Система автоматического противоаварийного управления нагрузкой в изолированно работающей энергетической системе Российский патент 2020 года по МПК H02P9/10 H02H3/00 H02J3/14 G01R21/00 

Область техники

Изобретение относится к области электроэнергетики и может быть использовано для оптимизации работы систем автоматического предотвращения нарушения устойчивости и автоматических систем ограничения снижения частоты в изолированных энергетических системах.

Уровень техники

Согласно СТО 59012820.29.020.004-2018 «Стандарт АО «СО ЕЭС». Релейная защита и автоматика. Автоматическое противоаварийное управление режимами энергосистем. Противоаварийная автоматика. Нормы и требования» автоматическое противоаварийное управление предназначено для выявления, предотвращения развития и ликвидации аварийного режима энергетической энергосистемы, которое реализуется посредством устройств противоаварийной автоматики (ПА).

Условно, все существующие системы ПА возможно разделить на локальные подсистемы, которые реализуют объёмы управляющих воздействий (УВ), полученные на основании предварительно выполненных расчётов для группы наиболее тяжёлых схемно-режимных ситуаций, и централизованные системы противоаварийного управления (ЦСПА), которые рассчитывают и реализуют УВ на основании данных о текущем режиме работы энергетической системы, полученных в режиме реального времени.

В общем случае, устройства ПА могут выполнять следующие функции:

- предотвращение нарушения устойчивости параллельной работы генераторов электростанций;

- предотвращение возникновения недопустимых токовых перегрузок оборудования;

- ликвидация асинхронных режимов генерирующего оборудования;

- ограничение снижения или повышения частоты переменного напряжения в электроэнергетической системе (ЭЭС);

- ограничение снижения или повышения напряжения в узлах электрической сети.

В настоящее время локальные устройства ПА используются для решения всех вышеперечисленных задач в структуре противоаварийного управления, а централизованные - только для предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы генераторов электростанций, ограничения снижения напряжения в узлах электрической сети и предотвращения недопустимых токовых перегрузок оборудования.

Анализ принципов развития современных энергосистем показывает, что в последние десятилетия во всем мире существует тенденция к увеличению доли участия газотурбинных (ГТУ) и парогазовых установок (ПГУ), а также альтернативных источников электроэнергии (АИЭ), в общем энергетическом балансе отдельных ЭЭС. Прежде всего данное обстоятельство обусловлено экологичностью и энергоэффективностью применения указанных энергетических установок.

С точки зрения влияния ГТУ, ПГУ и АИЭ на протекание аварийных процессов в энергетических системах указанные энергоустановки обладают негативной особенностью, связанной с невозможностью осуществления длительной (а в некоторых случаях и кратковременной) работы в условиях пониженной частоты переменного напряжения. Во многих случаях указанное обстоятельство приводит к их отключению от технологических защит или автоматик еще до срабатывания локальных устройств ПА, ограничивающих снижение частоты в ЭЭС (в т.ч. устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР)), увеличению начального дефицита активной мощности в энергосистеме и развитию каскадной аварии с неконтролируемым отключением потребителей во время её протекания.

В связи с тем, что по сравнению с крупными энергообъединениями изолированные ЭЭС более чувствительны к возникновению аварийных дефицитов активной мощности, приводящих к изменению частоты переменного напряжения сверх допустимых пределов, а также тенденцией к повсеместному внедрению ГТУ, ПГУ и АИЭ, становится актуальной задача применения в таких энергетических системах интеллектуальных систем ПА, оптимально компенсирующих аварийные дефициты активной мощности и обеспечивающих устойчивость работы генераторов электростанций по условию недопущения их отключения технологическими защитами и автоматиками.

Наиболее распространённым способом компенсации аварийных небалансов активной мощности, возникающих в изолированных ЭЭС, в настоящее время является применение устройств дополнительной автоматической разгрузки (ДАР) или устройств автоматической разгрузки при отключении генератора или энергоблока (АРОГ или АРОБ), которые относятся к локальным устройствам ПА.

Согласно СТО 59012820.29.020.004-2018 устройства ДАР должны применяться для ликвидации больших местных дефицитов активной мощности (более 45% от потребления) со скоростью снижения частоты более 1,8-2,0 Гц/сек, при этом реализация управляющих воздействий указанными устройствами ПА должна быть направлена на повышение эффективности работы или обеспечение возможности срабатывания устройств АЧР. Назначение устройств АРОБ (АРОГ) в изолированных ЭЭС строго не регламентируется и, как правило, оно аналогично назначению устройств ДАР (например, устройства АРОБ и АРОГ Калининградской энергосистемы).

В качестве прототипа выбрана автоматика разгрузки при отключении генератора (АРОГ) [Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчёты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. - М.: Энергоатомиздат, 1990].

Указанная автоматика, включает в себя:

- пусковые органы, фиксирующие аварийные отключения генераторов (энергоблоков);

- орган контроля предшествующего режима, задачей которого является приём и обработка информации о текущих загрузках генераторов (энергоблоков) по активной мощности;

- блок сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) по активной мощности с подготовленными ранее уставками срабатывания;

- блок реализации управляющих воздействий, который в случае получения аварийного сигнала об отключении генераторов (энергоблоков) электростанций и превышения уставок срабатывания формирует команду на реализацию управляющего воздействия (отключение нагрузки) согласно ранее подготовленной таблице управляющих воздействий;

- исполнительные органы, реализующие управляющие воздействия (отключение нагрузки);

- каналы связи и передатчики и приемники телеинформации и исполнительных команд.

Автоматика измеряет предшествующую отключению мощность генератора и суммарную предшествующую передаваемую мощность в контролируемом сечении и - при фиксации аварийного отключения генератора (энергоблока) - осуществляет дозированное воздействие в зависимости от этих величин.

Уставки и воздействия выбираются по условию обеспечения статической устойчивости с нормативным запасом в послеаварийном режиме, вызванном отключением контролируемого генератора и набросом мощности в сечении.

В связи с тем, что устройства ДАР и АРОБ (АРОГ) в своих алгоритмах не используют информацию о текущем режиме работы энергетической системы, то:

- объёмы управляющих воздействий, реализуемые указанными устройствами, в большинстве случаев являются избыточными. Данное обстоятельство приводит к необоснованному отключению потребителей электроэнергии;

- в тех случаях, когда загрузка генератора (энергоблока) электростанции меньше предварительно заданной уставки срабатывания устройств ДАР или АРОБ (АРОГ) могут возникать ситуации, когда частота переменного напряжения выходит за допустимые пределы, а реализация УВ не происходит.

Недостатком является и невозможность учета в алгоритмах ДАР, АРОБ (АРОГ) характера протекания переходного процесса (ПП) после реализации управляющих воздействий и, как следствие, определение их избыточности или недостаточности для недопущения срабатывания устройств АЧР и технологических защит ГТУ, ПГУ и АИЭ.

Сущность изобретения

Технический результат - создание системы автоматического противоаварийного управления нагрузкой в изолированно работающей энергетической системе с повышенной точностью выбора (оптимизацией необходимого объёма) УВ при отключении энергоблоков электростанций, которая обеспечивает недопущение возникновения условий для срабатывания устройств автоматической частотной разгрузки и технологических защит ГТУ, ПГУ и АИЭ, а также поддержание уровня частоты в послеаварийном режиме согласно требованиям ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» с использованием информации о текущем режиме работы изолированной ЭЭС.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство АРОБ или АРОГ, содержащее:

- пусковые органы, фиксирующие аварийные отключения генераторов (энергоблоков), сигналы о срабатывании которых по каналам связи поступают в блок реализации управляющих воздействий;

- орган контроля предшествующего режима, на вход которого поступает информация о текущей загрузке генераторов (энергоблоков) по активной мощности и выход которого связан с первым входом блока сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) по активной мощности с уставками срабатывания;

- блок сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) по активной мощности с уставками срабатывания, выход которого связан с первым входом блока реализации управляющих воздействий;

- блок реализации управляющих воздействий, осуществляющий передачу аварийных команд на отключение нагрузки по каналам связи в исполнительные органы, реализующие управляющие воздействия (отключение нагрузки);

- исполнительные органы, реализующие управляющие воздействия (отключение нагрузки),

дополняется блоком расчёта оптимальных управляющих воздействий, первый выход которого связан с вторым входом блока сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) с уставками срабатывания и реализации управляющих воздействий, а второй выход связан с вторым входом блока реализации управляющих воздействий. В качестве исходных данных указанный блок использует информацию о:

1) составе генераторов (энергоблоков) электростанций, работающих в сети (ТС_ген);

2) загрузке по активной мощности энергоблоков электростанций, работающих в сети (Р_ген);

3) текущей температуре наружного воздуха на электростанциях (ТНВ);

4) текущем значении частоты переменного напряжения в ЭЭС (f_тек);

5) текущей мощности потребителей, отключаемых действием устройств ПА (Р_САОН);

6) текущем потреблении активной мощности в ЭЭС (Р_потр).

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 изображена общая схема системы автоматического противоаварийного управления нагрузкой в изолированно работающей энергетической системе, которая содержит: орган контроля 1 предшествующего режима, блок 2 сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) с уставками срабатывания, блок 3 реализации управляющих воздействий, пусковые органы 4 (устройства, фиксирующие аварийные отключения генераторов (энергоблоков), исполнительные органы 5 (устройства, реализующие отключение нагрузки), блок 6 расчёта оптимальных объёмов управляющих воздействий.

На фиг. 2 представлен алгоритм расчета управляющих воздействий, реализованный в блоке 6.

Осуществление изобретения

Орган контроля 1 предшествующего режима осуществляет приём и обработку телеметрической информации о загрузке генераторов электростанций по активной мощности, которую передает в блок 2 сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) с уставками срабатывания. В блоке 2 происходит сравнение доаварийной загрузки генераторов с уставками срабатывания, рассчитанными блоком 6 расчёта оптимальных объёмов управляющих воздействий, и в случае их превышения блок 2 передает информацию о превышении уставки в блок 3 реализации управляющих воздействий. В блоке 3 происходит запоминание информации о случаях превышения уставок срабатывания и в случае получения аварийного сигнала от блока 4 об отключении генератора (энергоблока), мощность которого превышала уставку срабатывания, блок 3 формирует управляющее воздействие, рассчитанное блоком 6 расчёта оптимальных объёмов УВ, которое реализуется посредством исполнительных органов 5.

Информация о составе генераторов (энергоблоков) электростанций, работающих в сети, загрузке по активной мощности энергоблоков электростанций, работающих в сети, текущей температуре наружного воздуха на электростанциях, текущем значении частоты переменного напряжения в энергетической системе, текущей мощности потребителей, отключаемых действием устройств ПА и текущем потреблении активной мощности в энергетической системе поступает по каналам связи из оперативно-измерительного комплекса (ОИК) в блок 6. В блоке 6:

- выполняется расчёт величины максимально допустимого небаланса активной мощности для текущей схемно-режимной ситуации, приводящего к недопустимому изменению частоты переменного напряжения согласно выражению (1):

, (1)

где Р_{НБ max} - максимально допустимый небаланс активной мощности для текущей схемно-режимной ситуации, МВт;

f _тек - текущее значение частоты переменного напряжения в изолированной ЭЭС (по данным ОИК), Гц;

f _ном - номинальное значение частоты переменного напряжения в изолированной ЭЭС, Гц (50 Гц);

D_ƒ - допустимое изменение частоты в послеаварийном режиме, о.е. (задаётся технологом, допустимому отклонению частоты ±0,4 Гц в послеаварийном режиме соответствует значение D_f, равное 0,008);

K _{г f} - регулирующий эффект генерации по частоте (задается технологом изменяется в достаточно широких пределах (от 0 до 25 и более), зависит от состава генераторов электростанций, схемно-балансовой ситуации, наличия вращающегося резерва, положения рабочей точки регуляторов частоты вращения в зоне нечувствительности и др.);

K _{н f} - регулирующий эффект нагрузки по частоте (задаётся технологом, по умолчанию принимается равным 1,0);

P _{т.ном . i} - номинальная мощность i-го энергоблока, участвующего в первичном регулировании частоты, МВт (задаётся технологом, при этом для энергоблоков ПГУ и ГТУ необходимо указывать номинальную мощность энергоблоков при температуре +15°С. Указанный параметр автоматически корректируется в блоке 6 в зависимости от ТНВ на электростанции с ПГУ и ГТУ по данным из ОИК);

s_i - состояние энергоблока (0 - энергоблок отключен от сети, 1 - энергоблок включен в сеть, автоматически корректируется в блоке 6 по данным из ОИК);

P _потр - суммарное потребление ЭЭС (по данным ОИК), МВт.

формируются таблицы (вектор-столбцы) минимально необходимых объёмов УВ для каждого пускового органа (ПОр), согласно выражению (2):

, (2)

где УВ_ПОр - минимально необходимый объём УВ, МВт;

Р _{ген.ПОр} - текущее значение мощности генератора, отключение которого является ПОр по данным из ОИК, МВт;

Р _с.н. - активная мощность собственных нужд отключенного энергоблока, по данным из ОИК, МВт;

Р _{НБ max} - максимально допустимый небаланс активной мощности для текущей схемно-режимной ситуации, рассчитанный в блоке 6, МВт.

- формируется таблица (вектор-столбец) доступных для Системы автоматического противоаварийного управления нагрузкой в изолированно работающей энергетической системе объёмов ОН (УВ_дост);

- для каждого пускового органа формируется таблица (вектор-столбец) управляющих воздействий (ТУВ), согласно алгоритму, представленному на фиг. 2.

После обработки информации в блоке 6 уставки передаются в блок 2, а сформированная таблица управляющих воздействий передается в блок 3.

Предлагаемая система прошла апробацию во время испытаний в мае 2019 года в энергосистеме Калининградской области. Результаты испытаний показали, что применение устройства в ЭЭС позволяет не только оптимизировать и сократить объёмы отключения потребителей за счёт «быстрой» реализации УВ, но и предотвратить срабатывание технологических автоматик генерирующего оборудования, учитывающих факторы снижения или скорости снижения частоты в ЭЭС, и дальнейшее развитие частотных аварий.

Заявляемая система автоматического противоаварийного управления нагрузкой в изолированно работающей энергетической системе обеспечивает требуемый технический результат, связанный с повышенной точностью выбора (оптимизации необходимого объёма) УВ при отключении энергоблоков электростанций, а также с обеспечением недопущения возникновения условий для срабатывания устройств автоматической частотной разгрузки и технологических защит ГТУ, ПГУ и АИЭ, и поддержанием уровня частоты в послеаварийном режиме согласно требованиям ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» с использованием информации о текущем режиме работы изолированной ЭЭС.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам автоматического предотвращения нарушения устойчивости и к автоматическим системам ограничения снижения частоты в изолированных энергетических системах. Технический результат заключается в повышении точности выбора управляющих воздействий при отключении энергоблоков электростанций в изолированно работающей энергетической системе и достигается тем, что изобретение содержит орган контроля предшествующего режима, блок сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) по активной мощности, блок реализации управляющих воздействий, исполнительные и пусковые органы, дополняется блоком расчёта оптимальных управляющих воздействий, осуществляющим расчет управляющих воздействий в соответствии с предложенным алгоритмом. 2 ил.

Система автоматического противоаварийного управления нагрузкой в изолированно работающей энергетической системе, содержащая орган контроля предшествующего режима, на вход которого поступает информация о текущей загрузке генераторов (энергоблоков) по активной мощности, связанный с блоком сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) по активной мощности с уставками срабатывания, связанный с блоком реализации управляющих воздействий, осуществляющим передачу аварийных команд на отключение нагрузки в исполнительные органы, реализующие управляющие воздействия; и пусковые органы, фиксирующие аварийные отключения генераторов (энергоблоков), сигналы о срабатывании которых поступают в блок реализации управляющих воздействий, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит блок расчёта оптимальных управляющих воздействий, использующий информацию о составе генераторов (энергоблоков) электростанций, работающих в сети, о загрузке по активной мощности генераторов (энергоблоков) электростанций, работающих в сети; текущей температуре наружного воздуха на электростанциях; текущем значении частоты переменного напряжения в энергетической системе; текущей мощности потребителей, отключаемых действием устройств противоаварийной автоматики, текущем потреблении активной мощности в энергетической системе, и передающий рассчитанные уставки и сформированную таблицу управляющих воздействий в блок сравнения текущих загрузок генераторов (энергоблоков) с уставками срабатывания и блок реализации управляющих воздействий соответственно.