Введение к работе
Актуальность проблемы. Эксплуатация и управление режимами систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий неразрывно связаны с расчетом и анализом аварийных режимов их работы. Как правило, специалисты диспетчерских управлений и электротехнических лабораторий промышленного предприятия ограничиваются рассмотрением режимов симметричных и несимметричных коротких замыканий (КЗ) в качестве аварийных режимов, на основе которых осуществляются проверка оборудования и определение параметров срабатывания устройств релейной защиты (РЗ), а также неполнофазных режимов. Однако нередко причинами коротких замыканий являются обрывы проводов линий электропередачи (ВЛ), что приводит к сочетанию продольной и поперечной несимметрии в одной точке сети, т.е. к возникновению сложнонесимметричного режима. Также подобный аварийный режим может возникнуть при неполнофазном отключении КЗ.
Так как уставки РЗ рассчитываются по условиям режима КЗ, то она зачастую оказывается нечувствительной к режимам сложной несимметрии. Отсутствие срабатывания устройств РЗ приводит к длительному существованию сложнонесимметричного режима и, как следствие, к значительному ущербу, связанному с дополнительными потерями мощности и снижением эксплуатационного ресурса электрооборудования. Поскольку возникновение аварийных режимов связано со снижением уровня напряжений в сети, нарушается устойчивая работа генераторов собственных электростанций, что приводит к недоотпуску ими электроэнергии, более дешевой по сравнению с покупаемой у энергоснабжающей организации. Длительное существование аварийного режима и нарушение динамической устойчивости генераторов местных электростанций приводит к снижению режимной надежности СЭС, которая определяется ее способностью «...при определенных условиях противостоять внезапным возмущениям»1.
Расчет и анализ аварийных режимов невозможны без использования специализированного программного обеспечения (ПО). СЭС крупного промышленного предприятия является специфическим объектом, отличающимся наличием собственных электростанций, концентрацией большой нагрузки на сравнительно небольших площадях, наличием сложнозамкнутых и разомкнутых участков с преобладанием последних, нескольких ступеней трансформации и узлов связи с энергосистемой на различных уровнях напряжения. К особенностям такого объекта также можно отнести большое число элементов в расчетной схеме и разнородный состав узлов нагрузки. Все эти особенности
Стандарт организации ОАО РАО «ЕЭС России». Электроэнергетика. Термины и определения : СТО 17330282.27.010.001-2008. [Текст] : Принят и введен в действие приказом ОАО РАО «ЕЭС России» от 17.06.2008 №289. — М: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008. — 902 с.
значительно усложняют задачу моделирования нормальных и аварийных режимов работы систем промышленного электроснабжения.
Использование ПО, ориентированного на моделирование режимов работы СЭС промышленного предприятия, позволит выполнить расчеты сверхпереходных режимов и электромеханических переходных процессов (1111) в любых несимметричных режимах и осуществить их подробный анализ. Кроме того, расчеты токов сложнонесимметричного режима необходимы для корректировки уставок РЗ с целью обеспечения ее чувствительности к режимам аварийной сложной несимметрии, что позволит своевременно локализовать аварию, предотвратив нарушение нормальной работы системы электроснабжения и перерывы питания потребителей.
Степень научной разработанности проблемы.
Вопросами моделирования сверхпереходных режимов аварийной несимметрии СЭС, а также работы ее элементов в данных режимах занимались C.L. Fortesque, Н.Н. Щедрин, СБ. Лосев и А.Б. Чернин, Г.Т. Адонц, В.Г. Гольдштейн, СИ. Гамазин и С.А. Цырук, В.П. Закарюкин и А.В. Крюков, И.П. Крючков. Работы П.С Жданова, А.А. Горева, В.А. Веникова, Н.Д. Анисимовой, СА. Ульянова, Э. Кимбарка, И.М. Марковича, Л.А. Жукова и ряда других ученых посвящены исследованию электромеханических 1111 в режимах аварийной несимметрии. При моделировании 1111 в несимметричных режимах особое внимание уделяется моделированию работы генераторов и систем их автоматического регулирования в условиях аварийной несимметрии, рассмотренному в работах Е.Я. Казовского, Р.А. Лютера, Г.Н. Тер-Газаряна, Л.Г. Дубинина, М.Е. Гольдштейна, К.П. Ковача и И. Раца.
Обзор литературных источников показал, что большинство из них посвящены исследованию режимов работы энергосистем без учета особенностей СЭС, мало освещены вопросы моделирования несимметричных аварийных режимов при произвольном сочетании поврежденных фаз. Отсутствуют математические модели узлов комплексной нагрузки, применимые для моделирования работы СЭС предприятия любой отрасли промышленности в режиме аварийной несимметрии. Весьма малое число работ посвящено исследованию работы турбогенераторов в несимметричных режимах.
Целью работы является повышение режимной надежности систем промышленного электроснабжения за счет увеличения чувствительности и быстродействия устройств релейной защиты в режимах сложной аварийной несимметрии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Разработать алгоритм расчета сверхпереходных несимметричных аварийных режимов при продольной, поперечной и сложной несимметрии.
Разработать алгоритм расчета 1111, а также математические модели син-
хронных генераторов в режимах аварийной несимметрии любого вида.
Разработать методику получения характеристик узлов комплексной нагрузки (КН) в режимах аварийной несимметрии.
Осуществить программную реализацию разработанных моделей и алгоритмов.
Провести анализ сверхпереходных режимов и 1111 в условиях аварийной несимметрии в сетях 110-220 кВ Магнитогорского энергоузла. Оценить чувствительность РЗ в режимах сложной несимметрии, проанализировать сверхпереходные режимы и выполнить оценку динамической устойчивости генераторов собственных электростанций по результатам расчета 1111 в случае отсутствия срабатывания защиты.
Разработать рекомендации по повышению чувствительности РЗ сетей 110-220 кВ системы электроснабжения ОАО «ММК» в сложнонесимметричных аварийных режимах.
Методы исследования. Решение поставленных задач основано на вычислительном эксперименте и теоретических исследованиях, теории аварийных режимов электроэнергетических систем и динамической устойчивости, теории электрических машин, методах симметричных составляющих, последовательного эквивалентирования, последовательных интервалов. Вычислительные эксперименты выполнялись с использованием оригинального программного обеспечения.
Достоверность и обоснованность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается:
Корректным использованием методов симметричных составляющих, последовательного эквивалентирования и последовательных интервалов.
Формированием расчетной схемы на основе схемы питающих и распределительных сетей Магнитогорского энергоузла и технической информации о реальном электрооборудовании.
Использованием апробированных программных пакетов статистической обработки данных.
Научная новизна.
Разработан алгоритм расчета сверхпереходных аварийных режимов однократной продольной и поперечной несимметрии, а также сложнонесиммет-ричного режима работы системы промышленного электроснабжения. Алгоритм позволяет осуществить расчет параметров аварийного режима в фазных и симметричных координатах с получением результатов расчета для всех узлов и ветвей расчетной схемы. Разработанный алгоритм отличается возможностью моделирования аварийного режима при любом сочетании поврежденных фаз, причем расчет режима сложной несимметрии возможен при несовпадении фаз с обрывом и КЗ.
Разработан алгоритм расчета переходных электромеханических процессов
системы промышленного электроснабжения с собственными электростанциями в режимах аварийной несимметрии любого вида. Разработанный алгоритм основан на созданной математической модели синхронного генератора в режимах аварийной несимметрии, учитывающей возникновение знакопеременных и дополнительных моментов на валу генератора и их влияние на ход переходного процесса. Разработанный алгоритм позволяет выполнить оценку динамической устойчивости СЭС в режимах аварийной несимметрии.
3. Разработаны математические модели основных электроприемников СЭС промышленного предприятия: регулируемых и нерегулируемых электроприводов переменного и постоянного тока, а также дуговых сталеплавильных печей, описывающие их поведение в условиях нарушения симметрии питающего напряжения. На основе анализа поведения электроприемников разного вида в несимметричных режимах разработана методика получения характеристик узлов КН в режиме аварийной несимметрии с учетом удельного веса электроприемников различного вида. Полученная методика позволяет моделировать узлы нагрузки СЭС промышленного предприятия любой отрасли промышленности.
Практическая значимость результатов работы.
Созданное оригинальное ПО позволяет выполнить анализ сверхпереходных режимов аварийной несимметрии и переходных процессов с целью оценки условий работы электрооборудования и определения параметров срабатывания устройств РЗ, оценить динамическую устойчивость генераторов собственных электростанций в аварийном несимметричном режиме.
Разработанный программный комплекс может быть использован в работе служб расчета и анализа режимов СЭС промышленных предприятий с собственными электростанциями в составе программного обеспечения рабочего места инженера по расчету режимов.
Применительно к условиям системы электроснабжения ОАО «ММК» разработаны мероприятия по повышению чувствительности устройств РЗ к режимам аварийной сложной несимметрии с целью снижения ущерба от возникновения дополнительных потерь мощности в сети и сокращения срока службы электрооборудования.
Реализация результатов работы.
Создано ПО, предназначенное для расчета и анализа сверхпереходных параметров и переходных процессов в режимах аварийной несимметрии любого вида. На программное обеспечение получены два свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617441 от 11.11.2010 г. и №2012612069 от 7.11.2011г. в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам «Роспатент».
ПО прошло апробацию в группе режимов центральной электротехнической лаборатории ОАО «ММК» с получением положительного заключения и
последующим внедрением в эксплуатацию (договор на НИОКР № 180735 от 03.03.2010 между ГОУ ВПО «МГТУ» и ОАО «ММК»).
Разработаны мероприятия по повышению чувствительности и быстродействия РЗ линий 110-220 кВ системы электроснабжения ОАО «ММК» в условиях режима аварийной сложной несимметрии. Ожидаемый экономический эффект от внедрения предложенных мероприятий составляет 1,58 млн. руб.
Теоретические и практические результаты работы использованы при проведении лекционных и практических занятий по дисциплинам «Переходные процессы в электроэнергетических системах» и «Релейная защита и автоматика систем электроснабжения», а также при выполнении курсовых и дипломных проектов для студентов направления 140200 «Электроэнергетика» и специальности 140211 «Электроснабжение».
Основные положения, выносимые на защиту.
Алгоритм расчета сверхпереходных параметров режима аварийной продольной и поперечной несимметрии, а также сложнонесимметричного режима при любом сочетании поврежденных фаз.
Алгоритм расчета переходных процессов при несимметричных повреждениях в системе промышленного электроснабжения с собственными электростанциями с учетом возникновения дополнительных и знакопеременных моментов генераторов в несимметричном режиме.
Математические модели основных электроприемников промышленного предприятия, адаптированные к расчету режимов аварийной несимметрии.
Методика получения характеристик узлов КН любого состава в условиях нарушения симметрии питающего напряжения.
Апробация работы.
Основные положения, выносимые на защиту диссертации, и основные аспекты глав обсуждались на следующих научно-технических конференциях и семинарах: Международная науч.-техн. конференция «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 2009 г.); IV и V Международные молодежные науч. конференции «Тинчуринские чтения» (г. Казань, 2009, 2010 гг.); VIII, IX, X и XI Международные научно-практические конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (г. Санкт-Петербург, 2009, 2010, 2011 гг.); Международная науч.-техн. конференция студентов, магистрантов, аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (г. Тольятти, 2009 г.); XVI и XVIII Международные науч.-техн. конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2010, 2012 гг.); Международная науч.-практ. конференция «Энергосбережение, электромагнитная совместимость и качество в электрических системах» (г. Пенза, 2010 г.); 11-я Всероссийская науч.-практ. конференция студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и метал-
лурги настоящему и будущему России» (г. Магнитогорск, 2010 г.); Международная научно-практическая конференция «Энергосбережение в теплоэнергетике и теплоэлектротехнологиях» (г. Омск, 2010 г.); Всероссийская конференция «Научно-исследовательские проблемы в области энергетики и энергосбережения» (г. Уфа, 2010 г.); 67-я, 68-я и 69-я Межрегиональные научно-технические конференции «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (г. Магнитогорск, 2009, 2010, 2011 гг.); IV Международная научно-практическая конференция «Энергетика и энергоэффективные технологии» (г. Липецк, 2010 г.); III Всероссийская научно-техническая конференция (с международным участием) «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (г. Уфа, 2011 г.); VII Всероссийская конференция «Молодёжь и наука» (г. Красноярск, 2011 г.); Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» (г. Самара, 2011 г.); XVII Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность» (г. Томск, 2011 г.).
Диссертационная работа рекомендована к защите расширенным заседанием кафедры электроснабжения промышленных предприятий института энергетики и автоматики ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» (12 апреля 2012 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 20 печатных работ, в том числе 5 в журналах, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертационных работ, 1 монография.
Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, библиографического списка из 167 наименований и 9 приложений. Объем работы включает 157 страниц основного текста, в том числе 28 рисунков и 11 таблиц.
