Способ децентрализованной синхронизации и восстановления нормального режима аварийно разделенной электрической сети с генераторами
METHOD FOR DECENTRALIZED SYNCHRONIZATION AND RESTORATION OF THE NORMAL MODE OF AN EMERGENCY DIVIDED ELECTRICAL NETWORK WITH GENERATORS

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в электроэнергетических системах, электрических сетях при децентрализованной автоматической синхронизации и восстановлении нормальных режимов параллельной работы разделившихся частей электрической сети с синхронными генераторами.
ИЗВЕСТЕН СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ И ВКЛЮЧЕНИЯ НА ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ РАБОТУ РЕГУЛИРУЕМОГО СТАТИЧЕСКОГО ИСТОЧНИКА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И ИСТОЧНИКА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (Патент RU № 2381607, МПК H02J 3/42, опубл. 10.02.2010) с целью снижения броска уравнительного тока между источниками в момент их подключения в режим параллельной работы. Способ может быть использован при построении систем электроснабжения или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения надежности электропитания и повышения выходной мощности базового источника электрической энергии в локальную или промышленную сеть дополнительно параллельно включают на общую нагрузку статический источник.
При этом включение должно быть с минимальным броском уравнительного тока и с минимальными переходными процессами. Регулируемым статическим источником в этом случае может быть преобразователь частоты, автономный инвертор напряжения или последовательное включение выпрямителя и автономного инвертора напряжения, а первичным источником энергии для них может быть синхронный генератор с переменной скоростью вращения ротора (ветроэнергетика, малая гидроэнергетика, дизельные установки) или источник постоянного напряжения (солнечная батарея, аккумулятор).
ОДНАКО УКАЗАННЫЙ СПОСОБ обладает следующими недостатками:
- Невозможность выполнения синхронизации частей электрической сети на удаленных коммутационных аппаратах без передачи данных о частоте, модуле и фазе напряжения с внешней стороны отключенного аппарата к устройству регулирования этих параметров статического источника;
- Необходимость установки преобразователя частоты, инверторов и т.п., что сильно сказывается на удорожании способа.
КРОМЕ ТОГО, ИЗВЕСТЕН СПОСОБ СИНХРОНИЗАЦИИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ И ОТДЕЛИВШЕГОСЯ В АВАРИЙНОМ РЕЖИМЕ ЭНЕРГОРАЙОНА (а.с. СССР № 1647765, МПК H02J 3/42, опубл. 07.05.1991) в котором синхронизацию отделившейся части энергосистемы осуществляют путем измерения разности частот и фаз векторов напряжений на соединяемых с помощью выключателя элементах энергосистемы, отключения части нагрузки в отделившемся энергорайоне и включением выключателя при разности частот и фаз векторов напряжений менее допустимых значений. В способе дополнительно измеряют частоту и величину генерации в отделившейся части энергосистемы и по данным параметрам определяют оптимальную величину мощности отключаемой нагрузки для осуществления синхронизации. Это позволяет уменьшить время синхронизации и, тем самым, сократить время отключения потребителей в аварийных режимах с отделением части энергосистемы.
ОДНАКО УКАЗАННЫЙ СПОСОБ обладает следующими недостатками:
- Необходимо привлечение оперативного персонала для выполнения ручной синхронизации на выключателях, где отсутствуют синхронизирующие устройства, или использование телемеханики для передачи данных о частоте, фазе напряжения и команд на включение удаленных коммутационных аппаратов;
- В способе, внимание уделяется только частоте, а регулирование напряжения во время синхронизации отсутствует.
НАИБОЛЕЕ БЛИЗКИМ, ПРИНЯТЫМ ЗА ПРОТОТИП ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ, ЯВЛЯЕТСЯ СПОСОБ ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НОРМАЛЬНОГО РЕЖИМА АВАРИЙНО РАЗДЕЛЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ С ГЕНЕРАТОРАМИ (Патент RU № 2752693 C1, МПК H02J 3/08, H02J 3/40, H02J 3/42, опубл. 30.07.2021), ЗАКЛЮЧАЮЩИЙСЯ В ТОМ, ЧТО балансирование послеаварийных режимов в отделившихся частях сети осуществляется средствами противоаварийного ограничения недопустимых отклонений частоты и напряжения, синхронизацию аварийно разделенных активных частей электрической сети осуществляют путем измерения разности частот, модуля и фаз векторов напряжений по концам соединяемых с помощью коммутационных аппаратов частей электрической сети, на генераторах разделенных частей создают согласованное линейное периодическое низкочастотное изменение напряжения и частоты с разной для каждой отделившейся части частотой, включают коммутационные аппараты при выполнении условий допустимости этих разностей, фиксируют переход на параллельную работу частей сети по факту снижения зависимости изменений частоты от изменений выдаваемой генераторами мощности, переходят от регулирования частоты и напряжения на генераторах к регулированию перетока по сечению, связывающему ранее разделенные части, или к регулированию частоты и напряжения в объединенной сети.
НЕДОСТАТКАМИ СПОСОБА ЯВЛЯЮТСЯ:
- восстановление целостности сети при исходном отключении в сети множества выключателей (множественности разрывов) связей между генераторами становится невозможным;
- способ не позволяет восстанавливать целостность сети и нормальный режим при распаде сети на множество районов с генераторами ввиду неопределенности работы в общем случае;
- неопределенность и неоднозначность факта снижения зависимости изменений частоты от изменений выдаваемой генераторами мощности, как признака перехода на параллельную работу частей сети, не обеспечивает надежность работы способа.
ЗАДАЧЕЙ (ТЕХНИЧЕСКИМ РЕЗУЛЬТАТОМ) ПРЕДЛАГАЕМОГО ИЗОБРЕТЕНИЯ ЯВЛЯЕТСЯ автоматическая синхронизация и восстановление нормального режима параллельной работы разделившихся частей электрической сети на удаленных коммутационных аппаратах без использования передачи данных и команд телеуправления ими при разделении сети на множество изолированных районов с генераторами и при множественных отключениях выключателей в электрической сети на связях между разделенными активными частями сети.
ПОСТАВЛЕННАЯ ЗАДАЧА РЕШАЕТСЯ ЗА СЧЕТ ТОГО, ЧТО В СПОСОБЕ балансирование послеаварийных режимов в отделившихся частях сети осуществляют средствами противоаварийного ограничения недопустимых отклонений частоты и напряжения, затем осуществляют синхронизацию аварийно разделенных активных частей электрической сети путем измерения разности частот, модуля и фаз векторов напряжений по концам соединяемых с помощью коммутационных аппаратов частей электрической сети, на генераторах разделенных частей создают согласованное периодическое низкочастотное изменение напряжения и частоты с разной для каждой отделившейся части частотой, включают коммутационные аппараты при выполнении условий допустимости этих разностей, фиксируют переход на параллельную работу частей сети, переходят от регулирования частоты и напряжения на генераторах к регулированию перетока по сечению, связывающему ранее разделенные части, или к регулированию частоты и напряжения в объединенной сети, при этом на выключателях электрической сети с автоматическим децентрализованным управлением коммутациями осуществляют разделение времени их срабатывания в составе синхронизированных тактов времени, внутри которых каждому выключателю отводится свой временной квант времени на срабатывание, отключенные выключатели включаются при возникновении нормального напряжения с одной стороны исключительно в своем кванте времени, при возникновении нормального напряжения с двух сторон, выключатели включаются сразу при выполнении всех условий синхронизации связываемых выключателем источников, фиксация факта синхронизации контроллерами генераторов осуществляется по возникновению колебаний тока с частотой электромеханического переходного процесса, регуляторы возбуждения и мощности генератора более низкого приоритета в группе генераторов, сканирующих условия синхронизации, переводятся в режим поддержания постоянной активной и реактивной мощности до истечения заданного времени восстановления целостности электрической сети, по истечении заданного времени восстановления целостности электрической сети на регуляторах всех генераторов восстанавливается нормальный режим регулирования частоты и мощности в электрической сети с множеством распределенных генераторов.
НА ФИГ.1 представлен пример схемы электрической сети с выделением синим цветом отключенных выключателей после возникновения короткого замыкания (КЗ) на фидере нагрузки за выключателем в которой после ее аварийного разделения осуществляется удаленная синхронизация аварийно разделившихся частей сети и восстановление нормального режима их параллельной работы.
НА ФИГ.2 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после последовательного срабатывания сетевых выключателей с нормальным напряжением с одной стороны выключателя в процессе восстановления нормального режима внутри синхронизированного такта времени в такте времени (согласно варианту 1 распределения времени их срабатывания, представленного на Фиг.3).
НА ФИГ.3 представлена структура варианта 1 временного такта управления процессом восстановления целостности и нормального режима электрической сети с указанием кванта времени для каждого сетевого выключателя.
НА ФИГ.4 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после последовательного срабатывания сетевых выключателей с нормальным напряжением с одной стороны выключателя в процессе восстановления нормального режима в такте времени (согласно варианту 2 распределения времени их срабатывания, представленного на Фиг.5).
НА ФИГ.5 представлена структура варианта 2 временного такта управления процессом восстановления целостности и нормального режима электрической сети с указанием кванта времени для каждого сетевого выключателя.
НА ФИГ.6 представлено коммутационное состояние схемы сети (Фиг.1) после последовательного срабатывания в двух тактах времени сетевых выключателей с нормальным напряжением с одной стороны выключателя в процессе восстановления нормального режима (согласно варианту 3 распределения времени их срабатывания, представленного на Фиг.7).
НА ФИГ.7 представлена структура варианта 3 временного такта управления в двухшаговом процессе восстановления целостности и нормального режима электрической сети с указанием кванта времени для каждого сетевого выключателя.
НА ФИГ.8 представлена осциллограмма процесса синхронизации генераторов 1 и 2 по методу сканирования условий синхронизации при использовании синусоидального сигнала в контуре сканирования условий синхронизации на удаленных выключателях.
СХЕМА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ (ФИГ.1) содержит районы электрической сети с генерацией (1,2,3), управляемые контроллерами генераторы (4,5,6) с выключателями (18,22,24), подключенными к шинам (26,27,31), выключатели фидеров нагрузки (17,19,20,21,23,25), подключенные к шинам (26,27,28,29,30,31), сетевые выключатели с улавливателями синхронизма (7,8,9,10,11,12,13,14,15,16), подключенные к шинам (26,27,28,29,30,31), линии электропередачи (20,21,22,23,32), связывающие через выключатели шины объектов электрической сети (26,27,28,29,30,31). Коммутационное состояние выключателей соответствует послеаварийному режиму с резделением сети на три активных части (1,2,3) и двумя пассивными (шины 28, 29) после отключения КЗ на фидере нагрузки за выключателем (20). Желтым цветом выделены сохранившее включенное состояние выключатели, синим – отключенные по факту снижения напряжения в результате возникновения КЗ
НА ФИГ.2 белым цветом выделены включенные в последовательном процессе восстановления целосности сети сетевые выключатели с односторонним нормальным напряжением перед включением. Красным – выключатели с разрывом связей между активными частями сети, на которых включение возможно только с улавливанием синхронизма.
НА ФИГ.3 обозначены сетевые выключатели 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16.
НА ФИГ.5 также обозначены сетевые выключатели 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16.
НА ФИГ.7 также обозначены сетевые выключатели 7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Зеленым цветом выделены выключатели, которые не включились в первом синхронизированном такте, т.к. в заданном распределении их квантов времени в первом синхронизированном такте на этих выключателях одностороннее напряжение не появилось.
НА ФИГ.8 окружностью выделена область с проявлением электромеханических колебаний в токах синхронизируемых генераторов при их удаленном включении на параллельную работу.
СПОСОБ ОСУЩЕСТВЛЯЕТСЯ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:
В исходном нормальном режиме все выключатели схемы Фиг.1 включены. Генераторы 4,5,6 работают параллельно в общей сети. Все генераторы участвуют в первичном регулировании частоты. Первый генератор осуществляет вторичное регулирование частоты.
При возникновении аварийного возмущения (коротком замыкании (КЗ) за выключателем 20), по факту снижения напряжения ниже уставки быстродействующими защитами отключается группа выключателей (8,9,10,11,12 Фиг.3). Происходит разделение сети на три активных части (1,2,3)   и две пассивных части (шины 28,29). Контроллеры генераторов (4,5,6) по факту снижения напряжения запускают согласованное низкочастотное (частоты для генераторов индивидуальны, например, 0.03, 0.02, 0.01 Гц) регулирование частоты (АРС) и напряжения (АРВ) в пределах допустимых диапазонов их изменения. Также по факту снижения напряжения котроллерам сетевых выключателей разрешается включение в синхронизированных тактах времени на интервалах своего кванта времени.
В первом такте времени (при варианте 1 распределения квантов времени их срабатывания в синхронизированном такте времени) последовательно включаются выключатели с односторонним напряжением 8 следом 9 следом 10. На выключателе 11 запускается улавливание выполнения условий синхронизации, т.к. напряжение появляется с двух сторон отключенного выключателя, далее включается 12 следом13. На выключателе 14 запускается улавливание выполнения условий синхронизации, т.к. напряжение появляется с двух сторон отключенного выключателя. После появления напряжения на шине 29 на 20 выключателе срабатывает его автоматическое повторное включение (АПВ), но, ввиду неустранившегося КЗ, выключатель отключается с ускорением, сохраняя включенное состояние остальных сетевых выключателей.
Далее, в результате согласованного низкочастотного регулирования частоты и напряжения в пределах допустимых диапазонов их изменения на генераторах 4,5,6 выполняются условия синхронизации, например, на выключателе 11. Происходит его включение, что приводит к возникновению параллельной работы генераторов 4,5 и проявления затухающего переходного электромеханического процесса в токах генераторов (согласно Фиг. 4). По факту возникновения частоты электромеханического процесса в токе контроллеры генераторов 4,5 прекращают согласованное низкочастотное регулирование частоты и напряжения в пределах допустимых диапазонов их изменения и переводят регуляторы возбуждения и мощности в состояние регулирования нормального режима сети.
Далее, в результате согласованного низкочастотного регулирования частоты и напряжения в пределах допустимых диапазонов их изменения на генераторе 6 выполняются условия синхронизации на выключателе 14. Происходит его включение, что приводит к возникновению параллельной работы генераторов 4,5,6 и затухающего переходного электромеханического процесса в токе генератора 6 (согласно Фиг. 4). По факту возникновения частоты электромеханического процесса в токе контроллер генератора 6 прекращает согласованное низкочастотное регулирование частоты (АРС) и напряжения (АРВ) в пределах допустимых диапазонов их изменения и переводит регуляторы возбуждения и мощности в состояние регулирования нормального режима сети.
В данном примере, срабатывание всех сетевых выключателей с односторонним нормальным напряжением произошло в одном синхронизированном такте времени. При использовании, например, вакуумных выключателей со временем срабатывания на отключение и включение (с учетом времени срабатывания автоматики) 0.06 с квант времени при запасе по времени, например, 0.04 с составляет 0.06+0.06+0.06 = 0.18 с, а длительность синхронизированного такта времени с учетом всех сетевых выключателей составит 10*0.18 = 1.8 с. Максимальное время синхронизации можно оценить, как половину наибольшего периода сканирования условий синхронизации. В примере ½*1/0.01 = 50 с.
Полное максимальное время восстановления целостности и нормального режима сети для вариантов 1 и 2 расположения квантов времени для сетевых выключателей внутри синхронизированного такта времени составит 50+0.18 = 50.18 с т.е. около одной минуты.
Для варианта 2 понадобилось 2 такта времени для выявления сетевых выключателей, т.к. в первом такте (верхний такт) не включались выключатели 10 и 9, но определился выключатель 12, на котором может произойти синхронизация с улавливанием синхронизма генераторов. Во втором такте включился выключатель 10, и определился второй выключатель для синхронизации (9).
Для варианта 3 также понадобилось 2 такта времени для выявления сетевых выключателей, на которых должна произойти синхронизация с улавливанием синхронизма, т.е. 2*1.8 = 3.6 с., однако это практически не сказывается на общем времени, т.к. включение выключателей происходит на начальной стадии сканирования, когда возникновение условий синхронизации еще невозможно. Варианты 2,3 приведены для доказательства того, что распределение квантов времени выключателей внутри синхронизированного такта может производиться произвольно и влияет лишь на количество необходимых для восстановления сети тактов времени при том или ином возмущении.
Таким образом, контроллеры коммутационных аппаратов генераторов, сетевых выключателей не взаимодействуют между собой, но совместно выполняют автоматическую децентрализованную синхронизацию генерирующих устройств и восстановление целостности и нормального режима электрической сети при ее исходном разделении на множество электрически изолированных частей с генераторами и при множественных отключениях выключателей в электрической сети на связях между разделенными активными частями сети.