Управление нагрузкой на напряжении 0,4 кВ при действии автоматической частотной разгрузки в энергосистеме Гиеев Борбад Мирзоевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние вопроса исследования. Обзор существующих способов ограничения нагрузки при небалансе активной мощности 14

1.1. Возможность обеспечения надежности электроснабжения ответственных городских и сельскохозяйственных потребителей при выборе мощности и реализации отключения нагрузки по командам АЧР 14

1.2. Особенности систем электроснабжения городских и сельскохозяйственных потребителей с точки зрения функционирования устройств АОСЧ 18

1.3. Актуальность перевода реализации отключения нагрузки по командам АЧР на напряжение 0,4 кВ 25

1.4. Анализ средств и способов ограничения нагрузки для ликвидации небаланса мощности. 29

1.5. Сравнение технически возможных вариантов реализации отключения нагрузки на напряжение 0,4 кВ 40

1.6. Выбор направления исследований, постановка цели и задач диссертации 52

Выводы по главе 1 54

2. Разработка способа управления нагрузкой при действии АЧР с подтверждением на математической модели 55

2.1. Способ управления автоматической частотной разгрузкой в силовой распределительной сети электроснабжения 55

2.2. Отстройка длительности командного прерывания от возможных провалов во внутренней и внешней сети электроснабжения 60

2.3. Возникновение внезапного дефицита мощности и процессов снижения частоты, динамическая частотная характеристика энергосистемы 66

2.4. Принципы построения частотной разгрузки и её роль в обеспечении надёжной работы энергосистемы 72

2.5. Выбор инструмента исследования. Постановка задачи 78

2.6. Проверка адекватности математической модели 87

2.7. Моделирование работы АЧР. Сравнение традиционного и нового способа отключения нагрузки 91

Выводы по главе 2 101

3. Разработка методики расчета уставок по времени в канале передачи команд АЧР 102

3.1. Постановка задачи 102

3.2. Общие характеристики математической модели формирования командного прерывания напряжения 103

3.3. Выбор уставок формирования и приема команды 107

3.4. Математическое моделирование процесса формирования командного прерывания рабочего напряжения 113

Выводы по главе 3 119

4. Разработка рекомендаций по интеграции устройств АЧР с АСКУЭ и условий применения предложенного способа 120

4.1. Эффективность интеграции комплекса АСКУЭ и системы РЗА и АЧР 120

4.2. Реализация ЧАПВ средствами ПТК АСКУЭ 123

4.3. Рекомендация по эффективному размещению исполнительных органов АЧР с применением предлагаемого способа 126

4.4. Рекомендация по применению силовых выключателей 6-10 кВ фидера и коммутационных аппаратов 0,4 кВ при использовании предлагаемого способа 128

4.5. Оценка эффективности разработанного способа 130

Выводы по главе 4 132

Заключение 133

Библиографический список 135

Приложение А 144

Приложение Б. 156

Приложение В 164

• Особенности систем электроснабжения городских и сельскохозяйственных потребителей с точки зрения функционирования устройств АОСЧ
• Способ управления автоматической частотной разгрузкой в силовой распределительной сети электроснабжения
• Моделирование работы АЧР. Сравнение традиционного и нового способа отключения нагрузки
• Рекомендация по применению силовых выключателей 6-10 кВ фидера и коммутационных аппаратов 0,4 кВ при использовании предлагаемого способа

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Одним из фундаментальных свойств

объединенных энергосистем (ОЭС) и их систем управления является иерархичность. Контроль и управление, соответственно, базируются на иерархии технических средств релейной защиты (РЗ), противоаварийной автоматики (ПА), средств диспетчерского и технологического управления в сетях 6-10 кВ и выше.

Система автоматической частотной разгрузки (АЧР) и специальная автоматика ограничения нагрузки (САОН), как подсистемы ПА, реализуют свои противоаварийные балансирующие воздействия в сети 6-10 кВ и выше. Реализация балансирующих отключений предусматривает отключение нагрузки на напряжении 6-10 кВ, что вызывает ущерб потребителям, больше всего в энергорайонах с возможностями возникновение глубокого и длительного дефицита мощности. Работа АЧР на напряжении 6-10 кВ исключает детальный учет степени ответственности отдельных потребителей 0,4 кВ. При этом не удается сохранить на отключаемых фидерах хотя бы небольшую часть более приоритетной группы нагрузок, особенно в сетях электроснабжения городов и сельского хозяйства по социальным факторам, уровням ответственности и наибольшим экономическим ущербом.

Установка АЧР непосредственно в узлах нагрузки требует серьезных затрат и вызывает дополнительные затруднения при эксплуатации. В настоящее время назрела необходимость постепенного перевода балансирующих отключений на напряжение 0,4 кВ, с учетом интеграции существующих технических средств РЗ и автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) для реализации селективного отключения нагрузки даже при системных авариях.

Этими факторами определяется актуальность темы настоящей работы, в которой исследуется способ селективного ограничения нагрузки по командам АЧР на напряжении 0,4 кВ с обеспечением требуемого быстродействия в части предотвращения лавины частоты и с возможностью сохранения в работе 10-20 % мощности нагрузки каждого управляемого от АЧР фидера.

Степень разработанности. В теории и практике релейной защиты и автоматики (РЗА) для удовлетворения требований минимизации ущерба и детального учета приоритетности электроприемников при их аварийном отключении известна еще в 1970-х годов рекомендация по установке устройств АЧР непосредственно у потребителей [Рабинович Р.С.].

Разработчиками Американского университета в Шарджи был предложен способ
ограничения нагрузки модифицированными счетчиками электроэнергии путем

предварительной автоматической отправки SMS-сообщений с предупреждением о превышении лимита электропотребления и с последующим отключением нагрузки без необходимости учета быстродействия. Подобный подход рассматривался также в работах ученых из Китая и Швеции.

Компанией «ПАРМА» разработано устройство АЧР-0,4 кВ. Однако применение его непосредственно у потребителей имеет ряд ограничений, связанных с потерей контроля со стороны энергосистемы.

Прототипом рассматриваемой темы исследований является работа «Автоматическое ограничение нагрузки в силовой распределительной сети» (Земцов А. А. Арцишевский Я.Л.).

Вклад в разработку теории и практики противоаварийного управления в энергосистемах внесли отечественные инженеры и ученые Веников В.А., Овчаренко Н.И., Рабинович Р.С., Зейлидзон Е. Д., Соловьев И.И., Стернинсон Л. Д., Брухис Г. Л., Иофьев Б.И., Семенов В.А., Беркович М.А., Гладышев В.А., Глускин И.З., Дроздов А.Д., Павлов Г.М., Меркурьев Г.В., Сацук Е.И., Илюшин П.В. и другие. В последнее время проблемы отключения нагрузки исследуются в работах Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН под руководством члена-корреспондента РАН д.т.н., проф. Воропая Н.И.

Однако до сих пор не решена научно-техническая задача совершенствования АЧР с учетом селективного учета приоритетности нагрузки и современных требований электроснабжения на напряжении 0,4 кВ.

Объектом исследования диссертационной работы является энергосистема с комплексом устройств РЗА и АЧР.

Предметом исследования является способ управления нагрузкой при реализации команд АЧР с действием на напряжение 6-10 и 0,4 кВ в системах электроснабжения городской и сельскохозяйственной нагрузки.

Целью диссертационной работы является разработка нового способа селективного отключения нагрузки на напряжении 0,4 кВ по командам АЧР с учетом степени ответственности потребителей, что позволяет минимизировать ущерб при отключениях.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Обзор, анализ и сравнение существующих способов и средств РЗА, включая ПА, обоснование актуальности разработки нового способа отключения нагрузки по командам АЧР на напряжении 0,4 кВ.

2. Разработка нового способа передачи команд АЧР на напряжении 0,4 кВ с подтверждением его работоспособности на математической модели, реализующей процесс отключения нагрузки при работе АЧР.

3. Разработка методики расчета уставок команд АЧР по времени в каналах передачи и приема при проектировании и расчете АЧР с использованием разработанного способа.

4. Разработка научно-обоснованных технических требований и рекомендаций по применению разработанного способа и интеграции систем и технологии адаптации АЧР и АСКУЭ для реализации команд АЧР и ЧАПВ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Разработан способ реализации команд АЧР на 0,4 кВ с использованием
кратковременного прерывания рабочего напряжения заданной длительности, формируемой в
цикле отключения-включения (О-В) силового выключателя 6-10 кВ с подтверждением
достоверности и обоснованности на математической модели.

2. Разработана методика расчета и выбора уставок по времени в канале
формирования, передачи и приема команды АЧР с учетом собственного времени работы
силового выключателя и влияния двигательной нагрузки.

3. Разработан способ повышения адаптивности АЧР с учетом переменного уровня
ответственности отдельных электроприемников и реализации команд ЧАПВ путем
интеграции функционирования АЧР и программно-технического комплекса АСКУЭ.

Практическая значимость.

5. Способ передачи в сеть 0,4 кВ команды АЧР без использования дополнительных технических средств имеет практическую значимость, заключающуюся в повышении надежности электроснабжения ответственных потребителей.

6. Разработана методика выбора уставок по времени в канале передачи команд АЧР для отключения нагрузки на напряжении 0,4 кВ при проектировании АЧР.

7. Разработанны научно-обоснованные технические требования и рекомендации по реализации АЧР и ЧАПВ на 0,4 кВ в распределенных интеллектуальных микроэнергосистемах.

8. Результаты исследования внедрены в учебный процесс на кафедре «РЗ и АЭ» Национального исследовательского Университета «Московский энергетический институт» и кафедре «Электроснабжение» Таджикского технического Университета им. М.С. Осими, а также в Институте энергетики Таджикистана при изучении курса «Автоматика энергосистем».

Методы исследования. При решении задач в работе применялись методы системного анализа, теоретических основ релейной защиты и автоматики, математического моделирования электромеханических переходных процессов. При выполнении работы

использовались пакет Mathcad и лицензированный программно-вычислительный комплекс расчета электромагнитных и электромеханических переходных процессов PSCAD.

Основные положения, выносимые на защиту:

9. Способ отключения нагрузки с реализацией команды АЧР и ЧАПВ на напряжении 0,4 кВ путем интеграции существующих устройства релейной защиты, ПА и АСКУЭ.

10. Методика выбора уставок по времени для расчета и проектирования АЧР с использованием разработанного способа;

11. Научно-обоснованные технические требования и рекомендации по созданию и модернизации следующих устройств и их технологии для перевода реализации функции АЧР на 0,4 кВ:

микропроцессорное устройство релейной защиты и автоматики фидера 10 кВ с дополнительными функциями контроля спада тока в фазах;

модифицированный счетчик в составе комплекса АСКУЭ с алгоритмом отключения нагрузки при приеме команды-прерывания напряжения;

- внесение дополнительных функций в программное обеспечение АСКУЭ при
получении команд от устройства АЧР с целью реализации функции ЧАПВ нагрузки с
использованием мобильной GSM-сети связи и PLC технологии, а также функции контроля
фактической мощности нагрузки с учетом динамического изменения списка отключаемых
потребителей 0,4 кВ.

Соответствие паспорту специальности.

Согласно формуле специальности 05.14.02 – Электрические станции и

электроэнергетические системы, данная диссертация посвящена вопросам «Развития и
совершенствования теоретической и технической базы электроэнергетики с целью
обеспечения экономичного и надежного производства электроэнергии, её транспортировки и
снабжения потребителей электроэнергией в необходимом для потребителей количестве и
требуемого качества». Научные положения, отраженные в диссертации, соответствуют
областям исследования специальности 05.14.02 – Электрические станции и

электроэнергетические системы. В частности к:

пункту-6 - «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» относится созданная программная модель в среде PSCAD энергорайона с возможностью возникновения дефицита мощности, а также программа и методика исследования процессов возникновения дефицита и работы устройств АЧР с использованием традиционного и нового способа, а к

пункту-9 - «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике» относится разработка методика расчета временных уставок передатчика и приемника команд с учетом полного времени отключения и включения силового выключателя 6-6-10 кВ (с разбросами) и учёт влияния выбега и самозапуска двигательной нагрузки.

Достоверность результатов диссертационной работы обеспечивается корректным
использованием математического аппарата, соответствием данных аналитических расчетов и
результатов полученных путем моделирования, применением апробированных известными
научно-исследовательскими организациями моделирующих комплексов PSCAD,

обсуждением полученных основных результатов в рамках российских и международных конференций при участие автора, а также дискуссий по опубликованным статьям. Автор использовал графические зависимости величин и структурно иллюстрирующие образы.

Личный вклад соискателя. Основная идея и актуальность темы диссертации
базируется на работах автора при преподавании предметов в области релейной защиты и
автоматики в Таджикском Техническом университете им. академика М.С. Осими, при
выполнении работ научно-практического характера при разработке устройства

автоматического запуска агрегатов бесперебойного питания для особо ответственных электроприемников, а также при постановке цели и задач исследования, определении путей их решения, разработке программа и методика экспериментов и компьютерной модели, при

проведении экспериментов в среде программного комплекса PSCAD, при анализе, обобщении, получении научных результатов и выводов по работе. Автор благодарит Федорова А.И., заместителя технического директора компании EnLAB, за помощь в прохождение курса по моделированию энергосистем в среде PSCAD при разработке математической модели.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы получены при проведении многочисленных экспериментов на компьютерной модели. Материалы диссертации были доложены и обсуждены на Международной научно-технической и практической конференции «Перспективы развития электроэнергетики и высоковольтного электротехнического оборудования» ТРАВЭК. (Москва, 2015г.); на Республиканской научно-практической конференции «Экономическое развитие энергетики в Республике Таджикистан» (Кургантюбе, 2016), на Республиканской научно-практической конференции «Электроэнергетика, гидроэнергетика, надежность и безопасность» (Душанбе, 2016), на Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2016» (Казань, 2016г.), на Международной научно-технической конференции «Наука и инновации в 21 веке: актуальные вопросы, достижение и тенденции развития» (Душанбе, 2016г.), на Научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва, 2017, 2018 г.), на Молодежном форуме и ХII Международной научно-технической конференции «Энергия -2017» (Иваново, 2017, 2018 г.), на Международной научно-технической конференции и выставке «Релейная защита и автоматика энергосистем 2017» (Санкт-Петербург, 2017 г.), на XXXVIII сессии Всероссийского научного семинара «Кибернетика энергетических систем» по тематике «Электроснабжение» (Новочеркасск, 2017 г.) и на Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2017» (Самара, 2017 г.).

Публикации. По основным результатам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых печатных изданиях РФ по перечню ВАК.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 167 страницах машинописного текста, содержащего 50 иллюстраций, 5 таблиц и библиографический список на 80 наименований. Имеется 3 приложения на 23 страницах.

Особенности систем электроснабжения городских и сельскохозяйственных потребителей с точки зрения функционирования устройств АОСЧ

Актуальность задачи обеспечения надежного электроснабжения городских и сельскохозяйственных потребителей в последние годы значительно выросла в связи со существенным изменением состава потребителей в этих отраслях. Это особенно связано с появлением сельскохозяйственных потребителей промышленного типа и массового появления высокочувствительных электроприемников в составе городских потребителей [13]. Как пример, можно привести современные животноводческие и птицеводческие предприятия, в частности содержащие крупные фермы и комплексы, на которых появились совершенно новые потребители электроэнергии, такие как установки для обеспечения микроклимата в помещениях с интенсивными технологиями производства. С целью дальнейшего развития и повышения эффективности сельского хозяйства электроэнергию стали применять для обеспечения систем теплоснабжения объектов производственного назначения. Кроме этого появились тепловые пункты, электроприемники которых следует считать ответственными, особенно в зимний период.

Статистика [15,16] показывает, что почти 12% подключенной нагрузки к системе АОСЧ состоит из нагрузки сельскохозяйственных потребителей.

На рис. 1.2 показана структура распределения мощности нагрузки, подключенной к очередями АЧР. Первый столбец- это список потребителей по фидерам 10 кВ с мощностью нагрузки энергорайона, принятой за 100 %. В среднем столбце содержится тот же список потребителей по фидерам 10 кВ, что и в первом столбце, но их расположение в списке изменено в результате сортировки по мере увеличения уровня ответственности. Выделенная красным цветом часть в среднем столбце характеризует потребителей с высоким уровнем ответственности и особые группы потребителей, которые не подключают к системе АОСЧ.

На третьем столбце изображен тот же список потребителей, что и на втором, но с детализациями, т.е. с раскрытием списка потребителей на напряжении 0,4 кВ, причем красным цветом показана часть потребителей, которые целесообразно не отключать по командам АЧР с сохранением в объеме 10-20% от исходной мощности фидера 10 кВ.

Следует указать, что суммарная мощность потребителей, подключенная к устройствам АЧР, по данным второго и третьего столбцов должна быть одинаковой, т.е. суммарная мощность АЧР не изменяется, а изменяется только распределение отключаемых потребителей по цепям 10 и 0,4 кВ. В диссертации перевод отключения нагрузки АЧР с 10 кВ на 0,4 кВ разрабатывается не как директивное указание, а как рекомендация по использованию этой возможности. При этом список неотключаемых потребителей должен определяться при проектировании с учетом предоставления брони потребителям, для которых возможно достижение с наибольшего ущерба при отключении. Рассмотрим типовую схему электроснабжения городских потребителей рис. 1.3 [80], где реализованы требования [14,15] и обеспечена возможность построения релейной защиты и автоматики, которая надежно отключает поврежденные элементы.

В подобной схеме (рис. 1.3) при отключении фидера 6-10 кВ по командам АЧР или по командам диспетчеров минимум четыре трансформаторных подстанции (ТП) остаются без питания. Не исключено, что в каждом ТП имеется минимум 10-15% наиболее ответственных и социально-значимых потребителей. По крайней мере, в каждой ТП-10 кВ имеется фидер с таким составом нагрузки. В этих случаях возможно перемещение исполняющего органа отключения к пункту распределения по ТП (точка 1), к пункту распределения 0,4 кВ (точка 2) или даже к вводному распределительному устройству (ВРУ), (точка 3). Такой подход обеспечивает более гибкое и селективное отключение нагрузки и возможность сохранения питания потребителей с переменным приоритетом, как это рассмотрено, например в [41]. При этом фидеры, находящиеся под управлением АЧР в результате их действия останутся включенным. Такой поход был предложен для САОН [71]. Предложение по этому вопросу для АЧР рассмотрено в [14,70].

Во время электрификации сельскохозяйственных потребителей линии электрических сетей 6-10 кВ были построены в основном по радиальной схеме с передачей электроэнергии от одного питающего центра. Известна низкая надежность таких ЛЭП, так как при повреждении в любой точке линии питание всех потребительских подстанций 6-10 кВ прекращается. Такие фидеры могут быть в списках, подключенных к устройству АЧР, при этом в удаленных местах оставить хотя бы часть нагрузки как аварийную бронь становиться невозможным. Кроме того, в сельских системах могут быть малые гидроэлектростанции (ГЭС), которые работают параллельно с мощными электрическими системами. При этом существует вероятность аварийного выделения таких сетей как на изолированную работу. Тема выделения локальных энергорайонов на изолированную работу была изучена на базе RTDS-модели под руководствам А .Ф. Дьякова [72].

Как отмечалось выше, современная электроэнергетическая система в целом и система сельского электроснабжения в частности обладают особенностями, которые оказывают серьезное влияние на устройства автоматики и их автоматизацию. Пути автоматизации сельских электрических сетей оказываются в значительной степени отличающими от тех, по которым идет автоматизации городских и промышленных сетей. Данная специфика тесно связана с тем, что из-за разбросанности и малой плотности нагрузки в сельскохозяйственных районах приходится строить относительно протяженные и разветвленные электрические сети. Обеспечить бесперебойность электроснабжения при небалансе мощности в таких районах достаточно трудно с точки зрения существующих принципов аварийной разгрузки и отсутствию аварийной брони для части потребителей. Небольшое количество более ответственных потребителей 0,4 кВ среди разбросанных по территории нагрузок при таких условиях может быть сохранено только благодаря предлагаемому способу селективному отключению менее ответственных потребителей на напряжении 10 и 0,4 кВ.

Известно, что обширная сельская территория насыщена электроэнергией меньше, чем город, и имеет меньше общественных инфраструктур. При этом, медицинские пункты, станции связи и другие социально важные объекты нежелательно отключать, особенно в горных условиях и в зимний период. Однако среди всех сельских потребителей выделять именно такие объекты и для них строить отдельную линию нецелесообразно с экономической точки зрения. Поэтому единственным решением при таких условиях можно считать перенос отключающих команд АЧР на более низкое напряжение- 0,4 кВ.

Все коммунально-бытовые и сельскохозяйственные потребители электроэнергии с точки зрения надежности их электроснабжения подразделяются на три группы. Потребители первой группы, которые не допускают перерыв электроснабжения в связи с возможным возникновением опасности для жизни людей и других серьезных причин. В составе городских потребителей их доля составляет около 15 %, [15].

После анализа характеристик удельного ущерба потребителям [15,16] можно определить фактическую структуру электрических нагрузок, подключенных к устройствам ПА-САОН и АЧР, среди которых могли быть более ответственные потребители, табл. 1.1.

Способ управления автоматической частотной разгрузкой в силовой распределительной сети электроснабжения

Как была обосновано в первой главе, сохранение электроснабжения более ответственных и социально значимых потребителей возможно даже при аварийном ограничении нагрузки, обусловленном работой АЧР и снижении потребления по командам диспетчеров. Это достигается путем реализации селективного отключения нагрузки непосредственно в узлах потребителей 0,4 кВ при вышесказанных ситуациях. В данной главе рассматривается способ реализации перевода отключения нагрузки на напряжение 0,4 кВ по командам устройств АЧР с уровня 10 кВ. Сравниваются результаты моделирования при работе АЧР по традиционному и новому способу реализации отключения нагрузки с удовлетворением действующих требований к системе АЧР.

В первой главе была поставлена задача разработки нового способа реализации команд АЧР на напряжении 0,4 кВ. Основная цель способа заключается в замене полного отключения на частичное ограничение нагрузки фидера 10 кВ с предоставлением возможности сохранения части наиболее важной на текущий момент нагрузки. Количественное значение доли брони ( ) неотключаемой нагрузки 0,4 кВ предполагается предусматривать в объеме 10-20% от исходной нагрузки фидера 10 кВ [40].

Для реализации передачи управляющих воздействий на напряжение 0,4 кВ предусматривается двухуровневая структура программно-технических средств, состоящая из уже существующих устройств, в которых лишь осуществляется модификация программного обеспечения. На высшем уровне 10 кВ функционируют существующие устройства АЧР, что обеспечивает контроль их уставок со стороны энергосистемы, а исполнительная подсистема находится на напряжение 0,4 кВ в зоне владения потребителей электроэнергии.

При снижении частоты до соответствующей уставки команда от устройства АЧР передается на микропроцессорный терминал релейной защиты и автоматики (МП РЗА). Специальный алгоритм, заложенный в МП РЗА, отключает выключатель и по истечении заданной длительности повторно его включает. В результате формируется кратковременное прерывание заданной длительности в сети 10/0,4 кВ. Реагируя на командный сигнал, заранее настроенные модифицированные счетчики электроэнергии, имеющие контакт управления, отключают потребителей.

Предлагаемые технические решения переноса реализации команд применительно к автоматической частотной разгрузке базируются на следующих положениях:

1. Устройства АЧР сохраняют свои цепи вторичной коммутации, места установки, заданные общесистемные уставки по частоте и времени при возможном совмещении функционирования АЧР-1, АЧР-2;

2. Выходная цепь устройства АЧР переключается со схемы управления выключателем 10 кВ на логический вход микропроцессорного терминала РЗА данного присоединения;

3. При действии устройства АЧР выключателем 10 кВ фидер отключается без выдержки времени, а затем включается (цикл «О-В») через заданное время, отстроенное от длительностей провалов в данном участке электрической сети;

4. Возникшее в сети 10/0,4 кВ прерывание напряжения соответствующей длительности используется в качестве команды «на отключение» в сети 0,4 кВ;

5. Развернутые в сети 10/0,4 кВ счетчики системы АСКУЭ реализуют быстродействующее отключение нагрузки 0,4 кВ через свои управляющие контакты, имеющиеся во многих модификациях современных счетчиков непосредственно или через автоматический выключатель управляемой нагрузки;

6. Выходная цепь устройства АЧР для реализации функции ЧАПВ подключается к шкафу АСКУЭ и через GSM-модемы команда передается на устройства сбора и передачи данных всех комплектных трансформаторных подстанций главных распределительных щитов (ГРЩ) данного фидера.

Данная расстановка устройств обеспечивает сохранение существующих решений по проектированию и эксплуатации устройства АЧР, а также возможность контроля и ответственности со стороны персонала энергосистемы за уставки.

Через сервер базы данных (БД) и сеть GSM модемов АСКУЭ время от времени может вводить и выводить из-под действия АЧР отдельные электроприемники на напряжении 0,4 кВ с учетом динамики изменения их приоритетности. Кроме суточных, недельных и прочих графиков изменения приоритетности, возможно, реализовать и непосредственные рыночные отношения с соответствующим изменением тарифа [41].

Канал распространения команды представлен на схеме рис. 2.1. В качестве примера изображен центр питания ПС-110/10 кВ, отходящий фидер с устройством МП РЗА, получающий команду от устройств АЧР, ТП-10/0,4 кВ и потребительский пункт, имеющий статическую (СН) и двигательную нагрузки (ДН). В этом случае выключатель фидера и МП РЗА, выделенные в рамке 1, являются «передатчиком», а потребительский пункт со счетчиком Wh, выделенный в рамке 2, является «приемником» команды.

Моделирование работы АЧР. Сравнение традиционного и нового способа отключения нагрузки

Как указывалось выше, программный комплекс PSCAD обладает высокой точностью при моделировании динамических процессов. Поскольку значение частоты зависит от скорости вращения генераторов, в модели должно быть учтено действие регуляторов частоты вращения и мощности генератора (АРЧВ и М). Поэтому при запуске модели необходимо убедиться в достижении генератором номинальных параметров. Поэтому в каждом из экспериментов возмущение задается после 20-й секунды моделирования при успешном запуске генераторов.

Для варианта с большим дефицитом мощности (вариант 5 в табл. 2.1) рассматривается следующий сценарий возникновения дефицита мощности одним скачком; двумя скачками; плавным нарастанием.

В программной модели возникновение дефицита одним скачком реализуется путем отключения выключателя BRKSystem со стороны энергосистемы на 20-й секунде моделирования.

Согласно табл. 2.1, опыт №1, в исходном режиме два агрегата G-1, G-2 вырабатывают 90% (126 МВт) мощности нагрузки, недостающая мощность в объеме 10% (14 МВт) передается от энергосистемы по воздушной линии, отключение которой приводит к возникновению дефицита мощности в рассматриваемом энергорайоне. Фрагмент модели в исходном режиме показан на рис. 2.13. Фрагменты модели устройств АЧР приведены в Приложении А, Рисунки А.1, А.2.

Для реализации дефицита двумя скачками задается следующий режим:

Генератор G-1 вырабатывает 50% (63 МВт) и G -2 45% (57 МВт) от исходной мощности нагрузки. Недостающая мощность в объеме 5% (7 МВт) получается от энергосистемы. На 20-й секунде моделирования отключается выключатель BRKSystem (рис. 2.13) и создается первый скачок дефицита 5 %, а затем на 50-й секунде моделирования мощность нагрузки резко увеличивается на 5 % (7 МВт), создавая второй скачок с дефицитом. Для остальных вариантов рассматривается возникновение дефицита одним скачком.

При плавном нарастании дефицита в первом опыте мощность от энергосистема не привлекается. С 20-й секунды моделирования начинается нарастание мощности нагрузки в объеме 10 % (14 МВт) и постепенно происходит снижение частоты.

На рис. 2.14 и рис. 1.15 проведены фрагменты модели реализации отключения нагрузки в процессе работы АЧР в обоих вариантах. Рассматриваемый энергорайон состоит из 4-х подстанций, на каждой из которых имеется статическая и двигательная нагрузка.

Как указывалось выше [41,14], в рассматриваемом способе имеется возможность бронировать 10-20% мощности ответственных приемников в каждом фидере и в каждой очереди в целом. Однако в одном эксперименте для запаса значение брони принято равным 25%. Чем больше мощность брони, тем успешнее АЧР может справиться при регулировании частоты после успешного предотвращения лавины частоты.

На рис.2.16 показаны осциллограммы изменения частоты в зависимости от времени при деф и мощности брони 25%. Результаты моделирования при одинаковых параметрах, но при разных способах реализации отключения нагрузки сопоставляются в сценарии возникновения дефицита одним скачком.

При скачкообразном возникновении дефицита (рис. 2.16) и действии традиционного способа выполнения АЧР видно, что сочетание небольшой постоянной времени TJ =6 с и учет времени отключения от АЧР АЧР=0,3 с (см. вариант 5, табл. А1, А2) приводят к излишним отключениям нагрузки, подъему частоты выше 50 Гц и последующему колебательному снижению мощности генераторов под действием автоматических регуляторов частоты вращения. Лавина частоты предотвращена, однако возникают излишние отключения, приводящие к дополнительному ущербу для потребителей электроэнергии. Тенденция изменения параметров первичного оборудования энергосистемы характеризуется снижением инерционности современных нагрузок, работающих с частотными преобразователями мощности, так что рассмотрение и учет возможности этого перерегулирования актуальны [66,74,75,76]. Это свойство будет усиливаться в перспективе по мере уменьшении влияния инерционности вращающихся частей энергосистемы, связанных с внедрением ВИЭ и частотно-регулируемых преобразователей некоторых типов нагрузки.

Однако действие АЧР в новом способе (рис. 2.16) на напряжении 0,4 кВ не демонстрирует излишних отключений за счет несколько большего объема нагрузки, первоначально подключенной к каждой очереди АЧР. Объем отключений при том же дефиците первоначально несколько больше (рис. 2.15 и вариант 5 в Приложение А, табл. А1, А2). Однако по мере завершения длительности времени искусственно созданной команды в форме прерывания напряжения происходит обратное подключение наиболее ответственной части нагрузки. Влиянием повторного включения 25% нагрузки в каждой очереди подъем частоты предотвращается. Далее после срабатывания несовмещенных очередей АЧР-2 итоговый экспоненциальный подъем частоты войдет в диспетчерскую зону. При этом замечаний в работе АЧР при работе с новым способом не возникает.

С учетом отмеченной выше тенденции изменения постоянной инерции TJ предлагаемый способ отключения обладает преимуществом.

Если дефицит возникает каскадно, двумя скачками по 25 %, то оба способа отключений справляются с задачами АЧР с практически одинаковой эффективностью, рис. 2.17.

На рис. 2.18 приведены осциллограммы изменения частоты при относительно медленном нарастанием дефицита до 50% за 4 минуты. Традиционный способ и новый способ в целом демонстрируют скачкообразный характер осциллограммы. Причем оба способа успешно предотвращают лавину частоты, однако могут допускать превышение длительности нахождения частоты вне диспетчерской зоны. Для предотвращения этого недостатка следует в обоснованных случаях применять устройства АЧР с переменными во времени уставками по частоте, предложенными в [1].

Как указывалось выше, запаздывание в канале АЧР обусловлено собственной задержкой срабатывания АЧР и временем работы силового выключателя. Выбранное значение задержки Р с в модели относительно реальных данных может сказаться мало. Собственное время отключения некоторых силовых выключателей достигает 0,3 с [67]. Исходя из этого, можно сделать вывод, что в практике с учетом задержек, вводимых в устройствах АЧР, данная задержка увеличивается до 0,6 с. В этом случае даже при с с дефицитом больше 40% может возникнуть перерегулирование частоты.

При использовании предлагаемого способа явление перерегулирования предотвращается даже при 20 %. При дефиците деф срабатывают 18 очередей, отключая мощность нагрузки в объеме 49,5% (124,74 МВт). Однако при истечении 2,0 секунды происходит поочерёдное подключение ответственной часть нагрузки в объеме 9,9% (24,948 МВт), способствуя предотвращению перерегулирования частоты после работы АЧР. Более наглядно это отображено на рис. 2.19.

Как видно из рис.2.16-2.19 при работе АЧР с новым способом реализации команд на отключение нагрузки при дефиците 50% замечаний не вызывает. Соответственно, можно отметить, что при дефицитах 40%, 30% и 20% заметного отличия в работе обоих способов не замечается.

Кроме требования предотвращения лавины частоты подъем ее в диспетчерскую зону также возлагается на АЧР. Данное требование успешно выполняется при работе АЧР в традиционном и предлагаемом способе. Рис. 2.20, 2.21.

Рекомендация по применению силовых выключателей 6-10 кВ фидера и коммутационных аппаратов 0,4 кВ при использовании предлагаемого способа

В третьей главе была разработана методика расчета уставок по времени соответственно для передатчика и приемника. Согласно методике при расчете должны учитывать следующие временные параметры силового выключателя: собственное время отключения силового выключателя 10 кВ и его разброс ; собственное время включения силового выключателя 10 кВ и его разброс и разбросы времени при отключении и включении силового выключателя.

Разработанный способ предназначен для повышения надежности электроснабжения более ответственных потребителей и соответственно работоспособен с применением современного оборудования. Выпускаемые в последнее время силовые выключатели отличаются от некоторых уже установленных в электрических сетях выключателей компактностью и быстродействием. На практике установка новых выключателей в действующих сетях производится с целью замены выключателей, отработавших свой нормативный срок и физически устаревших.

В основном, время отключения силовых выключателей 10 кВ не превышает 0,3 с [67]. На самом деле, большое собственное время не влияет на функционирование разработанного способа, однако при его увеличении растет также разброс времени включении и отключении силового выключателя и это приводит к заметному искажению длительности формируемой команды. Другой недостаток выключателей с большим временем отключения заключается в том, что задержка на отключения способствует перерегулированию в работе АЧР (см. параграфы 2.4.1 и 2.5). Исходя из этого, рекомендуется применение разработанного способа с выключателями с собственным временем отключения не более 0,1 с, такие как вакуумные, элегазовые и т.д. В табл. 4.1 приведены параметры некоторых силовых выключателей [67,77].

При развитии технологий высоковольтных выключателей также параллельно развивалась разработка компактных и управляемых коммутационных аппаратов на напряжение 0,4 кВ. В последние время коммутационные аппараты низкого напряжения частично выпускаются управляемыми. Известными производителями (АВВ, Legrand, Schneider-electric, IEK и др.) выпускаются управляемые автоматические выключатели, которые можно использовать для управления контактами счетчика.

Определение экономических потерь (ущерба) при нарушении электроснабжения потребителей базируется на принципах технико экономических расчетов. Как известно [15] снижение частоты даже вне пределов запуска очередей устройств АЧР приносит большой ущерб в зависимости от глубины снижения частоты и ее длительности. Очевидно, что при снижении частоты, благодаря проявлению регулирующего эффекта мощность нагрузки снижается что помогает, по крайней мере, сбалансировать потребляемую нагрузки с генерируемой мощности. Однако чем больше глубина и длительность снижения частоты, тем больше размер ущерба потребителей.

Разработанным способом не предусматривается уменьшение отключаемой мощности, более расчетной, чтобы уменьшить величину ущерба, так как это одно из основных требований к АЧР [1,3,6,7]. Однако, возможно, уменьшение ущерба за счет детального учета характеристики удельных ущербов отключаемых потребителей [15].

Коммунально-бытовые потребители электроэнергии с точки зрения надежности также могут быть подразделены на три группы [12,15]:

1. Потребители, потеря электроснабжения которых не допускается в связи с возможным возникновением опасности для жизни людей и серьезным расстройством хозяйственной деятельности и т.п. Удельный вес таких потребителей составляет порядка 15 % общего расхода электроэнергии на коммунально-бытовые нужды городского хозяйства.

2. Потребители, нарушение электроснабжения которых приведет к определённому экономическому ущербу и их доля в составе коммунально бытовых потребителей составляет 55 %. К такими потребителями относятся предприятия общественного питания, холодильные установки на предприятиях торговли и бытовые холодильники, водопровод и канализация, городской электрифицированный транспорт, зрелищные предприятия (кино, театры, концертные залы, стадионы и т.п.

3. Потребители, перерыв электроснабжения которых не вызывает заметного экономического ущерба, но приводит к появлением ряда неудобств. Доля потребления электроэнергии этими потребителями на перспективу может составить до 30 % общего расхода электроэнергии на коммунально-бытовые нужды городского хозяйства. К такими потребителями относятся: электропищеприготовление, освещение улиц и общественных зданий, бытовые приборы, кондиционирование воздуха, электроподогрев воды для санитарно бытовых нужд и т.п.

Для того чтобы уменьшить ущерб при работе АЧР необходимо, чтобы при формировании графиков АЧР тщательно учесть характеристики удельных ущербов вышеперечисленных групп потребителей. Наибольший удельный ущерб от перерыва электроснабжения в жилищно-коммунальном хозяйстве встречается у потребителей систем водоснабжения и канализации, который составляет 88,854 руб/(кВтч) (в ценах 2000 г.)[15].