Разработка автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой

Актуальность работы. Частота и уровень напряжения — это важнейшие показатели качества электроэнергии, влияющие на работу как электрических станций, так и потребителей. Снижение частоты или напряжения может приводить к тяжёлым авариям, связанным с потерей генерации и массовым отключением потребителей. Для предотвращения снижения частоты широко применяется автоматическая частотная разгрузка (АЧР), отключающая часть потребителей при возникновении дефицита активной мощности. Помимо АЧР применяется также автоматика ограничения снижения напряжения (АОСН), отключающая потребителей при глубоких снижениях напряжения, традиционно выполняемая отдельно от АЧР. Для восстановления питания отключенной нагрузки после ликвидации аварийных режимов контролируемого энергорайона используются устройства автоматического повторного включения отдельно по частоте (ЧАПВ) и по напряжению (АПВН), входящие в состав АЧР и АОСН соответственно.

Возникающий при аварии дефицит мощности приводит не только к снижению частоты в энергосистеме, но и к изменению напряжения. При тяжёлых авариях, приводящих к большим дефицитам активной мощности, появляется дополнительная опасность — локальных дефицитов реактивной мощности, когда возникают глубокие снижения напряжения, определяющие возможность дальнейшего развития аварии за счет «лавины» напряжения. Если частотная разгрузка будет отключать потребителей в первую очередь в местах с наиболее низким уровнем напряжения, тогда такой сценарий развития аварии будет менее вероятен.

Используя представленные на электротехническом рынке нашей страны устройства АЧР и АОСН, сложно построить эффективную разгрузку. Это связано, во-первых, с низкой точностью блоков измерения частоты, во-вторых, разгрузка по частоте и по напряжению выполняются раздельно, в-третьих, не учитывается предыдущий режим работы системы и текущее значение мощности отключаемых нагрузок. Наличие категорий АЧР I, АЧР II и дополнительной разгрузки приводит к большой сложности в построении разгрузки. При этом необходимость использования дополнительной разгрузки объясняется только малым быстродействием и низкой точностью замера частоты.

С развитием промышленности появляются всё более мощные и ответственные потребители, технологический процесс которых не допускает снижения частоты даже на допустимую по ГОСТ величину (0,4%). Поэтому необходима гибкая система определения очерёдности и объёма отключения потребителей, а также учёт фактически отключаемой нагрузки от действия на конкретный выключатель.

В настоящее время в энергосистемах нашей страны происходит замена старых и установка новых устройств АЧР и АОСН, построенных на базе микропроцессорной техники. Однако, в эти цифровые устройства в основном закладываются общепринятые принципы действия и алгоритмы. Повышаются лишь их метрологические характеристики и уровень сервисных возможностей. Таким образом, огромные возможности, предоставляемые микропроцессорной техникой, не используются должным образом.

В связи с этим актуальной является задача разработки более совершенного подхода к построению устройства управления нагрузкой в узле энергосистемы, осуществляющего отключение потребителей при аварийных снижениях частоты и напряжения и их автоматическое включение в сеть после восстановления контролируемых параметров.

Целью работы является разработка принципов действия и алгоритмов работы устройства аварийного управления нагрузкой, позволяющего повысить надёжность функционирования энергосистемы в режимах аварийного снижения как частоты, так и напряжения.

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведение обзора полного спектра устройств, входящих в системы автоматического ограничения снижения частоты (АОСЧ) и АОСН, как отечественного, так и зарубежного исполнения, выявление их достоинств и недостатков.

2. Разработка комплексной методики к управлению нагрузкой узла энергосистемы при недопустимом снижении частоты и уровня напряжения.

3. Проверка работоспособности алгоритма разрабатываемой автоматики при помощи математического моделирования переходных процессов энергосистем.

4. Техническая реализация автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой (АКАУН) с определением аппаратных требований и типа оборудования с описанием его функционирования.

5. Разработка рекомендаций к размещению и выбору уставок устройств АКАУН.

6. Проведение испытаний разработанного устройства автоматики в вычислительных экспериментах и условиях, максимально приближенных к промышленным.

Методы исследования. Разработанные научные положения основываются на применении теоретических и экспериментальных методов исследования в этой области. Решение поставленных в работе задач базируется на положениях фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ, теория многокритериальной оптимизации, теория векторной оптимизации, цифровая обработка сигналов, теоретические основы электротехники.

Достоверность и обоснованность основных научных положений и выводов работы подтверждаются теоретическими обоснованиями, совпадением результатов, полученных теоретически, и результатов экспериментов при моделировании и испытаниях, максимально приближенных к промышленным условиям. Обоснованность результатов работы подтверждает внедрение их в процесс проектирования ЗАО «Институт Автоматизации Энергетических Систем» (ЗАО «ИАЭС», г. Новосибирск) и использование в конкретных устройствах противоаварийной автоматики.

Научная новизна работы.

1. На основе существующих подходов к построению устройств систем автоматического ограничения снижения частоты и напряжения и их комбинированного применения впервые была предложена совершенно новая методика комплексного управления нагрузкой узла энергосистемы в условиях дефицита активной и реактивной мощности.

2. С применением теории многокритериальной оптимизации разработана методика выбора настроечных параметров АКАУН, обеспечивающих гибкую настройку устройства в конкретном случае установки и предотвращение излишнего отключения и включения нагрузки.

3. Автором впервые разработана методика адаптации уставок устройства управления нагрузкой на отключение/включение потребителей, учитывающая загруженность контролируемых присоединений в режиме, предшествующем аварии.

4. Автором предложены и разработаны принципы построения и алгоритмы работы системы АКАУН для выявления и ликвидации аварийных снижений частоты и напряжения в контролируемом узле энергосистемы.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Результаты исследований, проведенных в диссертационной работе внедрены в процесс проектирования устройств противоаварийной автоматики (ПА) для объектов электроэнергетической системы, что подтверждено актом об использовании результатов кандидатской диссертационной работы. Предложенный подход к управлению нагрузкой был реализован на базе Комплекса противоаварийной автоматики — КПА-М (разработка и производство ЗАО «ИАЭС», г. Новосибирск). Устройства КПА-М, разработанные с использованием указанного принципа действия, применены в ряде проектов и планируются к установке на нескольких объектах МЭС Сибири.

Большая часть результатов диссертационной работы использована при проектировании и реализации устройства КПА-М с функцией автоматического частотного ввода резерва (АЧВР) для Богучанской ГЭС (ОАО «Богучанская ГЭС»), поставленного на объект в июле 2011 года для ввода в опытную, а затем промышленную эксплуатацию.

Соответствие диссеотапии паспооту научной специЯ. Ж •/ %> ^ альности.

Полученные соискателем основные научные результаты соответствуют пункту 9 «Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике» паспорта специальности 05.14.02 — «Электрические станции и электроэнергетические системы».

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Методика комплексного аварийного управления нагрузкой узла энергосистемы по частоте и напряжению.

2. Методика выбора весовых коэффициентов для формирования обобщенного сигнала управления нагрузкой, созданная на основе теории многокритериальной оптимизации.

3. Принцип построения и алгоритм работы устройства АКАУН.

4. Рекомендации к размещению, формированию управляющих воздействий и выбору уставок устройства АКАУН.

5. Результаты анализа эффективности применения автоматики, реализующей комплексное управление нагрузкой.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование» в октябре 2008 года в г. Екатеринбургена международной научно-технической конференции «Энергосистема: Исследование свойств, Управление, Автоматизация», проводившейся ЗАО «Институтом Автоматизации Энергетических Систем», в мае 2009 года в г. Новосибирскена международной научно-технической конференции «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», организованной ОАО «СО ЕЭС» при поддержке Российского национального комитета СИГРЭ и ОАО «ВНИИР», в сентябре 2009 года в г. Москвена XVI научно-технической конференции «Обмен опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств РЗА и ПА в энергосистемах Урала» в апреле 2010 года в г. Екатеринбургена Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи», проводившейся в Уральском Федеральном Университете имени Первого Президента России Б. Н. Ельцина, в ноябре 2010 года в г. Екатеринбургена международной научно-технической конференции «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», организованной ОАО «СО ЕЭС» при поддержке Российского национального комитета СИГРЭ и ОАО «ВНИИР», в мае 2011 года в г. Санкт-Петербургена Международной молодежной научно-технической конференции «Управление, информация и оптимизация в электроэнергетических системах», проводившейся в Новосибирском Государственном Техническом Университете, в сентябре 2011 года в г. Новосибирске. Результаты диссертационной работы также были представлены на конференции «Развитие противоаварийного управления ОЭС Сибири», посвященной дню рождения основателя ОДУ Сибири В. Н. Ясникова и 90-летию со дня принятия плана ГОЭЛРО Филиала ОАО «СО ЕЭС» ОДУ Сибири, в декабре 2010 года в г. Кемерово, по итогам которой ведущие специалисты ОДУ Сибири поддержали работу.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 научных статьи в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ- 5 статей в сборниках международных и всероссийских конференций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников, включающего 101 наименование, и девяти приложений. Общий объем работы составляет 191 страницу, включая 10 таблиц и 50 рисунков.

Основные результаты выполненной работы состоят в следующем.

1. На основе существующих подходов к построению устройств систем автоматического ограничения снижения частоты и напряжения и их комбинированного применения впервые была предложена совершенно новая комплексная методика управления нагрузкой узла энергосистемы в условиях дефицита активной и реактивной мощности.

2. Предложена методика выбора настроечных параметров АКАУН, обеспечивающих гибкую настройку устройства в конкретном случае установки и предотвращение излишнего отключения и включения нагрузки.

3. Разработан алгоритм действия и математическая модель функционирования АКАУН.

4. Определены аппаратные требования и тип оборудования с описанием его функционирования. Даны рекомендации к размещению и выбору уставок устройства АКАУН, а также представлена методика адаптации уставок на отключение/включение потребителей под текущий режим контролируемого узла нагрузки.

5. Проведенные в программном комплексе анализа живучести (ПАЖ) испытания показали, что применение комплексного управления нагрузкой эффективно как при малых, так и при значительных аварийных дефицитах мощности. Поэтому устройства АКАУН могут заменять целую систему штатной автоматики, состоящую из устройств АЧР, ЧАПВ, ДАР, АОСН и АПВН, а также резервировать друг друга.

6. Проведенные испытания в условиях максимально приближенных к промышленным показали работоспособность разработанных алгоритмов и эффективность комплексного подхода к управлению нагрузкой в сравнении с традиционно применяемыми в настоящее время в энергосистемах России и зарубежья.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.