Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости - Управление для обеспечения устойчивости

Глава первая
УПРАВЛЕНИЕ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ
УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ
РАЗЛИЧНОЙ СТРУКТУРЫ. ЗАДАЧИ И ПРИНЦИПЫ

Постановка задачи

Современные энергосистемы и энергообъединения являются характерными примерами так называемых «больших систем». Большое количество элементов, сложным образом связанных между собой, изменчивость схем и режимов, многообразие и противоречивость требований (экономичность, надежность) — все это особенности большой системы. Эти особенности должны учитываться при определении задач и принципов управления, обеспечивающих устойчивость работы энергосистем.
Для решения поставленной задачи в этой главе энергосистемы классифицируются по своей структуре, существенно влияющей на устойчивость их работы. На основании этой классификации дается анализ опыта эксплуатации в части причин и последствий нарушений устойчивости, характеризуется изменчивость схем и режимов энергосистем, обосновываются требования к уровню устойчивости и излагаются общие принципы управления, обеспечивающие устойчивость энергосистемы различной структуры.

Структура электрических систем и ее влияние на устойчивость параллельной работы

Современные электрические системы имеют, как правило, достаточно сложную структуру, которую лишь весьма приближенно можно охарактеризовать и классифицировать. Тем не менее такая классификация электрических систем полезна, поскольку существуют особенности обеспечения устойчивости систем, присущие той или иной структуре, Эти общие для каждой структуры
особенности касаются причин нарушения устойчивости, и их последствий, целесообразного уровня устойчивости, методов анализа, задач и принципов управления. Классификация энергосистем ,по их структуре при решении задач устойчивости производилась в [22, 130, 157]. Эта классификация постепенно расширяется и уточняется. Анализ опыта использования предложенной ранее классификации, опыта эксплуатации, экспериментальные исследования и расчеты электромеханических переходных процессов, проведенные для многих энергосистем и  энергообъединений, дают основания предложить следующую классификацию. Прежде всего энергосистемы могут быть подразделены на энергосистемы простой и сложной структуры. К энергосистемам простой структуры могут быть отнесены такие, которые при анализе электромеханических переходных процессов можно свести к эквивалентной двухмашинной системе. Если же при анализе переходных процессов энергосистема не может быть сведена к двухмашинной, а должна быть представлена тремя или более эквивалентными генераторами, она относится к энергосистемам сложной структуры.
В свою очередь энергосистемы простой структуры целесообразно разделить на следующие типы:

1. Энергосистема (энергорайон) с избытком мощности, связанная с энергообъединением большой мощности.
2. Дефицитная энергосистема (энергорайон), получающая мощность из энергообъединения большой мощности.
3. Две энергосистемы соизмеримой мощности, соединяемые жесткой связью.
4. Две энергосистемы, соединяемые слабой связью.

Энергосистемы сложной структуры можно классифицировать по следующим типам:

1. Лучевая трехмашинная система.
2. Цепная система.
3. Радиальная система.
4. Кольцевая система.
5. Многоконтурная система.

Энергосистемы простой структуры, соответствующие этой классификации, показаны на рис. 1-1, сложные — на рис. 1-2. Некоторые типовые структуры (I, III, IV и V) стали общепринятыми и включены в директивную [130] и учебную [22] литературу. Классификация по остальным типовым структурам распространена в меньшей степени. Предложенная классификация является условной, и не существует жестких критериев, определяющих принадлежность какой-либо конкретной системы к той или иной структуре. Во многих случаях достаточно сложные системы могут рассматриваться в первом приближении как простые или в иных могут выделяться участки, которые целесообразно рассматривать как простые схемы.

Рис. 1-1. Энергосистемы простой структуры.

При определении того, к какому типу целесообразно относить конкретные системы, важную роль играют режим энергосистемы, а также соотношения между мощностями генерации и потребления в ее частях и между пропускной способностью электропередач и мощностями соединяемых систем. Так, одна и та же система в зависимости от направления потока мощности по линии связи с энергообъединением в различных режимах может быть отнесена к I или II структуре; две энергосистемы, отнесенные в нормальном режиме ко II структуре, при отключении одной из параллельных линий могут быть представлены IV структурой.

Рис, 1-2. Энергосистемы сложной структуры.

  Однако авторам перечисленные структуры представляются наиболее подходящими. В подтверждение этой точки зрения приведем некоторые конкретные примеры. В течение 1957—1970 гг. во ВНИИЭ по заданиям проектных и эксплуатирующих организаций были проведены исследования устойчивости, определены границы рекомендуемых по условиям устойчивости режимов, разработаны принципы управления и рекомендации по противоаварийной автоматике для 64 энергорайонов, энергосистем и энергообъединений на различных стадиях их развития. В их число входили энергорайоны и энергосистемы объединений Центра, Юга, Северо-Запада, Сибири, Урала, Северного Кавказа, Закавказья, Средней Волги; ряд отдельных энергосистем, не входящих в энергообъединения, и объединенная энергосистема стран — членов СЭВ. Все эти системы по типовым структурам распределились следующим образом:

Как видно из приведенных данных, не все типовые структуры встречаются в практических задачах одинаково часто, однако все они являются в достаточной степени жизненными.
Рассмотрим основные характерные черты типовых структур, определяющие задачи и принципы управления. Первые четыре типовых структуры — простые, для их анализа достаточно схемы эквивалентный генератор — шины или схемы с двумя эквивалентными генераторами. В соответствии с [66] последняя схема часто приводится к первой.
Типовая структура I характеризуется тем, что значительная часть мощности генераторов передающей энергосистемы отдается в приемную систему, мощность которой (по сравнению с передающей) настолько велика, что можно не считаться с понижениями частоты в приемной системе при нарушении режима работы передачи.  Нарушения устойчивости в энергосистемах этой типовой структуры связаны с возмущениями или отклонениями режима от нормального на электропередаче или в передающей энергосистеме (короткими замыканиями, которые вызывают отключение линий, превышением предела статической устойчивости и т. п.). Последствия нарушений устойчивости в таких энергосистемах, как правило, не слишком тяжелы, если только нет ответственных потребителей, расположенных вблизи электрического центра качаний. Для обеспечения устойчивости таких энергосистем эффективным является воздействие на возбуждение генераторов и синхронных компенсаторов, отключение в передающей системе при возникновении аварийных ситуаций части агрегатов или аварийное автоматическое снижение мощности паровых турбин. Примерами такой структуры являются часть блоков Волжской ГЭС имени В. И. Ленина, работающих на ОЭС Урала (на этапе раздельной работы ОЭС Центра и Урала), Чиркейская ГЭС, отдающая мощность в ОЭС Северного Кавказа, и др.
Типовая структура II характеризуется тем, что в энергосистеме малой мощности значительная часть нагрузки покрывается за счет приема из системы, мощность которой в несколько раз больше. Нарушение синхронной работы в таких системах происходит, главным образом, вследствие возмущений на линии или в приемной системе. Разрыв связи с энергообъединением для энергосистем этой структурной группы является одним из наиболее тяжелых возмущений. Последствия нарушений устойчивости в таких системах, как правило, весьма тяжелые, так как они сопровождаются понижением частоты и отключением значительной части нагрузки. Поэтому необходимо принимать меры для обеспечения синхронной устойчивости даже на случай маловероятных аварий. Такими мерами могут являться различные виды АПВ на линиях, автоматическое увеличение (специальными средствами) мощности первичных двигателей на электростанциях приемной системы (если на них имеется свободный резерв мощности), быстрое отключение части потребителей при аварийных ситуациях. В тех случаях, когда синхронная динамическая устойчивость не обеспечивается, принимаются меры для быстрой ресинхронизации и восстановления нормальной работы потребителей электроэнергии. Примерами этой типовой структуры группы являются Омскэнерго, Тамбовэнерго, Крымэнерго.
Типовая структура III весьма сходна со второй и отличается лишь тем, что передающая энергосистема соизмерима по мощности с приемной. Количество энергосистем такой структуры сокращается по мере объединения энергосистем. Причинами нарушений устойчивости в этом случае (помимо перечисленных для второй группы) могут быть внезапные возмущения в передающей системе, в частности отключение значительной нагрузки. Для повышения устойчивости энергосистем этой типовой структуры могут применяться те же мероприятия, что были указаны для структур I и II типов. Примеры таких структур: две части Иркутскэнерго (при ее раздельной работе с ОЭС Сибири) [34, 139] и др.
Типовая структура IV — две энергосистемы, соединяемые слабыми связями, т. е. такими электропередачами, для которых предельная передаваемая мощность не превосходит 10—15% мощности наименьшей из систем. Основными причинами нарушений устойчивости таких электропередач являются превышение пределов статической устойчивости вследствие отключения одной из параллельных линий, нерегулярных колебаний мощности в связываемых энергосистемах или внезапного возникновения в них небаланса мощности (отключение генератора или нагрузки). Последствия нарушений синхронной устойчивости слабых связей, как правило (если нет потребителей вблизи центра качаний), не являются тяжелыми для энергосистем, поэтому для слабых связей во многих случаях можно ориентироваться на обеспечение результирующей устойчивости. В то же время при наличии вблизи центра качаний потребителей или возможности нарушения синхронизма других энергосистем при асинхронном режиме по слабой связи ориентация на ресинхронизацию по этим связям нецелесообразна. В последние годы с ростом мощностей энергообъединений, усложнением их структуры и увеличением взаимного влияния режимов энергосистем число слабых связей, на которых применяется ресинхронизация, сокращается. Мероприятиями по обеспечению устойчивости слабых связей являются ручное или автоматическое регулирование межсистемного перетока, применение различных видов АПВ (в том числе и несинхронного). Примеры таких структур: объединение ОЭС Закавказья с ЕЭС, объединение ОЭС Северо-Запада с ЕЭС и др.
Типовая структура V — энергосистема (энергорайон) с избытком мощности, отдаваемым в два энергообъединения (трехмашинная схема). Это первая из  сложных структур, под которыми подразумеваются такие, которые не могут быть сведены к системе генератор — шины. Сложные структуры часто могут рассматриваться по аналогии с описанными выше простыми случаями, однако есть ряд особенностей, которые можно объяснить и исследовать, только прибегая к сложной схеме. Эти особенности, присущие всем сложным структурам, связаны прежде всего с взаимным влиянием соседних электропередач, которое может проявляться в большей или меньшей степени в зависимости от соотношения между генерируемой мощностью и мощностью нагрузок в узлах, от отношения мощности генераторов к предельной мощности электропередач и направления передачи мощности.
В типовой структуре V наиболее ярко проявляются особенности, связанные с взаимным влиянием электропередач, а именно: новые причины и последствия нарушения устойчивости (нарушение устойчивости одной электропередачи часто приводит к асинхронному режиму другой), зависимость предела устойчивости одной электропередачи от мощности, которая передается по другой, и, наконец, сложный комплекс разгрузочной и делительной автоматики, локализующий распространение аварийной ситуации с одной электропередачи на другую. Примеры такой структуры: Братская ГЭС, отдающая мощность в Иркутскэнерго и Красноярскэнерго; Волжская ГЭС имени В. И. Ленина, соединенная с ОЭС Центра и Урала и др.
Рассмотрим типовую структуру VI — цепную систему. Если по всем участкам такой системы мощность передается 1в одном направлении, то при отключении одной из линий между энергосистемами взаимное влияние электропередач на устойчивость параллельной работы минимально, так как при нарушении устойчивости на любом из участков остальные линии разгружаются. Если же к какому-либо узлу схемы мощность притекает с двух сторон (или передается от этого узла в двух направлениях, так же как в структуре V), то. взаимное влияние при такой же аварии проявляется в максимальной степени. В этих условиях нарушение устойчивости одной электропередачи часто сопровождается нарушением устойчивости другой электропередачи. Путем отключения части агрегатов (если в узле, где сходятся электропередачи, имеется избыток мощности) или путем отключения части нагрузки (для узла с дефицитом мощности) это влияние может быть в значительной степени ослаблено. В случае цепной схемы за счет взаимного влияния возможно также нарушение устойчивости электропередачи, работающей с малым запасом устойчивости, при возмущениях на других электропередачах, даже существенно удаленных от первой. Примеры цепных систем: ОЭС Сибири [139], ОЭС Северного Кавказа ОЭС Северо-Запада (до ввода электропередачи Витебск — Смоленск).
Радиальная система — типовая структура VII. Как правило, центральное звено такой системы является самым мощным, и устойчивость всей системы в целом определяется балансом мощности этого звена. Наиболее тяжело обеспечивается устойчивость в том случае, когда в центре такой системы существует дефицит мощности и по всем связям перетоки направлены к центру. В этих условиях отключение одной из связей может вызвать каскадное нарушение устойчивости остальных связей. Повышение устойчивости таких систем в основном достигается автоматической разгрузкой основных электропередач с тем, чтобы не допустить развала системы в целом. Примерами такой системы могут быть: ЕЭС, в которой энергообъединения Центра и Средней Волги имеют радиальные связи с Уралом, Северо-Западом и Волгоградэнерго; ОЭС Урала с центром Свердловэнерго [157].
Кольцевые системы — типовая структура VIII — характеризуются прежде всего тем, что в них нарушение устойчивости возникает не менее чем по двум связям. Эти связи могут быть географически удалены одна от другой, поэтому автоматика, разгружающая электропередачи для обеспечения устойчивости такой системы, часто не может приводиться ib действие непосредственно от возмущающих факторов и требуется применение телепередачи. Примерами кольцевых систем являются: ОЭС стран — членов СЭВ (одно кольцо — ГДР, ПНР, ЧССР, ГДР, второе  — ЧССР, СССР, ВНР, ЧССР) [121]; связи Киев — Харьков — Донбасс — Днепр — Киев в ОЭС Юга [18].
Последняя типовая структура IX — многоконтурные системы, т. е. системы более сложные, чем все предшествующие. Такие системы, как правило, приходится рассматривать при анализе устойчивости современных энергообъединений в целом. Например, единая энергосистема европейской части СССР или ОЭС стран — членов СЭВ могут в ряде случае рассматриваться как такие системы. Характерным для многоконтурных систем является то, что они состоят из более простых структур, сложным образом влияющих одна на другую. Именно для анализа такого влияния требуется учет многоконтурности. Следует отметить, что переход к рассмотрению этого наиболее сложного вида систем оправдан значительно реже, чем это наблюдается в практике работы проектных и эксплуатирующих организаций. Обусловлено это обстоятельство прежде всего тем, что трудно обосновать допустимость использования более простых структур.
Представление той или иной конкретной системы в виде типовой структуры для решения вполне определенной задачи обусловлено в первую очередь поведением этой системы, т. е. тем, к какой эквивалентной схеме ее можно свести, не теряя при этом существенных с точки зрения устойчивости системы явлений. Поскольку особенности поведения одной и той же системы в значительной степени определяются ее исходным режимом и теми возмущениями, при которых анализируются процессы в системе, одну и ту же систему иногда приходится представлять в виде различных типовых структур. Например, гидростанция с местной нагрузкой, отдающая мощность в энергообъединение, — это типовая структура I, но если та же ГЭС работает в компенсаторном режиме в дефицитном районе, то это структура II. Другой пример: мощная электростанция с большой местной нагрузкой, отдающая мощность в две различные энергосистемы, может рассматриваться и как структура V и как структура VI.