Способ регулирования частоты в электроэнергетических системах
FREQUENCY CONTROL METHOD IN ELECTRIC POWER SYSTEMS

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано в электроэнергетических системах, электрических сетях с распределенной генерацией для автоматического поддержания сбалансированности нормального режима по активной мощности при изменениях нагрузки и выдаваемой электростанциями мощности.
Известен способ регулирования частоты в энергосистемах (Operation hand вook UCTE/ UCTE OH – Policy 1: Load – Frequency Control – Final version (approved by SC jn 19 March 2009) B. Secondary Control) при котором в энергосистеме выделяется несколько областей регулирования. Первичное (статическое) регулирование частоты с требуемым статизмом и временем ввода резерва первичного регулирования осуществляют регуляторы скорости на всех электростанциях энергосистемы, а вторичное астатическое регулирование сальдо перетоков по внешним связям осуществляется  внутри каждой из областей регулирования, входящих в энергосистему, причем к регулированию баланса (частоты) внутри области регулирования привлекается электростанция только в том случае, если отклонение баланса вызвано изменением нагрузки в ней самой. Способ основан на следующем свойстве энергосистем.
Если в какой-либо области регулирования изменилась нагрузка, то в ней уменьшению частоты сопутствует уменьшение сальдо перетоков по внешним связям, в то время как в остальных областях снижению частоты сопутствует увеличение сальдо перетоков мощности по внешним связям. Это объясняется тем, что все энергоблоки энергосистемы, имея на электростанциях статическое регулирование, стремясь поддержать частоту, увеличивают выдаваемую мощность.
Таким образом, для области регулирования, в которой возникло изменение нагрузки, знак отклонения частоты и знак отклонения сальдо перетоков мощности по внешним связям от предшествующего изменению значения совпадают, а в остальных областях эти знаки противоположны.
В каждой области выделяется одна регулирующая станция, на которой реализуется астатическое регулирование частоты или обменной мощности, а также создается блокировка этого регулирования, срабатывающая при совпадении знаков отклонений частоты и обменного перетока мощности от предшествующего изменению значения.
При нарушении баланса мощности в какой-либо области регулирования знаки изменения частоты и обменной мощности совпадают, вторичное регулирование не блокируется и под действием астатического регулятора частоты увеличивается или уменьшается нагрузка на агрегатах регулирующей электростанции. В других областях регулирования знаки изменения частоты и обменной мощности противоположные и поэтому астатическое регулирование блокируется.
Однако указанный способ обладает следующими недостатками:
Для регулирования данным способом в каждой из областей регулирования требуется наличие телеканалов для передачи данных между подстанциями, от которых отходят линии внешних связей, и станцией, регулирующей частоту или обменный переток мощности.
При нарушениях в системе регулирования частоты ведущей электростанции или исчерпании резервов мощности, необходимых для увеличения или снижения загрузки электростанции, астатическое регулирование не осуществляется, что нарушает нормальные режимы энергосистемы и снижает качество электроэнергии по частоте.
Также известен способ регулирования частоты в энергосистемах (ГОСТ Р 55890-2013 Национальный стандарт Российской Федерации. Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Регулирование частоты и перетоков активной мощности. Нормы и требования) являющийся прототипом предлагаемого изобретения, при котором первичное (статическое) регулирование частоты с требуемым статизмом и временем ввода резерва первичного регулирования осуществляют регуляторы скорости на всех электростанциях энергосистемы, вторичное (астатическое) регулирование осуществляет назначенная единым центром управления одна электростанция (ведущая по частоте) со временем ввода требуемого резерва вторичного регулирования, значительно превышающим время ввода резервов первичного регулирования. Для увеличения резервов вторичного регулирования на ведущей по частоте электростанции единым центром управления дополнительно назначаются одна или несколько электростанций для осуществления вторичного регулирования по методу долевого участия в мощности ведущей по частоте электростанции. При исчерпании резерва вторичного регулирования на электростанции ведущей по частоте (на снижение или повышение частоты) с учетом его увеличения за счет регулирования мощности электростанций с долевым участием, единый центр управления осуществляет коррекцию заданий по мощности одной или нескольким электростанциям, не участвующим во вторичном регулировании, для загрузки или разгрузки электростанций, осуществляющих вторичное регулирование.
При назначении ведущей по частоте электростанции и помогающих ей электростанций при регулировании по методу долевого участия, коррекциях заданий по мощности другим электростанциям для восстановления резервов вторичного регулирования на загрузку или разгрузку единый центр управления получает информацию о возможностях электростанций по изменению режимов их работы, а также передает команды на их изменение по технологическим каналам телепередачи данных.
Однако указанный способ обладает следующими недостатками:
Необходимость в едином центре управления не позволяет использовать данный способ при отсутствии такого центра в энергосистемах и электрических сетях с распределенной малой генерацией.
При нарушениях передачи данных по каналам связи между ведущей по частоте электростанцией и электростанциями, участвующими в регулировании по методу долевого участия, их участие в регулировании становится невозможным.
При нарушениях передачи данных по каналам связи между единым центром управления и электростанциями, участвующими в восстановлении резервов вторичного регулирования, их использование для регулирования частоты становится невозможным.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является упрощение системы регулирования частоты и мощности в энергосистемах, повышение надежности ее работы.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе решения об участии в осуществлении вторичного регулирования, коррекции мощности для восстановления резервов вторичного регулирования и разрешении на изменение мощности электростанции принимаются устройством управления (контроллером), расположенном непосредственно на самой электростанции. При этом для работы этого устройства на нем создаются фиксированные по времени и синхронизированные для всех таких устройств на электростанциях энергосистемы такты времени двойной продолжительности по отношению ко времени ввода резервов вторичного регулирования. На каждом такте времени контроллер по характеру изменения частоты в энергосистеме идентифицирует класс состояния системы регулирования частоты из заданного множества, используя для этого условия принадлежности к тому или иному классу с учетом текущего и предшествующих классов и самостоятельно принимает решения о характере участия в регулировании частоты на основании общих для всех электростанций правил.
На Фиг.1 приведен пример схемы электрической сети энергосистемы с тремя электростанциями и контроллерами, представляющий реализацию предлагаемого способа.
На Фиг.2 приведен график изменения частоты в энергосистеме под воздействием возмущений в виде нарушений баланса активной мощности и реакций на эти изменения системы регулирования частоты и мощности.
Схема электрической сети энергосистемы с тремя электростанциями и контроллерами (фиг. 1), представляющая реализацию предлагаемого способа, содержит: генераторы энергоблоков электростанций 1, 2, 3, линии электропередачи 4, 5, 6, образующие электрическую сеть, нагрузки в узлах электрической сети 7, 8, 9, интеллектуальные контроллеры управления мощностью энергоблоков электростанций 10, 11, 12, каналы измерения частоты и выдаваемой генераторами энергоблоков мощности 13, 14, 15, каналы воздействия контроллеров на выдаваемую генераторами энергоблоков мощность 16, 17, 18.
В
А
На графике изменения частоты в энергосистеме под воздействием возмущений в виде нарушений баланса активной мощности и реакций на эти изменения системы регулирования частоты и мощности (фиг. 2) показаны номера синхронизированных для всех контроллеров (10-12 Фиг.1) тактовых интервалов времени 19-27, график изменения частоты в энергосистеме 28, верхняя 29 и нижняя 30 границы эффективного удержания частоты в ЭЭС вторичным регулированием, классы состояния системы регулирования частоты и мощности в энергосистеме (с модификациями), указатель участника регулирования частоты на такте времени и характера его участия (с модификациями).
Способ осуществляется следующим образом:
До ввода системы автоматического регулирования частоты в работу на контроллерах (10-12, Фиг.1) устанавливается приоритетность их использования для вторичного регулирования частоты, а также вводятся следующие параметры: единая для всех длительность тактов времени, синхронизируемых спутниками, времена ввода резервов первичного, вторичного регулирования, коррекции мощности для восстановления резервов вторичного регулирования.
С шин генераторов (1, 2, 3) по каналам измерения (13, 14, 15) в интеллектуальные контроллеры управления мощностью энергоблоков электростанций (10, 11, 12) постоянно поступают измеренные значения частоты. Интеллектуальные контроллеры управления мощностью энергоблоков электростанций (10, 11, 12) на основании заданных условий идентифицируют класс состояния системы регулирования частоты и по заданным правилам принимают решение о характере своего участия в регулировании частоты, переходя к астатическому регулированию, блокируя астатическое регулирование, производя коррекцию выдаваемой мощности для восстановления резервов вторичного регулирования в энергосистеме или переходя к изменению своей плановой выдаваемой мощности.
Для этого запускаются алгоритмы идентификации классов состояния системы регулирования частоты внутри такта времени и принятия решений по установленным единым правилам участия электростанций в поддержании баланса мощности в ЭЭС и разрешений на изменение их загрузки.
При принятии решений об участии электростанций в регулировании частоты и выдаваемой мощности контроллеры используют следующие классы состояния системы регулирования частоты и мощности, а также условия для их идентификации:
1. Эффективная работа вторичного регулирования в текущем такте времени (В)
В этом состоянии баланс активной мощности на большей части продолжительности такта времени поддерживается ведущей по частоте электростанцией, т.е. частота находится в зоне значений ее эффективного поддержания вторичным регулированием с суммарной длительностью 0.5 – 1.0 от длительности такта времени:
Δf  fуставки  Δfдоп. втор. рег.,
где fуставки – уставка вторичного регулирования частоты,
Δfдоп. втор. рег - допустимая погрешность восстановления частоты вторичным регулированием,
Δf - текущее значение частоты.
Неэффективная работа вторичного регулирования в текущем такте времени ()
В этом состоянии баланс активной мощности ведущей по частоте электростанцией на большей части продолжительности такта времени не поддерживается, т.е. не выполняется условие для класса состояния В.
2. Неэффективная работа вторичного регулирования в текущем такте времени с дефицитом активной мощности ()
Этот класс состояния соответствует отказу вторичного регулирования или исчерпанию резерва на повышение частоты при дефиците мощности в ЭЭС
Δf 0
с суммарной длительностью более 0.5 от длительности такта времени.
3. Неэффективная работа вторичного регулирования в текущем такте времени с избытком активной мощности ()
Этот класс состояния соответствует отказу вторичного регулирования или исчерпанию резерва на снижение частоты при избытке мощности в ЭЭС
Δf
с суммарной длительностью более 0.5 от длительности такта времени.
C+1
4. Необходимость блокировки вторичного регулирования на ведущей станции с последующим его вводом на второй в списке приоритетности электростанции ()
Этот класс состояния соответствует отказу вторичного регулирования с необходимостями блокирования на ранее выполнявшего его электростанции и вводе в работу на следующей по приоритету электростанции.
5. Необходимость блокировки вторичного регулирования на второй ведущей станции с последующим его вводом на электростанции третьей в списке приоритетности (C+2)
Этот класс состояния соответствует отказу вторичного регулирования с необходимостями блокирования на ранее выполнявшего его электростанции второй по приоритетности
6. Разрешение команд внешних систем на изменение выдаваемой электростанцией мощности внешними системами (D)
7. Разрешение команд внешних систем на увеличение выдаваемой электростанцией мощности ()
8. Разрешение команд внешних систем на снижение выдаваемой электростанцией мощности ()
9. Запрос на увеличение выдаваемой электростанцией мощности для восстановления резерва вторичного регулирования  ()
10. Запрос на снижение выдаваемой электростанцией мощности для восстановления резерва вторичного регулирования ()
Для управления электростанциями при осуществлении регулирования частоты и мощности в ЭЭС, а также разрешения изменения их плановой загрузки контроллеры используют следующие общие правила:
1. Все генераторы участвуют в первичном регулировании.
2. Для астатического (вторичного) регулирования используются электростанции с заблаговременно установленной приоритетностью их участия в регулировании.
3. При выявлении неэффективности вторичного регулирования длительностью более 2-х тактов, вторичное регулирование на электростанции прекращается.
4. При выявлении неэффективности вторичного регулирования на интервале времени заданной кратности такта времени для генераторов, включенных в ранжированный перечень их привлечения ко вторичному регулированию, вторичное регулирование вводится на соответствующей электростанции из этого перечня.
5. При одностороннем отклонении частоты на полном такте времени, на электростанциях, не входящих в перечень для участия во вторичном регулировании, запускается коррекция мощности, направленная на устранение возникшей несбалансированности режима, продолжительностью не более длительности такта времени. Фиксируется величина изменения мощности до восстановления частоты и производится дополнительное изменение заданной кратности по отношению к введенной до восстановления частоты для восстановления резерва мощности на ведущей по частоте электростанции.
6. Изменение загрузки электростанций, помимо воздействий для регулирования частоты, разрешается в двух случаях и со временем отработки не более длительности тактового интервала:
После выявления зависания отклонения частоты от уставки, разрешается изменение загрузки в направлении снижения этого отклонения.
После подтверждения эффективности вторичного регулирования на предшествующем такте времени.
После синхронизации электростанций и их включения на параллельную работу система регулирования частоты и мощности вводится в работу.
На первом и втором такте времени графика (19,20 Фиг. 2) частота удерживается электростанцией 1, ведущей по частоте (класс ), в коридоре эффективности вторичного регулирования, т.е. более половины такта времени, даже несмотря на то, что во втором такте возникло нарушение баланса мощности (класс ). На этих тактах времени контроллерами электростанций 2,3 разрешено изменение загрузки электростанций для такта 21 (при условиях сохранения эффективности вторичного регулирования), однако на такте 21 условие эффективности не выполнилось.
,
На третьем такте времени (21) контроллерами выявлена неэффективность вторичного регулирования с дефицитом активной мощности в ЭЭС (класс ). Электростанциям 2,3 на четвертом такте времени (22) дается задание на коррекцию мощности для восстановления резерва вторичного регулирования на электростанции 1. Увеличение загрузки этими электростанциями производится с фиксацией введенной мощности до восстановления номинальной частоты с последующей дополнительной загрузкой на величину с заданной кратностью по отношению к введенной (). После восстановления резерва вторичного регулирования на электростанции 1 частота в ЭЭС на четвертом такте времени (22) восстановилась (частота суммарно находится в коридоре эффективности вторичного регулирования более половины такта времени).
На 5-ом такте времени (23) контроллерами выявлена неэффективность вторичного регулирования с избытком активной мощности в ЭЭС (класс ). Электростанциям 2,3 на 6 такте времени (24) дается задание на коррекцию мощности для восстановления резерва вторичного регулирования на электростанции 1, а также разрешается снижение мощности.  При этом, допустим, что на 3-ей электростанции возникло отсутствие возможности снижения мощности, а на второй стало предпочтительным снижение загрузки электростанции (класс ).
Снижение загрузки электростанции 2 на 6-м такте времени (24) приводит к восстановлению резерва вторичного регулирования на электростанции 1 и эффективности вторичного регулирования (класс ).
На 7-ом (25) и 8-ом тактах времени (26) (двух подряд) контроллеры на электростанциях выявляют длительную неэффективность вторичного регулирования (), при этом на контроллере электростанции 1 вторичное регулирование выводится, а на следующей по приоритетности для вторичного регулирования электростанции 2 вводится ().
На 9-ом такте времени (27) контроллерами идентифицируется эффективное вторичное регулирование () в энергосистеме электростанций 2 ().
Таким образом, в отличие от прототипа, в предлагаемом способе регулирования частоты назначение и изменение ведущей по частоте электростанции, поддержание ее резервов мощности вторичного регулирования, разрешение и осуществление изменения плановой мощности на электростанциях энергосистемы осуществляется без централизованного управления и использования технологических каналов передачи данных, что упрощает систему регулирования частоты и повышает ее надежность.