автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Методы оценки независимости источников питания и мероприятия по повышению надежности и устойчивости электротехнических систем непрерывных производств

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НЕЗАВИСИМОСТИ ИСТОЧНИКОВ ПИТАНИЯ И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ НАДЕЖНОСТИ И УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ НЕПРЕРЫВНЫХ ПРОИЗВОДСТВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

3 0 ГЕН

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва —2015

005562656

005562656

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет нефти и газа имени И.М. Губкина»

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Ершов Михаил Сергеевич

Официальные оппоненты - Соснина Елена Николаевна,

доктор технических наук, профессор кафедры «Электроэнергетика, электроснабжение и силовая электроника» Нижегородского государственного технического университета им. P.E. Алексеева

Плащанский Леонид Александрович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Электрификация и энергоэффективность горных предприятий» Московского горного института (МГИ)

НИТУ МИСиС

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский

университет «МЭИ»

Защита диссертации состоится «х7?» ОЧтя2015 года в 15 часов 00 минут на заседании диссертационного совета Д 212.200.14 при Российском государственном университете нефти и газа имени И.М.Губкина по адресу: 119991, Москва, Ленинский проспект, 65, корпус 1, ауд. 308.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российского государственного университета нефти и газа имени И.М. Губкина.

Автореферат разослан « » {'sигл Зоя. 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

А. В. Егоров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема обеспечения надежности и устойчивости работы электротехнических систем и технологических процессов является актуальной для ряда отраслей экономики страны, включая непрерывные производства нефтяной и газовой промышленности. Во многом проблемы устойчивости промышленных электротехнических систем обусловлены определенным функциональным несоответствием мощных потребителей электрической энергии, особенно, объектов с большой долей электродвигательной нагрузки, и источников питания систем электроснабжения. Представляется, что по мере дальнейшего развития и усложнения технологических процессов в промышленности эти проблемы будут только обостряться.

Вынужденные отключения электрооборудования непрерывных производств чаще всего обусловлены короткими замыканиями (КЗ) в электрических сетях, проявляющимися в виде провалов напряжения в узлах нагрузки и на вводах электроприемников, длительность которых, как правило, составляет от десятых долей до нескольких секунд. Несмотря на кратковременность, такие возмущения приводят к самоотключению и/или нарушению устойчивости промышленных электротехнических систем (ЭТС) с электродвигательной нагрузкой. Вызванные кратковременными нарушениями электроснабжения (КНЭ) аварийные остановы нефтегазовых производств зачастую сопровождаются не только недоотпуском товарной продукции, но и сбросом сырья на факел и, как следствие, значительными экологическими последствиями.

В системах централизованного электроснабжения, сети которых имеют замкнутую структуру, глубокие провалы напряжения часто возникают одновременно на всех источниках. Таким образом, источники питания систем централизованного электроснабжения потребителей, критичных к кратковременным нарушениям электроснабжения, не являются в полном смысле слова независимыми.

Выбор противоаварийных мероприятий и технических решений, направленных на повышение устойчивости работы электротехнических систем непрерывных производств, во многом зависит от показателей надежности системы внешнего электроснабжения, особенно от степени независимости источников питания. Неправильная оценка взаимной зависимости источников питания, может стать причиной выбора неэффективных и дорогостоящих мероприятий по обеспечению надежности, и, как следствие, причинения предприятию значительного экономического ущерба.

Вопросы оценки степени независимости источников питания электротехнических систем исследованы в ряде научных работ, при этом часть вопросов оценки независимости источников требует дальнейшего изучения и решения. В частности, существующие методики направлены скорее на качественное, нежели количественное определение степени взаимной зависимости источников питания и требуют дальнейшей проработки. Дополнительного изучения требует вопрос оценки влияния несимметричных аварийных возмущений и происходящих при этом переходных процессов в системах промышленного электроснабжения на показатель независимости.

Представленная работа посвящена исследованию методик количественной оценки степени независимости источников питания, разработке предложении по их модернизации, апробации полученных выводов и разработке рекомендаций по

снижению чувствительности электротехнических систем промышленных предприятий к кратковременным нарушениям электроснабжения, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель работы заключается в развитии методов оценки независимости источников питания систем централизованного электроснабжения, способствующих разработке эффективных решений для повышения надежности и устойчивости электротехнических систем непрерывных производств.

Для достижения указанной цели в работе были решены следующие основные задачи:

1. На основании анализа экспериментальных данных и обзора литературных источников определены характерные диапазоны и установлены вероятностные оценки параметров провалов напряжения в основных узлах систем централизованного электроснабжения промышленных производств, которые могут быть использованы в качестве исходных данных при моделировании режимов и процессов промышленных электротехнических систем;

2. Разработаны рекомендации по расширению набора показателей независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания;

3. Разработана новая модификация метода оценки независимости источников питания, учитывающая несимметричные аварийные возмущения в системах централизованного промышленного электроснабжения;

4. Для систем электроснабжения крупных нефтегазовых производств выполнено компьютерное моделирование и анализ показателей надежности и независимости источников питания;

5. Даны предложения по нормированию показателей надежности и независимости источников питания и систематизированы рекомендации по повышению устойчивости работы электротехнических систем промышленных объектов при авариях в системах централизованного электроснабжения.

Объектами исследования в представленной работе являются электротехнические системы предприятий нефтегазовой промышленности с непрерывными технологическими процессами и системы их электроснабжения.

Методы исследования. В работе использовались положения и методы теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математического и компьютерного моделирования электротехнических систем, теории устойчивости ЭТС, основ теории надежности.

Научная новизна результатов исследований:

1. Предложенный набор показателей независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания связывает эти показатели с параметрами устойчивости ЭТС и расширяет возможности оиенки эффективности систем электроснабжения путем включения вероятностно-статистических показателей критических кратковременных нарушений электроснабжения, подлежащих определению, как в процессе проектирования, так и в процессе эксплуатации систем электроснабжения предприятий.

2. Предложенная модификация метода оценю! независимости источников питания, отличается учетом не только трехфазных, но и наиболее частых несимметричных аварийных возмущений в системах промышленного централизованного электроснабжения, что позволило более полно учесть влияние характера возмущений на показатели независимости и надежности источников питания.

3. Выполненный анализ результатов моделирования систем электроснабжения нефтегазовых производств, позволил установить закономерности влияния параметров источников, структуры электрических сетей и переходных процессов на выбранные показатели, выделить характерные области сетей, аварии в которых вызывают критические возмущения в основных узлах электрической нагрузки предприятий, предложить рекомендации по нормированию надежности и независимости источников питания, систематизировать рекомендации по повышению надежности работы промышленных электротехнических систем при авариях в системах централизованного электроснабжения.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Предложения по расширению набора показателей надежности и независимости взаимно резервирующих источников, включая вероятностно-статистические показатели критических кратковременных нарушений электроснабжения, связывающие эти показатели с параметрами устойчивости промышленных электротехнических систем.

2. Метод и методика оценки независимости источников питания, учитывающая характер аварийных (симметричных и несимметричных) возмущений в системах промышленного электроснабжения.

3. Результаты моделирования систем электроснабжения нефтегазовых производств и установленные закономерности влияния параметров источников, структуры электрических сетей и переходных процессов на выбранные показатели.

4. Предложения по нормированию показателей надежности и независимости источников питания и систематизированные рекомендации по повышению надежности и устойчивости работы промышленных электротехнических систем при авариях в системах централизованного электроснабжения.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечиваются хорошей сходимостью расчетных и эксплуатационных результатов, использованием апробированных методов компьютерного моделирования электроэнергетических систем, апробированных программных средств расчёта режимов систем внешнего электроснабжения.

Практическая значимость работы.

1. В набор показателей независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания предложено включить вероятностно-статистические показатели критических кратковременных нарушений электроснабжения, которые расширяют возможности оценки эффективности систем электроснабжения, позволяют объективно и наиболее полно оценивать надежность и независимость источников и систем электроснабжения по отношению к требованиям технологического процесса производства.

2. Методика оценки независимости источников питания, учитывающая характер аварийных возмущений в системах промышленного электроснабжения, позволяет получить более точные, соответствующие практике эксплуатации показатели надежности и независимости источников питания систем промышленного электроснабжения, что дает возможность выработать более обоснованные решения, направленные на повышение устойчивой работы электротехнических систем, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.

3. Для ряда крупных нефтегазовых производств предложены и реализованы наиболее перспективные технические решения повышения надежности

электроснабжения промышленных объектов, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 65-ой Международной научной студенческой конференции "НЕФТЬ И ГАЗ - 2011" (Москва. 2011); Девятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности "Новые технологии в газовой промышленности" (Москва, 2011); 66-ой Международной научной студенческой конференции "НЕФТЬ И ГАЗ - 2012" (Москва, 2012); Юбилейной десятой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов "Новые технологии в газовой промышленности" (газ, нефть, энергетика) (Москва, 2013); I М1жнародно1 науково-техжчноТ конференци викладач1в, асшранлв i студенев "Сучасш проблеми систем електропостачання промислових та побутових об'ск-пв" (Донецк, 2013); Научно-технической конференции молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности» (Москва, 2013); Ш-ей Всероссийской научно-технической конференции студентов, магистрантов, аспирантов "Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов" (Тольятти, 2014): Х-ой Всероссийской научно-технической конференции "Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России" (Москва, 2014); Одиннадцатых Международных научных Надировских чтениях «Альтернативная энергетика и энергосбережение в нефтегазовом комплексе» (Атырау, 2014); ХХ-ой Всероссийской научно-технической конференции «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность» (Томск, 2014).

Публикации. По теме диссертации опубликовано четырнадцать печатных работ, в том числе, четыре в изданиях, рекомендованных ВАК МОН РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 69 наименований, 3 приложений. Работа изложена на 186 страницах машинописного текста и содержит 41 рисунок и 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели, задачи и методы исследования, определены основные научные положения, выносимые на защиту, отмечена их научная новизна и практическая ценность.

В первой главе произведен анализ причин и параметров кратковременных нарушений электроснабжения, проявляющихся в виде провалов напряжения, определены характеристики устойчивости электротехнических систем объектов нефтегазовой отрасли с непрерывными технологическими процессами. Установлено, что существующий набор показателей независимости и надежности взаимно резервирующих источников не учитывает частоту возникновения аварийных режимов в сетях внешнего электроснабжения предприятия и требует доработки и расширения.

Наиболее частыми причинами провалов напряжения (внезапное понижение напряжения ниже 0,9 o.e.) являются короткие замыкания, которые могут быть обусловлены ударами молнии. загрязнением изоляции, механическими повреждениями изоляторов и опор линий электропередачи, касанием проводов посторонними предметами и другими причинами.

Провалы напряжения характеризуются следующими показателями:

- вид (симметричные, несимметричные);

- глубина Дм;

- длительность т;

- частота возникновения.

Глубина провалов напряжения Дм изменяется в пределах 0-1 o.e. и зависит от структуры электрических сетей питающей электроэнергетической системы, электрической удаленности точки КЗ от узла, в котором фиксируется напряжение, а также от вида КЗ.

Длительность провала напряжения т определяется временем отключения линии, если КЗ ликвидируется действием релейной защиты. Как правило, длительность провала напряжения составляет десятые доли секунды, а при системных авариях до нескольких секунд и более.

Наиболее полными характеристиками случайных величин глубины Ли и длительности г провала напряжения являются плотности распределения, которые, согласно данных многолетних наблюдений, подчиняется двумерному экспоненциальному закону.

По статистическим данным глубина и длительность провалов напряжения практически независимы друг от друга, то есть являются некоррелированными случайными величинами. Поэтому эти величины могут характеризоваться раздельно одномерными законами распределения. С учетом выдержки времени действия аварийных защит при возмущениях в системе электроснабжения, а также уставки напряжения срабатывания аварийного осциллографа, одномерные законы распределения глубины и длительности провалов напряжения являются смещенными и имеют вид

Au-Su 1 Au

f Au =—--e M0 (1)

Au

MO t-5t

f т =—-e Гмо (2)

T

MO

где Ли — математическое ожидание глубины провалов напряжения; 5и -МО

смещение по напряжению, как правило 0,1 o.e.. связанное с уставкой срабатывания аварийного осциллографа; г^ — математическое ожидание длительности провалов

напряжения; 6т - смещение по времени, связанное с конечным временем действия защит, как правило, не менее 0,08 с.

Вероятность попадания параметров Ли и г в заданные интервалы (Аг/j,

Ai<2 ) н ( z*j , г2 ) соответственно может быть определена из выражения

Au ^

Р{Аих<Аи<Аи2л1<г<г2) =РАи'Рт= 1 f Alt d Аи ■ \f

dr

Д"1 T\

(3)

где - вероятность критического провала напряжения; Р. - вероятность критической длительности провала напряжения.

Критические параметры (глубину и длительность) провалов напряжения предложено определять исходя из параметров устойчивости электротехнических систем. Наиболее полной характеристикой устойчивости ЭТС является граница устойчивости, определяемая зависимостью t{u) допустимого времени /, с нарушения электроснабжения от величины остаточного напряжения и— 1 — Аи o.e. Достаточно полно данная граница определяется двумя параметрами: напряжением статической устойчивости ЭТС ису и временем динамической устойчивости т0 . С целью дальнейшей оценки влияния кратковременных нарушений электроснабжения определены численные значения показателей устойчивости электротехнических систем исследуемых объектов, которыми выбраны Астраханский, Оренбургский газоперерабатывающие заводы и Московский нефтеперерабатывающий завод.

Вероятность Р возникновения критических провалов напряжения определяет математическое ожидание вынужденных отключений узла нагрузки Л'откд

N - N •Р, (4)

откл ср

где N - среднее за год число провалов напряжения, фиксируемых аварийными

ср

осциллографами по одному вводу.

Характеристиками источника питания по отношению к параметрам границы устойчивости ЭТС могут служить средняя глубина критических провалов напряжения и средняя длительность провалов напряжения.

Частота возникновения провалов напряжения на вводах систем промышленного электроснабжения может быть определена по результатам мониторинга напряжения на вводах ЭТС в процессе эксплуатации или определена в результате компьютерного моделирования системы внешнего электроснабжения.

Особого внимания требует вопрос определения исходных данных частоты отказов для компьютерного моделирования. В первую очередь частота провалов напряжения на вводах системы определяется отказами воздушных линий (BJI) электропередачи 35-330 кВ, в особенности линий напряжением 110 кВ, протяженность которых намного превышает протяженность линий других классов напряжения. Значения частоты (параметра потока) отказов воздушных линий электропередачи могут быть взяты из справочников по проектированию электрических сетей и руководящих документов РАО «ЕЭС России».

Особенностью отключений BJI является возможность одновременных отключений цепей одной двухцепной линии. Вызванные грозовой деятельностью отключения цепей BJI электропередачи являются зависимыми событиями. В среднем, около 50% грозовых разрядов, попадающих в двухцепные ВЛ, приводят к одновременным отключениям обеих цепей. Для того, чтобы учесть данный факт при моделировании, расчетную схему системы внешнего электроснабжения предлагается дополнять фиктивными узлами, объединяющими цепи линии, в которых моделируются короткие замыкания. Частота таких аварий может быть взята из справочников или определена по формуле

где п - удельное на единицу длины число грозовых отключений; Z^^ - длина двухцепной ВЛ.

Принцип выбора параметров надежности и независимости взаимно резервирующих источников питания для потребителей, чувствительных к

кратковременным нарушениям электроснабжения, должен заключаться в возможности статистической оценки одновременных критических провалов напряжения источников питания при авариях в системе централизованного электроснабжения. Учитывая, что большинство промышленных предприятий имеет питание от нескольких взаимно резервирующих источников питания, необходима также оценка степени зависимости таких источников, в качестве количественной характеристики которой используется коэффициент зависимости.

Таким образом, предложенный минимальный набор параметров надежности и независимости у-го источника питания промышленной электротехнической системы должен включать

- среднюю частоту критических провалов напряжения в основном узле электротехнической системы за годЛ^ 1/год;

- среднюю глубину критических провалов напряжения Ди^, о.е.;

- среднюю длительность провалов напряжения т^, с;

- коэффициент зависимости /-го и у-го источников питания к^ . ^ .

Во второй главе разработана модификация метода и методики по определению параметров независимости и надежности взаимно резервирующих источников питания на стадии эксплуатации и проектирования систем электроснабжения.

На основании анализа публикаций выделены два основных известных метода расчета параметра зависимости источников питания, применяемые на стадии проектирования систем электроснабжения.

Первый метод наиболее полно освещен в работах Ю.Е. Гуревича. По данному методу коэффициент зависимости источников питания определяется как отношение глубины снижения напряжения на неповрежденном источнике питания к глубине снижения напряжения на том источнике питания, на котором имеет место короткое замыкание

Л

^'/(норм) ~и1 , л ^у'(норм)

к _юу))__(6)

и., .-и.

Хнорм) 7кз(.}

^'¿(норм)

где (и.. - и. ) - глубина провала напряжения на /-ом источнике при Рм; кз(у')

кротком замыкании на _/-ом источнике; (V . - V . ) - глубина провала

напряжения на ./'-ом источнике при кротком замыкании на /-ом источнике;

и., ч, и ./ нормальные напряжения на/-ом и/'-ом источниках; и. ,

г(норм) ./(норм) у *

11 . - напряжения на /-ом иу'-ом источниках при коротких замыканиях на и у'-ом Лсз(/)

и ¡-ом источниках, соответственно.

Рассмотренный метод отличается простотой и требует расчета минимального числа (равного числу источников питания) аварийных режимов. Вместе с тем методу присущи некоторые недостатки:

- из рекомендуемого набора параметров надежности и независимости источников питания определяется только один - коэффициент зависимости;

- в общем случае результаты расчета зависят от порядка выбора источников,

то есть к ,.

з(/,7) зО.г)

-метод не учитывает устойчивость электротехнической системы предприятия к возмущениям;

- в некоторых случаях получаются необоснованно заниженные оценки зависимости источников питания.

Последнее утверждение, о получении заниженных значений коэффициентов зависимости, следует из того, что источники питания, на которых моделируются короткие замыкания, являются заведомо наиболее электрически удаленными друг от друга узлами схемы внешнего электроснабжения.

Данный метод положен в основу экспресс-методики и рекомендуется к применению только на стадии эскизного проектирования системы электроснабжения с централизованными источниками питания.

Второй метод, предложенный в РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, основан на имитационном моделировании аварий во внешних электрических сетях. В данном методе осуществляется имитационное моделирование коротких замыканий во всех узлах системы внешнего электроснабжения, приводящих к глубокому (ниже напряжения статической устойчивости) провалу напряжения хотя бы в одном из основных узлов — на шинах РУ-6(10) кВ ГПП) промышленного объекта. В результате моделирования КЗ определяется число отдельных и одновременных критических провалов напряжения со стороны источников питания системы централизованного электроснабжения. При этом коэффициент зависимости источников питания /-го и у'-го узлов нагрузки относительно критических возмущений, определяется по формуле: N..

* (7)

зО, Л N. .ч + N. Л-Л',. л (О О) 0,Л

где Л'^, Л'^ - число критических провалов напряжения на /'-ом иу'-ом источниках за период наблюдения число одновременных критических провалов

напряжения на обоих источниках за период наблюдения Т.

Кроме определения параметра независимости с помощью данного метода после доработки можно определить и другие перечисленные выше показатели надежности источников питания.

Основными недостатками метода являются:

- отсутствие алгоритмов расчета параметров на стадии эксплуатации;

- большой объем вычислений, требующихся в ходе имитационного моделирования, что затрудняет использование метода для многовариантных расчетов на стадии проектирования;

- метод не учитывает характер возмущений - вид КЗ, что приводит к завышению оценки зависимости источников питания на стадии проектирования.

Тем не менее, второй метод имеет преимущество в части определения полного набора показателей надежности и независимости источников, поэтому он

был принят за основу для дальнейшей доработки и доведения до инженерной методики.

На стадии эксплуатации ЭТС предприятий оценка параметров осуществляется на основании обработки осциллограмм напряжения, фиксируемых с помощью устройств цифровой регистрации сигналов. Цифровые аварийные осциллографы, подключаемые к основным узлам электрической нагрузки объекта -секциям РУ-6(10) кВ ГПП запускаются по факту снижения напряжения ниже определенного уровня, как правило. 0,9 o.e. Пример аварийных осциллограмм приведен на рисунке 1. Последующая обработка осциллограмм предполагает вычисление мгновенных линейных напряжений и UßQ> иС4' Расчет

действующих линейных напряжений U U

Фаза А

Ii Iii'!' ffltft Ц \ Л i 1.4 I -C t

ЙМ-ЩШШ Fi , ' Ii lifflllf 1:0 ilMJllillZiij

I.ÜÜII! III

I ü f l|1«11 ' 1 и И! H! iilljjj

Фаза В

JMlfj i |. l| JLLi..ii.lj

Ii Ii i'i Мц HUI ¡0 i ii|M Ii Ii'II! 141 |l Ii Hilf i: : ..L : ,. i ; . LI Li. ifi niill iii| j|.

1 МИ'.: ЛЬ'/!,! Iljjiu 1. i;i: ||ll Iii [iL

i и h П

Фаза С

Рисунок 1 - Пример провалов напряжения на шинах РУ-6 кВ ГПП

Мгновенные значения линейных напряжений определяются как разности соответствующих мгновенных фазных напряжений

иАВ = иА -ив

иВС = иВ ~ис

иСА = иС ~иА

Действующие значения линейных напряжений (/' = АВ, ВС, СА) определяются как среднеквадратичные за период синусоиды

(9)

Учитывая, что на устойчивость промышленных ЭТС существенное влияние оказывает напряжение прямой последовательности, необходим пересчет действующих значений линейных напряжений на действующие значения напряжений прямой £/| и обратной и^ последовательностей

+ +и2 + .112-и2,-и? -Ъ-(и2,+и1 -и2 )2

,, _ аЬ Ьс са V аЬЬс аЬ Ьс са и\-\

+ и2 +112 -.¡12-и2,-V2 -3-(и2,+и2 -и2 )2

) Ьс са \ аЬ Ьс аЬ Ьс са'

¡у2 +тт2 , ТТ2 _ 1п.гг2 _тт2 1 /тт2 , л2 Тт2 \2

-Г

(Ю)

Определение параметров надежности и независимости источников осуществляется по уровню напряжения прямой последовательности, поскольку именно эта составляющая определяет динамическую устойчивость электротехнической системы.

На стадии проектирования ЭТС предприятия и системы её электроснабжения оценка параметров независимости и надежности источников питания также осуществляется на основе имитационного моделирования коротких замыканий во внешней сети исследуемого объекта. Как и в случае эксплуатации, определяющим является составляющая напряжения прямой последовательности.

Поскольку основная масса отказов в системах внешнего электроснабжения связана с отказами линий электропередачи, то частота аварий в узлах может быть определенная исходя из параметров потока отказов линий, подключенных к «-ому узлу системы внешнего электроснабжения Р ь.

(11)

; = о 2

где й)д. - параметр потока отказов - ой линии электропередачи, 1/(год-км)

(принимается по данным справочников); Ь. - длина / - ой линии электропередачи,

км; \/п - любой узел системы электроснабжения, к которому подключены линии электропередач, в количестве р шт., Т— период наблюдения.

Число критических провалов напряжения на /-ом,у'-ом источниках и на обоих источниках одновременно за период наблюдения Т определяются по формулам Я

Л7-\= Е о

(,) „Го п

ЛЬ-)= V. (,2)

т = 0

гдеА'^.у. - число критических провалов напряжения на /-ом и у'-ом

источниках, а - число одновременных критических провалов напряжения на

обоих источниках за период наблюдения Т\ п — все узлы в количестве ц шт.. короткие замыкания в которых приводят к провалу напряжения на /-ом источнике; т - все узлы в количестве г шт.. короткие замыкания в которых приводят к провалу напряжения на у'-ом источнике; к - все узлы в количестве 5 шт.. короткие замыкания в которых приводят к провалу напряжения на /-ом и у'-ом источниках.

Итоговая формула определения степени независимости источников питания будет иметь следующий вид

к __* = 0 ()__(13)

*з и.Л-% Л(/) N(¡J)

Математическое ожидание глубины провалов напряжения со стороны /-го источника определяется по формуле

Л'(0 /л(0 Аи = У (Дм . -со . )/ У (о . . V« (14)

мо / „ = 0 т т /

Математическое ожидание длительности провалов напряжения со стороны /-го источника определяется по формуле

Л(0 /Л(0

Е (О . -V« (15)

Г. п I

п = О

Чтобы повысить точность оценки показателей в работе учтен тот факт, что большинство КЗ в системах электроснабжения являются несимметричными. Поэтому в новой модификации метода осуществляется моделирование не только трехфазных КЗ. но и одно- и двухфазных КЗ в выбранных узлах электрических сетей с фиксацией напряжений в основных узлах системы электроснабжения объекта с последующим разложением напряжений на симметричные составляющие прямой и обратной последовательности, определяющие устойчивость ЭТС.

Итоговый коэффициент зависимости определяется с учетом доли различных видов КЗ

+№г ,2 ,3 об)

з('.у) З(г,у) з(г.у) з(;,у)

где к ,. ' , к ,. .. 2 , к ,. .. 3 - значения коэффициентов взаимозависимости /-з(г,у) з(/,у) з(г,у)

го иу'-го источников питания относительно однофазных, двухфазных и трехфазных

(1) Р) (3)

коротких замыкании соответственно; п , п п доля одно- , двух- и трехфазных КЗ от общего числа возмущений.

На основании модифицированного метода была разработана методика, включающая изложение процедуры расчетов и выполнения обработки результатов.

Использование методики для расчета и анализа параметров надежности и независимости источников питания крупных нефтегазовых производств позволило установить определенные закономерности.

Результаты расчетов позволили установить тот факт, что экспресс-методика по сравнению с модифицированной методикой дает более оптимистичные результаты — меньшие значения коэффициентов зависимости источников для реального диапазона напряжений статической устойчивости промышленных электротехнических систем, что отражено на рисунке 2.

В процессе анализа предприятий установлена взаимосвязь коэффициента зависимости и параметра статической устойчивости. Так. с увеличением значения напряжения статической устойчивости предприятия увеличивается и значение коэффициента зависимости его источников питания. Характер изменения значений коэффициентов зависимости источников при изменении устойчивости объекта питания, полученный на основании результатов компьютерного моделирования и эксплуатационных данных различных объектов с непрерывными технологическими процессами, представлен на рисунке 2. При этом методика, учитывающая несимметричные КЗ дает результаты (кривая 2) более приближенные к эксплуатационным данным.

1

0.9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0,3 0.2

0

0 0,1 0,2 0,3 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

"с,, "-е.

Рисунок 2 - Влияние параметра статической устойчивости электротехнической системы на оценку коэффициента зависимости источников питания: 1 — экспресс-

методика; 2 - модифицированная методика (по данным эксплуатации) 3 -модифицированная методика (на стадии проектирования)

Установлено, что на показатель независимости источников питания помимо вида, влияние оказывает и удаленность короткого замыкания от вводов исследуемого предприятия. В этой связи, для выбора точек моделировании КЗ в сетях внешнего электроснабжения в работе выделены районы существенного влияния аварий в сетях на показатель зависимости. Обобщенные результаты

компьютерного моделирования по оценке влияния удаленности КЗ на значение коэффициента зависимости источников ряда нефтегазоперерабатывакнцих производств (Н11111) приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Влияние удаленности КЗ на независимость источников питания системы централизованного электроснабжения НГПП_

Удаленность места КЗ от вводов ГПП, км Коэф( нщиенты взаимозависимости источников

t,(3> *30) Результирующее значение, к,

0-100 0.6- 1,0 0.5-0.8 0.2-0.4 0,30-0.58

100-250 0.3 - 0.6 0.3-0.5 0.1-0,2 0.16-0.30

250-500 0-0.3 0-0.3 0-0.1 0.00-0,16

Расчетные показатели зависимости источников питания, полученные с учетом несимметричных возмущений, хорошо коррелируются с результатами, полученными на основании обработки зафиксированных аварийных осциллограмм напряжений, что подтверждает высокую точность предложенной модификации методики оценки. Выявлено, что для практических целей при расчете источников можно ограничиться моделированием КЗ в узлах сети 110-220 кВ, удаленных от ГПП производств на расстояние до 250 - 300 км. При наличии мощных генерирующих источников в электроэнергетической системе предельное расстояние точек КЗ, вызывающих глубокие провалы напряжения, может быть меньше.

Существующие методики оценки независимости источников питания, основанные на компьютерном моделировании установившихся режимов, ориентированы на расчет напряжений на вводах объекта в начальный период времени кратковременного нарушения электроснабжения. В действительности возмущения в электрических сетях сопровождаются переходными процессами, поэтому значение остаточного напряжения в узлах ЭТС может отличаться от значения в начальный момент времени КЗ. Для оценки влияния переходных процессов на среднее значение остаточного напряжения и степень зависимости источников питания в работе произведено компьютерное моделирование коротких замыканий в каждом узле системы внешнего электроснабжения объекта с одновременной фиксацией графика переходного процесса снижения остаточного напряжения на вводах данного объекта.

Временем фиксации остаточного напряжения принято среднее значение времени отключения коротких замыканий релейной защитой в рассматриваемых внешних сетях. Так, продолжительность провалов напряжения при близких однофазных КЗ определяется временем действия 1-й ступени земляной зашиты линии 110 кВ и составляет 0,25-0.35 с. При многофазных КЗ длительность провала напряжения, как правило, не превышает 0,2 с. Среднее значение изменения остаточного напряжения для одного из исследуемых объектов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Среднее значения изменения остаточного напряжения на вводах ГПП за время переходного процесса

Место фиксации остаточного напряжения д и, % при различных видах КЗ

1-фазное 2-фазное 3-фазное

Ввод ИОкВТ-1 ГПП-1 2.09 2.91 3.43

Ввод 110 kB Т-2 ГПП-1 1,99 2.47 2.86

В работе установлено влияние переходных процессов при КЗ на оценку степени зависимости источников питания. Так. наибольшее влияние неучет переходных процессов оказывает на коэффициент зависимости, определенный относительно достаточно редких трехфазных КЗ. С учетом существующей статистики по частоте возникновения различных видов КЗ определена итоговая погрешность при неучете переходных процессов, которая не превышает 10%.

При неучете переходных процессов ошибки определения коэффициента

3 2

зависимости при различных видах КЗ: трехфазных^ , двухфазных к ,

однофазных к . приведены на рисунке 3.

О

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

к3 , o.e.

-м --л*(3> .......лк^ ---MW

зз з s

Рисунок 3 - Влияние учета переходного процесса при КЗ на оценку степени независимости источников питания

По данным регистрации аварийных возмущений, сопровождающихся переходными процессами, оценена взаимосвязь степени зависимости источников электроснабжения и степени несимметрии остаточного напряжения на вводах источников. Установлено, что при провалах напряжения составляющие напряжения прямой и обратной последовательности при высокой степени зависимости вводов практически совпадают, а при низкой — значительно отличаются, что наглядно продемонстрировано на рисунке 4.

Третья глава диссертации содержит результаты компьютерного моделирования аварийных режимов в сетях централизованного электроснабжения и определения показателей надежности и независимости источников питания нефтегазовых производств. Задача расчетов данной главы заключаются в апробации предложенной методики, верификации полученных результатов с данными эксплуатации и разработке предложений по нормирования показателей надежности и независимости источников электроснабжения.

С целью оценки влияния структуры системы электроснабжения на показатели надежности и независимости источников питания расчеты аварийных режимов в сетях электроснабжения нефтегазовых предприятий выполнены для различных схемных вариантов систем внешнего электроснабжения, определяющих степень структурного резервирования и закольцованности сети. Моделирование энергосистем с различной мощностью и удаленностью генерирующих мощностей от источников электроснабжения исследуемых предприятий позволило оценить влияние генерирующих мощностей на показатель независимости. Установлено, что расположенность в непосредственной близости от потребителя крупных генерирующих мощностей, и развитость системы внешнего электроснабжения обеспечивают высокую степень резервированности источников электроснабжения, что обусловливает снижение средней частоты одновременных критических провалов напряжения.

од -:

К,,гОЛ

/

X.

V

X

1 Ф\ о.е.

а) б)

Рисунок 4 - Диаграмма изменения во времени симметричных составляющих при провале напряжения: а) высокая зависимость вводов; б) низкая зависимость вводов

Полученные по различным методикам численные значения показателей надежности и независимости источников питания позволили подтвердить выводы относительно ограниченности применимости существующих методик. Из представленного в первой главе минимального набора показателей, для нормирования предложено использовать коэффициент зависимости и среднюю частоту критических провалов напряжения в год.

Для большинства ответственных непрерывных производств нефтегазовой промышленности независимость и надежность источников питания в системах централизованного электроснабжения предлагается считать удовлетворительной.

если показатели, рассчитанные по модифицированной методике, не превысят следующих значений:

а) относительно трехфазных коротких замыканий:

- коэффициент зависимости источников не должен быть больше 0,5 o.e.;

- одновременное число провалов напряжения на источниках не должно превышать 10 Угод.

б) относительно результирующего значения с учетом статистики распределения по видам КЗ:

- коэффициент зависимости источников не должен быть больше 0,25 o.e.;

- одновременное число провалов напряжения на источниках не должно превышать 5 1/год.

Указанные нормативы, полученные относительно трехфазных коротких замыканий, рекомендованы с учетом завышения расчетных показателей по сравнению с реальными в среднем в два раза, что обусловлено особенностями моделирования коротких замыканий, отмеченными выше. Ориентироваться на такие значения целесообразно на стадии проектирования и реконструкции системы электроснабжения ответственных промышленных объектов.

На этапе эксплуатации независимость и надежность источников питания предложено считать удовлетворительной, если годовые показатели не превысят следующих значений:

- коэффициент зависимости источников не должен быть больше 0,25 o.e.;

- одновременное число провалов напряжения на источниках не должно превышать 5 1 /год.

Предложенные значения показателей надежности и независимости источников питания получены на основании анализа ряда систем электроснабжения нефтегазовых производств и ориентированы на лучшие и в то же время достижимые значения. Необходимо отметить, что указанные значения показателей удовлетворительной надежности и независимости источников являются экспертной оценки и в каждом конкретном случае питания могут отличаться от предложенных.

Достижение указанных нормативов на практике требует взаимодействия с поставщиком электрической энергии. Регулярное нарушение установленных норм может быть основанием для реконструкции системы электроснабжения за счет строительства собственных электростанций и применения новых технологий, ориентирующихся на положения технической политики потребителя электроэнергии в области энергетики.

В четвертой главе рассмотрены наиболее перспективные технические решения по повышению надежности электроснабжения промышленных объектов, чувствительных к кратковременным нарушениям электроснабжения.

Мероприятия по повышению бесперебойности работы потребителей должны проводиться согласовано в системах внешнего и внутреннего электроснабжения предприятий.

На сегодняшний день не существует единого решения, способствующего снижению чувствительности потребителя к кратковременным нарушениям электроснабжения. Наиболее эффективными и часто реализуемыми техническими решениями повышения устойчивости электротехнических систем нефтегазовых предприятий является применение устройств быстродействующего автоматического резерва (БАВР), использование динамических компенсаторов

искажения напряжения (ДКИН) и источников бесперебойного питания (ИБП), установка электростанций собственных нужд (ЭСН).

Выбор технических средств повышения бесперебойной работы потребителей при КНЭ возможен исходя из параметров устойчивости ЭТС предприятия и основных показателей надежности и независимости источников питания, таких как время динамической устойчивости ЭТС ?ду. коэффициент зависимости источников питания к , средняя длительность провалов напряжения т, среднее значение

остаточного напряжения на источниках питания и1КТ. Для ряда промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами предварительный выбор экономически обоснованных технических средств возможен в соответствии с блок-схемой, представленной на рисунке 5. При этом принятие окончательного решения о реализации выбранного технического мероприятия требует детальной проработки в каждом конкретном случае.

Применение БАВР может быть оправдано при значении коэффициента зависимости источников питания секций шин распределительного устройства не превышающем 0,6 o.e., определенным с учетом статистики распределения несимметричных возмущений. При этом требуется анализ зависимости вводов не только в нормальном, но и в ожидаемых временных и ремонтных режимах работы системы внутреннего электроснабжения.

Применение ДКИН может быть целесообразно при значении коэффициента зависимости источников питания секций шин распределительного устройства более 0,6 o.e., определенного с учетом статистики распределения несимметричных возмущений и средней длительности кратковременных нарушений электроснабжения до 5-ти секунд.

Использование ИБП может быть целесообразно при частых полных исчезновениях напряжения на источниках питания длительностью более 5-ти секунд и значении коэффициента зависимости источников питания секций шин распределительного устройства более 0,6 o.e.

Для объектов с большой установленной мощностью и значением коэффициента зависимости вводов в пределах 0,4-0,6 o.e. рекомендуется установка БАВР на шинах питающей подстанции совместно с установкой ДКИН на шинах наиболее чувствительных потребителей.

Для ЭТС предприятий, источники питания которой являются полностью зависимыми и среднее время КНЭ составляет свыше 5-ти секунд, наиболее целесообразным может оказаться одновременная установка ДКИН и ИБП для питания наиболее ответственной нагрузки, цепей автоматики, технологических защит и цепей возбуждения синхронных двигателей.

Одним из способов снижения длительности кратковременных нарушений электроснабжения может являться применение собственных генерирующих мощностей. Особого внимания требует случай, когда предприятие имеет собственный резервный источник небольшой установленной мощности, а основное питание осуществляется от энергосистемы, в связи с чем в работе проведено исследование компьютерной модели ЭТС предприятия с вводом от централизованной энергосистемы и автономным синхронным генератором. При анализе показателей статической устойчивости ЭТС предприятия установлено, что наличие генератора способствует увеличению статической и динамической устойчивости по сравнению с питанием только от централизованного источника. В то же время установлен факт значительно более ранней потери устойчивости синхронным генератором, и. как следствие, потери устойчивости всей частью ЭТС,

19

что требует немедленного отключения СГ при потере им устойчивости. Данное обстоятельство накладывает дополнительные сложности на отстройку противоаварийной автоматики и применение дополнительных средств защиты ЭТС при потере устойчивости автономным генератором. Дополнительно установлено, что наличие в системе внутреннего электроснабжения автономного генератора не способствует увеличению запаса устойчивости ЭТС при близких коротких замыканиях.

Рисунок 5 - Блок-схема выбора технических средств повышения надежности электроснабжения потребителей при КНЭ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Предложен набор показателей независимости и надежности источников питания, расширяющий возможности оценки эффективности систем централизованного электроснабжения путем включения вероятностно-статистических показателей критических кратковременных нарушений электроснабжения, подлежащих определению, как в процессе проектирования, так и в процессе эксплуатации систем электроснабжения предприятий.

2. Оценено влияние несимметричных аварийных возмущений в системах промышленного электроснабжения на показатели независимости и надежности источников питания и разработана модификация метода определения указанных показателей, отличающаяся учетом как симметричных, так и несимметричных аварийных возмущений в системах промышленного централизованного электроснабжения.

3. Оценено влияние переходных процессов, вызванных кратковременными нарушениями электроснабжения, на показатель взаимной независимости источников питания. Наибольшее влияние неучет переходных процессов оказывает на оценку независимости источников питания, определенную относительно трехфазных КЗ. С учетом существующей статистики распределения аварийных режимов в сетях внешнего электроснабжения итоговая погрешность при неучете переходных процессов не превышает 10-ти %.

4. Выделены районы существенного влияния аварий в сетях внешнего электроснабжения на показатели независимости источников питания. Для практических целей при расчете надежности источников электроснабжения можно ограничиться моделированием КЗ в узлах 110-220 кВ системы внешнего электроснабжения, удаленных от ГПП производств на расстояние до 250 км.

5. Для непрерывных производств нефтегазовой промышленности предложены рекомендации по нормированию показателей надежности и независимости источников питания.

6. Систематизированы рекомендации по повышению надежности работы электротехнических систем промышленных объектов при авариях в системах централизованного электроснабжения. Исследовано применение основных технических средств, способствующих снижению чувствительности непрерывного технологического процесса к кратковременным нарушениям электроснабжения.

7. Исследована надежность и устойчивость ЭТС предприятия с централизованным и автономным источником электроснабжения относительно кратковременных нарушений электроснабжения. Выявлены причины, накладывающие дополнительные сложности на отстройку противоаварийной автоматики и применение дополнительных средств защиты ЭТС при потере устойчивости автономным генератором.

8. Оценена связь степени независимости источников электроснабжения предприятия и степени несимметрии остаточного напряжения на вводах данных источников. Установлено, что при провалах напряжения составляющие напряжения прямой и обратной последовательности при высокой зависимости вводов практически совпадают, а при низкой - значительно отличаются. Данный факт может быть положен в основу экспресс-оценки независимости источников питания по данным обработки аварийных осциллограмм.

9. Результаты исследований диссертационной работы использованы при разработке рекомендаций по повышению надежности взаимно резервирующих источников питания объектов и повышению надежности электроснабжения и устойчивости работы оборудования ряда предприятий нефтегазовой отрасли:

- Астраханский ГПЗ. Оренбургский ПТЗ (ОАО «Газпром»);

- Московский НПЗ, Омский НПЗ (ОАО «Газпром нефть»);

- Губкинский ГПК, Ноябрьский ГПК, Воронежсинтезкаучук (ПАО «СИБУР-Холдинг»),

Основное содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Анцифоров В.А. Исследование независимости источников питания нефтегазовых комплексов. / 65-ая Международная научная студенческая конференция «НЕФТЬ И ГАЗ - 2011». Тезисы докладов. Секция «Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом деле». - М.: РГУ нефти и газа, 2011. - С. 4.

2. Анцифоров В.А. Исследование независимости источников питания нефтегазовых комплексов. / Девятая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности». Тезисы докладов. Секция 11. - М.: РГУ нефти и газа. 2011. - С. 385.

3. Ершов М.С., Егоров A.B., Анцифоров В.А., Суржиков A.B. К вопросу о количественной оценке взаимозависимости источников внешнего электроснабжения. // Промышленная энергетика, 2011, №6. - С. 28 - 32.

4. Анцифоров В.А. Методы оценки независимости источников питания в системах электроснабжения. / 66-ая Международная научная студенческая конференция «НЕФТЬ И ГАЗ - 2012». Тезисы докладов. Секция «Автоматизация и вычислительная техника в нефтегазовом деле». - М.: РГУ нефти и газа, 2012. — С. 4.

5. Анцифоров В.А. Методы оценки независимости источников питания и мероприятия по повышению надежности электроснабжения производств при авариях в системах централизованного электроснабжения. / Юбилейная десятая Всероссийская конференция молодых ученых, специалистов и студентов «Новые технологии в газовой промышленности» (газ, нефть, энергетика). Тезисы докладов. Секция 11. Энергетика. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. - С. 318.

6. Ершов М.С., Анцифоров В.А., Мелик-Шахназарова И.А. Оценка независимости источников питания систем промышленного электроснабжения. / I М1жнародноУ науково-техшчно!" конференцп викладач1в, acnipaHTiB i студентов "Сучасш проблеми систем електропостачання промислових та побутових об'екпв". Зб1рник наукових праць. - Донецьк: «ДВНЗ» ДонНТУ, 2013. - С. 17.

7. Анцифоров В.А. Методы оценки независимости источников питания при авариях в системах централизованного электроснабжения. / Научно-техническая конференция молодых ученых «Электротехнические комплексы и системы в нефтяной и газовой промышленности». Сборник тезисов докладов. - М.: РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2013. - С. 7-8.

8. Ершов М.С., Егоров A.B., Анцифоров В.А. Методы оценки надежности и независимости источников питания в системах промышленного электроснабжения // Промышленная энергетика, 2014, №1. - С. 2 — 6.

9. Ершов М.С., Анцифоров В.А. Влияние несимметричных возмущений в системах централизованного электроснабжения на взаимозависимость источников питания. / X Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России». Тезисы докладов. Секция 6. -М.: РГУ нефти и газа, 2014. - С. 255.

10. Анцифоров В.А. Оценка независимости источников питания с учетом несимметрии аварийных режимов в системах централизованного электроснабжения / III Всероссийская научно-техническая конференция студентов, магистрантов,

аспирантов «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» материалы конференции. Сборник трудов. Секция 1. Энергетика. Энергоэффективность и энергобезопасность в электроэнергетике. - Тольятти: Издательство Тольяттинского государственного университета, 2014. - С. 13-15.

11. Анцифоров В.А. Методика оценки независимости источников питания в системах централизованного электроснабжения / Одиннадцатые Международные научные Надировские чтения «Альтернативная энергетика и энергосбережение в нефтегазовом комплексе». Материалы конференции. - Атырау: Издательство Атырауского института нефти и газа, 2014. — С. 24-26.

12. Анцифоров В.А., Ершов М.С. Параметры надежности источников питания при авариях в системах централизованного электроснабжения / XX Всероссийская научно-техническая конференция «Энергетика: эффективность, надежность, безопасность». Материалы трудов. Том 1. Секция 1. Энергетика: Эффективность, надежность, безопасность. - Томск: Издательство Томского политехнического университета, 2014. - С. 28-31.

13. Ершов М.С., Анцифоров В.А. Причины и параметры кратковременных нарушений электроснабжения промышленных объектов. // Территория НЕФТЕГАЗ, 2014, №10. - С. 18 - 23.

14. Ершов М.С., Анцифоров В.А., Комков А.Н. Оценка взаимной зависимости источников питания систем промышленного электроснабжения с учетом несимметричных возмущений во внешних электрических сетях. // Промышленная энергетика, 2014, №11. - С. 2 - 7.

Подписано в печать 4.09.2015 Формат 60X90/16

Бумага офсетная Усл. п.л.

Тираж 100 экз. Заказ № 313

Издательский центр РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина 119991, Москва, Ленинский проспект, 65 Тел.: 8 (499) 507-82-12