Актуальность темы. Мониторинг электрического режима и обеспечение устойчивости являются важнейшими задачами, стоящими перед системой диспетчерского управления электроэнергетической системы (ЭЭС). Эти задачи решаются с помощью проведения расчетов установившихся режимов и переходных процессов, в результате которых формируются ограничения по условиям устойчивости и область допустимых режимов электроэнергетической системы.
Также существуют системы противоаварийной автоматики и программные комплексы типа "советчик диспетчера", использующие принцип «До», когда основной объем вычислений производится до момента возникновения возмущения. Оценка устойчивости и выбор управляющих воздействий в этих системах осуществляется циклически с учетом текущей телеинформации о параметрах установившегося режима и топологии электрической сети. Цикл обновления информации об управляющих воздействиях по всему списку расчетных аварий составляет несколько десятков секунд.
Существующие технологии имеют некоторые особенности, а именно:
• неполнота моделей, используемых для анализа режимов работы ЭЭС, эквивалентирование расчетных схем замещения, отсутствие учета зависимости параметров этих схем от нагрузки и погодных условий;
• ориентация на обеспечение апериодической статической устойчивости, отсутствие учета некоторых свойств ЭЭС и имеющихся регуляторов, оказывающих влияние на колебательную устойчивость;
• анализ режимов энергосистемы для наиболее тяжелых ситуаций;
• низкая частота обновления измерительной информации, не позволяющая контролировать каскадные аварии и обеспечивать управление электромеханическими переходными процессами;
• недостоверность и погрешность в измерениях, отсутствие синхронизации по времени, что приводит к неточному управлению.
Все это приводит к завышению запасов устойчивости и, как следствие, недоиспользованию пропускной способности сети и передозировке управляющих воздействий при авариях. Кроме того, в существующих технологиях возможность колебательного нарушения устойчивости анализируется только на этапе настройки регуляторов при вводе нового оборудования в эксплуатацию. В этом случае невозможно учесть весь спектр схемно-режимных ситуаций.
Прогресс в области информационно-измерительных технологий позволяет более точно и в темпе процесса контролировать состояние электроэнергетической системы. Перспективным является использование в ЭЭС технологии синхронизированных векторных измерений (СВИ), получившей в нашей стране название системы мониторинга переходных режимов (СМПР), а в зарубежной литературе WAMS (Wide Area Measurement System). Высокая частота обновления информации дает возможность наблюдать в энергосистеме динамические явления и создавать новые технологии для мониторинга и управления режимами энергосистемы, а также разрабатывать новые модели и математические методы.
Перспективной областью применения СМПР является идентификация параметров модели энергосистемы в темпе процесса. Такая идентификация позволяет создать методы контроля, расширяющие границы допустимых режимов энергосистемы.
Наиболее широко применяется подход к идентификации динамических параметров энергосистемы на основе СМПР при низкочастотных колебаниях. Идентифицированные параметры низкочастотных колебаний отражают текущие свойства системы, в отличие от заранее заданной модели. При этом появляется возможность в реальном времени анализировать текущую ситуацию, а не «худший случай», как это делается в традиционных подходах.
Развитие СМПР позволяет на основе серии измерений идентифицировать характеристики математической модели, описывающей динамические свойства системы, и оценивать ее устойчивость. Такая математическая модель адаптируется к текущим условиям и привязана к пунктам установки СВИ. В рамках предлагаемого решения связь между параметрами динамической модели устанавливается по принципу «черного ящика» на основе обработки серии последовательных измерений. Модель не требует информации о топологии электрической сети, параметрах схемы замещения, статических и динамических характеристиках отдельных элементов и регуляторов. Высокая частота обновления измерений и высокая скорость идентификации параметров модели позволят создать эффективную систему управления электромеханическими переходными процессами.
Работа посвящена разработке метода идентификации эквивалентной динамической модели (ЭДМ) энергосистемы на основе СВИ. Этот подход связан с идентификацией низкочастотных колебаний, но благодаря идентификации модели в виде системы уравнений появляется возможность выявлять свойства системы, а не свойства отдельных колебаний, которые часто зависят от точки приложения возмущения. Кроме того, идентифицированную модель можно непосредственно применять для управления энергосистемой.
В работе предложены способы применения идентифицированных параметров для контроля режима энергосистемы. Развитие идей, представленных в работе, и создание на их базе программного комплекса позволят в реальном времени контролировать близость режима энергосистемы к границе устойчивости. Разработка и внедрение системы управления, основанной на применении идентифицированных параметров, позволит эффективнее управлять электромеханическим переходным процессом.
Цель исследования - разработка метода идентификации ЭДМ энергосистемы на основе СВИ.
Задачи исследования:
• анализ методов идентификации динамических систем, в том числе, методов идентификации низкочастотных колебаний в энергосистеме;
• разработка специализированного метода идентификации, способного выявить параметры низкочастотных колебаний на основе малой выборки измерений;
• разработка подходов к мониторингу режима энергосистемы и управлению им на основе идентифицированной модели;
• тестирование предложенных методик с помощью имитационных вычислительных экспериментов в программных комплексах для математического моделирования.
Объект исследования. Объектами исследования в работе являются традиционные математические модели, описывающие электромеханические переходные процессы в энергосистемах, а также реальная энергосистема.
В работе было рассмотрено две схемы ЭЭС:
• трехузловая схема энергосистемы с двумя генераторами и шинами бесконечной мощности. Генераторы моделируются уравнением движения и уравнением переходного процесса в обмотке возбуждения с учетом регулятора напряжения пропорционального действия;
• девятиузловая тестовая схема, широко используемая в исследованиях низкочастотных колебаний в ЭЭС.
Разработанный метод был применен для идентификации низкочастотных колебаний в реальной энергосистеме. Анализировались два события:
• самораскачивание энергоблоков крупной ГРЭС;
• отключение энергоблока на АЭС.
Методика исследования. В исследовании применялись модели энергосистем, разработанные в теории электромеханических переходных процессов в энергосистемах. Моделирование переходных процессов осуществлялось с применением теории дифференциальных уравнений. Для анализа устойчивости использовался математический аппарат линейной алгебры. Решения, предложенные в работе, основаны на положениях теории автоматического регулирования и аппарате теории идентификации систем. Предложенные методики тестировались на традиционных, общепризнанных моделях ЭЭС с помощью компьютерного моделирования.
Научная новизна работы:
• Разработан метод идентификации ЭДМ энергосистемы, использующий СВИ. Метод характеризуется малым окном наблюдения и устойчивостью к измерительным шумам.
• Предложен способ выявления групп синфазных генераторов и критических генераторов для мониторинга энергосистемы и управления ею. Показана возможность применения метода для выявления колебательного нарушения устойчивости.
• Предложен способ управления переходным процессом на основе ЭДМ. Создание системы управления на основе идентифицированного эквивалента позволит эффективно демпфировать электромеханические колебания, предотвращать колебательное нарушение устойчивости, а также улучшить динамическую устойчивость.
• Показана возможность применения предложенного подхода к управлению возбуждением генераторов с учетом задержек на передачу информации. С помощью ЭДМ удается осуществлять краткосрочный прогноз переходного процесса для определения необходимых управляющих воздействий с упреждением переходного процесса во времени.
Практическая ценность. Предложены способы выявления синфазных групп генераторов и критических генераторов с применением идентифицированных параметров низкочастотных колебаний. Выделение групп синфазных генераторов является способом контроля режима энергосистемы, дополняющим контроль по опасным сечениям. Выделение критических генераторов в группе дает полезную информацию для управления режимом. Кроме того, анализ идентифицированной модели позволяет выявить факт колебательного нарушения устойчивости и его источник (генератор или группа генераторов), после чего можно принимать меры по возвращению режима в устойчивое состояние.
Предложенный подход к контролю режима ЭЭС и управлению им на основе идентификации динамического эквивалента в виде «черного ящика» является основой для разработки новых, современных средств мониторинга и управления. Применение идентифицированной в реальном времени ЭДМ позволит расширить область допустимых режимов энергосистемы.
Достоверность полученных выводов подтверждена результатами имитационного математического моделирования и анализа событий, происходивших в реальной энергосистеме. Достоверность разработанной методики подтверждена сопоставлением результатов идентификации с результатами, полученными традиционными методами анализа электромеханических колебаний моделей ЭЭС. Сопоставление разработанного метода с существующими подходами показывает эффективность предложенного алгоритма.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях: Международная научно-техническая конференция «Електроенергетика 2010», Варна, Болгария, 2010; Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи», Самара, 2011; Международная молодежная научно-техническая конференция «Управление, информация и оптимизация в электроэнергетических системах», Новосибирск, 2011; 2012 International Conference on Future Electrical Power Systems, Санья, Китай, 2012; Asian Conference Power and Energy Systems 2012, о. Пхукет, Тайланд, 2012; 3rd IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies Europe (ISGT Europe), Berlin, 2012; Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи», Екатеринбург, 2012; научный семинар кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, Екатеринбург, 2012.
Публикации. По результатам исследования опубликовано 13 печатных работ, в том числе одна статья в журнале «Электричество» и одна в журнале «Научное обозрение», включенных в перечень российский рецензируемых журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Кроме того, две статьи включены в библиографическую базу Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 110 наименований и 5 приложений. Объем работы - 142 страницы, включая 42 рисунка и 8 таблиц.
1) Произведен всесторонний анализ методов идентификации низкочастотных колебаний в электроэнергетических системах и выявлены преимущества и недостатки методов. Разработан метод идентификации ЭДМ энергосистемы, позволяющий определять параметры низкочастотных колебаний в энергосистеме. Метод отличается эффективной фильтрацией шумов и требует малого окна измерений. Особенностью метода является идентификация не отдельных параметров колебаний, а эквивалентной модели в целом. В основе метода лежит идентификация эквивалентной матрицы состояния энергосистемы, определяющей свободные колебания линеаризованной модели энергосистемы. Предварительная фильтрация с помощью сингулярного разложения величин, полученных от СМПР, позволяет выявить значимые динамические свойства энергосистемы и отбросить шумы и несущественные компоненты.
2) Анализ идентифицированной матрицы состояния позволяет выявлять ключевые свойства системы и определять положение точки режима энергосистемы в области устойчивости. Знание близости границы устойчивости, получаемое в реальном времени, позволит полнее использовать пропускную способность сети.
3) Предложен способ выявления групп синфазных генераторов в энергосистеме и критических генераторов в этих группах на основе идентифицированной ЭДМ, который является альтернативой поиску опасных сечений. Преимущество предложенного подхода в том, что метод определяет синфазные группы для текущей режимной ситуации и в отличие от традиционных методов определения опасных сечений не требует вектора утяжеления режима. Отказ от заранее заданной модели и вектора утяжеления режима в пользу мониторинга в реальном времени также позволит расширить область допустимых режимов энергосистемы.
Выявленные критические генераторы показывают, в каких районах энергосистемы следует реализовывать управляющие воздействия (разгружать блоки) в первую очередь, чтобы обеспечить необходимый запас устойчивости.
4) Предложен способ выявления в реальном времени колебательного нарушения устойчивости с указанием источника нарушения. Предложенный метод идентификации ЭДМ может стать основой новых систем мониторинга, способных сигнализировать о колебательной неустойчивости.
5) Предложен способ управления энергосистемой на основе идентифицированной ЭДМ, позволяющий эффективно демпфировать электромеханические колебания, предотвращать колебательное нарушение устойчивости и улучшать динамическую устойчивость энергосистемы. При этом эффективное управление достигается при применении окна наблюдения, которое меньше одного цикла качаний. Показана возможность применения предложенного подхода с учетом временных задержек на передачу и обработку информации.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
