Содержание к диссертации
С.
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ПАРАМЕТРОВ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, СИЛОВЫХ
КОНДЕНСАТОРОВ И РЕЗИСТОРОВ, РЕАКТОРОВ.
УТОЧНЕНИЕ РЕШАЕМЫХ В РАБОТЕ ЗАДАЧ 17
1.1. Характеристики и схемы замещения линий электропередачи,
токоограничивающих реакторов, силовых резисторов и
конденсаторов ! 17
1.2. Используемые в ЭЭС методики определения параметров схем
замещения линий электропередачи, силовых резисторов и
конденсаторов, реакторов 25
Экспериментальные методики определения параметров схем замещения линий электропередачи 26
Экспериментальные методики определения параметров схем замещения реакторов 29
Экспериментальные методики определения параметров схем замещения силовых резисторов 31
Экспериментальные методики определения параметров схем замещения силовых конденсаторов 31
Общие сведения о регистраторах электрических сигналов 32
Методы получения синхронизированных измерений параметров электрического режима для распределенных объектов
энергетики РФ 35
1.5. Основные правила и процедуры дискретизированной
электротехники
1.6. Выводы по главе и уточнение решаемых в работе задач 41
ГЛАВА 2. ОБРАБОТКА ИСХОДНОЙ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ ЗАМЕЩЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТОВ ЭЭС - ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, СИЛОВЫХ
КОНДЕНСАТОРОВ И РЕЗИСТОРОВ, РЕАКТОРОВ 43
Основные расчетные процедуры дискретизированной электротехники 43
Исследование влияния шага дискретизации на точность основных процедур ДЭ 47
Исследование влияния числа разбиений N на точность расчета действующего значения сигнала 48
Исследование влияния числа разбиений N на точность расчета активной и реактивной мощностей, углов сдвига фаз между сигналами 49
Исследование влияния числа разбиений N на точность
определения производной сигнала 52
Изменение шага дискретизации в массивах мгновенных значений, полученных с помощью регистраторов электрических сигналов с фиксированным числом отсчетов на периоде 53
Исходные данные для проведения исследований по воздушным
линиям электропередачи 59
Определение вторичных параметров линии электропередачи по исходным данным 66
Оценка влияния инструментальной погрешности трансформаторов напряжения, трансформаторов тока и регистраторов электрических сигналов на точность определения параметров электрического режима и параметров схемы замещения элементов
ЭЭС 70
2.7. Выводы 74
ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ
ЗАМЕЩЕНИЯ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 75
Общие соображения по определению параметров линий 75 электропередачи
Определение параметров прямой и обратной Г-образной схем замещения линии электропередачи 76
Определение параметров Т-образной схемы замещения линии электропередачи 78
Определение параметров П-образной схемы замещения линии 83
Оценка погрешности определения параметров схем замещения
линий электропередачи, выбор шага дискретизации 89
Оценка суммарной погрешности определения параметров схем замещения линий электропередачи 93
Выводы 97
ГЛАВА 4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ СХЕМ
ЗАМЕЩЕНИЯ СИЛОВЫХ КОНДЕНСАТОРОВ И РЕЗИСТОРОВ,
РЕАКТОРОВ 98
Общие соображения по определению параметров силовых конденсаторов и резисторов, реакторов 98
Определение напряжения нейтрали и положения нулевой точки ... 106
Определение параметров схемы замещения силового
конденсатора и резистора, реактора по потерям мощности 109
Определение параметров схемы замещения реактора и силового резистора 109
Определение параметров схемы замещения силовых конденсаторов 110
Выбор шага дискретизации 111
4.4. Определение параметров схемы замещения силового
конденсатора и резистора, реактора по разностным уравнениям 113
4.4.1. Определение параметров схемы замещения реактора и силового
резистора 114
4.4.2. Определение параметров схемы замещения силового
конденсатора 115
4.4.3. Выбор шага дискретизации 116
Оценка суммарной погрешности определения параметров схем замещения силовых конденсаторов и резисторов, реакторов 119
Выводы 122
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 123
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 126
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Акт о внедрении результатов диссертационной
работы (г. Мыски) 147
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акт о внедрении результатов диссертационной
работы (г. Салехард) 148
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акт о внедрении результатов диссертационной
работы (г. Сургут) 149
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Массивы мгновенных значений токов и напряжений для линий электропередачи. Результаты расчета параметров линий электропередачи и суммарной погрешности
определения параметров 150
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Массивы мгновенных значений токов и
напряжений для силовых конденсаторов и резисторов, реакторов.
Результаты расчета параметров силовых конденсаторов и резисторов,
реакторов и суммарной погрешности определения параметров 174
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ, ПРИНЯТЫХ В ДИССЕРТАЦИИ
ЕЭС РФ - единая энергетическая система Российской Федерации;
ЭЭС - электроэнергетическая система;
ПЭР - параметры электрического режима;
ПСЗ - параметры схемы замещения;
РЭС - регистратор электрических сигналов;
GPS - Global Positioning System (Глобальная система позиционирования);
ММЗ - массивы мгновенных значений;
ДЭ - дискретизированная электротехника;
СЗ - схема замещения;
ПЭВМ - персональная электронно-вычислительной машина;
ВЛ - воздушная линия электропередачи;
КЛ - кабельная линия электропередачи;
БК - батарея конденсаторов;
ТОР - токоограничивающий реактор;
ЗР - заземляющий реактор;
Р - резистор;
ГРЭС - государственная районная электрическая станция;
ЛЭП - линия электропередачи;
РАС - регистратор аварийных событий;
УРЗ - устройство релейной защиты;
СМПР - система мониторинга переходных режимов;
МИЛ - многофункциональный измерительный преобразователь;
ЭДС - электродвижущая сила;
АСКУЭ - автоматизированная система коммерческого учета электрической
энергии и мощности;
ВОЛП - волоконно-оптическая линия передачи;
ФД - функциональное диагностирование;
МЭК - Международная электротехническая комиссия;
СКО - среднеквадратичное отклонение;
МЭС ЗС - Магистральные электрические сети Западной Сибири;
HP - режим нагрузки;
XX - холостой ход;
ТТ - трансформатор тока;
ТН - трансформатор напряжения;
ПАР - параметры аварийного режима;
7 PP - реактор/резистор; БСК - батарея статических конденсаторов; ЭЦ - электрическая цепь; ПС - подстанция.
Литературные источники расположены в порядке их упоминания в тексте диссертационной работы.
Первая цифра в нумерации формул, таблиц и рисунков соответствует номеру главы, а вторая порядковому номеру формулы или рисунка.
Автор считает своим долгом выразить искреннюю признательность и благодарность своему научному руководителю Гольдштейну Ефрему Иосифовичу за помощь в работе.
Введение к работе
Актуальность темы. Единая энергетическая система Российской Федерации (ЕЭС РФ) - непрерывно развивающийся энергетический комплекс электростанций и сетей, объединенных общим технологическим режимом, имеющий единое оперативное управление и обеспечивающий надежное, экономичное и качественное энергоснабжение различных отраслей промышленности и населения при наиболее эффективном использовании энергоресурсов.
На рис. 1 представлена «идеальная» схема электропередачи, состоящая из
генератора Г, токо ограничивающего реактора ТР, повышающего и
понижающего трансформаторов ТІ и Т2, линии электропередачи Л, батареи
конденсаторов БК, заземляющего резистора ЗР и нагрузки Н.
Г ТР ТІ Л БК Т2
&ГЖ$>\ ІНфт—н
Рисунок 1. Схема электропередачи
На сегодняшний день весьма актуальной является проблема полноты и достоверности параметров электрического режима и параметров схем замещения элементов электроэнергетических систем (ЭЭС) для различных задач управления и для диагностирования технического состояния электрооборудования.
Для принятия правильных решений при формировании управляющих воздействий и при диагностировании технического состояния объекта необходимо иметь достаточно полную и достоверную информацию о контролируемых объектах - параметрах электрического режима (ПЭР) и параметрах схем замещения (ПСЗ). На практике, как правило, измеряют следующие параметры электрического режима: действующие значения токов и напряжений, вырабатываемую и потребляемую электроэнергию. Параметры
9 схем замещения элементов ЭЭС в большинстве случаев определяются из справочных, проектных или паспортных данных. Однако очевидно, что существующей информации о ПЭР по контролируемому объекту недостаточно для выяснения его реального технического состояния. Также известно, что значения ПСЗ линий электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов в процессе эксплуатации претерпевают значительные изменения и существенно зависят от множества факторов. Вопросы разработки новых методов и алгоритмов определения параметров электрического режима и параметров схем замещения генераторов и трансформаторов рассматриваться не будут, т.к. они представляют собой сложную и самостоятельную научную задачу.
Ощущается необходимость уточнения параметров элементов ЭЭС с максимальным учетом конкретных особенностей того или иного режима для получения информации о реальном состоянии контролируемых объектов.
В настоящее время в энергосистемах имеются разнообразные регистраторы электрических сигналов (РЭС), используемые лишь для регистрации аварийных процессов, «запоминающие» те или иные массивы отсчетов контролируемых величин. Сеть РЭС точно синхронизированных между собой во времени через каналы оптоволоконной связи или выделенный диапазон ВЧ-связи, или системы точной синхронизации на основе GPS (Global Positioning System), позволяет в режиме реального времени получать информацию о текущем состоянии объекта.
При решении вышеперечисленных задач это дает возможность более широкого применения информации, заложенной в массивах мгновенных значений (ММЗ) напряжений и токов различных элементов ЭЭС. Неоспоримым преимуществом при анализе электрических процессов в элементах ЭЭС и в энергосистеме в целом является тот факт, что в массивах мгновенных значений токов и напряжений представлена наиболее полная и точная информация о физических процессах в элементах ЭЭС. Для обработки ММЗ в Электротехническом институте Томского политехнического университета на
10 кафедрах «Электрические станции» и «Электроэнергетические системы и высоковольтная техника» создан, активно используется и развивается «удобный» математический аппарат — Дискретизированная электротехника
(ДЭ).
Расчет режимов ЭЭС, содержащей те или иные реальные элементы, требует знания уравнений, описывающих эти элементы, структур схем замещения (СЗ) этих элементов и значений их параметров [1-10]. Особое значение идентификация параметров схем замещения элементов ЭЭС приобретает при постановке машинного эксперимента по математическому моделированию на персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ) различных режимов работы электрооборудования и самой ЭЭС.
Кроме того, информацию о параметрах СЗ элементов ЭЭС используют для диагностирования технического состояния электрооборудования [11-32]. В литературе, например [16], под техническим диагностированием понимают процесс определения технического состояния объекта диагностирования с заданной точностью. Возможна трехэтапная процедура диагностирования:
I. Определяют параметры схемы замещения заведомо исправного объекта на основе вычислительной обработки массивов мгновенных значений токов i(tj) и напряжений u(tj) на «входе» и «выходе» объекта (рис. 2) в
рабочем режиме. В результате идентификации получают Г-, Т- и П-образную схемы замещения с параметрами (активными и реактивными сопротивлениями), несущими информацию об исправном объекте диагностирования («исправно»). П. Аналогично находят параметры схемы замещения объекта в момент его
контроля. III. Проводят диагностирование путем сравнения и сопоставления результатов, полученных на первом и втором этапах, и ставят диагноз в виде «исправно» - «неисправно».
Рисунок 2. Получение измерений на «входе» и «выходе» объекта
Задача идентификации объектов энергетики Российской Федерации является нетривиальной и требует анализа полученных результатов с точки зрения их точности, единственности и устойчивости к ошибкам в исходных экспериментальных данных.
Все вышесказанное делает актуальными исследования по созданию адаптивной модели объекта, построение которой осуществляется на основе текущей информации о режимных и схемных параметрах - ПСЗ, определяемых на основе значений ПЭР. Определение текущих параметров элементов ЭЭС в рабочем режиме необходимо для повышения эффективности управления электрическими режимами ЭЭС, осуществления перехода от системы планово-предупредительных ремонтов к ремонтам по действительному техническому состоянию электрооборудования.
Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка новых эффективных методов и алгоритмов определения параметров схем замещения линий электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов по массивам мгновенных значений токов и напряжений в рабочих режимах применительно к задачам мониторинга их параметров и диагностирования технического состояния.
Для достижения указанной цели необходимо:
Провести анализ известных подходов к определению параметров схем замещения вышеперечисленных элементов ЭЭС, выявить недостаточно проработанные вопросы, выбрать пути их решения;
Исследовать процедуры определения параметров схем замещения линий электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов в рабочем режиме по массивам мгновенных значений токов и напряжений при минимальном числе экспериментов;
12 3. Довести исследования до разработки программных модулей «Расчет параметров схемы замещения линии электропередачи», «Расчет параметров схемы замещения реактора/силового резистора» и «Расчет параметров схемы замещения силового конденсатора».
Объект исследования. Параметры схемы замещения линии электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов.
Методы исследования. Для решения поставленных в работе задач используются: фундаментальные законы теоретических основ электротехники; методы обработки информации с помощью ПЭВМ; математическое моделирование; вычислительные и физические эксперименты.
Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту.
Предложены способы определения параметров схем замещения силовых конденсаторов и резисторов, реакторов в рабочем режиме по массивам мгновенных значений токов и напряжений, как по потерям мощности, так и по разностным уравнениям.
Разработан метод определения напряжения нейтрали и положения нулевой точки по массивам мгновенных значений фазных напряжений.
Предложены способы определения первичных и вторичных параметров линий электропередачи по массивам мгновенных значений токов и напряжений по потерям мощности в одном или двух рабочих режимах. Практическая ценность результатов проведенных исследований. Разработанные способы идентификации параметров линий
электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов в рабочем режиме позволяют проводить мониторинг их параметров и диагностировать техническое состояние.
Кроме того, результаты работы могут быть использованы:
При адаптации модели объекта управления к текущим условиям;
Для повышения точности и эффективности решения задач управления электрическими режимами и противоаварийного управления;
3. При разработке эффективных методов и технических средств систем управления ЭЭС.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и
обсуждались на ряде конференций, семинаров и технических совещаний:
десятой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика:
экология, надежность, безопасность» (г. Томск, 2004 г.); Международных
научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых
«Современные техника и технологии» (г. Томск, 2005, 2006, 2007 г.г.); втором
Международном семинаре «Физико-математическое моделирование систем» (г.
Воронеж, 2005 г.); Международном научно-техническом семинаре «Системы
электроснабжения с возобновляемыми источниками энергии» (г. Томск, 2006
г.); научно-практическом семинаре специалистов Сибири и Дальнего Востока
по диагностике электрических установок (г. Новосибирск, 2006 г.);
Всероссийской конференции-конкурсе инновационных проектов студентов и
аспирантов по приоритетному направлению программы «Энергетика и
энергосбережение» (г. Томск, 2006 г.); научных семинарах кафедры
«Электроэнергетические системы и высоковольтная техника»
Электротехнического института Томского политехнического университета (г. Томск, 2005, 2006, 2007 г.г.); научно-техническом совете Электротехнического института Томского политехнического университета (г. Томск, 2005, 2006, 2007 г.г.); технических совещаниях - МУП «Салехардэнерго» (г. Салехард, 2007 г.), центральной лаборатории измерительной техники ООО «ЦЛИТ-В» (г. Мыски, 2007 г.), в Филиале ОАО «ФСК ЕЭС» - Магистральные электрические сети (МЭС) Западной Сибири (г. Сургут, 2007 г.).
Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 37 печатных работ, включая 16 патентов РФ на изобретения и полезные модели, 9 решений о выдаче патентов РФ на изобретения, учебное пособие и 2 статьи в рецензируемом периодическом издании.
14 ';
Реализация результатов работы.
Основные результаты работы используются при разработке и совершенствовании методик контроля параметров схем замещения линий электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов в ходе пуско- : наладочных работ, их приемки, при вводе в эксплуатацию и после окончания і ремонтов в МУП «Салехардэнерго» (г. Салехард), центральной лаборатории измерительной техники ООО «ЦЛИТ-В» (г. Мыски), в Филиале ОАО «ФСК ЕЭС» - Магистральные электрические сети (МЭС) Западной Сибири (г. Сургут).
Структура работы. ,
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 172 наименований, 5 приложений. Общий объем диссертации 180 страниц, в т.ч.: 70 рисунков и 79 таблиц.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ !
Во введении обоснована актуальность темы диссертации и дана общая характеристика выполненной работы. Сформулированы цель работы, научная новизна и практические результаты.
В первой главе приведены общие сведения о линиях электропередачи,
силовых конденсаторов и резисторов, реакторов, проведен анализ их схем \
замещения, проанализирована возможность определения параметров
электрического режима и параметров схем замещения по массивам мгновенных
значений токов и напряжений. Для этой задачи перспективным представляется
разработка «удобного» математического аппарата, названного нами і
1 «дискретизированной электротехникой», для систематического использования ,
. і дискретизированных экспериментальных значений токов и напряжений при I
і определении параметров и характеристик контролируемой цепи известной '
конфигурации (топологии). Рассмотрены используемые в ЭЭС методики
определения параметров схем замещения линий электропередачи, силовых
конденсаторов и резисторов, реакторов. Даны общие сведения о регистраторах
электрических сигналов, о стандарте записи данных COMTRADE.
15 Представлены методы получения синхронизированных измерений параметров электрического режима для распределенных объектов энергетики РФ, а также основные правила и процедуры дискретизированной электротехники. Сформулированы выводы по разделу и уточнены решаемые в диссертации задачи.
Во второй главе обобщены имеющиеся процедуры для работы с массивами мгновенных значений токов и напряжений и получена процедура определения производной сигнала. Представлен «удобный» математический аппарат, названный нами «дискретизированной электротехникой», для систематического использования дискретизированных экспериментальных значений токов и напряжений. Проведена оценка влияния шага дискретизации на точность расчета действующего значения сигнала, расчета активной и реактивной мощностей, углов сдвига фаз между сигналами и определения производной сигнала. Обоснована целесообразность определения производной сигнала по пятиточечной формуле дифференцирования. Доказана эффективность использования интерполяции сплайнами по сравнению с линейной интерполяцией при изменении шага дискретизации в массивах мгновенных значений, полученных с помощью регистраторов электрических сигналов с фиксированным числом отсчетов на периоде. Представлен новый способ определения вторичных параметров линий электропередачи по экспериментальным данным, полученным в рабочих режимах ЛЭП. Показана его работоспособность. Дана оценка влияния инструментальной погрешности трансформаторов напряжения, трансформаторов тока и регистраторов электрических сигналов на точность определения параметров электрического режима и параметров схемы замещения элементов ЭЭС.
В третьей главе приведены общие соображения по определению параметров линий электропередачи. Представлены новые способы определения параметров электрического режима и параметров прямой и обратной Г-образной, Т-образной и П-образной схем замещения линий электропередачи по экспериментальным данным режима нагрузки и режима холостого хода.
Показана работоспособность всех алгоритмов определения параметров линии электропередачи. Даны рекомендации по выбору шага дискретизации и оценка суммарной погрешности определения параметров прямой и обратной Г-образной, симметричных Т- и П-образной схем замещения линии электропередачи.
В четвертой главе приведены общие соображения по определению параметров реакторов, силовых резисторов и конденсаторных батарей. Представлен новый способ определения напряжения нейтрали и положения нулевой точки по экспериментальным данным. Показана его работоспособность. Предложены новые способы определения параметров схем замещения силовых конденсаторов и резисторов, реакторов по потерям мощности и по разностным уравнениям в рабочем режиме по экспериментальным данным. Показана их работоспособность. Даны рекомендации по выбору шага дискретизации и оценка суммарной погрешности определения параметров схем замещения силовых конденсаторов и резисторов, реакторов.
В заключении изложены основные выводы по научным и практическим результатам проведенных исследований, сведения о реализации результатов работы и ее апробации.
В Приложении приводятся: сведения о внедрении результатов диссертационной работы в МУП «Салехардэнерго» (г. Салехард), центральной лаборатории измерительной техники ООО «ЦЛИТ-В» (г. Мыски), в Филиале ОАО «ФСК ЕЭС» - Магистральные электрические сети (МЭС) Западной Сибири (г. Сургут); массивы мгновенных значений токов и напряжений исследуемых линий электропередачи, силовых конденсаторов и резисторов, реакторов; результаты расчета параметров и суммарной погрешности определения параметров перечисленных элементов ЭЭС.
