Источник: Труды международной конференции «Релейная защита и авоматика энергосистем». — Чебоксары, 9–13 сентября 2007.
Одним из приоритетов технологического развития крупнейших энергосистем мира
является создание и внедрение в практику их эксплуатации систем мониторинга переходных режимов (СМПР), получивших на Западе название Wide Area Measurement Systems (WAMS).
Эти системы широко используются для повышения уровня информационного обеспечения и качества управления режимами энергообъединений. Особенности СМПР, отличающие ее от существующих систем телеметрии — синхронизация измерений параметров режимов с помощью космических спутников и высокая дискретность регистрации параметров — определяют широчайший спектр ее применения.
Наибольшего эффекта при применении СМПР удается достичь в процессе анализа
причин и последствий технологических нарушений и системных аварий, при верификации
динамических моделей электроэнергетических систем (ЭЭС), при оценивании состояния
режимов ЭЭС, при визуализации текущего состояния режима и решении задач информационного обеспечения оперативно–диспетчерского управления режимами ЭЭС.
Развитие энергообъединения ЕЭС/ОЭС связано с непрерывным изучением его динамических свойств. При этом важное значение имеют системные натурные испытания,
позволяющие получить ценнейшую информацию о поведении энергообъединения в различных схемно-режимных ситуациях.
Система мониторинга переходных режимов (СМПР (Россия) [2], WAMS (США) [3,4]) позволяет в режиме реального времени контролировать параметры генерирующих узлов ЭЭС и синхронизировать эту информацию по времени, с помощью спутников. Поэтому эти данные могут быть использованы
для идентификации матрицы СВП косвенным методом.
Малый объем информации, необходимый для определения матрицы СВП косвенным методом, отсутствие необходимости в контроле топологии и параметров сети, позволяют использовать косвенный метод расчета в реальном времени процесса, однако недостаточные изученность и необходимость формализации модели создают сложность его применения на практике.
Последние системные испытания в ЕЭС\ОЭС были проведены в апреле 2004 года в
соответствии с решением Правления РАО “ЕЭС России” от 26.05.2003 г. № 842пр/3 и согласно приказу от 12.11.2003 № 609 «Об организации и проведении в Европейской части энергосистем России (включая зону Урала) натурных системных испытаний с целью определения качества
первичного и вторичного регулирования и системного эффекта».
Испытания позволили определить характеристики ЕЭС при возникновении небаланса
активной мощности, проверить фактическое действие и эффективность систем первичного
регулирования частоты на электростанциях, проверить участие в первичном регулировании
частоты группы модернизированных энергоблоков.
Проведение натурного испытания является серьезным организационно-техническим
мероприятием, требующим вовлечения в него различных служб и подразделений как
Системного Оператора, так и электрических станций и других объектов ЕЭС\ОЭС.
С созданием СМПР появилась возможность получать информацию о параметрах
установившихся и переходных режимов энергообъединения с гораздо меньшими затратами
времени и ресурсов. С появлением СМПР любое технологическое нарушение или авария в
ЕЭС\ОЭС выполняет роль пассивного эксперимента (испытания). Изучение непрерывного
ряда таких экспериментов дает новые сведения о динамических свойствах системы, о ее
параметрах как установившихся, так и переходных режимов, позволяет совершенствовать
расчетные модели, решать другие задачи по повышению эффективности управления режимами.
В докладе приведены результаты анализа направлений использования СМПР в
крупнейших энергосистемах мира и в ЕЭС/ОЭС как в режиме off-line, так и в режиме реального времени.
При проведении анализа использовались материалы отчетов рабочей группы 3 VLPGO (Very Large Power Grid Operators),
международных конференций и семинаров, посвященных проблемам развития систем
распределенного синхронизированного мониторинга параметров режимов ЭЭС.
В докладе представлена информация о текущем состоянии СМПР, приводятся
возможные направления ее использования, описывается процедура верификации базовой
динамической модели ЕЭС\ОЭС.
Впервые векторные регистраторы параметров режима ЭЭС (Phasor Measurement Units,
PMUs) были установлены в США, в энергосистеме Bonneville Power Administration (BPA)
энергообъединения WECC (Western Electric Coordinating Council) в 1988 году. В BPA были проведены лабораторные и натурные
испытания первого прототипа регистратора, разработанного в Политехническом Институте
Вирджинии [1]. В 1994 году в WECC были установлены первые коммерческие регистраторы в
рамках научно-исследовательского проекта EPRI (Electric Power Research Institute)[2].
В настоящее время в энергосистеме США установлено более 140 PMU и по прогнозу
компании AREVA [3] общее количество регистраторов в течении 5 лет должно достигнуть 500
единиц.
2. Расчет матрицы СВП для эквивалентных ЭДС генераторных узлов (с учетом внутренних сопротивлений генераторов). Ведется на основе данных, полученных на предыдущем этапе.
Активными узлами считаются ЭДС генераторов.
Для реализации метода, в программной среде MatLAB была со ставлена программа на основе метода исключения Гаусса.
Контроль правильности определения проводимостей, производился путем сравнения мощности генерации узлов, вычисленной на основе полученной матрицы СВП, с данными, полученными в результате расчета установившегося режима по программе MUSTANG.
Разработка принципов мониторинга и управления режимами осуществляется в рамках
научно–исследовательских проектов NASPI (North American SynchroPhasor Initiative), который ранее назывался « Eastern Interconnect
Phasor Project» (EIPP) и проекта «Power Systems Research Consortium» (PSRC). Оба проекта
реализуются Системными Операторами при активном участии университетов Джорджии,
Вайоминга, политехнического института Вирджинии и др.
К выполнению проекта NASPI привлечены эксперты, объединенные в 7 рабочих групп:
1. Группа управления деловыми процессами;
2. Группа сбора данных о параметрах ЭЭС;
• Архитектура сбора и архивирования информации;
• Методические указания по используемому оборудованию;
3. Группа размещения оборудования системы мониторинга;
4. Группа стандартов;
• Испытания и калибровка;
• Взаимная совместимость;
5. Группа планирования развития;
6. Группа организации функционирования;
7. Научно-исследовательская группа.
Миссия рабочих групп — создание надежной, широко применяемой и безопасной
инфраструктуры синхронизированных измерений параметров режимов для решения задач
планирования и управления режимами Восточного энергообъединения.
Направления деятельности рабочих групп NASPI определяются направлениями
исследований по повышению уровня информационного обеспечения управления
энергосистемой на базе результатов мониторинга:
Повышение качества оценки состояния;
Оптимизация размещения источников реактивной мощности;
Визуализация;
Предотвращение, идентификация и смягчение последствий каскадных аварий;
Оценка параметров низкочастотных колебаний;
Оценка уровней устойчивости по напряжению;
Оценка динамических моделей и др.
Целью проекта PSRC является «повышение надежности энергообъединения с помощью
распределенных измерений, мониторинга и управления».
Проект предполагает следующие виды деятельности в процессе его выполнения:
Инвентаризация всех установленных в Восточном энергообъединении регистраторов и создание объединенной базы данных измерений;
Идентификация всех наблюдаемых с помощью PMU интерфейсов перетоков мощности;
Документирование методов и алгоритмов обработки данных;
Анализ технологических нарушений (ТН) на постоянной основе; ожидаемое количество ТН – 10 событий в месяц. Каждое ТН должно тщательно анализироваться и документироваться в специальном отчете.
Качественная проверка измерений параметров ТН с помощью расчетов на модели сети с участием Операторов передающей сети;
Разработка методов и алгоритмов мониторинга уровней напряжения и динамической устойчивости;
Измерение и моделирование межзональных низкочастотных колебаний;
Разработка алгоритмов и методов идентификации возможных причин и мест технологических нарушений;
Разработка интегрированного программного обеспечения, содержащего многочисленные приложения.
Таким образом, в рамках только перечисленных проектов проводятся масштабные
исследования и разработка различных приложений системы мониторинга для управления
режимами энергообъединений США.
Система распределенного мониторинга параметров режимов в энергосистемах
Западной Европы — энергосистемах UCTE6 начала создаваться в середине 90–х годов.
В UCTE установлено и интегрировано в WAMS свыше 50 регистрирующих устройств.
Применяются разные типы регистрирующих устройств, такие как BEN6000, Powerlog, RES 521
и т.д., каждый из которых имеет свои особенности с точки зрения метода регистрации и
передачи данных, например, посредством интеграции в информационную систему подстанции.
Необходимо отметить высокую динамику развития WAMS Китайской энергосистемы.
В течении ближайших 5 лет предполагается установить регистраторы WAMS на всех
подстанциях 750-500-330 кВ национальной и региональных сетей. В провинциальных сетях
предполагается выборочно оснастить регистраторами подстанции 220–110 кВ. Установка
регистраторов предусмотрена, также, на всех генераторах с установленной мощностью 600 МВт и более. В системе устанавливаются регистраторы различного типа — импортные
(Macrodyne) и отечественные — SIFANG, CEPRI, NARI group. Большое внимание уделяетсясозданию высокоскоростных каналов передачи данных и развитию программного обеспечения
по сбору и обработке данных в сотрудничестве с такими компаниями, как OSISoft (США) и Fibrlink.
Большая работа по созданию и развитию WAMS ведется и в других энергосистемах
мира, из которых можно выделить энергосистемы Бразилии, Мексики, Кореи, Японии, Индии.
СМПР энергосистем стран СНГ и Балтии (ЕЭС/ОЭС) состоит из регистрирующих приборов, систем обмена информацией между концентраторами данных и центрами управления, а также средств обработки полученной информации [4]. Архитектура СМПР представлена на рисунке 1.
Регистраторы устанавливаются в крупных энергоузлах, на межсистемных связях, на
электростанциях вторичного регулирования. Регистраторами оснащаются объекты,
распределенные по всей территории ЕЭС/ОЭС — с Юга (Южно-Казахстанская ГРЭС) на Север
(ПС Ленинградская) и с Востока (Харанорская ГРЭС) на Запад (ПС Западно–Украинская).
С помощью СМПР регистрируются с дискретностью (0.02–0.2)с основные режимные
параметры на шинах и на отходящих линиях подстанций — частота, напряжение и его угол,
активная и реактивная мощности. Эти параметры регистрируются в одинаковые моменты
времени с помощью сигналов PPS (pulse per second), посылаемых космическими спутниками.
Параметры установившегося режима регистрируются в архиве нормального режима и
хранятся там 36 часов, обновляясь по стековому принципу.
В случае идентификации аварийного режима производится регистрация его параметров
в аварийном архиве. Запись аварийного режима содержит параметры режима,
предшествующего аварии в течении 100 секунд и аварийного режима в течении 1000 секунд.
Аварийные архивы хранятся не менее 1 года.
Признаками идентификации аварийного режима являются:
-Скорость изменения частоты. Уставка, определяющая начало записи аварийного
режима может быть определена в интервале (0,05–2) Гц/сек. с шагом 0,05
Гц/сек.
-Уровень напряжения, который может иметь значение в интервале (0–120)%.
Архивы нормальных и аварийных режимов передаются с объектов в СО — ОДУ (в
соответствии с их оперативной принадлежностью), а из каждого ОДУ — в СО — ЦДУ, где
обрабатываются в соответствии с конкретными задачами.
Основные направления использования СМПР показаны на рисунке 2.
На первом этапе развития СМПР предполагается использование ее в режиме off–line.
Информация, записанная и обработанная на уровне каждого объекта, передается в центр
управления СМПР в течение суток, обрабатывается и архивируется. Архивы аварийных
режимов используются в дальнейшем для решения задач верификации динамической модели,
анализа аварийной ситуации и оценки параметров низкочастотных колебаний в случае их
возникновения.
При переводе СМПР в режим реального времени становится возможным решение
широкого круга задач, перечень которых приведен на рисунке 2.
В настоящее время Системным Оператором совместно с НИИПТ решена задача
верификации базовой динамической модели ЕЭС/ОЭС [5].
Разработана и реализуется процедура верификации, в соответствии с которой при
технологическом нарушении, приводящем к значительным небалансам активной мощности,
осуществляются следующие шаги:
1. Идентификация аварийного режима, принимаемого для верификации в соответствии со
следующими критериями:
– Вид возмущения — небаланс мощности, вызванный отключением генерирующей
мощности, отделение ОЭС от ЕЭС/ОЭС, либо прочие аварии, приводящие к
возникновению значительного небаланса;
– Размер небаланса — 800 МВт и выше;
– Место небаланса — в энергосистемах, расположенных вблизи границ синхронной
зоны;
2. Создание архивов аварийного режима и передача их в Центр управления — СО–ЦДУ;
3. Регистрация параметров режима, предшествующего аварии с помощью ОИК ОЭС
энергообъединения ЕЭС/ОЭС, сбор информации о составе и загрузке генераторного
оборудования и располагаемых резервах мощности в предшествующем режиме;
4. Расчет параметров переходного режима, вызванного вышеозначенным
технологическим нарушением в местах их регистрации СМПР с помощью программно–вычислительного комплекса EUROSTAG;
Рисунок 2 — Напрвления разавития СМПР
5. Сравнение зарегистрированных и рассчитанных одноименных параметров. В случае их
значительного расхождения производится настройка модели путем изменения
настроечных коэффициентов регуляторов возбуждения генераторов и скорости
вращения турбин, характеристик нагрузки — их коэффициентов чувствительности по
частоте и напряжению.
Таким образом, с созданием СМПР у Системного Оператора появился эффективный
инструмент анализа динамических свойств ЕЭС/ОЭС, а также возникли предпосылки создания
принципиально новых систем автоматического регулирования и управления режимами
энергообъединения.