автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации электротехнических комплексов при аварийном повышении частоты в системах электроснабжения

На правах рукописи

ЗАЙЦЕВ Александр Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ АВАРИЙНОМ ПОВЫШЕНИИ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические

комплексы и системы

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Санкт-Петербург - 2013 г.

005541667

005541667

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

Научный руководитель -кандидат технических наук, доцент

Костин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты:

Назарычев Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, федеральное государственное автономное образовательное учреждение дополнительного профессионального образования «Петербургский энергетический институт повышения квалификации», проректор по научной работе

Першин Павел Иванович кандидат технических наук, ОАО «Звезда-Энергетика», директор департамента автоматизированных систем управления

Ведущая организация — ОАО «Научно-технический центр Единой энергетической системы»

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный».

Автореферат разослан 22 ноября 2013 г.

у

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Статистика показывает, что за последние 25-30 лет крупные аварии в отечественных и зарубежных системах электроснабжения случаются в среднем 1-2 раза в год. Развитие системной аварии сопровождается, как правило, делением крупной системы на районы, которые могут оказаться как дефицитными, так и избыточными по генерируемой мощности. Для восстановления баланса мощности в районе аварийного выделения требуется автоматическое отключение части мощности нагрузки или части генерируемой мощности.

Анализ ряда крупных аварий в зарубежных и отечественных системах (США и Канада, ноябрь 1965 и август 2003; Швеция, декабрь 1983; Свирскис ГЭС, декабрь 2008; Калининград, август 2011) показал, что при выделении района на изолированную работу с избытком генерирующей мощности существующая система противо-аварийной автоматики неэффективно исполняет свои функции, отключая большую, чем требуется для восстановления баланса, генерируемую мощность. В результате происходит глубокое снижение частоты в выделившемся районе системы электроснабжения и его полное «погашение» с прекращением электроснабжения всех потребителей.

Большой экономический, политический и социальный ущерб от системных аварий обусловил необходимость разработки дополнительных мероприятий, как по предотвращению развития таких аварий, так и предотвращению «погашения» районов, аварийно выделившихся с избытком генерируемой мощности.

Если вопросам построения систем противоаварийной автоматики при аварийном дефиците мощности посвящен стандарт по автоматическому ограничению снижения частоты, то единого нормативного документа, подробно регламентирующего принципы построения автоматики ограничения повышения частоты в настоящее время нет. Разработка и внедрение новых алгоритмов построения этой автоматики предотвратит в аварийной ситуации излишнее от-

ключение генерирующих мощностей и не нарушит электроснабжения потребителей района аварийного выделения.

Для предотвращения излишнего отключения генераторов необходим контроль в режиме реального времени мощности генерации и потребления в районах потенциального выделения с оценкой величины отключаемой генерации, необходимой для восстановления баланса мощности в районе выделении. Следовательно, в районах потенциального выделения мощных систем электроснабжения необходимо в темпе реального времени изменять направления действия противоаварийных автоматик. Автоматизация этого процесса обеспечит повышение надежности электроснабжения потребителей районов потенциального выделения.

Таким образом, задачи исследования аварийных процессов в системах электроснабжения при выделении районов с избыточной генерацией, а также разработка и внедрение новых решений, алгоритмов и схем в электротехнические комплексы противоаварийной автоматики с целью повышения эффективности ее функционирования представляются актуальными.

В основу исследований легли работы Баркана Я.Д., Гуревича Ю.Е., Жданова П.С., Кощеева JI.A., Павлова Г.М., Рабиновича P.C., Совалова С.А., Шульгинова Н.Г. и др.

Цель работы: повышение эффективности эксплуатации электротехнических комплексов и систем противоаварийной автоматики, обеспечивающих предотвращение нарушения электроснабжения потребителей района системы электроснабжения при его аварийном выделении с избыточной генерацией.

Основные задачи исследования:

- анализ особенностей протекания переходных процессов в системах электроснабжения при аварийном выделении района с избыточной генерацией;

- разработка алгоритма работы противоаварийной автоматики электростанции при ее аварийном выделении с избытком генерации на район изолированной нагрузки;

- составление математической модели восстановления баланса мощности для районов потенциального выделения с избыточной генерацией, учитывающей различные типы электростанций и их возможности регулирования мощности;

- разработка алгоритма и принципов построения системы автоматики ограничения повышения частоты для районов потенциального выделения с различными типами электростанций, позволяющих в режиме реального времени осуществлять выбор рационального количества отключаемой генерируемой мощности.

Идея работы. Предотвращение развития аварии и нарушения электроснабжения потребителей при аварийном выделении в мощной системе электроснабжения района с избыточной генерацией на основе применения новых решений, алгоритмов и схем противоаварийной автоматики.

Методы исследований. В диссертационной работе использованы методы теории автоматического противоаварийного управления в системах электроснабжения и математического моделирования переходных процессов, связанных с изменением частоты в районах системы электроснабжения при их аварийном выделении с избыточной генерацией, статистические данные по авариям в системах электроснабжения, а также экспериментальные методы оценки мощности нагрузки районов потенциального выделения.

Научная новизна работы:

- разработан алгоритм построения противоаварийной автоматики электростанции, позволяющий при ее аварийном выделении с избытком генерации на район изолированной нагрузки выбрать рациональное количество отключаемых генераторов для восстановления баланса мощности в районе с учетом статических характеристик нагрузки района по напряжению и частоте;

5

- разработана математическая модель восстановления баланса мощности в районе потенциального выделения с избыточной генерацией, учитывающая различные типы электростанций района выделения и их возможности по регулированию мощности;

- впервые разработан алгоритм построения автоматизированной системы контроля эффективности действия автоматики ограничения повышения частоты, позволяющий в режиме реального времени производить достоверный анализ баланса мощности в районах потенциального выделения и обеспечивать выбор рационального направления действия локальных автоматик в различных схемно-режимных условиях работы системы электроснабжения.

Защищаемые научные положения:

1. Предотвращение развития аварии при выделении электростанции на изолированный район нагрузки следует производить с использованием разработанного на основе методов комбинаторики программно-аппаратного комплекса автоматики ограничения повышения частоты, позволяющего без избыточного отключения генераторов восстановить баланс мощности в районе выделения станции с учетом зависимости мощности нагрузки района выделения от напряжения и частоты.

2. Повышение эффективности функционирования автоматики ограничения повышения частоты для крупных районов потенциального выделения с различными типами электростанций достигается:

непрерывным мониторингом баланса генерации и потребления в этих районах;

расчетом по разработанной математической модели отключаемой генерируемой мощности района; автоматическим выбором направления действия локальных автоматик.

Достоверность выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждена имеющимися статистическими данными, результатами расчетов, выполненных по различным программным комплексам (MUSTANG, EUROSTAG, RUSTAB), сходимостью результатов математического моделирования и экспериментальных данных и практической реализацией результатов исследований.

6

Практическая ценность работы:

1. Применение разработанного алгоритма автоматики ограничения повышения частоты для электростанций позволит при их аварийном выделении с избыточной генерацией на изолированную нагрузку восстановить баланс мощности, не допуская «погашения» станции и нагрузки.

2. Использование разработанной системы контроля эффективности автоматики ограничения повышения частоты позволит при аварийном выделении крупного района с различными типами электростанций и избыточной генерацией восстановить баланс мощности в районе выделения без нарушения электроснабжения потребителей района.

Реализация результатов работы.

Методика контроля эффективности действия автоматики ограничения повышения частоты может использоваться в мощных системах электроснабжения для восстановления баланса мощности при аварийном выделении района с различными типами электростанций и избытком генерируемой мощности.

Разработанный алгоритм комплекса автоматики ограничения повышения частоты электростанции будет применен при модернизации системы противоаварийной автоматики Волховской гидроэлектростанции ТГК-1.

Результаты диссертационных исследований будут использоваться в научно-производственной фирме «Энергосоюз» при разработке и внедрении электротехнического оборудования для автоматизации объектов электротехнических комплексов.

Личный вклад автора. Определение и постановка задачи. Исследование переходных процессов в системах электроснабжения, связанных с изменением частоты при аварийном выделении в системе электроснабжения района с избыточной генерацией. Разработка алгоритма автоматики ограничения повышения частоты электростанции. Разработка математической модели восстановления баланса мощности в районах потенциального выделения с избыточной

7

генерацией. Разработка алгоритма функционирования автоматизированной системы контроля эффективности автоматики ограничения повышения частоты для мощных систем электроснабжения. Руководство внеочередными замерами нагрузки с последующим их анализом и разработкой рекомендаций для использования в системе контроля эффективности противоаварийной автоматики.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на конференциях: Международной научно-практической конференции «XXXVIII Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГТУ, 2009); Всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (Томск, Томский политехнический университет, 2010); Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Самара, Самарский государственный технический университет, 2011); Международной научно-практической конференции «XLI Неделя науки СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012); III международной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи» (Екатеринбург, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 работы в научных изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 108 наименований. Работа изложена на 155 страницах и включает в себя 62 рисунка и 10 таблиц.

Основное содержание работы:

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель и задачи исследования.

В главе 1 рассмотрены и проанализированы крупные аварии в зарубежных и отечественных системах, в результате развития кото-

рых система разделялась на районы, как с избытком, так и дефицитом генерирующих мощностей. Установлено, что при выделении района с избытком генерации существующая система противоава-рийной автоматики неэффективно исполняет свои функции (отключает большое количество генерирующих мощностей), что приводит к «погашению» как электростанций, так и нагрузки выделившегося района. Обоснована необходимость разработки новых алгоритмов противоаварийной автоматики, обеспечивающих максимальную сбалансированность районов потенциального выделения за счет контроля в режиме реального времени генерации и потребления в этих районах и возможностей по регулированию систем генерирования электроэнергии районов.

В главе 2 выполнены расчетные исследования в различных программных комплексах переходных процессов изменения частоты при аварийном выделении электростанций различного типа на изолированную работу. Обосновано применение для дальнейших исследований программного комплекса MUSTANG, обладающего широкими возможностями моделирования электромеханических переходных процессов в системах электроснабжения.

В главе 3 дан анализ поведения систем регулирования электростанций различного типа и установлено, что регуляторы скорости турбин некоторых станций (газотурбинных и гидростанций) далеко не всегда в состоянии справиться с задачей регулирования частоты при выделении электростанции с большим избытком генерирующей мощности на изолированную нагрузку. Отключение генераторов традиционными локальными автоматиками, как правило, приводит к излишнему отключению генераторов, снижению частоты в районе и «погашению» его нагрузки. Показано, что с целью предотвращения развития частотной аварии в выделившемся районе необходимо применение дополнительных мер, которые будут резервировать действие регуляторов скорости турбин.

Рассмотрены возможности использования в системах генерации электроэнергии аварийной разгрузки блоков, которая в отличие

от автоматики отключения генераторов позволяет быстро изменять мощность энергоагрегата, сохраняя его в «горячем» резерве.

Определены технические мероприятия по координации баланса мощностей, позволяющие обеспечить при выделении электростанции ее устойчивую работу на сбалансированную нагрузку. В частности, разработан алгоритм и принципиальная схема автоматики ограничения повышения частоты электростанции с коррекцией нагрузки по частоте и напряжению, позволяющие выбирать отключаемые генераторы по условию максимального приближения сверху суммарной генерируемой мощности к мощности нагрузки района аварийного выделения.

В главе 4 показана эффективность совместной работы частотной делительной автоматики и автоматики ограничения повышения частоты. При этом обеспечение сбалансированности района выделенного делительной автоматикой резервируется и корректируется автоматикой ограничения повышения частоты, как наиболее эффективной мерой по ограничению повышения частоты в выделяемом районе.

Применительно к району Юга системы электроснабжения Санкт-Петербурга разработаны организационно-технические и технологические мероприятия по координации баланса мощностей в районе, позволяющие обеспечить при аварийном выделении района устойчивую работу электростанций на сбалансированную нагрузку за счет адаптивного алгоритма управления локальными автоматиками в режиме реального времени. В частности, показана эффективность:

- использования автоматической системы аварийной разгрузки блоков на ТЭЦ-15 «Автовская»;

- изменения направления действия локальных автоматик в зависимости от времени суток и года;

- отключения генерирующих мощностей газотурбинных установок, не успевающих за развитием аварийного процесса.

Обоснована необходимость разработки автоматизированной системы контроля эффективности автоматики ограничения повыше-

ния частоты, основанной на оценке текущего баланса мощности в районе и использовании математической модели восстановления баланса генерации и потребления после выделения района.

В главе 5 для районов потенциального выделения системы электроснабжения крупного города с различными типами электростанций разработана математическая модель восстановления баланса мощности в районе после его аварийного выделения с избытком генерируемой мощности.

Разработаны алгоритм и принципы построения автоматизированной системы контроля эффективности автоматики ограничения повышения частоты, учитывающие в режиме реального времени:

- схему электрической сети района;

- состав генерирующего оборудования, его характеристики по возможностям регулирования частоты и мощности;

- величину генерации электростанций района;

- величину нагрузки потенциально выделяемого района и определяющие направление действия локальных комплексов противо-аварийной автоматики.

Схема сети, состав генерирующего оборудования и текущая генерация фиксируются средствами телеизмерений и передаются по выделенным телеканалам в оперативно-измерительный комплекс.

При современном недостаточном уровне оснащения систем электроснабжения средствами телеизмерений текущей мощности нагрузки непосредственное использование результатов ежегодных контрольных ее замеров нецелесообразно. Установлено, в частности, что для системы Санкт-Петербурга отличие нагрузок летнего минимума и зимнего максимума может достигать 40 % и обусловить в случае аварии недостоверное отключение генерируемой мощности. Для достоверной оценки нагрузки района в текущий (или перспективный) момент времени были организованы дополнительные натурные измерения и разработаны рекомендации по интерполяции нагрузки во временной период между летним минимумом и зимним максимумом.

Заключение обобщает выводы по результатам исследований в соответствии с поставленной целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Предотвращение развития аварии при выделении электростанции на изолированный район нагрузки следует производить с использованием разработанного на основе методов комбинаторики программно-аппаратного комплекса автоматики ограничения повышения частоты, позволяющего без избыточного отключения генераторов восстановить баланс мощности в районе выделения станции с учетом зависимости мощности нагрузки района выделения от напряжения и частоты.

Анализ аварий в системах электроснабжения показал, что регуляторы скорости вращения турбин далеко не всегда в состоянии справиться с задачей регулирования частоты при выделении электростанции с избытком генерирующей мощности на изолированный район нагрузки. Поэтому с целью предотвращения развития аварии необходимо применение дополнительных мер, резервирующих действие регуляторов скорости.

При выделении гидроэлектростанции с избытком мощности вследствие относительно медленного действия их регуляторов скорости, не успевающего за развитием аварийного процесса, превентивной мерой восстановления баланса мощности будет автоматика отключения генераторов. При этом особую важность приобретают задачи, связанные с оценкой в режиме реального времени располагаемой мощности генераторов электростанции и нагрузки. Формирование оптимальных управляющих воздействий определяется исходя из критерия минимального превышения величины генерации активной мощности над величиной нагрузки района. Оставшийся небаланс активной мощности будет устранен регуляторами скорости вращения турбин.

Принципиальная схема противоаварийной автоматики, реализующая алгоритм выбора оптимальных управляющих воздействий на отключение генераторов и с коррекцией нагрузки по напряжению и частоте, представлена на рисунке 1. На вход устройства

подаются значения мощностей генераторов (турбин) от системы АСУ станции. Электрические мощности генераторов суммируются, определяя величину нагрузки Р(и,/) района в текущий момент времени. При отличии напряжения С/ и частоты / в выделившемся районе от их значений в предшествующем режиме ипр и /пр величина нагрузки корректируется в соответствии с выражением (1)

Р» =

(1)

а +а о 1

и и

V ПР 7

+ а

и и

V пр V

1 + й

л

/ V пр

-1

в котором коэффициентами а, задаются в соответствии с характером нагрузки.

р, р.-1—

1/о-/о-

аа а | а2 Щ

_1_

Коррекция величины нагрузки

р,(т)~

рз(т) -

Формирование ряда Р, по возрастанию

Формирование ряда пар (Д+Р;) по возрастанию

Формирование ряда троек (/ун/^+Рк) по возрастанию

Отключение - генераторов рт т □ г

Отключение ■ генераторов рт т □ /, тЦ

Отключение • генераторов рт т □ /, тЦ}, тПк

Рисунок 1 - Алгоритм автоматики ограничения повышения частоты с формированием управляющих воздействий на отключение генераторов

Информация о мощностях генераторов подается на звенья задержки Р(х). Время задержки х позволяет сохранить параметры предшествующего режима, т.е. мощности турбин.

В следующем блоке формируются ряды мощностей турбин: - ряд мощностей отдельных турбин от меньшего значения мощности к большему;

- возрастающий ряд мощностей каждой пары турбин;

- возрастающий ряд мощностей каждой тройки турбин и т. д.

Сравнением мощностей каждого ряда, начиная с меньшего

значения, с мощностью нагрузки .Рн0 обеспечивает формирование управляющих воздействий на отключение части генераторов станции по условию максимального приближения сверху суммарной генерируемой мощности к мощности нагрузки. При превышении частотой /уставки/уст происходит отключение этой части генераторов.

Результаты расчетов при выделении станции с четырьмя генераторами приведены на рисунке 2. Исходная генерация Рг = 4x50 = 200 МВт. Мощность местной нагрузки Рн = 80 МВт. Уставки автоматики:/! = 50,5 Гц, ?ср= 0,5 с на отключение одного генератора;/ = 50,5 Гц, ?ср= 1,0 с - на отключение второго и / = 50,5 Гц, ?ср= 1,5 с - на отключение третьего генератора.

Переходные процессы при выделении станции и работе традиционной автоматики показаны на рисунке 2,а, по предлагаемому алгоритму - на рисунке 2,6. Видно, что в первом случае работа автоматики привела к отключению трёх генераторов, подведённых под действие автоматики. Возникший дефицит мощности обусловил снижение частоты ниже критического значения 46 Гц, что приведет к лавине частоты в выделившемся районе и полному прекращению электроснабжения потребителей.

: /, Гц р, МВт

52 175 -

50 150 -

48 125 -

46 100

44

42 75 -

О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 г,с о)

Рисунок 2 - Переходные процессы при выделении гидроэлектростанции на изолированную нагрузку

Во втором случае работа автоматики приводит к отключению только двух гидрогенераторов и, следовательно, к отсутствию

дифицита мощности и сохранению электроснабжения потребителей в выделившемся районе.

2. Повышение эффективности функционирования автоматики ограничения повышения частоты для крупных районов потенциального выделения с различными типами электростанций достигается:

- непрерывным мониторингом баланса генерации и потребления в этих районах;

- расчетом по разработанной математической модели отключаемой генерируемой мощности района;

- автоматическим выбором направления действия локальных автоматик.

Расчетные исследования потенциального выделения района с избытком генерации и различными типами электростанций показали, что для предотвращения «погашения» района необходимо в режиме реального времени менять направление действия локальных автоматик, ликвидируя аварийный избыток мощности отключением части генерирующих мощностей. Для достоверной оценки отключаемой мощности необходима информация о составе генерирующего оборудования, его характеристикам по регулированию мощности, величине текущей генерации и мощности нагрузки района.

В настоящее время генерация электростанций района осуществляется достаточно точно с помощью существующей системы телеизмерений, оценка же величины нагрузки района осуществляется, как правило, по данным ее контрольных замеров, выполняемых два раза в год (в июне и декабре). Для более достоверной оценки текущей величины нагрузки, позволяющей принять обоснованное решение по выбору направления действия автоматики ограничения повышения частоты, следует использовать интерполяцию значений мощности нагрузки в интервалах времени между ее контрольными замерами. На основе сравнения различных видов интерполяции и результатов внеочередных замеров нагрузки принята интерполяция полиномом третьей степени

Р{г) = а.+ь.{г-г. ,)+с.(г-/. ,)2+Л(г-г )3, <г<г.. (2)

I I 1-1 I 1-1 I 1-1 11 1

15

Коэффициенты полинома а„ Ь„ с{, с1{ определяются из условий в узлах, в соответствии с которыми многочлен должен принимать заданные значения функции

у._1 = Р([,_1) = аг 1<1<М,

у,- =Р(? ) = а.+ЬН +с.к2 +(1 /г3,

' I I ¡1 11 11

к

/-1

(3)

Поскольку число этих уравнений меньше числа неизвестных коэффициентов, для определенности задачи следует ввести условия непрерывности производных функции во всех точках

г + 1

-Ь. + 2сЬ. + 3d.hr,

с ,=с +3d /г,

1+1 г 11

!</<#-1. (4)

или равенства нулю производных функции на концах интервала интерполяции Р'('о) = = 0.

Для выбора направление действия локальных автоматик с целью восстановления баланса мощности в районе после его аварийного выделения решается задача минимизации функции

Т7 = модуль

X6*

X8*

1 ПГУ ]

к +

1 /

+ур +уР +уР -Р

' / ^л т исх / ; л п исх / л д исх н

•Ш1П,

(5)

при следующих ограничениях:

Рп НГДР <Р«<Рп>

Р < Р <Р

1 т тех мин Ь: ; т 1 п,

о <Ра<Р,

*■ <7 1 д исх»

(6)

где 8, - двоичные переменные; Р, исх - мощности энергоблоков, возможных к отключению, в режиме, предшествующем выделению района; Р/ исх - мощности неотключаемых энергоблоков в режиме, предшествующем выделению района; Рч исх - мощности энергоблоков, оснащенных системой аварийной разгрузки, в режиме, предшествующем выделению района; Ригу ] ~ мощность у-й парогазовой установки в режиме, предшествующем выделению района; Рт тех мин -мощности, соответствующие техническому минимуму энергобло-

16

ков; Рп нгдр - мощности, соответствующие нижней границе диапазона регулирования энергоблоков; Рн - мощность нагрузки района в режиме, предшествующем выделению района.

Результаты решения (5 и 6) дадут возможность устанавливать направления действия локальных автоматик у энергоблоков, возможных к отключению, и направления действия автоматики энергоблоков, оснащенных системой аварийной разгрузки. Оставшийся небаланс мощности будет ликвидирован работой автоматических регуляторов скорости неотключаемых энергоблоков.

Разработанные принципы и алгоритм системы контроля эффективности действия автоматики ограничения повышения частоты положены в основу одноименного программного комплекса, принципиальная схема взаимодействия модулей которого показана на рисунке 3.

Аутентификация / авторизация

Отображение состояния всех АОПЧ

Отображение схемы действия по выбранной АОПЧ

Графическое отображение состояния АОПЧ

Редактирование формул

Администрирование пользователей системы

Отображение отчетов

Модуль аутентификационных данных

Excel

Модуль получения и анализа Ехсе1-файла с данными

Модуль расчета

Модуль для работы со схемами

Модуль генерации отчетов

Уровень доступа к БД

¡Ей

Рисунок 3 - Принципиальная схема взаимодействия модулей программного комплекса

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации содержатся научно-обоснованные решения актуальной задачи повышения эффективности эксплуатации электротехнических комплексов при аварийном выделении в системе электроснабжения района с избыточной генерацией, предотвращающие «погашение» нагрузки района выделения за счет автоматического восстановления баланса мощности изменением направления действия локальных автоматик и отключением части генерирующих мощностей.

Основные результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. На основе анализа крупных аварий в системах электроснабжения, сопровождающихся выделением районов с избыточной генерацией, выявлены основные закономерности развития этих аварий. Показано, что в таких случаях характерной причиной «погашения» нагрузки районов выделения являются избыточные действия по отключению генерирующих мощностей локальными автоматиками ограничения повышения частоты.

2. Определены технические мероприятия по координации баланса мощностей, позволяющие обеспечить при выделении электростанции ее устойчивую работу на сбалансированную нагрузку. В частности, разработан алгоритм и принципиальная схема автоматики ограничения повышения частоты электростанции с коррекцией нагрузки по частоте и напряжению, позволяющие выбирать отключаемые генераторы по условию максимального приближения сверху суммарной генерируемой мощности к мощности нагрузки выделившегося района.

3. Применительно к району Юга системы Санкт-Петербурга разработаны организационно-технические и технологические мероприятия по координации баланса мощностей в районе, позволяющие обеспечить при аварийном выделении района устойчивую работу электростанций на сбалансированную нагрузку за счет адаптивного алгоритма управления локальными автоматиками в режиме реального времени.

4. Впервые разработан алгоритм контроля эффективности автоматики ограничения повышения частоты, позволяющий достоверно оценивать текущий баланс мощности в районах потенциального выделения при различных схемно-режимных условиях системы электроснабжения и автоматически изменять направление действия локальных автоматик. Разработанный алгоритм контроля эффективности действия комплексов автоматики ограничения повышения частоты положен в основу одноименного программного комплекса.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Зайцев A.B. Оценка эффективности автоматических устройств ограничения повышения частоты в районах с преобладанием ГЭС / A.B. Зайцев, A.C. Карпов // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Серия «Наука и образование». - 2010. - № 2-2 (100). -С. 75-82.

2. Зайцев A.B. Автоматика ограничения частоты при аварийном выделении энергорайона с избытком генерируемой мощности / A.B. Зайцев, В.Н. Костин // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Серия «Наука и образование». - 2012. - № 4 (195). -С. 17-20.

3. Зайцев A.B. Автоматизированная система контроля эффективности действия автоматики ограничения повышения частоты / A.B. Зайцев, В.Н. Костин //. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Серия «Наука и образование». - 2012. - № 4 (195). -С. 69-72.

4. Зайцев A.B. Выбор отключаемых генераторов при аварийном выделении станции на изолированную нагрузку / A.B. Зайцев, В.Н. Костин, К.П. Тимощенко // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011612532 от 28.03.2011.

5. Зайцев A.B. Оценка эффективности автоматических устройств ограничения повышения частоты в районах с преобладанием ГЭС / A.B. Зайцев, A.C. Карпов // XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции Ч. II. - СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2009. С.39-41.

6. Зайцев A.B. Оптимизация формирования управляющих воздействий автоматики ограничения повышения частоты при выделении станции на изолированную нагрузку / A.B. Зайцев, A.C. Карпов, В.В. Луптаков // Электрика, № 4, 2010 - с. 16-18.

7. Зайцев A.B. Обобщенные алгоритмы формирования функций контроля предшествующего режима для цифровых устройств противоаварийной автоматики / A.B. Зайцев, A.C. Карпов, В.В. Луптаков // Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования: материалы Всероссийской научно-технической конференции. - Томский политехнический университет, 2010.-С. 113-115.

8. Зайцев A.B. Адаптивные алгоритмы для функций противоаварийной автоматики энергосистем / A.B. Зайцев, A.C. Карпов, В.В. Луптаков // Электроэнергетика глазами молодежи: научные труды международной научно-технической конференции. - Самарский государственный технический университет, 2011. Т.2. - С. 18-23.

9. Зайцев A.B. Адаптивный алгоритм автоматики ограничения повышения частоты / A.B. Зайцев, В.Н. Костин // XLI Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. - СПб.: Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2012. С.30-32.

10. Зайцев A.B. Принципы построения автоматики ограничения повышения частоты на основе адаптивных алгоритмов / A.B. Зайцев, В.Н. Костин, C.B. Прокопченко // Энергетика глазами молодежи: материалы III международной научно-технической конференции. - Екатеринбург, 2012. С. 177-180.

РИЦ Горного университета. 19.11.2013. 3.580. Т.100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»»

На правах рукописи

04201455504

ЗАЙЦЕВ Александр Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРИ АВАРИЙНОМ ПОВЫШЕНИИ ЧАСТОТЫ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель

канд. техн. наук, доцент В.Н. Костин

Санкт-Петербург-2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

Глава 1 АНАЛИЗ АВАРИЙ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, СВЯЗАННЫХ С ПОВЫШЕНИЕМ ЧАСТОТЫ................................................11

1.1 Аварии в зарубежных системах.....................................................................11

1.1.1 Авария на северо-восточном побережье США и Канады 9-10 ноября 1965 года ...............................................................................................................11

1.1.2 Авария в Швеции 27 декабря 1983 года...................................................14

1.1.3 Авария 14 августа 2003 года на северо-востоке США и в Канаде.........17

1.2 Аварии в отечественных системах ..............................................................23

1.2.1 Авария в Калининградской области 13 августа 2011 года .....................23

1.2.2 Авария на каскаде Свирских ГЭС 18 декабря 2008 года.........................27

1.3 Выводы по главе 1...........................................................................................30

Глава 2 МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ РАСЧЕТОВ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.................................31

2.1 Математические модели нагрузок.................................................................31

2.1.1 Моделирование нагрузки в ПК RUSTAB и MUSTANG..........................31

2.1.2 Моделирование нагрузки в ПК EUROSTAG............................................34

2.2 Математические модели синхронных машин..............................................35

2.2.1 Моделирование систем возбуждения в ПК MUSTANG и RUSTAB......36

2.2.2 Моделирование систем возбуждения в ПК EUROSTAG........................39

2.3 Математические модели регуляторов скорости турбин ............................39

2.3.1 Моделирование регуляторов скорости турбин в ПК MUSTANG и RUSTAB.................................................................................................................40

2.3.2 Моделирование регуляторов скорости турбин в ПК EUROSTAG ........42

2.4 Сравнение расчетов переходных процессов в различных ПК...................42

2.4 Выводы по главе 2..........................................................................................45

Глава 3 ПОСТРОЕНИЕ СИСТЕМЫ АОПЧ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ 3.1 Проблемы регулирования частоты агрегатами электростанций

различного типа.....................................................................................................46

3.1.1 Агрегаты ТЭС..............................................................................................46

3.1.2 Агрегаты ГЭС..............................................................................................50

3.1.3 Агрегаты ПТУ..............................................................................................52

3.1.4 Агрегаты АЭС.............................................................................................55

3.2 Проблемы при работе ЧДА электростанции..............................................57

3.2.1 ЧДА Волховской ГЭС.................................................................................57

3.2.2 ЧДА Светогорской ГЭС.............................................................................61

3.3 Традиционные методы резервирования регуляторов скорости турбин... 65

3.4 Перспективы резервирования регуляторов скорости турбин...................72

3.5 Алгоритм АОГТЧ при выделении района с одной электростанцией........78

3.5.1 Работа АОПЧ электростанции при заданных уставках..........................78

3.5.2 Моделирование нагрузки...........................................................................81

3.5.3 Адаптивный алгоритм АОПЧ электростанции........................................84

3.6 Выводы по главе 3..........................................................................................90

Глава 4 ПОСТРОЕНИЕ КОМПЛЕКСА АОПЧ ДЛЯ ЭНЕРГОРАЙОНА

С РАЗЛИЧНЫМИ ТИПАМИ СТАНЦИЙ..........................................................91

4.1 Разработка АОПЧ системы электроснабжения района Юга Санкт-Петербурга.............................................................................................................92

4.1.1 Схема района Юга.......................................................................................92

4.1.2 Режим работы района Юга при его выделении на изолированную работу.....................................................................................................................93

4.1.3 Разработка алгоритма АОПЧ района Юга...............................................96

4.1.4 Использование ИРТ....................................................................................99

4.1.5 Эффективность действия АОПЧ в различных режимах.........................103

4.1.6 Совместная работа ЧДА и АОПЧ как средство противоаварийного управления.............................................................................................................108

4.1.7 Действие ЧДА и АОПЧ для режима летнего минимума нагрузки........113

4.2 Выводы по главе 4..........................................................................................115

Глава 5 РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ

КОНТРОЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ АОПЧ..........................................................117

5.1 Математическая модель восстановления баланса мощности

в районе потенциального выделения..................................................................118

5.2 Метод решения. Пример расчета (район Юга)...........................................123

5.3 Основы построения системы контроля эффективности АОПЧ................127

5.4 Оценка текущей величины мощности нагрузки.............................................130

5.5 Требования к ПК «Контроль эффективности АОПЧ» для системы электроснабжения Санкт-Петербурга и Ленинградской области»..................135

5.6 Выводы по главе 5..........................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................141

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ А...............................................................................................153

ПРИЛОЖЕНИЕ Б................................................................................................155

5

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия в электроэнергетических системах (далее - системах) ряда развитых стран произошли крупные, аварии [2, 42, 75, 102, 106, 107], получившие у специалистов название «системные аварии» и нанесшие большой экономический, политический и социальный ущерб. Наиболее «показательными» и схожими по причинам и развитию являются системные аварии в США (2003 г.) и в Московской энергосистеме (2005 г.). Статистика [44, 45, 46] показывает, что за последние 25-30 лет системные аварии случаются в среднем 1-2 раза в год.

Начало аварии может быть вызвано самыми различными причинами. Это повреждение какого-либо элемента системы (трансформатор тока на подстанции Чагино, Москва, 2005 г.), ложное срабатывание релейной защиты в системе США и Канады 1965 г., ошибка при проведении оперативных переключений в системе Швеции 1983 г., короткое замыкание, поражение воздушной линии электропередачи молнией, обрыв проводов линии вследствие гололеда, сильного ветра и пр.

Основной характеристикой системной аварии является ее быстрое и практически непредсказуемое развитие, сопровождающееся отключением лииий электропередачи, трансформаторов, генераторов электростанций и, соответственно, массовым нарушением электроснабжения потребителей. Быстрое протекание аварийных процессов исключает возможность их ликвидации и тем более предотвращения действиями оперативного персонала даже при наличии хороших средств телеконтроля и телеуправления. Поэтому предотвращение, локализация и ликвидация аварий целиком возлагается на иерархические комплексы противо-аварийной автоматики (ПА).

В процессе развития системной аварии осуществляется разделение системы на отдельные части (энергорайоны), которые могут оказаться как с дефицитом, так и с избытком генерируемой мощности.

При дефиците активной мощности частота в выделившемся энергорайоне снижается, что вызывает работу автоматической частотной разгрузки (АЧР), отключающей часть потребителей района для восстановления в нем баланса мощ-

ности. При восстановлении в энергорайоне нормального уровня частоты осуществляется его синхронизация с остальной частью системы.

При избытке генерируемой мощности частота в выделившемся энергорайоне повышается, что вызывает работу автоматических регуляторов скорости (АРС) турбин. Однако эти регуляторы далеко не всегда могут справиться с быстрым ростом частоты в выделившихся энергорайонах с большим избытком генерируемой мощности. В таких условиях действия противоаварийной автоматики могут оказаться не эффективными и управляющие воздействия (УВ) будут выполняться «в след» аварийному процессу.

При быстром росте частоты автоматика ограничения повышения частоты (АОПЧ) начинает отключать генераторы, район переходит из разряда избыточных в разряд дефицитных, частота в районе снижается, возникает лавина частоты и полное прекращение электроснабжения потребителей выделившегося энергорайона («погашение» энергорайона). Следует отметить, что выделение энергорайона на изолированную работу может произойти не только при системной аварии, но и при аварийном отключении связей района с единой системой. Ряд случаев выделения энергорайона с избытком генерации подробно рассмотрен в главе 1.

Таким образом, реальное восстановление баланса мощности в выделившихся энергорайонах с избытком мощности является актуальной задачей, решение которой позволит сохранить электроснабжение потребителей района и уменьшить ущерб при аварийной ситуации.

Решение поставленной задачи возлагается, естественно, на электротехнические комплексы и системы противоаварийной автоматики.

Анализ состояния устройств противоаварийной автоматики в электрических сетях 110-750 кВ показывает, что в настоящее время в российской электроэнергетике основную часть этих устройств (95-97%) составляют электромеханические устройства, доля микроэлектронных устройств составляет ориентировочно 3-4%, а доля микропроцессорных устройств не превышает 1%. При этом в среднем примерно 25% устройств находится в эксплуатации более 20-25 лет, что свидетельствует об их моральном и физическом износе.

Поэтому решение задачи обеспечения надежности и эффективности функционирования систем электроснабжения в современных условиях в большой мере связано с техническим совершенствованием противоаварийной автоматики.

Важными моментами повышения эффективности комплексов противоаварийной автоматики являются перевод ее средств на микропроцессорную базу и разработка алгоритмов работы, позволяющих в темпе реального времени идентифицировать изменение режима или аварийную ситуацию и формировать оптимальные управляющие воздействия с целью обеспечения наиболее благоприятного качества протекания аварийных переходных процессов при возмущениях в системе электроснабжения.

До недавнего времени системы противоаварийной автоматики строились из отдельных (разрозненных) устройств, выполненных по «жесткой» логике электромеханических или микроэлектронных устройств, что не обеспечивает необходимой эффективности. Использование при реконструкции системы противоаварийной автоматики современной микропроцессорной аппаратуры позволяет ее интегрировать в любые информационные системы, обеспечив быстрый доступ к текущей и аварийной информации устройств со всех уровней диспетчерского управления и информационный обмен между отдельными уровнями и устройствами противоаварийной автоматики.

Кроме того, противоаварийное управление крупными энергорайонами наиболее эффективно при наличии централизованной многоуровневой системы противоаварийной автоматики, позволяющей локализовать или предотвратить большинство аварийных режимов. На высшем уровне собирается и обрабатывается информации о параметрах режима энергорайона и, далее, формируются и передаются управляющие воздействия на изменение уставок и направление действия локальных автоматик низшего уровня.

Очевидно, что эффективность противоаварийного управления во многом зависит от уровня развития и надежности системы сбора и передачи информации по телеканалам связи параметров предшествующего и аварийного режимов выделившегося энергорайона.

В отчете по расследованию аварии в Москве [60], в частности, указывается на необходимость:

- повышения качества и объемов средств информационного оснащения оперативно-диспетчерского персонала, с целыо обеспечения необходимой наблюдаемости сети по телеметрии режимных параметров энергосистемы, а также обеспечения диспетчерских служб оперативным программным инструментом для оценки режимов на краткосрочный период времени по текущей схеме электросети и фактическому состоянию загрузки генерирующих мощностей;

- выполнения полного анализа схем обеспечения живучести электростанций и сохранения их в работе с выделением на сбалансированную нагрузку или нагрузку собственных нужд при системных нарушениях, в том числе и для сохранения электроснабжения производственных предприятий (особенно с опасными технологиями).

При восстановлении баланса мощности в выделивщемся энергорайоне следует использовать возможности современных систем регулирования паровых турбин. В частности, автоматическая система аварийной разгрузки блоков (АСАРБ) мощных энергоагрегатов осуществляет быструю разгрузку блоков до величины нагрузки собственных нужд и холостого хода [43, 61], что позволяет весьма эффективно задействовать эту автоматику не только для повышения динамической устойчивости и ликвидации асинхронных режимов, но и для противо-аварийной автоматики восстановлении баланса мощности в выделившемся энергорайоне и повышения надежности электроснабжения его потребителей.

Целыо диссертационной работы является исследования переходных процессов, возникающих в крупных системах электроснабжения при аварийном выделении энергорайона с избытком генерируемой мощности, и разработка мероприятий по повышению эффективности системы противоаварийной автоматики для предотвращения развития аварии в районе выделения с массовым нарушением электроснабжения потребителей.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

- на основе анализа аварий, возникающих в крупных системах электроснабжения при выделении энергорайона с избытком генерируемой мощности, выявле-

ны характерные особенности протекания этих аварий, приводящие к развитию аварийного процесса и прекращению электроснабжения потребителей выделившегося энергорайона;

- для районов потенциального выделения с избытком генерируемой мощности выявлены основные проблемы регулирования частоты агрегатами электростанций различного типа;

- для аварийных ситуаций, сопровождающихся выделением на изолированную работу гидроэлектростанции с избытком генерируемой мощности, выполнены исследования по эффективности отключения части генераторов для введения частоты в допустимую область;

- для аварийных ситуаций, сопровождающихся выделением на изолированную работу энергорайона с различными типами электростанций и избытком генерируемой мощности, выполнены исследования по эффективности изменения направления действия локальных комплексов АОПЧ при изменении во времени генерации и нагрузки района.

Научная новизна диссертационной работы: - разработан алгоритм построения комплекса АОПЧ гидроэлектростанции при ее аварийном выделении с избытком генерации на район нагрузки, позволяющий с учетом статических характеристик нагрузки минимизировать объем отключаемых генераторов для введения частоты в допустимую область и сохранить электроснабжение потребителей района;

- для районов потенциального выделения на базе разработанной математической модели восстановления баланса мощности, данных оперативно-измерительного комплекса и интерполяции результатов ежегодных замеров нагрузки разработаны алгоритм и принципы построения автоматизированной системы контроля эффективности действия АОПЧ, позволяющей в темпе реального времени изменять направления действия локальных АОПЧ.

Практическая значимость работы:

- разработанный алгоритм АОПЧ гидроэлектростанции при ее аварийном выделении с избытком генерации на изолированный район нагрузки позволяет сохранить электроснабжение потребителей района выделения;

- на примере района Юга системы электроснабжения Санкт-Петербурга разработан алгоритм функционирования комплексов АОПЧ с уставками по частоте и времени, учитывающий изменение во времени генерации и нагрузки района;

- применительно к крупным энергорайонам системы электроснабжения Санкт-Петербурга и Ленинградской области впервые разработаны алгоритм и принципы построения автоматизированной системы контроля эффективности комплексов АОПЧ при аварийном выделении этих районов на изолированную работу.

Разработанный комплекс АОПЧ электростанции будет применен при модернизации системы противоаварийной автоматики Волховской ГЭС ТГК-1. Результаты исследований будут использоваться в научно-технической фирме Энергосоюз.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях, заседании кафедры «Электроэнергетики, электротехники и электромеханики» Национального минерально-сырьевого унив