автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой

005004514

ВАСИЛЬЕВ Владимир Владимирович

РАЗРАБОТКА АВТОМАТИКИ КОМПЛЕКСНОГО АВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ

Специальность 05.14.02 — Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

-1 ДЕК 2011

Новосибирск - 2011

005004514

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Глазырин Владимир Евлампиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Секретарев Юрий Анатольевич

кандидат технических наук Останин Андрей Юрьевич

Ведущая организация: ЗАО «Сибирский ЭНТЦ», г. Новосибирск

Защита состоится: 22 декабря 2011 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.173.01 при Новосибирском государственном техническом университете по адресу: 630092, Новосибирск, пр. К. Маркса, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного технического университета.

Автореферат разослан «//» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.П. Тимофеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

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

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

Таким образом, огромные возможности, предоставляемые микропроцессорной техникой, не используются должным образом.

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

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

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

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

2. Разработка методики комплексного управления нагрузкой узла энергосистемы при недопустимом снижении частоты и уровня напряжения.

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы.

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

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

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

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

Практическая ценность и реализация результатов работы.

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

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

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

3. Принцип построения и алгоритм работы устройства АКАУН. Рекомендации к размещению, формированию управляющих воздействий и выбору уставок устройства АКАУН.

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

Апробация работы.

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

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

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

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулирована цель и поставлены задачи исследования, отражена их практическая ценность, приведены краткое изложение содержания работы и основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 «Процессы, связанные с возникновением дефицита мощности и снижением частоты и напряжения в энергосистеме, и методы проти-воаварийного управления для их ликвидации» рассмотрены характерные особенности аварийных ситуаций, связанных с возникновением дефицита мощности. Сделан вывод о том, что по мере развития и объединения энергосистем вероятность глубокого общесистемного снижения частоты и напряжения уменьшается, но необходимость в устройствах аварийного управления нагрузкой не отпадает. Поэтому возникает необходимость адаптировать принципы построения систем АОСЧ и АОСН к новым условиям работы современной энергосистемы, и в первую очередь это обусловлено возрастающим многообразием возможных аварийных ситуаций, сопровождающихся дефицитами активной и реактивной мощности.

Большая часть главы 1 посвящена обзору полного спектра устройств, входящих в системы АОСЧ и АОСН, как отечественного, так и зарубежного исполнения, и выявление их достоинств и недостатков. Сделан вывод о том, что, используя представленные на рынке устройства управления нагрузкой, сложно построить эффективную автоматику.

Это объясняется:

- низкой точностью измерения частоты;

- тем, что разгрузка по частоте и по напряжению выполняются раздельно;

- не учитывается предыдущий режим работы системы, когда в случае совмещения действия устройств АОСЧ и АОСН на отключение нагрузки и их одновременного срабатывания, для более эффективного управления полезно знать информацию об интенсивности изменения одновременно снижающихся частоты и напряжения;

- не учитывается текущее значение мощности отключаемых нагрузок;

- наличие традиционных очередей АЧР I, АЧР II и дополнительной разгрузки приводит к большой сложности в построении разгрузки.

В главе 2 «Разработка комплексного принципа аварийного управления нагрузкой» рассмотрены подходы к усовершенствованию устройств систем АОСЧ и АОСН. При тяжелых авариях, приводящих к большим дефицитам активной мощности, появляется дополнительная опасность возникновения локальных дефицитов реактивной мощности и глубоких снижений напряжения до уровней развития «лавины напряжения». В связи с этим целесообразно совместить в одном устройстве сразу несколько функций: АЧР, ДАР (дополнительная автоматическая разгрузка, отключающая нагрузку при большой скорости снижения частоты), ЧАПВ, АОСН и АПВН. В результате такого совмещения получен качественно новый вид автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой (АКАУН).

Для формирования команд управления нагрузкой (не только отключения, но и включения) предлагается использовать обобщенный параметр вида

где к/,ки,к1,...,к10- весовые коэффициенты;А/г = {/уст.откл -/V/иом-

снижение текущей частоты (/) ниже заданной уставки на отключение (/уст.откл) относительно номинального значения {/ном =50 Гц);

4/г = (fycm.eK.ri /ном~ относительное снижение текущей частоты ниже заданной уставки на включение (/уст,вкл); АЩ = (Ууст откл - [/) / ином- относительное снижение напряжения (£/) ниже заданной уставки на отключение (и уст.откл); = (Рустдкп относительное снижение напряжения ниже заданной уставки на включение (иуствкл)\ Ц.....?4 - пределы интегрирования. Значение уставки на отключение меньше уставки на включение (включение отключенного потребителя осуществляется только после восстановления частоты и (или) напряжения в энергосистеме до определённого уровня): /уст .откл ^ /уст.вкл' ^усгп.откл ^ ^уст.вкл •

Использование такого обобщенного параметра для формирования управляющего воздействия позволяет также получить ряд преимуществ по сравнению с традиционными устройствами разгрузки по частоте и напряжению.

Во-первых, использование фактора скорости изменения частоты позволяет существенно ускорить разгрузку энергосистемы в случаях возникновения больших дефицитов активной мощности. По сути, это позволяет «перекрыть» функции ДАР, выполняющей быстродействующее отключение нагрузки по факту фиксации большой скорости снижения частоты, когда допускается подключение одних и тех же потребителей к АЧР и ДАР. Известно, что ДАР может выполняться и без фиксации снижения частоты, когда запуск автоматики осуществляется по факту отключения генерирующих источников, питающих линий, силовых трансформаторов и т.д. с контролем направления и величины перетоков активной мощности в предшествующем режиме. Эти функции ДАР не рассматривались при реализации устройства АКАУН.

Во-вторых, интегрирование частоты по времени предотвращает её «зависание» на недопустимом уровне (выполнение функции АЧР И).

В-третьих, участие в формировании обобщенного параметра воздействия отклонения напряжения и скорости его изменения позволяет ускорить разгрузку в узлах, имеющих наиболее низкие уровни напряжения.

В-четвёртых, учитывая реальный характер изменения частоты, а также используя составляющую, пропорциональную интегралу отклонения частоты после ее повышения выше уставки на включение, автоматика не будет обладать

/

V

недостатками по задержке на включение потребителей, которые присущи существующим устройствам ЧАПВ с неизменными уставками.

В процессе разработки комплексного подхода к управлению нагрузкой были рассмотрены следующие режимы работы энергосистемы, которые необходимо учитывать при определении требований к устройству автоматики:

• при коротком замыкании (КЗ) из-за снижения напряжения в контролируемом узле может произойти ложное срабатывание автоматики комплексного управления нагрузкой. В этом случае следует блокировать работу органов по напряжению в (1) на некоторое время по факту выявления короткого замыкания;

• устройство АКАУН не должно работать при снижении частоты в узлах энергосистемы при временном отключении подстанции с двигателями или синхронными компенсаторами (СК) в циклах АПВ и АВР. Для этого необходимо блокировать работу органов по частоте в (1), используя существенное различие в скорости снижения частоты при выбеге двигателей и СК и при дефицитах мощности.

• известно, что изменение частоты может носить ярко выраженный колебательный характер, поэтому её производная за время снижения может несколько раз менять свой знак. Описанная проблема частично решена в комплексном подходе к управлению нагрузкой: сигнал по производной изменения частоты формируется только после снижения частоты ниже заданной уставки на отключение, то есть по истечении некоторого времени после возникновения дефицита активной мощности, а колебания производной по частоте, как известно, в первые моменты времени имеют большие амплитуды и затухают с меньшими постоянными времени. Кроме того, наличие в суммарном сигнале воздействия на потребителей интеграла изменения частоты позволяет увеличивать до уставок на отключение вне зависимости от характера изменения производной по частоте.

Функционально-структурная схема работы автоматики, реализующей принцип комплексного управления в соответствии с выражением (1) представлена на рисунке 1.

Работает схема следующим образом.

В блоках 1 и 2 рассчитываются отклонение частоты от уставок запуска на отключение и повторного включения следующим образом:

МГу =

Шг =

(5)

Аналогичные выражения описывают логику работы блоков 3 и 4: {иуст.откп ~ 1У ном > пРи У ^ Vуст.откл [О, при и > I]уст .откп I (Ууст,вкл

— 1/)/ином,при и > У уст .вкл [0, при и < иуст .вкл Блоки б, 7, 9 и 10 предназначены для измерения скорости подъёма частоты, скорости снижения частоты, скорости подъёма напряжения и скорости снижения напряжения соответственно (блоки дифференцирования) в условиях срабатывания блоков 1, 2, 3 и 4 соответственно. А элементы 5 и 8 - для интегрирования относительного отклонения частоты от уставки запуска повторного включения (с пределами интегрирования /3- момент перехода сигнала 4/2от нулевого значения к Д/2 < 0, (4- момент обратного перехода сигнала Д/2 от отрицательного значения к Д/2 =0) и относительного отклонения частоты от уставки запуска на отключение (с пределами интегрирования момент перехода сигнала Л/|ОТ нулевого значения к А/1 >0, ¿2- момент обратного перехода сигнала 4/1от положительного значения к А/1 =0).

5_

4/2 (1уст.вкл Л'/ном

2

Д/1 = (/уст.откл /V /ном

3

А С/,- (У уст.откл -Щ1иИ0М

4

д и2 — № уст.вкл -иуином

'4 )Д/2Л

<3_

л 1

Щ

Л

111

ч

Я_

л

ж.

с1Ш2

12

Блок сравнения и формирования сигнала на управление нагрузкой

Рис. 1. Функционально-структурная схема АКАУН

Блок вычислений 11 формирует обобщенный параметр управления нагрузкой, включающий составляющие от блоков 1-10 согласно выражению (1) со своими весовыми коэффициентами. Сформированный блоком вычислений 11 сигнал поступает на вход элемента 12, в котором происходит его сравнение с уставками и формирование сигналов на отключение и включение очередей на-

грузки. В случае наступления условия >А/отк/1с выхода элемента 12 в исполнительный орган выдаётся сигнал на отключение 1-ой очереди нагрузки (1=1...«). При <А(0ткл сигнал на выходе блока 12 отсутствует. В этом же блоке выполняется сравнение этого сигнала с заданной уставкой на включение отключенной ранее нагрузки А,- вкл. При < Л,вкл с выхода элемента 12 подаётся сигнал в исполнительный орган включения нагрузки. При > А1 вкл сигнал на выходе органа 12 отсутствует.

Все подключаемые к устройству потребители распределяются в порядке возрастания степени их ответственности. При этом необходимо обеспечить условия

откл ^ откл ^ откл < ••■ < Ап откл;

(о)

А\ вкл < вкл ^ вкл Апвкл >

причем

вкл — А откл > вкл — откл-' вкл — <^3 яи-^п вкл — откл ■ (7)

При такой организации работы устройства последовательность отключения и включения потребителей не нарушается ни при каких обстоятельствах и будет строго соответствовать степени их ответственности. Порядок включения потребителей - обратный порядку их отключения.

То есть при достижении обобщенным параметром значения уставки А\ откл отключения первой нагрузки в момент ^ отт подаётся сигнал на её отключение (АРоткл\). По мере возрастания и выполнения условий^ > А2 откл, > Ат,откл и т.д. происходит отключение следующих нагрузок соответственно (АРото2,АРотк13)..., ДРотклп) в моменты времени 12откл, 'зоткл> ••■ > 'лоткл > причём последовательность отключения нагрузок строго соответствует порядку возрастания их ответственности (рис. 2). При выполнении условия Аг <

Ап вкл в момент ?пвкл в блоке сравнения и формирования сигнала на управление нагрузкой формируется команда на включение отключенной ранее «-ой нагрузки (ЬРеклЬЬРвкл2, ... , ДРеклп). По мере снижениями выполнения условий < Апвкл происходит включение потребителей в строгой последовательности по степени их ответственности, обратной последовательности их отключения (рис. 2).

Если после подъёма частоты выше уставки /уст вкл происходит её повторное аварийное снижение, то параметр вновь начинается увеличиваться (рис. 2, пунктирная линия) и обеспечивается повторная работа автоматики (в момент {4откл) с воздействием на отключение потребителей, подключенных ранее повторным включением или не отключенных при первоначальном снижении частоты, причём опять же последовательность их отключения строго соответствует степени их ответственности.

Обобщенный параметр Ах несет информацию о необходимом количестве отключаемой активной мощности для ликвидации возникшего дефицита в случае аварийного снижения контролируемых параметров и возможном к обратному включению в сеть объеме активной нагрузки при восстановлении этих параметров. Измеряется^в относительных единицах (о. е.).

Рис. 2. Принцип действия комплексного подхода к управлению нагрузкой

Весовые коэффициенты в выражении (1) подразделяются на основные и дополнительные (к/,ки). Заданием основных весовых коэффициентов осуществляется настройка автоматики под каждый конкретный случай установки с целью предотвращения излишнего отключения и включения нагрузки, а также осуществления гибкой настройки устройства. Причем эти коэффициенты могут изменяться в диапазоне кх...к10= [0;1](рис. 3).

Проанализировав выражение (1), можно сделать следующие утверждения:

• весовые коэффициенты к\и ^характеризуют текущую величину отключаемой мощности и не имеют размерности;

• коэффициенты веса ¿3 и ¿9 имеют отношение к текущей величине включаемой мощности после восстановления контролируемых параметров и также не имеют размерности;

• множители перед производными составляющими ,к%и £4,^10 с размерностью [сек] отвечают за прогнозирование изменения величины отключаемой и соответственно включаемой мощности нагрузки;

• коэффициенты и к^ вместе с интегральными составляющими несут информацию о предшествующей мощности, которую необходимо отключить или наоборот разрешено включить, [1/сек].

Дополнительные весовые коэффициенты по частоте (А:у) и по напряжению (ки) несут информацию о характере аварийного возмущения в предшествующем аварийном режиме. Выбор дополнительных весовых коэффициентов начинается при небольшом (допустимом) снижении контролируемых параметров и продолжается до тех пор, пока значения частоты и напряжения не достигнут аварийных уставок, при которых формируется суммарный сигнал.

Методика выбора дополнительных весовых коэффициентов по своей сути представляет собой оптимизацию обобщённого параметра управления нагрузкой, т.е. поиск наилучшего решения для каждого конкретного случая действия автоматики при одновременном снижении частоты и напряжения. Обычно считается, что оптимальным является такое решение, которое доставляет максимум некоторому параметру (в нашем случае это параметр А2 ). В таком случае согласно теории многокритериальной оптимизации (ТМО) задача поиска наилучшего решения (Ор1Аиз множества возможных решений (Л2) записывается следующим образом

Ор1Ах =Р(к/,ки )-> шах, к^,ки<=П, (8)

где 12 - область возможных значений дополнительных весовых коэффициентов.

Определение дополнительных весовых коэффициентов осуществляется следующим образом. После одновременного снижения частоты и напряжения ниже уставок формирования весовых коэффициентов/^и 17фвК соответственно на каждом последующем /-том шаге замера контролируемых параметров формируется целевая функция ./7 = {а,;Ь,}в соответствии с выражениями

а1 = (/фвк ~ У1') I /фвк >

Ь1=(ифвк-и1)/ифвк. (9)

В начале осуществляется поиск оптимальной из первых двух целевых функций ^ ={а\\Ь\} и ={я2;Ы, полученных на первом и соответственно

втором шагах замера. Согласно аксиоме Парето из теории многокритериальной оптимизации:

1.Функция ^считается предпочтительнее если одновременно ay >

и ¿»1 > ¿2 ■

2. Функция F2 является оптимальной при одновременном выполнении условий а2 - а\ и ^2 - h. ■

Получение 1-го либо 2-го результата не гарантировано, т.к. может иметь место, например, а\ > а2 и Ъ2 S . В таком случае однозначно утверждать, какая из двух функций является оптимальной, не представляется возможным. Поэтому возникает необходимость определиться, какой из критериев a-t или 6,- для нас является более важным. Разрабатываемое устройство является частотной разгрузкой с ускоренным действием в режиме пониженного напряжения, поэтому контроль снижения частоты является предпочтительнее фиксации снижения напряжения.

В этой связи перед поиском оптимальной целевой функции осуществляется определение промежуточных значений дополнительных весовых коэффициентов, называемых в ТМО коэффициентами относительной важности, для первых двух целевых функций F\ ={ai;&i) и F2 = {а2; Ь2 } по выражениям:

Wf

kfu =-{-.

wf + wu (10)

где wj- =|а2 -критерий по «_/>>; wu ~\b2 -¿^-критерий по «У». Причем кfu является коэффициентом относительной важности критерия по «/>> по сравнению с критерием по «£/» и соответствует коэффициенту^ , а параметр kuf -соответствует ки .

Следующим шагом является преобразование составляющих по напряжению из выражения (9) в соответствие с теоремой ТМО о поиске множества оптимальных решений

b[ =kfuax +kufb\,

(11)

b2 =kfua2 +kufb2.

соотношение между которыми теперь будет таким же, как между а\ и а2 ■

В итоге, оптимальной из первых двух целевых функций является та, у которой составляющая «¡больше. Этой функции соответствуют свои промежуточные дополнительные весовые коэффициенты.

Затем эта функция сравнивается со следующей, полученной на третьем шаге замера контролируемых параметров, с определением своих коэффициентов веса. И так далее, до достижения частотой и напряжением аварийных уставок.

Рис. 4. Область поиска оптимального решения

В итоге останется одна оптимальная целевая функция со своими дополнительными весовыми коэффициентами, которые и будут использованы в выражении (1).

Использованный подход графически отображен на рисунке 4, где символом «Р» обозначены парето-оптимальные решения, такие, которые подчиняются упомянутой ранее аксиоме Парето.

Таким образом, система АКАУН является «самонастраивающейся» в отношении дополнительных весовых коэффициентов, которые будут определяться автоматически каждый раз в ходе работы устройства разгрузки в режимах одновременного снижения частоты и напряжения.

Глава 3 «Алгоритмическая и техническая реализация автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой» посвящена программной реализации спроектированного алгоритма работы автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой. Весомая часть главы посвящена технической реализации АКАУН с определением аппаратных требований и типа оборудования с описанием его функционирования. Произведен анализ эффективности использования фактора скорости снижения частоты в комплексном управлении нагрузкой. Даны рекомендации к размещению, управляющим воздействиям и выбору уставок устройства АКАУН, а также представлена методика адаптации уставок на отключение/включение под текущий режим контролируемого узла нагрузки. Проведенные с помощью программного комплекса анализа живучести (ПАЖ) экспериментальные и испытания максимально приближенные к промышленным условиям показали, что применение методики комплексного управления нагрузкой эффективно как при малых, так и при значительных аварийных дефицитах мощности.

На первоначальном этапе для отладки алгоритма и визуализации результатов испытаний использовался пакет программ МАТЬАВ. В качестве примера был рассмотрен самый «тяжёлый» случай с одновременным снижением частоты и напряжения (рис. 5). Приведены осциллограммы в количестве 6 штук (счёт ведётся сверху вниз), по осям абсцисс которых отмеряется время в секундах. На первой осциллограмме представлена кривая изменения обобщенного параметра, по которому осуществляется отключение и обратное включение нагрузок. На втором графике показано состояние нагрузок с первой по пятую, считая

сверху вниз. Для первого потребителя включенное положение соответствует числу 5, отключенное - 4. Если вторая нагрузка включена, то у=4, если же отключена, то у=3. И так до пятой нагрузки. По сути, если потребитель включен, его положение соответствует единице, если отключен - нулю. На этом графике просто каждая нагрузка разнесена по оси ординат для того, чтобы цвета не сливались, и было понятно, какие потребители отключены, а какие включены.

На третьей осциллограмме наглядно показана величина дефицита. Четвёртая осциллограмма представляет собой динамическую характеристику энергосистемы по частоте. На пятом графике отображена зависимость 1/(1). Шестой график рисунка 5 отображает процесс определения дополнительных весовых коэффициентов.

Разрабатываемое устройство выполняется на базе Комплекса противоава-рийной автоматики - КПА-М (разработка и производство ЗАО «ИАЭС»), предназначенный для выполнения функций различных устройств противоаварийной автоматики, устанавливаемых на электроэнергетических объектах.

Основным узлом КПА-М, обеспечивающим ввод аналоговой и дискретной информации о состоянии контролируемого объекта, её обработку и формирование выходных дискретных сигналов, является функциональный блок (БФ).

к1 ! .. _ 1

ки ; ... 1

| 0.5 ь

> о^

Рис. 5. Моделирование работы АКАУН при аварийном снижении частоты и напряжения

Плата напряжения, входящая в состав БФ, используется для получения информации о напряжении посредством аналого-цифрового преобразования (АЦП) и частоте напряжения с помощью интегрированной в нее однокристальной микроЭВМ (ОКМЭВМ) фирмы Texas Instruments серии MSP430F169, работающей с тактовой частотой 8 МГц.

Замер частоты (рис. 6) осуществляется таким образом, что в один период промышленной частоты (0,02 с) укладывается 160 тысяч периодов тактового сигнала (8 ООО ООО Гц/ 50 Гц). При этом замер периода входного сигнала осуществляется с точностью 0,125 мкс (1/ 8 000 000 Гц), что даёт возможность определять частоту с погрешностью менее 0,003% и обеспечить большое число селективно работающих ступеней разгрузки.

Замер напряжения осуществляется следующим образом. Аналоговый сигнал переменного напряжения поступает на модуль АЦП, где осуществляется преобразование непрерывного входного сигнала в последовательность чисел (отсчеты), которые отображают его мгновенное значение, измеряемое через равные промежутки времени (рис. 7). Эти отсчеты затем передаются в микропроцессорную плату для получения действующего значения напряжения.

65535

¿1: «| (содержание счетчика) 12 :N = 65535-Гц ti:N = N + 65535 /4 : N = N + п2

CCIFG Флаг захвата события

ТАгев

Флаг переполнения счётчика

Рис. 6. Замер периода контролируемого напряжения

Частота дискретизации, используемая для замера действующего значения, равна 1200 Гц. То есть период дискретизации Т=0,833 мс, а число выборок

за период основной частоты N - = 24. Для обеспечения быстродействия

автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой достаточно получать замер действующего значения напряжения один раз за период. Алгоритм определения величины напряжения показан на рисунке 8.

Экспериментально было установлено, что относительная погрешность измерения действующего значения напряжения не превышает 1 % при отклонениях частоты ±10 Гц.

Рис. 7. Аналоговый сигнал (а) и его дискретизация (б)

Так как обобщенный параметр управления подразумевает под собой мощность, а каждая уставка срабатывания очереди соответствует определенной группе потребителей, видится целесообразным перенастраивать уставки срабатывания очередей разгрузки в зависимости от того, насколько загружены контролируемые присоединения по сравнению с их номинальной мощностью. Таким образом, по перенастроенным вновь уставкам можно будет оперировать с тем объемом нагрузки, который предполагался при номинальной загруженности потребителей. Тем самым ускорятся процессы ликвидации аварийного дефицита и восстановления питания отключенных потребителей.

Рис. 8. Определение действующего значения напряжения

Контроль потребляемой мощности каждой нагрузки (Рпот), заведенной под действие АКАУН, предполагается получать от датчиков мощности, установленных на всех контролируемых фидерах. Номинальная мощность каждого потребителя (Рном ) известна заранее.

Тогда можно получить соотношения по загруженности (д) каждого из п потребителей

„ __ Л пот . „ _ ?! пот . „ _ Р} пот . . п _ ^п пот /19ч

91 =р->92-р->93~р......9л-р (12)

1 НОМ 2 ном 3 ном гп ном

причем

9l.92.93.--9n (13)

В итоге, обозначив со штрихом уставки, заданные при номинальной мощности потребителей, пороги срабатывания АКАУН для выдачи управляющих воздействий на отключение будут вычисляться в темпе процесса в доава-рийном предшествующем режиме по следующим выражениям

откл ~ откл ' 91 >

откл ~ А2 откл ' 92 — откл ' 0 ~ Я\У> ^^

откл = А3откл ' 93 - А2 о/ига ' (1 ~ 9г)~ откл ' 0 01)!— •^л откл — Ап откл ' 9л ^(л—1) откл ' (1 — 9(л—1)) — — — олнся ' (1— 91)-

А на включение нагрузки А1вкл = -91;

^2екл ~А2вкл '92 ~А1вкл-0-91); ^

^Зекл = А3вкл-ЯЪ~А2 вк.ч ' (1" ) ~ 'О-дО;-

Апекл ~ Апвкл '9л _-^(л-1)во '0 ~<7(л-1))Л вкт "О-91)-

Контролируя значения уставок на срабатывание АКАУН в соответствии с выражениями (14) и (15), получим устройство, адаптирующееся под режим работы узла нагрузки.

Для расчёта длительных переходных процессов с учетом применения АКАУН использовался программный комплекс (ПАЖ), который позволяет моделировать средства ПА произвольного типа с помощью аналитических и логических выражений с использованием текущих параметров режима.

Для обоснования эффективности применения разработанного устройства исследовались длительные переходные процессы в режиме дефицита мощности в тестовой схеме «Энергосетьпроекта» (рис. 9а), где в каждом узле с нагрузкой установлено по одному комплекту АКАУН. Критерии оценки: объём отключаемой нагрузки, глубина снижения частоты и послеаварийные уровни напряжения в узлах 4, 6, 100, 202.

Результаты испытаний сведены в таблице 1, где /мин - минимальное значение частоты в аварийном режиме, /восст - уровень, до которого восстанавливается частота после срабатывания автоматики управления нагрузкой, а 1Гмин -минимальное значение напряжения в послеаварийном режиме.

400+355

(, сек

1280+|192

0 5 10 15 20 25 30 < сек Г)

Рис. 9. Тестовая схема (а) и графики изменения частоты в узле 100 при работе АКАУН в режимах 1(6), 2(в) и 3(г)

На рисунках 96 - 9г приведены графики изменения частоты для самого загруженного узла 100 в трех режимах испытаний, для которых по оси абсцисс отложено время в секундах, а по оси ординат - частота в Герцах от значения /мин (для каждого режима свое значение) до 50 Гц.

Как видно из таблицы 1, величины отклонений снижения частоты и напряжения в режимах дефицита активной мощности не превышают значений, регламентируемых стандартами «СО ЕЭС». Проведенные вычислительные эксперименты показали, что применение комплексного управления нагрузкой эффективно как при малых, так и при значительных аварийных дефицитах мощности. Поэтому устройства АКАУН могут заменять целую систему штатной автоматики, состоящую из устройств АЧР, ЧАПВ, ДАР (в части отключения нагрузки при большой скорости снижения частоты), АОСН и АПВН.

Таблица 1

Результаты испытаний алгоритма АКАУН в ПАЖ-е_

Режим Величина дефицита, МВт (%) Начальная скорость снижения частоты, Гц/с Объем отключаемой нагрузки, МВт /мин > Гц /еосст > Гц и мин ' кВ

1 1300 (27) 0,8 410 49,1 49,5 ^ном

2 2300 (47) 1,8 1320 48,4 49,5 Уном

3 3300 (68) 12 1640 48,3 49,5 0,9 -ином

В дополнение к вычислительным экспериментам, касающихся в основном проверки правильности работы принципов действия и алгоритмов АКАУН, были проведены испытания, максимально приближенные к промышленным условия эксплуатации, когда устройство применяется в конкретном случае и получает аналоговую информацию о контролируемом напряжении. Цель испытаний - наблюдение за поведением устройства автоматики, реализованного на блоке функциональном (БФ), в нормальном режиме работы контролируемого узла энергосистемы и в условиях аварийного снижения частоты и напряжения. При этом объёмы отключенной нагрузки сравнивались с данными, полученными в вычислительных экспериментах. Для реализации условий работы устройства АКАУН, максимально приближенных к промышленным условиям, был создан испытательный стенд (рис. 10), в состав которого входят:

• Программный комплекс (ПК) ПАЖ, в котором моделируется реальная энергосистема (ЭЭС), например, наша тестовая схема (рис. 9а) или ОЭС Сибири. В этой ЭЭС имитируется дефицит мощности отключением узлов с генерацией или нагруженных ВЛ некоторого района и рассматривается один из прилегающих узлов с нагрузкой, где возможна установка устройства АКАУН. В итоге из ПК ПАЖ мы получаем цифровую информацию о мгновенных значениях напряжения узла нагрузки в виде файла специализированного формата (СОМТИАБЕ-файл).

• Устройство РЕТОМ-61 (производства ООО «НПП Динамика»), предназначенное для проверки и наладки устройств РЗА, с помощью которого цифровая информация о мгновенных значениях напряжения преобразуется в физический сигнал, соответствующий мгновенным вторичным значениям напряжения в узле с АКАУН. Этот сигнал подается на плату напряжения БФ.

• БФ, в котором осуществляется обработка входного сигнала напряжения, замер частоты напряжения, реализация алгоритма АКАУН и фиксация срабатывания ступеней управления нагрузки.

В результате испытаний установлено, что устройство корректно работает в режимах аварийного снижения контролируемых параметров.

ПК ПАЖ

Мгновенные значения U узла ЭЭС

РЕТОМ-61 Ф'"ИЧССКаЯ

COMTRADE-файл

Цепи напряжения, дискретные сигналы

Рис. 10. Испытательный стенд

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Предложено для работы устройства управления нагрузкой в условиях недопустимого снижения частоты и напряжения использовать не только информацию о величине их отклонения от минимально допустимых значений, но и сигналы о скорости и интегральном значении их изменения.

2. На основе разработанных функционально-структурных схем и соответствующих им алгоритмов построено принципиально новое устройство автоматики комплексного аварийного управления нагрузкой (АКАУН).

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

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

5. Разработанные принципы и алгоритмы комплексного управления нагрузкой реализованы на базе функционального блока шкафа локальной проти-воаварийной автоматики КПА-М. Проведена экспериментальная проверка работы АКАУН в условиях максимально приближенных к промышленным. В результате испытаний установлено, что устройство корректно работает в режимах аварийного снижения контролируемых параметров.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Научные статьи, входящие в перечень изданий, рекомендованных ВАК

РФ:

1. Васильев В.В., Глазырин В.Е. Разработка микропроцессорного устройства автоматики комплексного управления разгрузкой // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2009, №1, С.123-127.

2. Васильев В.В., Глазырин В.Е. Комбинированный способ управления разгрузкой по частоте и напряжению // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Новосибирск: Изд-во НГАВТ, 2009, №1, С.130-134.

3. Васильев В.В. Комплексный подход к управлению разгрузкой энергосистем // Электро. Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность, 2010, №2, С.14-19.

4. Васильев В.В., Глазырин В. Е. Усовершенствованный принцип управления нагрузкой энергоузла при дефиците активной и реактивной мощностей // Энергетик, 2011, №3, С. 34-37.

Научные публикации в других гаданиях:

5. Васильев В.В., Глазырин В.Е. Разработка микропроцессорного устройства автоматической частотной разгрузки // В Сб. докладов 3-ей Международной н.-т. конф. «Энергосистема: управление, конкуренция, образование». Том 1. Екатеринбург: Изд-во УГТУ-УПИ, 2008, С.194-198.

6. Васильев В.В., Глазырин В.Е. Комбинированный способ управления разгрузкой по частоте и напряжению // В Сб. докладов Международной н.-т. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». Москва: Изд-во «НИИА», 2009, С.518-526.

7. Васильев В.В. Комплексный подход к управлению разгрузкой // В Сб. докладов XVI н.-т. конф. «Обмен опытом проектирования, наладки и эксплуатации устройств РЗА и ПА в энергосистемах Урала». Екатеринбург: Изд-во ОДУ Урала, 2010, С.61-63.

8. Васильев В.В. Метод комплексного управления разгрузкой энергоузла // В Сб. Научных трудов Всероссийской н.-т. конф. «Электроэнергетика глазами молодёжи».Том2. Екатеринбург : УрФУ, 2010, С.49-55.

9. Васильев В.В. Адаптивное отключение потребителей энергоузла при значительных дефицитах активной и реактивной мощности // В Сб. докладов 3-ей Международной н.-т. конф. «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем». Санкт-Петербург: Изд-во РНК СИГРЭ, 2011.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20,

тел./факс (383) 346-08-57 формат 60 X 84/16 объем 1.5 п.л. тираж 100 экз. Заказ № 1765 подписано в печать 16.11.2011 г

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ВОЗНИКНОВЕНИЕМ ДЕФИЦИТА МОЩНОСТИ И СНИЖЕНИЕМ ЧАСТОТЫ И НАПРЯЖЕНИЯ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ, И МЕТОДЫ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИХ

ЛИКВИДАЦИИ.

1.1. Особенности и характер аварий, связанных с дефицитом мощности, в современной энергосистеме и их ликвидация.

1.2. Возникновение внезапного дефицита мощности и процесс снижения частоты.

1.3. Процессы снижения напряжения, «лавины частоты» и «лавины напряжения» при возникновении дефицита мощности.

1.3.1. Снижение напряжения как следствие снижения частоты.

1.3.2. Процессы лавинообразного снижения частоты и напряжения в энергосистеме.

1.4. Принципы построения частотной разгрузки и её роль в обеспечении надёжной работы энергосистемы.

1.5. Обзор существующих устройств аварийной разгрузки по частоте и напряжению.

1.6. Недостатки существующего подхода к аварийному управлению нагрузкой и способы их устранения. Цели диссертационной работы.

Выводы.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОМЛЕКСНОГО ПРИНЦИПА АВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ.

2.1. Усовершенствование автоматической частотной разгрузки.

2.2. Повышение эффективности работы частотной разгрузки.

2.3. Комплексный подход к аварийному управлению нагрузкой.

2.4. Основные положения метода многокритериальной оптимизации и теории принятия решений по количественной информации об относительной важности критериев.

2.5. Расчетные методики выбора весовых коэффициентов обобщённого параметра управления нагрузкой на основе теории многокритериальной оптимизации.

Выводы.

ГЛАВА 3. ЗАДАЧИ АЛГОРИТМИЧЕСКОЙ И ТЕХНИЧЕСКОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АВТОМАТИКИ КОМПЛЕКСНОГО АВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ НАГРУЗКОЙ И ПУТИ ИХ РЕШЕНИЯ.

3.1. Функционально-алгоритмические требования к автоматике комплексного аварийного управления нагрузкой (АКАУН).

3.2. Разработка алгоритма действия комплексного управления нагрузкой.

3.3. Программная реализация алгоритма функционирования автоматики комплексного управления нагрузкой.

3.4. Моделирование работы устройства АКАУН при аварийном снижении частоты и напряжения.

3.5. Технические требования к аппаратным средствам разрабатываемого устройства.

3.6. Техническая реализация АКАУН.

3.7. Анализ эффективности использования фактора скорости снижения частоты в комплексном управлении нагрузкой.

3.8. Рекомендации к размещению, управляющим воздействиям и выбору уставок устройства АКАУН.

3.9 Экспериментальное обоснование эффективности использования комплексного управления нагрузкой в энергосистемах.

Выводы.

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

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

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

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

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

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

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

Для достижения поставленной цели поставлены и решены следующие задачи:

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

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

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

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

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

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

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

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

Научная новизна работы.

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

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

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

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

Практическая ценность и реализация результатов работы.

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

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

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

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

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

3. Принцип построения и алгоритм работы устройства АКАУН.

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

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

Апробация работы.

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

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

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

Основные результаты выполненной работы состоят в следующем.

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

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

3. Разработан алгоритм действия и математическая модель функционирования АКАУН.

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

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

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

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. А. с. № 1051646 (8Ц). Способ комбинированной автоматической частотной разгрузки / Калюжный А. X., Греб А. А., Шлемензон Я. М., Дарков Н. А. Опубл. в Б. И, 1983, № 40.

2. А. с. № 1098065 (ви), МПК5 Н(ШЗ/24. Устройство для аварийного управления разгрузкой энергосистемы по частоте (его варианты) / Машанский А. М., Рабинович Р. С.// Открытия. Изобретения. 1984, № 22.

3. А. с. № 650156 (Эи), МПК5 Н02ІЗ/24. Устройство для пуска автоматической частотной разгрузки и частотного автоматического повторного включения потребителей энергосистемы / Кульбацкий Д. И., Анисимов Ю. Б.// Открытия. Изобретения. 1979, № 8.

4. А. с. №2165124, Н02ІЗ/24. Способ частотного автоматического повторного включения нагрузки / Бондаренко А. Ф., Герих В. П.,

5. Логинов Н. П., Окин А. А. Опубл. 10.04.2001 АО «ЦДУ ЕЭС» России.

6. Азарьев Д. И. Математическое моделирование электрических систем. М., Л.: «Госэнергоиздат». 1962. 206 с.

7. Айрапетян Г. А., Этмекчян А. А., Айрапетян Ю И. Исследование условий возникновения лавины частоты в энергосистеме // Электричество, 1974, №6, С. 20-23, 85-87.

8. Александров В. Ф., Езерский В. Г., Захаров О. Г., Малышев В. С. Частотная разгрузка в энергосистемах. В 2-х частях. Ч. 1. Алгоритмы и устройства. Ч. 2. Аварийные режимы и уставки. М.: «Энергопрогресс», 2007. 176с.

9. Алексеев О. П., Максимов Б. К. Противоаварийное управление в энергосистемах при глубоких снижениях напряжения // Энергетик, 2008, №11, С.2-4.

10. Алексеев О. П., Казанский В. Е., Козис В.Л. Автоматика электроэнергетических систем // Учебное пособие для вузов/ Под ред. Козиса В. Л. и Овча-ренко Н. И. М.: Энергоиздат, 1981. 480 с.

11. ЮБарзам А. Б. Системная автоматика // 4-ое изд. перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1989. 446с.

12. Баркан Я. Д., Орехов JI.A. Автоматизация энергосистем // Учебное пособие для студентов вузов. М.: Выс. школа, 1981. 271с.

13. Белослудцев К. А., Гуревич Ю. Е. Возможные пути развития аварий, вызванных большим дефицитом мощности // Электрические станции, 2004, №9.

14. Бернер М. С., Брухис Г. Л., Гуревич Ю. Е., Кучеров Ю. Н. Проблемы применения аварийной разгрузки больших распределительных сетей // Электро, 2008, №5, С. 12- 19.

15. Блок функциональный микропроцессорной системы противоаварий-ной автоматики. Техническое описание. Новосибирск: ЗАО «ИАЭС». 2010. 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM).

16. Борисов Р. И., Черный Н. Е. Применение метода контрольных возмущений для определения характерных узлов присоединения комплексной нагрузки при расчетах динамической устойчивости // Изв. Томского политехнического ин-та, 1976, №295, С. 53 59.

17. Васильев Ф. П. Численные методы решения экстремальных задач. М.: Наука, 1980.

18. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системам // Учеб. для электроэнергет. спец. вузов. М.: Выс. школа, 1985. 536 с.

19. Герих В. П., Логинов Н. П. О математической модели АЧР для исследования переходных процессов в электрической системе // Новое в российской электроэнергетике, 2002, №7.

20. Гермейер Ю. Б. Введение в теорию исследования операций. М.: Наука, 1971.

21. Глускин И. 3., Иофьев Б. И. Противоаварийная автоматика в энергосистемах. М.: «Знак». 2009. 568 с.

22. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения Электронный ресурс. // Электра-М: [сайт]. URL: http://elec.ru/library/gosts e02/gost 13109-97.html (дата обращения: 10.10.2009).

23. Горбунова Л. М., Портной М. Г., Рабинович Р. С. и др. Экспериментальные исследования режимов энергосистем/ Под ред. Совалова С. А. М.: «Энергоатомиздат». 1985. 448 с.

24. Гуревич Ю. Е. Влияние параметров нагрузки на динамическую устойчивость генераторов // Электричество, 1969, №1, С. 18 22.

25. Гуревич Ю. Е., Рабинович Р. С. Определение мощности потребителей при одновременном изменении частоты и напряжения // Тр. ВНИИЭ. 1970. Вып. 37. С. 90-129.

26. Гуревич Ю. Е., Кабиков К. В. Особенности электроснабжения, ориентированного на бесперебойную работу промышленного потребления. М.: ЭЛЕКС-КМ, 2005.

27. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е. Эквивалентирование произвольной группы двигателей с заданными параметрами для анализа их динамической устойчивости. М.: «Энергия». 1979. Тр. ВНИИЭ, вып. 57, С. 53 - 64.

28. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е. Расчетные модели нагрузки для анализа устойчивости электрических систем. М.: «Энергия». 1976. Тр. ВНИИЭ, вып. 51, С. 204-215.

29. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е., Хачатрян Э. А. Устойчивость нагрузки электрических систем. М.: «Энергоиздат». 1981. 208 с.

30. Гуревич Ю. Е., Либова Л. Е., Окин А. А. Расчеты устойчивости и про-тивоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990 г.

31. Дащенко А. Ф., Кириллов В. X., Коломиец Л. В., Оробей В. Ф. MATLAB в инженерных и научных расчётах: Монография. Одесса: Астро-принт, 2003.214 с.

32. Дроздов Д. А. Автоматизация энергетических систем // Учебное пособие для студентов вузов. М.: Энергоатомиздат, 1967.

33. Илиев С. Влияние способа учета нагрузки на динамическую устойчивость сложных электрических систем // Электричество, 1974, №6, С. 76 79.

34. Калюжный А.Х. Повышение эффективности работы автоматической частотной разгрузки // Электрические станции, 1995, №2, С. 49-56.

35. Кучеров Ю. Н., Бондаренко А. Ф., Коган Ф. Л. и др. О технических аспектах подготовки к параллельной работе ЕЭС России с энергообъединениями Европы // Электричество, 2000, № 1.

36. Кучеров Ю. Н., Кучерова О. М., Капойи Л., Руденко Ю. Н. Надежность и эффективность функционирования больших транснациональных ЭЭС. Новосибирск, Наука, 1996.

37. Кучеров Ю. Н., Окин А. А., Мартыненко М. М., Данильчук В. А. Современное состояние автоматической разгрузки энергосистем и пути ее совершенствования // Электрические станции, 2001, №12.

38. Лотов А. В., Поспелова И. И. Многокритериальные задачи принятия решений: Учебное пособие. М.: МАКС Пресс, 2008. 197 с.

39. Лукашов Э. С. Введение в теорию электрических систем // Новосибирск: Наука, 1981, 173 с.

40. Лукашов Э. С., Калюжный А. X., Лизалек Н. Н. Длительные переходные процессы в энергетических системах // Новосибирск: Наука, 1985.

41. Лыкин А. В. Электрические системы и сети // Учебное пособие. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003. 248 с.

42. Мартынов Н. Н., Иванов А. П. MATLAB 5.x. Вычисления, визуализация, программирование. М.: «КУДИЦ-ОБРАЗ». 2000. 336 с.

43. Марченко Е. Д. Качество частоты в ЕЭС России в свете западноевропейских требований // Электрические станции, 2001, №2.

44. Микропроцессорное устройство автоматической частотной разгрузки «Сириус АЧР». Руководство по эксплуатации, паспорт. М.: ЗАО «Радиус Автоматика». 2008. 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM).

45. Микропроцессорное устройство частотной автоматики АЧР-МП. Техническое описание. Екатеринбург: ООО «Прософт-Системы». 2007. 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM).

46. Мишин В. Д. Разработка и исследование комбинированной автоматической разгрузки электрических станций и систем: Автореф., дис. канд. техн. наук, Куйбышев, 1971.

47. Многофункциональное устройство релейной защиты SIPROTEC Compact 7SJ80. Инструкция по эксплуатации и техническое описание. М.: ООО «Сименс». 2009. 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM).

48. Ногин В. Д. Принятие решений на основе количественной информации об относительной важности критериев Электронный ресурс. // Санкт-Петербургский государственный технический университет: [сайт]. URL:http://spbstu.ru/public (дата обращения 05.06.2010).

49. Основные положения (концепция) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г. М.: ОАО РАО «ЕЭС России». 2007. 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM).

50. Стандарт ОАО «СО ЕЭС» Технические правила организации в ЕЭС России автоматического ограничения снижения частоты при аварийном дефиците активной мощности (автоматическая частотная разгрузка). М.: ОАО «СО ЕЭС». 2008. 1 электрон, опт. диск (DVD-ROM).

51. Стернинсон J1. Д. Переходные процессы при регулировании частоты и мощности в энергосистемах. М.: Энергия, 1975. 216 с.

52. СТО 56947007-29.240.10.028-2009. Стандарт ОАО «ФСК ЕЭС» Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока с высшим

53. FACTS technology for open access. Joint working group 14/37/38/39.24 CIGRE/ Electra, # 195, April, 2001.

54. NERC North American Electric Reliability Corporation., Standard TPL-001-0.

55. SLAU049B MSP430xlxx Family. User's Guide. 2002, Texas Instruments Incorporated.

56. Spielregeln zur Primaren und Sekundaren Frequenz- und Wirkleistungsregelung in UCPTE. Union fur die Koordinirung der Erzeugung und des Transportes elektrischer Energie. Uberarbeiitung 20 Marz 1998.

57. V. Agnetta, G. Giannuzzi, M. Sforna. A new Load Sheddng System for Industrial Loads in the Italian Power System. Bulk Power System Dynamics and Control VI, August 22-27, 2004, Cortina d'Ampezzo, Italy.

58. Формы сигналов алгоритма АКАУН

59. Алгоритм функционирования АКАУН1. U fvkjEPfД1. АКАУН введена I )fotkl У1. СЕЖ>1. Uotkl >даflщ1. ИИ outl-1 В4 nutf1. И1. В4 іп41. В1 inL1. В2 ¡пі531 (3U1I7Г5 BI3 В2йїї1. B5 ¡пі1. D9