Актуальность темы. На протяжении всех периодов развития мировая энергетика тяготеет к укрупнению масштабов деятельности, будь то расширение зоны покрытия электрических сетей с повышением их рабочего напряжения или наращивание единичной мощности генерирующего оборудования и станций. В связи с тем, что мировые запасы энергоресурсов и центры их потребления распределены неравномерно, начиная с середины XX в. протяженность и разветвленность электрических сетей постоянно возрастали, было сформировано множество международных энергообъединений. Результатом такого развития глобальной энергетики стало формирование высокомощных энергосистем, связанных протяженными линиями электропередачи, пропускная способность которых ограничена. Электрогенерация в последние годы активно развивается за счет повсеместного включения установок распределенной генерации, в том числе на основе возобновляемых источников энергии. Более того, в ближайшие годы доля ветровой и солнечной генерации, отличающихся непостоянством выработки и затрудненным прогнозированием, по оценкам экспертов, будет лишь возрастать. Непрерывное изменение структуры электрогенерации и потребления влечет за собой снижение инерционности энергосистем в целом, из-за чего повышается влияние возмущений на параметры их работы. Для улучшения управляемости энергосистем широко применяется передовое оборудование, зачастую дополненное прогрессивными быстродействующими системами регулирования, такое как асинхронизированные синхронные машины, гибкие системы передачи переменного тока, системы аккумулирования энергии и др. Таким образом, изменяются свойства энергосистемы в целом, что проявляется, в том числе, в возникновении низкочастотных колебаний (НЧК) параметров электрического режима (ПЭР).
НЧК ПЭР в ходе электромеханических переходных процессов (ЭМПП) в энергосистемах возникают, как правило, в результате возникновения существенного небаланса мощности в энергоузле или энергорайоне. К факторам, способствующим развитию НЧК, относятся приближение режима к пределу по устойчивости в сечениях и некорректная настройка системных регуляторов (автоматический регулятор возбуждения - АРВ, автоматический регулятор скорости вращения - АРСВ). Несвоевременная идентификация НЧК и отсутствие мер, направленных на их демпфирование, могут привести к нарушению устойчивости работы электроэнергетической системы (ЭЭС), повреждению оборудования в результате переходящих в асинхронный ход синхронных качаний и др.
НЧК представляют собой результат взаимодействия нескольких вращающихся масс в энергорайоне или энергоузле, чем и обусловлены их свойства - нелинейность и нестационарность. При этом возможно возникновение также и дополнительных составляющих, соответствующих взаимному движению концентрированных частей или целых энергосистем.
Малые НЧК синхронных генераторов (СГ) электрических станций имеют место постоянно из-за непрерывного возникновения незначительных небалансов мощностей электропотребления и генерации, они легко демпфируются и не вызывают опасений. При возникновении значительных небалансов мощности в энергосистемах возникают циклические ЭМПП, сопровождающиеся отклонениями частоты электрического тока от номинальной на величину свыше 0,05 Гц. В таких ситуациях крайне важной становится оперативная идентификация (экспресс-анализ) НЧК для мониторинга свойств каждого генератора, в значительной степени определяемых настройками установленных системных регуляторов.
Цель работы - совершенствование теоретических основ и развитие практических методов оперативной идентификации НЧК и их параметров, а также анализа синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие задачи:
1. Сравнительный анализ существующих методов идентификации НЧК и их параметров.
2. Разработка новых методов применительно к задачам идентификации и анализа НЧК в ЭЭС и подготовки данных СМПР для выполнения анализа.
3. Реализация в программном виде существующих и разработанных методов идентификации НЧК и анализ эффективности и производительности их работы для применения в промышленном программном комплексе.
4. Формирование критериев оценки опасности НЧК и их территориальной градации в зависимости от локализации.
5. Разработка метода оценки синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК на основе определения величин удельной синхронизирующей мощности (УСМ) и ее нормированной интегральной оценки (НИО УСМ).
6. Сравнительный анализ на физической электродинамической модели расчетных методов определения угла нагрузки генератора с непосредственными измерениями этой величины.
7. Оценка эффективности разработанных методов и влияния принятых допущений путем их тестирования на данных математического и физического моделирования, а также на реальных данных СМПР.
Объектами исследования являются энергосистема с оборудованием, системами управления и развернутой в настоящее время системой синхронизированных векторных измерений, а также общепризнанные цифровые и физические модели энергосистемы и СГ, описывающие и воспроизводящие электромеханические переходные процессы.
Методология исследования. В ходе исследований были применены методы анализа и модели энергосистем и оборудования, разработанные в рамках теории электромеханических переходных процессов. Все алгоритмы тестировались на общепризнанных моделях энергосистем и оборудования с помощью математического моделирования, а также моделирования переходных процессов на физической электродинамической модели (ЭДМ) энергосистемы в составе цифро-аналого-физического комплекса (ЦАФК) Научно-технического центра Единой энергетической системы (НТЦ ЕЭС) и на реальных данных, полученных от регистраторов Системы мониторинга переходных режимов (СМПР) Единой энергетической системы (ЕЭС) России.
Научная новизна заключается в
• разработке новых методов идентификации и анализа НЧК;
• проведении экспериментального сравнительного анализа способов определения угла нагрузки СГ - расчетных, отличающихся разным уровнем допущений, - с эталонными непосредственными измерениями;
• выполнении впервые анализа синхронизирующего действия реальных СГ в ходе НЧК в процессе технологического нарушения на основе расчета их УСМ и ее НИО.
Достоверность результатов подтверждается корректным использованием положений теорий электроэнергетических систем и обработки сигналов, применением соответствующих математических методов, а также вычислительными экспериментами на применяемых в исследованиях и практике математических и физической моделях ЭЭС и анализом данных, полученных от систем измерений ПЭР, установленных в ЕЭС России. Исследования выполнялись и обсуждались в контакте с научно-технической (АО «НТЦ ЕЭС», г. Санкт-Петербург) и диспетчерско-технологической (АО «СО ЕЭС», г. Москва) организациями, а также ведущими компаниями- разработчиками программного и аппаратного обеспечения современных измерительных систем, развернутых в ЕЭС России (ООО «АльтероПауэр», г. Екатеринбург и ООО «Прософт-Системы», г. Екатеринбург).
Теоретическая и практическая значимость работы состоят в:
• предложенных решениях задач идентификации НЧК и их пара-метров по данным, полученным на объектах электроэнергетики;
• оценке синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК в режиме реального времени тремя способами по имеющимся данным для определения угла нагрузки СГ;
• разработке программного комплекса «ПО мониторинга низкочастотных колебаний» (получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ), реализующего автоматизированный анализ НЧК;
• разработке «Системы определения синхронизирующей мощности синхронной машины», защищенной патентом РФ;
• возможности использования полученных результатов в учебном процессе и при повышении квалификации сотрудников профильных организаций.
Реализация и внедрение результатов работы. Выводы, полученные в ходе исследований, реализованы в программном комплексе «Оценка тяжести режима и мониторинга динамических свойств энергосистем на основе данных системы мониторинга переходных режимов» (ПК МНЧК). ПК МНЧК предназначен для ретроспективного анализа данных, получаемых от Автоматической системы сбора информации (АС СИ) СМПР, - для мониторинга и анализа НЧК ПЭР в ЭЭС. Выполнена модификация ПК МНЧК для работы в режиме реального времени. ПК МНЧК введен в промышленную эксплуатацию в подразделениях АО «СО ЕЭС».
Система определения синхронизирующей мощности синхронной машины предполагается к использованию в Системе мониторинга системных регуляторов (СМСР) в качестве дополнения, расширяющего ее функциональность в части оценки синхронизирующего действия СГ в процессе НЧК.
Положения, выносимые на защиту:
1. Разработанные методы идентификации НЧК и их параметров.
2. Результаты сравнительного анализа методов идентификации НЧК и их параметров, а также методы решения прикладных задач, возникших в ходе выполнения работы.
3. Обоснование и доказательство эффективности разработанных методов с точки зрения качества получаемых результатов и быстродействия.
4. Результаты сравнительного анализа методов определения угла нагрузки генератора и величины УСМ, выполненного на физической модели.
5. Оценка синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК на основании определения величин УСМ и НИО УСМ: обоснование и аспекты реализации. Результаты оценки синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК на реальных данных СМПР.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 11 конференциях, в том числе: Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» - Екатеринбург-2012, Новочеркасск-2013, Томск-2014, Иваново-2015, Казань-2016; Международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем» - Екатеринбург-2013, Сочи-2015; International Conference on Energy Production and Management in the 21st Century: The Quest for Sustainable Energy, Екатеринбург, 2014; XXII конференция «Релейная защита и автоматика энергосистем», Москва, 2014; The International Workshop on Electric Power Control Centers (EPCC Workshop) 13, Блед (Словения), 2015; Interna¬tional Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON), Омск, 2015; International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manu¬facturing (ICIEAM), Челябинск, 2016. Основные положения работы рассматривались на научных семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, Екатеринбург, 2013-2016.
Публикации. Всего по результатам исследований опубликовано 30 печатных работ, из них по теме диссертации - 22 печатных работы, в том числе 4 - в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ («Вестник Южно-Уральского государственного университета», «Научное обозрение», «Электрические станции», «Известия НТЦ Единой энергетической системы») и 4 - в зарубежных изданиях, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus. Получены Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ («ПО мониторинга низкочастотных колебаний») и Патент РФ на изобретение («Система определения синхронизирующей мощности синхронной машины»).
Личный вклад соискателя. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит выполнение сравнительного анализа методов идентификации НЧК и их параметров; разработка методов идентификации НЧК в ЭЭС и их алгоритмическая реализация; внедрение разработанных методов идентификации НЧК и их параметров в программный комплекс промышленного назначения; совершенствование подхода к определению синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК на основе определения УСМ и ее НИО; выполнение сравнительного анализа методов определения угла нагрузки СГ на основе численных и физических экспериментов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 120 наименований и 5 приложений. Объем работы: страниц - 188, включая рисунков - 77 и таблиц - 17.
1. Выполнен сравнительный анализ методов анализа НЧК с учетом свойств рассматриваемых процессов.
2. Для выделения доминантных мод разработан частотный EMD,а для определения их параметров предложено модифицированное преобразование Гилберта.
3. Разработаны методы модального анализа НЧК в энергосистеме:
• выделения синфазных и противофазных колебаний;
• территориальной градации НЧК в зависимости от локализации;
• предложены критерии оценки опасности НЧК.
4. Разработан и реализован метод количественной оценки синхронизирующего действия СГ в ходе НЧК на основе определения величин удельной синхронизирующей мощности и ее нормированной интегральной оценки. Эффективность метода подтверждена на данных математических моделей и физической электродинамической модели.
5. Выполнен экспериментальный сравнительный анализ методов определения угла нагрузки СГ, необходимого для оценки его удельной синхронизирующей мощности.
6. Выполнена апробация методов модального анализа НЧК и анализа синхронизирующего действия генераторов с использованием реальных данных, СМПР - технологических нарушений в энергосистеме.
7. Разработанные методы положены в основу программного комплекса «ПО мониторинга низкочастотных колебаний», реализующего автоматизированный анализ НЧК. Разработана «Система определения синхронизирующей мощности синхронной машины», защищенная патентом РФ.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
