Каскадные аварии в энергосистемах, их предотвращение и восстановление работоспособности энергосистем. Предотвращение крупномасштабного веерного отключения электроснабжения в крупных городах мегаполисах

Подождите немного. Документ загружается.

21C7C2C1.doc

2. Общий обзор

2.1. История вопроса

Руководители десяти крупнейших в мире компаний-операторов электроэнерге-

тических сетей провели 26 октября 2004 года в Филадельфии совещание.

Это было первое международное совещание операторов крупнейших электро-

энергетических сетей, которое преследовало следующие цели:

а) определить и обсудить общие проблемы по тематике “Поддержание надежно-

сти”, которые характерны для эксплуатации больших электроэнергетических

сетей;

б) провести обмен положительным и отрицательным опытом, а также информа-

цией о применяемых передовых методах совершенствования приемов работы;

в) организовать сотрудничество в области разработки перспективных мероприя-

тий.

На совещании было достигнуто соглашение о формировании трех рабочих

групп, которые будут заниматься изучением следующих вопросов:

а) РГ-1: Каскадные отключения электроэнергии и пути их предотвращения (Ру-

ководитель: компания TEPCO);

б) РГ-2: Архитектура систем управления чрезвычайными ситуациями для 21 ве-

ка (Руководитель: компании PJM/MISO);

в) РГ-3: Современные средства обеспечения процесса принятия решений (Руко-

водитель: компания RTE).

В октябре 2005 года в Пекине были согласованы и утверждены следующие но-

вые задачи РГ-1:

а) подготовка сводного отчета об исследованиях, проведенных в течение 2005

года;

б) разработка “Руководства по применению”, содержащего мероприятия, на-

правленные на предотвращение каскадных отключений электроэнергии;

в) добавление разделов по процессу восстановления систем и предотвращению

аварийных отключений электроэнергии в крупных городах-метрополиях.

В Пекине после выдвижения г-ном Танака (Mr.Tanaka, компания TEPCO) пред-

ложения о смене руководства РГ-1 координатором группы стал г-н Сабелли (Mr.

Sabelli, компания TERNA, Италия). В рамках данной группы компания TEPCO прово-

дила исследования по теме “Предотвращение аварийных отключений электроэнергии в

крупных городах-метрополиях ”.

2.2. Цели и мероприятия

РГ-1 с использованием опросных листов провела исследование путей предотвра-

щения каскадных отключений электроэнергии в целях выявления:

- общих причин и механизма распространения недавних каскадных отключений

электроэнергии;

- существующих мероприятий, которые могут быть рекомендованы для пре-

дотвращения каскадных отключений электроэнергии;

21C7C2C1.doc

- новых технологий, которые необходимо разработать в будущем.

2.3. Участники

2.3.1. Период 2004 – 2005 гг.

ИМЯ И ФАМИЛИЯ КОМПАНИЯ СТРАНА

Г-н Хидеаки ТАНАКА (Mr. Hideaki TANAKA

)

– координатор

TEPCO ЯПОНИЯ

Г-н Масанобу КАМИНАГА (Mr. Masanobu

KAMINAGA)

TEPCO ЯПОНИЯ

Г-н Майкл КОРМОС (Mr. Michel KORMOS) PJM США

Д-р Юрий МАКАРОВ (Dr. Yuri MAKAROV) CAISO США

Г-н Темистокл БАФФА СЦИРОККО

(Mr. Temistocle BAFFA SCIROCCO)

TERNA ИТАЛИЯ

Г-н Жан Мишель ТЕССЕРОН

(Mr. Jean Michel TESSERON)

RTE ФРАНЦИЯ

Г-н Ян УЭЛЧ (Mr. Ian WELCH) NATIONAL GRID ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

2.3.2. Период 2005 – 2006 гг.

ИМЯ И ФАМИЛИЯ КОМПАНИЯ СТРАНА

Г-н Джу-Чеон БАЕ (Mr. Joo-Cheon BAE) –

новый участник

KPX РЕСПУБЛИ

КА КОРЕЯ

Г-н Темистокл БАФФА СЦИРОККО

(Mr. Temistocle BAFFA SCIROCCO)

TERNA ИТАЛИЯ

Г-н Пауло ГОМЕС (Mr. Paulo GOMES) –

новый участник

ONS БРАЗИЛИЯ

Г-н Масанобу КАМИНАГА (Mr. Masanobu

KAMINAGA

TEPCO ЯПОНИЯ

Г-н Махендра ПАТЕЛ (Mr. Mahendra PATEL)

PJM США

Г-н Жан Поль РУБИН (Mr. Jean Paul ROUBIN

)

RTE ФРАНЦИЯ

Г-н Карло САБЕЛЛИ (Mr. Carlo SABELLI) –

координатор

TERNA ИТАЛИЯ

Г-н Хидеаки ТАНАКА (Mr. Hideaki TANAKA

)

TEPCO ЯПОНИЯ

Г-н Ян УЭЛЧ (Mr. Ian WELCH) National Grid ВЕЛИКОБРИТАНИЯ

Г-н Хироши ЯМАГУЧИ (Mr. Hiroshi

YAMAGUCHI) – новый участник

TEPCO ЯПОНИЯ

21C7C2C1.doc

3. Функциональные состояния электроэнергетической системы и процесс

перехода от одного состояния к другому

3.1. Функциональные состояния электроэнергетической системы

В целях анализа уровня безопасности электроэнергетических систем и разработ-

ки соответствующих систем контроля целесообразной представляется концептуальная

классификация условий функционирования энергосистем на пять категорий, предло-

женных д-ром Кундуром (Dr. Kundur): нормальное состояние, напряжённый режим,

аварийное состояние, чрезвычайная ситуация и режим восстановления.

Security Monitoring

Preventive

Control

Emergency

Control

Normal

Restorative

In extremis

Restoration

Alert

Emergency

Рисунок 1. Функциональные состояния электроэнергетической системы

Нормальное состояние: в данном состоянии все переменные параметры энерго-

системы находятся в нормальном диапазоне, оборудование не подвергается перегруз-

кам.

Напряжённый режим: система переходит в напряженный режим, если уровень

безопасности опускается ниже определенной отметки соответствия требованиям или

если вероятность возникновения аварийных ситуаций возрастает вследствие неблаго-

приятных погодно-климатических условий, таких как, например, приближение сильно-

го шторма или урагана. Все переменные параметры энергосистемы все еще находятся в

допустимом диапазоне, и все проблемы удается разрешать. Вместе с тем энергосистема

ослаблена до такого уровня, на котором любая нештатная ситуация может привести к

перегрузке оборудования и переходу энергосистемы в аварийное состояние. В том слу-

чае если аварийная ситуация является достаточно сложной, энергосистема может пе-

рейти в чрезвычайное (или крайне опасное аварийное) состояние непосредственно из

напряженного режима.

Для восстановления нормального состояния энергосистемы могут осуществ-

ляться превентивные мероприятия, такие как, например, переключение источников

электроэнергии (распределение нагрузки с учётом надёжности) или увеличение объе-

мов резервных мощностей. Если восстановительные мероприятия успеха не приносят,

Нормальное

состояние

Режим вос-

становления

Напряжен-

ный режим

Чрезвычайная

ситуация

Аварийное

состояние

Контроль безопасности

Восстановление

Превентивный

контроль

Аварийное

управление

21C7C2C1.doc

энергосистема продолжает функционировать в напряженном режиме. На приведенном

выше рисунке указанные мероприятия носят наименование “Превентивный контроль”.

Кроме того, в целях поддержания энергосистемы в нормальном состоянии мож-

но организовать ее контроль при помощи специальной системы. Такая система называ-

ется “Контроль безопасности”.

Аварийное состояние: если в тот момент, когда энергосистема функционирует в

напряженном режиме, возникает достаточно серьезная аварийная ситуация, то энерго-

система переходит в аварийное состояние. При функционировании в таком состоянии

напряжение на многих шинах является низким, а нагрузка на оборудование превышает

нормы кратковременного аварийного режима. Система может быть возвращена в на-

пряженный режим посредством осуществления мероприятий “Аварийного контроля”:

отключения повреждённой цепи, регулирования возбуждения, аварийного управления

мощностью паровых турбин, отключения части генераторов, возврата мощности, моду-

лирования постоянного тока высокого напряжения, а также уменьшения нагрузки.

Чрезвычайная ситуация: если перечисленные выше меры неприемлемы или не-

эффективны, то энергосистема фактически находится в чрезвычайной ситуации, ре-

зультатом которой становится каскадное отключение электроэнергии и, возможно, пол-

ная остановка основной части энергосистемы.

Режим восстановления: данный режим представляет собой состояние, которое

характеризуется проведением контрольных мероприятий, направленных на возобнов-

ление связей между всеми энергообъектами, а также восстановление нагрузки энерго-

системы. Система переходит из данного состояния либо в напряженный режим, либо в

нормальное состояние в зависимости от условий, в которых она находится.

3.2. Сфера деятельности каждой из рабочих групп

Три рабочих группы сосредоточили свое внимание на технических вопросах, ис-

ключив из области исследования институциональные вопросы, в том числе планирова-

ние рынка электроэнергии.

В то время как РГ-1 определяет методики, процессы и технологии, которые тре-

буются для повышения надежности крупнейших объединенных электроэнергетических

сетей, РГ-2 и РГ-3 более подробно изучают основанные на применении ЭВМ автомати-

зированные средства, работающие в реальном масштабе времени, а также технологии,

необходимые для обеспечения их функционирования.

В частности, РГ-3 занимается исследованием современных технологий, которые

должны эффективно использоваться для оказания помощи диспетчерам в условиях воз-

росшей сложности и увеличившихся размеров объединенных электроэнергетических

сетей, тогда как РГ-2 более подробно изучает архитектуру базового программного

обеспечения, работающего в режиме реального времени, а также инструментальных

комплексов. Сфера их деятельности должна неизбежно фокусироваться на осуществле-

нии мониторинга на диспетчерских пунктах в реальном масштабе времени.

21C7C2C1.doc

РГ-1

Децентрализованная

система

Централизованная система

“Центры контроля”

Мониторинг

РГ-3

Новые технологии

принятия решения

оператором

РГ-2

Стандартизованная

архитектура инструменталь-

ных комплексов для систем

управления чрезвычайными

ситуациями

Контроль

Рисунок 2. Сферы деятельности рабочих групп.

21C7C2C1.doc

4. Вопросы стабильности электроэнергетических систем, связан-

ные с каскадными аварийными ситуациями

Существуют две основные причины каскадного характера развития аварийных

ситуаций:

§ нарушение нормального режима работы в энергосистеме, которое приводит к

потере устойчивости;

§ отключение агрегатов вследствие термических перегрузок, что ведет к отключе-

нию другого оборудования в результате перегрузки всей энергосистемы.

В данном разделе приводится классификация параметров устойчивости электро-

энергетических систем и термических перегрузок.

На рисунке 3 приведено схематичное изображение взаимосвязи факторов, отно-

сящихся к процессу каскадного развития отключений электроэнергии.

Power System

Stability

Thermal

Overloading

Rotor Angle

Stability

Small-Disturbance

Angle Stability

Transient

Stability

Frequency

Stability

Voltage

Stability

Large-

Disturbance

Voltage Stability

Small-

Disturbance

Voltage Stability

Cascading Blackouts

Рисунок 3. Классификация устойчивости электроэнергетической системы и терми-

ческие перегрузки

4.1. Устойчивость электроэнергетической системы

При расширении электроэнергетических систем возникает несколько типов про-

блем, связанных с устойчивостью. Вследствие этого имеется несколько различий в клас-

сификации проблем, связанных с устойчивостью, которые проявляются в зависимости от

временного периода. В частности, существует некоторая неопределенность в отношении

определения и классификации проблем, связанных с устойчивостью электроэнергетиче-

ских систем. В настоящем документе использованы положения отчета, подготовленного в

2004 году Совместной оперативной группой по терминам и определениям устойчивости

Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) и Международного Совета

по большим системам высокого напряжения (СИГРЭ), так как он, по-видимому, является

наиболее современным и комплексным.

Каскадные отключения электроэнергии

Устойчивость электр

о-

энергетической

системы

ермически

перегрузки

Устойчивость угла

выбега ротора

Устойчиво

сть

частоты

Устойчивость

напряжения

Угловая устойч

и-

вость при малых

возмущениях

Устойчивость в

переходном ре-

жиме

Устойчивость

напряжения при

значительных

возмущениях

Устойчивость н

а-

пряжения при

малых

возмущениях

21C7C2C1.doc

В указанном документе дается следующее определение устойчивости электро-

энергетической системы:

Устойчивость электроэнергетической системы – это способность электроэнергети-

ческой системы, находящейся в определенном исходном функциональном состоя-

нии, восстанавливать статус функционального равновесия после внесенного физи-

ческого возмущения при ограничении значений большинства переменных парамет-

ров энергосистемы таким образом, что указанная система остается практически не-

повреждённой.

Классификация устойчивости электроэнергетической системы, предложенная в

документе, основана на физическом характере полученного в результате режима неус-

тойчивости и масштабах рассматриваемого возмущения.

Далее перечислены категории устойчивости электроэнергетической системы, и

приведены описания этих категорий.

4.2. Устойчивость угла выбега ротора

Устойчивость угла выбега ротора может быть определена, как способность синхрони-

зированных электрических машин электроэнергетической системы оставаться в син-

хронном режиме после внесенного физического возмущения.

Устойчивость угла выбега ротора может быть распределена по двум подкатего-

риям:

1. Устойчивость угла выбега ротора при малых возмущениях.

Устойчивость угла выбега ротора при малых возмущениях связана со способно-

стью электроэнергетической системы оставаться в синхронном режиме после внесен-

ного малого возмущения. “Малое” означает, что возмущение является достаточно не-

значительным для того, чтобы позволить линеаризацию уравнения энергосистемы при

ее анализе.

2. Устойчивость в переходном режиме.

Устойчивость в переходном режиме (или Устойчивость угла выбега ротора при

значительных возмущениях) связана со способностью электроэнергетической системы

оставаться в синхронном режиме после внесенного серьезного возмущения, такого как,

например, короткое замыкание на линии электропередачи. Реакция энергосистемы за-

ключается в значительном изменении углов генератора и находится под влиянием не-

линейной зависимости момента от угла сдвига ротора.

4.3. Устойчивость частоты

Устойчивость частоты может быть определена как способность электроэнергетической

системы поддерживать устойчивую частоту после внесения в систему серьезного воз-

мущения, результатом которого стал существенный дисбаланс между генерацией и на-

грузкой. Формирующаяся результате этого нестабильность проявляется в виде незату-

хающих качаний частоты, ведущих к отключению энергетических агрегатов и/или на-

грузок.

21C7C2C1.doc

Вносимые в систему серьезные возмущения, как правило, приводят к значитель-

ным колебаниям частоты, потоков энергии, напряжения и т.д., тем самым активизируя

процессы, средства контроля и системы защиты, которые не моделируются при прове-

дении обычных исследований устойчивости в переходном режиме или стабильности

частоты.

4.4. Устойчивость напряжения (краткосрочная и долгосрочная)

Устойчивость напряжения может быть определена как способность электроэнергетиче-

ской системы поддерживать устойчивое напряжение на всех шинах энергосистемы по-

сле внесения в систему возмущения по сравнению с определенным исходным функ-

циональным состоянием. Устойчивость напряжения может быть распределена по двум

подкатегориям:

1. Устойчивость напряжения при значительных возмущениях.

Устойчивость напряжения при значительных возмущениях связана со способно-

стью поддерживать устойчивое напряжение после серьезных сбоев в работе энергосис-

темы, таких как аварийные отказы, потеря мощности или непредвиденные нарушения в

электрических цепях. Указанная способность определяется характеристиками системы и

имеющихся нагрузок, а также взаимодействием постоянно действующих и дискретных

средств управления и систем защиты. Определение устойчивости напряжения при зна-

чительных возмущениях требует изучения нелинейного отклика энергосистемы в тече-

ние периода времени, достаточного для реализации функций приборов, регулирующих

напряжение.

2. Устойчивость напряжения при малых возмущениях.

Устойчивость напряжения при малых возмущениях связана со способностью

поддерживать устойчивое напряжение после незначительных сбоев в работе энергосис-

темы, таких как as постепенные изменения в нагрузке на энергосистему. Данный вид

устойчивости определяется характеристиками нагрузки, постоянно действующих и

дискретных средств управления в данный период времени. При соответствующих до-

пущениях уравнения энергосистемы могут быть линеаризованы для анализа. Следует

также отметить, что линеаризация не может использоваться для объяснения нелиней-

ных процессов, таких как те, которые происходят в переключателях выходных обмоток

трансформатора.

4.5. Термические перегрузки

Термические перегрузки оборудования электроэнергетической системы являются од-

ной из основных причин каскадных отключений электроэнергии, которые имели место

в прошлом.

Отключение части электроэнергетической системы вследствие возникшей в ней

неисправности увеличивает термическую нагрузку на оставшееся оборудование. Если

коррекционные мероприятия, такие как, например, сокращение нагрузки, выполняются

не вовремя или в недостаточном объеме, то продолжающее функционировать оборудо-

вание также будет постепенно отсоединяться, и произойдет каскадное отключение

электроэнергии.

21C7C2C1.doc

5. Результаты исследования

5.1. Характерные особенности крупных электроэнергетических сетей

Характерные особенности шести крупнейших электроэнергетических сетей при-

ведены в Таблице 1.

Представляется, что максимальное напряжение взаимосвязано с размером энергосис-

темы так же, как потребляемая мощность в период максимума нагрузки с площадью

района обслуживания.

Что касается конфигурации и связей с соседними системами, то энергосистемы

сверхвысокого напряжения компаний TEPCO, TERNA, National Grid функционируют в

интеграции с некоторыми другими энергосистемами, а системы высокого и среднего

напряжения эксплуатируются радиальным способом. С другой стороны, в компаниях

PJM, CAISO и RTE электроэнергетические сети всех уровней напряжения функциони-

руют на основе многовариантных взаимосвязанных линий электропередачи.

Максимальный ток короткого замыкания, как правило, удерживается в пределах 63 кA,

за исключением Италии, где это значение составляет 50 кA.

В Таблице 2 показаны факторы уровня потока мощности и критической устой-

чивости. Устойчивость в переходном режиме и устойчивость напряжения считаются

критическими факторами при предотвращении каскадных отключений электроэнергии.

Кроме того, в настоящее время большинство из указанных электроэнергетических се-

тей характеризуется значительными потоками мощности, уровень которых превышает

номинальную мощность линии электропередач и для которых генерация и потребление

реактивной мощности на линии являются абсолютно одинаковыми, в результате чего

они могут столкнуться с трудностями при поддержании устойчивости.

Одним из участников РГ-1 было указано на то, что основное внимание в реаль-

ном масштабе времени операторы должны уделять “термической перегрузке” и “устой-

чивости напряжения”. Причиной этого является то, что устойчивость угла выбега рото-

ра пока еще не может быть подвергнута визуальному или количественному контролю.

Таблица 1. Характерные особенности электроэнергетических сетей.

Конфигурация энергосист

емы

Организация

Мощ-

ность

[ГВт]

Макси-

мальное н

а-

пряжение

[кВ]

Сверхвысокого

напряжения

[Максималь-

ный ток КЗ]

Высокого

и среднего

напряже-

ния

Взаимосвязанные линии

электропередачи

TEPCO 64 500

Контурная инте-

грационная

[63 кA]

Радиальная

Одна линия переменного то

ка

(500 кВ)

Два шиносоединительных

выключателя

TERNA 54 380

Контурная инте-

грационная

[50 кA]

Радиальная

Восемь линий переменного

тока (380 кВ)

Одна линия постоянного то

ка

(200 кВ)

21C7C2C1.doc

Конфигурация энергосист

емы

Организация

Мощ-

ность

[ГВт]

Макси-

мальное н

а-

пряжение

[кВ]

Сверхвысокого

напряжения

[Максимальный

ток КЗ]

Высоко

го и

среднего

напряже-

ния

Взаимосвязанные линии

электропередачи

National Grid 54 400

Контурная инте-

грационная

[63 кA]

Радиальная

Одна линия переменного тока

Одна линия постоянного тока

PJM 133 765

Контурная инте-

грационная

[63 кA]

Контурная

интегра-

ционная

248 линий переменного тока

CAISO 48 500

Контурная инте-

грационная

[63 кA]

Контурная

интегра-

ционная

Пять линий переменного тока

RTE 83 400

Контурная инте-

грационная

[63 кA]

Контурная

интегра-

ционная

40 линий переменного тока

Линия постоянного тока

(270 кВ)

ONS 62 765

Контурная инте-

грационная

[45 кA]

Контурная

интегра-

ционная

Четыре подсистемные линии

переменного тока (500 кВ)

Одна линия переменного тока

(230/138 кВ)

Три шиносоединительных

выключателя ГЭС “Итайпу”

(Itaipu) (60/50 Гц), совместно

используемые Бразилией и

Парагваем.

Таблица 2. Факторы критической устойчивости.

Поток мощно-

сти/ натураль-

ная мощность

линии

Слабый

сигнал

Переход-

ный режим

Частота

Напря-

жение

Термиче-

ская пере-

грузка

TEPCO 2,0

TERNA 1,5 (3) (1) (2)

National Grid

PJM

CAISO

RTE (2) (3) (1)

ONS

5.2. Принципы планирования и эксплуатации электроэнергетических

систем

5.2.1. Определение и критерии планирования и эксплуатации электроэнер-

гетических систем

Определение аварийной ситуации для каждой крупной электроэнергетической сети может

быть дано на примере отключения двухцепной воздушной линии на одной опоре.

Компания TERNA считает указанное нарушение единичным, компании PJM,

RTE, National Grid и TEPCO - двойным. ONS рассматривает указанное нарушение, как