Помощь студентам в учебе
Исследование установившихся режимов и статической устойчивости электроэнергетических систем с учетом регулирующего эффекта нагрузки
|
ВВЕДЕНИЕ 7
1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ
УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
И МОДЕЛИРОВАНИЮ УЗЛОВ КОМПЛЕКСНОЙ НАГРУЗКИ 10
1.1. Общие сведения о режимах электроэнергетических систем 10
1.2. Основные требования к обеспечению устойчивости электроэнергетических систем 12
1.3. Особенности моделирования нагрузки при расчетах установившихся
режимов и статической устойчивости в программных комплексах 15
1.4. Способы идентификации статических характеристик нагрузки 20
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ
РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ
СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЗКИ 26
2.1. Разработка тестовой схемы электрической сети и определение параметров схемы замещения 26
2.2. Составление матрицы узловых проводимостей 31
2.3. Составление уравнений установившегося режима при задании статических характеристик нагрузки квадратичными полиномами 34
2.4. Расчет установившихся режимов в программном комплексе Mathcad 38
2.5. Верификация математических моделей в программном комплексе
RastrWin3 46
2.6. Исследование влияния статических характеристик нагрузки на параметры нормальных и послеаварийных режимов 48
2.7. Исследование влияния статических характеристик нагрузки на показатели статической устойчивости 53
3. АНАЛИЗ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ И СТАТИЧЕСКОЙ
УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ 58
3.1. Общая характеристика энергосистемы Белгородской области 58
3.2. Описание расчетных моделей, применяемых для анализа установившихся режимов и статической устойчивости 63
3.3. Исследование моделей статических характеристик нагрузки крупных
потребителей энергосистемы Белгородской области 65
3.4. Исследование установившихся режимов энергосистемы Белгородской
области для зимних максимальных нагрузок 2020 года 67
3.5. Исследование установившихся режимов энергосистемы Белгородской
области для летних максимальных нагрузок 2020 года 73
3.6. Исследование статической устойчивости энергосистемы Белгородской
области 77
4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПЕРЕГРУЗКИ
ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ЭЛЕКТРОСЕТЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ 83
4.1. Разработка схемно-режимных мероприятий для ввода послеаварийного
режима в допустимую область 83
4.2. Разработка мероприятий по усилению сети для ввода послеаварийного
режима в допустимую область 86
4.3. Применение проводов нового поколения для повышения пропускной
способности воздушных линий электропередачи 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 100
1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ ПОДХОДОВ К ИССЛЕДОВАНИЮ
УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
И МОДЕЛИРОВАНИЮ УЗЛОВ КОМПЛЕКСНОЙ НАГРУЗКИ 10
1.1. Общие сведения о режимах электроэнергетических систем 10
1.2. Основные требования к обеспечению устойчивости электроэнергетических систем 12
1.3. Особенности моделирования нагрузки при расчетах установившихся
режимов и статической устойчивости в программных комплексах 15
1.4. Способы идентификации статических характеристик нагрузки 20
2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УСТАНОВИВШИХСЯ
РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ С УЧЕТОМ
СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАГРУЗКИ 26
2.1. Разработка тестовой схемы электрической сети и определение параметров схемы замещения 26
2.2. Составление матрицы узловых проводимостей 31
2.3. Составление уравнений установившегося режима при задании статических характеристик нагрузки квадратичными полиномами 34
2.4. Расчет установившихся режимов в программном комплексе Mathcad 38
2.5. Верификация математических моделей в программном комплексе
RastrWin3 46
2.6. Исследование влияния статических характеристик нагрузки на параметры нормальных и послеаварийных режимов 48
2.7. Исследование влияния статических характеристик нагрузки на показатели статической устойчивости 53
3. АНАЛИЗ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ И СТАТИЧЕСКОЙ
УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ 58
3.1. Общая характеристика энергосистемы Белгородской области 58
3.2. Описание расчетных моделей, применяемых для анализа установившихся режимов и статической устойчивости 63
3.3. Исследование моделей статических характеристик нагрузки крупных
потребителей энергосистемы Белгородской области 65
3.4. Исследование установившихся режимов энергосистемы Белгородской
области для зимних максимальных нагрузок 2020 года 67
3.5. Исследование установившихся режимов энергосистемы Белгородской
области для летних максимальных нагрузок 2020 года 73
3.6. Исследование статической устойчивости энергосистемы Белгородской
области 77
4. РАЗРАБОТКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ ПЕРЕГРУЗКИ
ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ И ЭЛЕКТРОСЕТЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ 83
4.1. Разработка схемно-режимных мероприятий для ввода послеаварийного
режима в допустимую область 83
4.2. Разработка мероприятий по усилению сети для ввода послеаварийного
режима в допустимую область 86
4.3. Применение проводов нового поколения для повышения пропускной
способности воздушных линий электропередачи 89
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 98
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 100
В современном мире происходит непрерывное усложнение структуры электроэнергетических систем, продолжающийся рост электрических нагрузок приводит к увеличению установленной мощности электростанций и активному развитию электросетевого комплекса. Все эти процессы связаны с появлением новых технических ограничений на передачу требуемых объемов мощности и трудностей поддержания допустимых параметров установившихся и переходных режимов. Обеспечение устойчивости, надежности и качества электрической энергии в электроэнергетических системах имеет большое значение. Проблемы повышения пропускной способности электрических сетей и поддержания допустимых уровней напряжения в различных схемно-режимных ситуациях являются особенно актуальными для Единой энергетической системы России [1].
При решении задач управления режимами энергосистем возникает необходимость создания математических и имитационных моделей. Наиболее сложным для моделирования элементом является нагрузка, обладающая регулирующим эффектом, который определяется видом ее статических характеристик по напряжению и частоте [2]. В практике анализа режимов и устойчивости энергосистем для сокращения размерности решаемых задач производится агрегирование информации о группах отдельных электроприемников и даже целых энергообъединениях.
Следует отметить, что оценке влияния регулирующего эффекта нагрузки на параметры нормальных, послеаварийных и предельных режимов в литературе уделяется недостаточно внимания. Например, в работе [3] указывается, что в реальных условиях функционирования энергосистем регулирующий эффект по напряжению активных нагрузок незначителен, а регулирующий эффект по напряжению реактивных нагрузок близок к характеристикам постоянной проводимости. Применение таких моделей является спорным в условиях изменившегося в последние годы состава нагрузки, а также ввиду повышения требований к точности моделирования. В диссертации [4] производится оценка влияния модели нагрузки на значения предельных перетоков мощности, но не указывается критерий определения предельного перетока и не учитывается изменение реактивной мощности нагрузки, параметры линий электропередачи тестовой схемы не соответствуют реальным линиям электропередачи по конструкции фазы. В статье [5] оценивается влияние 10%-го отклонения коэффициентов линейной и полиномиальной СХН на величину перетоков мощности, однако утяжеление режима прекращается по достижении предела по длительно допустимому току, при этом не рассматривается критерий нарушения статической устойчивости.
В последние годы в России проводится активная работа по определению действительных характеристик нагрузки крупных потребителей, в том числе промышленных предприятий [6-9]. Важность определения параметров нагрузки узлов с высокой долей промышленности в электропотреблении обусловлена тем, что в таких узлах имеется значительная доля двигателей, изменение режима которых оказывает значительно большее влияние на сеть, чем при другом составе электроприемников [10].
Существенный вклад в разработку методов расчета и анализа установившихся режимов и статической устойчивости электроэнергетических систем внесли такие ученые, как Андреюк В.А., Баринов В.А., Бартоломей П.И., Васин В.П., Веников В.А., Воропай Н.И., Гамм А.З., Горев А.А., Груздев И.А., Жданов П.С., Идельчик В.И., Конторович А.М., Крумм Л.А., Крюков А.В., Лукашов Э.С., Маркович И.Н., Рудницкий М.П., Смоловик С.В., Совалов С.А., Строев В.А., Тарасов В.И., Ушаков Е.И., Цукерник Л.В. и другие деятели науки.
Объектом исследования являются электроэнергетические системы с большим количеством крупных узлов комплексной нагрузки. Предметом исследования являются установившиеся режимы и статическая апериодическая устойчивость электроэнергетических систем.
Цель работы - исследование установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС с учетом регулирующего эффекта комплексной нагрузки по напряжению (на примере тестовой энергосистемы и энергосистемы Белгородской области).
Особую актуальность исследование режимов и устойчивости с учетом характеристик нагрузки имеет для Белгородской области, в северной части которой находятся крупные промышленные предприятия. Для развития энергосистемы Белгородской области большое значение имеют следующие мероприятия: определение и ликвидация районов с повышенными рисками выхода параметров режима за допустимые границы, обеспечение требуемых резервов активной и реактивной мощности, повышение надежности электроснабжения потребителей, обеспечение условий для технологического присоединения новых потребителей, повышение пропускной способности сетевых элементов и др. [11].
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ особенностей моделирования нагрузки при расчетах установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС и исследование способов идентификации СХН.
2. Разработка и верификация математических моделей для расчета установившихся режимов ЭЭС с учетом СХН.
3. Исследование влияния регулирующего эффекта нагрузки на параметры установившихся режимов и показатели статической устойчивости ЭЭС.
4. Исследование установившихся режимов и статической устойчивости энергосистемы Белгородской области с использованием типовых и экспериментальных СХН.
5. Разработка мероприятий по введению параметров послеаварийных режимов Белгородской энергосистемы в область допустимых значений.
В работе были использованы методы математического моделирования электроэнергетических систем, методы расчета установившихся режимов электроэнергетических систем, методы анализа статической апериодической устойчивости электроэнергетических систем.
При решении задач управления режимами энергосистем возникает необходимость создания математических и имитационных моделей. Наиболее сложным для моделирования элементом является нагрузка, обладающая регулирующим эффектом, который определяется видом ее статических характеристик по напряжению и частоте [2]. В практике анализа режимов и устойчивости энергосистем для сокращения размерности решаемых задач производится агрегирование информации о группах отдельных электроприемников и даже целых энергообъединениях.
Следует отметить, что оценке влияния регулирующего эффекта нагрузки на параметры нормальных, послеаварийных и предельных режимов в литературе уделяется недостаточно внимания. Например, в работе [3] указывается, что в реальных условиях функционирования энергосистем регулирующий эффект по напряжению активных нагрузок незначителен, а регулирующий эффект по напряжению реактивных нагрузок близок к характеристикам постоянной проводимости. Применение таких моделей является спорным в условиях изменившегося в последние годы состава нагрузки, а также ввиду повышения требований к точности моделирования. В диссертации [4] производится оценка влияния модели нагрузки на значения предельных перетоков мощности, но не указывается критерий определения предельного перетока и не учитывается изменение реактивной мощности нагрузки, параметры линий электропередачи тестовой схемы не соответствуют реальным линиям электропередачи по конструкции фазы. В статье [5] оценивается влияние 10%-го отклонения коэффициентов линейной и полиномиальной СХН на величину перетоков мощности, однако утяжеление режима прекращается по достижении предела по длительно допустимому току, при этом не рассматривается критерий нарушения статической устойчивости.
В последние годы в России проводится активная работа по определению действительных характеристик нагрузки крупных потребителей, в том числе промышленных предприятий [6-9]. Важность определения параметров нагрузки узлов с высокой долей промышленности в электропотреблении обусловлена тем, что в таких узлах имеется значительная доля двигателей, изменение режима которых оказывает значительно большее влияние на сеть, чем при другом составе электроприемников [10].
Существенный вклад в разработку методов расчета и анализа установившихся режимов и статической устойчивости электроэнергетических систем внесли такие ученые, как Андреюк В.А., Баринов В.А., Бартоломей П.И., Васин В.П., Веников В.А., Воропай Н.И., Гамм А.З., Горев А.А., Груздев И.А., Жданов П.С., Идельчик В.И., Конторович А.М., Крумм Л.А., Крюков А.В., Лукашов Э.С., Маркович И.Н., Рудницкий М.П., Смоловик С.В., Совалов С.А., Строев В.А., Тарасов В.И., Ушаков Е.И., Цукерник Л.В. и другие деятели науки.
Объектом исследования являются электроэнергетические системы с большим количеством крупных узлов комплексной нагрузки. Предметом исследования являются установившиеся режимы и статическая апериодическая устойчивость электроэнергетических систем.
Цель работы - исследование установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС с учетом регулирующего эффекта комплексной нагрузки по напряжению (на примере тестовой энергосистемы и энергосистемы Белгородской области).
Особую актуальность исследование режимов и устойчивости с учетом характеристик нагрузки имеет для Белгородской области, в северной части которой находятся крупные промышленные предприятия. Для развития энергосистемы Белгородской области большое значение имеют следующие мероприятия: определение и ликвидация районов с повышенными рисками выхода параметров режима за допустимые границы, обеспечение требуемых резервов активной и реактивной мощности, повышение надежности электроснабжения потребителей, обеспечение условий для технологического присоединения новых потребителей, повышение пропускной способности сетевых элементов и др. [11].
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Анализ особенностей моделирования нагрузки при расчетах установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС и исследование способов идентификации СХН.
2. Разработка и верификация математических моделей для расчета установившихся режимов ЭЭС с учетом СХН.
3. Исследование влияния регулирующего эффекта нагрузки на параметры установившихся режимов и показатели статической устойчивости ЭЭС.
4. Исследование установившихся режимов и статической устойчивости энергосистемы Белгородской области с использованием типовых и экспериментальных СХН.
5. Разработка мероприятий по введению параметров послеаварийных режимов Белгородской энергосистемы в область допустимых значений.
В работе были использованы методы математического моделирования электроэнергетических систем, методы расчета установившихся режимов электроэнергетических систем, методы анализа статической апериодической устойчивости электроэнергетических систем.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы было проведено исследование установившихся режимов и статической устойчивости электроэнергетических систем с учетом регулирующего эффекта комплексной нагрузки по напряжению на примере тестовой энергосистемы и энергосистемы Белгородской области.
В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты и выводы:
1. Выполнен анализ особенностей моделирования нагрузки при расчетах установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС и рассмотрены способы идентификации СХН. Показано, что при анализе режимов энергосистем самую большую трудность представляет моделирование нагрузочных узлов. Для определения фактических характеристик комплексных узлов нагрузки используются два основных способа: аналитический (с применением различных вычислительных методов) и экспериментальный (с применением активного или пассивного эксперимента).
2. Разработаны и верифицированы математические модели для расчета установившихся режимов ЭЭС с учетом СХН. В результате сравнения параметров режимов, полученных при расчетах в программных комплексах Mathcad и RastrWin3, сделан вывод, что разработанные математические модели установившихся режимов тестовой ЭЭС, учитывающие различное представление нагрузки, являются адекватными.
3. Исследовано влияние регулирующего эффекта нагрузки на параметры установившихся режимов и показатели статической устойчивости ЭЭС. Показано, что на параметры установившихся режимов наибольшее влияние оказывают крутые СХН, а наименьший предел передаваемой мощности (коэффициент запаса) соответствует пологим СХН. Выявлено, что при значительной крутизне СХН в процессе утяжеления режима возможна взаимная компенсация факторов, влияющих на переток по группе линий, в результате чего он начинает снижаться при приближении к пределу по статической устойчивости.
4. Исследованы установившиеся режимы и статическая устойчивость энергосистемы Белгородской области с использованием типовых и экспериментальных СХН, выявлена возможность перегрузки ЛЭП и электросетевого оборудования. Наиболее тяжелым послеаварийным режимом для энергосистемы Белгородской области является аварийное отключение II СШ-500 ПС 500 кВ Старый Оскол при находящейся в ремонте I СШ-500 ПС 500 кВ Старый Оскол. При учете типовых и экспериментальных характеристик нагрузки переток по группе линий электропередачи, включающей ВЛ 500 кВ Донская - Старый Оскол № 1 и ВЛ 500 кВ Донская - Старый Оскол № 2, в процессе утяжеления сначала увеличивается, а после уменьшается до достижения предельного по статической апериодической устойчивости режима. Характер изменения перетока мощности аналогичен случаю использования крутых СХН при рассмотрении предельных режимов тестовой энергосистемы.
5. Разработаны мероприятия по введению параметров послеаварийных режимов Белгородской энергосистемы в область допустимых значений и предложено применение проводов нового поколения для повышения пропускной способности ВЛ. Показано, что использование проводов нового поколения типа Z позволяет увеличить пропускную способность электрических сетей и надежность электроснабжения потребителей и является эффективным для модернизации электросетевого комплекса Белгородской области.
В процессе выполнения работы были получены следующие основные результаты и выводы:
1. Выполнен анализ особенностей моделирования нагрузки при расчетах установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС и рассмотрены способы идентификации СХН. Показано, что при анализе режимов энергосистем самую большую трудность представляет моделирование нагрузочных узлов. Для определения фактических характеристик комплексных узлов нагрузки используются два основных способа: аналитический (с применением различных вычислительных методов) и экспериментальный (с применением активного или пассивного эксперимента).
2. Разработаны и верифицированы математические модели для расчета установившихся режимов ЭЭС с учетом СХН. В результате сравнения параметров режимов, полученных при расчетах в программных комплексах Mathcad и RastrWin3, сделан вывод, что разработанные математические модели установившихся режимов тестовой ЭЭС, учитывающие различное представление нагрузки, являются адекватными.
3. Исследовано влияние регулирующего эффекта нагрузки на параметры установившихся режимов и показатели статической устойчивости ЭЭС. Показано, что на параметры установившихся режимов наибольшее влияние оказывают крутые СХН, а наименьший предел передаваемой мощности (коэффициент запаса) соответствует пологим СХН. Выявлено, что при значительной крутизне СХН в процессе утяжеления режима возможна взаимная компенсация факторов, влияющих на переток по группе линий, в результате чего он начинает снижаться при приближении к пределу по статической устойчивости.
4. Исследованы установившиеся режимы и статическая устойчивость энергосистемы Белгородской области с использованием типовых и экспериментальных СХН, выявлена возможность перегрузки ЛЭП и электросетевого оборудования. Наиболее тяжелым послеаварийным режимом для энергосистемы Белгородской области является аварийное отключение II СШ-500 ПС 500 кВ Старый Оскол при находящейся в ремонте I СШ-500 ПС 500 кВ Старый Оскол. При учете типовых и экспериментальных характеристик нагрузки переток по группе линий электропередачи, включающей ВЛ 500 кВ Донская - Старый Оскол № 1 и ВЛ 500 кВ Донская - Старый Оскол № 2, в процессе утяжеления сначала увеличивается, а после уменьшается до достижения предельного по статической апериодической устойчивости режима. Характер изменения перетока мощности аналогичен случаю использования крутых СХН при рассмотрении предельных режимов тестовой энергосистемы.
5. Разработаны мероприятия по введению параметров послеаварийных режимов Белгородской энергосистемы в область допустимых значений и предложено применение проводов нового поколения для повышения пропускной способности ВЛ. Показано, что использование проводов нового поколения типа Z позволяет увеличить пропускную способность электрических сетей и надежность электроснабжения потребителей и является эффективным для модернизации электросетевого комплекса Белгородской области.