СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕТОКА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 1994 года по МПК H02J3/06 

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано для автоматического ограничения перетока мощности межсистемной электропередачи.

Известен способ автоматического регулирования перетока мощности, согласно которому формируют управляющее воздействие на изменение мощности регулирующих электростанций (РЭС) в функции отклонения перетока мощности электропередачи от заданного значения [1]. В способе не производится коррекция установки регулирования перетока в зависимости от изменяющихся схемно-режимных условий работы энергосистемы, что снижает его эффективность.

Известен также способ автоматического регулирования перетока мощности, осуществляемый путем формирования управляющего воздействия в функции отклонения перетока от установки, величина которой корректируется в зависимости от эффективности подавления колебаний перетока [2]. В способе [2] производится коррекция установки в функции качества регулирования, определяемого быстродействием изменения мощности РЭС, подключенных к системе регулирования перетока. При этом не учитываются другие параметры режима, которые определяют предельно допустимую мощностью электропередачи, что ведет к недоиспользованию возможностей способа.

Цель изобретения - повышение пропускной способности электропередачи, осуществляемое регулированием напряжения высоковольтной линии (ВЛ).

Осуществление этой задачи выражается в том, что измеряют переток мощности по электропередаче, сравнивают его с заданным значением и формируют управляющее воздействие на изменение мощности РЭС в функции отключения перетока от заданного значения. При этом определяют диапазон временного максимально допустимого повышения напряжения ВЛ электропередачи и формируют управляющее воздействие на повышение напряжения ВЛ в функции указанного отклонения перетока в рамках определенного диапазона. Затем находят приращение величины предельно допустимого перетока, вызванное приращением напряжения ВЛ, и корректируют заданное значение перетока по величине приращения его допустимой величины.

Повышение напряжения ВЛ приводит к повышению пропускной способности электропередачи. При этом появляется основание для увеличения заданного значения перетока, реализация которого ведет к повышению использования электропередачи. Последнее достигается без участия РЭС, остающихся в резерве. При отсутствии регулировочного диапазона на изменение напряжения ВЛ ограничение перетока осуществляется традиционным способом.

Основная операция способа - определение предельно допустимого временного повышения напряжения ВЛ и его реализация, позволяющая увеличить передаваемую мощность без снижения нормативной отстройки перетока от предела статической устойчивости электропередачи.

Рассмотрим режим работы ВЛ для выяснения возможных диапазонов регулирования напряжения.

Потери реактивной мощности в индуктивности ВЛ равны
Q_L= 3I²x= 3I²Z_B·sinλ= sinλ= sinλ, где Х - индуктивное сопротивление ВЛ;
I - ток ВЛ;
U_ф - напряжение ВЛ;
Р_н - натуральная мощность ВЛ;
Z_в - волновое сопротивление ВЛ;
λ - волновая длина ВЛ.

Емкостная мощность, генерируемая ВЛ, определяется выражением
Q_C= 3U2ф

В итоге реактивная мощность ВЛ
Q=Q_L-Q_C=- P sinλ (1) определяется ее параметрами Р_н и λ величиной загрузки S (Александров Г.Н. и др. Эффективность применения компактных линий переменного тока. Энергетика и транспорт, 1986, N 2).

Если загрузка ВЛS ниже натуральной мощности Р_н, то генерируемая избыточная емкостная мощность, определяемая по выражению (1) при условии S < P_н, может быть полезно использована для компенсации потерь реактивной мощности в элементах энергосистем (трансформаторах связи, внутренних ВЛ и т.п. ). С увеличением протяженности ВЛ повышается возможность компенсации реактивных потерь не только в элементах ВЛ, но и в нагрузке. В таблице приведены необходимые отношения S/P_н для компенсации потерь реактивной мощности при различных эначениях sin ϕ_н-sinϕ_г(ϕ_н,ϕ_г углы мощности нагрузки и генераторов).

Избыточная емкостная мощность ВЛ идет на покрытие потерь в одной ступени трансформации и нагрузке при ϕ_н≠ϕ_г . Генераторы имеют cos ϕ_г= 0,8-0,9 (sin ϕ_г = = 0,6-0,44), величина cos ϕ_н нагрузки состав- ляет cos ϕ_н = 0,8-0,85 (sin ϕ_н = 0,6-0,53). В диапазоне изменения величины sin ϕ_н - sin ϕ_г от 0 до 0,2 при различных значениях длины ВЛ необходимые отношения S/P_н лежат в пределах 0,17-0,91. При условии ϕ_н=ϕ_г предел изменения S/Р_н сужается до 0,43-0,91. Эффективность компенсации потерь повышается с увеличением протяженности ВЛ.

Установлено, что оптимальное отношение S/Р_н для ВЛ сверхвысокого напряжения не превосходит 1,2 ВЛ 220 кВ и ниже обычно имеют загрузку, которая превышает натуральную мощность. Для таких ВЛ требуются дополнительные источники реактивной мощности, компенсирующие реактивные потери. Однако проблема может быть решена путем использования ВЛ повышенной натуральной мощности (ПНМ). При этом отношение S/Р_н должно выбираться из расчета компенсации реактивных потерь не только в ВЛ, но и других элементах электропередачи (Александров Г.Н. и др. Методика оценки эффективности применения воздушных ВЛ ПНМ. Энергетика и транспорт, 1987, N 3).

Перспективный анализ условий работы ВЛ 330-750 кВ показал, что, хотя в нормальных режимах подавляющее большинство из них загружены ниже натуральной мощности, расчетная максимальная нагрузка в диапазоне (1,1-1,5) Р_н имеет место у 20-25% ВЛ. Поэтому применение ВЛ ПНМ целесообразно для большинства ВЛ 500-750 кВ, выполняющих функции межсистемных связей (Зейлигер А. Н. и др. Методика оценки системной эффективности ВЛ 330-750 кВ ПНМ. Энергетика и транспорт, 1986, N 2).

Передача расчетных максимальных перетоков по ВЛ должна обеспечиваться без снижения запаса статической устойчивости против нормативного. Однако допускается, как было отмечено выше, перегрузка ВЛ S > Р_н. Максимальный режим возникает в аварийной ситуации энергосистемы и имеет ограниченную продолжительность.

Кроме того, перегружаются только 20-25% межсистемных ВЛ.

Таким образом, в длительном (нормальном) и максимальном режимах ВЛ при нормативном уровне устойчивости соблюдается в основном условие S ≅ Р_н. Если переток мощности по ВЛ Р_п превысит допустимый по устойчивости уровень Р_пр.д., то должен вступать в действие автоматический ограничитель перетока. При выполнении условия Р_п > Р_пр.д переток Р_пможет превзойти натуральную мощность ВЛ Р_н. Следствием этого станет снижение предела статической устойчивости электропередачи Р_пр, что ведет к необходимости корректировки величины перетока, которая осуществляется путем воздействия на РЭС, подключенных к ограничителю перетока. При этом используется регулировочный диапазон РЭС, работающих в вынужденном переменном режиме. Быстродействие изменения мощности РЭС должно обеспечивать подавление колебаний перетока с периодом 10-12 мин. Переменный режим РЭС является неэкономичным. Кроме того, регулировочный диапазон РЭС приемной энергосистемы по ряду причин бывает ограничен, что вызывает затруднения в подавлении отклонений перетока мощности.

Согласно предлагаемой технологии в условиях превышения перетоком Р_пустановки ограничения Р_пр.д вырабатывается управляющее воздействие на повышение напряжения ВЛ в пределах допустимых значений и на период времени, ограничиваемый условиями нормальной работы линейной изоляции и оборудования ВЛ (трансформаторов, реакторов, коммутационных аппаратов и т.п.). Увеличение напряжения ВЛ производится с целью повышения ее натуральной мощности. Натуральная мощность увеличивается пропорционально квадрату прироста напряжения Δ U_вл. Аналогично повышается и предел статической устойчивости электропередачи. Например, натуральная мощность ВЛ Р_н = 3 ˙ U_вл²/Z_в при повышении напряжения на Δ U_вл = 0,1 отн. ед увеличивается на Δ Р_н = 0,21 отн.ед.; если Δ U_вл = 0,2 отн.ед., то Δ Р_н = 0,44 отн.ед.

Нa трансформаторах ВЛ допускается повышение напряжения сверх номинального длительно на 5%, кратковременно на 10% общей продолжительностью до 6 ч в сутки (Правила устройств электроустановок. - М.: Энергоатомиздат, 1986). Длительное повышение напряжения на 10% допускают только трансформаторы, работающие в блоке с генератором, автотрансформаторы без ответвлений в нейтрали, которые на это специально рассчитаны.

При указанных повышениях напряжения не должно быть превзойдено наибольшее рабочее напряжение, предусмотренное ГОСТ 721-74 для данного класса напряжения: 110 кВ - на 15% выше номинального, 220 кВ - на 15 % - на 10%, 500 кВ - на 5%. Для шунтирующих реакторов, измерительных трансформаторов, коммутационной аппаратуры и т.п. наибольшее напряжение превышает на 5% значения, указанные выше до силовых трансформаторов.

Возможные диапазоны повышения напряжения на ВЛ определяются режимами ее загрузки. Например, для ВЛ 500 кВ при S/P_н = 1 и соs ϕ_н = 1 снижение напряжения в ее конце зависит от длины ВЛL и для значений L = 100, 200, 300, 400, 500 км будет соответственно 2, 3, 4, 6, 10%, а при cos ϕ_н = 0,85 - 4, 9, 14, 22, 35%. Для ВЛ 220 кВ снижение напряжения увеличивается в 2-3 раза (при указанных длинах ВЛ). Уменьшение загрузки ВЛ до S/P_н = 0,75 вызывает некоторое повышение напряжения конца ВЛ, однако при cos ϕ_н = 0,85 отклонение напряжения для ВЛ 500 кВ составляет 5-10% (L = 200, 500 км).

Приведенные данные свидетельствуют о наличии значительных диапазонов регулирования напряжения конца ВЛ. Для средней длины ВЛ 220, 500 кВ протяженностью соответственно 200, 300 км при сos ϕ_н = 0,85 и S/Р_н = 1 диапазоны по напряжению равны 13 и 14% (с учетом 10% допустимого повышения напряжения по отношению к номинальному уровню получают соответственно 23 и 24%). Такой регулировочный диапазон разрешает повышать натуральную мощность ВЛ (по напряжению конца) на 54, 56%.

Возможности повышения напряжения передающего конца ВЛ несколько ограничены. В режиме минимальных нагрузок энергосистемы это напряжение поддерживается на уровне номинального, в максимальном режиме повышается на 5%. Соблюдение таких условий возможно только при достаточном регулировочном диапазоне источников реактивной мощности и трансформаторов связи. Возможно и такое положение, когда контролируемый (регулируемый) по напряжению узел не совпадает с отправным узлом ВЛ. Тогда его напряжение в режиме максимума нагрузки энергосистемы ниже номинального.

Следует отметить определенные возможности изменения напряжения по концам ВЛ при использовании вольтодо- бавочных трансформаторов (ВДТ), имеющих регулировочный диапазон ± 15% (Идельчик В.И. Электрические системы и сети. М. : Энергоатомиздат, 1989, с. 210). Как правило, ВДТ применяются для регулирования напряжения в сетях 10-35 кВ. Имеется опыт включения ВДТ в линии более высокого класса напряжения. В связи с этим представляется такая схема использования ВДТ для регулирования напряжения ВЛ. Трансформаторы связи соединяются с ВЛ через ВДТ. Такое включение ВДТ позволяет изменять напряжение отправного и приемного концов ВЛ в диапазоне 30% (±15%). При этом трансформаторы связи остаются в соответствующем классе напряжения, а ВЛ может переходить в зависимости от необходимости глубокого изменения натуральной мощности в промежуточный класс напряжения (это требует некоторого повышения уровня линейной изоляции ВЛ).

Согласно предлагаемой технологии регулирования возникновение отклонения перетока Δ Р_п = Р_п - Р_пр.д (при наличии регулировочного диапазона на повышение напряжения ВЛ) вызывает выработку управляющего воздействия на повышение напряжения ВЛ. Увеличение напряжения ограничивается по величине и по продолжительности этого режима параметрами U_вл.пр и t_вл.пр. Величине U_вл.пр должно соответствовать определенное значение предельно допустимой мощности Р_пр.д^I. Вычисление Р_пр.д^I может производиться по величинам напряжений в контролируемых узлах передающей и приемной энергосистем (эти узлы не должны обязательно совпадать с отправным и приемным узлами ВЛ). Разность исходного значения Р_пр.д и вычисленного Р_пр.д^I Δ Р_пр.д = Р_пр.д^I - Р_пр.д является ори- ентиром для коррекции величины заданного значения (установки ограничения) перетока Δ Р_у.

Величина коррекции уставки определяется выражением
Δ Р_у = min {Δ Р_пр; Δ Р_пр.д} , (2) где Δ Р_пр - приращение предельно допустимого перетока, вызываемое повышением напряжения ВЛ. Параметр Δ Р_пр вычисляется в процессе повышения напряжения ВЛ. Как только выполнено равенство Δ Р_п = = Δ Р_пр, дальнейшее увеличение напряжения прекращается (кроме того, должно соблюдаться условие Δ Р_пр ≅ Δ Р_пр.д).

Таким образом, уставка повышается на величину Δ Р_п, пока не исчерпан регулировочный диапазон на повышение напряжения ВЛ.

Анализ режимов работы межсистемных электропередач показывает, что ограничение перетока производится, как правило, несколько раз в сутки в период подъема и спада графиков нагрузки (3-6 раз в сутки). Продолжительность каждого периода ограничения составляет время не более 20 мин. Работа ограничивателя перетока воспринимается системой введения оперативного резерва и четвертой очередей (Дубицкий М.А. и др. Выбор и использование резервов генерирующей мощности в электроэнергетических системах. - М.: Энергоатомиздат, 1988). После введения этого резерва восстанавливается регулировочный диапазон РЭС, подключенных к системе ограничения перетока. При воздействии системы ограничения на временное повышение напряжения ВЛ и одновременное увеличение установки ограничения в энергосистеме должен вводиться резерв третьей и четвертой очередей для разгрузки электропередачи.

Для контроля суммарного времени t_вл нахождения ВЛ в режиме повышенного напряжения в систему ограничения перетока должен быть введен специальный орган, проверяющий соблюдение условия t_вл < t_вл.д.

На чертеже приведена схема автоматического ограничения перетока мощности.

Схема содержит датчик 1 величины перетока мощности, задатчик 2 уставки ограничения, элемент 3 сравнения величины перетока с уставкой, блок 4 коррекции уставки, клапан 5, блок 6 формирования управляющего воздействия на ограничение перетока, блок 7 распределения управляющего воздействия между отдельными РЭС, блок 8 определения установки ограничения, блок 9 фиксации напряжения ВЛ, шины 10 передающей энергосистемы, шины 11 приемной энергосистемы, трансформатор 12 связи, ВЛ 13, блок 14 изменения напряжения в начале ВЛ, блок 15 изменения напряжения в конце ВЛ, блок 16 распределения, измерительный трансформатор 17, блок 18 управления, блок 19 формирования управляющего воздействия, блок 20 контроля.

Система автоматического ограничения перетока работает следующим образом.

Датчик 1 производит измерение перетока мощности Р_п в ВЛ, величина которого сравнивается в элементе 3 с заданным значением (уставкой ограничения перетока), которое выдает задатчик 2. Отклонение перетока от заданного значения поступает на вход клапана 5, который открыт при полном исчерпании регулировочного диапазона на повышение напряжения ВЛ. По величине отклонения перетока Δ Р_п в блоке 6 формируется управляющее воздействие на изменение мощности РЭС приемной энергосистемы, которое распределяется блоком 7 между отдельными РЭС. При наличии регулировочного диапазона на увеличение напряжения ВЛ клапан 5 закрыт, формирование управляющего воздействия на изменение мощности РЭС не производится. В этом случае сформировано управляющее воздействие по каналу регулирования напряжения на ВЛ. По величине отклонения перетока Δ Р_п в блоке 19 образуется воздействие на повышение напряжения ВЛ 13 в рамках допустимых значений по условиям нормальной работы элементов ВЛ. Может быть использован любой приемлемый по динамике переходного процесса закон изменения напряжения, например пропорционально-интегральный. Блок 16 распределяет управляющее воздействие между исполнительными блоками 14 и 15, относящимися к системам регулирования напряжения в начале и конце ВЛ. Здесь могут быть использованы системы автоматического регулирования коэффициентов трансформации трансформаторов 12 связи ВЛ с энергосистемами. Перспективной является система с применением ВДТ, повышающая диапазон изменения напряжения ВЛ.

В блоке 9 фиксируются напряжения в контролируемых узлах энергосистем. По параметрам режима энергосистем и зафиксированным величинам напряжений в блоке 8 определяются величины Δ Р_пр.д, Δ Р_пр.д¹и значение коррекции уставки ограничения ΔР_у (по выражению (2)). Вычисленная величина Δ Р_у поступает на вход блока 4 коррекции, который изменяет заданное значение перетока. Процесс изменения установки заканчивается при соблюдении условия Δ Р_у = = Δ Р_п. Последнее выполняется при достаточной величине регулировочного диапазона на повышение напряжения ВЛ. В противном случае, когда Δ Р_у < Δ Р_п, включается в работу канал ограничения перетока путем воздействия на РЭС.

Блок 20 осуществляет контроль суммарного времени t_вл повышения напряжения ВЛ на 10% (это время за сутки не должно превышать 6 ч). Если t_вл превысит предельное значение t_вл.пр, то в блоке 20 вырабатывается управляющее воздействие на снижение заданного значения перетока (уставки ограничения).

Реализация способа ограничения перетока может производиться с использованием существующих систем управления энергосистем по активной мощности (Алексеев С.В. и др. Цифровая система автоматического управления ОЭС по частоте и активной мощности. Электричество, 1985, N 10 [3]. Система [3] разработана на базе управляющей ЭВМ с возможностью подключения к комплексу до 25 объектов управления (РЭС, подстанций и других управляемых объектов энергосистемы). Дистанционная передача необходимой информации и управляющих воздействий производится с помощью аппаратуры телемеханики УТК. Система [3] имеет подсистемы регулирования и ограничения перетоков, распределения управляющих воздействий, ввода и вывода информации и т.п. Подсистема ввода информации обеспечивает ввод сигналов от каналов телеизмерения через устройство сопряжения УСТМ. Подсистема ограничения перетока может реализовать любой принятый закон управления. Подсистема распределения обеспечивает выдачу воздействий на управляемые объекты. Подсистема вывода реализует вывод сигналов телеуправления через телепередатчик УТК-ПД.

Программное обеспечение системы [3] представляет собой пакет прикладных программ для решения отдельных задач управления. Ее вычислительные возможности позволяют реализовать дополнительные задачи по специальным подпрограммам.

Блоки 1-7, 9, 16 предлагаемой системы ограничения перетока входят в структуру системы [3]. Элементы 10-15, 17 относятся к оборудованию энергосистемы. Блоки 8, 16, 18-20 можно объединить в один вычислительный блок, работающий по специальной подпрограмме, входящей в пакет подпрограмм системы [3].

Итак, предлагаемый способ автоматического ограничения перетока мощности позволяет осуществить наиболее полное использование резервов повышения пропускной способности электропередачи. Последнее достигается путем максимально допустимого повышения напряжения ВЛ на период действия ограничителя перетока.

Реализация способа может принести значительную экономию средств (топлива, материалов, затрат человеческого труда и т.п.). Это становится возможным благодаря выработке системой управляющего воздействия не на изменение мощности РЭС, а на временное повышение напряжения ВЛ. Эффективность такой операции повышается еще и в связи с тем, что ее быстродействие намного выше быстродействия изменения мощности РЭС. Это дает основание полагать о дополнительном повышении надежности работы электропередачи при значительных небалансах активной мощности в энергосистеме.

Использование: в энергетике, в противоаварийной автоматике. Сущность: на высоковольтной линии увеличивают напряжение в функции отклонения перетока мощности по линии от заданного в рамках допустимых значений. Повышают заданное значение перетока на приращение его предельно допустимой величины, вызванное увеличением напряжения на линии. При исчерпании регулировочного диапазона на увеличение напряжения по условиям допустимости его воздействия на электрооборудование переток ограничивают воздействием на регулирующие электростации. 1 табл., 1 ил.

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОГРАНИЧЕНИЯ ПЕРЕТОКА МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, согласно которому измеряют переток мощности по электропередаче, сравнивают его с заданным значением, формируют управляющее воздействие на изменение мощности регулирующих электростанций в функции отклонения измеренного значения перетока от заданного значения, корректируют заданное значение перетока, отличающийся тем, что, задают диапазон максимально допустимого временного повышения напряжения линии электропередачи и его допустимую длительность, формируют управляющее воздействие на повышение напряжения линии в функции отклонения перетока от заданного в рамках заданных диапазона напряжения и длительности, определяют приращение величины предельно допустимого перетока, вызванное приращением напряжения линии, увеличивают заданное значение перетока на величину его приращения, при этом процесс изменения заданного значения перетока заканчивают, если его приращение равно отклонению измеренного перетока от заданного, при превышении длительностью повышения напряжения на линии заданной формируют управляющие воздействия на снижение заданного значения перетока и ограничение перетока мощности осуществляют изменением мощности регулирующих электростанций.