Марлен Гдалевич Портной, Роман Самуилович Рабинович: Управление энергосистемами для обеспечения устойчивости. — Москва: Энергия, 1978 г.
В книге рассматриваются вопросы управления режимами работы энергосистем различной структуры для обеспечения их устойчивости. Дан анализ причин нарушений устойчивости, мероприятий по повышению устойчивости, способов управления и сформулированы требования к противоаварийной автоматике для наиболее характерных конфигураций и режимов энергосистем простой и сложной структуры. Для крупных энергообъединений изложены принципы автоматизации решения задач устойчивости.
Книга предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся эксплуатацией энергосистем, работников проектных и научно-исследовательских организаций. Она может быть также полезна студентам высших и средних технических учебных заведений соответствующих специальностей.
Предисловие
Увеличение производительности труда неразрывно связано с ростом потребления электрической энергии. Вследствие этого мощность энергетических систем в СССР и в других странах непрерывно возрастает. Развитие энергетики в СССР идет по пути объединения на параллельную работу все большего количества электростанций и энергосистем. Созданные объединенные энергосистемы (ОЭС) европейской части СССР, Урала, Закавказья, и Казахстана, охватывающие значительные территории, объединены в настоящее время в единую энергетическую систему Советского Союза (ЕЭС СССР). В ближайшие годы к ЕЭС будут подключены ОЭС Сибири и Средней Азии. Преимущества такого развития энергетики в отношении эффективности капиталовложений, экономичности работы и надежности электроснабжения общеизвестны.
Обеспечение устойчивости энергосистем является одной из важнейших задач при проектировании и эксплуатации энергосистем. Объясняется это тем, что нарушения устойчивости параллельной работы генераторов могут привести к нарушению электроснабжения большого числа потребителей электроэнергии или даже к полному развалу энергосистемы.
Проблема управления в электрических системах для обеспечения их устойчивости охватывает широкий круг вопросов, которые могут быть подразделены на следующие группы:
анализ электромеханических переходных процессов и установившихся режимов в управляемых электрических системах различной структуры;
определение наиболее эффективных воздействий, их сочетаний и законов управления, повышающих устойчивость в энергосистемах и энергообъединениях различной структуры;
разработка новых принципов, схем и конструкций для дальнейшего повышения эффективности автоматики управления электромеханическими переходными процессами.
В книге основное внимание уделено первым двум группам вопросов, которые являются определяющими для данной проблемы. Вопросы схем и конструкций устройств автоматики в настоящей работе затронуты очень незначительно.
В настоящее время отсутствует в достаточной степени разработанная методика, которая позволила бы проектным и эксплуатирующим организациям обоснованно решать совокупность перечисленных задач, вопросы оптимального управления энергосистемами находятся в стадии начальной разработки, а в то же время актуальность всех этих задач весьма велика. Основной целью настоящей книги является разработка и обобщение методов определения допустимых по условиям устойчивости режимов, выбора управляющих воздействий и автоматики для обеспечения устойчивости энергосистем и объединений различной структуры и методов определения режимных принципов и уставок этой автоматики.
Применительно к энергосистемам различной структуры рассматриваются методы анализа режимов, определения их устойчивости и синтеза управляющих воздействий; критерии оптимальности управления; методика выбора устройств автоматики и их уставок; вопросы применения аналоговых и цифровых вычислительных машин для расчетов электромеханических переходных процессов; сочетание расчетных и экспериментальных методов исследования.
Ряд вопросов, таких как эквивалентирование энергосистем, определение требований к устойчивости и экономическая оценка эффективности автоматики, рассмотрены кратко на основании общих соображений, опыта эксплуатации и проектирования и лишь в той мере, в какой это необходимо для решения вопросов, составляющих основное содержание книги.
При изложении материала авторы предполагали знание читателем основ теории устойчивости и противоаварийной автоматики энергосистем, которые подробно изложены в литературе и в настоящей книге не рассматриваются.
Изложенный в книге материал в значительной степени базируется на опыте, накопленном ВНИИЭ за последние 15—20 лет, а также на опыте других организаций, работающих в этой области (Эиергосетьпроект, МЭИ, НИИПТ, ЭНИН и др.).
Изучение проблемы и разработка практических рекомендаций по определению устойчивости энергосистем и применению автоматики для ее повышения проводилось ВНИИЭ в содружестве с ЦДУ ЕЭС СССР (ОДУ ЕЭС), территориальными ОДУ (ОДУ Юга, Сибири, Северного Кавказа и др.) и рядом энергосистем (Белорусэнерго, Колэнерго, Иркутскэнерго, Тулэнерго и др.).
Такое выполнение работы позволило в сравнительно короткий срок накопить большой экспериментальный материал и опыт эксплуатации. В книге в значительной степени отражены личные разработки авторов, изложенные в их диссертационных работах, а также многолетний опыт, накопленный ими при чтении лекций по рассматриваемой теме для работников эксплуатации и проектных организаций в Институте повышения квалификации руководящих работников и специалистов Минэнерго СССР.
Натурные испытания, результаты которых изложены в работе, проведены в основном ВНИИЭ в содружестве с другими организациями. В книге также использованы материалы энергосистем, ОДУ и ЦДУ, позволившие обобщить опыт эксплуатации в части причин нарушений устойчивости, их последствий и. т. п., а также разработки проектных организаций.
Авторы выражают искреннюю благодарность рецензенту книги канд. техн. наук 3. Г. Хвощинской и редактору А. М. Машанскому за ценные замечания и помощь при подготовке рукописи.
Авторы
Введение
С объединением электростанций и энергосистем на параллельную работу, созданием крупных по мощности и протяженных по территории энергообъединений увеличивается опасность возникновения нарушений устойчивости с каскадным развитием, когда повреждение в какой-либо точке энергообъединения может в конечном итоге нарушить энергоснабжение на большой территории. В связи с этим на VII сессии Мировой энергетической конференции были высказаны сомнения в возможности обеспечения надежной работы особо крупных энергообъединений. По мнению советских энергетиков [24], подкрепленному научными исследованиями и многолетним опытом эксплуатации, имеется принципиальная возможность обеспечить устойчивость и надежность даже таких энергообъединений, как ЕЭС СССР, если наряду с рациональными схемами энергосистем будут использованы необходимые средства управления в стационарных и переходных режимах.
Объединение энергосистем и рост их мощности делают проблему обеспечения устойчивости все более острой. Единичная мощность вновь вводимых генераторов все время возрастает. При этом уменьшаются постоянные механической инерции агрегатов, увеличиваются синхронные и переходные сопротивления, ухудшаются демпфирующие свойства генераторов и возрастает время, в течение которого изменяется мощность турбины в переходном процессе под действием регулятора скорости. Все это в значительной степени ухудшает устойчивость работы энергосистемы.
Существует технически и экономически обоснованная тенденция объединять отдельные энергосистемы между собой так называемыми слабыми связями. Наличие таких слабых связей создает в энергосистемах условия, при которых устойчивость может сравнительно часто нарушаться.
Для передачи большой электрической мощности из Казахстана и Сибири в центральные районы на расстояние 2500—4000 км проектируются электропередачи постоянного тока. Отключение таких электропередач является большим возмущением и требует специальных мероприятий для того, чтобы устойчивость энергосистем при этом не нарушалась.
Энергоемкие потребители, такие как производства алюминия и различных редких металлов, также могут отрицательно влиять на устойчивость энергосистем. Алюминиевые комбинаты уменьшают свою нагрузку при глубоких понижениях напряжения, а крупные предприятия с большим числом сильно загруженных асинхронных двигателей при компенсации реактивной мощности конденсаторами создают в энергосистеме условия, способствующие лавине напряжения.
Автоматическое регулирование активных и реактивных мощностей в объединенных энергосистемах, оптимальное по условиям экономичности установившегося режима, во многих случаях должно учитывать ограничения по условиям устойчивости.
Как следует из перечисленных особенностей развития энергосистем, проблема повышения их устойчивости является весьма актуальной. Эта задача частично решается при формировании ОЭС путем соответствующего размещения источников генерации и нагрузки, вводом новых линий электропередачи. С другой стороны, весьма эффективным и в то же время недорогим средством обеспечения устойчивости и надежности работы энергосистем является рациональное автоматическое и ручное управление стационарными режимами и электромеханическими переходными процессами.
Современные энергообъединения являются типичным примером «больших систем» кибернетического типа [22], причем по мере роста оснащенности средствами автоматического регулирования и управления, все большего использования для этой цели средств вычислительной техники и создания автоматизированной системы диспетчерского управления (АСДУ) анализу электромеханических переходных процессов в энергосистемах придется уделять все большее внимание.
Вопросам повышения устойчивости работы энергосистем (в том числе с использованием средств автоматики) посвящены труды многих отечественных ученых. К числу первых работ, являющихся основой теории устойчивости энергетических систем, относятся труды П. С. Жданова, С. А. Лебедева и А. А. Горева, которые были выполнены 30—40 лет назад. В этих работах придается большое значение таким средствам повышения устойчивости, как регулирование возбуждения, автоматическое повторное включение и т. д.
Широкое внедрение противоаварийной автоматики в энергосистемах СССР началось в 40-х годах по инициативе и под руко1водством И. А. Сыромятникова. Успешное применение противоаварийной автоматики неразрывно связано с задачами анализа устойчивости управляемых энергосистем. Решение этих задач дано в работах В. А. Веникова, в которых рассматриваются переходные процессы в управляемых электрических системах, выдвигается и развивается идея кибернетического подхода к таким системам.
В этом же направлении ведутся исследования Л. А. Жуковым, И. В. Литкенс, В. С. Страховым, О. В. Щербачевым, Д. А. Арзамасцевым, Ф. Г. Гусейновым и др.
Большое значение для развития инженерных методов анализа устойчивости энергосистем имеют работы И. М. Марковича и С. А. Совалова, в первую очередь разработанные и обоснованные ими практические критерии устойчивости. Вопросам использования в энергосистемах кратковременных асинхронных режимов посвящены исследования Л. Г. Мамиконянца, А. А. Хачатурова, Д. П. Ледянкина. Разработка методов, алгоритмов и программ расчета устойчивости энергосистем на ЭВМ плодотворно проводится под руководством Л. В. Цукерника.
Методы расчета устойчивости с использованием АВМ разрабатывались Н. И. Соколовым и И. А. Груздевым. Методы решения практических задач устойчивости при проектировании энергосистем разработаны Д. И. Азарьевым. Для решения задач обеспечения устойчивости ОЭС и ЕЭС СССР путем применения противоаварийной автоматики большое значение имеют работы С. А. Совалова.
В разработке принципов построения автоматики и средств автоматизации велика роль работ И. И. Соловьева, А. М. Федосеева, Г. Р. Герценберга, В. М. Ермоленко, Е. Д. Зейлидзона, М. А. Берковича, В. А. Семенова, М. Н. Розанова, Я. Н. Лугинского, Б. И. Иофьева.
В последние годы в СССР проводится комплексное проектирование развития объединенных энергосистем с разработкой средств диспетчерского управления, автоматического управления стационарными режимами и противоаварийной автоматики. Координация всех проводимых в эксплуатации мероприятий по повышению надежности и устойчивости по объектам общесистемного значения осуществляется ЦДУ ЕЭС СССР и ОДУ. Исследования, разработки и проектирование ведутся, главным образом, институтами: ВНИИЭ, НИИПТ, Энергосетьпроект, МЭИ, ВЭИ и др. Общее направление работ по внедрению средств управления осуществляется Главтехуправлением и ЦДУ ЕЭС СССР.
В СССР широко используется ряд устройств автоматики и регулирования, дающих наряду с применением быстродействующих защит значительное повышение устойчивости энергосистем. К ним относятся: автоматические регуляторы возбуждения (АРВ), автоматическое повторное включение (АПВ) всех типов (однофазное ОАПВ, быстродействующее — БАПВ, трехфазное — ТАПВ, несинхронное — НАПВ, с улавливанием синхронизма — АПВУС и т. д.), автоматическая частотная разгрузка (АЧР) и автоматическое включение резерва (АВР).
Однако применение перечисленных устройств далеко не всегда обеспечивает необходимый уровень устойчивости, и для достижения поставленной задачи требуется применение других мероприятий, таких как регулирование возбуждения сильного действия, отключение части генераторов, отключение синхронных компенсаторов, отключение слабых связей, деление электростанций, отключение части нагрузки потребителей, управление средствами компенсации (конденсаторами, реакторами), управление первичными двигателями, электрическое торможение генераторов, регулирование мощности примыкающих линий постоянного тока, управление мощностью нагрузки (такой, как, например, алюминиевые комбинаты).
Некоторые из перечисленных мероприятий применяются достаточно широко, а часть из них находится в стадии внедрения (например, управление мощностью первичных двигателей) или же только разрабатывается (например, регулирование мощности нагрузки или управление статическими источниками реактивной мощности).
Выбор тех или иных мероприятий производится путем конкретного сопоставления вариантов на основе расчетов устойчивости энергосистем, причем применяемые виды автоматики в значительной степени определяются структурой электрической системы.
При выборе средств диспетчерского управления и противоаварийной автоматики, обеспечивающих устойчивость, возникает целый ряд сложных инженерных задач, для решения которых требуется знать перспективу развития энергосистем на несколько лет вперед, возможные режимы энергосистем и их вероятность, а также вероятность различного вида повреждений (расчетные аварии). Требуется выбрать эквивалентную схему системы, определить устойчивость в этой схеме при различных видах повреждений и определить эффективность применения автоматики, оценивая при этом, когда следует обеспечивать сохранение синхронной устойчивости, а когда целесообразнее ограничиваться обеспечением результирующей устойчивости. При этом для выбора наиболее эффективных устройств противоаварийной автоматики и средств диспетчерского управления, определения их уставок и областей устойчивых режимов требуется выполнение многочисленных расчетов переходных электромеханических процессов для различных сочетаний схем, режимов, возмущений, видов и уставок автоматики.
Все изложенное характеризует разработку системы противоаварийной автоматики и управления энергообъединения как комплексную задачу кибернетического плана, задачу системотехники.
