Моделирование электроэнергетической системы в иерархической противоаварийной автоматике

Актуальность работы. Устройства противоаварийной автоматики (ПА) в существенной мере определяют надёжность работы Единой Энергетической Системы (ЕЭС) России. Высокая значимость автоматики по предотвращению нарушения устойчивости (АПНУ) обусловлена наличием протяжённых линий электропередачи высокого напряжения, сложностью электрической схемы и режимов работы энергообъединений.

Алгоритм работы АПНУ по принципу I-ДО (выбор управляющих воздействий осуществляется «до» возникновения аварии) использует в контуре управления математическую модель (ММ) контролируемой электроэнергетической системы (ЭЭС), на которой проигрываются возможные аварийные ситуации и определяются мероприятия по предотвращению нарушения устойчивости. Эффективность противоаварийного управления во многом зависит от степени адекватности ММ ЭЭС. Большой вклад в исследование и разработку различных аспектов проблемы построения математических моделей ЭЭС для целей противоаварийного управления внесли Баринов В. А., Бартоломей П. И., Бушуев В. В., Васин В. П., Веников В. А., Гамм А. З., Иофьев Б. И., Кац П. Я., Конторович A.M., Кощеев JI.A., Манусов В. З., Маркович И. М., Петров A.M., Портной М. Г., Семёнов В. А., Совалов С. А., Строев В. А., Тарасов В. И., Фишов А. Г., Хрущёв Ю. В., Чебан В. М., Шелухин H.H., Щербачёв О. В. и их коллеги.

В связи с развитием иерархической системы противоаварийной автоматики с функциональной и информационной интеграцией устройств, находящихся на разных уровнях управления, требуется развитие новых методических разработок в области математического моделирования ЭЭС. Основным вопросом становится задача построения и организации функционирования иерархической математической модели в виде совокупности взаимодействующих математических моделей одного и того же объекта — ЭЭС, рассматриваемой с разных уровней иерархии противоаварийного управления.

Связь темы диссертации с общенаучными (государственными) программами и планом работы академии. Работы по математическому моделированию и противоаварийной автоматике энергосистем являются составной частью направления «Развитие электрической сети ЕЭС России» в составе «Генеральной схемы размещения объектов электроэнергии до 2020 г.», утверждённой распоряжением Правительства РФ от 22.02.2008 г., а также научной целевой комплексной темы «Разработка мероприятий по повышению надёжности работы оборудования в условиях пониженных температур» (гос. регистр. № 0188.0004.137) ФБОУ ВПО «НГАВТ».

Цель работы состоит в создании математических моделей, методов и алгоритмов, обеспечивающих адекватное моделирование ЭЭС в централизованных системах противоаварийного управления ЭЭС в темпе текущего режима.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи.

1 Предложена иерархическая модель ЭЭС в виде совокупности взаимодействующих ММ, предназначенных для использования на разных уровнях управления АПНУ. Определены задачи, требующие решения при реализации данной модели.

2 Сформулированы основные требования к ММ ЭЭС, используемым в контуре управления АПНУ при работе по алгоритму 1-ДО. Проведён анализ существующих методов эквивалентирования для выявления возможности их использования в задачах анализа статической устойчивости послеаварийных режимов.

3 Сформулированы требования к эквивалентным моделям ЭЭС, применяющимся в задачах анализа статической устойчивости послеаварийных режимов.

4 Разработаны быстродействующие алгоритмы эквивалентирования ЭЭС, используемые при построении АПНУ. Проведена оценка их быстродействия и адаптивности к структуре исходной схемы сети.

5 Разработан метод расчёта параметров эквивалентов, сохраняющих основные статические свойства исключаемой сети при исследовании установившихся режимов в широкой области.

6 Разработана методика коррекции параметров эквивалентов для актуализации их на ММ ЭЭС в автоматике предотвращения нарушения устойчивости при изменении текущего режима энергосистемы, основанная на сохранении баланса мощностей в узлах примыкания эквивалентов.

7 Определено место и описан принцип работы предложенных методов и алгоритмов в общей схеме взаимодействия технологических алгоритмов централизованной системы противоаварийной автоматики (ЦСПА) объединённой энергетической системы (ОЭС) Сибири.

8 Проведены сопоставительные расчёты запаса статической устойчивости в послеаварийных режимах ЭЭС, подтверждающие эффективность использования предложенной иерархической модели ЭЭС.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического моделирования электрических сетей ЭЭС, аппарат линейной алгебры, теория функций многих переменных, вычислительные эксперименты.

Проверка эффективности предложенных методов и алгоритмов основывалась на расчётах по промышленной программе анализа установившихся режимов электрических систем Б1А8ТЕ1 и с помощью специализированного программного обеспечения для централизованной системы противоаварийной автоматики ОЭС Сибири.

Достоверность и обоснованность результатов работы. Корректность предложенных в диссертации методов и алгоритмов формирования ММ ЭЭС в иерархической системе АПНУ подтверждается строгостью их теоретических обоснований и результатами проведённых вычислительных экспериментов. Кроме того, обоснованность результатов работы подтверждает практика их успешного использования в централизованной системе противоаварийной автоматики ОЭС Сибири, что нашло отражение в актах о внедрении. Научные результаты докладывались на конференциях и семинарах.

Научная новизна и теоретическая значимость работы.

Теоретическая значимость работы заключается в развитии методов математического моделирования сложных ЭЭС. Научная новизна работы обусловливается тем, что впервые:

1 Предложена иерархическая модель ЭЭС в виде совокупности взаимодействующих ММ, предназначенных для разных уровней управления АПНУ, позволяющая за счёт информации верхнего уровня повышать адекватность модели каждого нижнего уровня управления в темпе текущего режима.

2 Сформулированы требования к эквивалентным моделям, применяющимся в задачах анализа статической устойчивости послеаварийных режимов.

3 Разработан быстродействующий алгоритм эквивалентирования электрической сети для текущего режима, основанный на однократном эквивалентировании исходной схемы сети относительно узлов примыкания входящих в неё районов, позволяющий определять параметры эквивалентов для всех районов управления одновременно.

4 Разработан метод расчёта параметров эквивалентной модели, учитывающей статические характеристики исключаемых узлов по частоте и напряжению, а также номинальные и граничные значения активной и реактивной мощностей эквивалентируемых генераторов и нагрузок. Особенностью метода является получение аналитического описания обобщённых статических характеристик эквивалентной нагрузки по напряжению в узлах примыкания за счёт представления тока нагрузки исключаемых узлов в виде трёх составляющих, соответствующих постоянству мощности, тока и проводимости нагрузки.

5 Доказана эффективность использования предложенной модели в задачах расчёта запаса статической устойчивости послеаварийных режимов.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Разработанные методы и алгоритмы формирования ММ ЭЭС в иерархической системе АПНУ позволяют: уменьшить объём передаваемой телеметрической информации за счёт представления внешней, относительно района управления, части ЭЭС в упрощенном виде с сохранением основных статических свойствобеспечить требуемое быстродействие расчётному циклу АПНУповысить адекватность оценки запаса статической устойчивости в широкой области режимов.

Разработанные в диссертации методические положения легли в основу научно-исследовательских работ ЗАО «Институт автоматизации энергетических систем» по разработке централизованной системы противоаварийной автоматики ОЭС Сибири в части формирования математических моделей ЭЭС.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертация по своему содержанию соответствует научной специальности 05.14.02 — Электрические станции и электроэнергетические системы. Область исследования, в частности разработка метода формирования математических моделей ЭЭС в иерархической противоаварийной автоматике, соответствует пунктам 6 «Разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике» и 7 «Разработка методов расчёта установившихся режимов, переходных процессов и устойчивости электроэнергетических систем» паспорта научной специальности 05.14.02 по техническим наукам.

На защиту выносятся следующие основные результаты.

1 Иерархическая модель ЭЭС, используемая в централизованной системной автоматике предотвращения нарушения устойчивости в послеаварийных режимах, позволяющая поддерживать адекватность моделей нижних уровней управления за счёт актуализации параметров эквивалентной модели неконтролируемой сети ЭЭС.

2 Быстродействующий алгоритм эквивалентирования при определении параметров эквивалентов для АПНУ нижних уровней управления.

3 Метод расчёта параметров эквивалентов, учитывающих основные статические свойства исключаемой части сети в широкой области установившихся режимов.

4 Методика коррекции параметров эквивалентов для актуализации их на ММ ЭЭС в автоматике предотвращения нарушения устойчивости при изменении текущего режима энергосистемы.

5 Результаты проверки эффективности применения предложенной эквивалентной модели в задачах оценки статической устойчивости послеаварийных режимов.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на: всероссийской научно-практической конференции «Технологии управления режимами энергосистем XXI века», Новосибирск, 2006; конференции на гранд факультета энергетики НГТУ, Новосибирск, 2007; техническом совещании в ОДУ Сибири, Кемерово, 2007; всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Наука. Технологии. Инновации», Новосибирск, 2007; третьей Международной научно-практической конференции «Энергосистема: управление, конкуренция, образование», Екатеринбург, 2008; международной научно-технической конференции «ЭНЕРГОСИСТЕМА: Исследование свойств, Управление, Автоматизация», Новосибирск, 2009; всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодёжи», Екатеринбург, 2010; конференции «Развитие противоаварийного управления ОЭС Сибири», Кемерово, 2010; пятой международной научной конференции «Либерализация и модернизация электроэнергетических систем: умные технологии в объединённой работе электроэнергетических систем», Иркутск, 2012.

Личный вклад. Автором самостоятельно разработаны: иерархическая модель ЭЭС в виде совокупности взаимодействующих ММ на разных уровнях управления АПНУалгоритмы эквивалентирования электрической сети при определении параметров эквивалентов для АПНУ нижних уровнейпошаговая реализация алгоритма эквивалентирования, обладающего наибольшим быстродействиемметод расчёта параметров эквивалентов, учитывающий статические характеристики исключаемых узлов по частоте и напряжению, а также номинальные и граничные значения активной и реактивной мощностей эквивалентируемых генераторов и нагрузокметодика коррекции параметров эквивалентов для актуализации их на ММ ЭЭС в автоматике предотвращения нарушения устойчивости при изменении текущего режима энергосистемы.

В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит разработка методических и алгоритмических решений, анализ результатов и рекомендаций по их применению.

Публикации. Результаты диссертационного исследования отражены в 13 научных трудах, в том числе, в пяти статьях периодических изданий по перечню ВАК.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, состоящего из 114 наименований, и приложений. Работа содержит 161 страницу основного текста, в том числе 33 рисунка и одну таблицу.

4.4 Выводы.

В данной главе приведено описание работы предложенных методов и алгоритмов в общей схеме взаимодействия технологических алгоритмов централизованной системы противоаварийной автоматики ОЭС Сибири с учётом состава низовых устройств — существующих и перспективных комплексов АПНУ, границ района управления ЦСПА и контролируемых ЛАПНУ. Проведена оценка адекватности предложенной эквивалентной модели.

Приведены расчётные модели ЭЭС для ЦСПА и ЛАПНУ (район управления Центральный-1), сформированные с учётом телеинформации от оперативно-информационного комплекса ОДУ Сибири и системы сбора и передачи информации района управления с центром на ПС 1150 кВ Итатская. На расчётной модели ЭЭС в ЛАПНУ указаны узлы примыкания района к энергосистеме и эквивалентные связи.

На основе математической модели ЭЭС в централизованной системе противоаварийной автоматики определены эквивалентные модели для математической модели ЭЭС в локальной автоматике предотвращения нарушения устойчивости по программному комплексу ИАЗТЯ и по специальному программному обеспечению ЦСПА, куда вошли предложенные в работе методы и алгоритмы эквивалентирования. Расчёт параметров эквивалентов проведён для ряда установившихся режимов, отличающихся запасом статической устойчивости по энергосистеме.

В нормальных режимах, по математической модели ЭЭС в централизованной системе противоаварийной автоматики и модели ЭЭС в локальной автоматике предотвращения нарушения устойчивости с рассматриваемыми эквивалентными моделями, рассчитаны послеаварийные режимы, соответствующие составу пусковых органов района управления. Оценка адекватности эквивалентных моделей проводилась путём сравнения напряжений узлов примыкания в послеаварийных режимах и запасов статической устойчивости по математической модели ЭЭС в локальной АПНУ с моделью ЭЭС в централизованной системе противоаварийной автоматики. Анализ полученных результатов показал следующее:

1 В тяжёлых послеаварийных режимах с большим снижением напряжения использование эквивалентных моделей, рассчитанных по стандартным программам эквивалентирования (таких как программный комплекс Яазй:), вносит погрешность в определение запаса статической устойчивости до 5,6%.

2 Использование эквивалентной модели, рассчитанной по предлагаемому в. работе методу, в тяжёлых послеаварийных режимах уменьшает погрешность определения запаса статической устойчивости до 2,8%.

3 Для режимов, имеющих запас по статической устойчивости в нормальной схеме 15% и более, максимальная погрешность предложенной эквивалентной модели составляет 0,8%, по программному комплексу Яав^ -4,1%.

Таким образом, применение предложенной математической модели ЭЭС в локальной автоматике предотвращения нарушения устойчивости обеспечит приемлемые результаты в определении запаса статической устойчивости района управления, и как следствие — эффективность противоаварийного управления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В связи с развитием иерархической системы АПНУ с функциональной и информационной интеграцией устройств, находящихся на разных уровнях управления, требуется развитие новых методических разработок в области математического моделирования ЭЭС для обеспечения адекватного моделирования ЭЭС в темпе текущего режима. Диссертационная работа выполнена по проблеме построения и использования иерархической модели ЭЭС в рамках действующей централизованной системы АПНУ.

Получены следующие результаты.

1 Для обеспечения адекватности математической модели ЭЭС, используемой в централизованной системе АПНУ, предложена её иерархическая модель в виде совокупности взаимодействующих математических моделей системы для разных уровней управления, позволяющая поддерживать адекватность моделей каждого нижнего уровня. Построение единой структуры взаимосвязанных моделей для иерархической системы АПНУ предусматривает решение следующих задач:

• Определение параметров эквивалентов на верхнем уровне управления для математической модели нижнего уровня и передача их по каналу связи. Выполнение этих операций должно проводиться в темпе обновления информации о текущем режиме работы системы, а полученные эквиваленты должны адекватно отражать реакцию внешней системы в послеаварийных режимах.

• Проведение коррекции (актуализации) параметров эквивалентов, переданных с верхнего уровня АПНУ. Решение данной задачи требуется для обеспечения баланса мощностей в узлах примыкания математической модели, т.к. за время передачи эквивалентов текущий режим ЭЭС может измениться.

Реализация предложенной иерархической модели ЭЭС для централизованной системы АПНУ требует разработки специальных методов и алгоритмов, функционирующих в одном контуре управления совместно с задачей выбора управляющих воздействий.

2 На основе анализа современных иерархических систем противоаварийного управления сформулированы следующие основные требования к математическим моделям ЭЭС, используемым в контуре управления АПНУ при работе по алгоритму 1-ДО:

• полное включение защищаемой электрической сети, определённой задачами управления диспетчерского центра Системного Оператора;

• наблюдаемость энергорайона, т. е. наличие телеметрической информации о составе и режиме сети энергорайона (телеметрическая информация должна соответствовать требованиям надёжности и достоверности);

• локализация защищаемого энергорайона, т. е. выбор управляющих воздействий должен проводиться по условиям защищаемое&tradeсвоего энергорайона и не затрагивать смежные энергорайоны;

• учёт требований, выдвигаемых другими технологическими алгоритмами АПНУ;

• учёт влияния изменения частоты;

• учёт расчётных ограничений, накладываемых эксплуатационным персоналом;

• адекватность математической модели ЭЭС во всём диапазоне моделируемых послеаварийных режимов.

Все перечисленные требования влияют на задачи управления послеаварийными режимами и накладывают ряд особенностей на формирование математической модели объекта управления.

3 Разработаны алгоритмы эквивалентирования электрической сети, используемые для формирования ММ ЭЭС на разных уровнях управления. Проведена оценка их быстродействия и адаптивности к структуре исходной схемы сети. Для работы в комплексах АПНУ предлагается использование алгоритма одновременной свёртки схемы сети относительно узлов примыкания всех районов управления (алгоритм № 3), который обладает универсальностью и наибольшим быстродействием.

4 Разработан метод расчёта параметров эквивалентов, позволяющий определять статические характеристики эквивалентируемой сети по частоте и напряжению, а также другие параметры эквивалентов, в виде, возможном для использования в программах расчёта установившихся режимов и статической устойчивости. Полученный эквивалент может быть использован для исследования установившихся режимов в широкой области их изменения.

5 Разработана методика коррекции параметров эквивалентов для актуализации их на математической модели ЭЭС, используемой АПНУ при изменении текущего режима энергосистемы, основанная на сохранении баланса мощностей в узлах примыкания.

6 Определено место и описан принцип работы предложенных методов и алгоритмов в общей схеме взаимодействия технологических алгоритмов централизованной системы противоаварийной автоматики ОЭС Сибири.

7 Сопоставление разработанных эквивалентных моделей, с эквивалентами, сформированными с помощью известных программных средств, показало, что применение предложенного метода уменьшает погрешность определения запасов в окрестности границы статической устойчивости в два — три раза (в зависимости от тяжести текущего режима).

8 Основным практическим результатом работы является повышение эффективности противоаварийного управления за счёт уменьшения погрешности определения запаса статической устойчивости послеаварийных режимов и повышения точности дозировки управляющих воздействий автоматики предотвращения нарушения устойчивости.