Способ автоматической частотной разгрузки энергорайона в условиях отклонения показателей качества электроэнергии
METHOD FOR AUTOMATIC FREQUENCY UNLOADING OF THE POWER DISTRICT IN CONDITIONS OF DEVIATION OF POWER QUALITY INDICATORS

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматической частотной разгрузки энергорайона при возникновении аварийного дефицита мощности.
Для предотвращения развития аварии при возникновении в энергосистеме аварийного дефицита мощности в качестве противоаварийной автоматики используется автоматическая частотная разгрузка (АЧР). Она обеспечивает ликвидацию возникшего в энергосистеме небаланса мощности путем отключения части потребителей.
В островном (автономном) режиме работы энергорайонов с объектами распределенной генерации (РГ) наблюдаются значительные отклонения показателей качества электроэнергии в условиях кратковременных колебаний параметров режима в широком динамическом диапазоне. Это обусловлено нелинейной и изменяющейся нагрузкой, применением электротехнического оборудования с элементами силовой электроники, а также стохастической выработкой электроэнергии генерирующими установками (ГУ) на базе возобновляемых источников энергии [например, Илюшин П.В. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией: монография / П.В. Илюшин, А.Л. Куликов. – Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2019. – 364 с].
Под островным режимом понимается такой режим работы энергорайона с одним или несколькими объектами РГ, включая возобновляемые источники энергии, и соответствующей нагрузкой, который допустим по всем условиям электроснабжения, а также электропотребления, и возникает в результате отключения линии(-й) связи с энергосистемой в результате короткого замыкания (КЗ) или без него. Отключение связи с энергосистемой может осуществляться непреднамеренно или превентивно автоматически (по параметрам электрического режима), а также вручную оперативным персоналом для обеспечения надежного функционирования ГУ объекта(-ов) РГ и/или электроснабжения электроприемников потребителей.
В выделяемых на островной режим работы энергорайонах, в соответствии с требованиями нормативно-технической документации, для предотвращения недопустимого снижения частоты должны быть установлены устройства АЧР.
Известны способы АЧР, в которых для повышения эффективности АЧР и обеспечения ускорения процесса восстановления частоты после ее стабилизации изменяют время ввода ступеней АЧР2 в зависимости от скорости изменения частоты [например, Авт. свид. СССР N 1201954, кл. H02J 3/24, 1985 г., Авт. свид. СССР N 1302377, кл. H02J 3/24, 1985 г., Авт. свид. СССР N 1385185, кл. H02J 3/24, 1989 г.].
Реализация указанных способов в энергорайонах приводит к излишнему отключению нагрузки, поскольку способы не учитывают состав и особенности ГУ в энергорайонах, а также возможное отклонение показателей качества электроэнергии от нормируемых значений в ходе развития аварийного процесса.
f
t
m
'0
1
1
Известен способ автоматической частотной разгрузки энергосистемы [Патент РФ № 2153751 МПК H02J 3/24, H02J 3/46, Опубл. 27.07.2000 Бюл. № 21], заключающийся в измерении в аварийном процессе частоты напряжения и скорости изменения частоты, в формировании по достижении заданных уставок из заранее выбранных групп-очередей потребителей ступеней на отключение потребителей без выдержки времени (АЧР1) и в формировании сигнала на отключение потребителей с выдержкой времени (АЧР2). Согласно способа в начальный момент аварийного процесса начинают отсчет времени и фиксируют скорость снижения частоты , фиксируют момент времени  при уменьшении скорости снижения частоты на заданную величину "а", формируют первую ступень АЧР1 из числа  очередей по соотношению
1
F
m = Ins(),
F
F
где Ins() – ближайшее целое число к числу ,
F
N
K
f
b
0
0
= (⋅n⋅Δ)/,
f
f′
t
f′
f′
0
0
1
0
0
где  Δ = / ln[/( – a)],
N
b
K
t
t
f'
t
f'
m
0
2
3
1
4
1
2
– количество очередей, на которые распределен весь объем АЧР1;  – доля нагрузки энергосистемы, подведенной под АЧР1; n – расчетное значение регулирующего коэффициента нагрузки на частоте; и дают сигнал на ее ввод, после реализации первой ступени АЧР1 через интервал времени  фиксируют момент времени  и скорость снижения частоты , фиксируют момент времени  при уменьшении скорости снижения частоты  на заданную величину "а", формируют вторую ступень АЧР1 из числа  очередей по соотношению
m
m
2
1
= IftR - ,
где IftR – ближайшее целое число к числу R,
m
m
b
N
f
f
1
1
1
0
R = /[1-(1- ⋅/)⋅Δ/ Δ],
f
f
1
1
3
t
/τ
где Δ = ′⋅τ⋅e,
блокируют ввод всех очередей АЧР2 при подаче сигнала на ввод второй ступени АЧР1, ускоряют действие по одной очереди АЧР2 при неположительном значении скорости изменения частоты.
Недостатком способа автоматической частотной разгрузки является излишнее отключению нагрузки, поскольку при формировании объемов отключаемой нагрузки способ не учитывает состав и особенности ГУ в энергорайоне, а также возможное отклонение показателей качества электроэнергии в ходе развития аварийного процесса.
Наиболее близким техническим решением является способ автоматической частотной разгрузки энергорайона [Патент РФ № 2690667 МПК H02J 3/24, Опубл. 05.06.2019 Бюл. № 16], согласно которому измеряют частоту напряжения и скорость изменения частоты, формируют по достижении заданных уставок из заранее выбранных групп-очередей потребителей ступени на отключение нагрузки без выдержки времени (АЧР1). Согласно способа проводят предварительное имитационное моделирование функционирования энергорайона для возможных схемно-режимных ситуаций в нормальных и аварийных режимах и определяют варианты реализации АЧР1 в виде групп-очередей потребителей ступеней на отключение нагрузки, уставки АЧР1 в зависимости от режима функционирования энергорайона, необходимость ввода второй очереди АЧР1 в зависимости от предаварийного дефицита активной мощности, а также изменение объемов отключения нагрузки потребителей в зависимости от глубины снижения напряжения в узлах энергорайона, заносят данные имитационного моделирования в блок хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона, производят измерение токов в ветвях и напряжений в узлах энергорайона, фиксируют положение коммутационных аппаратов электроустановок энергорайона и определяют режим функционирования энергорайона, оценивают дефицит активной мощности, напряжение и скорость изменения напряжения в узлах энергорайона и по значениям дефицита активной мощности, частоте, скорости изменения частоты, напряжению, скорости изменения напряжения из блока хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона выбирают соответствующий вариант реализации АЧР1, определяют необходимость ввода второй очереди АЧР1, а также изменения объемов отключения нагрузки потребителей в зависимости от глубины снижения напряжения в узлах энергорайона, а по выбранному варианту реализации АЧР1, объемам второй очереди АЧР1 и объемам отключения нагрузки потребителей при снижении напряжения определяют объемы отключаемой нагрузки потребителей в узлах энергорайона, выдают команды на отключение объемов нагрузки в узлах энергорайона через терминалы противоаварийной автоматики, установленные в узлах энергорайона.
Недостатком способа автоматической частотной разгрузки является излишнее отключение нагрузки, поскольку при формировании объемов отключаемой нагрузки способ не учитывается возможное отклонение показателей качества электроэнергии от нормируемых значений в ходе развития аварийного процесса.
Для энергорайонов с объектами РГ реализация АЧР имеет ряд важных особенностей в условиях отклонения показателей качества электроэнергии.
Известно [например, Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Я.Д. Ширман, Ю.И. Лосев, Н.Н. Минервин и др. Под ред. Я.Д. Ширмана – М.: ЗАО «МАКВИС», 1998, стр. 544], что потенциальная точность оценивания частоты гармонического сигнала определяется выражением
σ
q
τ
f
2
2
2
(1/) = ⋅, (1)
σ
q
τ
f
2
где  – дисперсия оценки частоты;  – отношение сигнал/шум (сигнал/помеха);  – эффективная длительность гармонического сигнала.
q
Т
j
В условиях отклонения показателей качества электроэнергии существенно уменьшается параметр  (выражение (1)), поэтому резко возрастают (по квадратичной зависимости) ошибки измерения частоты. С другой стороны известно, что в энергорайонах с объектами РГ постоянные инерции  ГУ составляют малые значения (единицы секунд), по сравнению с постоянными инерции ГУ крупных электростанций (десятки секунд) [Илюшин П.В. Автоматика управления нормальными и аварийными режимами энергорайонов с распределенной генерацией: монография / П.В. Илюшин, А.Л. Куликов. – Н. Новгород: НИУ РАНХиГС, 2019. – 364 с]. Таким образом, при реализации АЧР необходимо обеспечить точную оценку частоты энергорайона в короткие интервалы времени в условиях воздействия случайных искажающих факторов.
Т
j
Дополнительно отметим, что малые постоянные инерции  ГУ объектов РГ не позволяют реализовать АЧР2, поскольку уставочные значения АЧР2, как правило, составляют 10-60 секунд. Даже при минимальных параметрах срабатывания 10-15 с [Павлов Г.М. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. Второе издание. – РАО «ЕЭС России» Центр подготовки кадров энергетики СЗФ АО «ГВЦ Энергетики», 2002 г., стр. 20] АЧР2 в энергорайонах с объектами РГ никогда не будет задействоваться.
Т
j
Применение в АЧР в качестве информационного параметра – скорости снижения частоты, имеет ряд недостатков. В реальной энергосистеме в переходных режимах происходит качание роторов генераторов друг относительно друга. Это обусловлено многими причинами и, в частности, зоной нечувствительности автоматических регуляторов частоты вращения. В островном режиме работы энергорайона с объектами РГ такое явление проявляется наиболее явно в связи с малыми постоянными инерции  и, следовательно, ещё больше может сказаться на неправильных действиях устройств противоаварийной автоматики. При отклонениях показателей качества электроэнергии от нормируемых значений существенно возрастают ошибки измерения скорости изменения частоты в энергорайоне [Павлов Г.М. «Автоматическая частотная разгрузка энергосистем». Второе издание. – РАО «ЕЭС России» Центр подготовки кадров энергетики СЗФ АО «ГВЦ Энергетики», 2002 г., стр. 36-40], поэтому использование ее в качестве информационного признака срабатывания АЧР нецелесообразно. По этой же причине нецелесообразно использование в качестве информационного признака АЧР скорости изменения напряжения.
Само напряжение в аварийном режиме имеет тенденцию к резкому снижению, а при дополнительных искажениях, вызванных отклонениями показателей качества электроэнергии, оценки амплитуды основной гармоники будут иметь большие ошибки. Таким образом в условиях искажения гармонического сигнала оценки напряжения не могут выступать в качестве достоверного признака при реализации АЧР.
Следует обратить внимание на то, что в условиях отклонения показателей качества электроэнергии от нормируемых значений ставится под сомнение (нецелесообразно) введение дополнительной очереди АЧР1, предполагаемое в способе-прототипе. Поскольку измерения частоты энергорайона обладают большими погрешностями, то принятие решения в таких условиях на дополнительное отключение электроустановок потребителей может быть неоправданным и привести к значительным ущербам, а для промышленных потребителей – к технологическим нарушениям производственных процессов.
Таким образом, при реализации способа АЧР в энергорайоне в условиях отклонения показателей качества электроэнергии необходима разработка процедуры принятия решения об отключении нагрузки, основанной только на изменениях частоты (при значительных ошибках) в достаточно короткие интервалы времени, при наличии случайных искажающих факторов.
Для этого в предлагаемом способе АЧР энергорайона используется процедура последовательного анализа Вальда [например, Вальд А. Последовательный анализ / А. Вальд. – М.: Физматгиз, 1960. – 328 с.] с изменяемыми уставками (параметрами срабатывания). Применение процедуры последовательного анализа Вальда с изменяемыми уставками поясним на примере.
Пусть энергорайон с объектами РГ функционирует в островном режиме в условиях снижения частоты и переходных процессов, а из-за несинусоидальности напряжений возникают большие ошибки оценки частоты. Погрешности в измерении частоты могут привести к неправильному действию устройств АЧР и последующему излишнему отключению потребителей.
x
x
k
k
При реализации задач последовательного принятия решений, включающих различение, например, двух режимов электроэнергетических систем (нормальный или аварийный), имеющих случайный характер, используется соответствующий вектор наблюдения. Формирование вектора наблюдений  осуществляется на основе измерений токов и напряжений, а также оценки параметров режима, доступных на -ом шаге принятия решения с последующим использованием отношения вероятностей (отношения правдоподобия) для каждого из режимов [Вальд А. Последовательный анализ / А. Вальд. – М.: Физматгиз, 1960. – 328 с.]. На -ом шаге вычисляется отношение правдоподобия для вектора наблюдения
х
x
р
х
H
р
х
H
р
х
H
р
х
H
k
i
1
1
k
1
1
0
k
0
η() = η() = [(|) …(|)]/[(|) … (|)] (1)
a
b
и сравнивается с уставочными значениями  и .
Распознавание режима осуществляется по отношению правдоподобия с принятием следующих гипотез:
H
x
a
1
i
, если η()> ;
H
x
b
0
i
<
, если η();
H
b
x
a
н
i
<
, если η() < .
H
H
H
0
1
н
Здесь:  – гипотеза о соответствии нормальному режиму электроэнергетической системы,  – гипотеза о соответствии аварийному режиму,  – предполагает проведение последующих шагов итерационной процедуры.
a
b
α
β
α
H
β
H
a
b
0
1
Для задания уставочных значений  и  при проведении последовательного анализа определяются ошибки первого  и второго  рода. Здесь  – вероятность ошибочного выбора гипотезы , а  – вероятность ошибочного выбора гипотезы .Уставочные значения  и  для выбора гипотез вычисляются следующим образом
а
β
α
b
β
α
.
= (1 – ) / ; = / (1 – ) (2)
Процесс последовательного анализа продолжается до тех пор, пока не будет пересечения одного из уставочных значений.
k
a
b
α
β
В общем случае число шагов () при последовательном анализе устройством АЧР является величиной, зависящей от задаваемых уставочных значений  и  (ошибок первого  и второго  рода). С целью сокращения времени принятия решения последовательным анализом в ряде работ вводится процедура усечения. Она предполагает принудительное завершение процесса при достижении числа шагов заданного значения [например, Ширяев А.Н. Статистический последовательный анализ. Оптимальные правила остановки. – М. Наука, 1976. – 272 с.].
Следует отметить, что усечение является неэффективной процедурой для АЧР. В аварийной ситуации с ростом числа измерений частоты и приближении к моменту усечения последовательного анализа, отношение правдоподобия становится большим. Таким образом, в течение оставшихся нескольких измерений частоты маловероятно принятие решения в пользу нормального режима функционирования энергорайона. Значит по мере приближения последовательного анализа к завершению все больше возникает необходимость принятия решения на основе уже выполненных измерений частоты. При этом целесообразно вместо усечения использовать изменяемые во времени уставки в последовательном распознавании режима энергорайона.
a
b
a
k
b
k
Таким образом, в отличии от классической процедуры Вальда с постоянными уставками  и , адаптивный выбор параметров срабатывания АЧР предполагает их изменение и зависимость (), () по мере возрастания времени.
При практической реализации АЧР целесообразно проводить предварительное имитационное моделирование с целью определения:
- максимального числа шагов процедуры последовательного анализа, необходимого для окончательного принятия решения по распознаванию текущего режима энергорайона;
a
k
b
k
- максимальных отклонений частоты от среднего значения (дисперсии измерения частоты) во всех возможных режимах энергорайона для формирования наиболее рациональных зависимостей () и () изменения уставочных значений АЧР в процессе последовательного анализа.
a
k
b
k
k
a
k
b
k
Принципы задания адаптивных уставочных значений АЧР иллюстрирует фиг. 1. Зависимости () и () являются монотонно невозрастающей и неубывающей функциями параметра . Как и в классической процедуре распознавание реализуется дискретно до тех пор, пока отношение правдоподобия находится между () и ()
b
k
x
a
k
k
i
() < η() < ()    = 1, 2,… (3)
a
k
b
k
Исходя из выражения (3), обычный последовательный анализ Вальда можно рассматривать как частный случай модифицированного при условии, что () и () являются постоянными величинами.
х
х
х
Н
Н
α
β
a
k
b
k
1
2
k
1
0
Важно отметить, что предложенный авторами подход к выбору изменяемых уставочных значений последовательного анализа рассчитан на произвольные, в том числе изменяемые от шага к шагу, законы распределения измеряемых величин, и основывается на результатах имитационного моделирования. Применительно к АЧР такой подход обладает большими возможностями по адаптации уставок в условиях нарушений синусоидальности токов и напряжений (отклонения показателей качества электроэнергии), связанных с аварийным переходным процессом энергорайона. Поскольку распределение частоты энергорайона , , …,  при гипотезах  и  можно получить заблаговременно, а величины ошибок  и  так же задаются предварительно, то значения изменяемых уставок () и () могут быть определены заранее и храниться в памяти устройства АЧР. При этом процедура последовательного анализа включает автоматическое распознавание режима энергорайона с выбором изменяемых уставок из памяти устройства АЧР.
х
х
х
х
х
х
1
2
3
4
5
6
Рассмотрим упрощенный пример применения метода последовательного анализа с изменяемыми уставочными значениями при реализации АЧР. Предположим, что на вход устройства АЧР поступает выборка частоты, содержащая следующие значения:  = 49,1 Гц; = 49 Гц; = 48,8 Гц; = 49 Гц; = 48,9 Гц; = 48,8 Гц. Дополнительно по результатам имитационного моделирования получено:
- максимальное число шагов процедуры последовательного анализа, необходимое для окончательного принятия решения по распознаванию текущего режима энергорайона, равно шести;
m
m
σ
σ
σ
f
1
f
2
1
2
- распределения ошибок измерения частоты для нормального и аварийного режимов соответствуют нормальному закону с математическими ожиданиями = 50 Гц и = 48,5 Гц соответственно, среднеквадратичное отклонение при измерениях частоты одинаково для обоих режимов и составляет  =  =  = 0,5 Гц.
Н
Н
Н
0
1
2
В процессе наблюдений на каждом шаге устройством АЧР выбирается одна из трёх гипотез:  – частота энергорайона соответствует нормальному режиму; – частота энергорайона соответствует аварийному режиму; – режим энергорайона не идентифицирован, требуется проведение дополнительных шагов процедуры последовательного анализа.
Зависимости распределения ошибок измерения частоты энергорайона в нормальном и аварийном режимах представлены на фиг. 2.
α
β
α =
β =
a
b
При реализации АЧР предварительно задаются ошибки первого  и второго  рода при принятии решения. Для примера зададим 0,01, 0,1 и вычислим уставочные значения  и (выражение (2))
а
b
= (1 - 0,1)/0,01 = 90;   = 0,1/(1 - 0,01) = 0,101.
Предположим, что по результатам имитационного моделирования выявлено, что возможно изменение уставочных значений АЧР от шага к шагу последовательного анализа и определены границы изменений, не приводящие к принятию ошибочных решений. Таким образом, с каждым шагом процедуры последовательного анализа целесообразно обеспечить «сужение» уставок, и, как следствие, уменьшить время принятия решения устройством АЧР (фиг. 3). Выбор изменений уставочных границ зависит только от результатов имитационного моделирования режимов энергорайона, а их функциональная зависимость от шага к шагу может носить произвольный (в том числе не асимметричный для верхнего и нижнего уставочного значения) характер.
Расчет отношений правдоподобия при заданных законах распределения (фиг. 2) и принятых выборочных значениях частоты соответствуют таблице 1.
Таблица 1. Величины, характеризующие реализацию шагов последовательного анализа.
Номер шага последовательного анализа
Измеренное значение частоты энергорайона (Гц)
Отношение правдоподобия для измеренного значения частоты
Отношение правдоподобия на текущем шаге последовательного анализа
1
49,1
η(49,1) = 1,568
<img file="00000003.jpg" he="5" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />η(<i>x</i><sub>1</sub>) = 1,568
2
49
η(49) = 2,117
<img file="00000004.jpg" he="5" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />η(<i>x</i><sub>2</sub>) = 1,568⋅2,117 = 3,32
3
48,8
η(48,8) = 3,857
<img file="00000005.jpg" he="5" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />η(<i>x</i><sub>3</sub>) = 3,32⋅3,857 = 12,807
4
49
η(49) = 2,117
<img file="00000006.jpg" he="5" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />η(<i>x</i><sub>4</sub>) =12,807⋅2,117 = 27,113
5
48,9
η(48,9) = 2,858
<img file="00000007.jpg" he="5" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />η(<i>x</i><sub>5</sub>) = 27,113⋅2,858 = 77,478
6
48,8
η(48,8) = 3,857
<img file="00000008.jpg" he="5" wi="13" img-content="undefined" img-format="jpg" />η(<i>x</i><sub>6</sub>) = 77,478⋅3,857 = 298,867
Фиг. 3 иллюстрирует процесс реализации последовательного анализа в устройстве АЧР с изменяемыми уставочными значениями. Анализ фиг. 3 показывает, что предлагаемый вариант организации процедуры принятия решения с изменяемыми уставочными значениями при распознавании режима энергорайона требует не шесть, а пять шагов и, соответственно, обладает на 20% большим быстродействием.
a
k
b
k
Таким образом, вариант последовательного анализа (фиг. 3) при реализации АЧР и изменяемыми уставками () и () на основе имитационного моделирования обладает наибольшей степенью адаптации и имеет существенное преимущество в виде уменьшения количества шагов по сравнению с классическим анализом Вальда.
a
k
b
k
Следует отметить, что для реализации АЧР по предложенному варианту требуются лишь данные имитационного моделирования, выраженные в статистических распределениях частоты для нормальных и аварийных режимов, изменяемые уставочные значения () и (), а также текущие последовательные измерения частоты.
a
k
b
k
В практике управления режимами энергорайонов с объектами РГ целесообразно введение нескольких очередей АЧР с заданными уставочными значениями по частоте. Причём, каждой очереди соответствует своё нормальное распределение с математическим ожиданием равным уставке очереди по частоте и дисперсией, рассчитанной по результатам имитационного моделирования. Для нормального режима так же характерно гауссово распределение значений частоты с математическим ожиданием 50 Гц. Предполагается, что устройство распознавания режимов имеет многоканальную структуру, соответствующую очередям АЧР. В каждом из каналов реализуется независимая процедура принятия решения по методу Вальда с изменяемыми () и (). Таким образом, при поступлении каждого измеренного значения частоты на вход многоканальной схемы устройства АЧР запускается несколько параллельных вычислений, причём каждый новый отсчёт уточняет предыдущее значение.
a
k
b
k
Некоторая задержка в принятии решения согласно процедуре Вальда практически не влияет на быстродействие устройства АЧР при высокой частоте дискретизации сигналов токов и напряжений и в общем случае определяется заданными значениями () и (). Например, при частотах дискретизации, соответствующих стандарту МЭК 61850, эта задержка, как правило, не превышает 1 мс.
Задача изобретения – обеспечение функционирования быстродействующего способа автоматической частотной разгрузки энергорайона и уменьшение объемов отключаемой нагрузки при существенных отклонениях показателей качества электроэнергии от нормируемых значений.
Поставленная задача достигается способом автоматической частотной разгрузки энергорайона в условиях отклонения показателей качества электроэнергии, согласно которому измеряют частоту напряжения и скорость изменения частоты, формируют по достижении заданных уставок из заранее выбранных групп-очередей потребителей ступени на отключение нагрузки без выдержки времени, проводят предварительное имитационное моделирование функционирования энергорайона для возможных схемно-режимных ситуаций в нормальных и аварийных режимах и определяют варианты реализации АЧР в виде групп-очередей потребителей ступеней на отключение нагрузки, а также уставки АЧР в зависимости от режима функционирования энергорайона, заносят данные имитационного моделирования в блок хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона, производят измерение токов в ветвях и напряжений в узлах энергорайона, фиксируют положение коммутационных аппаратов электроустановок энергорайона и определяют режим функционирования энергорайона, оценивают дефицит активной мощности, напряжение и скорость изменения напряжения в узлах энергорайона и по значениям дефицита активной мощности, частоте, скорости изменения частоты, напряжению, скорости изменения напряжения из блока хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона выбирают соответствующий вариант реализации АЧР, выдают команды на отключение объемов нагрузки в узлах энергорайона через терминалы противоаварийной автоматики, установленные в узлах энергорайона. Согласно предложения при определении аварийных режимов энергорайона учитывают информацию, поступающую от приборов контроля качества электроэнергии, по данным имитационного моделирования определяют существенные отклонения показателей качества электроэнергии в аварийных режимах по ошибкам измерения частоты, по влиянию отклонений показателей качества электроэнергии на функционирование электроустановок потребителей, а также варианты реализации АЧР в виде групп-очередей потребителей ступени на отключение нагрузки в условиях существенных отклонений показателей качества электроэнергии, реализуют способ автоматической частотной разгрузки энергорайона в условиях существенного отклонения показателей качества электроэнергии с использованием только измерений частоты энергорайона, а также процедуры последовательного анализа для каждой из ступеней АЧР, формируют изменяемые параметры срабатывания из ступеней АЧР и каждого шага последовательного анализа по результатам предварительного имитационного моделирования, задают изменяемые параметры срабатывания процедуры последовательного анализа при каждом изменении схемно-режимной ситуации, повышают быстродействие устройства АЧР путем обеспечения объединенного принятия решения каждого шага последовательного анализа каждой из ступеней АЧР, учитывают результаты последовательного анализа каждой из ступеней АЧР при определении аварийных режимов энергорайона, используют результаты имитационного моделирования с выхода блока хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона при задании изменяемых параметров срабатывания и реализации процедуры последовательного анализа каждой из ступеней АЧР.
Фиг. 1 поясняет принцип задания изменяемых уставочных значений модифицированной процедуры последовательного анализа.
На фиг. 2 приведен пример статистических распределений частоты энергорайона для нормального и аварийного режимов.
Фиг. 3 иллюстрирует процесс реализации последовательного анализа в устройстве АЧР с изменяемыми уставочными значениями.
На фиг. 4 приведена структурная схема устройства автоматической частотной разгрузки энергорайона, реализующего предлагаемый способ.
На фиг. 5 приведена структурная схема блока последовательного анализа, входящего в состав устройства (фиг. 4) автоматической частотной разгрузки энергорайона.
1
m
1
L
Устройство автоматической частотной разгрузки энергорайона (фиг. 4) включает: оперативно-информационный комплекс 1; терминалы противоаварийной автоматики (ПА) 2 … 2; блок хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона 3; коммутатор 4, блоки последовательного анализа 5 … 5.
1
m
1
L
Количество терминалов ПА 2 … 2 определяется структурой энергорайона, а также возможностями по отключению нагрузки (технологическими особенностями потребителей электроэнергии). Количество блоков последовательного анализа 5 … 5 определяется требуемым числом ступеней АЧР с учетом особенностей ГУ объектов РГ и потребителей.
1
m
1
m
1
L
1
L
Первый выход оперативно-информационный комплекса 1 подключен к терминалам ПА 2 … 2. Выходы терминалов ПА 2 … 2 подключены к коммутационным аппаратам, позволяющим производить отключение потребителей электроэнергии. На входы оперативно-информационного комплекса 1 поступают токи ветвей и напряжения узлов энергорайона, информация о положении коммутационных аппаратов (телесигнализация), результаты имитационного моделирования режимов через первый выход блока 3 хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона, а также информация от приборов контроля качества электроэнергии энергорайона. Второй выход оперативно-информационного комплекса 1 подключен ко входу блока 3 хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона, а выходы с третьего по пятый подключены ко входам коммутатора 4. Первый и второй выходы коммутатора через параллельно включенные блоки последовательного анализа 5 … 5 подключены ко входам оперативно-информационного комплекса 1. Второй выход блока 3 хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона подключен к третьим входам блоков последовательного анализа 5 … 5.
1
L
1
N
1
2
1
2
1
L
Каждый из блоков 5 … 5 последовательного анализа (фиг. 5) включает: блок 6 памяти; блок 7 синхронизации; каналы обработки 8 … 8; элементы И 12 и 12. В состав каналов обработки входят; регистр 9; умножитель 10; схемы сравнения 11 и 11. Количество каналов обработки N каждого из блоков 5 … 5 определяется максимальным числом шагов процедуры последовательного анализа Вальда, необходимым при реализации АЧР и полученным по результатам имитационного моделирования. Как правило (исходя из результатов имитационного моделирования), максимальное число шагов для реализации процедуры последовательного анализа Вальда не превышает значения 6-8 шагов.
Возможны два основных варианта структур многоканального последовательного анализа. Первый – предполагает независимое принятие решения в отдельных каналах, когда при превышении одного из уставочных значений прекращается реализация последующих шагов, характеризуется наличием объединяющих элементов ИЛИ на выходах каналов обработки. Второй – обеспечивает одновременное принятие решения, когда все значения отношений правдоподобия, соответствующих каналам обработки, выйдут за одно из уставочных значений, характеризуется наличием объединяющих элементов И для схемы фиг. 5. В последнем случае обеспечиваются множественные пересечения уставочных значений в процессе последовательного анализа.
Н
н
Для рассмотренных вариантов структурных схем многоканального последовательного анализа максимальное число шагов до принятия окончательного решения будет, как правило, различным. Причем, для второго варианта реализации многоканальной схемы за счет применения объединяющих элементов И возможно повышение нижней уставки и сокращение, тем самым, зоны неопределенности гипотезы .
Важно отметить, что на функционирование устройства АЧР, в котором реализована процедура последовательного анализа, влияют как величины отклонений параметров качества электроэнергии от нормируемых значений в аварийных режимах энергорайона (обуславливает правильные и излишние срабатывания), так и технические характеристики аппаратурной реализации (быстродействие, вычислительная сложность, стоимость и др.).
Предлагаемый способ автоматической частотной разгрузки энергорайона реализуется следующим образом.
Мощность отключаемой нагрузки и размещение ее в энергорайоне определяется размещением ГУ объектов РГ, размещением и особенностями потребителей электроэнергии, а также возможными аварийными режимами.
Для обеспечения эффективной работы устройства АЧР в предлагаемом способе реализуется имитационное моделирование, целью которого является:
- определение нормальных и аварийных режимов функционирования энергорайона, с учетом возможного проведения ремонтных и эксплуатационных работ;
- фиксация величины возможного дефицита мощности в энергорайоне;
- определение мощности нагрузки, подлежащей отключению устройством АЧР в каждом режиме;
- распределение мощности нагрузки, подлежащей отключению устройством АЧР, по узлам энергорайона;
- определение величины мощности нагрузок, подлежащих отключению терминалами ПА отдельных ступеней;
- распределение нагрузки, отключаемой терминалами ПА в анализируемом узле, по ступеням и по подстанциям.
При моделировании учитывается, что терминалами ПА должна отключаться нагрузка наименьшей необходимой мощности, а количество таких терминалов должно быть минимальным.
Анализ нормальных и аварийных режимов осуществляется на основе оценки токов и напряжений в узлах энергорайона, а также информации о включенных (отключенных) ГУ объектов РГ и электроприемниках потребителей.
Из многообразия аварийных режимов выбираются такие, при которых в энергорайоне в целом или в отдельных его частях (при делении на части) формируется наибольший небаланс мощности. Такие режимы могут возникать при отключении наиболее мощных объектов РГ, например, в случае короткого замыкания на шинах, отключении наиболее значимых линий электропередачи, делении энергорайона на части.
Величина мощности нагрузки, подлежащей отключению устройством АЧР, в каждом моделируемом режиме определяется, с одной стороны, дефицитом мощности, составом и размещением ГУ объектов РГ, а с другой стороны, кратковременно допускаемым значением частоты, до которого желательно ее восстановить с помощью устройства АЧР. Некоторые технологические установки промышленных потребителей критичны к снижению напряжения и могут отключаться средствами технологической автоматики. Поэтому при моделировании реализации управляющих воздействий на отключение нагрузки соответствующих очередей АЧР должны учитываться и прогнозироваться объемы нагрузки, отключаемые при снижении напряжения.
При имитационном моделировании энергорайона учитываются отклонения показателей качества электроэнергии. Анализ функционирования устройства АЧР в таких условиях выполняется по двум направлениям.
α
β
a
k
b
k
a
k
b
k
a
k
b
k
a
k
b
k
1
L
1
L
Во-первых, для каждой схемно-режимной ситуации оценивается влияние показателей качества электроэнергии на ошибки измерения параметров токов и напряжений, и прежде всего, частоты энергорайона. Исходя из точности (ошибок) оценки частоты энергорайона в конкретных схемно-режимных условиях задаются параметры срабатывания (уставки) для проведения процедуры последовательного анализа Вальда. Формирование параметров срабатывания осуществляется на основе задания ошибок первого  и  рода, с последующим заданием изменяемых уставок () и (), получаемых с использованием имитационного моделирования. Уставки () и () вносятся перед началом функционирования устройства АЧР (фиг. 4) в память блока 3 хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона. В дальнейшем при функционировании устройства АЧР (фиг. 3) для текущей схемно-режимной ситуации по сигналу с выхода оперативно-информационного комплекса 1 из блока 3 уставочные значения () и () поступают в блоки 5 … 5 последовательного анализа для обеспечения функционирования соответствующих ступеней АЧР. В блоках 5 … 5 последовательного анализа уставочные значения () и () записываются в блоках 6 памяти (фиг. 5). Дополнительно в блок 6 памяти для конкретной схемно-режимной ситуации с учетом отклонений показателей качества электроэнергии записывается совокупность значений отношений правдоподобия, включающая значения отношения правдоподобия для каждого отдельного возможного значения частоты энергорайона.
Во-вторых, ввиду того, что электроприемники промышленных потребителей по-разному реагируют на отклонение показателей качества электроэнергии, а участие указанных электроприемников в формировании таких отклонений параметров качества электроэнергии также различно, то отмеченные факторы должны учитываться при формировании команд АЧР на отключение нагрузки. Таким образом, особенности потребителей электроэнергии должны учитываться при распределении нагрузки, отключаемой конкретным терминалом ПА, между узлами энергорайона по данным имитационного моделирования.
Включение режима функционирования устройства АЧР (фиг. 4) в условиях отклонения показателей качества электроэнергии осуществляется на основе информации от приборов контроля качества электроэнергии энергорайона, поступающей на вход оперативно-информационного комплекса 1. Для каждого энергорайона с учетом особенностей его потребителей должны определяться собственные условия задействования режима функционирования устройства АЧР (фиг. 4) при отклонении показателей качества электроэнергии. Такие условия целесообразно определять, исходя из результатов имитационного моделирования функционирования энергорайона при отклонении показателей качества электроэнергии.
1
L
Для схемного решения (фиг. 4) реализация предлагаемого способа АЧР в условиях отклонения показателей качества электроэнергии осуществляется путем выдачи сигнала с пятого (управляющего) выхода оперативно-информационного комплекса 1 на вход коммутатора 4, а также обеспечении передачи от оперативно-информационного комплекса 1 с третьего и четвертого выходов через коммутатор 4 на входы блоков 5 … 5 последовательного анализа информации о текущих значениях частоты и тактовых импульсов.
Таким образом, при проведении имитационного моделирования энергорайона с учетом структуры размещения и особенностей объектов РГ требуется проведение анализа эффективности работы АЧР в энергорайоне, при его выделении в островной режим работы с учетом показателей качества электроэнергии. По результатам анализа результатов имитационного моделирования конкретного энергорайона с учетом показателей качества электроэнергии может потребоваться увеличение в отдельных режимах объемов отключаемой нагрузки, заводимых под действие устройства АЧР, а также проведение корректировки их параметров настройки по частоте и времени срабатывания. Указанные действия и введение дополнительных ступеней позволяют обеспечить достаточность объемов АЧР для нормализации параметров режима в островном режиме работы энергорайона, а также содействовать сохранению в работе максимально бόльшей части особо ответственных электроприемников потребителей.
Устройство для реализации способа автоматической частотной разгрузки энергорайона (фиг. 4) работает следующим образом.
a
k
b
k
1
L
Как указывалось, для реализации предлагаемого способа выполняется предварительное имитационное моделирование для определения вариантов функционирования устройства АЧР в различных режимах работы энергорайона, в том числе в условиях отклонения показателей качества электроэнергии. Результаты имитационного моделирования вносятся в память оперативного информационного комплекса 1 энергорайона (фиг. 4) для последующего выбора варианта функционирования устройства АЧР в определенном аварийном режиме работы энергорайона, в том числе в условиях отклонения показателей качества электроэнергии. Дополнительно в память блока 3 хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона вносятся уставочные значения () и (), а также совокупность значений отношений правдоподобия для каждой ступени АЧР (блоков 5 … 5 последовательного анализа).
Для мониторинга режима функционирования энергорайона в оперативно-информационный комплекс 1, реализованный, например, на основе SCADA-системы, подается информация о токах и напряжениях в узлах энергорайона. Дополнительно на входы оперативно-информационного комплекса 1 поступают данные о положениях коммутационных аппаратов системы электроснабжения энергорайона, определяющие состояние («отключено»/«в работе») электрооборудования (ГУ объектов РГ, линий электропередачи, трансформаторов, электроприемников потребителей и др.), а также информация от приборов контроля качества электроэнергии. В каждый момент времени на основе входной информации оперативно-информационный комплекс 1 определяет текущий режим энергорайона с учетом показателей качества электроэнергии.
При выделении энергорайона в островной режим работы (возникновении аварийной ситуации) задействуется устройство АЧР.
Если при выделении в островной режим энергорайона показатели качества электроэнергии находятся в пределах допустимых значений процедура последовательного анализа при функционировании устройства АЧР не применяется. При этом средствами программного обеспечения оперативно-информационный комплекса 1 производится расчет частоты, скорости изменения частоты, объема дефицита активной мощности, а также величины напряжения и скорость изменения напряжения в энергорайоне. Исходя из оценки указанных параметров, а также других параметров текущего режима (например, состава и размещения ГУ объектов РГ) осуществляется выбор объемов отключения нагрузки устройством АЧР. В процессе выбора объемов отключения нагрузки, а также мест реализации управляющих воздействий на отключение нагрузки используются результаты предварительного имитационного моделирования. Причем оцененные параметры аварийного режима напрямую определяют вариант функционирования АЧР, выбранный по результатам предварительного имитационного моделирования.
Если при выделении в островной режим энергорайона показатели качества электроэнергии вышли за пределы допустимых значений при функционировании устройства АЧР вводится процедура последовательного анализа. Фиксация отклонений показателей качества электроэнергии реализуется по информации от приборов контроля качества электроэнергии, поступающей на вход оперативно-информационного комплекса 1. Ситуационное расположение приборов контроля качества электроэнергии, зафиксировавших отклонения показателей качества электроэнергии, используется при выборе и формировании объемов, а также мест отключения нагрузки с учетом результатов предварительного имитационного моделирования.
1
L
1
L
1
L
1
L
1
L
a
k
b
k
В условиях существенного отклонения показателей качества электроэнергии оперативно-информационным комплексом 1 осуществляется ввод в работу коммутатора 4 и блоков 5 … 5 последовательного анализа. Принятие решения о необходимости отключения нагрузки устройством АЧР (фиг. 4) осуществляются только на основе информации о текущих значениях частоты. Другие информационные признаки при существенных отклонениях показателей качества электрической энергии в устройстве АЧР (фиг. 4) не используются. При этом с пятого (управляющего) выхода оперативно-информационного комплекса 1 на вход коммутатора 4 поступает управляющий сигнал, обеспечивающий передачу от оперативно-информационного комплекса 1 с третьего и четвертого выходов через коммутатор 4 на входы блоков 5 … 5 последовательного анализа информации о текущих значениях частоты и тактовых импульсов. Со второго выхода блока 3 хранения результатов моделирования режимов работы энергорайона, подключенного к третьим входам блоков последовательного анализа 5 … 5, в блоки 5 … 5 последовательного анализа поступает информация об уставочных значения () и (), а также совокупность значений отношений правдоподобия для каждой ступени АЧР. Тактовые импульсы с выхода коммутатора 4 поступают на вход блока 7 синхронизации каждого из блоков 5 … 5.
1
N
1
L
1
L
Блок 7 синхронизации обеспечивает управляющими сигналами функционирование каналов обработки 8 … 8. Количество каналов обработки N каждого из блоков 5 … 5 определяется максимальным числом шагов процедуры последовательного анализа, необходимым при реализации АЧР и полученным по результатам предварительного имитационного моделирования. Причем в каждом из каналов обработка информации ведется параллельно со сдвигом на один информационный отсчет, таким образом принятие решения в каждом из блоков 5 … 5 организуется без потери информации. По истечении максимального числа шагов процедуры последовательного анализа управляющим сигналом с выхода блока 7 на вход регистра 9 производится обнуление последнего и обеспечивается готовность канала обработки к проведению следующей процедуры последовательного анализа.
a
k
b
k
a
k
b
k
.
a
k
b
k
1
2
1
N
1
2
1
2
По информации о текущих значениях частоты и тактовых импульсов, поступающих на входы блока 6 памяти, на его выходах формируются значения отношения правдоподобия, соответствующие текущей частоте, и уставочные значения () и () для реализации каждого шага процедуры последовательного анализа. За счет соответствующего взаимного соединения регистра 9 и умножителя 10 канала обработки на выходе последнего формируются групповые произведения отношений правдоподобия, необходимые для выполнения и получаемые на каждом шаге процедуры последовательного анализа в соответствии с текущими значениями частоты энергорайона. Групповые произведения подаются на входы схем сравнения 11 и11 каналов обработки 8 … 8, на вторые входы которых поступают соответственно уставочные значения () и () Сравнение с уставочными значениями произведений отношений правдоподобия обеспечивает правильное решение о срабатывании устройства АЧР в условиях больших ошибок измерения текущей частоты энергорайона, вызванных существенными отклонениями показателей качества электроэнергии. При отклонениях произведения отношений правдоподобия за пределы верхнего и нижнего уставочных значений на выходе соответствующей схемы сравнения формируется управляющий сигнал, который через схему И (12, 12) и выхода канала обработки блока 5 поступает на вход оперативно-информационного комплекса 1. Выдача управляющего сигнала с выходов объединяющих И (12, 12) осуществляется только при одновременном превышении уставочных значений () или () во всех каналах обработки конкретной ступени устройства АЧР. Как указывалось ранее, таким образом достигается минимальная зона неопределенности при реализации процедуры последовательного анализа. Такой управляющий сигнал определяет необходимость задействования соответствующей ступени устройства АЧР, определяемой блоком 5, откуда поступил соответствующий управляющий сигнал.
1
L
По управляющим сигналам с выходов блоков 5 … 5 последовательного анализа, а также текущей схемно-режимной ситуации с учетом существенных отклонений показателей качества электроэнергии в оперативно-информационном комплексе 1 формируется совокупность команд на отключение нагрузки.
1
m
В последующем на основе системы быстродействующих коммуникаций (например, с использованием протокола МЭК 61850) информация о необходимой величине отключения нагрузки передается из оперативно-информационного комплекса 1 в терминалы ПА 2 … 2, которые реализуют отключение заранее определенных потребителей электроэнергии.
Таким образом, по данным предварительного имитационного моделирования, анализа текущего режима с учетом показателей качества электроэнергии, а также формируемым оперативно-информационным комплексом управляющим воздействиям с использованием принятия решения на основе последовательного анализа, передаваемым на терминалы ПА, реализуется предлагаемый способ автоматической частотной разгрузки энергорайона.