Содержание к диссертации
Введение
1. Принципы организации типовой многоуровневой системы противоавариинои автоматики энергообъединения 28
1.1. Общая характеристика системы управления режимами энергообъединений 28
1.2. Общая характеристика противоавариинои автоматики 30
1.3. Функциональная: структура системы противоавариинои автоматики 34
1.4. Территориальная структура системы противоавариинои автоматики 36
1.5. Организация типовой системы противоавариинои автоматики энергообъединения 42
2. Принципы организации и алгоритмы функционирования системы противоавариинои автоматики регионального уровня 51
2.1. Модели электроэнергетической системы в па 51
2.2. Три части задачи разработки системы противоавариинои автоматики 53
2.3. Принцип наложения 54
2.4. Декомпозиция задачи по уровням иерархии 54
2.5. Принципы определения управляющих воздействий противоавариинои автоматики 55
2.6. Алгоритм выбора управляющих воз действий 57
2.7. Программный комплекс расчета управляющих воздействий 61
2.8. Блоки программного комплекса 66
3. Пусковые устройства противоаварийной автоматики 73
3.1. Задачи фиксации аварийных возмущений в виде аварийного небаланса мощности в электроэнергетической системе по параметрам переходного процесса 74
3.2. Устройства фиксации аварийной перегрузки линии электропередачи, вызванной небалансом активной мощности по условию динамической устойчивости 80
3.3. Методы повышения эффективности пусковых устройств фиксации перегрузки 85
4. Микропроцессорная автоматика выявления и ликвидации асинхронного режима 94
4.1. Состояние вопроса 94
4.2. Выявление и ликвидация асинхронного режима 98
4.3 Определение эквивалентных параметров энергосистемы в процессе динамического перехода 106
4.4. Микропроцессорное устройство автоматики ликвидации асинхронного режима АЛАР-М 118
5. Сверхпроводниковый накопитель как элемент управления режимами энергосистемы : 125
5.1. Состояние вопроса 125
5.2. Энергетические характеристики 132
5.3.Расчетные модели работы спин в энергосистеме 135
5.3.1. Управление обменом активной и реактивной мощностью 135
5.3.1 .Работа с двухмостовым тиристорным преобразователем 138
5.3.2. Работа в реоісиме управляемого реактора и статического компенсатора. 142
5.6. Оценка эффективности использования спин в энергосистемах сибири и дальневосточного региона россии 147
5.7. Использование микро-спин для решения проблем устойчивости энергосистем 156
5.7.1. Режимы и статическая устойчивость анализируемой энергосистемы 158
5.7.2. Компенсации провалов напряжения в нормальных и послеаварииных
режимах. : 162
5.7.3.Повышение динамической устойчивости 165
5.7.4. Повышение устойчивости при аварийных отключениях и коротких замыканиях. 165
5.7.5. Компенсация аварийного дефицита активной мощности 170
5.7.6. Уменьшение объема отключаемой нагрузки „172
6. Применение технологии управляемых передач переменного тока в сложных энергосистемах 174
6.1. Актуальные проблемы и новые технические средства транспорта электрической энергии 174
6.2 Направленное регулирование активной мощности 183
6.2.1 Реализация направленного регулирования активной мощности.. 190 6,2.1.Характеристический параметр формирования направленного действия 191
6.2.2.Реализация законов направленного регулирования мощности в двухмашинной эквивалентной схеме электропередачи 194
6.2.3.Направленное регулирование мощности для ограничения угла выбега ротора генератора и демпфирования его колебаний 202
6.3.Сверхпроводниковые индуктивные накопители как средство управления перетоками активной мощности на межсистемных связях. 211
6.3.1. Режим работы межгосударственных связей при аварийном сбросе мощности в UCTE. 212
6.3.2.Работа СПИН в генераторном режиме 216
б.З.З.Работа СПИН в нагрузочном режиме. 219
6.3.4.Работа СПИН в режиме статического компенсатора. 225
Заключение 234
Литература
- Общая характеристика системы управления режимами энергообъединений
- Три части задачи разработки системы противоавариинои автоматики
- Задачи фиксации аварийных возмущений в виде аварийного небаланса мощности в электроэнергетической системе по параметрам переходного процесса
- Определение эквивалентных параметров энергосистемы в процессе динамического перехода
Введение к работе
Решение общей проблемы надежности энергоснабжения, качества поставляемой электроэнергии зависит не только от качества структуры энергосистемы и надежности ее элементов, но и от применяемых методов управления ими. Общая задача управления потоками электроэнергии в мощных энергетических объединениях сложной структуры (в нормальных эксплуатационных и аварийных режимах работы) была сформулирована еще на стадии создания мощных региональных энергосистем нашей страны. Эта общая проблема находила решения в известных работах Жданова П.С. [1], Горева А.А. [2], [3], Марковича И.М. [4], Веникова В.А. [5], [6] и многих других исследователей, При этом были выделены проблемы, связанные с устойчивостью электрических систем при разных возмущениях параметров и режима их работы. Эти проблемы обычно принято разделять на проблемы статической и динамической устойчивости энергосистем.
Основной причиной нарушений динамической устойчивости электрических систем являются конечные возмущения, например, короткие замыкания или отключения цепи. В момент возникновения конечного возмущения изменяется структура схемы, а также эквивалентные параметры элементов системы, что обуславливает внезапное изменение отдаваемой электромагнитной мощности. Математический анализ электромеханических процессов в таких режимах настолько сложен, что его реализация в полном объеме за приемлемое время возможна только с введением машинных методов расчета и существенным упрощением параметров реальной энергосистемы путем введения эквивалентов. Здесь помимо названных выше, в первую очередь, необходимо упомянуть работы Сыромятникова И.А. [7], Щедрина Н.Н. [8], Совалова С.А. [9], Груздева И.А [10], Воропая Н.И. [11] и многих других.
Общая задача управления потоками электроэнергии в мощных энергетических объединениях включает в себя самостоятельную проблему автоматизации управления и непосредственно связана с проблемой диспетчерского и автоматического управления энергосистемами. Решение проблемы диспетчерского и автоматического управления режимами работы энергосистем получило развитие, помимо упомянутых выше исследований, в работах В.М. Горн-штейна [9], И.М. Марковича [4], Ю.Н. Руденко и В.А. Семенова [12], Портного М.Г. и Рабиновича Р.С. [13], Овчаренко Н.И. [14], Дьякова А.Ф. [15], [16] и многих других исследователей. Были созданы информационно - вычислительные комплексы автоматизированных систем диспетчерского управления, разветвленная система сбора и передачи информации, подсистемы измерений, а также средства связи для передачи потоков информации, система автоматического регулирования частоты и перетоков активной мощности (АРЧМ), система автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности (АРН), релейная защита и автоматика.
С развитием и усложнением электроэнергетических систем проблема надежности энергоснабжения и живучести совместно работающих систем приобретала особую актуальность. Поэтому потребовалась разработка и реализация развитой системы методов и средств противоаварийной автоматики (ПА), направленных на своевременную фиксацию ситуаций, грозящих нарушениями устойчивости работы ЭЭС, автоматическую реализацию мероприятий по предотвращению таких нарушений, предотвращению развития и распространению по энергообъединениям вызванных возмущениями нарушений работы, автоматическое восстановление в короткие сроки нормальных режимов, предотвращению оборудования ЭЭС и т.п. Эта работа была успешно проведена большим числом отечественных специалистов. Созданная система ПА обеспечила и обеспечивает в целом высокую надежность работы Единой энергосистемы нашей страны (СССР ранее и России теперь).
Значительный вклад в решение задач развития больших ЭЭС, исследования устойчивости и надежности их функционирования в развитие теории и методов оптимального иерархического управления режимами ЭЭС внесли советские и российские ученые и специалисты: В.А. Андреюк, Д.А. Арзамасцев,
В.А. Баринов, А.Ф. Бондаренко, Л.Л. Богатырев, ПИ. Бартоламея, Я.Б. Баркан, В.В. Бушуев, Г.Л. Брухис, М.Х. Валдма, В.А. Веников, Э.П. Волков, Н.И. Воропай, А.З.Гамм, В.И. Горин, И.А. Глебов, И.А. Груздев, Ю.Б. Гук, В.М. Горнштейн, А.Ф. Дьяков, В.В. Ершевич, В.Г. Журавлев, Т.Б. Заславская, А.Н. Зейлигер, А.С. Зеккель, В.И. Идельчик, Б.И. Иофьев, П.Я. Кац, В.Г. Китушин, Ф.Л. Крган, Л.А. Кощеев, В.Д. Ковалев, Ю.Н. Кучеров, М.Л. Левинштейн, В.Д. Лепорский, Э.С. Лукашев, Н.Н. Лизалек, Ю.А. Любарский, А.Г. Москалёв, Л.Г. Мамиконянц, В.З. Манусов, И.М. Маркович, Е.А. Марченко, Л.А. Мелентьев, Ф.Я. Морозов, П.С. Непорожний, В.В. Нечаев, О.А. Никитин, Н.Л. Новиков, А.А. Окин, М.Г. Портной, AT. Путилова, М.Н. Розанов, С.С. Роко-тян, Ю.Н. Руденко, Г.И. Самородов, С.А. Совалов, В.А. Семенов, Н. И. Соколов, В.А. Строев, Л.Д. Стернинсон, В.Ф. Тимченко, Ю.А. Тихонов, Х.Ф. Фа-зылов, Т.А. Филипова, А.Г. Фишов, В.П. Фотин, З.Г. Хвощинская, Е.В. Цветков, Л.В. Цукерник, В.М. Чебан, Л.И. Чекаловец, Ю.Г. Шакарян, В.К. Щербаков, О.В. Щербачев, Ю.В. Щербина и другие.
Автор настоящей работы около 30 лет работает над проблемами управления энергообъединениями в целом и проблемами создания и совершенствования систем, методов и средств ПА, некоторые результаты выполненных исследований и разработок по созданию методов, средств и систем ПА нашли отражение в диссертации в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук [95], защищенной в 1998 г.
Благодаря возросшим и продолжающим возрастать размерам современных энергообъединений динамические свойства в настоящее время настолько усложнились и задачи противоаварийного управления достигают такого уровня сложности, что могут возникать неуправляемые явления в отношении устойчивости, регулирования частоты и активной мощности. Именно сложность динамических свойств современных энергообъединений, а также. отсутствие целостного взгляда на проблему управляемости привели к тому, что некоторые научно-исследовательские организации и специалисты энергетических компаний и организаций считают неизбежной необходимостью использование специальных мероприятий при объединении частей системы (подсистем) в единое целое.
Одним из таких мероприятий, требующих значительных капиталовложений, является объединение энергосистем через вставки постоянного тока, с
целью секционирования энергообъединения по каналам распространения возмущений. Попытка обоснования такого подхода по инициативе С.С. Рокотяна была выполнена в институте «Энергосетьпроект». Опыт эксплуатации, в том числе и анализ каскадной аварии в США, которая привела к полному отключению электроснабжения 14 августа 2003 г., показывает эффективность таких мероприятий, хотя не может исключить развитие аварии полностью. Они обеспечивают либо полное разделение системы по возмущениям, либо интенсивное их затухание по мере удаления от места их возникновения.
Другим мероприятием можно считать интенсивное капиталовложение в строительство системообразующей сети с исключением «слабых связей». По этому пути идут энергетические компании Японии и Западной Европы. Для связи энергообъединений на значительном расстоянии системообразующая сеть может быть образованы линиями электропередачи переменного тока высокого и сверхвысокого напряжения (представляется, что это могут быть сети 750 кВ и выше). Вместе с тем «слабыми» всегда можно считать межгосударственные связи и связи сверхвысокого и ультравысокого напряжения, поскольку для них невозможно обеспечить реализацию известного критерия N-1 и тем более N-2 и N-3.
Недостатком такого пути является то, что для его реализации необходимы большие объемы капиталовложений в строительство электросетей и в оборудование для транспорта электроэнергии, В то же время основные капиталовложения целесообразно делать на строительство электростанций, поскольку доходность вложений в генерацию электроэнергии существенно выше, нежели в сетевых объектах. В сетях риска для бизнеса меньше, но и рентабельность и прибыли существенно ниже. Практически все промышленно развитые страны интенсивно проводят научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы не только в области качественно новых способов производства, но и в области передачи и распределения электроэнергии, в том числе и в направлении повышения управляемости как за счет внедрения управляемых элементов сети так и в направлении совершенствования методов и средств автоматического управления режимами электроэнергетической системы в нормальных и аварийных условиях.
Как известно, для развития ЕЭС нашей страны принят, реализован и реализуется второй путь с разработкой и внедрением эффективной системы
противоаварийного управления существующими и вновь сооружаемыми электроэнергетическими системами. Исключительная протяженность и большая сложность энергосистемы диктуют выполнение системы противоаварийного управления в виде адаптивной иерархической и эшелонированной системы.
В общем случае под управляемостью энергосистемы понимается ее способность поддерживать с помощью элементов управления надежность и качество энергоснабжения потребителей при отклонениях параметров режима и при аварийных возмущениях. В качестве объектов и инструментов управления используются: источники активной и реактивной мощности, силовые регуляторы активно-реактивной мощности, а также потребители активной и реактивной мощности. В качестве силовых регуляторов следует рассматривать элементы гибкой системы передачи переменного тока (FACTS) на основе управляемых реакторов и конденсаторов, а также сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН) малой и средней энергоемкости (103 - 109 Дж).
Под режимной управляемостью ниже понимается свойство объекта управления обеспечивать требуемые статические и динамические характеристики параметров в нормальных, утяжеленных, предаварииных, аварийных и послеаварийных режимах с помощью специальных средств и систем управления.
В последние годы в электроэнергетике России произошли серьезные количественные и качественные изменения; режимы энергосистем значительно утяжелились, вместе с тем, как отмечено выше, существенные успехи достигнуты в области автоматизированных систем диспетчерского управления и широко применяются системы автоматического управления и противоаварий-ной автоматики. Характеристика этих систем по состоянию на середину 90-х годов прошлого века дана в ряде публикаций [15, 16, 19, 20, 36, 38, 39, 77, 95].
Иерархическая трехуровневая структура противоаварийного управления (ПА), в разработке и внедрении которой на разных этапах ее развития принимал участие автор, функционирует в настоящее время в нескольких энергообъединениях, где существует опасность нарушения устойчивости. Эшелонированная система эффективно предотвращает цепочечное развитие аварии, однако даже в рамках жесткого централизованного управления электроэнергетикой создает определенные трудности в согласовании управляющих воздействий ПА, поскольку неизбежное снижение прибыли энергетических
предприятий не получает должной компенсации. В настоящее время, когда для сохранения устойчивости при аварийных возмущениях требуется выполнять совместное противоаварииное управление в энергосистемах даже разных государств, экономические интересы которых не совпадают, эта задача еще более усложняется.
Необходимость экономии топлива предъявляет высокие требования к экономичности режимов. Работа с минимальным резервом по мощности, повышение числа высокоэкономичных, но маломаневренных энергоблоков, отставание сетевого строительства и увеличение числа слабых связей существенно усложнили проблемы статической и динамической устойчивости, живучести энергосистем, надежности и качества энергоснабжения.
В этих условиях большое значение приобретают работы, направленные на дальнейшее развитие новых методов, средств и систем автоматизированного и автоматического, в том числе и противоаварийного управления. Существенной особенностью является необходимость эффективной работы новых средств и систем противоаварийного управления в условиях неполной информации о параметрах объектов и возмущающих воздействий. Отсюда вытекает необходимость рассмотрения современных средств и систем управления с учетом специфики электроэнергетических систем. Необходимо дальнейшее развитие и ускорение работ по совершенствованию и внедрению систем для сбора, обработки и выдачи информации о текущем состоянии энергосистем и систем управления в условиях неполной информации о состоянии, параметрах электроэнергетических систем и возмущающих воздействий в них с учетом стохастической их природы.
Особую актуальность эти вопросы приобретают в связи с тем, что РАО ЕЭС России поставило задачу выйти на евроазиатский рынок электроэнергии и мощности по межсистемным связям переменного тока. Субъектом рынка становится ЕЭС России наравне с энергообъединениями Западной Европы (UCTE) и Восточной Европы (CENTREL). Обеспечение надежности синхронной параллельной работы энергосистем, которые будут входить в это уникальное энергообъединение, потребует проведения ряда согласованных технических мероприятий по локализации эксплуатационных и аварийных возмущений в энергосистемах и координации принципов взаимодействия энергосистем в обеспечении надежности. Энергосистемы Востока и Запада развива-
лись в разных условиях, и на основе разных критериев эффективности, что нашло свое отражение в различии не только принципов и структуры управления, но и технических решений и стандартов, которые в условиях синхронной параллельной работы должны быть одинаковыми.
Переходные электромеханические процессы в сложных энергообъединениях представляют собой взаимообусловленную совокупность движений локального (в подсистемах) и межсистемного (обменного) характера. Результатом взаимодействий выступает процесс распространения и распределения возмущения, проявляющийся в том, что движение, инициированное возмущением в одной из подсистем, последовательно и постепенно, через промежуточные подсистемы, транслируется вдоль энергообъединения, вызывая развитие переходных процессов в удаленных от места возмущения регионах. Возмущения, действующие на ОЭС можно разделить по частотному спектру на «высокочастотные» (с периодом менее 1 секунды), «низкочастотные» (с периодом колебания до 5 секунд) и «инфранизкочастотные» (с периодом колебания более 5 секунд). Низкочастотные колебания мощности имеют большую амплитуду и связаны с обменами мощностью между крупными энергообъединениями. Возможны также длительные переходные процессы (несколько минут и более) с изменениями частоты, определяемыми процессами в установках первичных энергоносителей электростанций, в частности, котельных ТЭС, и работой их систем автоматики.
Нелокальность возмущенных движений в энергообъединении определяется несколькими взаимосвязанными факторами. Возмущающие воздействия, возникшие в какой-либо точке энергообъединения, распределяются между станциями в первый момент в соответствии с величинами ЭДС и относительной электрической удаленностью станций от места возмущения. После этого генераторы изменяют скорость вращения в зависимости от знака и величины приращения мощности- Изменение взаимных углов вызывает дополнительные потоки мощности, возникают взаимные качания генераторов и постепенное выравнивание мгновенных значений частоты. После снижения или повышения частоты, небаланс перераспределяется обратно пропорционально етатизму регуляторов скорости. И на последней стадии распределение нагрузки происходит в зависимости от действия вторичных регуляторов, которые изменяют уставки первичных регуляторов.
При этом, в распространении возмущения во время системных аварий наблюдается явление затухания по мере удаления от места возмущения. Причиной этого является нечувствительность регуляторов скорости и их динамические характеристики. В начальный момент после возмущения наиболее быстрое изменение частоты происходит в близлежащих узлах от места возмущения. При отклонении частоты за пределы зоны нечувствительности автоматических регуляторов частоты вращения (АРЧВ), последние начинают изменять мощность турбин в этих узлах. В более удаленных узлах изменение частоты происходит с некоторым запаздыванием, за это время величина небаланса мощности несколько уменьшается за счет изменения мощности в близлежащих узлах и в соответствии с этим в удаленных узлах потребуется меньшее изменение моищости для отработки возмущения. Таким образом, сложная протяженная ЭЭС, обладает некоторой способностью к автоматической компенсации возмущения.
И все же на практике иногда происходят тяжелые системные аварии, охватывающие большие территории и крупные энергообъедииения из-за возмущений, происходящих в удаленных точках системы. Первой причиной является тяжесть возмущения, которая превосходит возможности электроэнергетической системы к его автоматической компенсации из-за большой амплитуды и скорости изменения параметров переходного процесса. Второй причиной является тяжесть исходного режима работы энергосистемы, в котором произошло возмущение. При этом под тяжестью понимается близость параметров исходного режима к пределу по условию устойчивости в любой точке пространства параметров. Кроме того, опасность возмущения может возрасти в том случае, когда зоны нечувствительности расположатся некоторым неблагоприятным образом, то есть могут создаться условия, когда возмущение воспринимается наиболее "сильно" удаленными станциями. Еще одной причиной является то, что коэффициент крутизны частотной характеристики существенно зависит от вращающего резерва энергосистемы. Поэтому могут возникнуть ситуации, когда у близлежащих к месту возмущения энергоузлов нет резерва, и возмущение воспринимается удаленной частью системы, вызывая существенные колебания потоков мощности. Таким образом, некоторые потенциальные возможности энергообъединений по автоматической компенсации возмущений могут оказаться недостаточными и не снимают специфиче-
скую проблему управляемости сложных систем для предотвращения каскадного развития аварии.
В настоящее время в ЕЭС России продолжают оставаться напряженными режимы ее работы, сохраняется достаточно сложная топливная проблема, возрастает трудность управления энергосистемами в связи с большой долей недостаточно маневренных крупных энергоблоков тепловых и атомных электростанций. Высокие требования, предъявляемые к электроэнергетике, ожидаемый по прогнозам существенный рост электропотребления, предопределяет необходимость перестройки как принципов построения электроэнергетики и ее управления, так и требуемого оборудования, т.е. объективно необходимы качественные изменения в технике производства и распределения электроэнергии.
Центральная задача анализа динамических свойств сложных энергообъединений системы - это задача получения адекватной модели с целью получения целостной физической картины изучаемых процессов. Упрощенные модели должны охватывать важнейшие физические процессы, протекающие в реальной системе и имеющие существенное значение в рамках рассматриваемых явлений.
Переходные процессы в сложных энерго объединениях характеризуются различной скоростью их протекания (с временами развития от микросекунд до десятков минут) и высокой размерностью соответствующих математических моделей. При больших возмущениях исследование поведения системы требует решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, число которых на каждый генерирующий агрегат может достигать нескольких десятков. Декомпозицию систем дифференциальных уравнений высокой размерности на подсистемы меньшей размерности с существенно отличающимися скоростями изменения координат, целесообразно выполнять на основе методов разделения движений путем введения малого параметра с последующим рассмотрением полученной системы как системы с малыми параметрами при части производных, то есть с введением разных масштабов времени. Математическая модель каждого генерирующего узла представляется в сингулярной форме и на основе метода разделения движений сводится к простейшей модели, что является первым шагом упрощения. Простейшая модель генерирующего узла (элементарный осциллятор) должна сохранять описание основных
физических процессов, определяющих колебательный характер движения, с целью объективного анализа колебательных движений сложных энергообъединений, связанных межсистемными связями.
В объединенных энергосистемах скорости развития обменных процессов заметно ниже скоростей локальных движений, обменные взаимодействия - суть взаимные колебания подсистем относительно друг друга, а локальные движения - взаимные качания синхронных машин в подсистемах. Характерным признаком объединенных энергосистем становится большой разброс собственных частот ее электромеханических колебаний (широкий спектр) и при отсутствии явно выраженных, так называемых "слабых" звеньев в ней, причем низкочастотные составляющие отображают преимущественно обменные процессы, а высокочастотные - движения локального характера. Это предопределяет то, что для исследования статических, динамических и статистических свойств энергообъединений необходимо базироваться на применении скоординированной и взаимоувязанной совокупности математических моделей различного уровня сложности.
Структурные статические, статистические и динамические свойства энергообъединений представляют наибольший интерес при практических исследованиях. Эти свойства определяют, в главных чертах, протекание переходных процессов в протяженных энергообъединениях. Надежность функционирования и живучесть энергосистем во многом определены существованием в них «слабых звеньев». Исследование структурных динамических свойств позволяет находить слабые звенья системы и анализировать их. Воздействия на «слабые звенья», приводящие к изменениям в их составе, размещении и характеристиках, и существенно определяют изменение в уровне надежности и живучести системы. При этом следует отметить, что при изменении топологии сети и режима эти «слабые звенья» могут возникать и исчезать, кроме того, понятие «слабого звена» применимо лишь к определенному виду (месту) возмущений. Слабое место для одного возмущения не является слабым для другого. Динамические свойства энерго объединений существенным образом связаны с явлениями локализации электромеханических колебаний. Возможность локализации отдельных составляющих свободных колебаний и, одновременно, проявления нелокализованных, общесистемных реакций — важнейшее свойство электромеханических переходных процессов в протя-
женных энергосистемах. Изучение явления локализации сводится к установлению механизмов локализации, которых может быть несколько и поиску новых средств и систем управления для их реализации.
При анализе указанных вопросов целесообразно принимать во внимание возможность использования новых видов электроэнергетического оборудования, в частности, с использованием явления сверхпроводимости, разработка которых вошла в число важнейших программ по решению научно-технических проблем. В энергетической программе утверждается, что на втором этапе ее реализации «должен быть создан научно-технический потенциал для производства электрооборудования на основе эффекта сверхпроводимости».
Имеющийся в России опыт в области изготовления сверхпроводников, сверхпроводниковых магнитных систем и систем криогенно - вакуумного обеспечения определяет реальную возможность создания в ближайшие годы сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) энергетического назначения, обладающих высоким коэффициентом полезного действия. Управляя процессом накопления и выдачи энергии (которая запасается в магнитном поле катушки индуктивности), такие накопители энергии эффективно могут использоваться для повышения режимной надежности и устойчивости работы крупных энергоузлов с резко переменной нагрузкой и межсистемных связей.
Целостный взгляд на анализ динамических свойств энергообъединений позволяет оценить эффективность традиционных средств противоаварийного управления, а также определить необходимость создания принципиально новых комплексов электрооборудования - накопителей энергии, статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих как потребление, так и выдачу реактивной мощности. В качестве последних следует рассматривать элементы гибкой системы передачи переменного тока (FACTS) на основе векторного регулирования и сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН) малой и средней энергоемкости (10 — 10 Дж).
Объективный анализ колебательных свойств энергообъединений позволяет выявить случаи, когда вставки постоянного тока не только весьма полезны, но и незаменимы. К таким случаям относятся, например, установка вставок на параллельных линиях переменного тока (когда одна из линий, снаб-
женная вставкой, образует звено, пропускающее через себя возмущения и повышающее пропускную способность остальных линий), установка вставок на связях с весьма удаленными и относительно маломощными системами, когда наличие вставки решает проблему передачи мощности. Совмещение вставки постоянного тока со сверхпроводниковым накопителем энергии позволяет в неопасных ситуациях работать в режиме переменного тока, а в опасных ситуациях не пропускать обменные возмущения за счет перевода схемы связи накопителя с энергосистемой в режим вставки постоянного тока.
Новые возможности появились с разработкой управляемых статических компенсаторов реактивной мощности (СТК), которые, кроме обеспечения требуемого баланса реактивных мощностей и поддержания уровня напряжения, при соответствующих законах регулирования могут эффективно демпфировать как локальные колебания, так и системные.
В настоящее время предлагаются устройства, реализующие технологию FACTS. К ним относятся преобразователи напряжения (ПН), статический компенсатор (СТАТКОМ), тиристорный преобразователь которого обеспечивает обмен реактивной мощностью между фазами сети, тиристорно-управляемый последовательный компенсатор (ТУПК) и объединенный регулятор потока мощности (ОРПМ).
Перед тем как создавать промышленные образцы компенсаторов реактивной мощности различных типов требуется провести всесторонний предварительный анализ схем, построенных на основе инверторов тока и напряжения на полностью управляемых тиристорах и на обычных тиристорах с блоком принудительной коммутации. Технико-экономическое обоснование должно учитывать сложности освоения промышленной технологии производства полностью управляемых тиристоров с требуемыми характеристиками, мощности их управления, установленной мощности блоков принудительной коммутации, поведения этих устройств в аварийных ситуациях и при резких изменениях параметров сети.
Объективный учет тенденций в развитии топливно-энергетического комплекса говорит также о том, что в ближайшие 30-40 лет основными производителями электроэнергии останутся маломаневренные атомные и тепловые электростанции. Вследствие этого, включение в электроэнергетическую систему накопителей, позволяющих разделить во времени процессы выработки и
потребления энергии во время переходного процесса, имеет большое народнохозяйственное значение.
Накопители могут существенно повысить устойчивость крупной станции при обеспечении баланса мощности электроэнергетической системы. Включение накопителя в энергосистему в качестве самостоятельной структурной единицы является объективной необходимостью, и на ближайшую перспективу нет альтернативных решений для мощных ТЭС и АЭС с накопителями энергии.
В России и за рубежом ведутся интенсивные работы по исследованию и созданию накопителей энергии различных типов, в том числе и сверхпроводниковых. Проведенные к настоящему времени технико-экономические исследования в области использования для управления графиком нагрузки сверхпроводниковых индуктивных накопителей в энергосистемах оценивают нижнюю границу энергоемкости таких накопителей величиной 10 Дж.
Ближайшей, практически реализуемой, областью применения индуктивных накопителей представляется работа в качестве устройств повышения статической и динамической устойчивости генераторов станций и крупных узлов синхронной нагрузки нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих комплексов, при этом требуемая емкость оценивается в 109 Дж. Одновременно накопитель может обеспечить демпфирование низкочастотных электромеханических колебаний и потребление избыточной реактивной мощности. Важной областью применения таких индуктивных накопителей является временное поддержание баланса активной мощности в гтослеаварийных режимах, в целях снижения требований к быстродействию набора мощности на гидравлических и тепловых электростанциях для обеспечения статической устойчивости по-слеаварийного режима. Двухпараметрическое управление преобразователем обеспечивает возможность обмена активной мощности между накопителем и сетью при регулируемом потреблении реактивной мощности. Для повышения статической устойчивости и демпфирования колебаний наиболее эффективна установка накопителя возможно ближе к генераторам. При этом активная мощность накопителя демпфирует электромеханические колебания генераторов, а реактивная, при малых активных нагрузках, обеспечивает поддержку заданного уровня напряжения. Возможность раздельного регулирования активной и реактивной мощности накопителя позволяет обеспечить направлен-
ное регулирование отдельных групп машин. Для повышения пределов статической и динамической устойчивости желательно обеспечить не только потребление, но и выдачу реактивной мощности.
Сверхпроводниковые индуктивные накопители позволят создать регулирующее устройство с независимым регулированием активной и реактивной мощности, что обеспечит пиковую нагрузку, и демпфирование низкочастотных колебаний с периодом до нескольких минут.
Важные исследования в оценке целесообразности применения новых сверхпроводниковых технологий для повышения управляемости энергообъединений провели следующие ученые и специалисты Андрианов В.В., Астахов Ю;Н., Беляев Л.С., Глебов И.А., Зенкевич В.Б., Новиков HJL, Филиппов И.Ф., Черноплеков Н.А.,Чубраева Л.И., Шахтарин В.Н., Якимец И.В. и др.
Из изложенного следует, что созданная и ныне действующая в нашей стране система противоаварийной автоматики, обеспечивающая существенное повышение надежности работы ЕЭС, не должна оставаться в «застывшем» состоянии, а должна постоянно развиваться и совершенствоваться в соответствии с изменяющимися условиями структуры и функционирования ЭЭС и энергообъединений, а также последними достижениями в областях теории и практики АСУ и создания новейших видов оборудования и методов повышения управляемости объектов электроэнергетики.
По вопросам создания и функционирования систем, методов и средств ПАА было много публикаций. Из числа последних публикаций, близких по затрагиваемым вопросам к данной диссертации укажем на докторскую диссертацию в форме научного доклада В.Д. Ковалева [77], защищенную в 1996 г., и кандидатскую диссертацию также в форме научного доклада автора данной работы [95], защищенную в 1998 г. В этих работах затрагиваются некоторые вопросы структуры систем ПАА, а в [95] перспективных средств и реализации микропроцессорной техники и перспектив применения СПИН. Однако в них естественно приведены сведения по состоянию системы ПА в России к 1996-1998 г.г. и лишь кратко охарактеризована структура, общие задачи системы и предварительные рекомендации по перспективам ее развития.
Изменившиеся условия за последние годы определяют актуальность рассмотрения целесообразных путей дальнейшего развития и совершенствования систем ПА крупных энергообъединений, ЕЭС страны в целом и ее связей с за-
рубежными энергообъединениями. Именно этим вопросам были посвящены исследования и разработки, проведенные автором настоящей диссертации после 1998 г. Их результаты отражены в 11 опубликованных после защиты кандидатской диссертации работах, в том числе одной монографии [88], посвященных главным образом применению в электроэнергетике новейших достижений в области создания оборудования на базе использования явления сверхпроводимости и технологии FACTS.
В этих публикациях, написанных в соавторстве, автором настоящей диссертации написаны разделы, непосредственно относящиеся к проблемам систем и средств ПА. Результаты исследований и разработок, проведенных автором после 1998 г. составляют основу настоящей диссертации.
Целью настоящей диссертации является разработка и исследования рациональных путей дальнейшего развития и совершенствования систем, методов и средств противоаварийного управления электроэнергетическими системами с помощью иерархической эшелонированной многоуровневой системы для повышения режимной надежности, включая повышение управляемости ЕЭС России в целом и входящих в нее энергообъединевий, энергосистем и межсистемных связей, включая связи зарубежные.
Для достижения этой цели в диссертации рассмотрены и решены ниже следующие задачи.
Обоснование необходимости четвертого уровня иерархической структуры системы противоаварийного управления мощными энергообъединениями сложной структуры, которая реализована в энергосистеме Российской Федерации. Классифицированы основные задачи ее работы, функциональные особенности и взаимные связи каждого уровня.
Разработка методических и технических аспектов формирования локальных устройств дозировки управляющих воздействий (ЛАДВ) в электроэнергетической системе. Решение указанной задачи позволяет наиболее эффективно использовать электропередачи при размещении ЛАДВ на одном из крупных объектов районов противоаварийного управления (преимущественно на электростанциях).
Разработка методических основ расчета эквивалентных параметров энергосистемы по результатам изменения токов и напряжения в узле электропередачи в режиме динамического перехода, позволяющая более
обосновано решать задачи фиксации динамической перегрузки электропередачи и настройки устройств противоаварийноЙ автоматики.
Существенно развиты содержащиеся в [95] предварительные рекомендации по применению СПИН для повышения управляемости ЭЭС и использованию различных типов накопителей как эффективных средств ПАУ активной и реактивной мощностями, повышения устойчивости и качества электроснабжения потребителей.
Проанализирована и показана целесообразность применения технологии FACTS для направленного регулирования потоков активной мощности по линиям передачи, для ограничения угла выбега генераторов и демпфирования их колебаний, показано повышение эффективности применения СПИН в качестве элемента FACTS для управления потоками активной мощности по межсистемным линиям электропередач.
Методы исследования.
Разработанные в диссертации научные положения базируются на системном подходе к управлению режимами сложных ОЭС; при проведении исследований использовались методы теоретических основ электротехники, теории автоматического управления, теории сверхпроводимости.
Достоверность научных положений и результатов, изложенных в диссертации, определяется учетом параметров, полученных во время многочисленных системных испытаний в ОЭС, а также адекватностью используемых математических моделей для решения поставленных задач.
Научная новизна 1. Разработана иерархическая эшелонированная система противо-
аварийного управления энергообъединения сложной конфигурации, включающая многоуровневую структуру дозировки управляющих воздействий, классифицированы задачи, функциональные особенности и взаимные связи уровней. Разработанные принципы формирования иерархической структуры противоаварийного управления, заложены как основа в концепцию создания автоматизированной системы технологического управления ОЭС Центра (АСТУ ОЭС Центра).
Разработаны принципы формирования управляющих воздействий противоаварийной автоматики энергосистемы на базе совокупности режимных параметров, определяющих предельные характеристики ЭЭС с точки зрения статической и динамической устойчивости.
Разработаны методы и средства фиксации аварийных возмущений по параметрам режима и переходного процесса, а также методы корректировки параметров моделей энергообъединений в темпе процесса.
Разработаны принципы обеспечения автоматической дозировки управляющих воздействий в электроэнергетической системе для реализации широкого класса задач автоматизированной системы управления.
Разработаны принципы функционирования микропроцессорной автоматики локализации и прекращения двухмашинных и трехмашинных асинхронных режимов в энергообъединениях на основе фиксации текущего угла электропередачи.
Разработаны методы определения эквивалентных параметров энергосистемы в процессе динамического перехода по напряжению и току одного узла.
Разработаны методы оценки эффективности использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей в качестве базового элемента про-тивоаварийных мероприятий энергосистемы.
Разработан метод направленного регулирования активной мощности сверхпроводникового индуктивного накопителя с учетом особенностей функционирования накопителя в энергосистеме сложной структуры.
Разработаны алгоритмы функционирования распределенных по узлам энергосистемы сверхпроводниковых индуктивных накопителей малой и средней энергоемкости (СПИН), работающих в качестве локальных быстродействующих регуляторов реактивной мощности.
Практическая значимость и реализация результатов.
Разработанные методы, алгоритмы и реализованные на их основе устройства фиксации опасности нарушения статической и динамической устойчивости энергосистем, позволяющие более полно использовать пропускную способность электропередач, а также программное обеспечение микропроцессорных устройств (фиксация перегрузки электропередачи, автоматическая дозировка управляющих воздействий и др.) используются в энергосистемах Российской Федерации и стран СНГ на электропередачах 330-1150 кВ, что подтверждено актами внедрения. В частности, результаты, изложенные в диссертационной работе, использовались: на электропередаче 500 кВ Куйбышев-Москва, на электропередачах 500 кВ Сибири: Братская ГЭС, Красноярск-Иркутск, на электропередаче 500 кВ, 1150 кВ Сибирь - Казахстан - Урал.
Разработанные методы, алгоритмы и программное обеспечение были
использованы при создании микропроцессорных устройств ЛАДВ, УФГТР, УФПДЗ, а также устройства выявления и ликвидации асинхронного режима электропередачи. В настоящее время эти устройства успешно внедряются в энергосистемах северо-западного и дальневосточіюго регионов страны, а часть успешно работает в энергосистемах Сибири и Казахстана.
Анализ перспектив и условий практического применения явления сверхпроводимости для задач противоаварийного управления режимами энергосистемы, изложенный в написанной с участием автора монографии «Сверхпроводниковые токоограничиваютцие устройства и индуктивные накопители энергии для электроэнергетических систем», используется специалистами проектных институтов как основа в части проектирования систем ПА на базе новых технических решений.
Основные положения, выносимые на защиту
1. Принципы формирования управляющих воздействий на нижнем
уровне четырехуровневой структуры противоаварийного управления электроэнергетической системой, режимы которой описываются совокупностью параметров, характеризующих граничные характеристики ЭЭС с точки зрения статической и динамической устойчивости.
Принципы формирования технологических алгоритмов автоматической дозировки управляющих воздействий противоавариинои автоматики для широкого класса задач автоматизированной системы управления энергосистемой на базе совокупности режимных параметров, определяющих предельные характеристики энергосистемы с точки зрения статической и динамической устойчивости.
Методы определения эквивалентных параметров энергосистемы по напряжению и току одного узла в процессе динамического перехода и использования полученных эквивалентов для формирования управляющих воздействий противоавариинои автоматики.
Исследование требований к параметрам и характеристикам сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии, как элемента системы противоаварийного управления энергообъединениями, и разраьотка технологических алгоритмов повышения статической и динамической устойчивости электроэнергетических систем.
Исследование параметров и характеристик сверхпроводниковых индуктивных накопителей и разработка методов использования такого оборудования в качестве локальных устройств векторного управление режимами работы энергосистем и направленного регулирования потоком активной и реактивной мощности на межрегиональных и межгосударственных связях.
Методы формирования управляющих воздействий на базе индуктивных накопителей малой энергоемкости, распределенных по узлам энерго-
системы, с целью сохранения динамической и статической устойчивости в по-слеаварийном режиме.
Апробация работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах, конференциях и симпозиумах разного уровня: на научно-технических советах ОДУ Центра, ОДУ средней Волги, ОДУ Урала, ОДУ Казахстана, ОДУ Сибири, ЦДУ ЕЭС России; на второй сессии UMPEDE 13-15 ноября 1996 г.; на сессии СИГРЭ 2000 в 2000 г. в Париже; на сессии СИГРЭ в 2003 г. в Санкт-Петербурге.
Публикации
По теме диссертации автором опубликовано более 40 печатных работ, в том числе 14 авторских свидетельств на изобретения. Как указывалось выше, по теме диссертации после доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук [95] опубликовано 11 работ, в том числе монография (в соавторстве).
Учитывая, что одной из задач диссертационной работы является обобщение состояния систем ПАА, для обеспечения полноты освещения этого состояния в диссертации, помимо характеристик основной задачи - исследований и разработок, направленных на дальнейшее развитие и совершенствование систем, включены с некоторым принципиальным развитием довольно подробно охарактеризованные в [95] разделы «Пусковые устройства ПАА»; «Микропроцессорная автоматика выявления и ликвидации асинхронных режимов».
Результаты разработок по этим вопросам вошли в кандидатскую диссертацию автора и поэтому в число положений, выдвигаемых на защиту по данной диссертации не включаются.
Структура работы
Диссертация состоит из Введения, 6-ти глав и Заключения.
Во введении обоснована актуальность работы, в связи с тем, что стремительно меняющийся рынок электроэнергии ставит перед операторами энергосистем новые сложные задачи. Это, прежде всего, обусловлено увеличением объема передаваемой электроэнергии, влиянием отмены государственного ре-
гулирования энергетического сектора, а также экономическими и экологическими ограничениями, которые накладываются на строительство новых сооружений и мощностей, предназначенных для передачи электроэнергии.
В первой главе рассмотрены фундаментальные принципы организации типовой многоуровневой системы противоаварийной автоматики энергосистемы. Противоаварииная автоматика построена как эшелонированная система, отслеживающая и оценивающая для объединенной энергосистемы опасность переходного процесса, вызванного возмущением на всех стадиях, и выполняющая минимально необходимые воздействия для управления переходным процессом с целью обеспечения его устойчивости, что обеспечивает предотвращение прекращения электроснабжения потребителей на больших территориях и повреждения основного оборудования объединённой электроэнергетической системы.
Во второй главе рассмотрены принципы организации и реализация алгоритмов функционирования системы противоаварийной автоматики регионального уровня, в частности, принцип наложения, правило иерархического взаимодействия, декомпозиция задачи по уровням иерархии, общая структурная схема функционирования подсистемы противоаварийного управления, общая структура алгоритма выбора управляющих воздействий ПА, необходимых для автоматического предотвращения нарушения устойчивости, назначение и описание комплекса алроритмов и программ.
В третьей главе рассмотрены и представлены результаты разработки пусковых устройств системы ПА, включая задачи фиксации аварийных возмущений в виде аварийного небаланса мощности в электроэнергетической системе по параметрам переходного процесса, а также устройства фиксации аварийной перегрузки линии электропередачи и методы повышения их эффективности.
В четвертой главе рассмотрена автоматика ликвидации асинхронного режима, которая является вторым эшелоном противоаварийной автоматики энергосистем и предназначена для ограничения времени существования асинхронного режима (АР).
В пятой главе рассмотрен сверхпроводниковый накопитель как элемент управления режимами энергосистемы. Целостный взгляд на анализ динамических свойств энергообьединений позволяет оценить эффективность традици-
онных средств противоаварийного управления, а также определить необходимость создания принципиально новых комплексов электрооборудования - накопителей энергии, статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих как потребление, так и выдачу реактивной мощности.
В шестой главе анализируется эффективность использования технологии управляемых (гибких) электропередач переменного тока (Flexible Alternative Current Transmission Systems - FACTS) в сложных энергообъединениях. К новым техническим средствам можно отнести гибкие линии электропередачи, включая: статические конденсаторные накопители энергии (СТАТКОН), сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИРТ), статический компенсатор (СТАТКОМ), тиристорно-управляемый последовательный компенсатор (ТУПК), объединенный регулятор потока мощности (ОРПМ) и вставки постоянного тока (ВПТ). Новые устройства, реализующие технологию FACTS, включают в себя статические преобразователи на основе полностью управляемых силовых вентилей, а также микропроцессорные средства управления ими, которые позволяют осуществлять регулирование не только напряжения, но и активной мощности (фазового угла напряжения). С их помощью возможно векторное управление режимами работы энергосистем и потоками электромагнитной мощности. В принципиальном плане гибкие линии электропередачи (FACTS) преобразуют функцию электрической сети из существующей «пассивной» в «активную». Сюда можно отнести направленное регулирование активной мощности и работу в режиме статического компенсатора реактивной мощности.
В Заключении сформулированы научные и практические результаты работы.
Работа выполнена автором в ОАО «Институт «Энергосетыгроект».
Общая характеристика системы управления режимами энергообъединений
В настоящее время в ЕЭС России и ОЭС стран «ближнего» зарубежья, которые и в настоящее время работают параллельно с ЕЭС России, используется целый ряд автономных автоматизированных и автоматических систем технологического диспетчерского управления. В первую очередь это автоматизированная система управления электрическими режимами (АСДУ). Использование АСДУ позволяет диспетчеру в темпе планового снижения или набора нагрузки следить за выполнением графика и соблюдением ограничений по статической и термической устойчивости. Этой системой нейтрализуются неплановые изменения нагрузки и генерации в ЕЭС, скорость которых не превышает человеческих возможностей оценки ситуации и возможностей оперативного (неавтоматического) управления.
Все остальные возмущения, опасные для устойчивости параллельной работы ЕЭС, устойчивости нагрузки и опасные для основного оборудования должны быть нейтрализованы с помощью автоматических систем.
Первыми автоматическими системами, которые страхуют действия диспетчера, являются: система автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ), система автоматического ограничения перетоков мощности (АОПМ) и система автоматического регулирования напряжения (АРН).
Система АРЧМ позволяет поддерживать в ЕЭС частоту в заданных границах путём автоматического воздействия в первую очередь на гидравличе ские электростанции, затем на маневренные тепловые электростанции и управляемую нагрузку.
Система АОПМ позволяет сохранять в допустимых, по условию статической и термической устойчивости, значениях величину мощности по магистральным электропередачам путём автоматического воздействия, в первую очередь, на гидравлические электростанции, а затем на маневренные тепловые электростанции и в последнюю очередь на нагрузку. Обе системы являются замкнутыми и регулирующими. Это ограничивает их быстродействие, а, следовательно, и диапазон опасных отклонений частоты и мощности, которые они способны нейтрализовать.
Система АРН позволяет удерживать напряжение в диапазоне, обеспечивающем нормальную эксплуатацию основного оборудования энергосистемы, и обеспечивает в соответствии с ГОСТом качество напряжения для потребителей. АРН автоматически воздействует на системы возбуждения электростанций и на автоматические устройства регулирования коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов.
В последнее время для регулирования напряжения эффективно используются новые аппараты - это управляемые шунтирующие реакторы разных систем (УШР), статические тиристорные компенсаторы (СТК), а также разрабатываемые аппараты на базе полностью управляемых вентилей, СТАТКОМ, и аппараты, имеющие в своем составе сверхпроводниковые индуктивные накопители малой энергоемкости (микро СПИН).
При возникновении больших возмущений, сопровождающихся высокой скоростью изменения параметров переходного процесса, невозможна их нейтрализация с помощью устройств АРЧМ, АОПМ, АРН и, тем более, с помощью АСДУ.
Для нейтрализации таких возмущений предназначена релейная защита и противоаварийная автоматика.
Релейная защита предназначена для отключения коротких замыканий, путём отключения повреждённого оборудования или отключения элементов, смежных с повреждённым.
Коммутация оборудования вызывает переходный процесс в энергосистеме, часто опасный для устойчивости параллельной работы электростанций или энергообъединений. Автоматическое повторное включение (АПВ), традиционно относящееся к релейной защите должно быть согласовано с системой противоаварийной автоматики (ПА), действие которой в ряде случаев начинается одновременно с началом действия релейной защиты, например, пусковые органы, оценивающие тяжесть короткого замыкания начинают действовать непосредственно в момент начала короткого замыкания. В соответствии с этим обстоятельством действие релейной защиты, и, в первую очередь, ее резервных ступеней должно учитывать параллельное действие системы ПА.
Система противоаварийной автоматики предназначена в первую очередь для предотвращения общесистемных аварий, в результате которых: прекращается электроснабжение потребителей на большой территории.
Эти общесистемные аварии могут возникать как в результате возникновения очень больших возмущений в энергосистеме, с которыми не могут справиться автоматизированные (АСДУ) и автоматические (АРЧМ, АОПН, АРН), а также в результате отказов или неправильного действия этих систем.
Возмущения могут возникать как в результате правильного или неправильного действия релейной защиты, а также вследствие других причин: неправильного действия персонала, пожаров на электростанциях или в распределительных устройствах узловых электрических подстанций, в результате диверсий.
Три части задачи разработки системы противоавариинои автоматики
Построение управляющего комплекса ПА [17], имеющего в своем составе устройство АДВ, функционирующее в режиме «до», основывается на принципе наложения; противоаварийная автоматика обеспечивает выполнение условий устойчивости не самого по себе после аварийного режима, наступающего в послеа-варийной схеме, она обеспечивает тот послеаварийный режим в той послеава-рийной схеме, которые являются результатом наложения аварийного возмущения (АВ) и управляющего воздействия (УВ) на послеаварийный режим, имевший место в предаварийной схеме.
Отсюда вытекает раздельная фиксация предаварийного состояния энергосистемы и аварийного возмущения. Вычислительная часть устройства АДВ помещается вне трактов прохождения аварийных сигналов, идущих от пусковых устройств к исполнительным. На нее возлагается прием и переработка доаварийной информации.
Для выполнения аварийной части задачи отводится 0,02-0,03 с после прихода требования о решении: сигнала об аварийном возмущении или переходном процессе. Этого времени достаточно, чтобы выбрать готовое решение, имеющееся к этому времени в устройстве, но оно может оказаться слишком малым для вычисления УВ.
Задача выбора АДВ подвергается декомпозиции. Она разделена на две части.
Первая часть задачи выполняется на этапе «off-line» путем расчета полной сеть-модели в информационно-вычислительной подсистеме (ИВП) с использованием данных оперативного информационно-управляющего комплекса (ОИУК), поступающих на диспетчерский пункт (ДП) диспетчерского управления объединения энергосистем (ОДУ), и служит для получения: - трех моделей, используемых в устройстве РАДВ: предел-модели и таблица-модели, а в дальнейшем и сокращенной сеть-модели; - таблица-моделей, используемых в локальных устройствах автоматической дозировки управляющих воздействий (ЛАДВ) данной объединенной энергосистемы (ОЭС).
Вторая часть выполняется в режиме on-line в устройствах РАДВ: - в устройстве РАДВ используется информация о моделях, получаемая от КАДВ. Часть аварийных трактов может обслуживаться сокращенной сеть-моделью (на этапе 2), другая часть — предел-моделью и третья —таблица-моделью. - тракты в устройствах ЛАДВ обслуживаются таблица-моделью по информации, получаемой от устройств РАДВ.
Как известно из [17], для нейтрализации возмущения выявленного пусковым органом, существуют методы «I до» и «I после», «II до» и «II после»
Метод «I до» предусматривает щиклическое измерение параметров текущего режима энергообъединения, его идентификацию циклический расчет устойчивого послеаварииного режима для каждого возмущения, выявляемого пусковыми органами и выбор управляющих воздействий для нейтрализации возмущенияЛри этом для ускорения расчетов, как правило, используются упрощенные расчетные схемы и упрощенные методы расчета послеаварииного режима.
В настоящее время уровень развития вычислительной техники, возможно, позволит отказаться от нестрогих упрощений и выполнять циклический расчет послеаварииного режима для всех пусковых органов с помощью регулярных методов, которые до настоящего времени использовались только в режиме «of-line».
Допустимость упрощения схемы и допустимость применяемых методов расчета послеаварииного режима выявлялись в результате глубокого исследования управляемой энергосистемы на цифровой, аналоговой или физической моделях.
Метод «I после» предусматривает: циклическое измерение параметров режима его идентификацию в режиме «оп-1іпе»;расчет послеаварииного режима и выбор управляющих воздействий для возмущения, зафиксированного сработавшим пусковым органом.Несмотря на успехи вычислительной техники для расчета послеаварииного режима и управляющих воздействий должны быть использованы упрощенные модели и методы расчета, обеспечивающие максимальное быстродействие.
Метод «II до» предусматривает: циклическое измерение параметров текущего режима в контрольных точках управляемого энергообъединения; циклический расчет для зафиксированного доаварийного режима управляющих воздействий с помощью формул, таблиц или «предел модели».
Метод «II после» предусматривает: циклическое измерение параметров текущего режима и его идентификацию; расчет управляющих воздействий для нейтрализации возмущения, выявленного сработавшимпусковым органом.
Допустимость определения управляющих воздействий с использованием контроля режима в заранее выбранных точках выявляется в результате исследования управляемой энергосистемы на цифровой, аналоговой или физической моделях. Заполнение таблиц управляющих воздействий, определение коэффициентов полиномов и параметров «предел модели» выполняется также в режиме «of-line».
Задачи фиксации аварийных возмущений в виде аварийного небаланса мощности в электроэнергетической системе по параметрам переходного процесса
При формировании УВ противоаварийной автоматики на базе микропроцессорных устройств используется модель энергосистемы в виде описания ее режимов совокупностью параметров, характеризующих граничные характеристики ЭЭС с точки зрения статической и динамической устойчивости. В случае статической устойчивости используются зависимости между послеава-рийными параметрами системы, а в случае динамической устойчивости - зависимости предельных управляющих воздействий от параметров доаварийно-го режима.
При работе объединенной энергосистемы, в составе которой имеются "слабые" связи, с небольшими запасами по условию статической устойчивости актуальной является задача фиксации статической перегрузки. Под явлением статической перегрузки понимается возникновение максимального или предельного по условию статической устойчивости послеаварийного режима. Такой режим характеризуется определенными значениями режимных параметров, которые соответствуют существующей в настоящий момент схеме.
В общем случае этот режим характеризуется всей совокупностью параметров элементов схемы энергообъединения, часть из которых недоступна для измерения в аварийном режиме. Однако, их влияние на значение некоторых измеряемых параметров, в первую очередь активной мощности и разности фаз в предельном режиме, незначительно.
В простейшем случае, когда слабой связью объединены две части энергосистемы и схему можно эквивалентировать двухмашинной, в качестве характерного параметра может быть выбрана мощность по этой связи или раз ность фаз напряжений по концам электропередачи. В этом случае для обеспечения условий отстройки от нормального режима и обеспечения достаточной чувствительности при наступлении режима, предельного по условию статической устойчивости, следует вводить запасы, которые учитывают влияние не измеряемых параметров в предельном режиме. {Рр тс + АРш)\Кп-Кг,) РСУ Р%1{Кп.КЪ2 Кч), (3.1) где: Р% - мощность по связи в режиме, предельном по условию статической устойчивости, Рраб.макс- максимальная мощность рабочего режима на связи, АРиї- амплитуда нерегулярных колебаний мощности, -коэффициент, учитывающий погрешности аппаратуры и измерении, К31 и К12 - коэффициенты, учитывающие влияние не измеряемых параметров путем введения запаса, Кч - коэффициент чувствительности.
Для обеспечения выполнения этих условий при нормативном запасе в послеаварийном режиме 8%, для обеспечения чувствительности и селективности работы противоаварийной автоматики одновременно необходимо снижать как Кп путем совершенствования аппаратуры, так и Кп путем учета большего числа режимных параметров. Аналогичный подход применяется и при использовании в качестве измеряемого параметра разности фаз напряжений по концам линии электропередачи.
В этом случае: (бра5мжс ±А5НК)-(КП -K uScyZSgftKn -Ka), (3.2) где: 5 - значение разности фаз по концам линии электропередачи в предельном по условию статической устойчивости режиме, Spates- значение разности фаз по концам электропередачи в максимальном рабочем режиме, AS - амплитуда изменения разности фаз при нерегулярных колебаниях.
Однако, когда на электропередаче имеется переменный отбор мощности, выполнение этих условий затруднительно, в связи с чем автором был выполнен ряд работ по исследованию влияния наиболее существенных параметров. На слабых связях это в первую очередь влияние отборов мощности и влияние режима смежных сечений для схем, которые уже нельзя представить двухмашинным эквивалентом, но для которых удовлетворительным является представление трехмашинным эквивалентом. В этом случае величины Р% и 8% могут быть представлены как функциональные зависимости от аргументов, Pht Р2 Р3,
Эти, в общем случае, существенно нелинейные функции в зоне реальных изменений мощности нагрузки могут быть аппроксимированы полиномами, причем часто практически достаточно линейной аппроксимации, т.е. P =K0+Kx-P1+Ki-Pit (3.3) = + -І;+ -Р2. (3.4)
Следует отметить, что влияние отборов на точность работы устройств фиксации перегрузки (УФТТ), использующих в качестве измеряемого параметра разность фаз напряжений, значительно меньше. Для устройств фиксации перегрузки, использующих в качестве измеряемого параметра активную мощность существенным является место замера (до или после отбора).
Определение эквивалентных параметров энергосистемы в процессе динамического перехода
Сопротивления участков линий и нагрузок приняты независимыми от изменения частоты в пределах рассматриваемых скольжений.
В узле "п" установлено микропроцессорное устройство, способное выделить ортогональные составляющие измеренных напряжения и токов отходящих линий, однозначно связанных с фазой опорного напряжения. Полагаем, что на начальном этапе процесса величину частоты можно принять одинаковой для всех эквивалентных генераторов. В этом случае при известных U, I, Z значение ЭДС эквивалентного генератора в АР определяется в виде Ё? =Е?е =Un+iiZi (4.10) Соответственно разность углов между векторами ЭДС эквивалентных генераторов, например 1 и 2 , равна &12=4 1" 012 012= 01 02 (4-11) где 4 = 4 1 - б - постоянная величина при неизменной структуре m m энергосистемы, 5f = 7 ,TjkSk / /fTjk -средневзвешенный по инерционным k=l k-1 постоянным угол генератора эквивалентируемой части ЭЭС относительно синхронной оси ( фазы опорного напряжения), 5к, Тк-угол и постоянная инерции к -го генератора, входящего в.і-ю эквивалентную схему.
Определение эквивалентных параметров ЭЭС представляет собой важную проблему, решение которой позволит обоснованно подходить к задачам настройки противоаварийной автоматики и оценки эффективности мероприятий, направленных на сохранение устойчивости системы при возникновении нестационарного режима.
В большинстве случаев эквивалентные параметры энергосистемы определяют посредством анализа схемы ЭЭС в наиболее характерных структурах и режимах ее работы. В то же время, большое количество аварий в ЭЭС вызвано именно тем, что области устойчивости, определенные для заданной структуры и режима сети, не охватывают всех возможных в эксплуатации ситуаций.
Предполагается, что относительно узла, в котором регистрируется ток и напряжение, энергосистема может быть представлена двухмапганной схемой замещения, причем группы реальных генераторов, формирующих эквивалентные ЭДС.
Для анализируемой схемы (рис. 4.2) справедливы уравнения (4.12) Щ (t) = (j(t) + Z,I(t)l E2(t) = U(t)-Z2I(t)J ГДЄ ЁДО-Е Ю, E2(t) = E2ejoC2(t) В уравнения (4.12) входят величины, зависящие от времени.
Применяя к уравнениям (4.12) операцию сопряжения и перемножая полученные комплексы, получим соотношения для левой и правой частей схемы, которые положены в основу дальнейшего анализа
Объединим уравнения левой и правой ветви в виде E(t) = U(t)±Z-l(t) где знак «+» представляет правую ветвь, а знак «-» - левую. Введем в рассмотрение величину комплексного сопротивления в узле в виде Z0=R + jX = y, (4.13) Тогда из (4.12) получим: E = i-(Z0±z) (4.14)
Это преобразование является тождественным, по крайней мере, для участка начального развития АР, когда ток нарастает и не может принимать нулевое значение. Далее, умножая на комплексно-сопряженное уравнение, получим E2=I2-(Z0±Z)-(Z;±Z ) (4.15) Представляя комплексные величины в алгебраическом виде и преобразуя (4.15), получим Ef = \20 -[(R0 ±R)2 +(Х0 ±Х)2] (4.16)
Если в ЭЭС отсутствует движение углов эквивалентных генераторов, то измеренные в узле значения ІГи I неизменны, и из уравнений (4.16) невозможно найти эквивалентные параметры энергосистемы.
Однако, при качаниях и развитии асинхронного процесса движение углов генераторов позволяет определить реальные эквивалентные параметры.
Для модели асинхронного режима, представленной в виде параллельной работы двух генераторов с постоянным значением модулей ЭДС, при условии неизменности сопротивления электропередачи на интервале измерения и идеальности характеристик измерительных трактов, было бы достаточно трех измерений U и I, чтобы из образованных на основании уравнений (4.16) определить параметры эквивалента.
Однако, реальный сигнал имеет неидеальный характер и содержат «шумовую» составляющую, затрудняющую определение параметров двухмашинной схемы замещения.
