Введение к работе
Актуальность проблемы. Система электроснабжения современного крупного предприятия представляет собой сложный комплекс электроэнергетических устройств, включающий местные электростанции, питающие и распределительные сети напряжением 110-220 кВ, десятки понизительных подстанций. В отличие от сетей районных энергосистем, на ограниченных территориях промышленных предприятий сосредоточены потребители большой мощности. Сети 110-220 кВ, работающие по сложнозамкнутым схемам, имеют сравнительно небольшую длину линий, а распределение передаваемых мощностей в них может меняться в широких пределах в нормальных и ремонтных режимах с целью снижения потерь электроэнергии, регулирования напряжения, ограничения токов короткого замыкания.
Для предотвращения аварийных режимов в таких сетях широкое применение находят защиты с абсолютной и относительной селективностью: дифференциально-фазные, дистанционные ступенчатые, токовые направленные и ненаправленные ступенчатые от междуфазных и однофазных коротких замыканий. В последнее время проводятся работы по модернизации устройств релейной защиты и автоматики (РЗиА), замене электромеханических и аналоговых устройств на микропроцессорные терминалы. Высокое быстродействие и большое количество ступеней дают возможность осуществить более точную настройку параметров срабатывания, обеспечить селективность и повысить степень резервирования, улучшить чувствительность РЗиА при изменении схем распределительных сетей и режима системы электроснабжения.
Надежность работы защитных и автоматических устройств в значительной мере определяет надежность работы всей системы электроснабжения. Селективное отключение коротких замыканий органами защиты способствует локализации развития аварий, что позволяет снизить материальный ущерб от перерывов электроснабжения. Статическая и динамическая устойчивость генераторов и крупных синхронных и асинхронных двигателей определяется в первую очередь быстродействием устройств релейной защиты и автоматики, а также правильным выбором уставок срабатывания, согласованием действия различных систем автоматики в процессе развития и ликвидации аварии.
Актуальной задачей в области управления и защиты электроустановок является разработка математических моделей устройств релейной защиты и автоматики, согласование разработанных моделей с принципами расчета установившихся и переходных режимов систем электроснабжения, оценка селективности, быстродействия и чувствительности работы релейной защиты и автоматики при различных аварийных режимах.
Следует отметить, что районные диспетчерские управления определяют уставки срабатывания релейной защиты, исходя из обеспечения устойчивой работы районной энергосистемы, при этом допускается отключение части нагрузки. В связи с этим необходимо корректировать в условиях промышленного предприятия выданные уставки с целью обеспечения надежности электроснабжения потребителей.
Степень научной разработанности проблемы
Вопросы анализа электромагнитных переходных процессов рассмотрены в работах А.А. Горева, Н.Н. Щедрина, С.А. Ульянова, Д.А. Городского, Р. Рюденберга, К. Парка, К. Вагнера, Р. Эванса и др. Основные методы моделирования элементов энергосистем и систем электроснабжения изложены в работах Р.А. Лютера, Ю.Е. Гуревича, Ф.Г. Гусейнова, С.И. Гамазина, С.А. Цырука и ряде других. Проблеме динамической устойчивости при коротких замыканиях посвящены труды В.А. Веникова, П.С. Жданова, Э. Кимбарка, И.М. Марковича, В.А. Баринова, а также других отечественных и зарубежных ученых. Как показывает анализ литературных источников, практически не рассматриваются вопросы расчета и анализа электромеханических и электромагнитных переходных процессов с одновременным контролем параметров срабатывания устройств релейной защиты с целью оценки эффективности их действия в сложных системах электроснабжения промышленных предприятий с собственными электростанциями, а также вопросы математического моделирования защит в расчетах переходных аварийных режимов.
Целью работы является повышение надежности систем электроснабжения промышленных предприятий, имеющих собственные электростанции, за счет прогнозирования развития аварийных режимов и повышения эффективности действия релейной защиты.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработать математические модели устройств релейной защиты, предназначенные для контроля параметров режима и изменения оперативного состояния схемы в процессе расчета.
-
Создать алгоритм расчета переходных режимов при различных видах коротких замыканий и их последующем отключении в результате действия релейной защиты, дающий возможность рассчитывать мгновенные значения параметров электромагнитного переходного процесса, режимы асинхронного хода генераторов и позволяющий оценивать селективность, быстродействие и чувствительность релейной защиты в системах электроснабжения со сложнозамкнутыми сетями и несколькими собственными электростанциями.
-
Осуществить программную реализацию разработанных алгоритмов.
-
Провести анализ селективности релейных защит с относительной селективностью для коротких замыканий на шинах узловых подстанций и собственных электростанций Магнитогорского энергетического узла (МЭУ) в случае вывода или отказа быстродействующих защит, оценку быстродействия и чувствительности всех видов защит.
-
Разработать предложения по повышению эффективности действия релейной защиты сетей 110-220 кВ ОАО «ММК».
Методы исследования. Поставленные задачи решались на основе теоретических исследований и вычислительного эксперимента, теории динамической устойчивости энергосистем, теории электрических машин и тепловых двигателей, метода последовательных интервалов, модифицированного метода последовательного эквивалентирования. Исследования проводились с помощью оригинального программного обеспечения.
Достоверность и обоснованность научных результатов выводов и рекомендаций подтверждается:
-
Соответствием результатов вычислительного эксперимента осциллограммам аварийных отключений.
-
Корректным использованием методов последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов, а также апробированных математических пакетов обработки экспериментальных данных.
-
Использованием реальных технических характеристик оборудования.
Научная новизна.
-
Разработан усовершенствованный алгоритм расчета переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях и их отключениях с учетом действия релейной защиты в системе электроснабжения с собственными электростанциями, позволяющий службам РЗиА и оперативно-диспетчерскому персоналу прогнозировать развитие аварийных режимов и оценивать эффективность работы релейной защиты. Алгоритм предусматривает расчет мгновенных значений параметров переходного процесса для определения условий срабатывания защит, работающих на принципе косвенного сравнения параметров режима, и расчет режима асинхронного хода генераторов местных электростанций при несимметричных коротких замыканиях, позволяющий выявить условия ложного срабатывания защит, реагирующих на качания. Алгоритм дает возможность осуществлять контроль условий срабатывания различных видов релейных защит и изменять оперативное состояние схемы непосредственно в ходе расчета.
-
Разработана методика комплексной оценки эффективности релейной защиты, включающая оценку селективности, чувствительности, а также быстродействия защит по критерию сохранения устойчивости генераторов местных электростанций и высоковольтных двигателей, позволяющая выбирать параметры срабатывания релейной защиты в сложнозамкнутых сетях промышленных предприятий с несколькими собственными источниками электроэнергии и узлами примыкания к энергосистеме.
-
Созданы математические модели устройств релейной защиты сетей 110-220 кВ на различной элементной базе, предназначенные для совместного использования с разработанным алгоритмом расчета переходных режимов и позволяющие на основе первичных значений параметров аварийных режимов формировать вторичные значения требуемых параметров срабатывания в зависимости от схемы включения измерительных трансформаторов, схемы включения и принципа действия измерительных органов, логики действия защит.
Практическая значимость результатов работы.
-
Созданный программный комплекс дает возможность осуществить анализ селективности действия защит, оценить быстродействие устройств РЗ по критерию сохранения динамической устойчивости, провести их проверку по чувствительности при любых видах коротких замыканий.
-
Разработанные применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» предложения по повышению эффективности релейной защиты позволяют снизить ущерб от недовыработки электроэнергии собственными электростанциями предприятия в результате избыточной работы релейной защиты, а также уменьшить недовыпуск продукции за счет повышения надежности электроснабжения потребителей.
-
Разработанный программный комплекс позволяет осуществлять прогнозирование последствий аварийных режимов и выполнять оперативную коррекцию уставок релейной защиты и может быть использован в составе автоматизированного рабочего места инженера по расчету и анализу режимов в условиях системы электроснабжения любого промышленного предприятия с собственными источниками электроэнергии.
Реализация результатов работы.
-
Разработано программное обеспечение расчета переходных аварийных режимов в системах электроснабжения с местными электростанциями с учетом действия устройств релейной защиты. Программное обеспечение прошло государственную регистрацию в Федеральной службе по патентам и товарным знакам «Роспатент» (Свидетельство РФ №2010617441 от 11.11.2010 г.).
-
Создана база данных по устройствам релейной защиты сетей напряжением 110-220 кВ ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат», предназначенная для использования совместно с разработанным программным комплексом.
-
Программа для ЭВМ опробована в группе режимов центральной электротехнической лаборатории (ЦЭТЛ) и оперативно-производственном участке цеха электрических сетей и подстанций ОАО «ММК», получила положительное заключение и внедрена в практику эксплуатации.
-
Разработаны и внедрены мероприятия по реализации результатов работы, позволяющие снизить ущерб от простоев технологического оборудования основных цехов в результате избыточной работы релейной защиты, снизить вероятность отделения собственных электростанций ОАО «ММК» от энергосистемы с полной их остановкой и уменьшить недоотпуск электроэнергии в сети ОАО «ММК». Фактический экономический эффект от внедрения программного комплекса составляет 2120,5 тыс. руб. в год.
-
Теоретические и практические результаты работы использованы в учебном процессе при преподавании дисциплин «Релейная защита и автоматизация систем электроснабжения» и «Переходные процессы в электроэнергетических системах», при курсовом и дипломном проектировании для студентов специальности 140211 «Электроснабжение» и направления 140200 «Электроэнергетика».
Основные положения, выносимые на защиту
-
Математические модели устройств релейной защиты с абсолютной и относительной селективностью в сетях напряжением 110-220 кВ на различной элементной базе.
-
Алгоритм расчета и анализа переходных режимов при симметричных и несимметричных коротких замыканиях с учетом изменения оперативного состояния схемы в результате работы релейной защиты, включающий расчет мгновенных значений параметров переходного процесса и расчет асинхронного хода генераторов местных электростанций.
-
Методика оценки эффективности релейной защиты в системе электроснабжения промышленного предприятия с собственными электростанциями на основе критериев селективности, чувствительности и быстродействия с учетом сохранения устойчивости генераторов.
-
Результаты анализа работы релейной защиты в аварийных режимах, проведенных на основе разработанных алгоритма и методики в условиях системы электроснабжения ОАО «ММК».
Апробация работы
Основные положения диссертации обсуждались на Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.), VIII и X Международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. С.-Петербург, 2009 г., 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.), 67-й научно-технической конференции МГТУ и ММК (г. Магнитогорск, 2009 г.), 68-й и 69-й межрегиональных конференциях «Современные проблемы науки и образования» (г. Магнитогорск, 2010, 2011 гг.).
Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электроснабжения промышленных предприятий института энергетики и автоматики ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (май 2011 г.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 печатных работ, в том числе 3 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 95 наименований и двух приложений. Объем работы включает 159 страниц основного текста, в том числе 40 рисунков и 9 таблиц.
