Исследование и разработка метода оценки надежности работы выключателей в сложных электроэнергетических системах

Современное состояние электрооборудования потребовало создания новых алгоритмов, разработки новых математических принципов и подходов к построению программ, использования метода декомпозиции схемы по различным параметрам, решения комбинаторных задач, задач синтеза, основанных на расчете огромного количества вариантов и выбора оптимального по заданному критерию, которые ранее не были доступны из-за отсутствия мощной вычислительной техники.

Актуальность. Эксплуатация современных электроэнергетических систем связана с частыми коммутациями по условиям режимов, ремонтных состояний элементов, послеаварийных состояний, отключений оборудования по заявкам организаций. Результирующее коммутационное состояние после ряда автоматических и неавтоматических переключений в ЭЭС является итогом целенаправленных оперативных переключений, при этом изменение схемы во многих случаях приводит к существенному изменению характеристик режима и уровня токов коротких замыканий (КЗ) и перераспределению их значений по элементам системы. При этом коммутационный ресурс выключателей является функцией числа и значений коммутируемых токов, в большей степени зависящий от величины и количества отключаемых токов КЗ.

При отказе выключателя при заявке на срабатывание, как правило, происходит расширение зоны отказа, нередко весьма существенное, а это приводит к понижению параметров живучести ЭЭС — эскалации аварии, которая в итоге может закончиться системной аварией.

В условиях достаточно низкого остаточного коммутационного ресурса выключателей возникает необходимость установления взаимосвязи между каждым значимым коммутационным состоянием системы и остаточным ресурсом тех выключателей, на которые значимо влияют изменения текущего коммутационного состояния по сравнению с предшествующим.

Такого рода взаимосвязь создает предпосылки фильтрации возможных коммутационных состояний по критерию минимума расхода ресурса выключателей, тем самым, по возможности, отодвигая реальные коммутируемые токи выключателей от опасного предела. Это является одним из критериев обеспечения живучести системы — параметра, характеризующего нарушения в сложной конфигурации и структуре ЭЭС, что приводит решаемую задачу к классу общесистемных задач.

Решениями задачи являются данные для диспетчера сетевого предприятия, позволяющие выяснить, допустимо ли данное коммутационное состояние по условиям расхода и величины остаточного ресурса выключателей при коммутации токов КЗ в различных аварийных режимах в сложных ЭЭС.

Оценка величины восстанавливающегося напряжения на контактах выключателей дополняет контроль за величиной ресурса, и позволяет комплексно диагностировать и управлять их работоспособностью.

Цель и задачи диссертационной работы. Цель работы состоит в исследовании надежности, энергосистем и совершенствовании условий эксплуатации силового оборудования: осуществление контроля и управления расходом коммутационного ресурса выключателейоценке восстанавливающегося напряжения на контактах выключателейопределении оптимальных эксплутационных схем ЭЭС по критерию минимизации эквивалентного расхода ресурса выключателей при коммутации токов КЗ в сложных ЭЭС. Для достижения указанных целей потребовалось решить следующие задачи: Разработать метод и практические алгоритмы, позволяющие сократить расчетную схему ЭЭС и выделять ее части относительно расчетного узла, влияющие на величину токов КЗ;

Разработать экспресс-метод расчета параметров режимов токов КЗ с регулируемой точностью и скоростью расчетов в момент отключения тока выключателем, дифференциацией вкладов в токи КЗ для ЭЭС практически любой размерности и сложности;

Разработать принципы структурирования и методику определения показателей надежности выключателей, как динамического элемента, с учетом индивидуального места установки и особенностей и длительности его работы в системе;

Разработать практический метод расчета восстанавливающегося напряжения на выключателях в сложной ЭЭС;

Обосновать и разработать практический метод определения конфигурации схемы ЭЭС с оптимальными коммутационными состояниями по критерию минимума расхода ресурса выключателей при отключении токов КЗ в сложных ЭЭС;

Разработать приемы сокращения вариантов численного анализа результатов в целях получения приемлемых по времени характеристик решения сложной нелинейной многоуровневой комбинаторной задачи выбора оптимальных коммутационных состояний при сохранении заданной точности расчетов.

Методы и средства исследования. Методы и средства выполнения исследований надежности выключателей основаны на системном подходе к задаче, применении моделей случайных процессов, анализе уровней токов КЗ на матрично-тензорном анализе сложных электрических цепей, топологической модели структуры ЭЭС, анализе электромагнитных переходных процессов в электрических системах, переходных процессов в линейных электрических цепях при проведении коммутаций.

Критерием решения задачи является минимум расхода ресурса выключателей при заданных коммутационных состояниях. Проверка эффективности разработанных моделей, обоснованности и достоверности осуществлялась с помощью вычислительных экспериментов применительно к ряду реальных электрических схем. Моделирование процессов работы выключателей в сложных ЭЭС проводится на ПЭВМ с использованием объектно-ориентированных языков программирования.

Основные научные результаты и их новизна. Итогом исследования явилась разработка метода аналитического контроля ресурса выключателей и на его основании — практического инструмента, готового к использованию в реальных ЭЭС большой сложности и размерности для оценки работоспособности выключателей и определения конфигурации схем ЭЭС с оптимальными коммутационными состояниями по критерию минимума расхода ресурса, в результате:

Разработан эффективный метод декомпозиции сложной ЭЭС относительно расчетного узла по величине симметричных и несимметричных токов КЗ, позволяющий контролировать точность определения тока КЗ. Разработана методика расчета трехфазного, двухфазного, двухфазного на землю, однофазного (К (1), К (1' К (2), К (3)) токов КЗ по электрической схеме сети, а также периодической, апериодической составляющих полного тока, ударного тока в сложных ЭЭС практически любой сложности и размерности. Определение остаточных напряжений в узлах сети, вкладов в ток КЗ, расчета токов КЗ в ветвях выключателей, отключающих ток КЗ с учетом селективности работы релейной защиты.

Разработана методика и практические алгоритмы оценки надежности различных типов выключателей в зависимости от числа и величины отключаемых токов КЗ с учетом величины остаточного ресурса при работе в ЭЭС;

Адаптирована методика расчета параметров восстанавливающегося напряжения на выключателях в сложных ЭЭС, как дополнение к диагностике работоспособности выключателя;

Разработана методика декомпозиции схемы ЭЭС по уровню расхода коммутационного ресурса выключателей с учетом индивидуальных значений ресурса элементов ЭЭС, позволяющая дополнительно сократить расчетную схему ЭЭС;

Разработан аналитический метод выбора схемы ЭЭС с оптимальными коммутационными состояниями по минимуму расхода ресурса выключателей при коммутации токов. КЗ. Выполнена проверка коммутационной аппаратуры на допустимость работы в рассматриваемых режимах, максимально приближенных к реальным условиям работы выключателей в ЭЭС (селективности, блокировки отключения и пр.) Создан математический аппарат для количественного и качественного анализа живучести сложных ЭЭС на основе исследования работоспособности выключателей.

Все разработанные методы и алгоритмы были использованы при построении программы на ПЭВМ, которая обладает алгоритмической законченностью, по оценке работоспособности выключателей по уровню токов КЗ и выбору оптимальных коммутационных состояний в ЭЭС.

Объектом исследования являются выключатели в реальных электрических сетях 6−750 кВ большой сложности и размерности.

Предметом исследования является проблема аналитического, математического описания и разработки количественных методов оценки ресурса выключателей в сложных ЭЭС, расчета вероятностных характеристик коммутирующей аппаратуры в зависимости от количества и величины отключенных токов КЗ. На основе аналитических описаний расхода ресурса выключателей, оценки уровня восстанавливающегося напряжения, произведена разработка методов выбора оптимальных коммутационных состояний в сложных ЭЭС по критерию минимума расхода коммутационного ресурса выключателями. В настоящее время, несмотря на многолетний эксплутационный опыт, анализ аварий и отказов оборудования, отсутствует практически применяемая аналитическая база в оценке коммутационного ресурса и текущего состояния выключателей.

Практическая ценность. В настоящее время существует необходимость анализа сложнозамкнутых сетей нескольких номинальных напряжений большого размера (десятки тысяч элементов) при решении различных классов задач. Выделение отдельных частей сложной ЭЭС, без использования формальных приемов, лишь на основе инженерных соображений, практически неэффективно, вследствие необходимости привлечения для предварительной подготовки схемы высококвалифицированного персонала и значительных трудозатрат.

Практическая ценность работы заключается в том, что предложенный подход к решению данной задачи дает возможность формализовать и оценить численным образом величину ресурса различных типов выключателей в зависимости от условий эксплуатации, количества и величины отключаемого тока КЗ с учетом длительности эксплуатации в системе. Применение ПЭВМ при решении этого типа задач позволяет получить результат значительно быстрее и точнее при меньших материальных и людских затратах, проверить и проанализировать множество вариантов схем ЭЭС, что дает возможность принимать решения в реальном времени для возможных коммутационных ситуаций в ЭЭС, это позволит эффективнее, рациональнее и безопаснее использовать силовое оборудование энергосистем.

Результаты работы и программа использовались в практике Северных электрических сетей ОАО «Мосэнерго» и РКК «Энергия» им. С. П. Королева.

Достоверность. Различие результатов расчетов токов КЗ по сравнению с применяемыми в ЭЭС программами для тестовой схемы сети составляет не более 12%. Правильность расчета ресурсных характеристик и оптимальных схем по минимуму ресурса подтверждена статистическими и экспертными эксплутационными данными.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Методы и формализированные приемы, ориентированные на использование ПЭВМ, по декомпозиции сложной ЭЭС в зависимости от точности вычисления тока КЗ;

2. Методика расчета вероятностных характеристик и ресурса коммутационной аппаратуры, в зависимости от количества и величины отключенных токов КЗ с учетом длительности эксплуатации выключателей в ЭЭС;

3. Аналитический метод расчета скорости восстанавливающегося напряжения в сложных ЭЭС с учетом отражения и преломления волн от шин подстанций;

4. Метод определения оптимальных коммутационных состояний в ЭЭС по критерию минимума расхода коммутационного ресурса выключателей в процессе эксплуатации.

Апробация работы. Основные теоретические положения диссертации докладывались, обсуждались и были одобрены на Всероссийских научных семинарах с международным участием «Методические и практические задачи надежности систем энергетики» им. Ю. Н. Руденко (г. Павловск, 1997 г., г. Сыктывкар, 1999 г., г. В. Волочек, 2000 г., г. Минск, 2004 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 8 печатных трудов.

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, 6 приложений и содержит 202 страницы основного текста, включая 10 рисунков, 8 таблиц и 80 библиографических наименований.

11. Результаты работы использовались в практике Северных электрических сетей ОАО «Мосэнерго» и РКК «Энергия» им. С. П. Королева.