автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методики расчета надежности систем электроснабжения относительно узлов нагрузки с учетом провалов напряжения

На правах рукописи

Ванин Артем Сергеевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНО УЗЛОВ НАГРУЗКИ С УЧЕТОМ ПРОВАЛОВ НАПРЯЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2014

005554172

005554172

Работа выполнена на кафедре «Электроэнергетические системы» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский университет «МЭИ» (ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»)

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Юрий Александрович Фокин_

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, профессор Юрий Владимирович Шаров

кандидат технических наук, доцент Владимир Николаевич Тульский

доктор технических наук, начальник Департамента технического регулирования ОАО «СО ЕЭС».

Юрий Николаевич Кучеров

кандидат технических наук, начальник отдела электрических режимов Департамента оперативно-технологического управления ОАО «ФСК ЮС» Роман Геннадьевич Шамонов

ОАО «Московская объединенная электросетевая компания»

Защита диссертации состоится "05" декабря 2014 г. в 15 ч 00 мин в аудитории Г-200 на заседании диссертационного совета Д 212.157.03 при ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ» по адресу: 111250, г. Москва, Красноказарменная ул., д. 17, 2 этаж, корпус "Г".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ «МЭИ» и на сайте www.mpei.ru.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим присылать по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная 14, Ученый совет НИУ «МЭИ».

Автореферат разослан "20" 2014 г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.03

кандидат технических наук Дичина О.В.

Общая характеристика работы

Актуальность.

Одним из основных потребителей электроэнергии являются промышленные предприятия, содержащие большое количество электродвигательной нагрузки.

Надежность электроснабжения промпредприятий определяется вероятностью и частотой возникновения событий в системе электроснабжения, при которых нарушается функционирование электродвигателей, приводящих технологические установки.

При этом, нарушение технологических процессов возможно не только при длительных перерывах питания, но и при провалах напряжения, которые, как правило, не учитываются при анализе надежности.

Это вызвано тем, что основные нормы электроснабжения были разработаны еще в середине прошлого века и часть из них осталась без изменения. В то время для промышленности были актуальны проблемы связанные с длительными перерывами электроснабжения. В связи с этим в литературе в основном описаны методы расчета надежности, заключающиеся в анализе длительных нарушений электроснабжения.

Для ряда производств ущерб от провалов напряжения с учетом перезапуска технологических процессов сопоставим с ущербом от длительных перерывов питания, в то время как частота возникновения провалов напряжения выше на неколько порядков.

Для отечественных систем электроснабжения ситуация усугубляется наличием большого количества физически и морально устаревшего основного оборудования и устройств защиты и автоматики, что приводит к увеличению частоты возникновения отказов и увеличению длительности провалов напряжения. Все это приводит к снижению показателей надежности систем электроснабжения. При отсутствии достаточного финансирования для полной реновации системы электроснабжения, важной задачей является расчет показателей надежности с учетом всех влияющих факторов с определением их вкладов в итоговое значение. На основе этой информации могут быть приняты решения для направления развития и реконструкции системы электроснабжения и технологических установок.

Для оценки надежности системы электроснабжения необходимо найти все события, приводящие к отказу технологического процесса.

Определить работоспособность электроприемников в том или ином состоянии можно только по результатам расчета режима. Количество возможных аварийных и послеаварийных режимов велико даже для схемы небольшого размера и перебор их всех нецелесообразен. Поэтому важно на основе предварительного анализа системы электроснабжения выделить наиболее значимые для оценки надежности режимы.

Представленная работа посвящена вопросам расчета и анализа надежности электроснабжения потребителей с учетом провалов напряжения.

Большое внимание уделяется вопросу поиска событий в системе электроснабжения, способных привести к провалу напряжения в точке питания потребителя, при котором возможно нарушение функционирования его электроприемников, что является актуальной научной и технической задачей.

Цель и задачи диссертационной работы

Целью работы является разработка методики расчета показателей надежности системы электроснабжения относительно нагрузки, содержащей асинхронные двигатели, с учетом провалов напряжения.

Для достижения указанных целей потребовалось решить следующие задачи:

разработать способ определения событий, при которых возможно нарушение функционирования рассматриваемого двигателя;

разработка способа поиска аварийных режимов, при которых остаточное напряжение на выводах рассматриваемого двигателя ниже критического значения;

разработка способа поиска послеаварийных режимов при которых напряжение на выводах рассматриваемого двигателя ниже минимального пускового значения;

адаптация способов расчета режимов и составления схемы замещения для их использования в задаче определения показателей надежности;

разработка методики оценки вероятности и частоты нарушения функционирования электроприемников при провалах напряжения.

Объект исследования - распределительные электрические сети и системы электроснабжения электродвигательной нагрузки.

Предмет исследования - разработка методики расчета надежности систем электроснабжения относительно узлов нагрузки, включая учет влияния провалов напряжения на функционирование электроприемников.

Методы и средства исследования.

В работе активно используется метод вычислительных экспериментов, комбинированный с теоретическим подходом для обоснования направления проведения эксперимента.

В качестве основного математического аппарата используются методы теории графов и линейной алгебры.

Алгоритмы реализованы на ПЭВМ с использованием объектно-ориентированного языка программирования и с применением современных технологий объектно-ориентированного проектирования.

Достоверность результатов

Все алгоритмы были реализованы и проверены на тестовых схемах. В качестве тестовых схем использовались как небольшие схемы, на которых можно наглядно проверить результаты, так и схема реальной ЭЭС и промпредприятия.

Полученные результаты проверялись с использованием существующих промышленных решений или собственных разработок; в результате чего сделан вывод об их близости с ожидаемыми.

Основные научные результаты и их новизна.

Впервые получены следующие научные результаты:

Разработан способ, позволяющий найти события, которые приводят к нарушению функционирования рассматриваемого электроприемника при провалах напряжения.

Разработаны способы, позволяющие найти аварийные и послеаварийные режимы, при которых напряжение в рассматриваемом узле ниже заданного значения.

Разработана методика, позволяющая количественно определить надежность электроснабжения асинхронных двигателей с учетом провалов напряжения.

Практическая ценность.

Разработанная методика предназначена для количественной оценки надежности электроснабжения узлов нагрузки, содержащих асинхронные двигатели и может применяться при проектных и эксплуатационных расчетах электросетевыми компаниями для обоснования своих решений по критерию надежности.

Отдельные разработанные алгоритмы могут применяться при решении ряда задач, связанных с качеством и надежностью электроснабжения.

Реализация и внедрение результатов работы:

Итогом работы стал модуль расчета показателей надежности сложной системы электроснабжения относительно узла нагрузки с учетом провалов напряжения, входящий в состав информационно-аналитической системы, проверенный на схемах различного размера и сложности и реализующий разработанные алгоритмы.

Материалы данной работы были использованы в педагогической деятельности автора и включены в курс лекций и семинаров по предмету «Надежность ЭЭС».

Апробация работы и публикации

По теме работы опубликовано 8 печатных работ (как по расчету показателей надежности, так и по смежным задачам - расчету установившихся режимов и электромагнитных переходных процессов) и сделан ряд выступлений на семинарах: Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики (Иркутск-2013, Баку-2012, Иваново-2011), ряд менее значимых семинаров. Доклады вошли в соответствующие тематические сборники, которые приведены в списке литературы.

Две статьи изданы в рецензируемых журналах ВАК «Электричество» и «Вестник МЭИ».

Получено два свидетельства о регистрации программ для ЭВМ (РОСПАТЕНТ).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, библиографического списка из 111 наименований, двух приложений. Основной текст диссертации изложен на 153 страницах.

Основные положения, выносимые на защиту

методика расчета показателей надежности системы электроснабжения относительно нагрузки, содержащей асинхронные двигатели, с учетом провалов напряжения.

способ определения событий, при которых возможно нарушение функционирования рассматриваемого двигателя;

способ поиска аварийных режимов, при которых остаточное напряжение на выводах рассматриваемого двигателя ниже критического значения;

способ поиска послеаварийных режимов при которых напряжение на выводах рассматриваемого двигателя ниже минимального пускового значения;

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, выделены направления решения вопросов, отмечена новизна исследования, перечислены основные положения работы, выносимые автором на защиту.

В первой главе "Состояние вопроса исследования..." выполняется анализ существующих методов и подходов к расчету показателей надежности систем электроснабжения и их составляющих.

Надежность системы электроснабжения характеризуется частотой и вероятностью ее отказов. Под отказом понимается нарушение работоспособности системы электроснабжения, которое может выражаться в перерывах питания или снижении напряжения на шинах рассматриваемой нагрузки ниже критического значения. В случае расчета надежности системы электроснабжения относительно конкретного электроприемника, отказом так же будет являться нештатное возмущение в системе электроснабжения, в результате которого возможно нарушение его функционирования.

Надежность электроснабжения определяется рядом разнородных факторов, для учета которых применяются различные методы.

Показатели надежности, учитывающие отказы в результате длительных перерывов питания узла нагрузки, представляют структурную составляющую, поскольку для поиска состояний отказа достаточно применения методов структурного анализа электрической сети.

Отказы в результате изменения напряжения ниже критического значения учитываются в функциональной составляющей показателей надежности. Для их анализа применяются методы моделирования режимов при различных коммутационных состояниях сети.

При учете кратковременных нарушений электроснабжения, соответствующие отказы отражаются в динамической составляющей показателей надежности. Для поиска таких событий применяются методы анализа аварийных режимов.

Каждое из состояний отказа системы электроснабжения, возникает в результате случайных событий, состоящих из отказа одного или нескольких элементов. Состояния с аварийным или преднамеренным отключением двух и более элементов, как правило, не рассматриваются, поскольку вероятность их возникновения мала и их учет практически не влияет на результат расчета.

Методы структурного анализа электрических сетей, в том числе применительно к задаче определения показателей надежности исследовались начиная с начала прошлого века и к настоящему времени хорошо изучены. Анализ надежности систем электроснабжения зачастую заключается в рассмотрении только этой составляющей, и на текущий момент только эта составляющая показателей надежности электроснабжения нормируется.

Наиболее распространенным и принятым в данной работе является метод расчета структурной надежности на основе отыскания сечений графа схемы электроснабжения с учетом преднамеренных ремонтов и переходов отказов на элементы, не отделенные автоматическими коммутационными аппаратами от отказавшего элемента.

Функциональная составляющая показателей надежности определяется послеаварийными режимами в которых происходит отключение электроприемников рассматриваемого узла нагрузки вследствие отключения перегруженных ветвей или изменения напряжения ниже предельно допустимого значения.

При этом, послеаварийные режимы либо задаются экспертом вручную, либо выполняется перебор всех возможных вариантов, В связи с этим, актуальной является задача автоматического поиска послеаварийных состояний, в которых возможно снижение напряжения ниже критического значения.

Динамическая составляющая показателей надежности обусловлена отказами чувствительных к кратковременным нарушениям электроприемников при провалах напряжения.

В литературе рассматриваются методы расчета показателей надежности при известных событиях нарушениях электроснабжения, но метод поиска таких событий отсутствует. Его разработка представляет собой актуальную задачу, решение которой необходимо для автоматизации расчета динамической составляющей надежности.

Во второй главе выполняется теоретическое решение задачи разработки методики расчета надежности системы электроснабжения с учетом провалов напряжения.

При этом, рассматривается влияние провалов напряжения на асинхронные двигатели, поскольку этот тип электроприемников наиболее распространен и

их реакция на провал напряжения не так очевидна, как для электронной техники или нагревательных и осветительных приборов.

Возможность отказа электроприемника при провале напряжения зависит как от параметров провала напряжения, так и от характеристик электроприемника, поэтому при одном и том же провале напряжения для одних электроприемников отказ возможен, для других - нет.

Для учета провалов напряжения в расчете показателей надежности, необходимо определить список всех нештатных ситуаций в электрической сети, приводящих к провалам напряжения в рассматриваемом узле нагрузки, при которых возможно нарушение функционирования электроприемников.

В работе предлагается следующий способ решения этой задачи:

Первым этапом для рассматриваемого электроприемника определяются параметры провала напряжения при которых возможно нарушение его функционирования. Для асинхронного двигателя такими параметрами являются критическое напряжение, критическое время и минимальное пусковое напряжение.

Вторым этапом выполняется поиск всех аварийных режимов при которых остаточное напряжение на выводах двигателя будет меньше критического значения и всех послеаварийных режимов при которых это напряжение будет меньше минимального пускового значения с учетом самозапуска. Эти режимы заносятся в соответствующие списки. Затем выполняется поиск вариантов, когда локализация состояния из списка аварийных режимов приводит к возникновению состояния из списка послеаварийных режимов. Для таких пар режимов на основе значений остаточного и восстанавливающегося напряжений выполняется расчет минимальной длительности провала напряжения, при которой возможен отказ электроприемника. Затем выполняется поиск событий, которые могут привести к возникновению рассматриваемого аварийного режима длительностью более, чем полученное минимальное значение.

Все найденные аварийные события, при которых возможно нарушение функционирования рассматриваемого электроприемника заносятся в специальный список на основе которого третьим этапом выполняется расчет показателей надежности, обусловленных провалами напряжения. Схема описанного алгоритма приведена на рисунке 1.

Важными вспомогательными задачами для данного алгоритма являются поиск аварийных режимов в которых остаточное напряжение на выводах двигателя ниже критического значения и поиск послеаварийных режимов в которых восстанавливающееся напряжение с учетом самозапуска ниже минимального пускового значения. Способы решения данных задач так же были разработаны.

Поиск предельных параметров провалов напряжения

минимальная длительность провала напряжения

минимальная глубина провала напряжения (У,

максимальное значения восстанавливающегося напряжения Ип

'л

V

Поиск событий отказа

определение 1,

7ЛИГ

«

поиск событий ( >

1тт

V

Расчет частоты и вероятности отказа электроприемника

Рисунок 1. Схема алгоритма расчета динамической надежности системы электроснабжения относительно электроприемника.

Для определения точек сети в которых короткое замыкание (КЗ) приводит к снижению напряжения на выводах рассматриваемых электроприемников ниже критического значения используется метод предварительной оценки аварийного режима на основе матриц обобщенных параметров.

Для этого, остаточное напряжение в узле нагрузки определяется по пассивным параметрам схемы:

а)

кк

где 2ц - элемент матрицы Ъ, расположенный на ¿-й строке и в /-м столбце; к -индекс узла, в котором моделируется КЗ.

При этом, все активные элементы задаются ветвями на землю с переходными ЭДС и сопротивлениями, а в качестве базисного выбирается узел земли. Тогда изменение схемы при коротком замыкании приближенно соответствует добавлению ветви с малым сопротивлением между точкой КЗ и землей.

Расчетные эксперименты показали, что формула (1) дает заниженные значения напряжения вследствие неучета форсировки возбуждения синхронных машин и подпитки места КЗ со стороны двигателей, поэтому ее использование позволяет выбрать аварийные режимы с некоторым запасом и исключить возможность неучета режима с низким остаточным напряжением.

По результатам предварительного расчета отбираются узлы, короткое замыкание в которых приводит к снижению напряжения в рассматриваемом узле нагрузки ниже критического значения:

< УКР (2)

Для аварийных режимов с короткими замыканиями в отобранных узлах, выполняется подробный расчет с учетом влияния активных элементов, по результатам которого повторно проверяется условие (2) и уточняется список узлов.

Аналогично определяются списки узлов для несимметричных КЗ. Для этого определяются входные сопротивления схемы замещения относительно рассматриваемого узла нагрузки для обратной и нулевой последовательностей, добавляется сопротивление шунта на землю и заново рассчитываются остаточные напряжения.

Формула (1) в этом случае принимает вид

где Д£(п) - добавочное сопротивление, отражающее изменение входного сопротивления схемы относительно точки приложения несимметричного КЗ по сравнению с трехфазным.

В итоге формируются четыре списка узлов для коротких замыканий различных типов, при которых остаточное напряжение в узле нагрузки ниже критического значения.

Поиск послеаварийных режимов, в которых напряжение ниже минимального пускового значения выполняется на основе матрицы потокораспределения и параметров исходного режима.

Чтобы учесть случаи нарушения функционирования электроприемников при изменении напряжения ниже допустимого значения, необходимо найти все соответствующие послеаварийные режимы сети.

Последовательный расчет режимов при поочередном отключении всех элементов и их сочетаний крайне не эффективен, а в сложной сети практически не реализуем. Целесообразно сформировать предварительный набор режимов, при которых велика вероятность изменения напряжения ниже допустимого значения.

На основе вычислительных экспериментов было установлено, что снижение напряжения в некотором узле сети зависит от значения падения напряжения в отключаемой ветви в исходном режиме и значения протекающего по ней потока мощности к рассматриваемому узлу.

Распределение потоков мощности определяется на основе матрицы потокораспределения С.

С = уМ(г; (4)

г = (мумо-1. (5)

В приведенных формулах Ъ - матрица узловых сопротивлений; у- матрица проводимостей ветвей; М - первая матрица инциденций; г - знак транспонирования матрицы.

Произведение коэффициента потокорапределения и падения напряжения в элементе, выраженного в относительных единицах, позволяет выявить элементы, отключение которых наиболее сильно влияет на режим рассматриваемого узла нагрузки.

Выбор послеаварийных состояний осуществляется путем последовательных расчетов установившихся режимов, начиная с состояний, соответствующих отключению элементов с наибольшим значением произведения параметра потокораспределения и падения напряжения, и продолжая до тех пор, пока отключение элементов не перестанет приводить к снижению напряжения ниже допустимого значения. В первую очередь к таким элементам будут относиться элементы двух и трехэлементных сечений.

Аналогично определяются послеаварийные режимы при отключении двух ветвей. В этом случае в качестве исходного выбирается режим с одним отключенным элементом, а поиск второго выполняется на основе коэффициентов потокораспределения и значений падения напряжения.

Помимо отключения элементов сети, проверяются режимы при отключении коммутационных зон, в которые они входят, и ближайших узлов. Такие режими, как правило более тяжелые, но вероятность их возникновения значительно ниже.

Во всех послеаварийных режимах не должно происходить полного отлючения рассматриваемого узла нагрузки, поскольку тогда отключаемые элементы сети будут образовывать сечение, которое учитывается при анализе структурной составляющей надежности.

Из полученных послеаварийных режимов выбираются те, в которых напряжение с учетом самозапуска двигателей меньше минимального пускового значения. Для этих послеаварийных режимов выполняется поиск предшествующих им аварийных режимов из соответствующих списков.

Для полученных пар аварийных и послеаварийных режимов выполняется расчет критического времени для рассматриваемых двигателей и выполняется поиск событий при которых продолжительность аварийного режима может превысить это значение.

Короткие замыкания, отключаемые основной защитой со временем срабатывания 0,2 - 0,25 с не приводят к отключению двигателей или к значительному торможению. Поэтому для учета кратковременных провалов напряжения, при которых возможен отказ таких двигателей, необходимо найти состояния с более длительными перерывами питания.

Рассматриваются следующие варианты перерыва питания:

- отказ в срабатывании основной защиты и действие резервной с выдержкой времени;

неустойчивое короткое замыкание на питающей линии с успешным АПВ при условии, что во время паузы АПВ, напряжение на выводах электроприемников ниже критического значения;

- отключение основной питающей линии или трансформатора с восстановлением питания действием АВР.

Отказ основной защиты приводит к тому, что отключаются две коммутационные зоны, разделенные отказавшим выключателем. Такие отказы рассматриваются только в исходном нормальном состоянии, поскольку событие короткого замыкания и отказа выключателя представляет собой наложение двух отказов и само по себе обладает малой вероятностью.

Отключение питающей линии на время паузы АПВ может привести к нарушению функционирования электроприемников, как правило, только в том случае, если это единственная линия, по которой осуществляется электроснабжение. Отключение одной из параллельно включенных взаиморезервирующих линий не приводит к значительному снижению напряжения в узле нагрузки. Более того, при включении линии, напряжение восстанавливается до нормального значения.

Перерыв питания на время действия АПВ или АВР может привести к отказу двигателей только в случае наложения кратковременного провала напряжения на уже существующий послеаварийный режим, в котором при запуске двигателей возможно снижение напряжения на их выводах ниже минимального пускового значения.

Если для полученных выше аварийных режимов перечисленные события обеспечивают время отключения больше, чем критическое значение, то такие режимы отбираются для расчета показателей надежности.

После того, как найдены события, при которых может произойти нарушение функционирования рассматриваемых электроприемников, могут быть определены показатели надежности системы электроснабжения, обусловленные провалами напряжения.

Под отказом системы электроснабжения понимается кратковременное или длительное нарушение питания электроприемника, вследствие которого происходит его отключение на некоторое время.

Составляющие показателей надежности от одиночных отказов вычисляются по формулам

А = А|; q = А^

Неработоспособное состояние элемента, учитываемое в структурной и функциональной составляющих показателей надежности, может быть вызвано как отказом самого элемента, так и его вынужденным отключением в результате срабатывания релейной защиты:

5

1=1

+ (7)

1=1

В приведенных формулах индекс 1 обозначает сам рассматриваемый элемент; к- элемент, отказ которого приводит к вынужденному простою; 5 -размер списка с такими элементами; 1 - порядковый номер элемента в списке. При отказе, элемент теряет свою работоспособность на время восстановления 1в> при вынужденном простое - на время оперативных переключений 1п.

Динамическая составляющая показателей надежности, учитывающая отказ электроприемников узла нагрузки за время аварийного режима, определяется для каждого состояния из списка К(п) по формулам:

Л = КотаЯ,; я = (8)

где Котд - относительный коэффициент доли отказов элемента по причине рассматриваемого вида КЗ от всех случаев отказов; 1та - время восстановления технологического процесса.

Помимо одиночных отказов, рассматриваются следующие состояния наложения отказа элемента на утяжеленный режим:

- одновременный отказ двух элементов;

- наложение отказа одного элемента на преднамеренное отключение другого;

- наложение КЗ на отказ или преднамеренное отключение другого элемента.

Вероятность и поток отказов двухэлементного сечения по причине всех учитываемых факторов могут быть определены по формулам:

Х =

41 + Чш + J(qk)i ) ( + X (Л")т j +

k#j / \ n*i /

+ (4j + qnj + ^ (q„)m ) (Л1 + Y(*k)i I; (9)

m=l

m I + knpiqni f qj + £(qn)m ) + \ k*j /V mnJ / \ nil1 /

( V ^

+кпР)Чп] I 4s + > (4k)i Ь (10)

\ й / где q, = A(tB; qnl = Xntnp; qk = Aktn.

Итоговые показатели надежности складываются из вероятностей и потоков отказов нагрузки при отключении одно и двухэлементных сечений, а также нарушении функционирования нагрузки при одиночном КЗ и наложении КЗ на послеаварийный режим.

Вклады в итоговые показатели надежности от различных составляющих могут резко различаться в зависимости от структуры сети, устройств защиты и автоматики, а также рассматриваемых электроприемников. Поэтому нельзя заранее определить какие из составляющих будут определять показатели надежности узла нагрузки, а какими можно пренебречь.

Исходя из влияния отдельных факторов на итоговые значения показателей надежности, могут быть разработаны целесообразные мероприятия по повышению надежности электроснабжения узла нагрузки.

Третья глава посвящена вопросам составления схем замещения и расчета аварийных и послеаварийных режимов применительно к задаче определения надежности электроснабжения с учетом провалов напряжения.

Для решения задачи определения надежности электроснабжения используются несколько схем сети. Для выделения коммутационных зон и поиска дополнительных сечений необходима электрическая схема сети, для поиска основных сечений - ее структурный эквивалент, для расчета режимов -схема замещения, включающая в себя только ветви с сопротивлением.

Исходной информацией в этом случае является электрическая схема сети, а схема замещения составляется в процессе расчета.

Особенностью расчетов режимов при определении надежности является необходимость рассмотрения множества различных состояний схемы, отличающихся друг от друга малым количеством коммутаций. Эта особенность должна быть учтена как при составлении схемы замещения, так и при расчете режимов.

В работе предлагается следующий способ составления схемы замещения:

Ветви формируются из соединенных последовательно элементов с сопротивлением и секционных выключателей. Узлы формируются из элементов с одним электрическим потенциалом, но без перехода через секционный выключатель. Такая схема позволяет отобразить все возможные коммутации в схеме при ее максимальной компактности.

Для применения результатов расчета режимов к электрической схеме и переноса коммутационных изменений из электрической схемы в схему замещения, между различными схемами должны быть обеспечены однозначные переходы.

Для этого каждому узлу ставится в соответствие элемент, вокруг которого образован узел, и зона элементов с одинаковым электрическим потенциалом. Аналогично, каждой ветви ставится в соответствие элемент с сопротивлением и группа последовательно соединенных с ним элементов. При коммутациях основные элементы всегда остаются внутри своих узлов и ветвей, остальные элементы могут переходить к другому узлу или другой ветви. Эти изменения учитываются локальным поиском по графу в зоне коммутации.

Для расчета установившихся режимов предлагается объединить метод Ньютона и метод с использованием обобщенных параметров и пересчетом результатов при коммутационных изменениях в схеме.

Послеаварийные режимы могут быть получены путем коррекции исходного режима, однако учет изменений только в пассивной части схемы не отражает реальное состояние сети.

При переходе системы из нормального состояния в послеаварийное, на регулирующих устройствах, настроенных на поддержание уставки по

напряжению, изменяется величина выдаваемой реактивной мощности, вследствие чего отклонение напряжения частично компенсируется.

С учетом изменения выдаваемой регулирующими устройствами мощности, уравнение послеаварийного режима записывается в виде

и = инр - zíg£)zrJ + г^дь (И)

где и,инр - напряжения в послеаварийном и исходном режимах; йу \ Ът -корректирующие матрицы, учитывающие коммутационные изменения в схеме; грег - матрица собственных и взаимных сопротивлений узлов с регулируемыми устройствами; ], Д1 - исходные задающие токи и добавки в результате действия регулируемых устройств.

Дня определения величин изменения реактивной мощности на регулируемых устройствах удобно воспользоваться методом Ньютона с уравнениями баланса, записанными в полярной форме. При этом, матрица Якоби для регулируемых устройств содержит только блок

д5

Возможность скомпенсировать отклонения режима за счет управляющих воздействий определяется новыми значениями реактивных мощностей на регулируемых устройствах. Если требуемая реактивная мощность меньше предельного значения для некоторого устройства, то для него устанавливается новое значение (} и на шинах поддерживается требуемое значение напряжения. Если требуемая реактивная мощность больше предельного значения, то устройство выдает предельную мощность, при этом напряжение на его шинах изменяется.

Таким образом, отклонение напряжения на выводах рассматриваемых электроприемников в послеаварийных режимах вычисляется на основе коррекции исходного режима с учетом действия автоматических регулирующих устройств.

Для аварийных режимов рассматриваются различные способы моделирования асинхронных двигателей при кратковременных возмущениях: фиксированные значения допустимых глубины и длительности провала напряжения, динамические характеристики и полные дифференциальные уравнения для расчета переходных процессов.

В работе рассматривается питание нагрузки от крупной СЭС, поэтому напряжение на ее шинах в аварийном режиме в основном определяется удаленностью КЗ и мощностью генерирующих и регулирующих устройств с форсировкой выдачи реактивной мощности. В этом случае остаточное напряжение в аварийном режиме может быть получено в результате расчета электромагнитных переходных процессов, а поведение двигателей отражено динамическими характеристиками.

Расчет электромагнитных переходных процессов выполняется классическим способом на основе матриц обобщенных параметров.

В четвертой главе рассмотрены особенности программной реализации разработанных алгоритмов и приведены результаты тестовых расчетов на схемах различного размера.

Программа расчета показателей надежности с учетом провалов напряжения состоит из основных и вспомогательных функциональных блоков, изображенных на рисунке 2. К основным относятся блоки расчета составляющих показателей надежности, учитывающих кратковременные и длительные нарушения электроснабжения; к дополнительным - блоки составления схемы замещения, получения матриц обобщенных параметров; расчета установившихся и переходных режимов; построение динамических характеристик асинхронных двигателей.

Все этапы определения показателей надежности базируются на использовании обобщенных параметров. При этом для определения сечений используются функции блока работы с электрической схемой; блок расчета показателей функциональной составляющей надежности получает списки сечений и использует функции блока «Расчет установившихся режимов» для проверки предварительно отобранных послеаварийных режимов.

Расчет показателей надежности

г Электрическая схема поиск сечений ( обобщенные "

—~йг параметры /7 1 схемы

Расчет установившихся режимов поиск длительных нештатных режимов

Расчет переходных режимов г поиск кратковременных нештатных режимов V.—,.. .................. { 1 характеристики

электроприемников ^..... ^

Рисунок 2. Структурная схема программы.

Аналогично, блок расчёта показателей динамической надежности в качестве исходной информации получает списки послеаварийных режимов, при которых возможно неуспешное восстановление функционирования электроприемников после локализации отказа. В качестве внешней исходной информации задаются условия отказа рассматриваемых электроприемников. Проверка этого условия выполняется по результатам расчета аварийных режимов и построения динамических характеристик электроприемников узла нагрузки.

Дальнейшие вычисления выполняются на основе полученных списков аварийных и послеаварийных режимов внутри блока расчета показателей надежности.

Действие разработанных и реализованных алгоритмов подробно продемонстрировано на тестовых схемах различного размеры. Рассмотрены

варианты подключения к сети асинхронных двигателей различных типов и показано, что составляющая показателей надежности, обусловленная провалами напряжения может изменяться в широком диапазоне.

Рассмотрена схема нефтеперерабатывающего предприятия, изображенная на рисунке 4, подключенная к энергосистеме по линиям 110 кВ, и содержащая группы двигателей трех типов, приведенные в таблице 1.

Таблица 1. Параметры двигателей.

двигатели ^НОМ' кВ р кВт соэф Мтах мл 'п ТЬ с Укр, о.е.

5299, 5402, 5474, 5477 6 2000 0,87 2,3 1,1 6 1,1 0,59

5405, 5410,5413, 5480, 5485, 5488 6 630 0,8 2,4 1,1 5,5 0,87 0,57

5445, 5446, 5448, 5447, 5467, 5394, 5426, 5427 0,4 200 0,92 2,2 1,3 6,5 0,44 0,60

\

5511 ±

Ф

5516

2067

г-Н—

5510,

Л

5502

1=

5503

Ф

5504

5515

—В-

2052 -Ь

\

5517 55*3

5598

т

&

—г

5490

5<!б 554)2 I

*" ~ Щ

б 5401 5404 5430 ез1Э Б<1г

5397 5400 5403 5429 Ш Ш I Б-4^5 541С

5415 5434

Ф

4 5435

.... 5410 5413

(АО'! АО)

5431

5435 А—

5439

4

5442

V? И 5458 5447

? Т У ¥

«3 64 0 5455 54)4

'43 5444 I 54Б| Е450 544З|

».«». 5452 54^8 54<7 54

5ЭЯ 5445 - - , очог лч ™

$ <ЙИ } (¡¡3) <$) $

I I 5475 547« 5473 I I I I \ 1 1 ГТ1 м 5401 5484 5497 6490 5499

Т^ШФ^П *

^ ▼ • ■ '432 5483 54Н 54 9

54

9 54

54^4

Г 5432 5483 54К

¿1 I I

54«0 5485 5439

5495 5497

5460

4

5464

¥

5461

5394 5412

* (¿9 <45И *

Рисунок 3. Схема промышленного предприятия.

Результаты расчета показателей надежности для рассматриваемых групп двигателей приведены в таблице 2. Показатели структурной составляющей

5419 5423

54Й 5425

¥

6420

5424

5427 5^1 <& *

надежности для всех двигателей имеют близкие значения, поэтому в таблице приведено одно среднее значение. Показатели динамической составляющей надежности резко различаются в зависимости от того, относительно какой группы двигателей выполнялся расчет.

Если двигатель при провале напряжения отключается от сети без выдержки или с малой выдержкой времени, интенсивность отказов и вероятность неработоспособного состояния максимальны и на несколько порядков превышают соответствующие показатели для длительных нарушений электроснабжения, поскольку отказ двигателя происходит за время срабатывания основной защиты.

Таблица 2. Показатели надежности тестовой схемы.

Л • 10"3 д■10~6

структурная составляющая 6,28 14

динамическая составляющая

для низковольтных двигателей без возможности самозапуска 1104 130

для низковольтных двигателей с допустимым самозапуском 21 2,4

для высоковольтных двигателей Рном = 630 кВ 9 1,03

для высоковольтных двигателей Рном = 2000 кВ 2 0,23

Если двигатель не отлючается от сети и его самозапуск допустим, то вероятность отказа зависит от инерционности двигателей и типа приводимого агрегата. Как правило, более мощные двигатели более инерционны, и их отказы происходят при более тяжелых ситуациях. Как показали расчетные эксперименты, неуспешный самозапуск двигателей возможен при совмещении нескольких случайных неблагоприятных событий. Такими ситуациями могут быть наложение КЗ в одном элементе сети на преднамеренное или аварийное отключение другого элемента сети или при отказе основной защиты и срабатывании резурвной с большей выдержкой времени.

Из приведенных результатов видно, что надежность функционирования электроприемников определяется установившимися состояниями, в которых возможно полное или частичное снижение напряжения, а так же кратковременными переходными режимами. При этом частота кратковременных провалов напряжения, которые приводят к нарушению технологического процесса может быть как того же порядка, что и частота длительных отказов, так и многократно превышать ее.

Вклад различных составляющих в итоговые показатели надежности может быть различным и зависит от ряда факторов, таких как структура сети, электрическая удаленность и мощность источников питания, надежность и быстродействие срабатывания противоаварийной автоматики, параметры двигателей и приводимых ими агрегатов.

Предлагаемая методика расчета позволяет последовательно выделить состояния сети, определяющие надежность электроснабжения и рассчитать составляющие показателей надежности, характеризующие как длительные, так и кратковременные нарушения электроснабжения, приводящие к отключению двигательной нагрузки, что необходимо для анализа текущего состояния сети и выбора мероприятий по обеспечению требуемого уровня надежности электроснабжения.

Заключение

В данной работе была решена проблема компьютерного расчета показателей надежности сложной системы электроснабжения относительно узлов, содержащих электродвигательную нагрузку с учетом провалов напряжения.

По итогам работы можно сделать следующее заключение.

1. В настоящий момент надежность систем электроснабжения определяется в основном с учетом только структурной составляющей. Если учитываются аварийные и послеаварийные режимы, то они задаются вручную на основе экспертного опыта и методических указаний. В данной работе предлагается методика расчета показателей надежности с учетом провалов напряжения, при этом, события, приводящие к провалам напряжения, к результате которых возможно нарушение функционирования рассматриваемых электроприемников, определяются автоматически.

2. Разработан способ, позволяющий найти события, которые приводят к нарушению функционирования рассматриваемого электроприемника при провалах напряжения. В его основе лежат методы анализа матриц обобщенных параметров электроэнергетических систем. Способ может применяться при решении ряда задач, связанных с качеством и надежностью электроснабжения

3. В качестве вспомогательных алгоритмов были разработаны способы определения аварийных и послеаварийных состояний при которых напряжение в рассматриваемом узле ниже заданного значения.

4. Расчеты режимов при определении показателей надежности имеют свою специфику, которая учтена в данной работе. Известные методы составления схем замещения и расчета режимов адаптированы для использования их для решении задачи определения показателей надежности,

5. Все алгоритмы были реализованы с использованием языка С++ и приемов объектно-ориентированного анализа и проектирования. При этом были применены современные достижения в смежных областях, таких как программирование и информационные технологии. Реализованные алгоритмы были протестированы на схеме небольшого размера, где можно было наглядно оценить результаты, и на схеме реальной энергосистемы. Анализ полученных результатов показал их достоверность и адекватность применяемых алгоритмов.

Основные результаты диссертационной работы отражены в

следующих публикациях

1. Ванин A.C. Определение расчетных состояний системы электроснабжения для анализа показателей надежности. // Электричество, №3 -2014.

2. Ванин A.C. Применение декомпозиции в задачах расчета режимов электрических сетей. // Вестник МЭИ, №2 - 2014.

3. Ванин A.C., Кулябин Ю.В., Фокин Ю.А. Метод расчета надежности ЭЭС относительно электродвигательной нагрузки // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: XVIII междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов: Тез. докл. в 3-х т. Т. 3 М. Изд. МЭИ, 2012

4. Фокин Ю.А., Осипов Я.Н., Ванин A.C. Метод расчета аварийного режима большой электрической системы при локальных возмущениях // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 62. Проблемы надежности существующих и перспективных систем энергетики и методы их решения. Иваново: ИГЭУ, 2012, с 511-516.

5. Фокин Ю.А., Ванин A.C., Кулябин Ю.В. Метод анализа электромагнитной составляющей надежности системы электроснабжения // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 62. Проблемы надежности существующих и перспективных систем энергетики и методы их решения. Иваново: ИГЭУ, 2012, с 517 - 522.

6. Фокин Ю.А., Ванин A.C., Осипов Я.Н., Кулябин Ю.В. Цифровая модель аварийных режимов ЭЭС для повышения надежности // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 63. Проблемы надежности систем энергетики в рыночных условиях. Баку: АзНИиПИИЭ, 2013.C 285 - 292.

7. Ванин A.C., Фокин Ю.А. Декомпозиционный подход к расчету показателей надежности систем электроснабжения // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики: Вып. 64. Надежность систем энергетики: достижения, проблемы, перспективы. ИСЭМ СО РАН, 2014. с. 417-426.

Подписано в печать Заказ № тир ¡00 Печ.л.

Полиграфический центр НИУ «МЭИ» Красноказарменная ул., д. 13.