автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики оптимизационного режимного эквивалентирования сложных энергосистем

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО

ОБРАЗОВАНИЯ РФ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи Мастерова Ольга Альбертовна

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИОНОГО РЕЖИМНОГО ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ СЛОЖНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

Специальность 05.14.02 — Электрические станции

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

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Хрущёв Ю.В.

Томск — 1999

Оглавление

Введение 5

1 ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ К ЗАДАЧАМ ГИБРИДНОГО И ФИЗИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЭС 11

1.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ

ПРИ РЕШЕНИИ РЕЖИМНЫХ ЗАДАЧ......... 11

1.2 МЕТОДЫ ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГОСИСТЕМ...................... 14

1.2.1 КРИТЕРИИ ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ .... 14

1.2.2 ДЕКОМПОЗИЦИЯ................. 16

1.2.3 МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СХЕМ................ 18

1.3 ЭКВИВАЛЕНТЫ МАЛОЙ РАЗМЕРНОСТИ ..... 21

1.3.1 ПРИБЛИЖЕННОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ МНОГОУГОЛЬНИКА В ЗВЕЗДУ............ 23

1.3.2 ПОСТРОЕНИЕ РЭИ-ЭКВИВАЛЕНТОВ..... 25

1.3.3 РЕЖИМНОЕ ЭКВИВА ЛЕНТИРОВАНИЕ ... 30

1.4 ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ ............... 34

2 ОСНОВЫ ОПТИМИЗАЦИОННОГО РЕЖИМНОГО ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ 37

2.1 СТРУКТУРА ЛУЧЕВОГО ЭКВИВАЛЕНТА ПОДСИСТЕМЫ ЭЭС.................... 39

2.2 КРИТЕРИИ ОПТИМАЛЬНОСТИ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ЛУЧЕВЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ..... 43

2.3 ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ РЕЖИМА УЗЛОВ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ЭКВИВАЛЕНТНЫХ СИНХРОННЫХ МАШИН................. 48

2.4 ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ ПАССИВНОЙ НАГРУЗКИ ПОДСИСТЕМЫ............... 50

2.5 ФОРМИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЗКИ ЦЕНТРАЛЬНОГО УЗЛА ЛУЧЕВОГО ЭКВИВАЛЕНТА ...................... 52

2.0 ВЫБОР БАЗОВЫХ РЕЖИМОВ ЭНЕРГОСИСТЕМ . . 56

2.7 ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ СТАТИЧЕСКОЙ АПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЭС НА ОСНОВЕ ПРОМЕЖУТОЧНЫХ РЕЖИМНЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ 57

2.8 ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ СХЕМ ОБРАТНОЙ И НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ........ 60

2.9 ДИНАМИЧЕСКОЕ ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ .... 62

2.10 ВЫВОДЫ........................... 65

3 РАСЧЕТ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ

ЛУЧЕВЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ 66

3.1 ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ РАСЧЕТА ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛУЧЕВОГО ЭКВИВАЛЕНТА..... 66

3.1.1 КОМПЛЕКСНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПО ВСЕМ ПАРАМЕТРАМ................... 66

3.1.2 ЧАСТНЫЕ ПОСТАНОВКИ ЗАДАЧИ...... 68

3.2 ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЕНИЯ ЛУЧЕВЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ ПО ДВУМ И ТРЕМ БАЗОВЫМ РЕЖИМАМ 70

3.3 АНАЛИТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛУЧЕВЫХ ЭКВИВАЛЕНТОВ ПРИ ВЫДЕЛЕНИИ ОДНОГО ВЕДУЩЕГО РЕЖИМА 74

3.4 УПРОЩЕННЫЙ СПОСОБ УЧЕТА ОГРАНИЧЕНИЙ ПРИ РАСЧЕТЕ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛЭ 80

3.5 АПРОБАЦИЯ АЛГОРИТМОВ ОПТИМИЗАЦИОННОГО РЕЖИМНОГО ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ .... 83

3.6 ВЫВОДЫ........................... 91

4 РЕАЛИЗАЦИЯ И ПРИЛОЖЕНИЯ МЕТОДИКИ ОПТИМИЗАЦИОННОГО РЕЖИМНОГО

ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМ 92

4.1 ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС "СТАРТ"........ 92

4.1.1 ДЕКОМПОЗИЦИЯ ИСХОДНОЙ СХЕМЫ ... 95

4.1.2 РАСЧЕТ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ ЭЭС С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТОДА ХОРД....................... 96.

4.1.3 ПОСТРОЕНИЕ ОБЛАСТЕЙ СТАТИЧЕСКОЙ АПЕРИОДИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЭС . 100

4.1.4 ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ СХЕМ ПРЯМОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ЭЭС......... 102

4.2 ЭКВИВАЛЕНТИРОВНИЕ ТЮМЕНСКОЙ ЭЭС ДЛЯ

ГИБРИДНОГО МОДЕЛИРУЮЩЕГО КОМПЛЕКСА . 103

4.2.1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ГМК ТЮМЕНСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ................. 103

4.2.2 ТИПОВОЙ ЭКВИВАЛЕНТ ПОДСИСТЕМЫ ДЛЯ ГМК.......................... 100

4.2.3 ПОСТРОЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ ТЮМЕНСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ДЛЯ ГМК 108

4.3 ВЫВОДЫ...............................114

Заключение 115

Приложения 130

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Электроэнергетические системы (ЭЭС) представляют собой большие сложные системы кибернетического типа. При их прогнозировании, планировании и функционировании необходимо наличие достоверной информации о процессах, составляющих различные режимы ЭЭС. Возможности проведения экспериментов в реальных промышленных энергосистемах очень ограничены. В силу этого неизбежным становится представление исследуемой реальной ЭЭС ее моделью, всегда упрошенной по сравнению с оригиналом. Упрощение (или эквивалентирование) является неотъемлемой частью моделирования. При этом следует учитывать, что эквивалент должен быть построен таким образом, чтобы сохранить те стороны реальной системы, которые существенны в решении данной практической проблемы. Следовательно выбор структуры и характеристик эквивалента. равно как и методов эквивалентирования. существенно зависит от конкретной практической задачи.

Так. для решения ряда задач оперативного и автоматического управления режимами энергосистем, а так же для создания физических. аналоговых и гибридных моделей ЭЭС необходимы эквиваленты малой размерности, устойчивые к изменению режимов. Существующие методы эквивалентирования ЭЭС не позволяют построить такие эквиваленты, обеспечивающие достаточное соответствие оригиналу как в установившихся, так и в переходных режимах энергосистем. В связи с этим создание инструментария для построения высокоэффективных эквивалентов малой размерности является весьма актуальным.

Цель работы — разработка рабочей методики построения эквивалентов ЭЭС малой размерности, приемлемых для создания многомашинных многофункциональных гибридных моделирующих комплексов (ГМК), физических моделей и для решения ряда задач опе-

ративного м автоматического управления ЭЭС.

В соответствии с целью, совокупность конкретных задач работы включает:

• формирование целевых функций для расчетов оптимальных параметров эквивалентов подсистем ЭЭС по совокупности базовых режимов:

• математическая постановка общей и частных задач расчета оптимальных параметров эквивалентов подсистем ЭЭС:

• разработка метода прямого приближенного построения областей статической апериодической устойчивости с использованием уравнений предельного режима промежуточных режимных эквивалентов ЭЭС:

• выбор и расчет базовых режимов на основе метода пря.мого приближенного построения областей статической апериодической устойчивости ЭЭС;

• разработка рабочих методик построения эквивалентов обратной и нулевой последовательностей подсистем ЭЭС:

• алгоритмическое решение задачи построения оптимальных эквивалентов подсистем ЭЭС в частных постановках:

• расчет оптимальных параметров эквивалентной схемы замещения для ГМК Тюменской энергосистемы.

Методика проведения исследований. Работа базируется на использовании методов расчета нормальных и несимметричных режимов ЭЭС, теоретических основ эквивалентирования. численных методов линейной алгебры, функционального анализа и нелинейного программирования.

Научная новизна:

• предложена п разработана методика построения эквивалентов малой размерности по совокупности базовых режимов па основе оптимизационного подхода к определению параметров эквивалентов пассивной части подсистем ЭЭС;

• предложена методика упрощения схем обратной и нулевой последовательностей на основе оптимизационного режимного эквива-лентирования ЭЭС:

• получены аналитические зависимости для расчетов оптимальных параметров эквивалентов звездчатого типа при выделении одного ведущего режима в задаче с фиксированными значениями коэффициентов трансформации в продольных эквивалентных ветвях:

• теоретически доказана, возможность построения эквивалента с комплексными коэффициентами трансформации в составе ветвей продольного включения, точно отражающего два базовых режима преобразуемой ЭЭС:

• разработан метод прямого приближенного построения областей статической апериодической устойчивости ЭЭС, основанный на применении уравнений предельного режима промежуточных ре-ж и м и ы х э к в 11 в а л е н т о в.

Практическая ценность. Разработанная методика оптимизационного режимного эквивалентирования пассивной части ЭЭС программно реализована в форме программного комплекса (ПК) "СТАРТ", предназначенного для проведения расчетов параметров эквивалентных схем замещения при постановке энергетических задач на физических моделях и гибридных вычислительных системах. Комплекс применим во всех энергетических задачах, решаемых с использованием компактных эквивалентов ЭЭС, для получения которых не требуется высокая оперативность.

Реализация результатов работы. Пакет эквивалентных схем замещения, рассчитанных по.разработанной методике, (- указанием параметров элементов использован при создании ГМК Тюменской! ЭЭС. ПК "СТАРТ" включен в состав специализированного .математического обеспечения ГМК Тюменской ЭЭС.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на 4-ом и 5-ом отраслевых совещаниях "Проблемы и перспективы развития производственного объединения "Томский нефтехимический комбинат"(Томск 1990 и 1991), 8-ой всесоюзной научно-технической конференции "Перспективы развития и применения средств вычислительной техники для моделирования и автоматизированного исследования"(Москва. 1991). X научной конференции "Моделирование электроэнергетических систем"' (Каунас. 1991): Первом и Втором Российских научно-технических семинарах "Энергетика: экология. надежность, безопасность" (Томск. 1994 и 1990): Первой и Второй областных научно-практической конференциях молодежи и студентов "Современные техника и технологии" (Томск. 1994 и 1996); Научно-техническом совещании по результатам разработки и использования ГМК ЭЭС (Тюменской энергосистемы) (Томск. 1997).

Публикации По теме диссертационной работы опубликование) одиннадцать печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы (105 наименований). Общий объем работы 150 страниц. Из них основной текст с 15 рисунками и 6 таблицами занимает 129 стр.. приложения с 20 рисунками и 2 таблицами — 31 стр.

В первой главе рассмотрено значение моделирования и экви-валентирования при решении различных режимных задач. Проведен анализ существующих методов эквивалентирования моделей энерго-

систем применительно к конкретным практическим целям, в частности. к задаче построения эквивалентов малого объема, устойчивых к изменениям режимов. Определены области применения таких эквивалентов. атак же их эксплуатационные характеристики.

Показаны необходимость и возможность разработки оригинальной методики построения эквивалентов с требуемыми характеристиками на основе режимного эквивалентнрования ЭЭС. Сформулированы задачи этой разработки.

Вторая глава посвящена разработке основ методики оптимизационного режимного эквивалентнрования ЭЭС. Преобразуемые подсистемы замещаются эквивалентами лучевой (звездчатой) структуры, поиск параметров которых производится по совокупности базовых режимов.

Сформирована группа целевых функций на основе небалансов токов. напряжений и мощностей. Определены критерии оптимальности для вычисления параметров лучевых эквивалентов (ЛЭ) двух типов — с подключением сопротивления нагрузки в центральном узле и без сопротивления в этом узле. Решены вопросы предварительного эквивалентнрования узлов с синхронными машинами и со статическим нагрузками. Определен порядок выбора базовых режимов ЭЭС.

Изложены основы инженерной методики эквивалентнрования схем обратной и нулевой последовательностей ЭЭС. с использованием профессиональных программных комплексов расчета токов коротких замыканий. Обсуждены возможности эквивалентнрования этих схем на основе обшей методики оптимизационного режимного эквивалентнрования. Изложен общий алгоритм построения динамических эквивалентов на основе метода усреднения параметров.

В третьей главе рассмотрены общая и частные постановки задачи расчета оптимальных параметров ЛЭ. Показана возможность построения ЛЭ. точно соответствующих двум базовым режимам. При

выделении одного ведущего режима в задаче с фиксированными значениями коэффициентов трансформации получены аналитические зависимости для расчета оптимальных параметров лучевых эквивалентов. Предложен инженерный способ ввода ограничений на параметры эквивалентов.

Проведены численные исследования различных способов формирования эквивалентов, а также проверка возможности применения упрошенного способа учета ограничений при расчете оптимальных параметров ЛЭ.

В четвертой главе дано описание программного комплекса "СТАРТ", предназначенного для расчетов установившихся режимов, непрерывного построения границ областей статической устойчивости, декомпозиции преобразуемых частей и расчета ЛЭ подсистем сложных энергосистем.

Представлены результаты расчетов по эквивадентиронию Тюменской ЭЭС для гибридного моделирующего комплекса, проведенные с помощью ПК "СТАРТ".

1 ОЦЕНКА ПРИМЕНИМОСТИ МЕТОДОВ ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ К ЗАДАЧАМ ГИБРИДНОГО И ФИЗИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ЭЭС

1.1 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЕ ПРИ РЕШЕНИИ РЕЖИМНЫХ ЗАДАЧ

Энергетика вообще и электроэнергетика в частности, являясь большой системой кибернетического типа, обладает гон особенностью, что процессы в ее элементах взаимно связаны [1].

Учет всего многообразия элементов и факторов, влияющих на процессы в системе, приводит не к увеличению точности, а к потере наблюдаемости, к получению о твета, в практическом плане бесполезного. Отсюда следует вывод, применимый к решению задач исследования электроэнергетических систем (ЭЭС): сложная большая система кибернетического типа должна быть разбита на подсистемы, но так. чтобы при этом сохранялись основные для данного исследования свойства большой системы [1]. Помимо этого необходимо затрубить изучение явления по количеству рассматриваемых процессов. Отбор наиболее значимых процессов, которыми можно отразить "суть явления". не осложняя его изучение излишними деталями, и есть искусство создателя модели [1].

Модель - это некоторый мысленный (описательный) или физический (материальный) вспомогательный объект, заменяющий при определенных допущениях исследуемый оригинал [1]. Построение моделей какого-либо процесса (или группы процессов) начинается с общей модели процесса, создающейся в результате прямого наблюдения этого процесса и его осмысления. Затем на основе этой общей модели составляется математическое описание в виде системы уравнений. Дга-лее создаются конкретные модели: физические, аналоговые, ипфро-ангглоговые (гибридные) или матемгггмческие модели.

Физическая модель энергосистемы представляет собой миниатюрную копию физически реальной энергосистемы, она имеет в своем составе модели всех основных элементов энергосистемы-оригинала [2].

Построение аналоговых моделей основывается на формальном соответствии математического описания явлений, различных по своей физической природе. Если явления в двух сопоставляемых системах имеют различную физическую природу, но некоторые наиболее интересные для исследователя процессы, происходящие в этих системах, описываются формально одинаковыми дифференциальными уравнениями. то можно сказать, что одна система является прям011 моделыо-аналогом другой [2].

Гибридная модель является сочетанием аналоговой модели и электронной вычислительной машины (ЭВМ). В такой комбинации используются специфические свойства аналоговых моделей (наглядность, простота набора схемы, быстродействие) и цифровых машин (точность, хранение в памяти нужной информации).

Математическая модель представляется системой дифференциальных уравнений, обычно упрощенных по сравнению с теми, которые входили в общую модель. Математическая модель со сформированными операционными и функциональными задачами - основа для дальнейшей разработки алгоритмов [3].

Для того чтобы модель, составленная для исследования сложной энергосистемы, была работоспособна, необходимо упростить ее. не теряя при этом существенных черт реальной системы.

Часто при решении задач проектирования и эксплуатации сложных ЭЭС приходится выделять зону ЭЭС, представляющую наибольший интерес, элементы которой желательно представить в полном (неизменном) объеме. Такую зону называют исследуемой или неэквпва-лентируемой (непреобразуемой) частью системы. Другую часть схемы называют внешней или эквивалентируемой (преобразуемой). Разделение схемы на неэквивалентируемую и эквивалентируемую части производится по узлам примыкания (рис. 1.1).

0

0

-0

'1___I

V"

-V-

Преоор аз уемая схема

Нелтреооразуемая схема

Рис. 1.1. Условная схема, сложной энергосистемы

В результате преобразования эквивалентируемой части исходная модель приводится к эквиваленту, то есть к более простому виду. В электроэнергетике такой процесс замещения исходной сложной модели ЭЭС более простой моделью, тождественной по заданным свойствам оригиналу, называется эквивалентированием [4. 5. 6. 7. 8].

Следует отметить, что упрощенной модели объекта или явления всегда соответствует либо меньший набор элементов, либо более простая система уравнений процессов. Поэтому невозможно добиться полного соотв