Исследование и разработка адаптивных алгоритмов выявления и ликвидации асинхронного режима для использования в микропроцессорной противоаварийной автоматике электроэнергетических систем

Актуальность темы

Проблема выявления и ликвидации асинхронного режима (АР) рассматривается как одна из важнейших в перечне мероприятий противоаварийной автоматики (ПА), направленных на сохранение устойчивости электроэнергетических систем (ЭЭС). Несмотря на то, что в настоящее время активно развиваются структура и алгоритмы действия автоматики предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) [1,2,3,4], обеспечивающие возможность повышения загрузки и устойчивости линий электропередач, проблема выявления и ликвидации АР не потеряла своей актуальности, так как случаи возникновения АР из-за неэффективности или отказа устройств АПНУ становятся более вероятными. В то же время используемые в энергосистемах устройства автоматики ликвидации асинхронного режима (AJ1AP) не отвечают современным требованиям эффективного функционирования ПА. В первую очередь это связано с конструктивной сложностью выполнения AJIAP традиционного типа, ограниченными функциональными возможностями и чрезвычайной громоздкостью расчета параметров срабатывания при изменении структуры и режимов ЭЭС.

Для выявления АР могут быть использованы различные режимные параметры ЭЭС: углы между векторами напряжений контролируемых узлов электропередачи, скорость изменения этих углов, изменение тока, напряжения и направления мощности, сопротивление на зажимах реле сопротивления и скорость его изменения. В частности, оценка работы большинства типовых устройств AJIAP показывает, что они реализуют косвенные способы фиксации предельного значения критического угла электропередачи <5 = 180° между векторами ЭДС эквивалентных генераторов в двухмашинной модели энергосистемы и положение электрического центра качаний (ЭЦК) в контролируемой зоне на основе измерения величины сопротивления, скорости его изменения и фиксации момента смены знака активной мощности в узле включения AJIAP. Поскольку в окрестностях этого угла напряжение и ток, определяющие сопротивление на зажимах реле, проходят свои экстремальные значения, то для фиксации АР используется дополнительный параметр — направление мощности. В связи с этим типовые устройства AJIAP на базе реле сопротивления настроены на фиксацию уже наступившего асинхронного режима.

Выбор параметров срабатывания большого числа устройств AJIAP базируется на использовании функциональной зависимости угла между векторами напряжения в контролируемых узлах энергосистемы от угла между векторами эквивалентных ЭДС. В общем случае эта зависимость нелинейная, причем степень нелинейности связана как с величиной отбора мощности в узле измерения, так и с неоднородностью параметров электропередачи. Учет нелинейности требует проведения существенного объема сложных расчетов при настройке параметров срабатывания AJIAP, причем исходные условия расчета могут отличаться для различных режимов электропередачи. Стремление разработчиков AJIAP одним набором параметров срабатывания учесть все возможные режимы передачи приводит к размыванию границ контролируемых зон и диапазонов существования АР с повышением опасности ложного срабатывания. В настоящее время в связи с участившимся изменением структуры и режимов функционирования энергосистем и практическими трудностями перенастройки параметров срабатывания АЛАР адекватно новым режимам многие устройства просто выведены из работы.

С учетом изложенного задачи, связанные с совершенствованием математического, алгоритмического и программного обеспечения устройств выявления и ликвидации асинхронного режима, адаптивных к возможным изменениям структуры и режимов защищаемых электроэнергетических систем, являются актуальными.

Работа выполнена с использованием программно-технической базы научно-исследовательской лаборатории технических средств управления энергосистемами ОАО «Институт Энергосетьпроект».

Целью работы является разработка и исследование алгоритмов и критериев, обеспечивающих функционирование автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима, адаптивной к условиям изменения структуры и режима энергосистемы.

Основные методы научных исследований. При решении поставленных задач использованы современные методы математического моделирования, теория электромеханических переходных процессов в электрических системах, теория вероятностей, современные методы обработки данных, статистические методы.

Научная новизна работы.

1. Разработан и реализован в виде программы на ЭВМ метод выявления асинхронного режима в условиях неполной информации об эквивалентных параметрах энергосистемы, адаптивный к изменению этих параметров и режиму работы ЭЭС, базирующийся на формировании синхронной системы координат в узле измерения, построении траекторий изменения векторов напряжения или токов в контролируемых узлах и определении параметров этих траекторий.

2. Разработан и реализован в виде программы для ЭВМ способ определения параметров траекторий изменения векторов напряжения и тока в синхронной системе координат на основе модифицированного метода наименьших квадратов.

3. Получены и исследованы соотношения для определения эквивалентных параметров ЭЭС и эквивалентного угла электропередачи на основе анализа элементов траекторий векторов напряжения или тока.

4. Разработан и программно реализован метод фиксации электрического центра качаний (ЭЦК) на основе использования параметров траекторий векторов напряжения.

5. Предложен и теоретически обоснован метод определения момента нарушения устойчивости (критического угла) электропередачи на основе анализа изменения вектора напряжения или тока в узле ЭЭС и использования полученного угла в качестве уставки самонастраивающегося устройства противоаварийной автоматики.

Достоверность результатов, получаемых при использовании разработанных алгоритмов и программных модулей, подтверждена проверкой по данным математического моделирования электромеханических процессов в энергосистеме и физического моделирования аварий на электродинамической модели с последующей обработкой полученных осциллограмм.

Практическая ценность результатов работы.

Разработана блок-схема алгоритма функционирования устройства AJIAP и создан программный комплекс, использующий разработанные в диссертации методы, адаптивные к структурно-режимным изменениям, происходящим в энергосистеме в процессе ее эксплуатации. Алгоритм программного комплекса технически реализуем на базе микропроцессорного контроллера и способен найти свое применение:

1. При формировании алгоритмов действия микропроцессорных устройств автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима.

2. Для анализа работы устройств автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима, эксплуатируемых в ЭЭС по зафиксированным процессам в виде осциллограмм.

3. На этапе проектирования устройств автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима и их включения в энергосистему.

Реализация результатов работы. Научные и практические результаты работы применялись при проектировании противоаварийной автоматики и анализе аварий в ЭЭС для выбора уставок срабатывания устройств автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима при проведении проектных работ в институте «Энергосетьпроект» для ОЭС Северо-Запада и Северного Кавказа.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Метод выявления асинхронного режима, адаптивный к структурно-режимным условиям работы энергосистемы.

2. Метод формирования уставки срабатывания устройства автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима, базирующийся на определении момента нарушения устойчивости параллельной работы энергосистем.

3. Метод определения электрического центра качаний путем использования параметров годографов векторов напряжений, полученных в узлах контролируемого участка энергосистемы.

4. Метод формирования синхронной системы координат в узле измерения для построения векторов измеряемых величин на комплексной плоскости.

5. Технологические алгоритмы работы микропроцессорного устройства автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима, реализующие предложенные методы.

Публикации. По результатам исследований подготовлена к печати одна и опубликовано 4 печатных работы, а также получено положительное решение по заявке № 2 001 126 970 от 08.10.2001 г. на патент РФ «Способ адаптивного выявления и ликвидации асинхронного режима в энергосистеме устройством автоматики».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем работы включает в себя 159 страниц основного текста, 63 рисунка, 11 таблиц, 74 единиц списка литературы.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в разработке комплекса методов, позволяющих повысить быстродействие и достоверность выявления асинхронного режима в электроэнергетических системах (ЭЭС) в условиях неполной информации об эквивалентных параметрах электропередачи, и могут быть представлены в виде следующих выводов:

1. Проведенный анализ существующих способов выявления и ликвидации асинхронного режима в ЭЭС показывает, что используемые в электроэнергетике устройства автоматики релейного типа не обладают адаптивностью к структурному и режимному изменению условий работы энергосистемы.

2. Разработан и реализован в виде программно-вычислительного комплекса метод выявления асинхронного режима, адаптивный к условиям работы энергосистемы и позволяющий учитывать возможные изменения ее структуры и режима. Метод основан на использовании информации о векторах напряжения и тока в контролируемых узлах электропередачи.

3. Разработан и теоретически обоснован метод определения эквивалентных параметров двухмашинной схемы замещения ЭЭС и угла электропередачи на основе анализа траекторий изменяющихся векторов напряжения и тока в асинхронном режиме энергосистемы.

4. На основе развития модифицированного метода наименьших квадратов разработан и программно реализован ряд способов определения параметров годографов векторов контролируемых величин (ток, напряжение) в синхронной системе координат, зафиксированных в процессе асинхронного движения частей ЭЭС. Разработанные способы базируются на определении параметров окружности по кривым изменения векторов тока и напряжения в процессе асинхронного режима.

5. Разработан и программно реализован метод фиксации электрического центра качаний (ЭЦК) на контролируемом участке ЭЭС, базирующийся на использовании параметров годографов (координаты центра и радиус окружности) векторов напряжений в процессе асинхронного движения частей ЭЭС в двухмашинной схеме замещения.

6. Предложен и теоретически обоснован метод определения момента нарушения устойчивости (достижения критического угла) в двухмашинной схеме замещения ЭЭС на основе анализа изменения скольжения и его производной, а также векторов напряжения или тока в узле электропередачи. Возможность автоматического определения критического угла открывает перспективы создания самонастраивающейся противоаварийной автоматики.

7. Для адаптивного функционирования устройства автоматики выявления и ликвидации асинхронного режима разработан и программно реализован метод формирования синхронной системы координат в узле измерения на основе информации о токах или напряжениях предшествующего режима.

8. Разработана блок-схема алгоритма функционирования устройства для реализации функции адаптивного действия AJIAP. Работоспособность разработанного алгоритма подтверждена вычислительными экспериментами с использованием осциллограмм асинхронного движения, полученных на электродинамической модели института НИИПТ.