Актуальность. Низкочастотные колебания мощности являются одной из основных проблем надежности и функционирования энергосистем во всем мире. Это связано с тем, что наличие таких колебаний может значительно снизить допустимые перетоки мощности в системе и, как следствие, ухудшить экономику при обеспечении необходимого уровня надежности.
Колебания естественны для каждой энергосистемы и возникают вследствие малых изменений нагрузки в системе и возмущений, таких как отключения генераторов или линий. Настоящий этап развития энергетики характеризуется наличием крупных концентрированных энергосистем, соединенных относительно слабыми связями, в состав которых активно включаются мощности распределенной генерации. Изменение состава генерации и структуры электропотребления приводит к уменьшению постоянных инерции элементов энергосистем, увеличивая чувствительность параметров режима энергосистемы к малым возмущениям. В целях повышения управляемости энергосистем внедряется новое оборудование, оснащенное современными быстродействующими устройствами регулирования: асинхронизированные синхронные генераторы, FACTS, накопители энергии и др. В результате энергосистема приобретает новые свойства, в том числе и некоторые негативные, проявляющиеся, в частности, в возникновении низкочастотных колебаний ее режимных параметров.
Влияние изменения нагрузки, составляющего небольшую долю от потока мощности, может оказаться неодинаковым для устойчивых колебаний, которые являются приемлемыми, и неустойчивых колебаний, развитие которых может привести к системной аварии. Увеличение передачи мощности на большие расстояния ведет к тому, что межзональные колебания становятся слабозатухающими или даже опасными.
Собственные частоты низкочастотных колебаний (НЧК) расположены в диапазоне 0,1^3,0 Гц. Среди них имеются как локальные, так и общесистемные колебания, охватывающие практически всю энергосистему. Локальные колебания характеризуют параметры взаимных качаний синхронных машин в подсистемах, общесистемные - качания подсистем или групп генераторов относительно друг друга.
Уровень затухания колебаний в энергосистеме обычно зависит от активного управления при помощи системных регуляторов, установленных у генераторов, и может существенно меняться в зависимости от текущих характеристик генератора и нагрузки.
При анализе результатов измерений затухания часто выявляются периоды, в течение которых затухание колебаний является слабым. Слабое затухание означает, что система может оказаться ненадежной, так как нет уверенности в том, что динамический отклик на последующие события будет устойчивым. Такую ситуацию нельзя точно отобразить в рамках динамической модели системы. Поэтому контроль затухания на основе измерений важен для предотвращения потенциальных угроз надежности, прежде чем они будут способствовать развитию крупного возмущения.
Инструментом, позволяющим реализовать мониторинг НЧК, является Система мониторинга переходных режимов (СМПР). Создание СМПР инициировано Системным оператором в 2005 году. На протяжении восьми лет в ОАО «СО ЕЭС» ведется работа по развитию инфраструктуры сбора данных и применению синхронизированных векторных измерений в технологиях диспетчерского и автоматического управления.
СМПР - высокотехнологичная система, базирующаяся на технологии синхронизированных векторных измерений параметров электромеханических переходных режимов. По состоянию на апрель 2013 года сбор данных СМПР производится с 43 энергообъектов ЕЭС (207 Регистраторов Переходных Процессов - РПП). Из них в режиме реального времени - с 20 энергообъектов.
Использование СМПР позволяет получать с РПП синхронизированные во времени телеизмерения напряжения, тока и частоты с адекватной точностью. Результаты измерений, полученные в режиме онлайн с системы СМПР, подлежат дальнейшей обработке с целью определения основной частоты и затухания электромеханических колебательных мод в штатном режиме функционирования электроэнергетической системы.
Внедрение СМПР привело к появлению ряда алгоритмов мониторинга колебаний, использующих множество синхронизированных измерений из разных точек сети. Общая суть этих алгоритмических подходов заключается в следующем: в реальном времени оценивается эквивалентная модель системы, на основании этой модели из отклонений процесса определяются коэффициенты демпфирования, частота и колебательные моды.
Использование упрощенной эквивалентной модели вносит определенные погрешности в результаты мониторинга. Исследование, проводимое в рамках диссертации, направлено на создание инструментов мониторинга НЧК, позволяющих определять параметры, характеризующие электромеханические колебания, на основе измеряемых в реальном времени сигналов без оценивания эквивалентных моделей энергосистем.
В настоящее время в России не в полной мере изучены вопросы идентификации и превентивного демпфирования низкочастотных колебаний. Исследование, проводимое в рамках данной работы, направлено на преодоление этого пробела.
Цель исследования заключается в совершенствовании теории и практики идентификации и демпфирования НЧК.
Для достижения цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:
1. исследование методов идентификации НЧК;
2. выбор метода, сохраняющего свойства нелинейности и нестационарности процессов, протекающих в энергосистеме;
3. разработка и реализация алгоритма идентификации и оценки демпфирования НЧК на базе выбранного метода;
4. разработка и реализация метода оценки участия синхронного генератора в демпфировании колебаний при определении величины синхронизирующей мощности.
Объект исследования. Объектами исследования в работе являются реальная энергосистема и модели, описывающие электромеханические переходные процессы в энергосистемах.
Методика исследований. В исследовании применялись модели энергосистем, разработанные в теории электромеханических переходных процессов в энергосистемах. Моделирование переходных процессов осуществлялось с применением теории дифференциальных уравнений. Предложенные методики тестировались на традиционных, общепризнанных моделях ЭЭС с помощью имитационного компьютерного моделирования.
Научная новизна заключается в разработке метода количественной оценки параметров НЧК и роли синхронных генераторов в их демпфировании. Количественная оценка роли генератора в циклах НЧК реализована путем анализа поведения его синхронизирующей мощности.
Достоверность научных результатов подтверждена вычислительными экспериментами на математических моделях ЭЭС и анализом событий, происходивших в реальной энергосистеме. Эффективность разработанного метода идентификации НЧК подтверждена сопоставлением результатов с традиционными методами анализа низкочастотных колебаний моделей ЭЭС.
Практическая ценность
1. Решена задача идентификации и оценки величины демпфирования НЧК.
2. Разработано программное обеспечение «Оценка тяжести режима и мониторинга динамических свойств энергосистем на основе данных системы мониторинга переходных режимов» (ПО МНЧК). ПО МНЧК предназначено для работы в режиме off line с информацией, получаемой от Автоматической системы сбора информации с регистраторов СМПР (АС СИ СМПР), и предоставляет пользователю инструментарий для мониторинга и анализа низкочастотных колебаний параметров электрического режима при электромеханических переходных процессах в энергосистеме.
Положения, выносимые на защиту:
1. развитие методов идентификации НЧК электроэнергетических систем;
2. обоснование использования метода эмпирической модовой декомпозиции (ЭМД) для идентификации и демпфирования НЧК;
3. разработанный метод оценки участия синхронного генератора в демпфировании колебаний при определении величины синхронизирующей мощности.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: III Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи», Екатеринбург, 2012; 4-я Международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», Екатеринбург, 2013; IV Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи», Новочеркасск, 2013; на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, Екатеринбург, 2013.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна статья в Вестнике ЮУрГУ, рекомендованном ВАК РФ для публикаций материалов диссертационных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 83 наименований и 3 приложений. Объем работы - 95 страниц, включая 39 рисунков и 7 таблиц.
1. Проанализированы основные методы частотно-временного анализа, проведена сравнительная характеристика методов, выявлены преимущества и недостатки. В ходе анализа было определено, что для идентификации низкочастотных колебаний в энергосистемах целесообразно использовать метод эмпирической модовой декомпозиции.
2. Рассмотрены основные принципы использования обобщенного метода эмпирической модовой декомпозиции для анализа низкочастотных колебаний в энергосистемах. Применение данного метода позволяет отслеживать НЧК с целью идентификации вероятных источников их возникновения, исследовать причины и развитие электромеханических переходных процессов и определять необходимые упреждающие управляющие воздействия для сохранения устойчивости в системе. Эффективность работы метода эмпирической модовой декомпозиции подтверждена тестовыми расчетами.
3. Метод эмпирической модовой декомпозиции положен в основу математического аппарата модального анализа. Модальный анализ основан на выделении доминантных мод колебаний параметров электрического режима, определении и сопоставлении их характеристик на рассматриваемом интервале времени. К характеристикам относятся частота, амплитуда, фаза колебаний и коэффициент демпфирования. В результате проведенных исследований на реальной энергосистеме и на тестовой модели был выявлен ряд общих закономерностей, позволяющих определить местоположение колеблющихся генераторов и направления, по которым передается обменная мощность при качаниях.
4. Метод эмпирической модовой декомпозиции положен в основу разработанного программного комплекса «Оценка тяжести режима и мониторинга динамических свойств энергосистем на основе данных системы мониторинга переходных режимов». ПО МНЧК предназначено для работы в режиме off line с информацией, получаемой от Автоматической системы сбора информации с регистраторов СМПР и предоставляет пользователю инструментарий для мониторинга и анализа низкочастотных колебаний параметров электрического режима при электромеханических переходных процессах в энергосистеме. ПО введено в промышленную эксплуатацию в ОАО «СО ЕЭС».
5. Разработан метод идентификации источника колебаний. Идентификация источника выполняется на основании анализа участия синхронных генераторов в циклах НЧК (демпфирует, «раскачивает» или пассивен). Количественная оценка роли генератора в циклах НЧК реализована путем анализа поведения его синхронизирующей мощности. Рассмотрены способы определения угла нагрузки синхронной машины для определения синхронизирующей мощности в зависимости от состава непосредственно измеряемых (контролируемых) параметров регистраторами СМПР на генераторе. Метод идентификации источника колебаний успешно апробирован на тестовой модели и на измерениях, полученных из реальной энергосистемы.
6. Применение модального анализа и метода идентификации источника колебаний позволяют идентифицировать низкочастотное колебание, определить местоположение колеблющихся генераторов и их коэффициенты участия. В дальнейшем, планируется определить возможность использования разработанных методик для определения причин возникновения НЧК в энергосистемах, выработке рекомендаций по их устранению. Важным способом применения метода является оценка качества работы системных регуляторов и оптимизация их настройки.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
