автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ режимов объединенной электроэнергетической системы Гвинеи

РоНКЙСШ-йхудз^шнная) вкЗли1Т<«а

5Т1

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ДАБО АЙССАТА

АНАЛИЗ РЕЖИМОВ ОБЪЕДИНЕННОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СЖТЕШ ГВИНЕИ

Специальность: 05.14.02 - Электрические станции

(электричеокая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

.л

Г. /"

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: к.т.н., доц.НАДЬХЕИН С.

Москва - 1993 г.

Работа выполнена на кафедре электроэнергетических систем Московского энергетического института. ,

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

кандидат технических на| доцент НАДВДИН С.В,.

доктор технических наук, профессор ЕНДЕВИЧ В.В.;

кандидат технических наук, доцент ЗОТОВ В.И.

- ОРГРЭС, г.Москва.

Защита соотоится " 9 " апреля 1993 года в 15 чао. на заседании специализированного совета К 053.16.17 Московского энергетического института в ауд.Г-201

Адрео: 105835, ГСП Москва, Е-250

ул.Красноказарменная, дом 14, Ученый Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан ^ " марта 1993 года.

Ученый секретарь специализированного согета К 053.16.17

к. т.н., доцент )> . Ю. А .БАРАБАНОВ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность текш. Современный этап развития электроэнергетики Гвинеи характеризуется строительством ноецх гидроэлектростанций (пока в стране не выявлены запаси топлива), дальнейшим увеличением мощности существующих электростанций и созданием объединенной энергосистемы общегосударственного назначения. Эти обстоятельства приводят к постоянному росту протяженности линий электропередачи и усложнению условий их работы. Поэтому ГЕиней-ское правительство больное внимание уделяло и уделяет ее развитию, как задаче первостепенной важности и в новой программе страны наметила опережающие темпы развития энергетической промышленности по сравнению с другими отраслями материального производства.

По просьбе Гвтейского правительства разработан проект объединенной энергосистемы страны Канадской фирмой 'Тццрокгебек интернациональ". К этому следует добавить ряд других проектов, е том числе разработанный французской фирмой " EJIF " и разработанный вариант электротехнически.! факультетом университета Конакри (Гвинея; о участием советских преподавателей.

По поручению правительства Канадский проект ягляется объектом исследований в данной диссертации.

В результате разработки проекта получен прогноз элсктропот-ребления страт до 2005 года без учета социальной и экономической сфер, определены мощности и места сооружения- гидроэлектростанций, которые предполагаются построить до 2305 года, выбрана конфигурация электрических сетей системы. Однако каких-либо расчета и анализа прогнозных режимов в стране нет.

В настоящее время пути развития подавляющего большинства электроэнергетических систем не соответствуют в должной мере оптимальным в экономическом и техническом смысле, характеру предъя;ляемым к нам требований. Яенос отставание развития электроэнергетики от роста электропотребления в народном хозяйстве может прНЕгсти к пагубным последствия!.! для страны, задерживая развитие промьплениости, роста благосостояния населения, снижение безработи:ш, певыпенпе уровня культуры трудящихся и про;::)водп?>-ль-ности труда, пагубно влили на экономическое состояние. Универсальность электрической энергии, рост электрификации гтр "!!>т"!лс!!-

ности, сельского хозяйства и быта предопределяет огромное значение современного развития электроэнергетики. В сеязи с большими затратами материальных ресурсов государства, направляемых на развитие электроэнергетики, очень ваяно добиваться оптимального, с экономической точки зрения, развития электроэнергетической системы.

Энергетическая промышленность играет Еедущую роль в создании материально-технической базы в развитии всех отраслей народного хозяйства, в осуществлении технического прогресса и повышении жизненного уровня народа. С развитием электроэнергетической системы Гвинеи все большую актуальность будет приобретать проблема развития народного хозяйства страны, повышение надежности и экономичности энергоснабжения электропотребителей и обеспечение высокого качества электроэнергии, сохранения устойчивости системы при больших возмущениях ее режимов.

Цель работы: комплексное исследование проблем, связанных с созданием и обеспечением надежной эксплуатации энергосистемы Гвинеи по состоянию на 2015 год. Б соответствии с указанной цель» основные задачи диссертационной работы заключаются в следующем:

- анализ спроектированной Канадской фирмой ЭЭС Гвинеи и выявление возможностей ее улучшения;

- прогноз роста потребления электроэнергии и наибольших нагрузок е Гвинее до 2015 года;

- разработка алгоритмов расчета установившегося режима (УР) ЭЭС в условиях плохой сходимости.

В сеязи с перспектиЕой сооружения крупных зэеодое б стране провести анализ влияния статических характеристик нагрузок по напряжению на режим ЭЭС Гвинеи;

- исследование динамической устойчивости ЭЭС Гвинеи по состоянию на 2015 г.

Методы и средства выполнения исследований. Исследования проводились с использованием методов вычислительной математики, методов решения больших систем линейных и нелинейных уравнений, теории линейной алгебры, теории электрических цепей (формирование математического описания задачи установившегося режима ЭЭС), методов программирования.

Исследования проводились с применением персональной ЭВМ и ЕС-ЭШ.

Научная новизна. Б работе получены следующие новые научные результаты, Еьшосише на защиту:

1. Предлочены быстродействующие и надежные алгорнтш расчета установившихся режимов ЭЭС на основе метода Гаусса, преодолевающие трудность учета генераторных узлов (о фиксированным модулем напряжения) в методе Гаусса.

2. Получено ногое математическое описание установившегося режима ЭЭС при представлении матрицы узлоЕых проводимостей в факторизованном виде

3. Разработан новый подход к применению метода Гаусса с учетом нелинейности не в Прагой части уравнения, а в самой матрице узловых прОЕОдимостей генераторных узлов. Показано, что при этом скорость сходимости Е'лле, чем для метода Гаусса при учете нелинейности е правой части уравнений.

4. Разработан алгоритм расчета УР о учетом статических ха-■ рактерпстик нагрузок по напряжению.

5. Впервые для ЭЭС Гвинеи Еыполнени системные анализы режимов работ, Е том числе прогнозирование на длительный срок электропотребления и наибольших нагрузок, анализ нормальных перспзк-ткеных режилов работ ЭЭС и исследования поведения ЭЭС при больших возмущениях.

Практическая ценность работы.

1. Выполненный системный анализ современного состояния и перспектив развития республики Гвинеи указывает на актуальность учета необходимости развития промышленности и сельских регионов.

2. С целью достижения самобалансирования энергосистемы и обеспечения необходимой базисной мощности предлагается соорудить новую ГЭС в районе севера Гвинеи на реке Бафинг о установленной мощностью 300 МВт и ввести имеющиеся и находящиеся в резерве дизельные станции в работу.

3. На 2015 год предлагается внести новую ступень напряжения 225 кВ е западном и северном районах, в случае достижения прогнозных значений электропотребления и наибольших нагрузок страны и сооружение новой ГЭС.

4. Показано, что в энергосистеме Ггинеи тлеются больпие потери мощности и напряжения. При этом сформулированы конкретные предложения по развитию энергетики Гвинеи и улучшению качества электроэнергии и надежности питания.

5. Разработанные алгоритмы и полученные результаты е данной работе могут Сыть использованы проектными организациями Гвинеи, а такке организациями, занимающимися вопросами перспектив развития энергетики страны.

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликована одна статья е виде депонированной рукописи.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на семинарах, заседании кафедры "Электроэнергетические системы" МЭИ.

Объем работы. Диссертация состоит из ЕЕедения, четырех глав, заключения, приложений и библиографического списка, включающего 6С наименований. Основной текст содержит 132 стр.машинописного текста, иллюстрируется 27 рис., 24 табл.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бо Еведении обоснована актуальность темы диссертационной роботы, сформулированы цель и общая задача исследоЕаний и в краткой форме излагается содержание глав диссертации.

В первой главе дается характеристика современного состояния ЭЭС Ггинеи и•перспективы ее дальнейшего развития и на основе анализа ее режимов формулируется постановка задачи.

В настоякее время на территории Гвинеи имеется три независимо работающих ЭЭС: система Конакри-Киндиа, система Маму-Лабе и система Фарана-Дингирае. Остальные города получают энергию от автономных дизельных электростанций. Однако такой путь элект-' р и? акации не Еыгоден стране, так как государственные расходы на топливо постоянно растут. Поэтому уделяется большое внимание на развитие энергетики Гвинеи на основе строительства преимущественно гидроэлектростанции (ГЭС).

В последние годы многие фирмы также занимались инвентаризацией гидроресурсов Ггинеи это: ГидрокЕебек интернациональ (Канада), COYNE и BetCia (Франция), Potitechna и др. Ими было сделано подробное перечисление потенциальных местностей и в реэульт-те определены 123 места для строительства ГЭС. Ка основе этих исследований Канадской фирмой Гвдроквебек Интернациональ ( Н, Q, I ) по просьбе Гвинейского правительства разработан проект объединенной энергосистемы страны. К этому еле-

«- < ■• о „

Ci.; 5

TV*

«« «

e

£ Г-

OO

5

e

«О •

s:

•o

ï: <o c»

S 6c

Cj (S '

» ' _

о

i.-Г

|CD-fGO—1

e ï

►M ^ _

-Q&J"

.ç

o>

•a к

гШ-KD

I 2 t "i

ft ©-Л

«o

5

S

«e

.e «

s

-ПТ)—, ft ¿

I — " O I ">

!!

Й®!.^4 Г

^ ? г-« "2

-»4- Ô «о E,; i «

" -» * «о „ - 5

» «-» с: £ -,__

* "Vi _ >___ I

I

5

4

-5:

r-

«V

к.

Сэ

S-

s

* *

' К

Cj H

"> «M rsi

«o

S

jr

E

«a

с

£<D-H¡)

tí о

л (и К

Б

<о

•о •о

S ES

И. i .

3 В

а) О Q Ч С1» О

m п м

дует добавить ряд проектоЕ, в том числе разработанный французской г. ирмой ОР и разработанный Еариант электротехнически Факультетом университета Конакри (Гвинеи) с участием советская преподавателей.

Канадский проект является объектом исследований в данной диссертации (рис.1). Расчет установившегося ре:кпма (УР) ЭЭС (рпсЛ) показывает, что спроектированная система не полностью удовлетворяет требованиям по эксплуатации, в системе нет резерва мощности электростанции ЭС. При увеличении нагрузки в системе протекающий ток в некоторых элементах недопустим.

Во еторой главе в связи с развитием промышленности и сельских регионов Гвинеи рассматривается прогноз электропотребления и максглальной нагрузки. На основе анализа и обработки статистических данных Канадского проекта о росте максимальной нагрузки и зл^ктропотребления в системе проводился прогноз последних на перспективу до 2015 года. С этой целью кспользоеэны три метода прогнозирования:

1) метод непосредственной экстраполяции электропотребления; результаты расчета представлены на рис.2а, кривая I;

2) метод прогнозирования электропотребления на пятый летний интервал (рис.2а, кривая 2);

3) прогнозирование, основанное на методе экстраполяции временных рядов еыполнялось с помощью программы, разработанной на кафедре. Полученные результаты представлены на рис.2а, кривая 3.

Последний метод более приемлем и очень близко описывает метод Гидрогаебек кнтернациональ, его использование целесообразно при прогнозировании нагрузки разЕигающейся страны как Гвинея.

Далее рассматривается метод доверительных интервалов для прогнозируемых Ееличпк. Доверительные интервалы учитывают неопределенность, связанную с ограниченностью .числа наблюдений и исходной информации о развитии, и соответствующую неточность найденных оценок параметров кривых. График доЕерительного интервала показан на рис.26.

На основе прогноза наибольшая нагрузка потребителей составляет 405 :.3т. В сеязи с перспективами сооружения ряда предприятий по производств/ алюминия, добыче бокситов, сооружения заводов черной металлургии, нефтеперерабатывающие и т.д. нагрузка

гэс-а

ГЭС-6!

_¡д*' г-нзр-ч-е™

1/1» »/17

ЭС-53

0-К5>-К£>

М

Рис.3. Электрическая

схема ЭЭС Гвинеи ^ — на пгриод 2015 г.

Н},

УИ11 215

110 к В 110x1

/К5Нв

Н11 225 кВ ГЭС-58

. Л

N28—Г- лгч , П

- -ОСИ—I—

К27-Н- покб 110 иВ

30 кВ

„¿гзЬ" ^ 1

"Т-1!1! I-

Н15 -^НЗО

НН «7 &

им

потребителей составляет около 615 13т, а на периоде 2005 года генерирующая мощность всеми электростанциями составляет около 300 :.Шт. Увеличение нагрузок приводит к дефициту мощности ЭС, чтобы повысить надежность электроснабжения подстанции предполагается сооружение ГЭС Кукутанба на севере Гвинеи п ееод имешкх-ся мощных дизельных электростанций (ДЭС) и ТЭС (Томбо, Ка.мспр и Фрпа).

В случае достижения прогнозных значений электропотребления и наибольшее нагрузок страны и сооружение новой ГЭС предложено ЕЕести новую ступень напряжением 225 кВ в западном и северном районах. На рпс.З показаны энергосистемы Гвинеи на период 2015 года.

В третьей главе обоснована разработка алгоритмов расчета установившихся режимов ЗЭС на осноЕе метода Гаусса и анализ сходимости предлагаемых алгоритмов. При разработке алгоритмов уравнения УР представлены в блочно-матрнчном ендз:

Yнн Y Гн

Гнг Угг

а-1 л

V„ Vha 0

а-1 л

Vr 0 vfá

Чн5 Уг5

Vi

(I)

где индекс "г" обозначает генератор;ые ( РУ ) узлы, а индекс "н" нагрузочные ( Р Я ) узлы, остальные обозначения общепринятые.

РазбИЕ ураЕнение (I) на дез, получим:

Xнн ин +Чнгйг • Ума 5н - Чн6 (2)

Угн ¿н ♦ У г г Уг а 5 г -^г! У 6 (3)

Известно, что сходимость метода Гаусса зависит от свойств узла. Для нагрузочных узлов сходимость намного лучпе, чем для генераторных узлов.

Исходя из этих соображений сделаем некоторые математические преобразования для того, чтобы изменить структуру матрицы гене-

раторних ( ^гг ) к нагрузочных ( Унн ) узлов, которая позволяет получить хорошую сходимость итерационного процесса. Поэтому путем преобразования уравнений (2) и (3) можно предложить два варианта алгоритма расчета режимов на осноге метода Гаусса:

А) Алгоритм расчета У? с учетом линейности диагональных элементов в матрице узловых прогодимостей

HiM (4)

. i«/ г -г i \.и'"

WH*(WPrx[Vr„a3]X =-jWr-Yr5VS (5)

Б) Алгоритм расчета УР с учетом нелинейности диагональных элементов е матрице узловых проводиыостей генераторных узлов

! Sha \ ■<"*'> -М * Д"'""/ 1 „ ,,

L-j^-)ии ЧЛ -^нд (6)

\ "ном' "НОМ

■ 1к) / л<к>г -г i \ -(к*')

-~rr5US (7)

Для того, чтобы проверить быстродействие и надежность этих алгоритмов, проведено расчетное исследование, использоезны тестовые схемы, характеристики которых приведет в табл.1.

Результаты расчета показали, что оба варианта А и В намного надежнее и быстрее сходятся, чем метод Гаусса без преобразования матрицы узловых проЕодимостей. В табл.2 представлено число итераций тестовых схем.

' Итерационные характеристики этих методов при расчете режима схемы С-4 показаны на рис.4, а на рис.5 показаны зависимости гремени расчета от величины точности решения ( -Cji )

для схемы С-4.

Сравнительный анализ разработанных алгоритмов с методом Ньютона-Рафсона представлен в табл.3. Показано, что разработанные алгоритмы сходятся намного быстрее, чем метод Ныотона-Рафсона. Даже для тех схем, где метод Ньютона расходится о начальным приближением, равным номинальным напряжениям, разработанные ал-

Таблица I

Характеристики тестовых схем

й |Наз-ш>хеи !чпс- ; }ло \ | узлов| Число вет-ве:! ¡Число; ¡гене-; ;рато—! Гров ! Уном сети кВ тт,...... г ¡Число I {трапе-1 ¡форма-! 'торое ! Примечание

I С-1 27 29 2 223,110, 12

530

2 С-2 31 43 5 230 ' - ЭОС Сирии

3 с-з 58 £8 10 225,110, 25 ЭЗС Гвинеи до

30 2015 года

4 С-4 58 Ы 6 225,110, 18 ЭЭС Гвинеи до

30 2005 года

5 С-5 17 17 3 500,220 7

6 С-6 4 4 I 500,220 2 кольцевая

7 С-7 15 15 3 500,220 7

Таблица 2

Число итерация тестовых схем

N. ихемы ! Ч: ело ::т срацгй

Метод \| С-1 1 1 ' С-2 ' ! ! С-З ! I ! ^ 1 ! С-5 С-6 С-7

Метод Гаусса 10 Расх Расх Расх 18 12 20

Вариант "А" 10 12 55 6 14 6 14

Вариант "В" 10 9 55 8 9 6 9

М-

-I

18

Ыит.

-1—т-г

4 Л 12 « го

1 ■

19

Ю

л итв(,"б

Пит.

1 и ¡6 го

Вариант А Вариант В

Рис.4. Характеристики итерационного процесса

* -

2 -

Вариант А

Вариант В

Гис.5. Зависимость времени расчета ( ) от величины точности решения (-ф £ ) для схемы С-4

}

Г

Таблица 3

Результат?! сравнительных расчетов для УСТ МЭИ и разработанных алгоритмов

Схемы Методы 1 ! Метод ¡Гаусса с уче-!том линей-¡ности J Метод Гаусса с учетом нелинейности генераторных узлов ! Метод Ныстона-Райсона УСТ МЭИ

Нит. ю 10 7

С-1 . о 1,54 1,32 5,6

6 5865-Ю-2 5579 -ИГ2 0,1

N ию. 16 12 9

С-2 . с 2,52 1,65 6,42

£ 6484-Ю-2 5233-Ю-2 ОД

Иит. 31 30 Расх

С-3 ¿р . о 8,62 6,7 Расх

£ 8429-Ю-2 9705« Ю-2 Расх

Нит, 6 8 Расх

С-4 tp , с 1,6 1.7 Расх

£ 8192 -КГ2 4535. Ю"2 Расх

Мит. 14 „ 9 Расх

С-5 tp, с 1,48 0,99 Расх

£ 6884-Ю-2 5595-Ю-2 Расх

Иит. 6 6 2

С-6 ¿/>. о 0,49 0,44 0,64

£ 4116-Ю-2 4099-Ю"2 0,1

Ыит. 14 9 4

С-7 и. с 1,59 0,99 3,17

£ 7878-ТО"2 5494-Ю"2 0,1

горитмы дают решение с этим же начальным приближением. . -Анализ результатов расчс.та нормальных перспектихкых УР ЭЭС Гвинеи на период 2015 года показывает, что для обеспечения допустимого предела напряжения необходило установить дополнительные устройства.

В ходе расчетов баланса реактивной мощности в режиме наибольших нагрузок, и после аварийном режиме появилась необходимость установки батарей конденсаторов (ЕК) е узлах 21, 34 и 49, е узле 12 реактор. В режиме наименьших нагрузок необходимо установить реакторы е узлах 5,9,12 и 14, а е узле 41 БК.

Показано, что учет статических характеристик нагрузок (СХН) увеличивает уровень узлоеых напряжений и уменьшает потери активной мощности в сетях.

Четвертая глава посвящена исследованию динамической устой-чиеости ЭЭС Гвинеи на этапе 2015 года.

При исследовании динамических сеойств энергосистемы Гвинеи рассмотрено ее поведение в режиме максимальной нагрузки при трехфазном коротком замыкании (КЗ) в наиболее опасных точках энергосистем (рис.4).

Необходимые расчеты выполнялись с использованием промышленной программы "МУСТАНГ". При расчете принималось постоянство переходной ЭДС ( Е -C0пst ) и длительности КЗ 0,14 и 0,2 с.

На основе анализа результатов расчета, при отключении КЗ через 0,24 и 0,3 с, можно заключить, что приложение возмущающие воздействий во Есех выбранных точках не приводит к нарушению параллельной работы генераторов системы. Однако роторы генераторов совершают длительные качания. В качестве примера (см.рис.6а). На рис.66 предстаЕлена характеристика зависимости максимального угла от Бремени отключения КЗ для точки К1 до времени 0,6 с сохраняется синхронной динамической устойчивости.

В качестве проверки системы на самораскачиЕание выполнен повторный расчет переходного процесса для первоначальных исходных условий, но с увеличенным временем расчета, для исследуемой системы проводился на 18 с.

Анализ графика показал, что амплитуды взаимные углы ^ уменьшаются со Бременем, затухание возможно с при-

менением мероприятия (установка АРВ сильного действия).

Для обеспечения колебательной устойчивости системы предложено. что генераторы электростанций снабжены АРВ сильного дейст-

а) Зависимость / при кз в точке К1 0,24с

150-

100-

50-

¿тах, гРад

етк/т.*

0.1 0.1 0,1 ОЛ Л5 0.6 0.1

<3) Зависимость максимального угла от времени отключения кз ( tím^/l ) при кз в точке К1

Рис.6

ie

Рис.4.II. Зависимость ¿ij-f(i) при КЗ е точке К5 *чткл " 0 Учетом ЛРЕ СД

вия. В этом случае обеспечивается сохранение колебательной устойчивости системы при Еозмужениях в точках, е которых наблюдалось нарушение устойчивости ЭЭС по самораскачиЕанию (рис.7).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

После проведенного комплекса исследований получены следующие основные результаты:

1. Показано, что спроектированная ЭЭС Канадской фирмой Н01 (ГидрокЕебек интернациональ) до 2005 года не полностью

удовлетворяет требованиям по надежности энергоснабжения электропотребителей и обеспечению еысокого качества электроэнергии;.

2. В сеязи с перспективами развития народного хозяйства страны проведен прогноз развития электропотребления и наибольших нагрузок до 2315 года с учетом сооружения ряда крупных предприятий. Показано, что в стране будет дефицит по мощности и энергии. Предложена ликвидация дефицита за счет ввода дизельных электростанций Томбо, Камсар и Фриа и сооружение гидроэлектростанции Кукутанба на севере Гвинеи на реке Бафкнг.

3. Предложены быстродействующие и надежные алгоритмы расчета установившихся режимов ЭЭС на основе метода Гаусса, преодолевающие трудности учета генераторных узлов (о фиксированным модулем напряжения).

4. Получено новое математическое описание установившегося режима ЭЭС при представлении матрицы узловых проводимостей в факторизованном Еиде.

5. Разработан новый подход к применению метода Гаусса с учетом нелинейности не в правой части уравнения, а в самой матрице узлоЕых проЕодпмостей генераторных узлов. Показано, что при этом скорость сходимости выше, чем для метода Гаусса при учете нелинейности в правой части уравнения.

6. Разработанный алгоритм расчета установившихся режимов ЭЭС позЕоляет учитывать статические характеристик;! нагрузок по напряжению.

7. Проведено исследование влияния статических характеристик нагрузок по напряжению на параметры режимов ЭЭ Гвинеи.

8. Проведенные расчеты динамической устойчивости при трехфазном коротком замыкании в наиболее критических точках показан;, что система будет устойчива при tgmк/,= 0,24-!-3,0 с. Наибольшее

ьлшшие на поишоние качества динамической устойчивости, как показали расчет, будет при установке ЭС ЛРВ сильного действия.

пДГ'; Ти,.'аА ]СС _ Л.КМ Щ _

1н.!'1!р.|фи>1 \\-ill, Крзи1"Ь.н:11>ч<'И!ин. !:(