Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ АСИНХРОННОГО
РЕЖИМА ЭНЕРГОСИСТЕМЫ 15
-
Основные положения 15
-
Моделирование и эквивалентирование энергосистемы 18
-
Базовая модель асинхронного режима энергосистемы 24
-
Автоматика ликвидации асинхронного режима 29
-
Требования к устройствам АЛАР 32
-
Требования к размещению и настройке АЛАР 35
1.5 Косвенные признаки асинхронного режима и устройства на их основе 45
-
Общие положения 45
-
Релейные устройства типа ЭПО 48
1.6 Прямые признаки асинхронного режима и устройства на их основе 50
-
Общие положения 50
-
Электронное устройство САПАХ 52
-
Микропроцессорное устройство АЛАР-М 52
-
Микропроцессорное устройство АЛАР-Ц 53
1.7 Сводная таблица технологических алгоритмов АЛАР 54
1.&-' Новые технические средства предотвращения и ликвидации асинхронного
режима 57
-
Сверхпроводниковые индуктивные накопители 57
-
Коммутационные устройства со сверхпроводниковыми элементами. 62
1.9 Выводы 66
ГЛАВА 2. ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ И ИДЕНТИФИКАЦИЯ
ПАРАМЕТРОВ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ 71
-
Эквивалентирование энергосистемы для анализа асинхронного режима. .71
-
Задача идентификации эквивалента энергосистемы 76
-
Исходная информация, доступная локальным устройствам противоаварийной автоматики 78
-
Оценка достижимой точности определения параметров эквивалентной схемы энергосистемы 81
-
Погрешность величины вектора 81
-
Погрешность определения эквивалентного сопротивления 84
-
Погрешность определения эквивалентной ЭДС 93
2.5 Выводы 100
ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ
ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ ПО ТРАЕКТОРИЯМ ВЕКТОРОВ
Ь НАБЛЮДАЕМЫХ ВЕЛИЧИН 102
3.1 Эквивалентная схема «генератор-шины бесконечной мощности» 104
-
Определение угла ЭДС 104
-
Идентификация параметров 109
3.2 Двухмашинная эквивалентная схема 111
-
Вектор мощности в узле эквивалентной схемы 111
-
Определение характеристик траектории вектора мощности 113
-
Идентификация параметров 116
-
Расчет эквивалента для схемы электропередачи с узлом отбора
^, мощности 118
3.3 Результаты расчета на математической модели 121
-
Идентификация параметров эквивалента «генератор - шины» 121
-
Идентификация параметров двухмашинного эквивалента 125
3.4 Выводы 127
ГЛАВА 4. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ
СХЕМЫ ПО УРАВНЕНИЯМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ 128
4.1 Использование дифференциальных соотношений 131
4.1.1 Метод расчёта 131
(Г 4.1.2 Результаты исследований метода на математической модели 137
4.2 Использование комплексно-сопряженных уравнений 143
-
Метод расчёта 143
-
Результаты исследования метода на математической модели 147
-
Результаты применения метода к расчету аварии в энергосистеме... 150
-
Повышение точности и скорости определения параметров эквивалентной схемы асинхронного режима энергосистемы 156
-
Выводы 162
ГЛАВА 5. КОНТРОЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЦЕНТРА КАЧАНИЙ 165
Р 5.1 Распределение напряжения в неоднородной линии электропередачи 166
-
Способ выявления наличия ЭЦК на контролируемом участке энергосистемы 172
-
Выводы 174
ГЛАВА 6. РАЗРАБОТКА И ПРОМЫШЛЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ
УСТРОЙСТВА «АЛАР-М» ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ И ЛИКВИДАЦИИ
АСИНХРОННОГО РЕЖИМА 176
6.1 Принцип работы устройства 178
^ 6.2 Методика выбора уставок устройства 181
6.2.1 Выбор уставок без учёта эквивалентов примыкающих энергосистем....
182
-
Выбор уставок по табличным зависимостям угла между напряжением || на концах контролируемой линии 183
-
Выбор уставок по эквивалентной схеме контролируемого участка.. 185
-
Селективный режим работы устройства 189
-
Учёт изменения схемы и режима работы энергосистемы 189
-
Частные случаи использования устройства 192
-
Модификация и дополнительные блоки технологического алгоритма 194
-
Модификация алгоритма 195
-
Ограничение диапазона задания уставок углов 196
6.6.3 Дополнительный блок контроля изменения эквивалентного угла.... 197
Щ1 6.6 А Дополнительный блок контроля по признаку качания тока 200
-
Пример работы устройства «АЛАР-М» для реальной аварии в энергосистеме 330 кВ 201
-
Выводы 205
ГЛАВА 7. РАЗРАБОТКА ТОКООГРАНИЧИВАЮЩЕГО
ТРАНСФОРМАТОРНОГО УСТРОЙСТВА С КОММУТАЦИЕЙ
МАГНИТНОГО ПОТОКА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМОЙ В
АВАРИЙНЫХ РЕЖИМАХ 207
ш> 7.1 Управление магнитным потоком с использованием сверхпроводниковых
экранов 207
-
Принцип работы токоограничивающего устройства 214
-
Динамические характеристики устройства 218
-
Применение устройства в составе автоматики противоаварийного управления 224
-
Выводы 226
ГЛАВА 8. РАЗРАБОТКА И ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
СВЕРХПРОВОДНИКОВЫХ ИНДУКТИВНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ ДЛЯ
|І ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ
СИСТЕМОЙ 227
8.1 Энергетические характеристики накопителей 227
-
Энергообмен с энергосистемой при постоянной мощности 227
-
Энергообмен с энергосистемой при линейном изменении мощности.... ,/ 233
8.2 Использование сверхпроводниковых накопителей для повышения
устойчивости электроэнергетических систем 241
8.2.1 Расчётная схема энергосистемы 241
Ш, 8.2.2 Повышение статической устойчивости энергосистемы 244
8.2.3 Повышение динамической устойчивости энергосистемы 251
8.3 Выводы 255
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 257
ЛИТЕРАТУРА 260
ПРИЛОЖЕНИЯ 272
П.1 Приложение к главе 2 272
П. 1.1 Отображение исходного сигнала в комплексную плоскость 272
П.2 Приложение к главе 3 274
П.2.1 Траектория вектора напряжения и тока 275
П.2.2 Траектория вектора сопротивления 276
П.2.3 Траектория вектора мощности 278
П.З Приложение к главе 5 280
П.3.1 К вопросу существования в процессе асинхронного хода точки
нулевого напряжения 280
П.4 Приложение к главе 6 282
П.4.1 Основные технические характеристики устройства «АЛАР-М» 282
П.4.2 Фазировка устройства «АЛАР-М» 286
П.5 Приложение к главе 7 290
П.5.1 Характеристики экранов для токоограничивающих устройств 290
П.5.2 Макетный образец токоограничивающего устройства 294
П.5.3 Эскизный проект токоограничивающего устройства 450 МВА 296
П.6 Приложение к главе 8 301
П.6.1 Расчет СПИН с цилиндрической обмоткой 301
П.6.2 Расчет СПИН с тороидальной обмоткой 305
Введение к работе
Устойчивость работы электроэнергетической системы обеспечивается комплексом технических и организационных мероприятий. Когда совокупность примененных средств оказывается неспособной предотвратить развитие аварии, происходит переход к асинхронному режиму (АР). В этом случае вынужденной мерой является разделение энергосистемы на две или более независимых подсистем. При этом обычно разделение энергосистем должно выполняться как можно раньше, в самом начале развития асинхронного режима. Для решения этих проблем используются достижения мировой науки, техники, и технологии в части процессов генерации, транспорта и потребления электрической энергии. Это позволяет разрабатывать новые технические решения и методы для повышения устойчивости ЭЭС как на базе традиционных, так и на базе новых технических средств.
Решение проблемы обеспечения надёжной работы ЭЭС в стационарных и переходных режимах, сохранения и восстановления устойчивости послеава-рийных процессов основывается на совокупности большого комплекса работ советских и российских ученых и исследователей. Фундаментальные исследования Е.А. Аржанникова, В.А. Баринова, К.А. Бринкиса, В.В. Бушуева, В.А. Веникова, Н.И. Воропая, А.З. Гамма, Я.Е. Гоника, Ю.Е. Гуревича, Ф.Г. Гусейнова, А.Ф. Дьякова, Л.А. Жукова, А.С. Зеккеля, Е.С. Иглицкого, Б.И. Иофьева, В.Д. Ковалева, Ф.Л. Когана, Л.А. Кощеева, Д.П. Ледянкина, Н.Е. Лизалека, И.В. Литкенс, Л.Г. Мамиконянца, И.М. Марковича, М.Ш. Мисриханова, А.С. Сауха-таса, В.А. Семенова, С.А. Совалова, В.А. Строева, Ю.А. Тихонова, С.А. Ульянова, A.M. Федосеева, А.А. Хачатурова, Ю.Г. Шакаряна, Н.Н. Щедрина, В.А. Шуина, И.В. Якимца и других советских и российских ученых и инженеров привели к получению детального представления о характере процессов в ЭЭС, разработке методов моделирования, аналитических представлений и численных способов расчёта электромеханического движения ЭЭС, разработке методов анализа устойчивости. Исследованы и решены задачи развития больших ЭЭС, обеспечения устойчивости и надёжности их функционирования. Исследования
7 асинхронных режимов продолжаются в настоящее время в ряде научно- ) исследовательских институтов, высших учебных заведениях и других органи- зациях.
При этом основными проблемами являются выявление состояния, при котором возникает опасность перехода электроэнергетической системы (ЭЭС) в асинхронный режим (АР), принятие превентивных мер к предотвращению перехода к АР, выявление наличия асинхронного режима в случае, когда меры его предотвращения оказались неэффективными, и, наконец, ликвидация АР по- у средством технических мероприятий, вплоть до деления ЭЭС.
Для решения этих задач в настоящее время используются ряд локальных устройств, объединенных под общим названием - автоматика ликвидации асинхронного режима (АЛАР), которая является частью противоаварийной автоматики (ПА) и предназначена для устранения опасных явлений, возникающих в энергосистеме при нарушении синхронной работы ее частей. Устройства АЛАР располагают вблизи потенциально опасных сечений ЭЭС и настраивают на оп-
7 ределенные контролируемые параметры режима ЭЭС, изменение которых позволяет выявить наличие перехода ЭЭС в асинхронный режим. Настройку выполняют на основе предварительного анализа совокупности характерных режимов работы ЭЭС. В результате анализа определяют области изменения рабочих параметров, характерные для устойчивого режима ЭЭС. Выход за пределы этой области служит признаком перехода ЭЭС в неустойчивый (асинхронный) режим и является основанием для выработки управляющих воздействий. При
I этом устройства ПА, работающие с уставками, которые были определены на основе совокупности набора предварительно рассчитанных ситуаций, неизбежно реагируют на каждую конкретную аварию некоторым «усредненным» образом и в некоторых случаях не срабатывают или срабатывают неправильно. Ошибки могут быть обусловлены ситуацией, в которой схема и режим ЭЭС в данный момент времени не соответствуют предварительно рассчитанному набору характерных режимов, и, следовательно, параметры срабатывания устрой- f. ства оказываются неприменимыми к данному текущему процессу. Указанная проблема является непреодолимой для устройств АЛАР традиционного исполнения.
Важной задачей является исследование и разработка адаптивных методов выявления асинхронного режима, базирующихся исключительно на величинах сигналов, доступных для наблюдения в месте установки устройства ПА и не требующих предварительного анализа схемы и режима энергосистемы. Определение эквивалентных параметров электроэнергетической системы в темпе асинхронного режима позволяет более обоснованно подходить к задачам настройки противоаварийной автоматики и оценке эффективности мероприятий, направленных на сохранение устойчивости системы. Адаптивные методы позволяют динамически, в реальном времени, определять величину критического угла и использовать для работы АЛАР его точное текущее значение.
В связи с развитием технологии сверхпроводниковых материалов, в настоящее время значительное внимание уделяется применению в электроэнергетических системах устройств и оборудования, связанного с использованием особых свойств, присущих таким материалам. В работе выполнено исследование возможностей и разработаны методы использования таких устройств для создания дополнительных технических и технологических средств предотвращения и ликвидации АР, повышения устойчивости и управляемости ЭЭС. Использование таких устройств может предоставить дополнительные возможности для координации уровней токов короткого замыкания, повышения надежности работы коммутационной аппаратуры, привести к увеличению пропускной способности линий передачи, увеличению статической и динамической устойчивости, и снижению требуемого уровня дозированных воздействий автоматики про-тивоаварийного управления.
Исследования по данной проблеме проводились автором в рамках комплексных программ Министерства промышленности и энергетики РФ, РАО ЕЭС России, ОАО «ФСК ЕЭС».
Целью работы является исследование, разработка и реализация новых технических и технологических решений для повышения надёжности и эффективности функционирования электроэнергетической системы, предотвращения и ликвидации асинхронного режима.
9 Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: |) - исследованы принципиальные вопросы наблюдаемости и идентифика- ции режимных параметров применительно к задаче выявления АР, проведен обобщённый анализ предельно достижимой точности результатов идентификации параметров АР в условиях, когда входной сигнал искажен случайными флуктуациями (шумами); - разработаны адаптивные методы идентификации режимных параметров энергосистемы на основе информации, доступной для локального устройства ^ ПА, полученные методы используются для анализа процессов аварий, связан- ных с существенным изменением положения углов генераторов, и могут быть положены в основу технологических алгоритмов работы новых локальных адаптивных устройств ПА; - проведен анализ функциональных особенностей существующих и пер спективных устройств автоматики ликвидации асинхронного режима, разрабо тана классификация типов технологических алгоритмов АЛАР, предложен спо- ш, соб систематизации технических средств и технологических решений по характерным признакам, использующимся для выявления АР, определены пути дальнейшего совершенствования системы автоматики ликвидации асинхронного режима; - разработаны новые технологические алгоритмы работы АЛАР, наиболее эффективным образом использующие возможности, предоставляемые для этого микропроцессорной техникой, разработаны, внедрены и используются в ЭЭС * I устройства АЛАР-М, выполненные на этой технологической основе; - рассмотрен новый класс исполнительных устройств для ликвидации АР, основанный на контроле тока и управлении магнитным потоком в цепях транс форматора, исследованы функциональные возможности таких устройств, выра ботаны рекомендации по их применению при ликвидации АР и координации уровня токов короткого замыкания; - проведены комплексные исследования применения сверхпроводнико- (jf7 вых индуктивных накопителей (СПИН) для целей предотвращения АР и потери устойчивости, а также для повышения пропускной способности линий передач. Разработаны методические основы расчёта параметров СПИН энергетического
10 назначения, получены оценки эффективности использования такого L) оборудования.
Объектом исследования являются методы и технические средства предотвращения и ликвидации асинхронного режима в энергосистеме.
Предметом исследования является повышение устойчивости и надежности работы электроэнергетической системы посредством развития и совершенствования методов и средств предотвращения и ликвидации асинхронного режима.
Л Разработанные в диссертации научные положения используют системный подход к анализу режимов ЭЭС и основываются на комплексном использовании теоретических и экспериментальных методов исследования в этой области. Решение задач поставленных в работе, стало возможным благодаря известным достижениям указанных научных дисциплин, не противоречит их положениям и базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, математическая статистика, теоретиче- |^ ские основы электротехники.
Разработанные в соответствии с предложенными теоретическими положениями новые технические решения опробованы экспериментально посредством испытаний на электродинамической модели энергосистемы и анализа результатов их применения к исследованию осциллограмм аварий в ЭЭС. Результаты экспериментов и испытаний сопоставлялись с известными результатами, полученными в этой области другими авторами. fcl Научная новизна и значимость полученных результатов:
Исследован вопрос наблюдаемости и идентификации режимных параметров применительно к задаче выявления АР. Выполнен обобщённый анализ предельно достижимой точности результатов идентификации параметров АР в условиях, когда входной сигнал искажен случайными флуктуациями (шумами). Установлено, что при характерном для ЭЭС уровне шума измеряемого сигнала напряжения и тока результаты идентификации могут быть использованы в тех-
РГ' нологических алгоритмах локальных устройств ПА.
Разработан и исследован комплекс методов идентификации режимных параметров энергосистемы на основе информации, доступной для локального устройства ПА. Использование предложенных методов позволяет получать эквивалентные параметры энергосистемы в режимах глубоких качаний и асинхронного хода на основе информации о токе и напряжении в узле установки локального устройства противоаварийного управления. Разработанные методы могут быть применены для эффективного анализа процессов аварий, связанных с существенным изменением положения углов генераторов, и положены в основу технологических алгоритмов работы устройств АЛАР. Предложенные решения позволяет увеличить точность работы системы противоава-рийной автоматики.
Разработан новый метод выявления положения точки электрического центра качаний (ЭЦК) для обеспечения селективности работы АЛАР. Предложенный метод использует только информацию, доступную для измерения в узле установки локального устройства ПА.
На основе анализа существующих устройств автоматики ликвидации асинхронного режима разработана классификация типов существующих технологических алгоритмов АЛАР, позволяющая наглядно и обозримо провести систематизацию технических средств и технологических решений данного класса задач, определить тенденцию развития, и выявить основные функциональные требования к работе современных и разрабатываемых устройств противоаварийного управления.
Разработаны методические основы построения алгоритмов работы локальных микропроцессорных устройств АЛАР, с использованием в качестве основного параметра функции изменения от времени угла между эквивалентными генераторами в двухмашинной эквивалентной схеме асинхронного режима энергосистемы.
Предложены и конструктивно проработаны технические решения предотвращения и ликвидации АР на базе использования новых перспективных технологий, связанных с применением сверхпроводниковых материалов.
Рассмотрен новый класс многофункциональных трансформаторных то-коограничивающих устройств со сверхпроводниковым экраном, исследованы функциональные возможности таких устройств, выработаны рекомендации по
12 их применению для использования при ликвидации АР и координации уровня токов короткого замыкания.
Проведены комплексные исследования применения СПИН для повышения устойчивости и пропускной способности линий передач, получены оценки эффективности использования такого оборудования в ЭЭС. Разработаны методические основы расчёта параметров сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН) энергетического назначения.
Практическая ценность работы по мнению автора заключается в следующем: обоснована возможность применения разработанных адаптивных методов анализа состояния ЭЭС в микропроцессорных устройствах для повышения надежности работы ЭЭС и предотвращения развития и ликвидации АР; приведенные в работе результаты оценки предельно достижимой точности идентификации режимных параметров представляют практический интерес при проектировании новых и модернизации известных устройств: разработанные положения используются в практике проектирования, методиках расчёта и настройки устройств АЛАР-М, что позволяет повысить эффективность и качественные результаты проектирования новых энергосетевых объектов; выполнены исследовательские и опытно-конструкторские работы, разработаны методы, алгоритмы и программное обеспечение для нового устройства микроконтроллерного устройства «АЛАР -М»; разработанные, запатентованные и внедренные программы, реализующие новые технологические алгоритмы, позволили поднять качественные показатели устройства АЛАР, повысили их надёжность и эффективность.
Начиная с 2000 г., устройства АЛАР-М используются в энергосистемах Российской Федерации. Начата поставка таких устройств по заказу фирмы Siemens для использования их в энергосистеме Казахстана.
Материалы по устройству АЛАР-М используются при подготовке специалистов отрасли, а также в лекционной практике по учебной дисциплине
13 «Автоматика электроэнергетических систем», курсовых и дипломных L) проектов в МЭИ (ТУ).
Результаты исследований и методики расчёта, изложенные в монографи ях «Адаптивные методы и технические средства контроля и предотвращения асинхронного режима электроэнергетической системы» и «Сверхпроводнико вые токоограничивающие устройства и индуктивные накопители энергии для электроэнергетических систем» (в соавторстве) используются специалистами организаций электроэнергетической отрасли при проектировании системы ПА |1 с использованием новых технических решений.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод и результаты обобщённого анализа предельно достижимой точности результатов идентификации параметров АР.
Комплекс адаптивных методов идентификации режимных параметров энергосистемы на основе информации, доступной для локального устройства ПА, в условиях нерегулярных флуктуации входных сигналов, том числе, мето- ф ды анализа траекторий векторов напряжения, тока и производных от них вели- чин в комплексной плоскости и методы расчёта посредством решения переопределенной системы уравнений ветвей эквивалентной схемы.
3. Метод выявления положения точки электрического центра качаний, использующий только информацию, доступную для измерения в узле установ ки локального устройства АЛАР.
4. Методические основы построения алгоритмов работы локальных мик- ^| ропроцессорных устройств «АЛАР-М», с использованием в качестве основного параметра функции изменения от времени угла между эквивалентными генераторами в двухмашинной эквивалентной схеме асинхронного режима ЭЭС.
5. Принцип работы, основные функциональные особенности и техниче ские возможности трансформаторных токоограничивающих устройств на осно ве управления магнитным потоком сверхпроводниковым экраном, рекоменда ции по их применению для ликвидации АР и координации уровня токов корот-
Ш/ кого замыкания.
6. Результаты комплексных исследований применения СПИН для повы шения устойчивости и пропускной способности линий передач, оценки эффек-
14 тивности использования такого оборудования в ЭЭС, методические ос-
I) новы расчёта параметров сверхпроводниковых индуктивных накопителей (СПИН) энергетического назначения.
Приведенные в диссертации результаты являются составной частью НИОКР, выполняемых в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» под руководством или при участии автора, а также инициативных работ. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математиче- |! ских моделей и методов, реализация алгоритмических решений, обобщение и анализ результатов и рекомендации по их применению.
Полученные технические решения защищены патентами РФ, и свидетельствами на регистрацию программ и алгоритмов.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях разного уровня, в том числе на Всесоюзном научно-техническом совещании "Научно - технические вопросы создания
Ь сверхпроводникового электроэнергетического оборудования" Минэнерго
СССР, конференции "Актуальные проблемы релейной защиты, противоаварий-ной автоматики, устойчивости и моделирования энергосистем", XV научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем»
По теме диссертации автором опубликовано более 45 печатных работ, в том числе 11 патентов и авторских свидетельств на изобретения, 2 свидетельства о регистрации программ. После получения ученой степени кандидата техни- ^) ческих наук опубликовано 37 работ, в том числе 2 монографии (из них одна в соавторстве).
