Содержание к диссертации
Введение 4
Общая характеристика работы 4
Основные проблемы состояния вопроса исследования 7
Глава 1. Состояние вопроса исследования. Обзор существующих методов расчёта надёжности и режимов сложных ЭЭС 11
Общие положения и определения по расчёту режима 11
Методы решения уравнений установившегося режима 21
Формирование схемы замещения при кратковременных возмущениях - токах короткого замыкания (ТКЗ) 29
Анализ надёжности сложных ЭЭС 33
Обоснование декомпозиции схем сложных ЭЭС 36
1.6 Структурный анализ при расчёте надёжности объектов ЭЭС 38
Особенности методов расчёта функциональной надёжности 42
Существующие реализации методов анализа режимов и надёжности на ЭВМ 44
Выводы по главе 1 45
Глава 2. Разработка методов формирования расчётных моделей (схем замещения) режимов сложных ЭЭС 47
Общие положения. Характеристика элементов ЭЭС 47
Структурно-функциональная модель взаимосвязи между схемой электрических соединений и расчётной моделью режимов 49
Формирование статуса активных элементов схем 61
Расчёт режима с помощью матрицы узловых сопротивлений 68
Особые режимы в ЭЭС: пуск, асинхронный
ход, несинхронные включения, перенапряжения 74
Глава 3. Разработка методов определения и коррекции обобщённых параметров схем в условиях оперативных изменений схемы электрических соединений 77
Обобщённые параметры схем замещения 77
Методы получения узловых сопротивлений, основанные на обращении матриц 78
Структурный анализ (деревья и хорды) для получения матрицы узловых сопротивлений.82 3.4 Получение матрицы узловых сопротивлений поэлементным наращиванием элементов
ЭЭС 83
3.5. Метод коррекции обобщённых параметров при включении и отключении элементов в схеме 86
Метод снижения перегрузок с использованием обобщённых параметров 93
Учёт автоматического регулирования напряжения трансформаторов ЭЭС 105
Выводы по главе 3 106
Надёжность электродвигательной нагрузки при кратковременных возмущениях 107
Метод анализа вероятностей состояния и его особенности 112
Разработка единого метода анализа надёжности на основе обобщённых
Разработка метода анализа надежности при кратковременных возмущениях режима (на
Результирующие показатели надёжности системы и её объектов 125
Декомпозиция сложной ЭЭС большого размера 126
Выводы по главе 4 130
Формирование структурно-функциональной взаимосвязи между схемой электрических соединений и расчётной моделью режимов.
Разработка методов расчёта структурной и функциональной надёжности с использованием обобщённых параметров схем.
Разработка критерия декомпозиции больших схем ЭЭС, как по электрической удалённости элементов, так и по режиму ЭЭС.
Разработка па основе обобщенных параметров метода определения узлов в сети, короткие замыкания в элементах, инцидентным узлам, могут привести к недопустимому провалу напряжения в узлах с электроприёмниками, чувствительными к кратковременному изменению (провалу) напряжения.
Разработка формальных приёмов и устранения ограничений перегруженных элементов в сложных сетях во внештатных ситуациях ЭЭС.
Разработана однозначная структурно-функциональная взаимосвязь между схемой электрических соединений и схемами замещения по режимам и надёжности на различных интервалах времени.
Разработан метод определения структурно-функциональной надёжности сложных ЭЭС с использованием обобщённых параметров схем и конкретным учётом ограничений режимов.
Разработан критерий декомпозиции сложных схем на основе числовых показателей электрической удалённости элементов и режима сети, предназначенный для повышения эффективности анализа и синтеза схем сложных ЭЭС по надёжности.
Разработан алгоритм определения узлов в сложной сети, короткие замыкания в смежных элементах которых могут привести к недопустимому уровню остаточного напряжения для электроприёмников, критичных к этому параметру.
Предложен метод быстрого определения перегруженных элементов сети и устранения ограничений режимов, основанный на корреляционной теории многомерных случайных процессов режимов, являющейся основой целенаправленных коммутационных изменений в нештатных ситуациях. Введены дополнительные обобщённые параметры схем — матри-
Глава 4. Разработка метода анализа функциональной и электромагнитной составляющей надёжности сложных ЭЭС с использованием обобщённых параметров схем 107
параметров схем, объединяющих пообъектный и системный подход
(матрица коэффициентов распределения) 114
основе матрицы Zy) 123
5. Заключение по диссертации 131
Литература 133
Приложение 1 Исходная информация для надежностно-режимных расчётов сложных
ЭЭС 140
Приложение 2 Алгоритмы формирования моделей элементов на различных интервалах времени 144
Приложение 3 Характеристики провалов напряжения 150
Приложение 4 Способы повышения надёжности при кратковременных возмущениях режима 154
Приложение 5 Пример определения электромагнитной составляющей надёжности в
ЭЭС 159
Приложение 6 Расчёт показателей надёжности для тестовой схемы 163
Приложение 7 Значения постоянной времени Тл и ударного коэффициента куа для характерных
элементов и частей ЭЭС 164
Приложение 8 Расчёт режима сети реальной ЭЭС 165
Введение к работе
Общая характеристика работы.
Актуальность проблемы. В настоящее время проведепа реформа электроэнергетики и
образовалось достаточно много собственников энергообъектов. В существующих энергосистемах появились границы балансовой принадлежности, однако параллельная работа источников сохранилась, а электроэнергетические системы (ЭЭС) большого и очень большого размера остались [14, 34, 46, 47, 53, 103, 109] также как и проблемы управления надёжностью их функционирования [1, 36].
Задача управления режимом ЭЭС в реальном времени [1] (на коротких интервалах времени) возникла при появлении рынка ФОРЭМ. Количество коммутационных состояний системы при этом увеличивается и, следовательно, изменяется уровень надёжности различных конфигураций систем. Поэтому возникла необходимость уменьшать интервалы времени между числовым анализом показателей надёжности, например, границ балансовой принадлежности, узлов нагрузки, отдельных источников генерации, транзитных элементов, то есть уменьшать период между акциями «диагностики состояния» системы па надёжность функционирования.
Такого рода «диагностика состояния», интегрированная с приёмами и способами целенаправленного изменения уровня надёжности предусматривает не только соответствующее информационное сопровождение, но и предъявляет достаточно жёсткие требования к методам анализа надёжности, тем более в числовом выражении.
При этом важно знать и параметры надёжности элементов сети. У элементов ЭЭС с изменяющимися параметрами, показатели надёжности, как правило, тоже изменяются. Наиболее показательными элементами с этой точки зрения являются «гибкие» управляемые ЛЭП, вставки постоянного тока [33, 34].
Основными методами для расчётов надёжности ЭЭС ранее являлись методы структурного анализа, в основе которых лежит сведение реальных систем к двухполюсным структурам [84, 100].
Приёмы и методы структурного анализа, учитывающие ограничения режимов, возникающих в аварийных, послеаваринных, а также в состояниях преднамеренного отключения элементов, оказываются недостаточно эффективными. Возможны, так называемые, «комбинаторные взрывы» для сетей со сложными схемами подстанций, в сетях с различными номинальными напряжениями. Эквивалентирование усложняет компьютерную реализацию методов и снижает эффективность, особенно в плане синтеза схем по надёжности [7, 39, 40, 54, 73].
Цель работы состоит в разработке и усовершенствовании методов расчёта надёжности сложных ЭЭС в достаточно широком временном диапазоне на основе известных в электро-
энергетике обобщённых параметров схем и развитие этих методов на единой информационной
базе - схем электрических соединений ЭЭС.
Для реализации цели работы потребовалось решить следующие задачи:
Методы исследовании. Для решения поставленных задач использовались методы теории вероятности, теории графов, алгебры логики, матричные методы, математическое моделирование на ПЭВМ. Научная новизна работы:
цы коэффициентов корреляции взаимосвязи между ветвями схемы и взаимосвязи между
узлами схемы.
Достоверность разработанных методов и алгоритмов подтверждена результатами вычислений на ПЭВМ и использованием конкретного статистического материала, сравнением результатов реальных ЭЭС, полученных другими методами и экспериментальными данными.
Практическая значимость работы. Представленные методы и алгоритмы позволяют использовать обобщённые параметры схем, как для расчёта режима в широком диапазоне времени, так и для расчёта надёжности. Разработана методика универсального использования обобщённых параметров.
Реализация результатов работы. Разработанные методы и алгоритмы были применены в работах для ФСК ЕЭС России ОЭС Средней Волги [64, 97] и ряде других ЭЭС РФ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались:
на XIV, XV, XVI международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, МЭИ (ТУ), соответственно 28-29 февраля 2008 года, 26-27 февраля 2009 года, 25-26 февраля 2010 года);
на 77, 79 и 81 заседаниях международного научного семинара им. Ю. Н. Руденко «Методические вопросы исследования надёжности больших систем энергетики» (соответственно г. Харьков 1-5 июля 2006 года, г. Вологда 9-13 июля 2007 года, г. Санкт-Петербург 6-11 июля 2009 года).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в трёх сборниках тезисов докладов, в трёх сборниках научных трудов и двух статьях в научно-технических журналов «Вестник МЭИ» и «Электричество».
Структура диссертации и объём. Диссертация состоит из введения и четырёх глав (с выводами по каждой главе), заключения, списка литературы и шести приложений. Общий объём 223 страницы. Основная часть состоит из 139 страниц 17 рисунков и 4 таблиц. Библиография включает 116 наименований. Приложения содержат 84 страницы.
Основные проблемы состояния вопроса исследования 1. Понятие надёжности электроэнергетической системы
Основной функцией электроэнергетической системы (ЭЭС) является обеспечение всех потребителей электроэнергией в необходимом количестве и надлежащего качества [29, 10В]. Для этого она должна обладать таким необходимым свойством, как надёжность. Определение надёжности применительно к ЭЭС заключается в бесперебойном энергоснабжении потребителей в пределах допустимых показателей качества электроэнергии, за исключением ситуаций, опасных для людей и окружающей среды [55]. Надёжность - комплексное свойство объекта. Фундаментальным понятием в теории надёжности является понятие отказа. Отказ - событие, заключающееся в нарушении работоспособности, то есть переходе с одного уровня функционирования на другой, более низкий или в полностью неработоспособное состояние [83].
При определении надёжности применительно к ЭЭС можно рассмотреть два подхода, которые подразумевают различные математические модели.
Первый, так называемый подход со стороны потребителя, заключается в том, что показатели надёжности рассматриваются в основном относительно отдельных объектов (узлов нагрузки, источников, сборных шин) [7, 10, 20-г22, 57, 62, 30, 39, 73, 76, 83-г85, 100]. Данный подход получил широкое распространение при расчётах надёжности и широко был применён в практических расчётах. В нём обычно применяется двухполюсная модель построения сети, в которой определяется структура сети относительно рассматриваемого узла. Этот подход основан на методах структурного анализа с использованием топологических приёмов теории графов.
Второй подход - системный. При таком подходе необходимо рассматривать возмущения и определять их влияние на элементы системы и потребителей [51, 83-г85, 92, 99, 103]. Возмущения в сети, нередко приводящие к отказам, в значительной мере могут оказать влияние на надёжность сети в целом. Необходимость изучения влияния отказов на надёжность сети в целом привела к постановке вопроса таким образом, что необходимо рассматривать влияние отказа одного элемента в целом на сеть. Этот подход основан на понятии функциональной надёжности.
При оценке надёжности со стороны потребителя большое значение играет топология сети [73]. В этом рассмотрении режимные параметры элементов ЭЭС не столь существенны, так как основным критерием при данном подходе является надёжность относительно потребителя или источника питания безотносительно к режиму в ЭЭС [7, 10, 30, 39]. В случае же системного подхода расчёт режима является первостепенным при оценке надёжности. Так как именно изменения параметров режима определяют изменение показателей надёжности. В связи этим расчёт режима при таком подходе первостепенен [834-85, 103].
2. В нормальном состоянии электрическая система непрерывно получает некоторые отклонения и возмущения от исходного состояния [108]. Все процессы, происходящие в электрической системе, можно подразделить по времени их протекания (от микросекунд до десятков часов), причинам появления и способам исследования. Поэтому возмущения в ЭЭС можно разделить по длительности следующим образом:
10"6-г10"3 сек. - перенапряжения и отказы, связанные с ними - пробой изоляции. На данном временном интервале моделирование схемы ЭЭС происходит с учётом волновых процессов [2].
10"3ч-10' сек. - короткие замыкания (85 % однофазных, за исключением сетей с изолированной нейтралью). Практически все виды отказов (до 95 %) сопровождаются короткими замыканиями разного вида. Методы расчёта режимов КЗ в сложных ЭЭС [3, 9, 28, 58, 59].
102-г103 сек. - устойчивые отказы - необходимость переключений (минуты, десятки минут) и восстановления (десятки - сотни минут). Методы расчёта установившихся режимов в сложных ЭЭС [105, 107, 110].
10",-г104сек. - преднамеренные отключения элементов для ремонтов [83-f85].
Все возмущения, приводящие к отказам, необходимо оценивать с помощью методов оценки функциональной надёжности.
3. Обобщение методов расчёта режимов.
Основная масса элементов в ЭЭС - пассивные элементы, активных элементов, оказывающих влияние на режим, относительно немного [34]. Применительно к расчёту различных режимов ЭЭС существует достаточно много методов, так как на каждом интервале времени ЭЭС моделируется по-разному. В случае расчётов токов КЗ - это метод типовых кривых [3, 59]. В случае расчёта установившихся режимов - методы Зейделя, Ньютона и др. [29, 32ч-34]. Недостатком, например, метода Зейделя является его медленная сходимость или даже расходимость при расчёте схем электрических соединений с устройствами продольной компенсации, с трёх- обмоточными трансформаторами, когда сопротивление средней обмотки очень мало, а также при расчётах предельных и неустойчивых режимов [35].
В сложных ЭЭС часто возникают задачи расчёта режима с различными коммутационными состояниями. Это связано с тем, что необходимо рассчитывать часто меняющиеся коммутационные состояния сети. Наиболее подходящими в данном случае методами, являются методы, основанные на использовании обобщённых параметров схем [17]. Обобщённые параметры схем дают полную информацию о структуре сети и её элементах. Важна возможность их применения для расчёта режимов на разных интервалах времени. С помощью матрицы узловых сопротивлений Zy можно осуществлять как расчёт токов КЗ, так и расчёт установившегося режима. Применение данной матрицы для расчётов режимов на различных интервалах времени даёт преимущество при её использовании перед другими методами расчёта. Учитывая достаточную простоту измеиения матрицы Z> при изменении коммутационного состояния сети, можно сказать, что для расчёта режима сложных сетей её применение наиболее целесообразно.
Но, как правило, ЭЭС представлены электрическими схемами, и для получения матрицы Zy
необходимо составлять схему замещения. Алгоритм получения схемы замещения из электрической схемы достаточно широко освещен в литературе [105, 108], но в случае большого количества расчётов режима необходима взаимосвязь между элементами матрицы Zy, то есть схемой
замещения, и электрической схемой. Она необходима для получения однозначного соответствия для расчёта режима при различных коммутациях в сети и изменении параметров элементов схемы ЭЭС. Другим недостатком использования матрицы Z является её полная заполненность, что в случае расчёта схемы ЭЭС большого размера может приводить к тому, что необходимо достаточно много памяти для хранения этой матрицы, размерность, которой пропорциональна числу узлов схемы.
4. Рассмотрим указанные выше достоинства и недостатки матрицы Zy. При использовании матрицы Zy достаточно просто определить режимные параметры сети. В то же время с помощью данной матрицы возможен расчёт различных режимов в сети. Это очень важно для многократного расчёта режимов ЭЭС большой сложности. По сравнению с другими методами использование методов с обобщёнными параметрами достаточно эффективно. Основным их преимуществом является достаточно простая коррекция значений матрицы Zy при изменении
коммутаций в схеме или при расчёте различных режимов. Основной недостаток, заключающийся в сложности хранения данной матрицы, учитывая возможности современных ЭВМ, может быть ликвидирован. Кроме того, так как матрица Zy является симметричной относительно главной диагонали возможно храпение только одной верхней её половины. Учитывая вышеизложенное, становится попятно, почему применение матрицы Zy для расчёта режима является
наиболее подходящим, учитывая поставленную задачу.
В главе 1 рассматриваются общие методы расчёта режима электроэнергетических сетей, а также делается их сравнение между собой. Показывается необходимость декомпозиции сложных схем ЭЭС, а также рассматривается надёжность электроэнергетических сетей, её взаимосвязь с режимами.
В главе 2 рассматриваются вопросы о формировании математических моделей ЭЭС для расчёта режимов на различных интервалах времени. Разрабатывается метод, с помощью которого можно осуществлять взаимосвязь между электрической схемой и схемой замещения.
Предлагаются различные модели формирования схемы замещения для расчётов токов КЗ и установившихся режимов ЭЭС.
