Вступ
Електроенергетика з моменту її створення стала базовою галуззю для всіх інших галузей виробництва та функціонування всіх сфер суспільства. З роками ця особливість електроенергетики стає все більш значущою. На нинішньому етапі розвитку електроенергетики надійне і стійке забезпечення електроенергією належить до питань національної безпеки країни і є необхідною умовою економічного розвитку будь-якої країни [1-3].
Удосконалення електроенергетичних систем (ЕЕС) є об'єктивним процесом, який зумовлений різними факторами і які в сукупності визначають умови функціонування ЕЕС.
Реформування світової та вітчизняної електроенергетики, який відбувається в останні 15-20 років, супроводжується появою низки суперечностей між економічними відносинами і методами і засобами забезпечення надійності режимів ЕЕС [4-8]. Підвищення ефективності експлуатації, надійності функціонування та подальший розвиток електроенергетичної системи тісно пов'язане з необхідністю вирішення комплексу завдань, керування системою в передаварійних і аварійних режимах [8-10].
Актуальність теми
Управління ЕЕС в нових умовах їх функціонування вимагає ефективної реалізації договірних відносин суб'єктів ринку електроенергії. Для цього необхідно максимально використовувати потенційні можливості конкурентоспроможної генерації та пропускну здатність електричних мереж, що вступає у певне протиріччя з умовами забезпечення системної надійності режимів і живучості ЕЕС. При управлінні безліччю схемно-режимних станів ЕЕС не тільки супроводжується імовірністю виникнення аварійної ситуації, але може привести при виникненні аварійної ситуації до тяжких наслідків [11-13].
Однією з найбільш небезпечних аварійних ситуацій ЕЕС є порушення стійкості паралельної роботи і виникнення асинхронного режиму. Особливістю нинішнього етапу розвитку ЕЕС є те, що з одного боку збільшилася ймовірність виникнення багаточастотних асинхронних режимів, а з іншого боку, використання інноваційних технологій забезпечує створення систем, які забезпечують управління перехідними режимами ЕЕС на якісно новому рівні, що дозволяє усунути невідповідність між економічними вимогами управління режимами і можливостями забезпечення живучості. При експлуатації енергосистем і енергооб'єднань різних країн світу у 2002 - 2005 рр.. мали місце порушення їх стійкої роботи з виникненням двочастотного і многочастотного асинхронного ходу [14-15].
Асинхронний режим в ЕЕС є одним з найважчих аварійних режимів, при якому можливе пошкодження обладнання, відбувається порушення електропостачання споживачів і небажаний розвиток аварійного процесу з важкими наслідками для електроенергетичних об'єктів [11-13].
У зв'язку з цим істотно зростає роль автоматики ліквідації асинхронних режимів (Алар). Існуючі пристрої Алар розроблялися в більшій мірі для одночастотних режимів. У вертикально побудованих енергосистемах узгодження їх розвитку та поточних (перспективних) режимів дозволяло виключати або звести до мінімуму ризик виникнення ситуації, в якій виникає багаточастотний асинхронний режим. У нових умовах функціонування ЕЕС зросли вимоги до пристроїв Алар, що визначає необхідність їх удосконалення. Алар, діюча на поділ ЕЕС, в ряді випадків через розрив електричного зв'язку може приводити до збільшення аварії.
Тому створення методів управління електромеханічним процесом, забезпечують після короткочасного асинхронного ходу ресинхронізації, що відповідає вимогам створення інтелектуальних ЕЕС (Smart Grid) є важливою науково-технічною задачею.
Таким чином, тема роботи, спрямована на розвиток методів виявлення та управління асинхронним режимом в ЕЕС є актуальною.
Зв'язок роботи з науковими програмами
Тема роботи є одним із напрямків наукових робіт, що проводяться на кафедрі електричних систем Донецького національного технічного університету.
Мета роботы
Мета роботи полягає у розвитку методів виявлення та управління асинхронним режимом в ЕЕС.
Предмет розробок і досліджень
Предмет дослідження в цій роботі - інтелектуальні ЕЕС (Smart Grid).
Об'єкти розробок і досліджень
Об'єктом дослідження в даній роботі виступають режими роботи електричної системи.
Методика и методи досліджень
Для вирішення поставлених завдань використовувалися: методи математичного моделювання, чисельного рішення нелінійних алгебраїчних і диференціальних рівнянь для розрахунків усталених і перехідних режимів роботи електричних систем.
Наукова новизна
Наукова новизна даної роботи полягає у створенні методів управління електромеханічним процесом, забезпечують після короткочасного асинхронного ходу ресинхронізації, що відповідає вимогам створення інтелектуальних ЕЕС.
Практичне значення результатів досліджень
При виконанні роботи планується досягти підвищення точності поділу синхронних хитань і асинхронних режимів і отримати рекомендації до впровадження в існуючі мережі.
Завдання досліджень
Для досягнення поставленої в роботі мети вирішуються наступні завдання:
– Виявлення тенденцій розвитку ЕЕС і можливостей новітніх технологій для їх використання для реалізації мети роботи;
– аналіз методів виявлення та управління режимами, в першу чергу, пов'язаних з реєстрацією поточних параметрів і методами розпізнавання образів, які з різних причин не могли бути реалізовані повною мірою раніше;
– Розвиток методу, що забезпечує підвищення точності поділу синхронних хитань і асинхронних режимів;
– Розвиток методу управління асинхронним режимом.
– розробка та дослідження ефективності алгоритмів керування АР при різних схемно-режимних умовах роботи енергосистеми.
Зміст роботы
У вступі обгрунтована актуальність теми роботи, сформульована її мета, наведені поставлені для вирішення основні завдання, сформульовані положення, які відображають новизну і практичну значимість роботи.
У першому розділі виконаний аналіз тенденцій розвитку систем управління електроенергетичними системами, розглянуті можливості технологій гнучких ліній електропередач (FACTS) та системи моніторингу перехідних процесів (WAMS - СМПР). Зменшення надмірності керуючих впливів може бути досягнуте за допомогою використання цієї нової технології, що дозволяє створити розподілену систему синхронізованих вимірів векторів струму і напруги. Відзначається, що одним з пріоритетів технологічного розвитку є створення і впровадження в експлуатацію системи моніторингу перехідних режимів, що дозволяє отримати необхідну інформацію про електромеханічному перехідному режимі. Особливостями СМПР, що відрізняють її від існуючих систем телеметрії, є синхронізація вимірювань параметрів режимів за допомогою космічних супутників і дискретністю реєстрації параметрів, складова 0,02 ÷ 0,2 секунди.
Мета створення СМПР - підвищення якості управління режимами за рахунок освоєння нової технології синхронізованою векторної реєстрації параметрів перехідних режимів, що доповнює існуючу систему телевимірювань.
Зазначені технології використовуються для побудови ефективних систем управління аварійними режимами, в тому числі і АР.
У розділі наведено класифікацію методів виявлення АР.
Особливу увагу звернено на так звані експрес-методи, які використовують параметри поточного режиму та їх похідні, що дозволяють визначати ситуацію порушення стійкості. Ряд чинників, у тому числі відносно низька точність вимірювань не дозволили реалізувати такі методи. Використання цифрової реєстрації із синхронізацією вимірювань дозволяє розглядати використання експрес-методів виявлення АР.
У другому розділі виконаний аналіз роботи існуючих пристроїв Алар, які в ряді робіт умовно представляються у вигляді трьох груп:
– Типові панелі, що використовують електромеханічні пристрої:
– Мікропроцесорні пристрої;
– Багатофункціональні пристрої, в яких Алар є однією з функцій пристрою.
Для виявлення та ліквідації АР на типових панелях використовуються пускові органи, що реагують (фіксують) на наступні параметри:
– Швидкість зниження опору (Алар ФССС);
– Підвищення фазового кута електропередачі (Алар ФПФУ);
– Цикли асинхронного режиму (Алар ФЦ);
– Коливання фазного струму (Алар ФКТ).
Одним з головних методу на основі дистанційного підходу є побудова області спрацьовування (бічні ділянки комплексного опору) при великих навантаженнях і реактивних навантаженнях, необхідності урахування зміни швидкості зміни комплексного опору при обурення. Усереднення швидкості зміні ΔR / ΔT призведе до значних помилок. Іншим недоліком є необхідність узгодження моменту операцій з вимикачем з кутом між векторами напруг.
Цифрові пристроїв Алар побудовані на оцінці кута між векторами ЕРС асинхронно рухомих частин ЕЕС. За способом оцінки кута всі пристрої Алар можуть бути розбиті на дві групи:
– Пристрої з непрямою оцінкою кута;
– Пристрої з безпосередньою оцінкою кута.
Основним недоліком пристроїв I-ї групи є низька достовірність виявлення моменту настання АР. Велика ймовірність як їх неселективного дії при глибоких синхронних хитаннях (помилка I-го роду), так і їх спрацювання істотно пізніше моменту настання АР (помилка II-го роду). Спроби усунення помилки I-го роду неминуче приводили до втрати головної властивості пристрою Алар - можливості виявлення АР на його ранній стадії, а в деяких випадках - навіть до відмови в спрацьовуванні.
Основним недоліком пристроїв II-ї групи є необхідність зміни уставок пристрою залежно від зміни режиму роботи ЕЕС.
Показано, що уточнення опису фізичних процесів в роторі синхронного генератора забезпечує розпізнавання режиму хитань і переходу в АР. Можливості цифрової техніки дозволяють реалізувати вирази для асинхронного моменту, отримані на основі використання частотних характеристик генераторів, що дозволяє не тільки підвищити рівень розпізнання характерних режимів, а також знизити вимоги по попередньому дослідженню особливостей перехідних режимів в певній схемно-режимної ситуації (рис. 1).
Рисунок 1 – Області режимів на залежності ковзання від кута
У наступних розділах передбачається використання наступних підходів для розробки методу управління асинхронним режимом:
– Ідентифікація моделей за даними вимірювань і використання вимірювань;
– Використання виміряних значень параметрів поточного режиму в критеріях розпізнання еталонів характерних режимів;
– Встановлення і використання взаємозв'язків станів і керуючих впливів селективної автоматики запобігання та ліквідації асинхронного режиму (САПЛАР), запропонованих в [14,15].
– Управління асинхронним ходом по лінії електропередачі впливом на її вимикачі [16];
– Використання виразів для асинхронного моменту синхронного генератора [17].
На рис. 2 наведений алгоритм, який реалізує метод управління асинхронним режимом міжсистемних зв'язків.
У блоці 2 передбачається реалізація введення вихідних даних, що описують вихідну схемно-режимну ситуацію. Для спрощення математичної моделі передбачається використання еквівалентів, які будуються на підставі вимірів параметрів режиму.
У блоці 3 виконується виділення слабких перерізів ЕЕС і виконується оцінка допустимості короткочасного асинхронного режиму.
За допомогою умовних блоків 4, 5, 8 виконується оцінка режимів стану (безпечний стан - блок 4, асинхронний режим - блок 5, поділ на частини - блок 8). При виконанні умов, за допомогою блоків 7, 9, 10 проводяться необхідні заходи.
Для виконання імітаційного моделювання передбачається використання пакетів Matlab та Power Factory.
Оцінку ефективності моделей елементів ЕЕС, в першу чергу генераторів, передбачається виконати для ЕЕС з невеликим числом вузлів за допомогою пакету Matlab.
Для моделювання турбогенераторів електричних станцій будуть використані багатоконтурні схеми заміщення, що вимагало модернізації моделей, наявних в бібліотеці Power System Matlab.
Рисунок 2 – Алгоритм управління АР
Література
1. Стогній Б.С. Енергетична безпека України. Світові та національні виклики / Б.С. Стогній, О.В. Кириленко, С.П. Денисюк – Київ. Українські енциклопедичні знання, 2006. – 408с.
2. Енергетика світу та України. Цифри та факти / [Г.К. Вороновський, С.П. Денисюк, О.В. Кириленко, Б.С. Стогній, А.К. Шидловський]. – К.: Українські енциклопедичні знання, 2005. – 404 с.
3. Енергетична стратегія України на період до 2030 року : [Електронний ресурс] Режим доступу: http://mpe.kmu.gov.ua/fuel/doccatalog/document-id=50372.
4. Кириленко О.В. Проблеми з забезпечення надійної роботи ОЕС України в умовах реформування енергетики / О.В. Кириленко // Енергетика та енергоресурсозбереження, Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. – 2009. – № 3. – С. 135–141.
5. Паливно–енергетичний комплекс України на порозі третього тисячоліття / [під загальною редакцію А.К. Шидловського] – Київ: Українські енциклопедичні знання, 2001. – 400 с.
6. Стогний Б.С. Особенности управления режимами ОЭС Украины при реформировании рынка электроэнергии / Б.С.Стогний, А.В.Кириленко, В.В.Павловский // Технічна електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». – 2006. – Ч. 1. – С. 69-72.
7. Перспективи інтеграції ОЕС України в Європейську систему UCTE / О.В.Кириленко, С.П.Денисюк, О.Б.Рибіна [та ін.] // Технічна електродинаміка. Темат. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». – 2006. – Ч. 1. – С. 63–68.
8. Стогній Б.С. Принципи протиаварійного управління для збереження стійкості дефіцитних енергосистем зі зв'язками, що не спостерігаються / Б.С. Стогній, В.В. Павловський, К.В. Ущаповський [та ін.] // Новини енергетики. – 2008. – № 3. – С. 43–50.
9. Керівні вказівки з протиаварійної автоматики енергосистем : ГКД 34.35.108:2004. – Офіц. вид. – К.: ГРІФРЕ: М-во палива та енергетики України, 2004. – 40 с. – (Нормативний документ Мінпаливенерго України. Інструкція).
10. Стійкість енергосистем : ГКД 34.20.575:2002. – Офіц. вид. –К.:ГРІФРЕ: – М-во палива та енергетики України, 2004. – 48 с. – (Нормативний документ Мінпаливенерго України. Керівні вказівки).
11. Совалов С.А., Семенов В.А. Противоаварийное управление в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1988, 416 с.
12. Pourbeik P., Kundur P.S., Taylor C.W. The anatomy of a power grid blackout. IEEE Power and Energy Magazine, 2006, Vol. 4, No. 5, p. 22-29.
13. Mаkаrov Yu.V., Reshetov V.I., Strojev V.A., Voropai N.I. Blackout prevention in the United States, Europe and Russia. Proccedings of the IEEE, 2005, Vol. 93, No. 11, p. 1942-1955.
14. Воропай Н.И. Развитие селективной автоматики предотвращения и ликвидации асинхронных режимов с использованием PMU / Н.И. Воропай, Д.Н. Ефимов, Д.Б. Попов, К. Ретанц, У. Хегер//
15. Li Li, Liu Yutian, Mu Nong, Yu Zhangxun. Out-of-step splitting scheme based on PMUs. / Li Li, Liu Yutian, Mu Nong, Yu Zhangxun. // DRPT. Conf. Nanjing, China -2008. - 6 p.
16. Севостьянов А.О. Управление потоком мощности при асинхронном ходе по межсистемной связи / А.О. Севостьянов, Н.И. Зеленохат // Шестнадцатая Междунар. науч.–техн. конф. студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». Тез. докл. в 3-х т. – М.: МЭИ, 2010. Т.3. – С. 361-362.
