Совершенствование методов и технических средств предотвращения и ликвидации аварийных режимов в энергосистеме

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, JI.A. Жукова, А. С. Зеккеля, Е. С. Иглицкого, Б. И. Иофьева, В. Д. Ковалева, Ф. Л. Когана, JI.A. 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 асинхронных режимов продолжаются в настоящее время в ряде научно-исследовательских институтов, высших учебных заведениях и других организациях.

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 посредством 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 (AJ1AP), которая является частью противоаварийной автоматики (ПА) и предназначена для устранения опасных явлений, возникающих в энергосистеме при нарушении синхронной работы ее частей. Устройства AJTAP располагают вблизи потенциально опасных сечений ЭЭС и настраивают на определенные 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 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 устройства оказываются неприменимыми к данному текущему процессу. Указанная проблема является непреодолимой для устройств AJ1AP 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 AJIAP 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.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— исследованы принципиальные вопросы наблюдаемости и идентификации 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, связанных 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 перспективных устройств автоматики ликвидации асинхронного режима, разработана классификация типов технологических алгоритмов AJIAP, предложен способ 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 AJIAP, наиболее эффективным образом использующие возможности, предоставляемые для этого микропроцессорной техникой, разработаны, внедрены и используются в ЭЭС устройства AJIAP-M, выполненные на этой технологической основе;

— рассмотрен новый класс исполнительных устройств для ликвидации АР, основанный на контроле тока и управлении магнитным потоком в цепях трансформатора, исследованы функциональные возможности таких устройств, выработаны рекомендации по их применению при ликвидации АР и координации уровня токов короткого замыкания;

— проведены комплексные исследования применения сверхпроводниковых 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 назначения, получены оценки эффективности использования такого 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.

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, теоретические 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.

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 технологических 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 AJTAP. Предложенные решения позволяет увеличить точность работы системы противоава-рийной автоматики.

Разработан новый метод выявления положения точки электрического центра качаний (ЭЦК) для обеспечения селективности работы AJTAP. 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 AJTAP, 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 AJTAP, 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 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 AJIAP-M, 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 «AJIAPМ»;

— разработанные, запатентованные и внедренные программы, реализующие новые технологические алгоритмы, позволили поднять качественные показатели устройства AJIAP, повысили их надёжность и эффективность.

Начиная с 2000 г., устройства AJIAP-M используются в энергосистемах Российской Федерации. Начата поставка таких устройств по заказу фирмы Siemens для использования их в энергосистеме Казахстана.

Материалы по устройству AJTAP-M используются при подготовке специалистов отрасли, а также в лекционной практике по учебной дисциплине.

Автоматика электроэнергетических систем", курсовых и дипломных проектов в МЭИ (ТУ).

Результаты исследований и методики расчёта, изложенные в монографиях «Адаптивные методы и технические средства контроля и предотвращения асинхронного режима электроэнергетической системы» и «Сверхпроводниковые токоограничивающие устройства и индуктивные накопители энергии для электроэнергетических систем» (в соавторстве) используются специалистами организаций электроэнергетической отрасли при проектировании системы ПА с использованием новых технических решений.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Метод и результаты обобщённого анализа предельно достижимой точности результатов идентификации параметров АР.

2. Комплекс адаптивных методов идентификации режимных параметров энергосистемы на основе информации, доступной для локального устройства ПА, в условиях нерегулярных флуктуаций входных сигналов, том числе, методы анализа траекторий векторов напряжения, тока и производных от них величин 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 установки локального устройства AJIAP.

4. Методические основы построения алгоритмов работы локальных микропроцессорных устройств «AJIAP-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 технические возможности трансформаторных токоограничивающих устройств на основе управления магнитным потоком сверхпроводниковым экраном, рекомендации по их применению для ликвидации АР и координации уровня токов короткого замыкания.

6. Результаты комплексных исследований применения СПИН для повышения устойчивости и пропускной способности линий передач, оценки эффективности использования такого оборудования в ЭЭС, методические основы 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, математических 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 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 технических наук опубликовано 37 работ, в том числе 2 монографии (из них одна в соавторстве).

Результаты работы используются для разработки аппаратуры ПА, в практике проектирования новых энергосетевых объектов, в учебном процессе подготовки специалистов электроэнергетики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе выполнено обобщение теоретических и экспериментальных исследований автора, на основании которых получено решение научной проблемы повышения режимной надежности и управляемости электроэнергетической системы путем применения разработанных с участием автора новых технических средств. Работа имеет важное хозяйственное, межотраслевое значение. Предложены научно обоснованные технические и технологические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие электроэнергетики.

Разработана новая методика определения положения точки электрического центра качаний. Использование полученных результатов позволяет повысить качество и надежность селективной работы локальных устройств ПА.

Полученные решения позволили разработать новые локальные микропроцессорные устройства ликвидации двухмашинного асинхронного режима, использующие в качестве рабочего параметра величину угла между эквивалентными генераторами, повысить качество и надежность выявления АР в ЭЭС. В настоящее время эти устройства успешно используются в энергосистемах Российской Федерации, начата поставка таких устройств по заказу фирмы Siemens для использования их в энергосистеме Казахстана.

Впервые разработана математическая модель наблюдаемости входных сигналов локального устройства ПА, получены качественные и количественные оценки влияния погрешностей измерения на расчет параметров эквивалентной схемы ЭЭС асинхронного режима. Показано, что величина погрешностей достаточно мала, что позволяет выполнять достоверный анализ характеристик асинхронного режима при существующий в ЭЭС уровнях нерегулярных флук-туаций (шума) напряжения и тока.

Впервые поставлена и решена обобщенная задача расчета эквивалентных параметров энергосистемы в режимах глубоких качаний и асинхронного хода, на основе информации, доступной для локального устройства ПА в условиях нерегулярных флуктуаций (шума) входных сигналов. Разработан комплекс методов идентификации параметров энергосистемы, в том числе методы, основанные на анализе траекторий векторов напряжения, тока и производных от них величин, и методы, основанные на решении переопределенной системы уравнений ветвей эквивалентной схемы. Для улучшения вычислительных свойств алгоритмов предложен вспомогательный метод прореживания выборки входных сигналов. Разработанные адаптивные методы могут быть могут быть положены в основу технологических алгоритмов работы локальных устройств автоматики предотвращения и ликвидации асинхронного режима, а также использованы для эффективного анализа процессов аварий, связанных с существенным изменением положения углов генераторов.

Усовершенствованы технологические алгоритмы работы устройств AJIAP, с использованием в качестве основного параметра функции изменения от времени угла между эквивалентными генераторами в двухмашинной эквивалентной схеме асинхронного режима энергосистемы. Полученные решения позволяют повысить быстродействие и точность работы автоматики ликвидации асинхронного режима.

Выполнен анализ перспективных технических средств и предложены новые технические решения для обеспечения повышения устойчивости работы электроэнергетической системы как на базе традиционных, так и на базе новых перспективных материалов.

Предложены и конструктивно проработаны технические решения на базе использования новых перспективных технологий, связанных с применением сверхпроводниковых материалов. В работе предложен и исследован новый класс токоограничивающих устройств, основанный на управлении магнитным потоком в цепях трансформатора, исследованы функциональные возможности таких устройств, выработаны рекомендации по применению этих устройств для координации уровня токов короткого замыкания.

Усовершенствованы методы расчета основных характеристик СПИН энергетического назначения. Проведены комплексные исследования применения СПИН в энергосистеме, выполнена оценка эффективности и разработаны рекомендации по применению такого оборудования в ЭЭС. Показано, что использование такого оборудования позволяет достичь повышения пропускной способности линий передач, увеличения статической и динамической устойчивости ЭЭС, снизить требуемый уровень дозированных воздействий автоматики противоаварийного управления.