программное обеспечение используется в АО "Бурятэнерго" и на ряде крупных промышленных предприятий республики Бурятия при разработке автоматизированных систем управления режимами электропотребления
Реализация работы. Основные результаты диссертационной работы в виде программного обеспечения для ЭВМ, рекомендаций и практических разработок переданы в Северо-Западное отделение АО "Энергосетьпроект", Научно-исследовательский институт постоянного тока, АО "Бурятэнерго", Байкальский энергетический центр при Правительстве республики Бурятия.
Некоторые научные результаты по методам экспресс-расчетов предельных и допустимых режимов, а также использованию сингулярных разложений матрицы Якоби УУР переданы для использования в совместных исследованиях на факультет электротехнических и
компьютерных наук университета г. Нью-Кастл (Австралия).
Материалы диссертации широко используются в учебном процессе в Восточно-Сибирском государственном технологическом университете и Тольятинском политехническом институте.
Результаты работы применяются при подготовке
аспирантов на кафедре "Электрические системы" Санкт-
Петербургского государственного технического
университета и кафедре "Автоматизация и
электрооборудования и промышленных предприятий"
Восточно-Сибирского государственного технологического
университета.
Апробация работы. Основные научные и
практические результаты работы докладывались и
обсуждались на международных, Российских,
региональных научных конференциях, семинарах и
совещаниях: "Моделирование электроэнергетических
систем", Баку, 1982; "Упрощенные методы анализа
устойчивости и их применение" , Новосибирск, 1982;
"Пути экономии и повышения эффективности
использования электроэнергии в системах
электроснабжения промышленности и транспорта",
Казань, 1984; "Совершенствование электрооборудования и
средств автоматизации технологических процессов
промышленных предприятий", Комсомольск-на Амуре,
1986; "Кибернетика электрических систем",
Новочеркасск, 1986; "Моделирование
электроэнергетических систем", Рига, 1987;
"Эквивалентирование электроэнергетических систем для
управления их режимами", Баку, 1987; "Научные проблемы
современного энергетического машиностроения",
Ленинград, 1987; "Кибернетика электрических систем", Новочеркасск, 1987; "Теоретические и прикладные
проблемы электрофизики и электроснабжения Севера
страны", Апатиты, 1988; "Кибернетика электрических
систем", Новочеркасск, 1988; "Информационное
обеспечение АСДУ ЭЭС", Паланга, 1988;
"Совершенствование электрооборудования и средств автоматизации технологических процессов промышленных предприятий", Комсомольск-на -Амуре, 1989; "Задачи реального времени в диспетчерском управлении", Каунас, 1989. "Разработка методов и средств экономии электроэнергии в электрических системах и системах электроснабжения промышленности и транспорта", Днепропетровск, 1990; "Кибернетика электрических систем", Гомель, 1991; "Power system conference", St-Petersburg, 1994; "Электротехника 20 JO год. Наука, производство, рынок", Москва, 1995; Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири, Иркутск, 1996,1997.
Публикации . По теме диссертации соискателем лично и в соавторстве опубликовано 87 работ, в том числе б книг и брошюр. Кроме того, выпущено 9 отчетов по госбюджетным научно-исследовательским работам, зарегистрированных во ВНТИЦ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, а также библиографического списка (340 названий, 37 страниц) и одного приложения. Основной текст изложен на 214 страницах машинописного текста (шрифт Times New Roman, 14 пт). Работа иллюстрируется 114 рисунками и 6 таблицами (общий объем приблизительно 50 страниц).
