Лекция. Принципы, структура и средства управления режимами энергосистем для обеспечения устойчивости
Содержание лекции: структура управления режимами энергосистем, противоаврийное управление для обеспечения устойчивости, принципы выбора противоаврийной автоматики уставки противоаврийной автоматики.
Цель лекции: ознакомить с задачами управления режимами энергосистем, со структурой и принципами противоаварийной автоматики для обеспечения устойчивости.
Управление режимами энергосистем для обеспечения их устойчивости состоит из ручного управления, автоматического регулирования и действия противоаварийной автоматики. В [3,10] изложены требования к устойчивости энергосистем.
Обеспечение устойчивости параллельной работы энергосистем является одной из наиболее важных задач, входящих в более общую задачу обеспечения живучести энергообъединений. Понятие живучести в энергетике появилось сравнительно недавно. Под термином «живучесть» понимают способность автоматически управляемой энергосистемы противостоять цепочечному развитию аварийных событий, т. е. развитию системной аварии большого масштаба. Такие аварии сопровождаются отключением значительной части потребителей и электростанций, разделением энергосистемы на несинхронно работающие отдельные районы с полным погашением части этих районов. Поскольку системные аварии наносят большой ущерб народному хозяйству, обеспечение живучести энергосистем является важной задачей проектирования и эксплуатации энергосистем. Помимо устойчивости параллельной работы для обеспечения живучести необходимы рациональное размещение резервов, надежная работа теплосилового оборудования электростанций в аварийных условиях и т. п.
Рассмотрим различные степени распространения нарушений и роль противоаварийной автоматики в обеспечении устойчивости параллельной работы энергосистем.
Повреждение одного или нескольких элементов и локализация поврежденного участка основными устройствами релейной защиты и автоматики без отключения существенной части потребителей и деления энергосистемы. Таких событий происходит более 100 000 ежегодно.
Отказ релейной защиты или выключателя и локализация аварии резервной защитой, автоматикой и устройством резервирования отказов выключателей (примерно 0,5% всех повреждений).
Нарушение синхронизма по одному сечению с ресинхронизацией или делением без существенного отключения нагрузки (несколько сотен ежегодно).
Каскадное нарушение синхронизма, которое ликвидируется устройствами делительной автоматики и не сопровождается существенным отключением нагрузки (несколько событий в год).
Отключение части нагрузки автоматикой при понижении частоты или напряжения (несколько десятков событий в год).
Дополнительная потеря значительной мощности тепловых электростанций (несколько событий ежегодно).
Длительный асинхронный ход вследствие того, что не произошла ресинхронизация и отказала делительная автоматика или выключатель (единичные события).
Длительное понижение (лавина) напряжения в основной сети вследствие того, что не отключилось к. з., нарушилась устойчивость части нагрузки и т. п. (единичные события).
Разделение энергосистемы или энергообъединения на отдельные части с погашением ряда электростанций и отключением значительной части (более 10%) потребителей (редкие события).
Разделение Единой энергетической системы (ЕЭС) на отдельные части с отключением более 10% потребителей.
Из приведенных данных видно, что, несмотря на очень большую эффективность существующей противоаварийной автоматики, ежегодно достаточно часто наблюдаются случаи, когда аварийные события охватывают значительную часть энергообъединений.
Возникновение подобных явлений, как показывает проведенный анализ значительного числа аварийных событий, обусловлено в основном следующими причинами:
- в условиях эксплуатации возникает такое сочетание схем, режимов и возмущений, на которое не рассчитана существующая противоаварийная автоматика;
- при вводе новых объектов ввод противоаварийной автоматики значительно отстает от ввода основного оборудования;
- при изменении схем и режимов энергосистемы персонал не выполняет необходимых изменений в противоаварийной автоматике, выполняет их неправильно или допускает существование таких режимов, при которых автоматика заведомо не может обеспечить живучесть энергосистемы.
Этот анализ показывает, что если ориентироваться лишь на локальные устройства противоаварийной автоматики, то при дальнейшем развитии энергосистем можно ожидать существенного понижения их живучести, так как увеличение протяженности и многосвязности энергосистем значительно понижает адаптивность локальных устройств и повышает вероятность ошибки персонала при операциях с автоматикой: при большом количестве устройств противоаварийной автоматики действия отдельных ее устройств могут быть противоречивыми; быстрый рост энергосистем вызывает необходимость постоянного перепроектирования, демонтажа старых и монтажа новых устройств с естественным отставанием возможностей автоматики от потребителей энергообъединений. Таким образом, ориентация лишь на локальные устройства автоматики может привести к тому, что энергообъединения в аварийных условиях могут стать неуправляемыми и их живучесть не будет обеспечена.
Наилучшим вариантом при решении задачи управления энергосистемами было бы определение оптимального уровня устойчивости по условиям минимизации расчетных затрат (на повышение устойчивости и покрытие ущербов от ее нарушения). Однако для такого решения в настоящее время нет достаточных данных ни по вероятностным характеристикам повреждаемости оборудования, ни по ущербам. Поэтому излагаемые ниже требования основаны лишь на инженерной оценке анализа опыта эксплуатации.
В энергосистемах простой структуры управление режимами должно, в основном, обеспечивать:
- статическую устойчивость в нормальных схемах и режимах, в том числе, если это требуется по условиям передачи мощности в систему, до возможности работы с минимальным запасом устойчивости 5—10%;
- статическую устойчивость в послеаварийных условиях для нормальных и ремонтных схем и режимов работы;
- синхронную динамическую устойчивость при двухфазных и более тяжелых видах к.з., отключаемых основными защитами, при отказе основных защит или работе УРОВ при однофазных к.з.;
- результирующую устойчивость при тяжелых видах к.з., отключаемых резервными защитами или УРОВ (а в случае единственной линии при любых к.з.), если по условиям работы потребителей ресинхронизация выгоднее, чем быстрое деление;
- деление энергосистем, если ресинхронизация невыгодна или не произошла в течение заданного времени;
- уровень частоты в избыточном районе не выше, чем это допустимо для турбоагрегатов;
- восстановление частоты в дефицитном районе до уровня, позволяющего произвести ресинхронизацию или синхронизацию;
- автоматическую синхронизацию после действия делительной автоматики (или деления по другим причинам);
- уровень напряжения в избыточном районе не выше, чем это допустимо для оборудования;
- восстановление уровня напряжения в дефицитной части системы до минимально допустимого по условиям работы потребителей;
- быстрый ввод резервной активной и реактивной мощности;
- подключение к системе отключенных потребителей, если это допустимо по условиям работы системы.
В энергосистемах сложной структуры в дополнение к перечисленным требованиям возникает ряд новых требований, обусловленных необходимостью локализации аварий. Для этого следует обеспечивать:
- разгрузку электропередач, работающих с небольшим запасом устойчивости, при различных возмущениях в соседних частях системы, не слишком сильно влияющих на данную, если, однако, эти возмущения могут вызвать нарушение устойчивости данной электропередачи; глубокую разгрузку электропередач при возмущениях в соседних частях систем, вызывающих значительный наброс мощности на данную электропередачу;
- деление энергосистемы в отдельных точках (чаще всего на электростанциях, работающих на два направления) при приближении к пределу статической устойчивости по одной из электропередач;
- деление электростанций, работающих на два направления, при тяжелых видах возмущений для сохранения синхронной динамической устойчивости обеих или хотя бы одной электропередачи;
- разгрузку отдельных электропередач для предотвращения нарушения их устойчивости при кратковременном асинхронном ходе и ресинхронизации соседних электропередач;
- деление энергосистем на части после возникновения асинхронного хода в одной из частей для предотвращения возникновения новых нарушений устойчивости между синхронно работающими электростанциями.
Помимо этих основных требований возникают иногда и дополнительные, например, обеспечение разгрузки отдельных линий электропередач при их недопустимой перегрузке по нагреву и т. п.
В энергосистемах РК все время происходит рост нагрузки (в среднем около 3—5% в год) и в связи с этим вводятся дополнительные генерирующие мощности, строятся новые электростанции, линии и подстанции. При этом электрическими сетями охватывается все большая территория и энергосистемы объединяются на параллельную работу. Этот процесс происходит при увеличении уровня напряжения и единичной мощности генераторов и трансформаторов. В то же время сети низшего напряжения, которые были ранее системообразующими, становятся в основном распределительными.