СИСТЕМА МОНИТОРИНГА ЗАПАСОВ УСТОЙЧИВОСТИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
SYSTEM FOR MONITORING STABILITY MARGIN OF ELECTRICAL POWER SYSTEM

Изобретение относится к информационно-измерительной и вычислительной технике и может быть использовано для выработки решений при оперативно-диспетчерском управлении режимами энергосистем, основываясь на выборе опасных сечений и определении максимально-допустимых перетоков по параметрам текущего режима электроэнергетической системы.
В процессе оперативно-диспетчерского управления режимами электроэнергетической системы (ЭЭС) учитываются ограничения перетоков мощности, определяемые пропускной способностью электрической сети. При планировании режимов допустимые перетоки рассчитываются с помощью традиционных методов и, как правило, определяются величинами, полученными для наиболее неблагоприятных расчетных условий. Это приводит к необоснованным ограничениям перетоков мощности, отступлению от оптимальных условий ведения режима и, в результате, к снижению экономических показателей энергосистем. Проблема осложняется еще и тем, что для всего многообразия схемно-режимных ситуаций невозможно заранее определить ограничения перетоков мощности. Одним из путей решения этой проблемы является их вычисление в условиях реального времени с помощью устройства для определения опасных сечений в системообразующей сети и их пропускной способности при адаптивной реакции на изменения схемы и режима электроэнергетической системы. Задачей, на решение которой направлена предложенная полезная модель, является его разработка.
Известно устройство для регистрации параметров переходных процессов изменения напряжения и тока в электрических сетях при авариях, содержащее группу аналоговых датчиков, группу цифровых датчиков, многоканальные первый аналоговый и второй цифровой коммутаторы, формирователь модуля, нуль-орган, источник опорных напряжений, дешифратор, первое, второе и третье оперативные запоминающие устройства, постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, таймер, первый-четвертый одноканальные аналоговые коммутаторы, аналого-цифровой преобразователь, первый и второй аналоговые компараторы, регистр, первый-пятый счетчики, первый-третий триггеры, элемент И-НЕ, первый-пятый элементы И, первый-четвертый элементы ИЛИ, первый-шестнадцатый одновибраторы, числовой компаратор и генератор тактовых импульсов [RU 2376625, C1, G06F 17/40, 20.12.2009].
Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности.
Известно также устройство дистанционного контроля за параметрами тока и напряжения в высоковольтной части электроэнергетических систем, включая контроль за переходными процессами в этих системах, содержащее подключенный к высоковольтной сети высоковольтный измерительный модуль, включающий в себя магнитно-связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью пассивный преобразователь сетевого напряжения, причем высоковольтный измерительный модуль содержит блок вторичного электропитания, подключенные к блоку вторичного электропитания, магнитно-связанный с высоковольтной сетью низковольтный питающий трансформатор тока и/или электрически связанный с высоковольтной сетью и включенный в цепь пассивного преобразователя сетевого напряжения низковольтный питающий трансформатор напряжения с фильтрующим конденсатором, шунтирующим первичную обмотку, и параллельным ему демпфирующим резистором, активный преобразователь сигналов измерительной информации, соединенный с пассивным преобразователем сетевого тока и/или пассивным преобразователем сетевого напряжения и блоком вторичного электропитания и имеющий радиочастотный и/или оптический выходы для преобразованных сигналов измерительной информации, а пассивный преобразователь сетевого напряжения выполнен в виде последовательно соединенных высоковольтного опорного конденсатора и низковольтного плеча, причем, все элементы высоковольтного измерительного модуля, кроме высоковольтного опорного конденсатора, помещены в электрический экран, соединенный с сетевым проводом через дроссель и параллельный ему демпфирующий резистор [RU 2143165, C1, H02J 13/00, 20.12.1999].
Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство, содержащее группу аналоговых датчиков, группу цифровых датчиков, аналоговый и цифровой коммутаторы, первый-четвертый счетчики, группу оперативных запоминающих устройств, постоянное запоминающее устройство, микроконтроллер, таймер, регистр, аналого-цифровой преобразователь, генератор тактовых импульсов, D-триггеры, первый-четвертый одновибраторы [RU 2402067, C1, G06F 17/40, 20.10.2010].
Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, поскольку при регистрации параметров переходных процессов в системах электроснабжения оно не позволяет, в частности, определить и максимальные, и аварийно допустимые перетоки в опасных сечениях электроэнергетических систем.
Задача, на решение которой направлено предложенное изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей известного технического решения путем обеспечении возможности наряду с выполнением других функций, выполнение также функции определения максимальных и аварийно допустимых перетоков в опасных сечениях электроэнергетических систем.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей устройства путем использования дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих наряду с выполнением функций регистрации параметров переходных процессов в системах электроснабжения выполнение и дополнительных функций, в частности, определения максимальных и аварийно допустимых перетоков в опасных сечениях электроэнергетических систем.
Требуемый технический результат достигается тем, что в систему, содержащую группу оперативных запоминающих устройств, группу цифровых датчиков и запоминающее устройство, согласно предложенному изобретению, введены блок сбора и обработки данных, входы которого соединены с выходами оперативных запоминающих устройств группы, блок оценки состояния электроэнергетической системы, входы которого соединены с выходом блока сбора и обработки данных и с выходами цифровых датчиков группы, являющимися датчиками системы телеизмерений, а также последовательно соединенные блок определения предельных режимов, вход которого соединен с выходом блока оценки состояния электроэнергетической системы, блок определения опасных сечений и блок определения максимально допустимых и аварийно допустимых перетоков, выход которого соединен с входом запоминающего устройства.
На чертеже представлена функциональная схема системы мониторинга запасов устойчивости электроэнергетической системы.
Система мониторинга запасов устойчивости электроэнергетической системы содержит группу 1-1…1-n оперативных запоминающих устройств, группу 2-1…2-n цифровых датчиков телеметрии и запоминающее устройство 3.
Кроме того, система мониторинга запасов устойчивости электроэнергетической системы содержит также блок 4 сбора и обработки данных, входы которого соединены с выходами оперативных запоминающих устройств 1-1…1-n группы, блок 5 оценки состояния электроэнергетической системы, входы которого соединены с выходом блока 4 сбора и обработки данных и с выходами цифровых датчиков 2-1…2-n группы, являющихся датчиками системы телеизмерений, а также последовательно соединенные блок 6 определения предельных режимов, вход которого соединен с выходом блока оценки состояния электроэнергетической системы, блок 7 определения опасных сечений и блок 8 определения максимально допустимых и аварийно допустимых перетоков, выход которого соединен с входом запоминающего устройства 3.
Предложенное техническое решение содержит в себе элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма реализации предполагает использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже при описании его работы представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного технического решения функции, в частности, алгоритмы и соответствующие математические выражения.
Система мониторинга запасов устойчивости электроэнергетической системы работает следующим образом.
В настоящее время на объектах энергообъединений установлены цифровые регистраторы параметров электрического режима, результаты измерений которых, как правило, синхронизированы по времени с помощью спутниковой системы глобального позиционирования (GPS) и объединены, в частности, в систему мониторинга переходных режимов (СМПР). В связи с внедрением СМПР появилась возможность использования в оценивании состояния электроэнергетической системы (ЭЭС), осуществляемого блоком 5, результатов измерений разностей фаз напряжений между объектами, на которых эти устройства установлены. Предлагаемая система мониторинга запасов устойчивости электроэнергетической системы позволяет определять опасные сечения в текущей схеме основной сети, определять максимальные и аварийные допустимые перетоки в опасных сечениях по условиям статической устойчивости и прогнозировать пропускную способность опасных сечений в различных схемно-режимных ситуациях.
Такие функции предложенной системы реализуются следующим образом.
В оперативные запоминающие устройства 1-1…1-n группы поступают результаты измерений цифровых регистраторов параметров электрического режима, которые, как правило, синхронизированы по времени с помощью спутниковой системы глобального позиционирования (GPS) и объединены, в частности, в систему мониторинга переходных режимов (СМПР). Эти результаты используются в блоке 4 обработки данных, в котором обеспечивается:
- сбор и хранение данных параметров режима: δ (фазный угол), U (напряжение), I (ток), P (активная мощность), Q (реактивная мощность), T (астрономическое время), полученных от измерительных устройств в режиме реального времени;
- архивирование результатов измерений с заданной периодичностью;
- возможность предоставления выборки параметров режима на заданном интервале времени по запросу.
Результирующий сигнал из блока 4 поступает в блок 5 оценки состояния электроэнергетической системы, в котором с использованием результатов векторной регистрации параметров от оперативных запоминающих устройств 1-1…1-n группы и результатов телеизмерений от цифровых датчиков 2-1…2-n группы решается задача оценивания состояния.
Состояние электроэнергетической системы оценивается проверкой топологии сети и по параметрам режима, рассчитанным с помощью телеметрической информации и данных регистраторов СМПР.
В качестве основы алгоритма оценивания состояния используется метод взвешенных наименьших квадратов. Сбалансированный электрический режим определяется в результате минимизации следующей целевой функции:
где n - число измерений;
i
z - значение i-го измерения;
- функция, отражающая зависимость между i-м измерением и независимыми параметрами - составляющими комплексных узловых напряжений;
i
r - весовой коэффициент, характеризующий точность i-го измерения.
При решении задач, связанных с расчетами электрических режимов, в качестве независимых параметров используются, как правило, модули и фазы напряжений. Технология векторного измерения параметров режима, реализуемая в СМПР, позволяет расширить список получаемых для оценивания состояния параметров за счет учета фаз напряжений в различных узловых точках энергосистемы. Ранее данный параметр был не доступен.
В блоке 6 решается задача определения предельных режимов (ПР).
Задача определения ПР решается с помощью утяжеления режима - увеличения мощности, протекающей по определенным сечениям путем увеличения генерирующей мощности определенного набора электростанций на одном конце сечения и увеличения мощности нагрузки на другом конце. Под сечением понимается совокупность элементов сети (линий и трансформаторов), отключение которых приводит к полному разделению энергосистемы на две изолированные части.
Каждый вариант утяжеления режима, называемый вектором изменения режима (ВИР), определяется в координатах перетоков активной мощности на определенном линейном участке. В данном случае вектор изменения режима обозначается ВИРМ.
Критерием достижения ПР является сходимость итерационного процесса решения нелинейных уравнений установившегося режима (УР)
Уравнения УР в форме баланса токов в узлах в комплексной форме имеют вид
где: U - вектор неизвестных узловых напряжений;
А - квадратная матрица проводимостей сети включает в диагональных элементах проводимости генераторов и нагрузок в исходном режиме, определяемых для i-x узлов как ,
i
гi
b - вектор правой части с элементами вида 0 или E*Y (для генераторных узлов).
Для заданных векторов ЭДС уравнение (1) решается с помощью итерационной формулы
нагр
где dA - диагональная матрица того же размера, что и А, с добавками проводимостей нагрузки, определяемых как
,
где  - сопряженный комплекс мощности нагрузки, определяется по статическим характеристикам для напряжения, рассчитанного на j-1 итерации.
Критерием останова итераций является близость решений на итерациях по активной и реактивной мощности нагрузки в узлах с контролем точности решения уравнения (2).
Прогноз ПАР на основе линеаризованных относительно изменений фаз напряжений уравнений изменений баланса мощности в узлах схемы базируется на следующих допущениях
- величины напряжений в узлах схемы в послеаварийном режиме не изменяются относительно доаварийных значений;
- нелинейная функция перетока активной мощности в общем случае трансформаторной ветви схемы от разности фаз напряжений по ее концам i, j линеаризуется в виде:
Здесь , , ,  - модули соответственно коэффициента трансформации ветви, напряжений в узлах i и j ветви, проводимости;
ij
i
j
δ=δ-δ - разность фаз напряжений.
ij
Для повышения точности осуществляемого прогноза уравнения баланса записываются относительно приращений фаз напряжений dδ и, соответственно, перетоков активной мощности в ветвях dP в виде
связывающем изменение фаз напряжений (вектор dδ) и разности между требуемой мощностью в узле (мощность турбины минус мощность нагрузки) и рассчитанной на шаге итерации узловой мощностью (электрической мощностью генератора минус мощность нагрузки), представляющей собой вектор D. Элементами матрицы C являются значения выражений , вычисляемые по параметрам исходного оцененного режима.
Расчет УР по ВИРМ сводится к итерационному совместному решению уравнений (2) и (3).
В блоке 7 определяются опасные сечения (ОС). Для определения ОС применяется вектор изменения режима по углу (ВИРУ). Это такой вариант утяжеления режима, когда увеличивается угол между векторами напряжений по концам сечения.
Ветви расчетной схемы, образующие ОС, выявляются по следующим критериям:
- по условию устойчивости параллельной работы синхронных машин: наличия электрического центра качаний (ЭЦК) при первом асинхронном провороте в динамическом переходном процессе или при достаточном изменении ВИРУ при статических изменениях режима;
- по условию устойчивости нагрузки: снижения напряжения хотя бы в одном из узлов ветви ниже критического значения.
Утяжеление вдоль ВИРУ ведется до тех пор, пока отмеченные по указанным критериям ветви не разделяют схему на две части.
Эти ветви и принимаются в качестве образующих искомое ОС.
Максимально допустимые перетоки активной мощности (МДП) могут быть определены, например, в соответствии с Методическими указаниями по устойчивости энергосистем [1]. МДП определяются для идентифицированных предельных режимов и опасных сечений с учетом:
- управляющих воздействий (УВ) при имитации срабатывания пускового органа противоаварийной автоматики (отключение одной ЛЭП) для обеспечения результирующей устойчивости и послеаварийного режима с параметрами, удовлетворяющими требованиям Методических указаний по устойчивости энергосистем;
- необходимости обеспечения необходимых запасов по напряжению в узлах схемы и отсутствия перегрузки по току или активной мощности в сетевых элементах.
Аварийно допустимые перетоки отличаются от МДП тем, что при их определении в соответствии с Методическими указаниями по устойчивости энергосистем используется коэффициент запаса статической устойчивости по активной мощности, равный 0,08 (вместо 0,2 в нормальном режиме).
После определения максимально и аварийно допустимых перетоков в ОС формируется база данных, размещаемая в запоминающем устройстве 3 и позволяющая обеспечить управление электрическим режимом с максимальным использованием пропускной способности сети в различных схемно-режимных ситуациях.
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств (в частности, тем, что введены блок сбора и обработки данных, входы которого соединены с выходами оперативных запоминающих устройств группы, блок оценки состояния электроэнергетической системы, входы которого соединены с выходом блока сбора и обработки данных и с выходами цифровых датчиков группы, являющимися датчиками системы телеизмерений, а также последовательно соединенных блока определения предельных режимов, вход которого соединен с выходом блока оценки состояния электроэнергетической системы, блока определения опасных сечений и блока определения максимально допустимых и аварийно допустимых перетоков, выход которого соединен с входом запоминающего устройства), достигается требуемый технический результат, связанный с расширением функциональных возможностей системы, поскольку наряду с выполнением других функций по регистрации параметров переходных процессов, обеспечивается и определение максимальных и аварийно допустимых перетоков в опасных сечениях электроэнергетических систем.
Литература
1. Методические указания по устойчивости энергосистем. - М.: Изд-во НЦЭНАС, 2004. - 16 с.