Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости - Принципы управления для обеспечения устойчивости энергосистем

Для того чтобы соответствовать изложенным в предыдущих разделах требованиям, принципы управления должны быть различными для энергосистем разной структуры и должны быть такими, чтобы управление действовало правильно в меняющейся ситуации (при различных сочетаниях схем, режимов и возмущений). По выполнению управление может быть ручным (с той или иной степенью автоматизации отработки воздействия, но при задании на изменение режима со стороны персонала) или автоматическим (изменение режима выполняется автоматикой без вмешательства персонала).
Ручное управление, осуществляющее заданный уровень устойчивости, заключается в том, что дежурный персонал поддерживает потоки мощности в пределах, определяемых ограничениями по устойчивости, изменяет режим в соответствии с требованиями устойчивости при ремонтных переключениях схемы и ликвидирует аварийные ситуации.
Автоматику, используемую в энергосистемах для обеспечения устойчивости, по назначению можно разделить на следующие виды: автоматика повышения статической устойчивости, автоматика повышения синхронной динамической устойчивости, автоматика ресинхронизации, автоматика локализации аварий, автоматика восстановления нормальной схемы и режима.
Такая классификация удобна, поскольку в настоящей книге рассматриваются только режимные принципы автоматики. В ряде других работ, посвященных в основном вопросам технической реализации автоматики и опыту ее применения [17, 80, 158], приняты иные системы классификации, в большей степени отвечающие задачам этих работ.
По принципам выполнения автоматика может быть разделена на следующие группы: автоматика программного действия, осуществляющая заранее выбранное воздействие без контроля за протеканием процесса; режимная автоматика, осуществляющая воздействие после анализа аварийной ситуации и режима системы; устройство автоматического регулирования или ограничения; самонастраивающаяся автоматика.
В настоящее время создается система АСДУ, которая сочетает в себе ручное и автоматическое управление с постепенным переходом ко все большей автоматизации. Этому вопросу посвящена последняя глава книги.
Чем меньше доля человека в управлении режимом и чем больше управление автоматизировано, тем выше уровень устойчивости. Это положение справедливо лишь при условии, что быстрота, надежность и «разумность» действий автоматики не ниже, чем у хорошего опытного диспетчера.
Создание такой автоматики является весьма сложным и дорогим делом, не всегда себя окупающим, и поэтому на обозримый отрезок времени не предполагается полная замена человека автоматикой для управления энергосистемой, обеспечивающего ее устойчивость. В то же время происходит непрерывное совершенствование автоматики, которое расширяет область ее применения и повышает эффективность действия.
В энергосистеме имеется ограниченное количество элементов, воздействуя на которые МОЖНО! повысить ее устойчивость.
Управлять можно: системой возбуждения синхронных машин, системой регулирования скорости турбин (энергоносителем);
Включать и отключать можно: генераторы, синхронные компенсаторы, нагрузку, линии, реакторы поперечной компенсации, конденсаторы продольной компенсации.
Помимо этих возможностей, используемых в настоящее время, ведутся разработки [30, 71, 123], которые должны позволить управлять: мощностью линий  постоянного тока, реактивной мощностью компенсирующих устройств, активной мощностью нагрузки, активными сопротивлениями специальных устройств (тормозных) .
Автоматика различного назначения и различного выполнения воздействует на одни и те же элементы энергосистемы. Поэтому в ряде случаев (как это будет показано ниже) одна и та же автоматика может выполнять несколько функций.
К автоматике повышения статической устойчивости относятся устройства:  автоматического регулирования возбуждения (АРВ); автоматического повторного включения, повышающего предел устойчивости в послеаварийном режиме (трехфазное, быстродействующее, одно, фазное — ТАПВ, БАПВ, ОАПВ); автоматической частотной разгрузки (АЧР), предотвращающей «лавину частоты»; автоматического регулирования или ограничения перетоков мощности (АРПМ), изменяющие мощности турбин и позволяющие работать с меньшим запасом устойчивости; автоматического отключения генераторов в передающей системе при приближении к пределу статической устойчивости; автоматического отключения нагрузки в приемной системе при приближении к пределу статической устойчивости (по мощности или напряжению); автоматического управления конденсаторами продольной компенсации; автоматического разделения энергосистемы или станции при приближении к пределу статической устойчивости.
Для повышения синхронной динамической устойчивости применяются: АРВ, БАПВ, ОАПВ, аварийное регулирование паровых турбин и отключение генераторов в передающей части системы, разделение станции, работающей на два направления.
К автоматике ресинхронизации относятся: АПВ линий, устройства воздействия на систему регулирования турбин, устройства отключения синхронных компенсаторов (СК) в приемной части системы, отключения части нагрузки (чаще всего АЧР), устройства частотного пуска гидрогенераторов и перевода агрегатов из режима СК в режим выдачи активной мощности.
Для локализации аварий используются: аварийное регулирование турбин (для разгрузки электропередач), отключение генераторов, делительная автоматика (действующая до появления асинхронного хода или прекращающая асинхронный ход).
Для восстановления нормальной схемы и режима применяются: самозапуск двигателей, самосинхронизация генераторов, АПВ с самосинхронизацией (АГ1ВС), несинхронное АПВ (НАПВ), АПВ с улавливанием синхронизма (АПВУС), АПВ по частоте (ЧАПВ), пуск гидрогенераторов при понижении частоты, перевод агрегатов из режима СК в режим выдачи активной мощности.
Принципы выполнения автоматики определяют такие ее характеристики, как приспособляемость к режиму и схеме, эффективность использования возможностей управления и селективность. В разных случаях важны те или иные из этих характеристик, и это во многом определяет выбор автоматики. Так, при регулировании
возбуждения селективность практически не играет РОЛИ) а при отключении нагрузки или генераторов это очень важная характеристика; аварийное управление турбиной должна иметь хорошую приспособляемость к режиму и схеме и т. д.
Наиболее простым видом автоматики является автоматика программного действия, т. е, такая автоматика, которая работает по заранее заданной программе при возникновении какого-либо события (например, АПВ линий, отключение генераторов при появлении тока нулевой последовательности, релейная форсировка возбуждения).
Более сложным (зато более селективным) видом автоматики является режимная автоматика, действие которой происходит только в том случае, если этого требует режим системы (например, отключение генераторов при понижении напряжения прямой последовательности с контролем мощности предшествующего режима, разгрузка генераторов по набросу мощности с контролем мощности предшествующего режима и т. п.).
Следующая более сложная ступень автоматики — автоматическое регулирование или ограничение. К этому виду автоматики относятся АРВ пропорционального и сильного действия, автоматическое регулирование перетоков мощности (АРПМ), автоматическое управление источниками реактивной мощности и т. п. Разработаны и применяются различные достаточно сложные законы регулирования [22, 25, 94,. 99]. Однако эти законы регулирования эффективны лишь в энергосистемах простой структуры, а в энергосистемах сложной структуры они далеко не всегда полностью используют возможности управления.
Поскольку в энергосистемах сложной структуры противоаварийная автоматика указанных выше трех видов недостаточно эффективна и селективна, плохо приспосабливается к изменению схем и режимов, а выбор ее уставок — трудоемкая и сложная задача, возникла необходимость создания самонастраивающейся автоматики [152]. В этом направлении выполнен ряд работ, которые являются весьма перспективными. К ним относятся управляющая автоматика на Волжской ГЭС имени XXII съезда КПСС [83] и аварийное управление турбиной с прогнозированием переходного процесса [65].
Однако в настоящее время эти работы находятся еще в начальной стадии. Поэтому в гл. 2—4 основное внимание будет уделено вопросам применения первых трех видов автоматики с учетом постепенного перехода (особенно в энергосистемах сложной структуры) к самонастраивающейся автоматике.
Построение самонастраивающейся автоматики может быть основано на двух принципах: опознавание аварийной ситуации и управление с моделью, прогнозирующей переходный процесс.
При использовании первого из этих принципов с помощью информационно-измерительных блоков контролируются схема и режим энергосистемы. Различным комбинациям этих данных и их изменениям, т. е. аварийным ситуациям, поставлены в соответствие определенные, заранее рассчитанные управляющие воздействия. Иначе говоря, действия автоматики в этом случае аналогичны действиям диспетчера, быстро и строго выполняющего требования инструкции.
Автоматика, основанная на втором принципе, действует следующим образом. Информационно-измерительные блоки вводят в упрощенную модель энергосистемы данные о существующей схеме и ее режиме. При возникновении возмущения на модели энергосистемы в ускоренном (на несколько порядков) масштабе времени просчитывается переходный процесс. Затем при повторении этих расчетов для различных управляющих воздействий производится выбор наиболее эффективных из них. В этом случае действия автоматики могут быть более оптимальными, поскольку они аналогичны действиям инженера службы режимов, выбирающего оптимальное управляющее воздействие для заданной аварийной ситуации.
В настоящее время целесообразно развивать работы в обоих направлениях, поскольку преимущества и недостатки каждого из них еще не могут быть обоснованно оценены.
Совершенствование системной автоматики само по себе не может решить всех задач обеспечения устойчивости в энергообъединениях наиболее сложной структуры, так как информационно-измерительные устройства такой автоматики могут контролировать состояние лишь отдельного района энергообъединения. Контроль схемы, режима и уровня устойчивости энергообъединения в целом возможен лишь с помощью иерархической системы АСДУ [12, 53]. Поэтому представляется целесообразным, чтобы системная автоматика приспосабливалась к существующим изменениям схем и режимов с помощью изменения уставок, выполняемых по командам от АСДУ. Осуществление такого сочетания системной автоматики и АСДУ можно рассматривать как одну из наиболее высоких ступеней кибернетизации энергосистем.