СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЛАВИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ
METHOD FOR PREVENTION OF VOLTAGE COLLAPSE IN POWER SYSTEM

Область техники
Изобретение относится к области электротехники, в частности к средствам противоаварийной автоматики энергосистемы, и предназначено для предотвращения каскадных аварий, связанных с лавинообразным снижением напряжения.
Уровень техники
Наличие дефицитных энергорайонов и крупных транзитных перетоков мощности создают условия, при которых в случае возникновения аварийного возмущения в энергосистеме для покрытия дефицита реактивной мощности действия автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов на электростанциях энергорайона и резерва реактивной мощности оказывается недостаточно. При исчерпании резерва по реактивной мощности генераторы перегружаются по току ротора [1] и, как следствие, либо отключаются от сети действием технологических защит, либо напряжение генератора не поддерживается устройствами АРВ в заданных пределах. И тот и другой процесс связан с понижением напряжения в районе нагрузки, питающейся от электростанций, вследствие чего возможно возникновение процесса лавины напряжения с погашением потребителей энергорайона.
Процесс развития лавины напряжения может протекать очень быстро. Современные устройства противоаварийной автоматики не всегда позволяют вовремя предотвратить лавинообразный процесс, действуют с определенной выдержкой времени.
Известен способ отключения части нагрузки при аварии в энергосистеме, используемый в автоматике ограничения снижения напряжения (АОСН). Действие автоматики направлено на обеспечение необходимого запаса по напряжению в узлах нагрузки в послеаварийном режиме при аварийном отключении элементов сети [1]. Применение АОСН позволяет повысить надежность энергоснабжения оставшейся части потребителей и снизить аварийный ущерб. Использование АОСН основывается на предварительном расчете серии аварийных ситуаций в энергосистеме, в результате расчета определяется место и объем управляющих воздействий АОСН. В качестве контролируемого параметра используется напряжение в узлах нагрузки. В результате снижения напряжения ниже заданной уставки АОСН производит отключение части нагрузки. Выполнение действия АОСН по ступеням осуществляется с разной выдержкой времени. Действие АОСН с суммарной выдержкой времени может оказаться недостаточным для предотвращения лавины напряжения.
Известен способ поддержания требуемого уровня напряжения в энергорайоне с помощью форсировки возбуждения генераторов [2]. При снижении напряжения в районе нагрузки АРВ каждого генератора данного энергорайона, поддерживая заданный уровень напряжения, увеличивает ток ротора и выдачу реактивной мощности. При исчерпании резерва по реактивной мощности возможна перегрузка генераторов электростанций энергорайона по току ротора с действием штатной автоматики генератора, входящей в состав АРВ - (ограничения перегрузки - ОП), на снижение тока ротора генераторов, что может привести к дальнейшему снижению напряжения в узлах энергорайона.
Известен, также, способ автоматической разгрузки генераторов электростанции при статической перегрузке электропередачи (АРСП), описанный в [3]. В указанном способе контроль загрузки электропередачи (станции) осуществляется по активной мощности. Автоматика фиксирует ситуации, когда активная мощность по контролируемому сечению достигает заданной уставки срабатывания и по заданному алгоритму (с выдержкой времени или без нее) действует на разгрузку электропередачи.
Причинами перегрузки электропередачи могут быть:
- возникновение внезапного дефицита генерирующей мощности в приемной относительно данной электропередачи части энергосистемы, вызванного отключением генератора (энергоблока), частичным или полным сбросом электрической нагрузки электростанцией, отделением избыточного энергоузла;
- возникновение внезапного избытка генерирующей мощности в передающей относительно данной электропередачи части энергосистемы, вызванного отделением дефицитного энергоузла, сбросом потребителями электрической мощности вследствие близкого короткого замыкания или по технологическим причинам, отключением части нагрузки от АЧР;
- медленное (в темпе изменения режима в энергосистеме) нарастание перетока активной мощности и фазового угла по электропередаче из-за отсутствия резервов мощности на электростанциях в приемной части или отсутствия регулировочного диапазона в сторону разгрузки на электростанциях передающей части, а также вследствие ошибки диспетчерского персонала;
- отключение шунтирующей связи и как следствие - наброс на контролируемую линию электропередачи и увеличение угла.
Наиболее часто АРСП применяется для сохранения устойчивости при возмущениях первых двух видов. Максимальный объем разгрузки, осуществляемый автоматикой, в этом случае равен
<mrow><mi>Δ</mi><msubsup><mi>P</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>г</mi><mi>р</mi></mrow><mrow><mi>max</mi></mrow></msubsup><mo>=</mo><msub><mi>k</mi><mi>f</mi></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>н</mi><mi>б</mi></mrow></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mn>8</mn><mi>%</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>P</mi><mrow><mi>м</mi><mo>.</mo><mi>д</mi><mi>Σ</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>,</mo></mrow>
нб
м.дΣ
8%Σ
f
где Р - расчетное значение небаланса, Р - максимально допустимое значение перетока активной мощности в контролируемом сечении, P - значение перетока в контролируемом сечении, соответствующее 8%-ному запасу статической устойчивости, k - частотный коэффициент, характеризующий долю мощности отключившегося генератора, набрасываемую на контролируемое сечение.
нб
Значение Р принимается равным наибольшему аварийному дефициту мощности в приемной части (или избытку мощности в передающей части) при отключении наиболее мощного генератора или энергоблока, отделении избыточных (дефицитных) энергорайонов.
Сущность изобретения
Из анализа аварийных режимов следует, что причиной лавины напряжения является дефицит реактивной мощности в районе нагрузки, который впоследствии может развиваться быстро и привести к лавине напряжения и нарушению устойчивости энергосистемы.
Целью предлагаемого изобретения является создание эффективного алгоритма ликвидации аварийных режимов, способных повлечь за собой лавинообразное понижение напряжения и нарушение устойчивой работы энергосистемы.
Указанная цель достигается тем, что отключение нагрузки контролируемого энергорайона осуществляется с точным определением объема разгрузки (отключения), необходимого для ликвидации перегрузки генераторов по току ротора.
Для этого измеряют напряжение, активную и реактивную мощности на шинах станции, контролируют наличие аварийных сигналов от штатной автоматики генератора «ограничение перегрузки по току ротора» и при наличии данных аварийных сигналов от всех генераторов, подключенных к шинам станции, осуществляют отключение нагрузки.
1
Необходимая величина разгрузки для ликвидации перегрузки по току ротора и ввода режима в допустимую область (ΔР) может быть определена следующим образом.
Отсутствие перегрузки генератора по току ротора равнозначно условию
q
qдоп
E≤E,
где
q
qдоп
E - действующие значение эдс одного генератора либо эквивалентная эдс генераторов станции, E - допустимое значение эдс по условию загрузки током ротора, определенное на основании нормативных показателей по оборудованию.
qдоп
Выражение E генератора можно представить в виде:
<mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>q</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>U</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Q</mi><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>x</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>P</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><msub><mi>x</mi><mi>d</mi></msub></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>,</mo><mtext>                                      </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где Р, Q, U - величины активной, реактивной мощности и напряжения на шинах станции - соответствуют режиму генератора (станции) при аварийной перегрузке,
1
q
qдоп
ΔP - величина разгрузки, при которой ток ротора генератора снижается до допустимого значения, что равнозначно условию E=E,
k - соотношение между реактивной и активной составляющими мощности генератора (станции) (tgφ),
d
X - синхронное реактивное сопротивление генератора или эквивалентное сопротивление генераторов всей станции по продольной оси [Ом].
Выражение (1) целесообразно переписать в следующем виде
<mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>q</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>Q</mi><mo>−</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><mi>P</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mi>S</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                   </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>Q</mi><mn>2</mn></msup><mo>,</mo></mrow></msqrt></mrow>
где S - полная мощность генератора,
do.e.
x - синхронное реактивное сопротивление генератора или эквивалентное сопротивление генераторов всей станции по продольной оси в относительных единицах.
1
Из (2) следует квадратное уравнение относительно величины ΔP
<mrow><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msubsup><mi>P</mi><mn>1</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>B</mi><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>C</mi><mo>=</mo><mn>0,</mn><mtext>                                                                               </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где
2
A=1+k
<mrow><mi>B</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>S</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>+</mo><mi>P</mi><mo>;</mo></mrow>
<mrow><mi>C</mi><mo>=</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>S</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>Q</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>q</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Исходя из этого величина необходимой разгрузки энергорайона для снятия с генератора перегрузки по току ротора определяется как:
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>B</mi><mo>−</mo><msqrt><mrow><msup><mi>B</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mi>A</mi><mi>C</mi></mrow></msqrt></mrow><mi>A</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>
или
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>P</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>S</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>+</mo><mi>P</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msqrt><mrow><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>S</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>⋅</mo><mi>k</mi><mo>+</mo><mi>k</mi><mo>⋅</mo><mi>Q</mi><mo>+</mo><mi>P</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>4</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>S</mi><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mi>Q</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mi>P</mi><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>E</mi><mrow><mi>q</mi><mi>д</mi><mi>о</mi><mi>п</mi></mrow></msub></mrow><mi>U</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><msup><mi>S</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mrow><msub><mi>x</mi><mrow><mi>d</mi><mi>o</mi><mo>.</mo><mi>e</mi><mo>.</mo></mrow></msub><msup><mrow /><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></msqrt></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>k</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
Величина разгрузки определяется на основании параметров Р, Q, U на шинах станции, получаемых в ходе изменения режима.
Своевременное отключение вычисляемого объема нагрузки по факту превышения током ротора допустимого значения позволит избежать отключения генераторного оборудования и каскадного развития лавины напряжения.
Осуществление изобретения
Для тестирования предложенного способа рассмотрены аварийные процессы с перегрузкой по току ротора генераторов Ямбургской ГТЭС операционной зоны Тюменского РДУ и генераторов ТЭЦ-7 операционной зоны Ленинградского РДУ. Проведенные расчеты показали, что при использовании предложенного способа в рассмотренных аварийных процессах ликвидируется дефицит реактивной мощности в энергорайоне, лавинообразное развитие аварийного процесса при этом не происходит. Расчетная величина разгрузки энергорайона, необходимая для ликвидации перегрузки генератора по току ротора и рассчитанная по измеряемым параметрам текущего режима, обеспечивает эффективную нормализацию режима и предотвращает возможность снижения напряжения генераторов с негативными последствиями для энергоснабжения энергорайона.
Источники информации
1. Невельский В.Л., Тен Е.А. Требования к электропередаче, обеспечивающей связь нагрузочного узла с системой (предельная мощность удаленного узла нагрузки). - Известия НИИПТ №64, 2010.
2. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. Учебник для вузов./Под ред. А.Ф.Дъякова. - М.: НЦ ЭНАС, 2000. - 504 с. [с.410-414].
3. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 390 с. [с.233].