СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТНОЙ РАЗГРУЗКИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ Российский патент 2000 года по МПК H02J3/24 H02J3/46 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к средствам противоаварийной автоматики энергосистем.

Для предотвращения развития аварии при возникновении в энергосистеме аварийного дефицита мощности в качестве противоаварийной автоматики используется автоматическая частотная разгрузка (АЧР), обеспечивающая ликвидацию возникшего в энергосистеме небаланса мощности путем отключения части потребителей.

Известен и реализован в энергосистемах способ автоматической разгрузки с двумя категориями разгрузки - АЧР1 и АЧР2 [1].

АЧР1 действует без выдержки времени при снижении частоты в диапазоне 48,9 Гц - 47 Гц десятью-двадцатью очередями через 0,2 (0,1) Гц.

АЧР2 действует с выдержкой времени очередями через 5-10 с в диапазоне частот 49,2 - 48,7 Гц с целью восстановления частоты в случае ее "зависания" после работы АЧР1.

Реализованный способ АЧР при достаточном объеме отключаемой от АЧР нагрузки обеспечивает стабилизацию и восстановление частоты до нормального уровня. Однако при этом не удается обеспечить селективность в отключении нагрузки по мощности и уменьшить величину отклонения частоты в переходном процессе. Это приводит к избыточному действию, к перерегулированию, "забросам" частоты и, последнее, в ряде случаев может привести еще и к отключению генераторов.

Достаточно широкий диапазон уставок по частоте является причиной того, что в аварийном процессе стабилизации и восстановления режима частота снижается ниже уставки Регламента по частоте атомных электрических станций, входящих в состав энергосистемы. При этом возможен ввод Регламента и останов блоков АЭС, что приведет к возрастанию аварийного дефицита и к перерастанию аварии в глобальную общесистемную.

Известны способы АЧР (аналоги), в которых для повышения эффективности АЧР и обеспечения ускорения процесса восстановления частоты после ее стабилизации изменяют время ввода ступеней АЧР2 в зависимости от скорости изменения частоты [2, 3].

Наиболее близким (прототипом) заявляемому изобретению является "Способ автоматической частотной разгрузки энергосистемы", Авт. св. СССР N 1385185 A1, кл. H 02 J 3/24, 1988 [4], по которому в зависимости от скорости изменения частоты в аварийном процессе осуществляют изменение (формирование) уставок ввода по частоте АЧР1 и уставок ввода по времени АЧР2.

Основная причина отмеченных недостатков известных способов АЧР заключается в том, что ввод управляющих воздействий - отключение нагрузки очередями АЧР осуществляется по изменению значения частоты, являющейся результирующим показателем переходного процесса, а дозировка управляющего воздействия - объем очереди АЧР - задается заранее и не зависит от динамики изменения частоты в аварийном процессе.

Существующие способы АЧР непосредственно не учитывают величину аварийного дефицита мощности, приводящего к снижению частоты в энергосистеме и являющегося основным, главным показателем тяжести аварийного процесса.

Цель изобретение - повышение эффективности автоматической частотной разгрузи энергосистемы путем определения в темпе аварийного процесса величины дефицита мощности и формирования дозировки АЧР в соответствии с аварийным дефицитом.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе в начальный момент времени аварийного процесса начинают отсчет времени и фиксируют скорость снижения частоты f'о,
- фиксируют момент времени t1 при уменьшении скорости снижения частоты на заданную величину "а",
- определяют необходимое количество очередей m1 1-ой ступени АЧР1, где АЧР1 - автоматика частотной разгрузки путем отключения потребителей без выдержки времени, по соотношению
m1 = Ins F,
где Ins F - есть ближайшее целое число к числу F,
F = (N•Kno•Δfo)/b,
где

где N количество очередей, на которые разделен весь объем АЧР1,
b - доля нагрузки энергосистемы, подведенной под АЧР1,
Kno - расчетное значение регулирующего коэффициента нагрузки по частоте,
- формируют 1-ую ступень АЧР1 из m1 очередей и дают сигнал на ее ввод,
- через заданное время t2 после выдачи сигнала на ввод 1-ой ступени АЧР1 фиксируют момент времени аварийного процесса t3 и скорость снижения частоты - f'2,
- фиксируют момент времени t4 при уменьшении скорости снижения частоты на заданную величину "а",
- определяют необходимое количество очередей 2-ой ступени АЧР1 m2 по соотношению
m2 = Ift R - m1,
где Ift R - есть ближайшее целое число к числу R,

Δf1 = f′1•τ•e^t3/τ,

- формируют из неиспользованных очередей в 1-ой ступени 2-ую ступень АЧР1 объемом m2 очередей и
- дают сигнал на ввод 2-ой ступени АЧР1 и на блокирование всех очередей АЧР2, где АЧР2 - автоматика частотной разгрузки путем отключения потребителей с определенными ступенями селективности по времени между ними,
- ускоряют действие по одной очереди АЧР2 при неположительном значении скорости изменения частоты.

Рассмотрим работу заявляемого способа автоматической разгрузки по частоте на примере частотной разгрузки энергосистемы с нагрузкой Рн.

В энергосистеме реализована традиционная АЧР - АЧР1 и АЧР2 с 90% совмещением, т.е. на каждый потребитель, подведенный под АЧР, кроме последней очереди АЧР1, воздействуют два комплекта АЧР - АЧР1 и АЧР2. Объем АЧР2 несовмещенной - Рачр2н.с.= 10% от Рн.

Доля нагрузки, подведенная под АЧР1, относительно всей нагрузки энергосистемы равна "b" и распределена равномерно на N=10 очередей.

Уставки по частоте АЧР1 занимают диапазон от 48,8 Гц до 47 Гц через 0,2 Гц на каждую очередь.

Уставки по времени АЧР2 совм. - от 5 с до 50 с через 5 с на каждую очередь при уставке по частоте 48,7 Гц.

Уставка по частоте АЧР2 н.с. - 49,1 Гц и четыре очереди с одинаковым объемом - 5, 10, 20, 40 с.

При аварийном дефиците мощности Рав частота в энергосистеме согласно [1] изменяется в соответствии
f = fo-Δfo(1-e^-t/τo), (1)
где
τ - постоянная времени переходного процесса изменения частоты, величина которой определяется постоянными времени агрегатов электростанции и двигательной нагрузки.

Скорость изменения частоты определяется из условия



Из системы двух уравнений (1 и 2) получаем

Таким образом, проводя измерение скорости при t=to и при t=t1, представляется возможным по (3) определить постоянную времени переходного процесса изменения частоты.

Точность определения τ достигается выбором момента времени t1. После начала аварийного процесса и фиксации f'o постоянно контролируется скорость снижения частоты, и как только значение скорости достигает значения, отличающегося от f'o на заданную величину "а", то осуществляется фиксации этого момента времени t1.

Момент t1 - это есть момент времени, когда скорость снижения частоты становится равной f'o - а.

Условие (3) может быть переписано в виде

При известной величине τo и при to = 0 из (2) имеем
Δfo = f′o•τo,
а величина аварийного дефицита мощности тогда запишется
Paв = Pн•Δfo•Kнo = Pн•Kнo•f′o•τo

Из [1] (96 с.) известно, что для стабилизации и восстановления частоты до номинального уровня в случае аварийного дефицита мощности Рав величина нагрузки, отключаемая АЧР, должна быть равной аварийному дефициту:
Рачр = Рав. (6)
Если в энергосистеме под АЧР подведена "b"-ая часть всей нагрузки, а весь объем АЧР разделен равномерно на N очередей, то объем одной очереди АЧР составляет величину
Р1 оч.= b • Рн/N (7)
и для выполнения условия (6) необходимо реализовать следующее количество очередей АЧР m1:
m1 = Ins F,
Ins F - есть ближайшее целое число числу F

или с учетом (5)

Ближайшее целое число числу F, вычисленному по выражению (8), определяет количество очередей АЧР1 - m1, которых необходимо реализовать одновременно в самом начале аварийного процесса, не дожидаясь снижения частоты до уставок срабатывания этих очередей.

Если бы значение коэффициента Кн-Кно, принимаемое в расчете, соответствовало реальному значению Кн в рассматриваемом аварийном процессе снижения частоты, то определенная по (7) величина разгрузки (m1 очередей) обеспечила бы стабилизацию и восстановление частоты.

Но из [1] (24 с.) следует, что коэффициент Кн не является постоянной величиной и меняется в течение суток. Поэтому, в общем случае, при правильном назначении расчетного коэффициента Кно (его величина должна быть равна минимально возможному значению Кн для рассматриваемой энергосистемы) реализация АЧР с объемом m1 очередей является недостаточной для стабилизации и восстановления частоты.

В связи с этим АЧР, составленную из m1 очередей, будем рассматривать как 1-ую ступень АЧР1.

Пусть после реализации 1-ой ступени АЧР (через интервал времени t2) в момент времени t3 зафиксирована скорость снижения частоты f'1 и при уменьшении скорости снижения частоты до величины "f'1-а" зафиксирован момент времени t4.

Тогда постоянная времени процесса изменения частоты после реализации 1-ой ступени АЧР запишется аналогично (4):

a величина отклонения частоты в установившемся режиме составит
Δf1 = f′1•τ1•e^t3/τ1. (10)
При действии 1-ой ступени АЧР с объемом Р1 имеем

или

Но
Подставляя значение Кн в последнее уравнение, получаем

где Рав - это есть величина аварийного дефицита мощности, определяемая по параметрам аварийного режима в темпе переходного процесса снижения частоты.

Следовательно, т.к. объем одной очереди АЧР1 равен Р1оч. = b • Рн/N, то общее количество очередей АЧР - М, которые должны быть реализованы для ликвидации дефицита Рав, будет равно
М= IftR,
где M - есть ближайшее целое число к числу R,

С учетом уже реализованных m1 очередей в 1-ой ступени АЧР получаем количество очередей 2-ой ступени АЧР - m2:
m2=lft R - m1.

Реализация двухступенчатой АЧР по заявляемому способу обеспечивает отключение нагрузки по величине, равной величине аварийного дефицита мощности. Автоматическое определение в темпе процесса необходимого объема разгрузки обеспечивает стабилизацию и восстановление частоты в любой аварии с дефицитом мощности.

Поскольку после реализации 2-ой ступени АЧР1 восстановление частоты происходит с постоянной времени, то возможно действие АЧР2.

Действие АЧР2 в условиях, когда необходимая величина разгрузки энергосистемы уже реализована, является избыточным.

Поэтому предлагается по команде на реализацию 2-ой ступени АЧР1 подавать сигнал на блокирование всех очередей АЧР2.

При реально существующих погрешностях заявляемого способа (основная из которых определяется неравномерностью распределения объемов АЧР1 по N очередям) возможно и "зависание" частоты ниже уставок срабатывания АЧР2.

Для обеспечения полной эффективной работоспособности заявляемого способа предлагается осуществлять деблокирование с ускорением действия АЧР2 (t = 0,1-0,15 с), если скорость повышения частоты перестает быть положительной.

При этом ускоренный ввод каждой очереди АЧР2 происходит тогда, когда после реализации предшествующей очереди АЧР2 частота не растет (скорость изменения частоты равна нулю).

На фиг. 1-3 приведены расчетные кривые изменения частоты для различных аварийных дефицитах мощности при действии традиционного способа АЧР - кривые 1 и при действии АЧР по заявляемому способу - кривые 2. Расчеты аварийного изменения частоты проводились при регулирующем коэффициенте нагрузки Кн=0,04 (значение Кн приведено к номинальной частоте 50 Гц). Объем нагрузки, подведенной под АЧР, составляет 50%, b = 0,5.

Расчетные данные и данные процесса изменения частоты, используемые для формирования 1-ой и 2-ой ступеней АЧР по заявляемому способу, представлены в таблице. Величина "а" = 0,1.

При определении объема 1-ой ступени АЧР принималось расчетное значение Кно = 0,03 (значение Кно приведено к 50 Гц).

Из приведенных расчетных материалов следует.

При использовании традиционной АЧР обеспечивается, как правило, предотвращение "провала частоты", но в случае аварийных дефицитов мощности величиной 0,5 и 0,3 интервал времени, когда частота ниже 48,4 Гц, превышает 5 с. Действие Регламента по частоте на атомных электростанциях (f=48,4 Гц и t= 5 с) может привести в этом случае к дальнейшему развитию аварии за счет отключения генерирующей мощности на АЭС.

В зависимости от интенсивности аварийного снижения частоты имеет место или зависание частоты выше уставки АЧР2 н.с. (Рав = 0,15) или перерегулирование с избыточным отключением нагрузки (Рав = 0,3).

Такой результат объясняется невозможностью скоординировать действие различных категорий АЧР путем выбора уставок для эффективной работы АЧР во всем диапазоне возможных дефицитов генерирующей мощности.

Как следует из расчетных данных, рассматриваемый способ автоматической частотной разгрузки определяет в темпе аварийного процесса величину аварийного дефицита мощности и формирует двумя ступенями объем разгрузки, соответствующей аварийному дефициту.

Полная реализация всего объема АЧР происходит в самом начале процесса снижения частоты, что обеспечивает существенно меньшее снижение частоты в аварийном режиме. Соответствие объема АЧР величине аварийного дефицита генерирующей мощности обеспечивает полное отсутствие избыточности и перерегулирования при ликвидации частотной аварии.

Заявляемый способ автоматической частотной разгрузки обеспечивает такое изменение частоты при частотных авариях в энергосистеме, что не выполняются условия действия Регламента по частоте и исключается погашение блоков АЭС.

Реализация способа автоматической частотной разгрузки может быть выполнена на базе блока микропроцессорного многофункциональных реле частоты - БМ-МРЧ [5].

Литература
1. Рабинович Р.С. Автоматическая частотная разгрузка энергосистем. -М.; Энергоатомиздат, 1989. - 352 с.

2. Авт. свид. СССР N 1201954, кл. H 02 J 3/24, 1985 г.

3. Авт. свид. СССР N 1302377, кл. H 02 J 3/24, 1985 г.

4. Авт. свид. СССР N 1385185, кл. H 02 J 3/24, 1989 г.

5. Блок микропроцессорный многофункциональных реле частоты - БМ-МРЧ. Паспорт ДИВГ. 648228.003. Изготовитель - НТЦ "Механотроника", С.-Петербург.

Изобретение относится к средствам противоаварийной автоматики энергосистем. Техническим результатом является повышение эффективности автоматической частотной разгрузки энергосистем путем автоматического определения в темпе процесса снижения частоты величины аварийного дефицита, вызвавшего снижение частоты в энергосистеме, и формирование дозировки разгрузки в соответствии с величиной аварийного дефицита. Необходимый объем разгрузки реализуется двумя ступенями, формируемыми из определенного количества групп-очередей АЧР, на которые равномерно распределен весь объем АЧР. Число очередей в каждой ступени определяется автоматически. Способ обеспечивает при ликвидации частотной аварии существенно меньший "провал" и быстрое восстановление частоты при полном отсутствии избыточности действия во всем диапазоне величины аварийного дефицита. 3 ил., 1 табл.

Способ автоматической частотной разгрузки энергосистемы, заключающийся в измерении в аварийном процессе частоты напряжения и скорости изменения частоты, в формировании по достижении заданных уставок из заранее выбранных групп-очередей потребителей ступеней на отключение потребителей без выдержки времени (АЧР1) и в формировании сигнала на отключение потребителей с выдержкой времени (АЧР2), отличающийся тем, что в начальный момент аварийного процесса начинают отсчет времени и фиксируют скорость снижения частоты f'₀, фиксируют момент времени t1 при уменьшении скорости снижения частоты на заданную величину "а", формируют первую ступень АЧР1 из числа m1 очередей по соотношению
m1 = InsF,
где InsF - ближайшее целое число к числу F,
F = (N•Kno•Δfo)/b,
где

N - количество очередей, на которые распределен весь объем АЧР1;
b - доля нагрузки энергосистемы, подведенной под АЧР1;
Kn0 - расчетное значение регулирующего коэффициента нагрузки на частоте,
и дают сигнал на ее ввод, после реализации первой ступени АЧР1 через интервал времени t2 фиксируют момент времени t3 и скорость снижения частоты f'1, фиксируют момент времени t4 при уменьшении скорости снижения частоты f'1 на заданную величину "а", формируют вторую ступень АЧР1 из числа m2 очередей по соотношению
m2 = IftR - m1,
где IftR - ближайшее целое число числу R,

где
Δf1 = f′1•τ•e^t3/τ,

блокируют ввод всех очередей АЧР2 при подаче сигнала на ввод второй ступени АЧР1, ускоряют действие по одной очереди АЧР2 при неположительном значении скорости изменения частоты.