Введение к работе
Актуальность работы. Статистика показывает, что за последние 25-30 лет крупные аварии в отечественных и зарубежных системах электроснабжения случаются в среднем 1-2 раза в год. Развитие системной аварии сопровождается, как правило, делением крупной системы на районы, которые могут оказаться как дефицитными, так и избыточными по генерируемой мощности. Для восстановления баланса мощности в районе аварийного выделения требуется автоматическое отключение части мощности нагрузки или части генерируемой мощности.
Анализ ряда крупных аварий в зарубежных и отечественных системах (США и Канада, ноябрь 1965 и август 2003; Швеция, декабрь 1983; Свирские ГЭС, декабрь 2008; Калининград, август 2011) показал, что при выделении района на изолированную работу с избытком генерирующей мощности существующая система противоаварийной автоматики неэффективно исполняет свои функции, отключая большую, чем требуется для восстановления баланса, генерируемую мощность. В результате происходит глубокое снижение частоты в выделившемся районе системы электроснабжения и его полное «погашение» с прекращением электроснабжения всех потребителей.
Большой экономический, политический и социальный ущерб от системных аварий обусловил необходимость разработки дополнительных мероприятий, как по предотвращению развития таких аварий, так и предотвращению «погашения» районов, аварийно выделившихся с избытком генерируемой мощности.
Если вопросам построения систем противоаварийной автоматики при аварийном дефиците мощности посвящен стандарт по автоматическому ограничению снижения частоты, то единого нормативного документа, подробно регламентирующего принципы построения автоматики ограничения повышения частоты в настоящее время нет. Разработка и внедрение новых алгоритмов построения этой автоматики предотвратит в аварийной ситуации излишнее отключение генерирующих мощностей и не нарушит электроснабжения потребителей района аварийного выделения.
Для предотвращения излишнего отключения генераторов необходим контроль в режиме реального времени мощности генерации и потребления в районах потенциального выделения с оценкой величины отключаемой генерации, необходимой для восстановления баланса мощности в районе выделении. Следовательно, в районах потенциального выделения мощных систем электроснабжения необходимо в темпе реального времени изменять направления действия противоаварийных автоматик. Автоматизация этого процесса обеспечит повышение надежности электроснабжения потребителей районов потенциального выделения.
Таким образом, задачи исследования аварийных процессов в системах электроснабжения при выделении районов с избыточной генерацией, а также разработка и внедрение новых решений, алгоритмов и схем в электротехнические комплексы противоаварийной автоматики с целью повышения эффективности ее функционирования представляются актуальными.
В основу исследований легли работы Баркана Я.Д., Гуревича Ю.Е., Жданова П.С., Кощеева Л.А., Павлова Г.М., Рабиновича Р.С., Совалова С.А., Шульгинова Н.Г. и др.
Цель работы: повышение эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем противоаварийной автоматики, обеспечивающих предотвращение нарушения электроснабжения потребителей района системы электроснабжения при его аварийном выделении с избыточной генерацией.
Основные задачи исследования:
- анализ особенностей протекания переходных процессов в системах электроснабжения при аварийном выделении района с избыточной генерацией;
- разработка алгоритма работы противоаварийной автоматики электростанции при ее аварийном выделении с избытком генерации на район изолированной нагрузки;
- составление математической модели восстановления баланса мощности для районов потенциального выделения с избыточной генерацией, учитывающей различные типы электростанций и их возможности регулирования мощности;
- разработка алгоритма и принципов построения системы автоматики ограничения повышения частоты для районов потенциального выделения с различными типами электростанций, позволяющих в режиме реального времени осуществлять выбор рационального количества отключаемой генерируемой мощности.
Идея работы. Предотвращение развития аварии и нарушения электроснабжения потребителей при аварийном выделении в мощной системе электроснабжения района с избыточной генерацией на основе применения новых решений, алгоритмов и схем противоаварийной автоматики.
Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории автоматического противоаварийного управления в системах электроснабжения и математического моделирования переходных процессов, связанных с изменением частоты в районах системы электроснабжения при их аварийном выделении с избыточной генерацией, статистические данные по авариям в системах электроснабжения, а также экспериментальные методы оценки мощности нагрузки районов потенциального выделения.
Научная новизна работы:
- разработан алгоритм построения противоаварийной автоматики электростанции, позволяющий при ее аварийном выделении с избытком генерации на район изолированной нагрузки выбрать рациональное количество отключаемых генераторов для восстановления баланса мощности в районе с учетом статических характеристик нагрузки района по напряжению и частоте;
- разработана математическая модель восстановления баланса мощности в районе потенциального выделения с избыточной генерацией, учитывающая различные типы электростанций района выделения и их возможности по регулированию мощности;
- впервые разработан алгоритм построения автоматизированной системы контроля эффективности действия автоматики ограничения повышения частоты, позволяющий в режиме реального времени производить достоверный анализ баланса мощности в районах потенциального выделения и обеспечивать выбор рационального направления действия локальных автоматик в различных схемно-режимных условиях работы системы электроснабжения.
Защищаемые научные положения:
1. Предотвращение развития аварии при выделении электростанции на изолированный район нагрузки следует производить с использованием разработанного на основе методов комбинаторики программно-аппаратного комплекса автоматики ограничения повышения частоты, позволяющего без избыточного отключения генераторов восстановить баланс мощности в районе выделения станции с учетом зависимости мощности нагрузки района выделения от напряжения и частоты.
2. Повышение эффективности функционирования автоматики ограничения повышения частоты для крупных районов потенциального выделения с различными типами электростанций достигается:
непрерывным мониторингом баланса генерации и потребления в этих районах;
расчетом по разработанной математической модели отключаемой генерируемой мощности района;
автоматическим выбором направления действия локальных автоматик.
Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждена имеющимися статистическими данными, результатами расчетов, выполненных по различным программным комплексам (MUSTANG, EUROSTAG, RUSTAB), сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных данных и практической реализацией результатов исследований.
Практическая ценность работы:
1. Применение разработанного алгоритма автоматики ограничения повышения частоты для электростанций позволит при их аварийном выделении с избыточной генерацией на изолированную нагрузку восстановить баланс мощности, не допуская «погашения» станции и нагрузки.
2. Использование разработанной системы контроля эффективности автоматики ограничения повышения частоты позволит при аварийном выделении крупного района с различными типами электростанций и избыточной генерацией восстановить баланс мощности в районе выделения без нарушения электроснабжения потребителей района.
Реализация результатов работы.
Методика контроля эффективности действия автоматики ограничения повышения частоты может использоваться в мощных системах электроснабжения для восстановления баланса мощности при аварийном выделении района с различными типами электростанций и избытком генерируемой мощности.
Разработанный алгоритм комплекса автоматики ограничения повышения частоты электростанции будет применен при модернизации системы противоаварийной автоматики Волховской гидроэлектростанции ТГК-1.
Результаты диссертационных исследований будут использоваться в научно-производственной фирме «Энергосоюз» при разработке и внедрении электротехнического оборудования для автоматизации объектов электротехнических комплексов.
Личный вклад автора. Определение и постановка задачи. Исследование переходных процессов в системах электроснабжения, связанных с изменением частоты при аварийном выделении в системе электроснабжения района с избыточной генерацией. Разработка алгоритма автоматики ограничения повышения частоты электростанции. Разработка математической модели восстановления баланса мощности в районах потенциального выделения с избыточной генерацией. Разработка алгоритма функционирования автоматизированной системы контроля эффективности автоматики ограничения повышения частоты для мощных систем электроснабжения. Руководство внеочередными замерами нагрузки с последующим их анализом и разработкой рекомендаций для использования в системе контроля эффективности противоаварийной автоматики.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: Международной научно-практической конференции «XXXVIII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, Томский политехнический университет, 2010); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Самара, Самарский государственный технический университет, 2011); Международной научно-практической конференции «XLI Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012); III международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 108 наименований. Работа изложена на 155 страницах и включает в себя 62 рисунка и 10 таблиц.
