Моделирование переходных режимов Молдавской энергосистемы по условиям статической устойчивости

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМОВ МОЛДАВСКОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ ПО УСЛОВИЯМ СТАТИЧЕСКОЙ

УСТОЙЧИВОСТИ

Постолатий В.М., Голуб И.В. Институт энергетики Академии наук Молдовы

Аннотация. В работе выполнены моделирование и анализ установившихся режимов энергосистемы Молдовы при параллельной работе с энергосистемой Украины по условиям статической устойчивости. Анализ включает в себя проверку запаса по статической устойчивости заданного режима, нахождения предельных по статической устойчивости режимов и определение области устойчивости энергосистемы в контролируемых координатах режима. Параметрами для анализа являются перетоки активной мощности по контролируемым сечениям и напряжения в контрольных узлах схемы. Рассмотрены два варианта состояния схемы электроэнергетической системы Молдовы: с одноцепным транзитом Днестровская ГЭС - Бэлць - Стрэшень - Кишинев 330кВ и двухцепным. Исследования показали целесообразность ввода двухцепного транзита для повышения запаса по статической устойчивости, а также снижение общесистемных потерь мощности. Исследования проведены с учетом методических указаний по устойчивости энергосистемы, а также программы RastrWin.

Ключевые слова: статическая устойчивость, режим энергосистемы, утяжеление режима.

MODELAREA REGIMURILOR TRANZITORII ALE SISTEMULUI ENERGETIC DIN MOLDOVA

IN CONDITII DE STABILITATEA STATICA Vitalie Postolati, Irina Golub Institutul de Energetica al A§M

Rezumat. in lucrare este realizata modelarea §i analiza regimurilor stationare ale sistemului energetic al Moldovei la functionarea in paralel cu sistemul energetic al Ucrainei in termeni de stabilitate statica. Analiza include verificarea rezervei de stabilitate statica a unui regim dat, determinarea limitelor privind stabilitatea statica a regimurilor si determinarea regiunelor stabilitatii sistemului energetic referitor la parametri controlate. Parametri de analiza sunt fluxurile de putere activa sunt controlate prin sectiuni controlate si tensiunile in nodurile de control. Sunt considerate doua variante de stare ale sistemului de energetic a Republicii Moldova: cu tranzit de energie cu un singur circuit Hidrocentrala Dnestrovsk - Balti - Stra§eni - Chisinau 330kV §i cu doua circuite. Studiile au demonstrat fezabilitatea de folosire a tranzitului cu doua-circuite pentru imbunatatirea rezervei de stabilitate statica, precum §i a reducerea pierderilor sumare de putere la nivel de sistem. Investigatiile au fost efectuate luand in considerare indicatiile metodice referitor la stabilitatea sistemului energetic, precum §i programul de calcul RastrWin.

Cuvinte-cheie: stabilitatea statica, regimul sistemului energetic

SIMULATION OF THE TRANSITIONAL REGIME OF THE MOLDOVAN POWER

UNDER STATIC STABILITY Vitaly Postolaty, Irina Golub Institute of Power Engineering of Academy of Sciences of Moldova Abstract. The paper presents the outcome of the Moldovan power system static stability modeling and analysis, considering the operation in parallel with the Ukrainian power system and the established operation regimes. The analysis includes verification of the reserve of static stability and definition of the static stability limits for a given operation mode, and the determination of the power system stability domain of the controlled system nodes. Parameters used for the analysis are the active power flows via controlled sections and the voltage levels at the controlled system nodes. Two options of Moldovan power system scheme are considered: a single-circuit transit Dniester HPP - Balti - Straseni - Chisinau 330kV and a double-circuit transit. Studies have shown that the

implementation of the double-circuit transit would lead to better static stability parameters and lower power system losses. The analysis has been carried out based on the power system stability.

Key words: static stability, power system operation mode.

Введение

Современное состояние электроэнергетической системы Молдовы характеризуется некоторой стабильностью. Баланс электроэнергии обеспечивается благодаря работе основных источников правобережных и левобережных районов Днестра, а также за счет перетоков электроэнергии из энергосистемы Украины. В последние годы наблюдается некоторый рост потребления электроэнергии, в связи с чем требования к энергосистеме возрастают. Учитывая перспективы намечаемого роста экономики страны, требуется рассмотрение вариантов дальнейшего развития энергетики и, в первую очередь, электроэнергетики [1]. Формирование правильных направлений развития электроэнергетики может быть осуществлено на основе детальных исследований стационарных и переходных режимов электроэнергетической системы, в том числе статической устойчивости. При этом необходим учет комплекса факторов, структуры и возможного состояния электроэнергетической системы. Исходными являются заданные требования к энергосистеме и, соответственно, к оборудованию и системам управления.

При моделировании режимов высоковольтных сетей за основу была взята база данных, содержащая информацию по энергосистемам Молдовы и Украины. Для выполнения расчета установившегося режима работы энергосистемы используется программа «RatsrWin». Расчеты проведены для режима зимнего максимума нагрузки 2008 г., который соответствует уровню нагрузок 2011-2012 гг.

При расчетах режимов энергосистемы Молдовы учтены существующие высоковольтные сети 110-330 кВ Молдавской ЭС и смежные с ними сети 110-330 кВ юго-западных районов ОЭС Украины (Винница), юго-западных районов Южной энергосистемы ОЭС Украины (Одесса) и собственные генерирующие источники. Это позволило оценить характеристики энергосистемы, уровни потерь, величины перетоков мощности, транзитные возможности энергосистемы и сформулировать новые задачи по управлению параметрами режимов межсистемных и внутрисистемных высоковольтных связей, а также основные требования к устройствам регулирования перетоков мощности и поддержания параметров режимов на заданном уровне.

Анализ статической устойчивости энергосистем включает в себя проверку статической устойчивости заданного режима, нахождения предельных по статической устойчивости режимов, определение области статической устойчивости энергосистемы в контролируемых координатах режима. В нашем случае такими координатами являются перетоки активной мощности по контролируемым сечениям и напряжения в контрольных узлах схемы.

Вычисление предельного по статической устойчивости перетока в сечении осуществляется утяжелением режима (увеличением перетока). Будем постепенно утяжелять режим, увеличивая нагрузку энергосистемы. Изменения режима будут продолжаться до нарушения статической устойчивости. Одним из основных признаков нарушения устойчивости при утяжелении режима является снижение напряжения в одном или нескольких узлах схемы ниже допустимого. Этот принцип можно использовать для остановки процесса утяжеления.

Исследование установившихся режимов энергосистемы Молдовы при существующей схеме сетей при увеличении нагрузки до предельной величины

В расчетах принимаются варианты схем энергосистемы (таблица 1): исходная схема, (все сетевые элементы, определяющие устойчивость, находятся в работе, по состоянию нагрузок и генерации на период 2012 г.); схема с увеличенной нагрузкой в Молдавской энергосистеме в 1,2 раза; в 1,4 раза, в 1,5 раза, в 1,6 раза.

Таблица 1. Сравниваемые показатели при различных вариантах расчета

В целом по Молдове Всего по Украине

Рген Рнаг Dp Рпотр Рвн Рген Рнаг Dp Рпотр Рвн

Исходный режим 847 1218 18,14 1238 -391 25054 24503 160,9 24663 390

1,2Рн 847 1451 23,92 1476 -630 25315 24503 183,5 24686 629

1,4Рн 847 1647 32,05 1681 -834 25548 24503 212,89 24715 833

1,5Рн 847 1733 38,01 1770 -924 25660 24503 233,15 24737 924

1,6Рн 847 1804 46,74 1851 -100 25769 24503 261,24 24763 1005

Моделирование выполнено при существующей структуре электрических сетей и генерирующих источников (рис.1).

Таблица 2. Перетоки по линиям при различных вариантах нагрузки по Молдове

Наименование Нормальный режим 1,2Рн 1,4Рн 1,5Рн 1,6Рн

330 кВ

Бэлць - Дн.ГЭС 155,9+|18,5 194+j 12 228+j44 244+j62 259+j83

Рыбница 1 - Котовск 88,4+|12,9 108+j7 125+j32 132+j 39 139+j49

Рыбница 2 - Котовск 128,5+|25,1 156+j24 181+j50 192+j59 203+j70

МГРЭС - Котовск 64,4-|46,9 73-І11 79+j 8 81+115 83+j25

МГРЭС - Н.Одесская 11-1174,8 58-Ї180 96-|50 112-|129 126-Ї101

МГРЭС - Усатово 133,5^139,8 196-|143 242-Ї107 262-|82 279-|48

МГРЭС - Арциз -82+j 15,2 -83+j22 -84+j15 -85+j10 -85+j4

Итого: 499,7-і289,8 702-І269 867-І1 938-І26 1004+І82

110 кВ

Дн. ГЭС - БСЗ -21,5+|4,3 -29+|3 -35-11 -39-13 -42-16

Окница - Шахты 12-|4,9 18-|4 23-|1 26+j0 28+j2

Немия - Отачь -10,2+|4,6 -15+14 -19+12 -21+11 -23-11

Васильевка - Кр. Окна 2,6-|17,8 3-|18 9-|15 12-|13 14-|4

МГРЭС - Староказачье -28-113 -25-113 -22-|12 -20-111 -19-110

МГРЭС - Беляевка -8,6-|5,3 -5-|6 -1-|5 0,7-|5,5 2,4-|4

Продолжение таблицы 2

Вулкэнешть - Болград 1 -23-| -23-| -23+| 1 -23-|0 -23-|0

Вулкэнешть - р-н Рени -14,4+|3 -16-|4 -17-|4 -17-|4 -18-|5

Етулия - Буджак -6-|1,3 -6-|1 -6-|2 -6-|2 -6-|2

Итого: -97,1-]31,4 -98-І40 -91-І35 -87,3-і37,5 -86,8-і40

Всего 330+110кВ 402,6-і321,2 604-І309 776-І36 850,7-і63,5 917,4+і42

Рис. 1. Схема Молдавской энергосистемы 330 кВ

Исследование установившихся режимов энергосистемы Молдовы при введении второй цепи 330 кВ Кишинев -Стрэшень - Бэлць - Днестровская ГЭС и при увеличении нагрузки в энергосистеме до предельной величины

Рассмотрим вариант введения в работу второй цепи межсистемной линии электропередачи Бэлць - Днестровская ГЭС-330 кВ и внутрисистемных Бэлць-330 кВ -Стрэшень-330 кВ, Стрэшень-330 кВ - Кишинев-330 кВ (рис. 2).

Это позволит оценить характеристики энергосистемы, уровни потерь, величины перетоков мощности, а также выявить предельные установившиеся режимы энергосистемы. Расчеты, как и в предыдущем случае, проведены для пяти режимов при различных нагрузках Рн в энергосистеме Молдовы.

Рис. 2. Схема Молдавской энергосистемы при введении новых линий Днестровская ГЭС - Бэлць - Стрэшень - Кишинев -330 кВ

В соответсвии со схемой, приведенной на рис.2 составлены таблицы 2, 3, в которых приведены перетоки по линиям.

Таблица 3. Перетоки по линиям при различных вариантах нагрузки по Молдове при введении в схему сети новой линии Бэлць - Днестровская ГЭС-330 кВ

Наименование Нормальный режим 1,2Рн 1,5Рн 1,6Рн 1,7Рн

330 кВ

Бэлць - Дн.ГЭС 96-j 1 121+j7 155+j34 165+j46 175+j 62

Бэлць - Дн.ГЭС 96-j 1 121+j7 155+j34 165+j46 175+j 62

Рыбница 1 - Котовск 85+j 12 104+j 16 129+j33 136+j40 142+j51

Рыбница 2 - Котовск 125+j24 152+j 31 189+j53 200+j62 210+j74

МГРЭС - Котовск 57+j 13 64-j4 71+j6 72+j 14 73+j23

МГРЭС - Н.Одесская 6-j 159 52-j 179 109-j 154 125-j 132 136-j 102

МГРЭС - Усатово 126-j 118 188-j 143 260-j 113 278-j86 292-j49

МГРЭС - Арциз -82+j24 -83+j22 -84+j 14 -85+j9 -86-j2

Итого: 5G9+j224 719-j243 984-j93 1G56-j1 1117+j119

110 кВ

Дн.ГЭС - БСЗ -19-j 5 -26+j3 -34-j2 -37-j4 -39-j7

Окница - Шахты 9-j5 14-j4 21-j1 23+j 1 25+j2

Немия - Отачь -8+j5 -12+j4 -18+j 1 -19 -21-j1

Васильевка - Кр.Окна -4-j 17 2-j 19 10-j 15 12-j 13 15-j11

МГРЭС - Староказачье -29-j 13 -25-j 13 -21-j12 -19-j 11 -18-j 10

МГРЭС - Беляевка -9-j5 -5-j6 -j6 2-j5 3-j4

Вулкэнешть - Болград 1 -23 -23 -23 -23 -23

Вулкэнешть - р-н Рени -14-j3 -16-j4 -18-j4 -18-j5 -18-j5

Етулия - Буджак -8-j 1 -8-j 1 -9-j2 -9-j2 -9-j2

Итого: -1G5-j34 -99-j4G -92-j41 -88-j39 -85-j38

Всего 330+110кВ 4G4+j19G 62G-j283 892-j134 968-j4G 1G32+j81

Ниже, на рис. 3-6 показаны потери в энергосистеме при одноцепном и двухцепном транзите Днестровская ГЭС - Бэлць-330кВ при различных вариантах нагрузки в Молдавской энергосистеме.

Рис. 3. Потери в энергосистеме по Молдове в нормальном режиме

Рис. 5. Потери в энергосистеме при увеличении нагрузки по Молдове в 1,5 раза

5

4

I- 3 со

1 2 1 о

1,2Рн

иииииииио

(Т>ГП{Т>(Т><Т>(Т>(Т>(Т>ГГ>ГГ>

IV» и

и

со ьс 2

(V) ГГ»

й й гп гг»

и гг

Рис. 4. Потери в энергосистеме при увеличении нагрузки по Молдове в 1,2 раза

1,6Рн

>рр

Эр2ц

Рис. 6. Потери в энергосистеме при увеличении нагрузки по Молдове в 1,6 раза

Исходя из методических указаний [2], можно определить предельно допустимые нагрузки в энергосистеме при заданной структуре и уровнях генерации, при условии сохранения в синхронной работе источников и межсистемных связей, используя следующие коэффициенты:

• коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности

Коэффициент запаса статической

Кр = Рпр ~

Рпр

где Рпр - предельный переток активной мощности в рассматриваемом сечении по

апериодической статической устойчивости;

Р - переток в сечении в рассматриваемом режиме, Р>0;

АР - амплитуда нерегулярных колебаний активной мощности в этом сечении. Расчетная амплитуда нерегулярных колебаний активной мощности сечения может быть определена по выражению:

АР„„ = К

У

Рн1 Х Рн 2

Р + Р

1 н 2

где Рм1, Рн 2 - суммарные мощности нагрузки с каждой из сторон рассматриваемого

сечения, МВт; коэффициент К принимается равным 1,5 при ручном регулировании и 0,75 при автоматическом регулировании (ограничении) перетока мощности в сечении.

• коэффициент запаса по напряжению

Значения коэффициента запаса по напряжению Ки относятся к узлам нагрузки и вычисляются по формуле:

К = ,

“ и

где и - напряжение в узле в рассматриваемом режиме;

-кр - критическое напряжение в узлах нагрузки 110 кВ и выше.

По условиям устойчивости энергосистем нормируются минимальные коэффициенты запаса статической апериодической устойчивости по активной мощности в сечениях и по напряжению в узлах нагрузки.

Показатели устойчивости должны быть не ниже, приведенных в таблице 4.

Таблица 4. Г оказатели устойчивости энергосистемы

Режим, переток в сечении Минимальные коэффициенты запаса по активной мощности Минимальные коэффициенты запаса по напряжению

Нормальный 0,20 0,15

Утяжеленный 0,20 0,15

Вынужденный 0,08 0,10

Результаты расчета статической устойчивости энергосистемы

По формулам,приведенным выше, были проведены расчеты коэффициента запаса статической устойчивости по активной мощностии и коэффициента запаса по напряжению для рассматриваемых режимов. Результаты расчетов приведены в таблице 5.

Таблица 5. Коэффициенты запаса статической устойчивости

Наименование параметра Нормальный режим Режим при 1,2 Рнаг Режим при 1,4 Рнаг Режим при 1,5 Рнаг

Кр 0,533 0,311 0,12 0,038

Ки 0.143 0.141 0,09 0.056

Как видно из таблицы 5, режим энергосистемы при увеличении нагрузки в 1,5 раза не проходит по запасу статической устойчивости.

На рис. 7 приведены графики зависимости коэффициента запаса по активной мощности и коэффициента запаса по напряжению для варианта одноцепного транзита Днестровская ГЭС - Бэлць-330 кВ.

Из данных, приведенных в таблице 6 и на графике 7, видно, что нагрузка энергосистемы Молдовы при существующей схеме электрических сетей 330 кВ по пределу статической устойчивости не должна превышать следующих значений по отношению к исходной величине Рнаг=1218 МВт:

- по активной мощности (при Кр=0,2), Рт=1,32 Рнаг=1607 МВт;

- по напряжению (при Ки=0,15), Рт=1,24 Рнаг=1510 МВт.

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

Ь 0,533

к 0.311

1 0,143 0,141 кО, 12

0,09 0,056 f 0,038

•Кр

Ки

ИСХОДНЫЙ

1,2Рн

1,4Рн

1,5 Рн

Рис .7. Графики зависимости коэффициента запаса по активной мощности и коэффициента запаса по напряжению

В случае, если будет введена вторая цепь ВЛ-330 кВ Бэлць - Гр.1 - ДнГЭС, запас по статической устойчивости увеличится и, как следует из таблицы 6 и рис. 8. составит:

- по активной мощности Рт=1,38 Рнаг=1680 МВт;

- по напряжению Рт=1,27 Рнаг=1546 МВт.

Таблица 6. Коэффициенты запаса статической устойчивости

Наименование параметра Нормальный режим Режим при 1,2 Рнаг Режим при 1,5 Рнаг Режим при 1,6 Рнаг

Кр 0,58 0,37 0,128 0,031

Ки 0,154 0,154 0,101 0,062

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

ОД

0,58

0,37

1 0,154 0,154 0,128

0,101 0,062 0,031

Кр2ц

Ки2ц

исходный

1,2 Рн

1,5 Рн

1,6Рн

Рис. 8. Графики зависимости коэффициента запаса по активной мощности и коэффициента запаса по напряжению для варианта двухцепного транзита Днестровская ГЭС - Бэлць-330 кВ

Для наглядного сравнения коэффициенты запаса по активной мощности и по напряжению для вариантов одноцепного и двухцепного транзитов сопоставлены с нормативными показателями устойчивости на рис. 9 и 10 соответственно.

Рис. 9. Коэффициенты запаса по активной мощности

Рис. 10. Коэффициенты запаса по напряжению

В работе также был рассчитан запас статической устойчивости для варианта одноцепного транзита в случае потери связи Днестровская ГЭС - Бэлць-330 кВ (п-1) (см. рис. 11-12).

Рис. 11. Коэффициенты запаса по активной мощности

В случае отключения ВЛ-330 кВ Днестровская ГЭС - Бэлць в исходной схеме предел мощности по уровню снижения напряжения составит Ки=1,12, т.е.

Рт=1,12 • 1218 = 1364 МВт.

й нормальный X вынужденный

Рис. 12. Коэффициенты запаса по напряжению

Выводы

В работе определен запас статической устойчивости при различных стратегиях развития межсистемных высоковольтных связей энергосистемы Молдовы.

Для варианта схемы энергосистемы одноцепного транзита Днестровская ГЭС-Бэлць- Стрэшень - Кишинев 330 кВ расчеты показали, что постепенное увеличение нагрузки в энергосистеме Молдовы с 1218МВт до 1647МВт (в 1,4 раза) не нарушает статической устойчивости энергосистемы. Для варианта двухцепного транзита предел статической устойчивости системы достигает уровня полуторакратного увеличения нагрузки (до 1762МВт).

Таким образом, введение в работу второй цепи Днестровская ГЭС- Бэлць-Стрэшень - Кишинев 330 кВ создает возможности увеличения транзитных перетоков мощности. Достигаемые при этом улучшения режимных параметров объединенной энергосистемы обеспечивают снижение общесистемных потерь мощности.

Полученные результаты могут быть полезны для оценки состояния режимов и технических характеристик энергосистемы при работе ее в настоящее время и с учетом новых требований, связанных с перспективами развития.

Литература

[1] Моделирование вариантов развития электроэнергетической системы Республики Молдова с учетом параллельной работы с энергосистемами соседних стран. Постолатий В.М., Голуб И.В., Быкова Е.В., Шевченко Н.К.,Суслов В.М., Горе НС. "Problemele energeticii regionale». № 1(15), 2011.

[2] Методические указания по устойчивости энергосистем. Москва, изд-во "НЦЭНАС", 2004г.,9с.

[3] Probabilistic static voltage stability security assessment for power transmission system Dongtao Wang; Yixin Yu Power and Energy Engineering Conference(APPEEC), 2010 Asia-Pacific Publication Year: 2010, Page(s): 1 - 4

n-1

исходный 1,2Рн 1,4Ph

[4] K.S.Pandya, 2S.K.Joshi A SURVEY OF OPTIMAL POWER FLOW METHODS Journal of Theoretical and Applied Information Technology Page(s):450-458

[5] ThanhLong Duong , Yao JianGang , VietAnh Truong A new method for secured optimal power flow under normal and network contingencies via optimal location of TCSC Electrical Power and Energy Systems 52 (2013) 68-80.

Сведения об авторах:

Постолатий Виталий Михайлович, заведующий Лабораторией управляемых электропередач Института энергетики Академии наук Молдовы; доктор технических наук, академик АН Молдовы. Область научных интересов: энергетические системы, управляемые линии электропередачи переменного тока повышенной пропускной способности, проблемы передачи энергии, режимы энергетических систем, переходные электромеханические процессы, электрические станции, теплоэнергетика, экономика энергетики, вопросы управления энергетическим комплексом.

Голуб Ирина Владимировна окончила Кишиневский политехнический институт в 1989 году. Область научных интересов связана с исследованиями режимов энергосистем, управляемых линий электропередачи переменного тока повышенной пропускной способности.