автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка и исследование системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности на подстанциях

004611ь35

На правах рукописи

ВОЛОШИН АЛЕКСАНДР АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ СРЕДСТВАМИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ПОДСТАНЦИЯХ

специальность 05.14.02 - «Электрические станции и электроэнергетические системы»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2010 г.

2 8 ОКТ 2010

004611635

Работа выполнена на кафедре Релейной защиты и автоматизации энергосистем Московского Энергетического Института (Технического Университета)

Научный руководитель: - доктор технических наук, профессор

Новиков Николай Леонтьевич

Официальные оппоненты: - доктор технических наук

Наровлянский Владимир Григорьевич

- кандидат технических наук Лачугин Владимир Федорович

Ведущая организация: - Филиал ОАО «ФСК ЕЭС» - МЭС Центра

Защита состоится «19» ноября 2010 года в 17 час. 00 мин в аудитории ЛЬ Г-200 на заседании диссертационного совета Д.212.157.03 при Московском Энергетическом Институте (Техническом Университете) по адресу: г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ (ТУ).

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная ул., д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

Автореферат разослан « {% » октября 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совр-а Д 212.157.( к.т.н., доц.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Внедрение в практику эксплуатации ЭЭС принципиально новых подстанционных средств компенсации реактивной мощности (СКРМ), таких как: управляемые шунтирующие реакторы, статические тиристорные компенсаторы, устройства типа СТАТКОМ, асинхронизированные синхронные компенсаторы и др., перед оперативным персоналом крупных узловых подстанций возникает целый комплекс задач по согласованному управлению подстанционными СКРМ для поддержания заданного уровня напряжения, минимизации потерь и обеспечения требуемого качества электроэнергии. Особенно сложным становится решение задач по согласованному управлению комплексом СКРМ, установленным на подстанции, при изменении режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов, когда интенсивность влияния СКРМ на уровни напряжения может существенно изменяться.

Известны опытные разработки систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности для подстанций СВН. К таким разработкам относятся традиционные системы автоматического регулирования, реализующие специальные детерминированные алгоритмы управления, разрабатываемые для каждой конкретной подстанции, системы управления многосвязными многомерным! объектами с универсальными алгоритмами и системы управления с использованием нечеткой логики.

Разработанные системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности на подстанциях, не учитывают изменения режимов работы электрически близких электросетевых объектов и в определенных режимах могут не обеспечить требуемую скоординированность и согласованность реализации команд оперативно-диспетчерского управления, что повлечет недопустимые отклонения уровней напряжения в системообразующих сетях в процессе регулирования.

Кроме того, разработанные системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности не реализуют возможность снижения потерь электроэнергии и повышения ее качества за счет обоснованного выбора состава средств компенсации реактивной мощности, привлекаемых в процессе автоматического регулирования, из комплекса СКРМ, установленного на подстанции.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению вышеперечисленных вопросов, а именно разработке и исследованию системы автоматического управления СКРМ для поддержания заданного уровня напряжения на шинах подстанции при одновременном снижении потерь электроэнергии и повышении качества электроэнергии в СКРМ в условиях изменения режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов.

Тема диссертации соответствует «Программе комплексного технического перевооружения электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС» на 2004-2012 г.», указанной в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС».

Цель работы. Разработка и исследование системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности на подстанциях (САУ СКРМ ПС) для поддержания заданного уровня напряжения на шинах при одновременном снижении потерь электроэнергии и повышении качества электроэнергии в СКРМ.

Основные задачи исследования.

1. Анализ состояния вопроса. Постановка цели и задач исследования.

2. Разработка и исследование способа и структуры автоматического управления комплексом подстанционных средств компенсации реактивнои мощности.

3. Разработка методик определения параметров функционирования системы автоматического управления комплексом средств компенсации реактивной мощности.

4. Разработка и исследование алгоритмов управления для практического использования в системах автоматического управления комплексом СКРМ.

Объектом исследования являются подстанции СВН, оборудованные средствами компенсации реактивной мощности.

Предметам исследования являются системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности.

Методы научных исследований базируются на теории электрических цепей, теории автоматического управления, на расчетных методах исследования и математическом программном моделировании режимов работы систем автоматического управления.

Научная новизна работы.

1. Выявлено, что подстанции СВН с различными схемами соединений, являющиеся многомерными многосвязными объектами управления, могут быть представлены эквивалентированным объектом управления с одним входом (обобщенный сигнал пропорциональный суммарной величине реактивной нагрузки всех установленных на подстанции СКРМ) и одним выходом (напряжение на регулируемых шинах подстанции).

2. Предложен новый способ и структура автоматического управления СКРМ, отличающиеся использованием обобщенного сигнала управления пропорционального суммарной величине нагрузки комплекса СКРМ.

3. Разработана методика расчета управляющих воздействий по обобщенному сигналу управления, обеспечивающая снижение потерь электроэнергии и повышение ее качества в СКРМ.

4. Разработана методика коррекции параметров системы автоматического управления СКРМ, обеспечивающая ее адаптивность к режиму работы электрически близких электросетевых объектов.

Достоверность и обоснованность результатов базируется на применении фундаментальных положений таких дисциплин, как теоретические основы электротехники и теории автоматического управления, и подтверждается совпадением значений параметров функционирования системы автоматического управления, полученных с применением различных методов моделирования исследуемых режимов работы системы автоматического управления. Практическая ценность работы.

Проведенные научные исследования позволили получить следующие практические результаты:

1. На основе предложенного способа автоматического управления разработан и программно реализован алгоритм управления СКРМ с использованием суммарной величины реактивной мощности в качестве обобщенного сигнала управления.

2. Разработан и программно реализован алгоритм расчета управляющих воздействий для каждого СКРМ по обобщенному сигналу управления, реализующий методику расчета управляющих воздействий.

3. Разработан и программно реатизован алгоритм расчета параметров коррекции для адаптации САУ СКРМ ПС к изменениям режима работы электрически близких электросетевых объектов, реализующий методик}' расчета параметров коррекции системы.

4. Разработанные алгоритмы формируют основу для создания программного обеспечения при их практическом использовании в САУ СКРМ ПС и обеспечивают скоординированное управление комплексом СКРМ в условиях изменения режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких элекгросетевых объектов, а так же снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ.

5. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены: в части разработки алгоритмов управления подстанционными СКРМ и компьютерного моделирования режимов работы системы автоматического управления СКРМ в ЗАО НПК

«Дельфин-Информатика» при разработке типового программно-технического комплекса системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности подстанций; в части реализации способа и структуры автоматического управления СКРМ, а также методик и алгоритмов определения параметров функционирования в Московском Филиале ОАО «Южный Инженерный Центр Энергетики» в процесс разработки проектов подстанций СВН в качестве одного из вариантов создания систем автоматического управления СКРМ. Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования нового способа и структуры автоматического управления СКРМ с использованием обобщенного сигнала управления на основе эквивалентированного представления подстанции как объекта управления.

2. Методика и алгоритм расчета управляющих воздействий по обобщенному сигналу управления.

3. Методика и алгоритм определения параметра коррекции системы автоматического управления по данным текущих измерений.

Личный вклад соискателя.

Постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, проведение исследований, анализ и обобщение результатов.

Автор выражает благодарность работникам кафедры РЗиА Эс МЭИ (ТУ) за оказанное содействие при написании диссертационной работы и лично д.т.н. проф. Максимову Б.К. и к.т.н. доц. Арцишевскому Я.Л.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, МЭИ. 2003, 2004 гг.), на научно-технической конференции в Южно-Российском Государственном Техническом Университете (Новочеркасск, 2005 г.), на научно-технических совещаниях в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» (Москва, 2005-2007 гг.), на П-м Всероссийском Конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики, проводимом РАО ЕЭС России (Геленджик, 2007 г.), на научно-технической конференции «Электрические сети России» (Москва, 2009 г.) Опубликованные работы.

По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, три из них в изданиях по списку ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 62 наименований и 2 приложения. Основной материал изложен на 131 странице и содержит 52 рисунка и 1 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. В первой главе «Анализ состояния вопроса. Постановка цели и задач исследования» проведен обзор существующих систем регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности. Были рассмотрены как традиционные устройства, так и новейшие разработки, применяемые при создании управляемых линий электропередач (или FACTS).

Проанализирован отечественный и зарубежный опыт построения централизованных систем автоматического регулирования напряжения. В ряде стран (Италия, США, Франция) созданы иерархические трех уровневые системы автоматического управления напряжением в основных электрических сетях. В целом, опыт построения централизованных автоматических систем показывает, что система медленно действующего (корректирующего) автоматического управления и быстро действующего первичного регулирования обеспечивает поддержание оптимального (планового) режима электрической сети с учетом ограничений по параметрам режима сети.

Работы, связанные с созданием автоматических систем регулирования напряжения и реактивной мощности на энергообъектах, ведутся отечественными и зарубежными специалистами с 70-х годов прошлого столетия.

В последние время появились примеры реализации современных объектовых систем автоматического управления напряжением и реактивной мощностью. Большинство подобных систем внедряются на электростанциях и выполняют функции группового управления возбуждением генераторов (ГУВ).

Существует несколько примеров разработок систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности на подстанциях. К таким разработкам относятся традиционные системы, реализующие специальные детерминированные алгоритмы управления, разрабатываемые для каждой конкретной подстанции, системы управления многосвязными многомерными объектами с универсальными алгоритмами, системы управления с использованием нечеткой логики. Перечисленные разработки отличаются различными представлениями подстанций как объектов управления, способами автоматического управления СКРМ, условиями эксплуатации и режимами работы.

В традиционных системах регулирования напряжения объект управления представляется схемой замещения и описывается известными выражениями ТОЭ и электротехники. Алгоритмы функционирования разрабатываются для каждой отдельной подстанции на основе информации о составе оборудования СКРМ и конфигурации прилегающих сетей. Изменения условий эксплуатации, не учтенные при разработке алгоритмов, приводят к некорректной работе системы регулирования. Особенностью традиционных систем регулирования является необходимость глубокого анализа всех возможных режимов функционирования объекта управления.

В многосвязных системах регулирования напряжения объектом управления является некоторый абстрактный объект, обладающий несколькими контролируемыми параметрами и несколькими управляемыми параметрами. Математический аппарат позволяет реализовывать алгоритмы функционирования для любого объекта управления путем задания матрицы коэффициентов влияния между контролируемыми и управляемыми параметрами. Математический аппарат многосвязного управления не учитывает физику процесса функционирования объекта, и потом)' анализ функционирования такой системы значительно затруднен. Для параметрической настройки системы необходимы значения коэффициентов влияния, которые могут быть определены либо путем расчетов режимов, либо эмпирически при проведении натурных испытаний на объекте

В системы регулирования на основе нечеткой логики объект управления описывается базой знаний в виде лингвистических выражений описывающих нечеткие соответствия между контролируемыми параметрами и управляемыми параметрами. Алгоритмы функционирования системы определяются разрабатываемыми базами знаний. Дяя определения управляющих воздействий применяются алгоритмы нечеткого логического вывода. Изменения условий эксплуатации, не учтенные при разработке алгоритмов, приводят к некорректной работе системы регулирования. Для функционирования систем регулирования на основе нечеткой логики необходимы алгоритмы фазификации измеряемых параметров и алгоритмы дефазификации для перехода в область четких значений. Существует множество подходов к выполнению этих алгоритмов, и каждая их реализация может существенно влиять на процесс регулирования.

Однако, до настоящего момента не решены вопросы комплексного управления подстанционными СКРМ, реализующего не только регулирование напряжения и реактивной мощности, но и обеспечивающего снижение потерь электроэнергии и повышение ее качества за счет обоснованного выбора состава средств компенсации,

привлекаемых в процессе автоматического регулирования, из комплекса СКРМ, установленного на подстанции.

Поэтому необходима разработка и исследование новой системы автоматического управления СКРМ на подстанциях, которая должна обеспечивать согласованное адаптивное управление СКРМ и поддержание заданного уровня напряжения на шинах при изменениях режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов, а также уменьшение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ.

Выводы по первой главе:

Проанализирован зарубежный и отечественный опьгг построения систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности, выяатено состояние вопроса, определены цели и задачи исследования.

Целью диссертационной работы является разработка и исследование системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности на подстанциях для поддержания заданного уровня напряжения на шинах при одновременном снижении потепь электоэнеигии и повышение качества электптиепгии ч СКРМ.

Для реализации поставленной цели работы необходимо решение следующих задач:

1. Разработка и исследование способа и структуры автоматического управления комплексом подстанционных средств компенсации реактивной мощности.

2. Разработка методик определения параметров функционирования системы автоматического управления комплексом средств компенсации реактивной мощности.

3. Разработка и исследование алгоритмов управления для практического использования в системах автоматического управления комплексом.

Во второй главе «Разработка и исследование способа и структуры автоматического управления комплексом подстанционных средств компенсации реактивной мощности» теоретически и экспериментально обосновывается возможность разработки и применения способа автоматического управления подстанционными СКРМ с использованием обобщенного сигнала управления, позволяющего использовать односвязные системы для решения задачи управления СКРМ.

Обычно при разработке систем автоматического управления подстанция представляется объектом управления, включающим несколько управляемых элементов и несколько контролируемых величин. Т.е. фактически подстанция представляет собой многомерную многосвязную систему. Однако, возможно иное представление подстанции как объекта управления (ОУ). На рис. 1. приведена упрощенная главная схема подстанции, иллюстрирующая традиционное представление подстанции, как ОУ.

сз

§

В-2

АТ-750 УШР-1

УШР-2 [АТ-330

ШР-1

Рис. 1. Упрощенная главная схема подстанции. Расчетная схема замещения для такой подстанции представлена на рис.2.

6с1

о

Ей

С)

Ёсз

о

Ёж г

2с! П|1с1 ¿сгГ] |Го2 &П|1сз ¡¡н1

Рис. 2 Расчетная схема замещения подстанции. На схеме замещения введены следующие обозначения: К' Кг > Кг " ЭДС энергосистем С1, С2 и СЗ; 2,, 2с2. 2,з - сопротивление связи с энергосистемами С1, С2 и СЗ; ¡с,, , 1Л - токи энергосистем С1, С2 и СЗ;

Кп' сопротивления автотрансформатора 750/330 кВ и трансформатора 330/110 кВ; /п, /п - токи через трансформаторы;

7Р1, /Р2, /рз - токи средств компенсации реактивной мощности на распредустройствах 750 кВ, 330 кВ и НО кВ соответственно.

На приведенной расчетной схеме замещения СКРМ представлены источниками тока. Такое замещение возможно т.к. все СКРМ оснащаются быстродействующими системами регулирования, обеспечивающими поддержание заданной величины компенсируемой реактивной мощности.

1Рз показан условно для определения универсальных расчетных соотношений, в том числе для случая установки СКРМ и на стороне 110 кВ.

Следует отметить, что величины Ел, Ес2, Есг и 2п, 2тг являются

не постоянными и меняются в зависимости от реального режима работа электрически близких электросетевых объектов и состава включенного в работу оборудования.

В расчетной схеме замещения 1п, 1Р2, /рз - регулируемые величины, которые могут принимать значения в пределах номинальных значений токов нагрузки средств компенсации реактивной мощности, установленных на подстанции.

Напряжение в узле 1 (О,) примем в качестве регулируемой величины и составим для нее необходимые расчетные соотношения.

Таким образом, можно положить:

и.=и„-А-к

(1) (2)

Где: 1п =а,-Л, 1рг =а1-А, 1рз=а,-А, А = 1П + /Р2+/Р3, 0<а, <1, 0<а2<1, 0<Оз<1. Коэффициенты а,, а2, а3 - являются действительными числами, т.к. токи /Р1, 1Р

имеют только мнимую часть потом)', что являются токами средств компенсации

реакгивнои мощности.

Тогда модуль С/, будет определяться выражением:

= ^А2-(х2+г2)- 2-А- (Ке(й0) ■ х - ЩО0)- г) + Ке(£/0)2 + 1т(£/0)2 (3)

Принимая во внимание, что = зависимость = /(|/(|) или С/, =/(Л) принимает вид:

и, = -а2-Л-а,+а0 (4)

Где а2=х2+г\ а, =2(Ке((/0)-л-1т(1/0)т), а0 = Яе(Г/0)- + 1т(£/0)2.

В диапазоне реачьных возможных значений токов, напряжений и сопротивлений элементов схемы замещения значений функция С/, = /(А) может быть описана выражением:

и,=и0 + А-к (5)

где {/„ = = а к - коэффициент пропорциональности, равный производной функции и^^А2 ■а2-А-а1+а0 приЛ=0, т.е.:

к=ицл=о)= (6)

^а2-Л2 -агА + а0

Анализ полученных результатов исследования позволяет предложить новый способ автоматического управления средствам! компенсации реактивной мощности, который может быть описан выражением (5), где С/,, £/0, к, А - величины, которые могут быть измерены непосредственно на энергообъекте.

При этом подстанция, как ОУ, представляется как объект управления, имеющий один управляемый элемент и один контролируемый параметр. Схема ОУ, иллюстрирующая предложенный способ управления по обобщенному сигналу управления, приведена на рис. 3.

В результате, заданному уровню напряжения на контролируемых шинах и можно поставить в соответствие некоторую обобщенную величину пропорциональную суммарной реактивной мощности А, которая должна быть компенсирована на подстанции для поддержания этого уровня напряжения. Где к - коэффициент пропорциональности, определяемый режимом работы электрически близких электросетевых объектов и составом работающего оборудования на подстанции.

Предлагаемый способ управления подстанционными СКРМ описывается последовательностью выполнения четырех операций:

сигналу.

1. На основе полученного задания по напряжению на шинах рассчитываются необходимые значения коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов. Проверяется возможность реализации заданного режима по условию достаточности регулировочных диапазонов РПН. Рассчитанные значения коэффициентов трансформации передаются для исполнения в АРКТ автотрансформаторов и трансформаторов.

2. На основе данных местных измерений о параметрах режима работы подстанции в результате работы ПИ-регулятора определяется значение обобщенного сигнала управления Л, пропорционального суммарной величине реактивной мощности, которая должна быть компенсирована на энергообьекте для поддержания заданного режима.

3. По определенному значению А рассчитываются коэффициенты загрузки СКРМ в соответствии с заранее определенным законом распределения, обеспечивающим минимизацию активных потерь и повышение качества электрической энергии. Рассчитанные значения управляющих воздействий передаются для исполнения локальным системам автоматического управления (АУВ, САУ УШР и др.).

4. На основе измеренных значений напряжения на шинах и соответствующих им измеренных значениях реактивной нагрузки СКРМ на текущем шаге расчета и на предыдущем шаге расчета рассчитывается значение корректирующего коэффициента, которое затем применяется для подстройки ПИ-регулятора.

Структурная схема адаптивной системы автоматического управления СКРМ подстанций (САУ СКРМ ПС), реализующей предложенный способ управления, приведена на рис.4.

Выводы по второй главе:

1. Выявлено, что подстанции СВН с различным! схемами соединений, являющиеся многомерными многосвязными объектами управления, могут быть представлены эквивалентированным объектом управления с одним входом (обобщенный сигнал пропорциональный суммарной величине реактивной нагрузки всех установленных на подстанции СКРМ) и одним выходом (напряжение на регулируемых шинах подстанции).

2. Предложен новый способ и структура автоматического управления СКРМ, основанные на эквивалентированном представлении подстанции как объекта управления. Управление комплексом СКРМ осуществляется с использованием обобщенного сигнала управления пропорционального суммарной реактивной мощности комплекса СКРМ.

В третьей главе «Разработка методик определения параметров функционирования системы автоматического управления комплексом средств компенсации реактивной мощности» показано, что для реализации системы необходимо выполнение расчета управляющих воздействий и выполнение расчета корректирующего коэффициента. Разработанные расчетные методики позволяют реализовать универсальную адаптивную систему автоматического управления СКРМ для подстанций с различными схемами первичных соединений с использованием только локальных измерений.

При разработке методики задачи расчета управляющих воздействий величина А в общем виде представляется как сумма составляющих ее нагрузок различных СКРМ.

л=Ё а +1 ь-ь, .с, ч (7)

111 1

Где:

й - установленная мощность ¡-го коммутируемого СКРМ - потребителя реактивной мощности;

a, - коэффициент загрузки ¡-го коммутируемого СКРМ (1 - включен, 0 - отключен); и - количество коммутируемых СКРМ - потребителей реактивной мощности;

- установленная мощность _|-го коммутируемого СКРМ - источника реактивной мощности;

b, - коэффициент загрузки .¡-го коммутируемого СКРМ (1 - включен, 0 - отключен); т - количество коммутируемых СКРМ - источников реактивной мощности;

Мк - установленная мощность к-го управляемого СКРМ - потребителя реактивной мощности;

ск - коэффициент загрузки к-го управляемого СКРМ (0 < с, < 1); А - количество управляемых СКРМ - потребителей реактивной мощности; N1 - установленная мощность 1-го управляемого СКРМ - источника реактивной мощности;

(/, - коэффициент загрузки 1-го управляемого СКРМ (0 < (1, <1);

g - количество управляемых СКРМ - источников реактивной мощности;

Задача расчета коэффициентов загрузки каждого СКРМ является задачей определения коэффициентов , 6у, ск и в зависимости от величины А, таким образом, чтобы обеспечивались минимизация активных потерь в СКРМ, установленных на подстанции и повышение качества электроэнергии при минимальном числе коммутаций «ступенчато» управляемого оборудования (коммутируемых СКРМ). При решении этой задачи принимаются следующие допущения:

a. установленные на подстанции коммутируемые СКРМ имеют одинаковую установленную мощность:

0 =&=&=•■• = & (8)

b. Единичная мощность коммутируемых СКРМ не превышает суммарного регулировочного диапазона управляемых СКРМ:

0.<АГк (9)

Допущение (8) соответствует нормам технологического проектирования подстанций высокого напряжения и позволяет определять коэффициенты загрузки, таким образом, чтобы обеспечивалась равномерное использование ресурса коммутационной аппаратуры и самих коммутируемых СКРМ.

Допущение (9) позволяет предотвратить возникновение ситуаций, когда заданная величина компенсируемой реактивной мощности (в принятой постановке задачи, когда одновременное участие и потребителей и источников реактивной мощности исключается) не может быть компенсировала, хотя и находится внутри суммарного регулировочного диапазона, т.е. когда М™" < A<Q¡.

Допущения (8) и (9) являются определяющими требованиями к основному оборудованию подстанции - СКРМ, не выполнение которых, не позволяет применять разрабатываемый алгоритм без дополнительных корректировок.

Принимая во внимание необходимость предотвращении одновременной работы источников и приемников реактивной мощности задач}' расчетов коэффициентов загрузки целесообразно разделить на две задачи дня А > 0 и А <0.

При этом для А > 0 (в регулировании задействованы только потребители РМ):

Л = (10)

1 1

А для А < 0 (в регулировании задействованы только источники РМ):

сю

1 1

Решение задачи определения коэффициентов загрузки для случая А > 0 выглядит следующим образом:

2. По (12) определяются максимальные значения границ регулировочных диапазонов групп коммутируемых и управляемых (Мш") СКРМ, а так же максимальное значение границы суммарного регулировочного диапазона (А""").

в, Аш*=дт«+М™ (12)

1 1

3. Проверяется возможность компенсации заданной величины реактивной мощности. Если А > Ат™, тогда:

а, =1, / = 1, 2...и; ск =1, к = 1, 2...Л и формируется сигнал об исчерпании суммарного регулировочного диапазона.

4. В случае достаточности суммарного регулировочного диапазона, т.е. А<Ат", определяются суммарные величины нагрузки коммутируемых (0 и регулируемых

(М) СКРМ, необходимых для компенсации заданной величины реактивной мощности. При этом величина^ определяется выражением (13).

A = Q+M = (&,„ + № + {MmtK + ЛМ) = Ата+АА (13)

Где Qmen И Мтек ~ текущая нагрузка коммутируемых и управляемых СКРМ, AQ и ЛМ - величины их изменения, а А„т и АЛ - текущее значение суммарной загрузки СКРМ и требуемое его изменение. Т.к. в первую очередь в процесс регулирования включаются управляемые СКРМ, проверяется условие (И) -возможность отработки задания АА управляемыми СКРМ: М +ДЛ

О ^ < i (14)

АР"

В случае выполнения условия (38-13) ДА = АМ и М = + АА, a Q = QmtK. Если условие (14) не выполняется, необходимо определить количество и состав включаемых в процесс управления коммутируемых СКРМ. При решении этой задачи принимаются следующие допущения:

a. установленные на подстанции коммутируемые СКРМ имеют одинаковую установленную мощность:

а=а=&=■••=& (15)

b. Единичная мощность коммутируемых СКРМ не превышает суммарного регулировочного диапазона управляемых СКРМ:

Й<Д/т™ (16)

Допущение (15) соответствует нормам технологического проектирования подстанций высокого напряжения и позволяет определять коэффициенты загрузки, таким образом, чтобы обеспечивалась равномерное использование ресурса коммутационной аппаратуры и самих коммутируемых СКРМ.

Допущение (16) позволяет предотвратить возникновение ситуаций, когда заданная величина компенсируемой реактивной мощности (в принятой постановке задачи, когда одновременное участие и потребителей и источников реактивной мощности исключается) не может быть компенсирована, хотя и находится внутри суммарного регулировочного диапазона, т.е. когда М<A<Qr

Допущения (15) и (16) являются определяющими требованиями к основному оборудованию подстанции - СКРМ, не выполнение которых, не позволяет применять разрабатываемый алгоритм без дополнительных корректировок.

С учетом принятых допущений выражение (10) можно представить в виде:

A = Qr»+ÍMrck (17)

i

Где Q¡ - единичная величина установленной мощности коммутируемых СКРМ, а и' - расчетное количество включенных коммутируемых СКРМ. Тогда значение /Г определяется по условию (18):

0 <A-Qrrí<Mna (18)

На основе полученного по условию (19) значения п' коэффициенты загрузки а/ определяются по (19):

о, =1, i= I...»- (19)

Следует отметить, что при известном и' могут быть рассчитаны такие коэффициенты загрузки at при которых будет обеспечиваться равномерное использование ресурсов оборудования. Равномерное использование ресурсов оборудования может быть достигнуто либо поочередным применением коммутируемых устройств в процессе регулирования, либо на основе информации от систем мониторинга и диагностики коммутационного оборудования и оборудования СКРМ. Алгоритм определения a¡ обеспечивающих равномерное

использование ресурсов оборудования не является предметом исследования в данной работе и здесь не приводится.

Теперь, при известном значении п и = 0 • и, определяется величина реактивной мощности, которая должна быть компенсирована управляемыми СКРМ №■

М = А-в = А-в,-п (20)

5. Рассчитанное по (46-21) значение М позволяет определить коэффициент загрузки сц управляемых СКРМ:

1-

с.+ с.

С,=1-

1--

, А = 1,2...Л

Где с\ определяется по (22):

М\=М, с0 = 1, М0= О

(21)

(22)

для иисшечения правильного функционирования системы автоматического управления при изменениях режимов работы электрически близких электросегевых объектов необходима методика коррекции параметров системы управления. Указанная коррекция может быть обеспечена введением в структуру системы управления дополнительного звена с передаточной функцией }¥($)=1/к , где к - коэффициент пропорциональсти, определяемый в темпе процесса по данным местных измерений. Структурная схема системы автоматического управления принимает вид, показанный на рис. 5.

Регулятор

Щ0'/Л —

ад-*

Корректор (адаптер)

Рис. 5. Структура системы автоматического управления СКРМ с корректирующим

звеном.

Методика коррекции параметров системы управления представляется следующим образом. Пусть в текущем режиме работы зависимость напряжения от суммарной величины реактивной мощности, компенсируемой на подстанции, имеет вид, приведенный на рис. 6.

V

Рис. 6. Зависимость напряжения на шинах подстанции (17) от суммарной величины компенсированной реактивной мощности (А).

Тогда:

и,=к-А, + и0 (23)

U2=k-A,+Ua

Коэффициент к может быть определен по формуле (24):

, и,-и,

(24)

Определение коэффициента к возможно при переходе системы из состояния 1 (Ult Af) в состояние 2 (U;, А;). В стационарном состоянии системы корректировка значения к не требуется. Необходимые для расчета коэффициента к значения XJi, Aj и Uz А2 могут быть получены путем прямых измерений величины напряжения на шинах и величины реактивной мощности компенсируемой каждым СКРМ. При этом в качестве значений С/;, А2 принимаются текущие измерения, а в качестве значений £//, А: измерения, полученные на предыдущем шаге расчета

Выводы по третьей главе:

1 Paltxif^n-raui»

nnaoTrnV4Tii»v DO

PTlOr/r-TDIJ

гтлиат(1

коэффициентов загрузки каждого устройства комплекса подстанционных СКРМ, которые определяют величину текущей реактивной нагрузки каждого устройства СКРМ. Применение разработанной методики для распределения суммарной реактивной нагрузки комплекса СКРМ обеспечивает снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ.

2. Разработана методика определения параметров коррекции системы, учитывающая изменения интенсивности влияния СКРМ на уровень напряжения на контролируемых шинах, что обеспечивает адаптивность САУ СКРМ ПС к изменениям режимов работы электрически близких электросетевых объектов.

В четвертой главе «Разработка и исследование алгоритмов управления для практического использования в системах автоматического управления комплексом средств компенсации реактивной мощности» описаны алгоритмы управления, разработанные для практического использования в системах автоматического управления СКРМ на основе предложенного способа управления и разработанных методик. Приводятся результаты исследований разработанных алгоритмов, выполненных на компьютерной модели системы автоматического управления СКРМ.

Разработанные алгоритмы представляются набором функциональных блоков, связанных между собой. Укрупненная блок-схема алгоритма автоматического управления СКРМ представлена на рис. 7.

&

О

EHQ

-в-

Рис. 7. Укрупненная блок-схема алгоритма автоматического управления СКРМ.

Функциональный блок Regulator реализует способ управления по обобщенному сигналу управления. На вход блока подается измеренное значение напряжения на регулируемых шинах в относительных единицах и заданное значение напряжения -уставка по напряжению. В составе блока имеются два звена интегрирующие с коэффициентом усиления равным 5 и пропорциональное звено с коэффициентом усиления равным 10. На выходе блока установлен элемент Saturation, который ограничивает выходное значение А максимальным значением, выраженным в относительных единицах.

На вход №3 блока Regulator подается рассчитанное значение параметра к от функционального блока Korrector.

Функциональный блок Raschet представляет собой программную функцию, выполненную на основе алгоритма расчета управляющих воздействий, с использованием средств программирования языка МаЛкЬ.

Входными параметрами блока являются значения установленных мощностей средств компенсации реактивной мощности, организованные в виде одномерных массивов данных (} и М, атак же значение обобщенного сигнала управления А. Выходными параметрами являются два одномерных массива значений коэффициентов загрузки для коммутируемых и управляемых СКРМ и и с соответственно.

В программной реализации алгоритма не лимитируется количество коммутируемых и управляемых СКРМ. Установленные мощности СКРМ задаются в виде одномерных массивов данных, объявляемых динамически. Если происходит отключение или перевод в ручной режим управления того или иного СКРМ при этом для корректного функционирования функционального блока не требуется перепрограммирование. Достаточно в массиве данных элемент соответствующий установленной мощности этого СКРМ приравнять нулю. Далее в расчетах этот СКРМ уже не участвует и управляющие воздействия для него не рассчитываются.

При вводе в работу вновь устанавливаемых СКРМ любых типов, так же не требуется перепрограммирования функционального блока. Т.к. массивы данных, описывающих количество и установленную мощность СКРМ, являются динамически объявляемыми, то при установке новых СКРМ в массивы данных достаточно внести новые значения установленных мощностей и они начнут участвовать в автоматическом управлении.

Таким образом, разработанный алгоритм расчета управляющих воздействий отвечает требованиям универсальности, и программная его реализация может применяться на энергообьектах с различными схемами соединений и различным составом СКРМ.

Входными сигналами функционального блока являются измеренные значения регулируемого напряжения и измеренное значение суммарной загрузки всех СКРМ. Выходным сигналом является рассчитанное значение коэффициента пропорциональности

Принцип работы функционального блока состоит в следующем. На основе входных сигналов определяются их изменения за время 0.5 сек. Затем анализируются значения этих изменений и проводится их достоверизация. Если они находятся в допустимом диапазоне значений, то по этим значениям изменений вычисляется параметр к как отношение изменения напряжения к изменению обобщенного сигнала управления. Если изменения

Рис. 8. Блок-схема алгоритма функционального блока Regulator.

к.

значений входных сигналов находятся в диапазоне допустимых значений рассчитанное значение к сохраняется в памяти и передается на вход интегрирующего звена, с которого рассчитанное значение выдается на выход функционачьного блока.

Если значения изменений находятся вне диапазона допустимых значений, тогда на выход функционального блока выдается последнее сохраненное расчетное значение параметра к. На рис. 9 приведена схема функционального блока Korrector. Элементы задержки Integer Delay используются для получения значений изменений входных сигналов путем вычитания из текущего значения входного сигнала значения полученного 0.5 с. назад.

Блоками Saturation и Compare выполняется достоверизация полученных значений изменений входных параметров. Допустимыми диапазонами значений для изменения напряжения в относительных единицах являются -0.3<AU<-0.005 и 0.005<AU£0.3. Указанные диапазоны определены исходя из следующих соображений. Величина изменения напряжения менее 0.005 номинального значения не может являться достоверной, т.к. может быть вызвана погрешностью измерительных канатов. Величина изменения напряжения, превышающая 0.3 номинального значения напряжения, также не может являться достоверной, т.к. такое сильное изменение напряжение в течение 0.5 сек. может быть вызвано либо работой релейной защиты или противоаварийной автоматики, либо неисправностью каната измерения.

Рис. 9. Блок-схема алгоритма функционального блока Коггейог.

Допустимыми диапазонами для значений изменения обобщенного сигнала управления являются -1<Ди<-0.01 и 0.01<ди<1. Указанные диапазоны определены исходя из следующих соображений. Величина изменения сигнала управления менее 0.01 номинального значения не может являться достоверной, т.к. может быть вызвана погрешностью измерительных каналов. Величина изменения обобщенного сигнала управления превышающая максимальное значение также не может являться достоверной, т.к. может появиться только вследствие неисправности канала измерения.

Интегрирующее звено на выходе функционального блока необходимо для обеспечения плавного перехода от одного рассчитанного значения параметра к к другому. Резкое изменение значения параметра приводит к скачкообразному изменению обобщенного сигнала управления, что в свою очередь приводит к скачкообразному изменению параметра к и таким образом может быть нарушена устойчивость системы.

На разработанной компьютерной модели проводились исследования функционирования системы управления реализующей предложенный способ и расчетные

методики. Целью исследования являлся анализ функционирования системы автоматического управления в характерных режимах работы. Анализ функционирования системы управления проводился в пяти режимах:

1. Управление по заданному значению реактивной мощности для оценки влияния на уровень потерь и качество электроэнергии в СКРМ.

2. Управление по заданному значению напряжения на шинах при изменении уставки и U0 = const, к = const (функциональный блок Korrector не используется).

3. Управление по заданному значению напряжения на шинах при изменении уставки и U„ = var, к = const (функциональный блок Korrector не используется).

4. Управление по заданному значению напряжения на шинах при изменении уставки и U0 = const, к = \ат (с использованием функционального блока Korrector).

5. Управление по заданному значению напряжения на шинах при изменении уставки и U0 = var, к = var (с использованием функционального блока Korrector).

При проведении экспериментов анализировались время переходного процесса, точность пеяпичтши угтявк™, г(ччяк и порядок использования ресурсов СКРМ в процессе управления. Заключение о корректности функционирования в том или ином режиме принималось, если все перечисленные выше параметры соответствовали требованиям, полученным в Главах 2 и 3.

Анализ влияния разработанных алгоритмов на уровень потерь и качество электроэнергии проводится на основе сравнения потерь электроэнергии и величины общего гармонического искажения суммы токов высших гармоник УШР полученных при равномерной загрузке УШР, и при загрузке УШР, определенной по алгоритму, разработанному на основе предложенной методики определения коэффициентов загрузки СКРМ.

!

к

(а) (б)

Рис. 10. (а) - суточный график изменения суммарного уровня общего гармонического искажения тока УШР. (1) - при равномерном распределении реактивной мощности; (2) - с применением разработанных алгоритмов, (б) - Суточный график изменения уровня потерь электроэнергии в СКРМ. (1) - при равномерно распределении реактивной мощности; (2) -с применением разработанных алгоритмов.

В принятых условиях экспериментов алгоритм, разработанный на основе предложенной методики определения коэффициентов загрузки СКРМ, позволяет снизить максиматьный суммарный уровень общего гармонического искажения токов УШР более чем в 1,5 раза. Кроме того, разработанный алгоритм обеспечивает снижение потерь электроэнергии в СКРМ более чем на 15% (по сравнению с равномерным распределением реактивной нагрузки между УШР). Экономия потерь электроэнергии в СКРМ для принятого графика загрузки составила 8068 кВт*ч за сутки, что за год может составить порядка 2 920 МВт*ч или порядка 3,6 млн. руб. в год (с учетом ставки тарифа на оплату

нормативных технологических потерь электрической энергии (мощности) в единой национальной (общероссийской) электрической сети равной 1255,92 руб./МВт.ч для г. Москва на 2011 г.)

00 (б) Рис. ^ 1. (а) - график работы системы в режиме управления по заданной величине напряжения на шинах при изменении Цо и к0 при использованием блока КоггесМг; (б) -график изменения к и кс при использовании блока Коггейог.

На рис. 11 приведен график работы системы в режиме управления по заданной величине напряжения на шинах при Uo=var, kc=var с использованием блока Korrector и график изменения Uo и кс. На интервале времени 10-20 сек. происходит изменение уставки напряжения на шинах. При этом регулировочного диапазона УШР не достаточно для обеспечения необходимого сброса нагрузки, поэтому с выдержкой времени отключается включенный ШР. Отключение ШР позволяет поддерживать напряжение на шинах, используя высвобожденный регулировочный диапазон УШР. На интервале времени 45 - 55 сек. изменение уставки приводит к исчерпанию регулировочного диапазона УШР при увеличении нагрузки, что приводит к включению первого ШР и высвобождению регулировочного диапазона УШР. В момент времени равный 55 сек. происходит изменение кс. Теперь в новых условиях для поддержания требуемого значения напряжения на шинах оставшегося регулировочного диапазона УШР недостаточно, поэтому происходит включение второго ШР. На интервале 55 - 65 сек. высвобожденного после включения второго ШР регулировочного диапазона УШР достаточно для поддержания заданного напряжения на шинах. На интервале времени 65 - 75 сек. исчерпаны регулировочные диапазоны ШР и УШР, но этого оказывается недостаточно для поддержания заданного напряжения на шинах. На этом интервале напряжение на шинах отличается от уставки. На интервале 75-80 сек. происходит изменение уставки, которое приводит к отключению обоих ШР. Заданное значение напряжения поддерживается УШР вплоть до момента времени 130 сек. В этот момент изменение уставки приводит к исчерпанию регулировочного диапазона УШР. Включение обоих ШР, позволяет высвободить необходимый для поддержания заданного значения напряжения регулировочный диапазон УШР.

Выводы по четвертой главе:

1. Разработан и программно реализован алгоритм управления СКРМ с использованием суммарной величины реактивной мощности в качестве обобщенного сигнала управления, обеспечивающий поддержание заданного уровня напряжения на шинах.

2. Разработан и программно реализован алгоритм расчета управляющих воздействий для каждого СКРМ по обобщенному сигналу управления, обеспечивающий снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ.

3. Разработан и программно реализован алгоритм определения параметра коррекции по данным текущих измерений в реальном режиме времени, позволяющий сделать

подстанционную систему регулирования напряжения адаптивной к изменениям режима работы электрически близких электросетевых объектов.

4. Разработанные алгоритмы формируют основу для создания технологического программного обеспечения при их практическом использовании в САУ СКРМ ПС.

В заключении приведены основные научные и практические результаты. Они представляют законченную работу, решающие актуальную научно-техническую задачу разработки и исследования системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности на подстанциях СВН.

Обобщенно результаты работы состоят в следующем:

1. Предложен и исследован новый способ и структура автоматического управления СКРМ на основе эквивалентированного представления подстанции как объекта управления, отличающийся использованием обобщенного сигнала управления.

2. Разработаны методики и алгоритмы, включая их программную реализацию, для опредатения управляющих воздействий и параметра коррекции системы автоматического зг"Р~Д-ния, обеспечивающие снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ, а также адаптивность системы к изменениям режимов работы электрических близких электросетевых объектов.

3. Разработанные алгоритмы формируют основу доя создания программного обеспечения при их практическом использовании в САУ СКРМ ПС.

4. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены: в части разработки алгоритмов управления подстанционными СКРМ и компьютерного моделирования режимов работы системы автоматического управления СКРМ в ЗАО НПК «Дельфин-Информатика» при разработке типового программно-технического комплекса системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности подстанций; в части реализации способа и структуры автоматического управления СКРМ, а также методик и алгоритмов определения параметров функционирования в Московском Филиале ОАО «Южный Инженерный Центр Энергетики» в процесс разработки проектов подстанций СВН в качестве одного из вариантов создания систем автоматического управления СКРМ.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Волошин A.A. Снособ управления подстанционными средствами компенсации реактивной мощности по обобщенному сигналу управления. Энергетик, №10, 2010 г.

2. Волошин A.A. Адаптивная система автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности подстанций. Электрические станции, №4, 2009 г.

3. Волошин A.A., Косарев A.A., Косарева Е.Г., Костенко В.В., Лапезов В.Н., Лисицын М.В. Системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности электростанций и подстанций. Электрические станции, №4,2007 г.

4. Волошин. A.A. О реализации функций подстанционной системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности программно-техническим комплексом АСУ ТП подстанций. Электроэнергетика России: современное состояние, проблемы и перспективы. Сборник научных трудов. Под. ред. М.Ш. Мисриханова, Д.Р. Любарского, В.А. Шуина. Москва. Энергоатомиздат. 2008 г.

Подписано в печать ММ Зак. * S-5 Тир. №С п л /, Xb Полиграфический центр МЭИ(ТУ) Красноказарменная ул.,д.13

ВВЕДЕНИЕ.

1 ГЛАВА. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Регулирование напряжения и реактивной мощности в электрических сетях.

1.2 Системы автоматического управления напряжением и реактивной мощностью.

1.3 Объектовые системы регулирования напряжения и реактивной мощности.

1.3.1 Традиционные системы регулирования напряжения.

1.3.2 Многосвязные системы регулирования напряжения.

1.3.3 Системы регулирования на основе нечеткой логики.

1.4 Выводы.

2 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБА И СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ ПОДСТАНЦИОННЫХ СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

2.1 Средства регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности, устанавливаемые на подстанциях.

2.1.1 Шунтирующие реакторы.

2.1.2 Управляемые шунтирующие реакторы.

2.1.2.1 Управляемый шунтирующий реактор на основе тиристорно-реакторных групп (УШРТ).

2.1.2.2 Управляемый шунтирующий реактор на основе вакуумно-реакторных групп (УШРВ).

2.1.2.3 Управляемые реакторы с подмагничиванием постоянным током (УШРП).

2.1.3 Статические тиристорные компенсаторы.

2.1.4 Устройства типа СТАНСОМ.

2.1.5 Синхронные компенсаторы.

2.1.6 Асинхронизированные компенсаторы.

2.1.7 Устройства РПН.

2.2 Определение схемы главных электрических соединений подстанции как объекта управления.

2.3 Способ автоматического управления СКРМ по обобщенному сигналу управления.

2.4 Структура системы автоматического управления СКРМ по обобщенному сигналу управления.

2.5 Выводы.

3 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОМ СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

3.1 Разработка методики определения управляющих воздействий системы автоматического управления СКРМ.

3.1.1 Расчет значения коэффициентов трансформации и определение номера отпайки РПН.

3.1.2 Расчет коэффициентов загрузки СКРМ.

3.2 Разработка методики определения параметров коррекции САУ

СКРМ ПС.

3.3 Выводы.

4 ГЛАВА. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

КОМПЛЕКСОМ СРЕДСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ

МОЩНОСТИ.

4.1 Разработка и программная реализация алгоритмов автоматического управления СКРМ.

4.1.1 Функциональный блок Regulator.

4.1.2 Функциональный блок Raschet.

4.1.3 Функциональный блок Korrector.

4.2 Исследование алгоритмов управления СКРМ на компьютерной модели САУ СКРМ ПС.

4.2.1 Режим управления по заданному значению реактивной мощности. Оценка влияния разработанных алгоритмов на уровень потерь и качество электроэнергии в СКРМ.

4.2.2 Режим управления по заданному значению напряжения на шинах при U0=const, k=const.

4.2.3 Режим поддержания требуемого значения напряжения на шинах при U0= const, kc= var.

4.2.4 Режим поддержания требуемого значения напряжения на шинах при U0=const, kc= var с использованием функционального блока Korrector.

4.2.5 Режим поддержания требуемого значения напряжения на шинах при U0=var, k=var с использованием функционального блока Korrector.

4.3 Выводы.

Актуальность темы. Внедрение в практику эксплуатации ЭЭС принципиально новых подстанционных средств компенсации реактивной мощности (СКРМ), таких как: управляемые шунтирующие реакторы, статические тиристорные компенсаторы, устройства типа СТАТКОМ, асинхронизированные синхронные компенсаторы и др., перед оперативным персоналом крупных узловых подстанций возникает целый комплекс задач по согласованному управлению подстанционными СКРМ для поддержания заданного уровня напряжения, минимизации потерь и обеспечения требуемого качества электроэнергии. Особенно сложным становится решение задач по согласованному управлению комплексом СКРМ, установленным на подстанции, при изменении режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов, когда интенсивность влияния СКРМ на уровни напряжения может существенно изменяться.

Известны опытные разработки систем автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности для подстанций СВН. К таким разработкам относятся традиционные системы автоматического регулирования, реализующие специальные детерминированные алгоритмы управления, разрабатываемые для каждой конкретной подстанции, системы управления многосвязными многомерными объектами с универсальными алгоритмами и системы управления с использованием нечеткой логики.

Разработанные системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности на подстанциях, не учитывают изменения режимов работы электрически близких электросетевых объектов и в определенных режимах могут не обеспечить требуемую скоординированность и согласованность реализации команд оперативно-диспетчерского управления, что повлечет недопустимые отклонения уровней напряжения в системообразующих сетях в процессе регулирования.

Кроме того, разработанные системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности не реализуют возможность снижения потерь электроэнергии и повышения ее качества за счет обоснованного выбора состава средств компенсации реактивной мощности, привлекаемых в процессе автоматического регулирования, из комплекса СКРМ, установленного на подстанции.

Настоящая диссертационная работа посвящена решению вышеперечисленных вопросов, а именно разработке и исследованию системы автоматического управления СКРМ для поддержания заданного уровня напряжения на шинах подстанции при одновременном снижении потерь электроэнергии и повышении качества электроэнергии в СКРМ в условиях изменения режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов.

Тема диссертации соответствует «Программе комплексного технического перевооружения электрических сетей ОАО «ФСК ЕЭС» на 2004-2012 г.», указанной в «Положении о технической политике ОАО «ФСК ЕЭС».

Цель работы. Разработка и исследование системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности на подстанциях (САУ СКРМ ПС) для поддержания заданного уровня напряжения на шинах при одновременном снижении потерь электроэнергии и повышение качества электроэнергии в СКРМ. Основные задачи исследования.

1. Анализ состояния вопроса. Постановка цели и задач исследования.

2. Разработка и исследование способа и структуры автоматического управления комплексом подстанционных средств компенсации реактивной мощности.

3. Разработка методик определения параметров функционирования системы автоматического управления комплексом средств компенсации реактивной мощности.

4. Разработка и исследование алгоритмов управления для практического использования в системах автоматического управления комплексом.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования являются подстанции СВН, оборудованные средствами компенсации реактивной мощности.

Предметом исследования являются системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности.

Методы научных исследований.

Методы научных исследований базируются на теории электрических цепей, теории автоматического управления, на расчетных методах исследования и математическом программном моделировании режимов работы систем автоматического управления.

Достоверность и обоснованность результатов.

Достоверность и обоснованность результатов базируется на применении фундаментальных положений таких дисциплин, как теоретические основы электротехники и теории автоматического управления, и подтверждается совпадением значений параметров функционирования системы автоматического управления, полученных с применением различных методов моделирования исследуемых режимов работы системы автоматического управления.

Научная новизна работы.

1. Выявлено, что подстанции СВН с различными схемами соединений, являющиеся многомерными многосвязными объектами управления, могут быть представлены эквивалентированным объектом управления с одним входом (обобщенный сигнал пропорциональный суммарной величине реактивной нагрузки всех установленных на подстанции СКРМ) и одним выходом (напряжение на регулируемых шинах подстанции).

2. Предложен новый способ и структура автоматического управления СКРМ, отличающиеся использованием обобщенного сигнала управления пропорционального суммарной величине нагрузки комплекса СКРМ.

3. Разработана методика расчета управляющих воздействий по обобщенному сигналу управления, обеспечивающая снижение потерь электроэнергии и повышение ее качества в СЬСРМ.

4. Разработана методика коррекции параметров системы автоматического управления СКРМ, обеспечивающая ее адаптивность к режиму работы электрически близких электросетевых объектов.

Практическая ценность работы.

Проведенные научные исследования позволили получить следующие практические результаты:

1. На основе предложенного способа автоматического управления разработан и программно реализован алгоритм управления СКРМ с использованием суммарной величины реактивной мощности в качестве обобщенного сигнала управления.

2. Разработан и программно реализован алгоритм расчета управляющих воздействий для каждого СКРМ по обобщенному сигналу управления, реализующий методику расчета управляющих воздействий.

3. Разработан и программно реализован алгоритм расчета параметров коррекции для адаптации САУ СКРМ ПС к изменениям режима работы электрически близких электросетевых объектов, реализующий методику расчета параметров коррекции системы.

4. Разработанные алгоритмы формируют основу для создания программного обеспечения при их практическом использовании в САУ СКРМ ПС и обеспечивают скоординированное управление комплексом СКРМ в условиях изменения режимов работы и состава включенного в работу оборудования электрически близких электросетевых объектов, а так же снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ.

5. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены: в части разработки алгоритмов управления подстанционными СКРМ и компьютерного моделирования режимов работы системы автоматического управления СКРМ в ЗАО НПК «Дельфин-Информатика» при разработке типового программно-технического комплекса системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности подстанций; в части реализации способа и структуры автоматического управления СКРМ, а также методик и алгоритмов определения параметров функционирования в Московском Филиале ОАО «Южный Инженерный Центр Энергетики» в процесс разработки проектов подстанций СВН в качестве одного из вариантов создания систем автоматического управления СКРМ.

Основные научные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования нового способа и структуры автоматического управления СКРМ с использованием обобщенного сигнала управления на основе эквивалентированного представления подстанции как объекта управления.

2. Методика и алгоритм расчета управляющих воздействий по обобщенному сигналу управления.

3. Методика и алгоритм определения параметра коррекции системы автоматического управления по данным текущих измерений.

Личный вклад соискателя.

Постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений, математических моделей и методов, проведение исследований, анализ и обобщение результатов.

Автор выражает благодарность работникам кафедры РЗиА Эс МЭИ (ТУ) за оказанное содействие при написании диссертационной работы и лично д.т.н. проф. Максимову Б.К. и к.т.н. доц. Арцишевскому Я.Л.

Апробация результатов диссертации.

Основные положения диссертации докладывались на международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов (Москва, МЭИ. 2003, 2004 гг.), на научно-технической конференции в Южно-Российском Государственном Техническом Университете (Новочеркасск, 2005 г.), на научно-технических совещаниях в ОАО «Институт «Энергосетьпроект» (Москва, 2005-2007 гг.), на П-м Всероссийском Конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики, проводимом РАО ЕЭС России (Геленджик, 2007 г.), на научно-технической конференции «Электрические сети России» (Москва, 2009 г.)

Опубликованные работы.

По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, три из них в изданиях по списку ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация включает введение, 4 главы, заключение, список использованной литературы из 62 наименований и 2 приложения. Основной материал изложен на 131 странице и содержит 52 рисунка и 1 таблицу.

4.3 Выводы.

1. Разработан и программно реализован алгоритм управления СКРМ с использованием суммарной величины реактивной мощности в качестве обобщенного сигнала управления, позволяющий управлять комплексом СКРМ, установленным на подстанции, как единым объектом.

2. Разработан и программно реализован алгоритм расчета управляющих воздействий для каждого СКРМ по обобщенному сигналу управления, обеспечивающий снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ.

3. Разработан и программно реализован алгоритм коррекции настроечных параметров по данным текущих измерений в реальном режиме времени, позволяющий сделать подстанционную систему регулирования напряжения адаптивной к изменениям режима работы электрически близких электросетевых объектов.

4. Разработанные алгоритмы формируют основу для создания технологического программного обеспечения при их практическом использовании в САУ СКРМ ПС.

Заключение.

Основные научные и практические результаты, представляющие законченную работу, решают актуальную научно-техническую задачу разработки и исследования системы автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности на подстанциях СВН. Обобщенно результаты работы состоят в следующем:

1. Предложен и исследован новый способ и структура автоматического управления СКРМ на основе эквивалентированного представления подстанции как объекта управления, отличающийся использованием обобщенного сигнала управления.

2. Разработаны методики и алгоритмы, включая их программную реализацию, для определения управляющих воздействий и параметра коррекции системы автоматического управления, обеспечивающие снижение потерь и повышение качества электроэнергии в СКРМ, а также адаптивность системы к изменениям режимов работы электрических близких электросетевых объектов.

3. Разработанные алгоритмы формируют основу для создания программного обеспечения при их практическом использовании в САУ СКРМ ПС.

4. Полученные в диссертационной работе результаты внедрены: в части разработки алгоритмов управления подстанционными СКРМ и компьютерного моделирования режимов работы системы автоматического управления СКРМ в ЗАО НПК «Дельфин-Информатика» при разработке типового программно-технического комплекса системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности подстанций; в части реализации способа и структуры автоматического управления СКРМ, а также методик и алгоритмов определения параметров функционирования в

Московском Филиале ОАО «Южный Инженерный Центр Энергетики» в процесс разработки проектов подстанций СВН в качестве одного из вариантов создания систем автоматического управления СКРМ. Акты внедрения результатов диссертационной работы приведены в Приложении 2.

1. Новые технические решения в электрической части подстанций и линий электропередачи: Сборник научных трудов / Под ред. Ю.И. Лыскова. -М.: Энергоатомиздат, 1986.-95 стр.

2. Электротехнический справочник: В 4т. Т.З Производство, передача и распределение электрической энергии / Под общей ред. Профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл.ред. А.И.Попов) М.: Изд. МЭИ, 2004.

3. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. - 248 стр.

4. Управляемые подмагничиванием электрические реакторы: Сборник статей / Под. ред. A.M. Брянцева. М.: «Знак». 2004. - 264 стр.

5. Ситников В.Ф., Чемоданов В.И., Бобылева Н.В., Адамоков Р.К.

6. Основные направления развития электроэнергетики России в период до 2020 года//Электрические станции. 2007. №5.

7. Макаровский С.Н., Хвощинская З.Г. Проблемы управления напряжением и реактивной мощностью в основных сетях ЕЭС Росии // Энергетик. 2002. №6.

8. Макаровский С.Н., Рубцов A.A., Тузлукова Е.В., Хвощинская З.Г. Проблемы регулирования напряжения и реактивной мощности вэнергосистемах России. Электроэнергетика России: современное состояние, проблемы, перспективы., сб. трудов ОАО «Институт

9. ЭНЕРГОСЕТЬПРОЕКТ». -М.:Энергоатомиздат, 2008.

10. Схемы принципиальные электрические распределительныхустройств подстанций 35 750 кВ. Типовые решения. Коллектив авторов. Москва. ОАО «Институт «Энергосетьпроект», 2007 г.

11. Нормы технологического проектирования подстанций переменного тока напряжением 35 750 кВ. СТО 153 - 34. 20.1222006. Разработан ОАО «Институт «Энергосетьпроект», Москва, 2006 г.

12. Волошин A.A. Косарев A.A., Косарева Е.Г., Костенко В.В., Лапезов В.Н., Лисицын М.В. Системы автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности электростанций и подстанций., Электрические станции. 2007 г. №4.

13. Дьяков А.Ф., Окин A.A., Семенов В.А. Диспетчерское управление мощными энергообъединениями. М.: Издательство МЭИ, 1996. -244 стр.

14. Автоматизация диспетчерского управления в электроэнергетике / Под общей ред. Ю.Н. Руденко и В.А. Семенова. М.: Издательство МЭИ, 2000. - 648 стр.

15. Герасименко A.A., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии.: Учебное пособие. Ростов-н/Д.: Феникс, 2006. 720 стр.

16. ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»

17. Рабинович М.А. Цифровая обработка информации для задач оперативного управления в электроэнергетике. -М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2001.-344 стр.

18. Росман Л.В. Регулирование напряжения в сетевых концентрированных генерирующих узлах. — М.: Информэнерго, 1987.

19. Автоматизация электроэнергетических систем: учебное пособие для вузов/ О.П. Алексеев, B.JI. Козис, В.В. Кривенков и др.; Под. Ред. В.П. Морозкина и Д. Энгелаге. М.: Энергоатомиздат, 1994. - 448 стр.

20. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. М. Изд-во НЦ ЭНАС, 2000.

21. Иванов-Смоленский A.B. Электрические машины: Учебник для вузов. М.: Энергия, 1980. - 928 стр.

22. Справочник по проектированию электрических сетей / Под ред. Д.Л. Файбисовича. 2-е изд., перераб. И доп. - М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006.-352 стр.

23. Электрическая часть станций и подстанций/ Под ред. A.A. Глазунова. М.: Госэнергоиздат, 1951. - 744 стр.

24. Автоматизация управления энергообъединениями /В.В. Гончуков, В.М. Горнштейн, Л.А. Крумм и др.; под ред. С.А. Совалова. -М.: Энергия, 1979. -432 стр.

25. Алексенко Г.В. Параллельная работа трансформаторов и автотрансформаторов. -М.: Энергия, 1967. 607 стр.

26. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред. Л.А. Жукова. М.: Энергия, 1979. - 456 стр.

27. Электроэнергетические системы в примерах и иллюстрациях: Учеб. пособие для вузов / Ю.Н. Астахов, В.А. Веников, В.В. Ежков и др., Под. ред. В.А. Веникова. М.: Энергоатомиздат, 1983. - 504 стр.

28. Идельчик В.И. Электрические системы и сети: Учебник для вузов. -М.: Энергоатомиздат, 1989. 592 стр.

29. Методические указания по устойчивости энергосистем. СО 15334.20.576-2003. утв. Приказом Минэнерго России от 30 июня 2003 г. №277.

30. ГОСТ 609-84. Машины электрические вращающиеся. Компенсаторы синхронные. Общие технические условия. Дата введения 01.01. 1986 г.

31. ГОСТ 21558-2000. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов. Общие технические условия. Дата введения 01.07.2003 г.

32. Юрганов A.A., Кожевников В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. СПб.: НАУКА, 1996. - 138 стр.

33. Волошин A.A. Адаптивная система автоматического управления средствами компенсации реактивной мощности подстанций. Электрические станции. 2009 г. №4.

34. Разработка методов автоматизированного управления и контроля электрической части энергообъектов. Основные положения по оперативному управлению напряжением и реактивной мощностью для оптимального варианта 1990 г. Энергосетьпроект. Москва, 1979 г.

35. Руководящие указания по выбору средств компенсации реактивной мощности и регулируемых трансформаторов в электрических сетях 110 1150 кВ. Энергосетьпроект. Москва, 1997 г.

36. Методические указания по управлению уровнями напряжения и потоками активной и реактивной мощности в электрических сетях (в части автоматизации). Энергосетьпроект. Москва, 1976 г.

37. Беляев А.Н., Смоловик C.B. Проектирование адаптивных автоматических регуляторов возбуждения с помощью нейронечеткого моделирования. Электричество, 2002 г. №3.

38. Баламетов А.Б., Мусаханова Г.С., Халилов Э.Д. Исследование решения задачи оптимизации режимов электрических сетей по напряжению и реактивной мощности методом последовательной линеаризации и линейного программирования. Электричество. 2003 г. №3.

39. Борцов Ю.А., Бурмистров A.A., Логинов А.Г., Поляхов Н.Д., Приходько И.А., Хлямков В.А. Робастные регуляторы возбуждения мощных синхронных генераторов. Электричество. 2003 г. №7.

40. Красовская М.А. Методы и алгоритмы нелинейного программирования в АСУ. М.: Издательство МАИ, 1994.

41. Мелешкин Г.А., Меркурьев Г.В. Устойчивость энергосистем. -Спбю: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006.

42. Фомин В.Н., Фрадков А.Л., Якубович В.А. Адаптивное управление динамическими объектами. -М.: НАУКА, 1981.

43. Андриевский Б.Р., Фрадков А.Л. Избранные главы теории автоматического управления с примерами на языке MATLAB. СПб.: НАУКА, 2000.

44. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink. M.: ДМК Пресс, 2008. - 288 стр.

45. Зубов И.В. Методы анализа динамики управляемых систем. М.: Физматлит, 2003.

46. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. -М.:, 2003 г.

47. Александров Г.Н. Режимы работы воздушных линий электропередачи. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2006.

48. Александров Г.Н., Лунин В.П. Управляемые реакторы. СПб.: НОУ «Центр подготовки кадров энергетики», 2005.

49. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.1. Линейные системы. М.: Физматлит, 2003.

50. Ким Д.П. Теория автоматического управления. Т.2. Многомерные, нелинейные, оптимальные и адаптивные системы. М.: Физматлит, 2003.

51. Туманов М.П. Теория импульсных, дискретных и нелинейных САУ. -М.: МГИЭМ, 2005.

52. Шакарян Ю.Г., Новиков Н.Л. Технологическая платформа SMART GRID (основные средства). Энергоэксперт №4, 2009 г.

53. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть новое качество ЕЭС России. Энергоэксперт №4, 2009 г.

54. Долежилек Д. Дж., Швайцер С.Л. Практическое применение интеллектуальных сетей. Энергоэксперт №4, 2009 г.

55. Воропай Н.И. Задачи повышения эффективности оперативного и противоаварийного управления электроэнергетическими системами. Энергоэксперт №4, 2009 г.

56. Волошин А.А. Способ управления подстанционными средствами компенсации реактивной мощности по обобщенному сигналу управления. Энергетик, №10, 2010 г.

57. Полудницын П.Ю. Разработка законов регулирования управояемых шунтирующих реакторов для улучшения устойчивостиэлектроэнергетической системы. Дисс. канд.техн.наук. М., 2009, 118 стр.

58. Пешков М. В. Разработка и исследование системы управления статическим компенсатором реактивной мощности типа СТАТКОМ для электроэнергетических систем. Дисс. канд.техн.наук. М., 2009, 158 стр.

59. Жмак Е.И. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах на основе нечеткой логики. Дисс. канд.техн.наук. Новосиб., 2004, 120 стр.

60. Туликов А.Н. Управление режимами реактивной мощности и напряжением систем электроснабжения предприятий методами искусственного интеллекта. Дисс. канд.техн.наук. Красноярск., 2008, 169 стр.