СПОСОБ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ЛАВИНЫ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/24 

Область техники

Изобретение относится к области электротехники, в частности к средствам противоаварийной автоматики энергосистемы, и предназначено для предотвращения каскадных аварий, связанных с лавинообразным снижением напряжения.

Уровень техники

Наличие дефицитных энергорайонов и крупных транзитных перетоков мощности создают условия, при которых в случае возникновения аварийного возмущения в энергосистеме для покрытия дефицита реактивной мощности действия автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) генераторов на электростанциях энергорайона и резерва реактивной мощности оказывается недостаточно. При исчерпании резерва по реактивной мощности генераторы перегружаются по току ротора [1] и, как следствие, либо отключаются от сети действием технологических защит, либо напряжение генератора не поддерживается устройствами АРВ в заданных пределах. И тот и другой процесс связан с понижением напряжения в районе нагрузки, питающейся от электростанций, вследствие чего возможно возникновение процесса лавины напряжения с погашением потребителей энергорайона.

Процесс развития лавины напряжения может протекать очень быстро. Современные устройства противоаварийной автоматики не всегда позволяют вовремя предотвратить лавинообразный процесс, действуют с определенной выдержкой времени.

Известен способ отключения части нагрузки при аварии в энергосистеме, используемый в автоматике ограничения снижения напряжения (АОСН). Действие автоматики направлено на обеспечение необходимого запаса по напряжению в узлах нагрузки в послеаварийном режиме при аварийном отключении элементов сети [1]. Применение АОСН позволяет повысить надежность энергоснабжения оставшейся части потребителей и снизить аварийный ущерб. Использование АОСН основывается на предварительном расчете серии аварийных ситуаций в энергосистеме, в результате расчета определяется место и объем управляющих воздействий АОСН. В качестве контролируемого параметра используется напряжение в узлах нагрузки. В результате снижения напряжения ниже заданной уставки АОСН производит отключение части нагрузки. Выполнение действия АОСН по ступеням осуществляется с разной выдержкой времени. Действие АОСН с суммарной выдержкой времени может оказаться недостаточным для предотвращения лавины напряжения.

Известен способ поддержания требуемого уровня напряжения в энергорайоне с помощью форсировки возбуждения генераторов [2]. При снижении напряжения в районе нагрузки АРВ каждого генератора данного энергорайона, поддерживая заданный уровень напряжения, увеличивает ток ротора и выдачу реактивной мощности. При исчерпании резерва по реактивной мощности возможна перегрузка генераторов электростанций энергорайона по току ротора с действием штатной автоматики генератора, входящей в состав АРВ - (ограничения перегрузки - ОП), на снижение тока ротора генераторов, что может привести к дальнейшему снижению напряжения в узлах энергорайона.

Известен, также, способ автоматической разгрузки генераторов электростанции при статической перегрузке электропередачи (АРСП), описанный в [3]. В указанном способе контроль загрузки электропередачи (станции) осуществляется по активной мощности. Автоматика фиксирует ситуации, когда активная мощность по контролируемому сечению достигает заданной уставки срабатывания и по заданному алгоритму (с выдержкой времени или без нее) действует на разгрузку электропередачи.

Причинами перегрузки электропередачи могут быть:

- возникновение внезапного дефицита генерирующей мощности в приемной относительно данной электропередачи части энергосистемы, вызванного отключением генератора (энергоблока), частичным или полным сбросом электрической нагрузки электростанцией, отделением избыточного энергоузла;

- возникновение внезапного избытка генерирующей мощности в передающей относительно данной электропередачи части энергосистемы, вызванного отделением дефицитного энергоузла, сбросом потребителями электрической мощности вследствие близкого короткого замыкания или по технологическим причинам, отключением части нагрузки от АЧР;

- медленное (в темпе изменения режима в энергосистеме) нарастание перетока активной мощности и фазового угла по электропередаче из-за отсутствия резервов мощности на электростанциях в приемной части или отсутствия регулировочного диапазона в сторону разгрузки на электростанциях передающей части, а также вследствие ошибки диспетчерского персонала;

- отключение шунтирующей связи и как следствие - наброс на контролируемую линию электропередачи и увеличение угла.

Наиболее часто АРСП применяется для сохранения устойчивости при возмущениях первых двух видов. Максимальный объем разгрузки, осуществляемый автоматикой, в этом случае равен

$$\Delta P_{разгр}^{\max }=k_f\cdot P_{нб}-(P_{8\%\Sigma }-P_{м.д\Sigma }),$$

где Р_нб - расчетное значение небаланса, Р_м.дΣ - максимально допустимое значение перетока активной мощности в контролируемом сечении, P_8%Σ - значение перетока в контролируемом сечении, соответствующее 8%-ному запасу статической устойчивости, k_f - частотный коэффициент, характеризующий долю мощности отключившегося генератора, набрасываемую на контролируемое сечение.

Значение Р_нб принимается равным наибольшему аварийному дефициту мощности в приемной части (или избытку мощности в передающей части) при отключении наиболее мощного генератора или энергоблока, отделении избыточных (дефицитных) энергорайонов.

Сущность изобретения

Из анализа аварийных режимов следует, что причиной лавины напряжения является дефицит реактивной мощности в районе нагрузки, который впоследствии может развиваться быстро и привести к лавине напряжения и нарушению устойчивости энергосистемы.

Целью предлагаемого изобретения является создание эффективного алгоритма ликвидации аварийных режимов, способных повлечь за собой лавинообразное понижение напряжения и нарушение устойчивой работы энергосистемы.

Указанная цель достигается тем, что отключение нагрузки контролируемого энергорайона осуществляется с точным определением объема разгрузки (отключения), необходимого для ликвидации перегрузки генераторов по току ротора.

Для этого измеряют напряжение, активную и реактивную мощности на шинах станции, контролируют наличие аварийных сигналов от штатной автоматики генератора «ограничение перегрузки по току ротора» и при наличии данных аварийных сигналов от всех генераторов, подключенных к шинам станции, осуществляют отключение нагрузки.

Необходимая величина разгрузки для ликвидации перегрузки по току ротора и ввода режима в допустимую область (ΔР₁) может быть определена следующим образом.

Отсутствие перегрузки генератора по току ротора равнозначно условию

E_q≤E_qдоп,

где

E_q - действующие значение эдс одного генератора либо эквивалентная эдс генераторов станции, E_qдоп - допустимое значение эдс по условию загрузки током ротора, определенное на основании нормативных показателей по оборудованию.

Выражение E_qдоп генератора можно представить в виде:

$$E_{qдоп}=\sqrt{{\left(U+\frac{(Q-k\cdot \Delta P_1)\cdot x_d}{U}\right)}^2+{\left(\frac{(P-\Delta P_1)\cdot x_d}{U}\right)}^2},(1)$$

где Р, Q, U - величины активной, реактивной мощности и напряжения на шинах станции - соответствуют режиму генератора (станции) при аварийной перегрузке,

ΔP₁ - величина разгрузки, при которой ток ротора генератора снижается до допустимого значения, что равнозначно условию E_q=E_qдоп,

k - соотношение между реактивной и активной составляющими мощности генератора (станции) (tgφ),

X_d - синхронное реактивное сопротивление генератора или эквивалентное сопротивление генераторов всей станции по продольной оси [Ом].

Выражение (1) целесообразно переписать в следующем виде

$${\left(\frac{E_{qдоп}}{U}\right)}^2={\left(1+x_{do.e.}\cdot \left(\frac{Q-k\cdot \Delta P_1}{S}\right)\right)}^2+\left(x_{do.e.}\cdot \left(\frac{P-\Delta P_1}{S}\right)\right),(2)$$

где S - полная мощность генератора, $$S=\sqrt{P^2+Q^2,}$$

x_do.e. - синхронное реактивное сопротивление генератора или эквивалентное сопротивление генераторов всей станции по продольной оси в относительных единицах.

Из (2) следует квадратное уравнение относительно величины ΔP₁

$$A\cdot \Delta P_1^2-2\cdot B\cdot \Delta P_1+C=\mathrm{0,}(3)$$

где

A=1+k²

$$B=\frac{S}{x_{do.e.}}\cdot k+k\cdot Q+P;$$

$$C={\left(\frac{S}{x_{do.e.}}+Q\right)}^2+P^2-\left(\frac{E_{qдоп}}{U}\right)\cdot \frac{S^2}{x_{do.e.}{}^2}$$

Исходя из этого величина необходимой разгрузки энергорайона для снятия с генератора перегрузки по току ротора определяется как:

$$\Delta P_1=\frac{B-\sqrt{B^2-AC}}{A},$$

или

$$\Delta P_1=\frac{\left(\frac{S}{x_{do.e.}}\cdot k+k\cdot Q+P\right)+\sqrt{-{\left(\frac{S}{x_{do.e.}}\cdot k+k\cdot Q+P\right)}^2-4\left(1+k^2\right)\cdot \left({\left(\frac{S}{x_{do.e.}}+Q\right)}^2+P^2-\left(\frac{E_{qдоп}}{U}\right)\cdot \frac{S^2}{x_{do.e.}{}^2}\right)}}{1+k^2}$$

Величина разгрузки определяется на основании параметров Р, Q, U на шинах станции, получаемых в ходе изменения режима.

Своевременное отключение вычисляемого объема нагрузки по факту превышения током ротора допустимого значения позволит избежать отключения генераторного оборудования и каскадного развития лавины напряжения.

Осуществление изобретения

Для тестирования предложенного способа рассмотрены аварийные процессы с перегрузкой по току ротора генераторов Ямбургской ГТЭС операционной зоны Тюменского РДУ и генераторов ТЭЦ-7 операционной зоны Ленинградского РДУ. Проведенные расчеты показали, что при использовании предложенного способа в рассмотренных аварийных процессах ликвидируется дефицит реактивной мощности в энергорайоне, лавинообразное развитие аварийного процесса при этом не происходит. Расчетная величина разгрузки энергорайона, необходимая для ликвидации перегрузки генератора по току ротора и рассчитанная по измеряемым параметрам текущего режима, обеспечивает эффективную нормализацию режима и предотвращает возможность снижения напряжения генераторов с негативными последствиями для энергоснабжения энергорайона.

Источники информации

1. Невельский В.Л., Тен Е.А. Требования к электропередаче, обеспечивающей связь нагрузочного узла с системой (предельная мощность удаленного узла нагрузки). - Известия НИИПТ №64, 2010.

2. Овчаренко Н.И. Автоматика электрических станций и электроэнергетических систем. Учебник для вузов./Под ред. А.Ф.Дъякова. - М.: НЦ ЭНАС, 2000. - 504 с. [с.410-414].

3. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 390 с. [с.233].

Использование: в противоаварийной автоматике энергосистемы для предотвращения каскадных аварий, связанных с лавинообразным снижением напряжения. Технический результат - ликвидация дефицита реактивной мощности в энергорайоне и предотвращение лавинообразного понижения напряжения. Способ заключается в измерении напряжения, активной и реактивной мощности на шинах станции, контроле наличия аварийных сигналов от штатной автоматики генератора «ограничение перегрузки по току ротора» и при их наличии от всех генераторов, подключенных к шинам станции, осуществление отключения нагрузки контролируемого энергорайона с точным определением объема разгрузки, рассчитанного по формуле

$$\Delta P_1=\frac{B-\sqrt{B^2-AC}}{A},$$

где А, В, С - расчетные коэффициенты, определяемые на основании измерения величин активной мощности, реактивной мощности и напряжения на шинах станции.

Способ предотвращения лавины напряжения в энергосистеме заключающийся в том, что измеряют напряжение, активную и реактивную мощности на шинах станции, контролируют наличие аварийных сигналов от штатной автоматики генератора «ограничение перегрузки по току ротора» и при наличии данных аварийных сигналов от всех генераторов, подключенных к шинам станции, осуществляют отключение нагрузки контролируемого энергорайона с точным определением объема разгрузки, необходимого для ликвидации перегрузки по току ротора, который определяется как
$$\Delta P_1=\frac{B-\sqrt{B^2-AC}}{A},$$
где A=1+k²,
$$B=\frac{S}{x_{do.e.}}\cdot k+k\cdot Q+P,$$
$$C={\left(\frac{S}{x_{do.e.}}+Q\right)}^2+P^2-\left(\frac{E_{qдоп}}{U}\right)\cdot \frac{S^2}{x_{do.e.}}$$
расчетные коэффициенты, вычисляемые на основании измерения величин активной Р, реактивной Q мощности и напряжения U на шинах станции в режиме при аварийной перегрузке,
S - полная мощность генератора,
$$S=\sqrt{P^2+Q^2,}$$
x_do.e. - синхронное реактивное сопротивление генератора или эквивалентное сопротивление генераторов всей станции по продольной оси в относительных единицах,
k - соотношение между реактивной и активной составляющими мощности генератора (станции) (tgφ),
E_qдоп - допустимое значение эдс по условию загрузки током ротора, определенное на основании нормативных показателей по оборудованию.