автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Разработка методов исследования режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией

На правах рукописи

Фам Чунг Шон

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМНОЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические

системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

21 МОЯ 2013

Иркутск 2013

005539062

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Иркутский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ИрГТУ»)

Научный руководитель - член-корреспондент РАН, доктор технических наук,

профессор Воропай Николай Иванович

Официальные оппоненты Крюков Андрей Васильевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения», профессор Лебедева Людмила Михайловна кандидат технических наук, доцент, ФГБУН Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук, старший научный сотрудник

Ведущая организация - ФГБУН «Институт социально-экономических и энергетических проблем Севера» УрО РАН, г. Сыктывкар

Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 13.00 на заседании диссертационного совета Д 003.017.01, созданном при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к.355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130, каб. 407

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан ^дГ ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д003.017.01, доктор технических наук, профессор

А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы: Эффективность использования электроэнергии является одним из важнейших факторов обеспечения научно-технического прогресса в народном хозяйстве. Сложность, значительные средства, расходуемые на создание и эксплуатацию электроэнергетических систем, а также предъявляемые потребителями энергии высокие требования к качеству электроснабжения обусловили необходимость оптимизации решений, реализуемых на разных уровнях территориально-временной иерархии управления.

Расширение хозяйственной самостоятельности предприятий и их объединений обусловило необходимость создания эффективных систем технико-экономической поддержки решений по обеспечению надежного функционирования, формируемых на низших уровнях управления отраслью, к которым относятся системы электроснабжения (СЭС) различного назначения и другие энергопредприятия. Важной проблемой при этом является исследование и обеспечение режимной надежности систем электроснабжения, существенный вклад в решение которой внесли Руденко Ю.Н., Воропай Н.И., Ушаков И.А., Розанов М.Н., Синчу-гов Ф.И., Гук Ю.Б., Манов H.A., Китушин В.Г., Фокин В.А., Ковалев Г.Ф., Ко-роткевич М.А., Непомнящий В.А., Папков Б.В., Старжинский A.JL, Endreniy J., Billinton R., Allan R.N., Alvehag K., Soder L., Mao Y., Miu K. N.. Heyde C.O., Styczynski Z. A., Rudion K., Muller U., Strunz К, Celli G., Ghiani E., Goel L., и многие другие.

В настоящее время для удовлетворения роста потребления электроэнергии, а также обеспечения качества и надежности электроснабжения, большинство стран подключают распределенную генерацию (РГ) к СЭС как источник энергии местного значения. Подключение распределенных источников генерации к электрической сети позволяет создавать решения, отвечающие требованиям конкретных потребителей.

Появление распределенной генерации в распределительной электрической сети придает ей новые свойства, но и создает новые проблемы, в том числе режимной надежности. Будучи одной из важнейших, СЭС с РГ характеризуется значительным количеством эксплуатируемого оборудования и находится под воздействием множества возмущающих факторов внешнего и внутреннего происхождения, существенно влияющих на эффективность управленческих решений. В этих условиях необходимо своевременное реагирование на текущие изменения параметров СЭС с РГ, обусловленные в процессе эксплуатации ненадежностью энергооборудования и другими возмущающими факторами. Требуется более гибкое использование и своевременная корректировка регламентирующих условий, составляющих содержание системы схемно-режимных мероприятий в условиях использования современных устройств защиты и управления, придающих свойства «активности» распределительным электрическим сетям.

Обоснованный выбор решений по обеспечению режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией в этих условиях возможен на основе концепции риска, как на этапе подготовки соответствующих решений, так и в ходе их реализации. Сложившиеся подходы не позволяет эффективно реализовать технико-экономический анализ управленческих и плановых решений в

указанной постановке применительно к сложньм СЭС с РГ и их подсистемам. Поэтому разработка методов, моделей, алгоритмов, а также соответствующего программного и информационного обеспечения, рассчитанного на реализацию технико-экономического анализа режимной надежности вариантов функционирования СЭС с РГ при обосновании решений по управлению ими, представляется важным и актуальным.

Цель и основные задачи исследований. Основной целью исследований, выполненных в диссертации, является разработка и развитие методов исследования режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией при моделировании каскадных отказов с использованием концепции риска и применении современных систем защиты и управления. В соответствии с этой целью в диссертации рассматриваются следующие задачи:

1) Разработка методики исследования режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией при моделировании каскадных отказов с использованием концепции риска и учетом реконфигурации электрической сети в послеаварийных режимах.

2) Разработка и исследование особенностей модели режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией и обоснование учета влияющих факторов.

3) Анализ и учет процесса отказов защиты или/и выключателей с соответствующими вероятностями и каскадного развития отказов при учете схемно-режимных мероприятий по реконфигурации сети в послеаварийных состояниях.

4) Разработка и обоснование показателей режимной надежности с учетом требований к электроснабжению потребителей.

5) Исследование и обоснование мероприятий по обеспечению режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией.

6) Исследование разработанных методов и алгоритмов на схеме системы электроснабжения района провинции Куанг Нам Вьетнама и мероприятий по повышению режимной надежности.

Методы исследований. При выполнении исследований, результаты которых обобщены в диссертации, использовались методы системного анализа, исследования операций, моделирование процессов развития отказов в системах электроснабжения с распределенной генерацией, методы расчета режимов систем электроснабжения (итерационный метод Ньютона-Рафсона), информационные технологии, теория вероятностей, основы концепции риска.

Объект исследования. Система электроснабжения с распределенной генерацией.

Предмет исследования. Отказы элементов систем электроснабжения и средств управления.

Научная новизна. Разработана методика оценки и обеспечения режимной надежности СЭС с распределенной генерацией при каскадном развитии отказов на основе концепции риска. Разработана модель оценки режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией с учетом каскадного развития отказов. Предлагается модификация оценки риска при исследовании режимной надежности. Выполнено исследование и разработан метод обоснования

мероприятий по обеспечению режимной надежности СЭС с распределенной генерацией.

Научные результаты. В диссертации получены и выносятся на защиту следующие научные результаты:

• Методика анализа режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией при моделировании каскадного развития отказов с использованием концепции риска и применением современных средств управления для реконфигурации сети в послеаварийных режимах.

• Модель режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией и результаты исследования особенностей модели с учетом каскадного развития отказов и реконфигурации сети в послеаварийных режимах.

• Новый показатель режимной надежности на основе концепции риска с учетом требований к электроснабжению потребителей.

• Метод обоснования мероприятий по обеспечению режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией в многокритериальных условиях на основе выделения множества Парето.

• Результаты исследований режимной надежности и обоснования мероприятий по ее повышению для системы электроснабжения района провинции Куанг Нам Вьетнама.

Разработанный метод оценки режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией развивает существовавшие до настоящего времени подходы. Численные исследования, проведенные для достаточно сложной схемы системы электроснабжения, включающей установки распределенной генерации, показали эффективность разработанного метода, позволяющего путем оценки риска различных состояний системы рекомендовать наиболее предпочтительные мероприятия по повышению режимной надежности систем электроснабжения.

Все перечисленные результаты диссертационной работы, представляющие научную новизну, получены впервые.

Теоретическая значимость исследования. Определяется получением нового оригинального подхода к анализу режимной надежности современных систем электроснабжения.

Практическая значимость исследования.

• Основные результаты исследований использованы при выполнении гранта по Постановлению Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 220 о привлечении ведущих ученых в российские организации высшего образования.

• Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедр Электроснабжения и электротехники ИрГТУ и Электрификации горных предприятий Ханойского горно-геологического университета Вьетнама при проведении лекций, выполнении курсового и дипломного проектирования.

• Ожидаемые результаты внедрения разработок возможны в виде исследований режимной надежности систем электроснабжения по заказам компаний.

Апробация работы. Основные положения диссертации и отдельные ее части докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции "Повышение эффективности производства и использование энергии в ус-

5

ловиях Сибири", Иркутск, 2012 г., 2013 г.; Всероссийской научно-практической конференции "Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов", Томск, 2012 г., 2013 г.; Международной научно-практической конференции «Технические науки - основа современной инновационной системы», Йошкар-Ола, 2012 г.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы», Йошкар-Ола, 2012 г.; Международном научном семинаре им. Ю.Н.Руденко «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики», Иркутск, 2013 г.; The Power System of the Future - Baikal II Conference, Irkutsk, 19®- 20th September, 2013.

Личный вклад автора. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

• Разработана методика исследования режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией и современными системами защиты и управления с оценкой надежности на основе концепции риска при каскадном развитии отказов.

• Сформирована и обоснована модель режимной надежности СЭС с РГ с учетом возможности ее реконфигурации, режимных факторов и работы защит.

• Разработан новый показатель режимной надежности с учетом требований к электроснабжению потребителей на основе концепции риска.

• Разработан программно-вычислительный комплекс оценки режимной надежности СЭС с РГ на основе концепции риска с использованием алгоритма, позволяющего определить показатели надежности.

• Выполнено обоснование мероприятий по повышению режимной надежности в многокритериальных условиях с выделением множества Парето для сопоставления мероприятий.

• Проведены исследования режимной надежности и обоснования мероприятий по ее повышению для схемы электроснабжения района провинции Куанг Нам Вьетнама.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, в том числе четыре работы в рекомендуемых изданиях из списка ВАК, одно свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, 2 приложений, списка научных трудов, списка литературы общим объёмом 193 страниц. Работа представлена на 138 страницах машинописного текста, включает 36 рисунков, 15 таблиц. Библиографический список включает 181 наименование.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении обоснована актуальность проблемы обеспечения режимной надежности СЭС с распределенной генерацией, на основании чего сформулированы цель и задачи исследований. Определено основное содержание данной диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу условий и методов анализа режимной надежности систем электроснабжения, включающих распределенную генерацию, и постановке задач диссертации.

Приведен обзор современного состояния использования распределенной генерации. Так, энергетический кризис семидесятых годов XX века привел к тому, что в западных странах перестала наблюдаться тенденция к максимальной централизации электроснабжения. С этого периода начала интенсивно развиваться распределенная генерация. Источники распределенной генерации базируются на энергетических установках, использующих процессы сжигания топлив (мини газотурбинные и парогазовые установки, на биомассе и др.), а также возобновляемые природные ресурсы (мини-ГЭС, ветроустановки и др.). При работе в системе распределенная генерация подключается на низких напряжениях (6-10-15-22-35 кВ) в распределительной сети.

Анализируются основные преимущества и недостатки, а также технические характеристики и проблемы, возникающие при интеграции установок распределенной генерации в сеть, проблемы, которые могут повлиять на надежность и качество поставок электроэнергии.

Наиболее распространенным критерием режимной надежности является критерий № 1, в соответствии с которым выполняется оценка последствий отказа любого одного силового элемента СЭС - генератора, линии, трансформатора. Реже используется критерий N-2. При этом вероятность отказа силового элемента может учитываться либо не учитываться.

Одной из ключевых составляющих оценки режимной надежности СЭС является расчет потокораспределения для оценки последствий отказа элемента системы. В общем случае используется полное описание электрического режима СЭС системой нелинейных алгебраических уравнений балансов активных и реактивных мощностей в узлах, которая обычно решается методами Ньютоновского типа. Во многих случаях вводятся допущения в полную модель потокораспределения, например, учетом в матрице Якоб и лишь членов, отражающих взаимосвязи переменных Р-б и <2-1!. При этом задача решается разделенным методом Ньютона. Расчет потокораспределения выполняется с целью контроля допустимости уровней напряжений в узлах и токов в связях. В случае недопустимости этих параметров режима моделируется действие соответствующих защит, отключающих перегруженную линию или фидер нагрузки при недопустимом уровне напряжения.

В более общих случаях должно моделироваться каскадное развитие отказов с учетом условных вероятностей последовательно происходящих событий. При учете только структурных характеристик СЭС метод расчета вероятностей различных состояний схемы при каскадном развитии аварий известен из литературы. Моделирование условных вероятностей каскадного развития первичного отказа при контроле допустимости параметров режима и действии соответствующих защит с заданной вероятностью рассмотрено в литературе для случаев пассивной распределительной сети при отсутствии распределенной генерации. Учет распределенной генерации является при этом важной недостаточно исследованной задачей.

При моделировании каскадного развития первичных отказов в результате действия защит от недопустимого уровня напряжений в узлах вместе с питающими фидерами отключается нагрузка. В первую очередь целесообразно отключать

неответственных потребителей, для чего должны быть предусмотрены схемные решения для питания различных по требованиям к надежности электроприемников, чтобы при наличии распределенной генерации сохранялось электроснабжение ответственных потребителей.

Наличие источников распределенной генерации в СЭС, а также современных многофункциональных коммутационных аппаратов (реклоузеров) и автоматики, обеспечивающей их работу, позволяет реализовать различные мероприятия для повышения режимной надежности электроснабжения потребителей. Основным из таких мероприятий является реконфигурация распределительной электрической сети в послеаварийных режимах. Для выбора рациональных мест размещения реклоузеров с точки зрения минимума активных потерь в сети и надежности электроснабжения потребителей использовались различные методы, в том числе генетические алгоритмы, метод колонии муравьев, метод Монте-Карло в сочетании с генетическим алгоритмом и др. Вероятностные характеристики действия автоматики, обеспечивающей работу современных многофункциональных коммутационных аппаратов применительно к различным конфигурациям схем (кольцевые, радиальные) исследованы недостаточно.

Распространенным показателем режимной надежности СЭС является риск, определяемый как сумма произведений вероятностей последовательности событий на величину последствий в результате полученного состояния обычно в виде дефицита мощности или недоотпуска электроэнергии. При этом оценивается также риск реализации различных мероприятий по повышению режимной надежности СЭС.

Приведенный анализ выполненных исследований показывает, что имеются представительные результаты, демонстрирующие эффективность решения тех или иных отдельных аспектов оценки режимной надежности СЭС и обоснования мероприятий по ее повышению. С учетом этого целесообразно развитие методических принципов, математических моделей и методов с целю комплексного решения проблемы для современных СЭС с учетом специфики конкретных конфигураций распределительных электрических сетей.

В соответствии с этой целью должны быть решены следующие задачи:

* Учет первичных отказов основных элементов (линий, трансформаторов) с соответствующими вероятностями по правилу ЛЧ.

* Учет отказов защиты шш\и выключателей с соответствующими вероятностями и последующей работой защит и автоматики следующего уровня.

* Учет перегрузки элементов по току и недопустимых уровней напряжений в узлах с действием соответствующих защит на отключение элементов.

* Учет установок распределенной генерации и реконфигурации сети при отказах сетевых элементов или защит и выключателей.

* Оценка последствий в виде дефицитов мощности в узлах потребителей, ущербов с соответствующими вероятностями и показателей риска.

* Оценка опасности дефицитов мощности в узлах потребителей, ущербов с учетом электроприемников различных категорий по надежности.

* Выбор мероприятий для снижения опасности дефицитов мощности в узлах потребителей, ущербов с учетом электроприемников различных категорий по надежности.

Во второй главе автором выполнены исследования и разработаны методический подход к анализу режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией и учетом каскадного развития отказов.

Блок-схема разработанного метода расчета режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией показана на рис. 1. Здесь К -число элементов в СЭС, к, т - текущий номер элемента, на котором происходит отказ. Первичный отказ и последующие события рассматриваются с их вероятностями для заданного режима СЭС в заданный момент времени. Модель режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией, соответствующая блок-схеме приведенной на рис. 1, состоит в следующем.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией В качестве отказывающих элементов в соответствии с правилом надежности N-1 рассматриваются все элементы схемы: линии, трансформаторы, источни-

ки распределенной генерации. Причинами отказов сетевых элементов могут быть короткие замыкания (к.з.) либо ложные срабатывания защит, в результате чего элемент отключается. При необходимости отключения элемента в результате к.з. может происходить отказ защиты с последующим действием защит и автоматики следующего уровня и отключением близлежащих элементов. При действии этих защит вероятность их отказа может не учитываться вследствие незначительного влияния этих условных вероятностей на результаты оценки режимной надежности СЭС. Отказ источника распределенной генерации моделируется его отключением с заданной вероятностью.

С учетом наличия в системе электроснабжения источников распределенной генерации финальное состояние системы формируется путем реконфигурации сети и выделения изолированных подсистем, включающих узлы потребителей в окрестности установок распределенной генерации («островов»),

В результате отмеченных событий имеем состояние СЭС, для которого рассчитывается установившийся режим методом Ньютона-Рафсона и проверяется допустимость полученного режима по токам в связях и напряжениям в узлах. Если имеются перегруженные по току связи, осуществляется их отключение максимальной токовой защитой. Если в узле подключения фидера нагрузки имеет место недопустимое снижение уровня напряжения, фидер отключается соответствующей защитой. Если при этом происходит отказ защиты и связь или фидер не отключается, моделируется, как и в предыдущем случае, действие защит следующего уровня с отключением близлежащих элементов.

Если режим допустим, выполняется оценка дефицита мощности в схеме и его вероятности, на основе чего рассчитывается величина риска рассматриваемого состояния системы. При этом вероятности состояний системы в результате сложных отказов определяются по известной формуле:

а(А)=£ГМ1Л; а)

и I ]*>

где />,(£>,) - вероятность дефицита мощности величиной В1 в рассматриваемом состоянии системы электроснабжения; д, - вероятность отказа элемента или защиты; pJ - вероятность безотказной работы элемента или защиты; г, у - номера элементов СЭС.

В качестве показателя для оценки режимной надежности СЭС целесообразно принять показатель риска. Принятый подход к определению риска в СЭС при оценке режимной надежности представляется в данном случае формулой:

(2)

ы\

Однако формула риска (2) не учитывает разную тяжесть последствий дефицита мощности для различных категорий электроприемников потребителей. Принимая во внимание то, что режимная надежность оценивается для момента времени, в котором возможно возникновение внезапного дефицита мощности, тяжесть последствий может быть определена удельным ущербом от внезапности

дефицита мощности увн. Современные оценки увн могут быть приняты для различных типов электроприемников потребителей из литературы. С учетом этого модифицированная формула для определения риска при оценке режимной надежности СЭС будет выглядеть в виде:

О)

<=1 ы

где п — число узлов схемы СЭС.

Соотнося оценки риска с конкретными элементами схемы, можно определить слабые места в схеме с точки зрения режимной надежности, на основании чего возможно рекомендовать мероприятия по ее повышению. Такие возможности показаны ниже для исследуемой схемы системы электроснабжения.

В работе исследован метод выбора предпочтительных мероприятий по повышению режимной надежности системы электроснабжения на основе выделения множества Парето.

В третьей главе дан краткий обзор современного состояния электроэнергетической системы (ЭЭС) провинции Куанг Нам Вьетнама.

Подробно рассмотрены результаты исследования разработанных методов и алгоритмов на схеме СЭС района провинции Куанг Нам Вьетнама.

Расчетная схема исследуемой системы электроснабжения приведена на рис. 2. Схема электроснабжения системы имеет напряжение 15 кВ, один основной источник питания от ЭЭС через подстанцию 35/15 кВ, семь районов, в шести из которых имеются установки распределенной генерации - мини- ГЭС и дизель малой мощности. Основной источник питания, установки распределенной генерации и районы между собой подключены посредством выключателей. Внутри каждого из семи районов фидеры для питания нагрузок подключены через предохранители. Схема включает 236 узлов и 235 связей, нагрузки в узлах подключаются через трансформаторы 15/0,4 кВ небольшой мощности для обеспечения электропитания предприятий легкой промышленности и сельского хозяйства.

Суммарная нагрузка потребителей схемы для режима годового максимума составляет 13,662 МВт, суммарная мощность источников распределенной генерации равна 7,175 МВт, остальная недостающая мощность для покрытия нагрузки поступает от ЭЭС.

Характеристики состояний отказов с учетом их развития в качестве примера приведены на рис. 3 для связей 1 и 7. Из рисунка хорошо видно соотношение между дефицитом мощности и вероятностью возникновения отказа: высокий дефицит - низкая вероятность, низкий дефицит - высокая вероятность. Таким образом, если отказ происходит на линии из-за короткого замыкания (или по другой причине) и защита работает безотказно, то вероятность отказа в расчете является высокой, а дефицит мощности - низким. С другой стороны, с учетом действия дополнительной защиты (с отключением крупного района), вероятность повреждения комбинации большего набора оборудования будет уменьшаться, но дефицит мощности будет увеличиваться.

69 68 67 . 65 63

( ГЭС ДАИ ДОНГ -^»0,5 МВт 9

к

Л

'о'з5 МВтФ Ф0,

\ V'

РАЙОН 2

12. 13 14 15'

РАЙОН 1

29

. 30

,625 МВт ГЭС ЗУЙ шон

X

о <

164 163

171

170 169 168

162 165

161

159 -157

150 149

152 156

-о—

158

167

—I I— Выключатель —В— Предохранитель 1 Номер связи

47 _

Дизель-генератор ТАМ КЙ 0,7 МВт_______

^ГТГГ

25,26^27 28"^97|97°|5§Н11'2

\ 2 [104 р07:

.2- ИЗ

Л31 132 133

со чо

СЯ 1*1 Л". т

32

\ РАЙОН 5

1135 140 [136 |137

33

141 _

142

143 144" 145

ГЭС ФУ НИНЫ -1,25 МВт /

1121 1120 2

/' I ■

,211 , 210 , 209,208

о. О Н П + ^ Оч О О О О С

37 38 391 40 41 421 1

/

/ / у'

194 193

0 н

191

49

173

^ 1|76 £ } 1

181 179Ш182,

¡20з|г

115 2

116

117___.

212' 207

РАЙОН 7

188 „187

186

213

1232 Т: 1 231 |

230 229,

219 218

12 217

|ЯП 221 224

214 235

225

ГЭС ШОНГ КУНГ 2*0,8 МВт

ФО

222 [223

234 233 228 227

~226

Рис. 2. Реальная схема локальной системы электроснабжения с установками распределенной генерации

Состояния отказов на связи 1 1

19 18 1? Й 16 Э 15 н 14 Ё» 1» 3 п ! и Ё 9 а 8 ^ I *: —Г я щ НИ ¡РЙ и 1 1

1 и 14 а ■т

1 !! Щ ! У ■ !]р| Тм

# 1 Щ И» 1

I 11 1 ;.?Д ;.

1—=Аь Щ ! !! I :щ !. я'

^ 1 « ! I ! [.!ЗЯ II

-Ц яг ^ 4-1 1 « Я"

4 ^ Ц Г <1 * * л!

" 1:1 В " я Г Ми

# Г 1м ¡1г

1 91 Шн-Щ

101 !

1 1. Ц на Ш

ч I я 1

зд 1п ш ¡щ

.. .1 ¡1 ■ 1 тр—г

£8№М 1»0Е-18 1.00Е-16 1.08Е-14 1.00Е-12 1.0М-И ЩМ| 1,ООЕ-в6 Вероятность состояния отказа

Рис 3. Характеристика состояний каскадных откатов на связях 1, 7.

Диаграммы показателей риска показаны на рис.4 и 5 для случаев без учета отказов защиты и с их учетом. Здесь представлены диаграммы показателей риска только для первого района, который имеет наибольшие последствия по режимной надежности. Результаты анализа этих диаграмм дают следующее.

Рис. 4. Диаграмма показателей риска дефицита мощности для первого района.

1.8 1.6

|

£

©

§ 1.2

е ■л

х

а

I 0.6

0.2 0

1 3 5 7 9 XI 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49

Связь

Рис 5. Диаграмма показателей риска экономического ущерба для первого района.

1. При наличии распределенной генерации уменьшаются риски дефицита мощности и экономического ущерба при отказе каждого элемента.

2. Учет отказов защиты увеличивает риски дефицита мощности и экономического ущерба.

3. Учет ущерба от внезапности дефицита при оценке риска видоизменяет соотношение оценок рисков для разных элементов схемы.

Из диаграмм характеристик риска можно выявить опасные районы и связи по режимной надежности. Опасным районом является район с главной линией снабжения от системы, включающий связи с 1 до 49, самой опасной связью с точки зрения риска является связь номер 20, наименее опасным районом является район со связями с 70 до 94, это район с нагрузками 3-ей категории (бытовая нагрузка) малой мощности. Остальные районы с учетом распределенной генерации имеют относительно низкий риск, но остаются опасными связи 130, 173.

Анализ данных по параметрам схемы показывает, что причинами высокого риска оказываются достаточно большая длина этих связей по сравнению с другими существенно более короткими связями, либо большой дефицит мощности, либо большой экономической ущерб.

Таким образом, на эти элементы следует прежде всего обратить внимание при рассмотрении возможных мероприятий по повышению режимной надежности системы электроснабжения.

Мероприятия по повышению режимной надежности. На самом деле есть много решений, которые могут улучшить надежность электроснабжения и включают в себя мероприятия по повышению эффективности использования обо-

рудования и оперативные управленческие решения. В работе анализируются три реалистичных варианта мероприятий, в том числе:

Вариант 1\ Секционирование сети с помощью выключателей путем добавления выключателей в связи 20, 29, 129, 162, 186, 213, 214 и предохранителей в связи 115, 152, схема после реконструкции показана на рис. 6,

Вариант 2: Усиление связей магистрали 1, 3, 4, 10-15, 18, 20, 22-29, 32-34, 44, 46, 49,130, 173 путем строительства вторых цепей.

Вариант 3: Комбинация из двух вариантов мероприятий: добавление выключателей в связи 20, 29, 129, 162, 186, 213, 214 и предохранителей в связи 115, 152; усиление связей магистрали 1, 3, 4, 10-15, 18, 173 путем строительства вторых цепей, принципиально схема после реконструкции похожа на рис. 6.

Характеристика состояний отказов с учетом их развития после реконструкции. Для удобства сравнения оценок характеристики состояний отказов для каждой связи исходной сети и предлагаемых вариантов улучшения расположены на одном рис. 7.

Приведем анализ эффективности вариантов мероприятий с точки зрения снижения вероятности отказов или уменьшения отключения электроэнергии потребителям.

Вариант 1: По сравнению с первичной схемой после реконструкции величины дефицита мощности для каждой связи уменьшились для отдельных состояний отказов. Этот результат связан с секционированием сети путем формирования сегментов с разделением по районам, так что, когда возникает отказ, район отказа изолируется в локальной области. Таким образом снижается не только дефицит мощности для первого события отказа, но и дефицит мощности для следующих ситуаций (каскадных отказов). Вероятность отказа для каждой ситуации сильно варьируется, но величина вероятности отказов не сильно изменилась.

Вариант 2: Использование второй цепи по связям с высоким риском снизило вероятность риска каждой ситуации отказа в десятки раз, но дефицит мощности для каждой ситуации отказа не меняется.

Вариант 3: Это сочетание первых двух вариантов позволило преодолеть недостатки первых двух решений, а именно: снизились к минимуму вероятности возникновения отказов и снизился объем отключения электроэнергии потребителям.

Таким образом, с точки зрения режимной надежности удовлетворены технические требования, при этом вариант 3 является наилучшим решением.

Диаграммы показателей риска после реконструкции схемы. Для сравнения диаграммы показателей риска исходной сети и предлагаемых вариантов улучшения расположены на одном рисунке (см. рис. 8 и 9).

__________. Дизель-генератор

0 <»■ 68 ■ 67 ,_65 ТАМКЙ0,7МВт.

—ЕЭ— Предохранитель 1 Номер связи

Рис 6. Реальная схема системы электроснабжения с установками распределенной генерации после реконструкции

анту 1.

по вари-

¿9 18 17 Й 16 а 15

в "

е « 8 12 В и I »

1.00Е-18 1.00Е 16 1-00Е14 1.00Е-12 1.00Е-10 1.00Е-08 1.00Р-0'о

Вероятность состояния отказа

Вариант 2

1.00Е-20 1.00Е-13 1.00Е-16 1.0ОЕ-14 1.00Е-12 ИЮЕ-М 1.06Е-08

Вероятность состояния отката

1-0&Е-06

1.ооЕ-т

20

н

Й 17

Я 16

В 15

о 14

а 13

в 14

Н 10

3 9

*

3

1.00Е-2»

1.00Е-24 1.01)1120 1Я0Е-16 1.00Е-12

Вероятность состояния отката

Н 17 Й16

. 15

1« 2 и 1 ю

В о

1.0СЕ-24 1.00Е-20 1.00Е-1Й. 1.00Е-12 1.00Е-08 Вероятность состояния отказа

Рис 7. Характеристика состояний отказов на связи 1 при развитии каскадных отказов защиты для 3 вариантов.

Исходная схема

§1,4" 2

1

П.Бсмтказпая защита ■ Отказы мщик

11 I I |, I

_ .Ь || I. I I ._______—I

Вариант 2

£

о

'Л гз

— 0.6

I-й

0.2

С> Безотказная мщита ■Отказы ДЩ1ГТЫ

0 Ь-Лса-Л-С—пи «Л-

• 1л |. ■ - I lil . i l

ЛПшяи.,«,,

I '

X

I 6.8 I

£•: О.Л; В

5

Й 0,4-

Вариант 1

С Безотказная защита

I 1 1 >1

1. 11 1 . ■ 1 г1г!^ Л .Н|- .„ . 1 (1

13'579 П 1'3 17 19 21 23. 25. 2? 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 44 Связь Вариант 3

о Безоткатаая защита ■ Отказы лящвты

Ли-,1,____1,

.пЛ,— lll.ll._ll

Лл.

Рис 9. Диаграммы показателей риска экономического ущерба первого района.

В общем случае выбор наилучшего решения может быть выполнен с помощью выделения множества недоминируемых альтернатив (вариантов мероприятий) из всего множества рассматриваемых альтернатив в пространстве критериев (множества Парето).

Вычисления по разработанному методу выше выполнены для режима максимума рабочей нагрузки в реальной схеме. Целесообразно рассматривать некоторое представительное множество режимов. Обычно нагрузки отличаются для разных потребителей в различные часы суток, сезоны года, в рабочие и выходные дни и т.д. Во Вьетнаме характерные суточные графики нагрузки разделены на отдельные сезонные - летние и зимние. В соответствии с этим выбор рационального решения для повышения надежности энергоснабжения требуется выполнить на множестве характерных режимов в течение года.

Суточные графики нагрузки двух типичных потребителей узлов нагрузки в каждом сезоне представлены на рис 10. Эти два типичных графика соответствуют различным узлам реальной схемы и формируют все множество графиков всех узлов.

Выполним оценки мероприятий по повышению режимной надежности на множестве характерных режимов, полученных на основании анализа двух видов характерных графиков нагрузки потребителей (рис. 10), соответствующих всем узлам расчетной схемы в зависимости от характера нагрузки (см. табл. 1). На рис.10 характерные периоды летных и зимних суток отмечены на оси времени.

Таблица 1. Результаты оценки мероприятий на множестве режимов.

№ Вари аита Сезон Режим нагрузки Ежегодные приведенные затраты систем электроснабжения 3, рублей. Суммарные показатели риска с учетом экономического ущерба

1 Лето Максимум 978 401 0,172

Минимум с 0 до 1 часа 978 401 0,049

С 11 до 12 часов 978 401 0,057

С 14 до 15 часов 978 401 0,167

Зима Максимум 978 401 0,152

Минимум с 1 до 2 часов 978 401 0,039

2 Лето Максимум 3 795 283,8 0,153

Минимум с 0 до 1 часа 3 795 283,8 0,058

С 11 до 12 часов 3 795 283,8 0,068

С 14 до 15 часов 3 795 283,8 0,149

Зима Максимум 3 795 283,8 0,135

Минимум с 1 до 2 часов 3 795 283,8 0,047

3 Лето Максимум 2 311 560,5 0,115

Минимум с 0 до 1 часа 2 311 560.5 0,038

С 11 до 12 часов 2 311 560,5 0,044

С 14 до 15 часов 2 311 560,5 0,111

Зима Максимум 2 311 560,5 0,101

Минимум с 1 до 2 часов 2 311 560,5 0,030

Суточный типичный график нагрузки типа №1 (промышленности) в летнем сезоне

J

JT

ш

LfU

- р. кВт -о.кВЛр

£14—'—'—'—'—'—'—'—Г I Г"\ ' i"1 '—'—'—i

И. ,f 23456TB 3 JÖ П. 12 « Ц .15 16 17 18 1Я Bpciuti

Суточный типичный график нагрузки типа №2 (сельского хозяйства) в летнем сезоне

Суточный типичный график нагрузки типа №1 (промышленности) в зимнем сезоне

Суточный типичный график нагрузки типа №2 (сельского хозяйства) в зимнем сезоне

i 6 7 0 i'p i\ l'i 13 iV J! « 1Г II 19 20 21 22 22 24

Рис 10. Суточные графики нагрузки двух типичных потребителей в каждом сезоне.

На основе результатов вычислений ежегодных приведенных затрат систем электроснабжения (3) и суммарных показателей риска с учетом экономического ущерба (Яр) на множестве характерных режимов можно построить диаграмму, чтобы определить множество решений по Парето.

13, рублей

6000000

5000000

4000000

3000000

2000000

1000000

'V 4 V в

I*

**, б

г

-МП—

■ху1р

0.05

0.1 0.15 0.2 0.25

Рис 11. Диаграмма множества Парето на множестве характерных режимов. Индекс р соответствует характерным режимам, гр - относительная продолжительность характерного режима в долях года.

Из рис. 11 видно, что некоторые группы оценок являются доминируемыми, т.е. заведомо худшими по сравнению с недоминируемыми, попадающими в множество Парето. Оценки групп "а" и "в" соответствуют второму варианту мероприятий; они наиболее дорогие и имеют достаточно высокие значения рисков. Есть основания вариант 2 мероприятий не рассматривать в дальнейшем.

Для варианта 3 мероприятий имеется группа "б" с высокими рисками. Эта группа оценок соответствует в основном максимальным летним и зимним нагрузкам. Оценки с минимальными рисками, попадающие в множество Парето, соответствуют для этого варианта минимальным нагрузкам зимы и лета.

Для варианта 1 мероприятий имеется группа оценок "г" с высокими рисками, которые соответствуют в основном максимальным зимним и летним нагрузкам. Такие высокие риски можно считать неприемлемыми, хотя они и попадают в множество Парето.

Принимая во внимание то, что схема системы электроснабжения должна безусловно соответствовать наихудшим условиям, т.е. максимальным нагрузкам, а также учитывая приведенные выше рассуждения по группам оценок "а" -

"г", можно с достаточной уверенностью считать вариант 3 мероприятий по повышению режимной надежности наиболее приемлемым по обоим критериям.

Заключение

Основная направленность исследования данной работы связана с режимной надежностью систем электроснабжения с распределенной генерацией и методами решения задач исследования и обеспечения надежности. Достижение главной цели потребовало комплексного решения ряда вопросов.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

+ Разработана методика вероятностного анализа режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией при каскадном развитии отказов с оценкой режимной надежности на основе концепции риска при учете реконфигурации сети в послеаварийных режимах.

+ Разработан и исследован алгоритм определения допустимых послеаварийных состояний «островов» после аварии с использованием итерационного метода Ньютона-Рафсона.

+ Разработана вероятностная модель и исследованы ее особенности для оценки режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией при учете каскадного развития отказов.

+ Обоснована модификация показателя режимной надежности с учетом требований к электроснабжению потребителей путем оценки риска.

+ Выполнено обоснование мероприятий по повышению режимной надежности в многокритериальных условиях с выделением множества Парето для сопоставления мероприятий.

+ Выполнены исследования на основе разработанного подхода на схеме СЭС района в провинции Куанг Нам Вьетнама, рассмотрены три группы мероприятий по повышению режимной надежности для СЭС района в провинции Куанг Нам. Для каждого сценария расчета обеспечено выполнение технических требований.

Разработанный метод оценки режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией развивает существовавшие до настоящего времени подходы. Численные исследования, проведенные для достаточно сложной схемы системы электроснабжения, включающей установки распределенной генерации, показали эффективность разработанного метода, позволяющего путем оценки риска различных состояний системы рекомендовать наиболее предпочтительные мероприятия по повышению режимной надежности.

Разработанные в диссертационной работе методика и алгоритмы могут быть использованы на предпроектных и проектных стадиях, в проектных и научно-исследовательских организациях (Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН), а также использованы в учебном процессе при проведении лекций, выполнении курсового и дипломного проектирования. Ожидаемые результаты внедрения разработок возможны в виде исследований режимной надежности систем электроснабжения по заказам компаний.

Развитие исследований по рассматриваемой проблеме целесообразно в направлениях учета динамики поведения установок распределенной генерации при каскадном развитии отказов, а также формализации методов обоснования мероприятий по обеспечению режимной надежности СЭС в многокритериальных условиях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

- в изданиях, рекомендованных ВАК

1.Фам Чунг Шон, Воропай Н.И. Оценка режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией на основе концепции риска//Вестник ИрГТУ,-2012.-№ 12(71).-С.217-224.

2. Фам Чунг Шон, Воропай Н.И. Исследование режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией и учетом каскадных аварий // Электричество. - 2013. - № 12 (в печати).

3. Воропай Н.И., Стычински З.А., Шушпанов И.Н., Фам Чунг Шон, Суслов К.В. Модель режимной надежности "активных" распределенных электрических сетей //Известия РАН. Энергетика. - 2013. -№ 6. -С.1-10.

4. Фам Чунг Шон. Исследования и оценка эффективности повышения качества электроэнергии при интеграции распределенных генераций с системами электроснабжения на нескольких новых показателях // Вестник ИрГТУ. -2013. -№ 7 (78). -С.149-153.

- свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

1. Фам Чунг Шон, Воропай Н.И. Программа «Расчет режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией». № 2012615826, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 26 июня 2012г.

- в других изданиях

1. Фам Чунг Шон, Воропай Н.И. Метод оценки режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири - Иркутск, 2012.-С. 451-456.

2. Фам Чунг Шон. Анализ методов оценки надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири.- Иркутск, 2012. -С. 456462.

3. Фам Чунг Шон, Воропай Н.И. Оценка режимной надежности системы электроснабжения с учетом отказов устройств защиты // Сборник трудов V Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов». - Томск, 2012. -С. 254259.

4. Фам Чунг Шон. Проблемы интеграции распределенной генерации в распределительную электрическую сеть // Сборник трудов V Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов». - Томск, 2012. -С. 248-254.

5. Фам Чунг Шон, Н. И. Воропай. Вероятностная оценка надежности системы электроснабжения при интеграции распределенной генерации// Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Технические науки - основа современной инновационной системы». - Йошкар-Ола, 2012, Часть 2. -С.17-21.

6. Фам Чунг Шон. Распределенная генерация и методы оценки надежности// Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Технические науки - основа современной инновационной системы». - Йошкар-Ола, 2012, Часть 2. -С.15-17.

7. Фам Чунг Шон. Интеллектуальная энергосистема с распределенной генерацией как возможность для повышения надежности системы электроснабжения// Сборник материалов I Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы». - Йошкар-Ола, 2012, Часть 1. -С.70-74.

8. Фам Чунг Шон. Исследование режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири - Иркутск, 2013, Том 2. -С.263-267.

9. Фам Чунг Шон. Вероятностные оценки надежности при каскадных отключениях для систем электроснабжения с распределенной генерацией// Сборник трудов VI Всероссийской научно-практической конференции «Научная инициатива иностранных студентов и аспирантов российских вузов».-Томск, 2013. Том 1.-С.417-422.

10. Voropai N.I., Styczynski Z.A., Shushpanov I.N., Pham Trung Son, Suslov K.V. Security modeling and estimation of active distribution electric networks// The Power Grid of the Future: Proceedings No. 3 in the scope of the Russian Federation Decree No. 220 "Measures to Attract Leading Scientists to Russian Educational Institutions" (Grant NO. №11. G34.31.0044.). -Magdeburg, 2013. -C.l-8.

Отпечатано в ИСЭМ СО РАН 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130 Заказ 198, тираж 100 экз.