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

В целях осуществления контроля перегрузок на границе компания RTE проводит сле-

дующие мероприятия:

1) информационный обмен и координация с соседними операторами электрорас-

пределительных сетей;

2) координированное переключение выходных обмоток трансформаторов фазового

перехода;

3) изменение топологической схемы сети;

4) внутреннее перераспределение мощности;

5) оказание взаимной чрезвычайной помощи (применение согласованных процедур

заинтересованными операторами электрораспределительных сетей);

6) ограничение колебаний частоты путем проведения мониторинга основных и до-

полнительных резервов в реальном масштабе времени и их восстановления в

случае возникновения дефицита.

В энергосистемах компании PJM основное внимание уделяется выявлению воз-

можных петлевых потоков. Ситуация должна улучшиться после придания обязательно-

го характера правилам Национального совета по вопросам надёжности электроснабже-

ния (NERC) и совершенствования Системы расчета межсетевого распределения, кото-

рая представляет собой комплексную систему, предназначенную для оказания помощи

координаторам надежности в управлении перегрузками, возникающими в объединен-

ной сети, а также согласовании процедур снижения перегрузок между рынками, коор-

динаторами надежности и управляемыми районами. В Системе расчета NERC исполь-

зуется точная модель Восточной объединенной сети. Каждые 10 минут Система осуще-

ствляет расчет коэффициентов распределения передаваемой электроэнергии в управ-

ляемом районе, коэффициентов распределения передаваемой нагрузки и отдельных ко-

эффициентов фазового сдвига генераторов c использованием последних данных об ава-

рийных ситуациях, связанных с линиями электропередачи и генераторами. Данные ко-

эффициенты чувствительности, наряду с нагрузками в контролируемом районе, сдел-

ками по обмену и отправленными на рынок партиями электроэнергии, используются

при определении координированных мер разгрузки в месте возникновения перегрузок,

которые включают в себя меры разгрузки в контролируемых районах, осуществляемые

путем перераспределения и/или сокращения нагрузки, снижения количества энергети-

ческих контрактов и вариантов рыночного перераспределения.

Меры противодействия состоят, главным образом, из мероприятий по управле-

нию перегрузками с применением местной маргинальной цены при перераспределении

мощности. Данная процедура используется компанией PJM для экономического регу-

лирования процесса распределения энергетических ресурсов. В некоторых районах

применяются функциональные ограничения и другие эксплуатационные методики. При

возникновении проблем с напряжением в сеть включаются дополнительные резервные

источники реактивной мощности, если таковые имеются. В чрезвычайных условиях

снижения напряжения обеспечение безопасности энергосистемы может достигаться за

счет сокращения общественного потребления или аварийной разгрузки. Действующие

в реальном масштабе времени средства обеспечения устойчивости напряжения, а также

устойчивости управления и устойчивости системы в переходном режиме находятся на

21C7C2C1.doc

различных этапах разработки или внедрения. Другие виды координированного контро-

ля включают процедуру снижения нагрузок в линиях электропередачи, используемую

Национальным советом по вопросам надёжности электроснабжения (NERC) для управ-

ления обменными потоками, протокол аварийного перераспределения мощности в рай-

оне Лейк-Эриэль (Lake Eriel), процесс управления перегрузками CM2, разработанный в

рамках Соглашения о совместной эксплуатации, заключенного компаниями Midwest

ISO и PJM, а также протокол компаний PJM-MISO о межрыночном распределении, оп-

ределяющий процедуру управления перегрузками на линиях электропередачи, которые

являются внешними по отношению к компании PJM.

Компания National Grid объединена с электроэнергетической системой Европей-

ского союза по координации передачи электроэнергии (UCTE) посредством высоко-

вольтных линий электропередачи постоянного тока. Здесь проблемы могут возникнуть

только в результате выхода из строя межсистемного соединения, при этом ущерб будет

меньше, чем возможные максимальные потери, но в условиях экспортирования может

привести к значительным потерям нагрузки. Для реагирования на такие отключения

межсистемных соединений необходимо предусмотреть адекватные коррекционные ме-

ры и иметь достаточные оперативные резервы.

5.7. Применяемые меры противодействия

На основе результатов исследования могут быть выделены перечисленные ниже

технологии и правила мониторинга безопасности, а также создания автоматических се-

тей контроля и безопасности в порядке апробирования концепций.

А. Защитные мероприятия, проводимые в энергосистеме Франции

Надежность электроэнергетической системы Франции основана на внедрении

последовательных линий защиты в соответствии с концепцией "глубокой защиты".

“Глубокая защита электроэнергетической системы” базируется на комплексной

структуризации последовательных линий защиты, обеспечивающих предотвращение

или установление контроля над факторами, которые могут привести к аварии. Линии

защиты обеспечивают три основные дополняющие друг друга области:

- Профилактика / подготовка;

- Мониторинг / мероприятия;

- Чрезвычайные меры снижения негативного воздействия.

Линии защиты "Мониторинг /мероприятия" и "Чрезвычайные меры снижения

негативного воздействия" соответствуют коррекционным мероприятиям, осуществ-

ление которых обусловливается неотложностью ситуации и степенью ослабления

энергосистемы. Это оправдывает радикальный характер мероприятий, иногда пред-

принимаемых за счет некоторого ухудшения качества поставки электроэнергии ог-

раниченному числу потребителей. Концепция, принятая для чрезвычайных ситуаций,

когда предпринимаемые действия являются средством последней надежды, основана

на том принципе, что предпочтительным считается добровольное отключение неко-

торой части нагрузок или особенно ослабленных районов в целях сохранения элек-

троснабжения оставшихся, по сравнению с возможной потерей всей системы в слу-

чае постепенного ухудшения ее эксплуатационных показателей.

21C7C2C1.doc

Указанные коррекционные мероприятия могут быть сгруппированы по двум

уровням, действие которых осуществляется по разным временным графикам:

- на первом уровне сгруппированы мероприятия, направленные на локализацию

процессов, динамика которых сравнима с действиями человека (диагностика, принятие

решения и проведение мероприятий в отношении энергосистемы). Это - "защитные

мероприятия", они касаются областей "Мониторинг /мероприятия" and "Чрезвычай-

ные меры снижения негативного воздействия". Они объединяют мероприятия, обеспе-

чивающие равновесие спроса и предложения, в том числе модификацию графиков про-

изводства мощности (быстрый переход к максимальной мощности, быстрое падение

мощности), быструю разгрузку потребителя, дистанционную аварийную разгрузку и

т.п., а также мероприятия, направленные на мониторинг графиков напряжения, в том

числе реактивной перегрузки агрегатов, блокировки устройств переключения отводов

трансформатора под нагрузкой и т.п. В целях ускорения процесса их осуществления

указанные мероприятия подчиняются предварительно установленным командам пере-

ключателей, которые могут отдаваться через специальную Систему тревожной сигна-

лизации и защиты, находящуюся в распоряжении операторов центра распределения

нагрузки. Указанные команды могут передаваться как по всем элементам системы в

районе, так и выборочно;

- второй уровень состоит из коррекционных мероприятий, направленных на оп-

ределение скорости возникновения и развития критических явлений без вмешательства

человека. Необходимые восстановительные действия могут быть эффективно выполне-

ны только автоматическими устройствами. Это и есть "Программа защиты". Она

обеспечивает реальную защиту всей энергосистемы в целях упреждения срабатывания

собственных систем защиты большинства жизненно важных элементов. Все указанные

мероприятия выполняются в рамках области "Чрезвычайные меры снижения

негативного воздействия". "Программа защиты" включает в себя следующие мероприя-

тия:

- автоматическое отключение регионов, в которых произошла потеря синхро-

низма;

- автоматическая разгрузка потребительской мощности при падении частоты;

- автоматическая блокировка устройств переключения отводов трансформаторов

сверхвысокого/высокого напряжения и высокого/среднего напряжения под нагрузкой

при падении напряжения;

- автоматическое отключение агрегатов собственных нужд атомных энергоблоков

и твердотопливных агрегатов.

Б. Защитные мероприятия, проводимые в энергосистеме Бразилии

Еще одна программа защиты с заметными результатами внедрения осуществляет-

ся в Бразилии. Ее концепция основана на том, что не существует энергосистем, обла-

дающих иммунитетом к веерным отключениям и что совершенствование критерия пла-

нирования от N-1 к N-2 означает высокие затраты. Крупномасштабные каскадные от-

ключения могут быть предотвращены или, в случае если они произошли, энергосисте-

ма должна быть быстро восстановлена. Программа защиты бразильской единой энерго-

системы, реализуемая компанией ONS, включает в себя следующие три группы меро-

приятий:

- мероприятия, направленные на минимизацию вероятности возникновения крупных

аварий. Такие мероприятия эффективны при смягчении последствий происшествий;

21C7C2C1.doc

- мероприятия, направленные на ограничение распространения неизбежных аварийных

ситуаций. Такие мероприятия эффективны при ограничении непосредственных послед-

ствий аварий;

- мероприятия, направленные на оптимизацию процесса восстановления. Такие меро-

приятия эффективны при сокращении времени восстановления нагрузки в том случае,

если они считаются приемлемыми с точки зрения потребителей.

Указанные три группы мероприятий визуально представлены на следующем ри-

сунке:

Рисунок 8. Основные концепции бразильской Программы защиты

Данная Программа защиты должна восприниматься в качестве непрерывного

процесса, который никогда не завершится.

Особо выделяя последний аспект, необходимо принимать во внимание, что од-

ним из непосредственных негативных последствий веерного отключения электроэнер-

гии является длительное время восстановления энергосистемы. Негативные последст-

вия отключения электроэнергии, наносящие ущерб репутации электроэнергетики в гла-

зах населения, экспоненциально связаны с временем восстановления электроснабже-

ния, как это показано на рисунке ниже по тексту

Рисунок 9. Кривая изменения реакции населения при отключении электроэнергии

Black out Aversion

Curve

Tolerance

Discomfort

Irritation

Intolerance

Consumer

Upset

Мероприятия, направленные на

минимизацию вероятности

возникновения крупных аварий

Мероприятия, направлен-

ные на ограничение распро-

странения неизбежных ава-

рийных ситуаций

Мероприятия, направленные на

оптимизацию процесса восста-

новления

Кривая изменения реа

ции

населения при отключении

электроэнергии

Толерантность Дискомфорт Раздражение Непереносимость

21C7C2C1.doc

В следующих пунктах перечислены некоторые5 мероприятия, соответствующие

трем структурным направлениям, которые были указаны выше.

a) мероприятия, направленные на минимизацию вероятности возникновения

крупных аварий:

- изучение возможностей совершенствования процесса передачи электроэнергии

и компенсации реактивной мощности в рамках бразильской единой электроэнергетиче-

ской системы в целях выполнения Инструкции по эксплуатации сети;

- определение минимальных требований для подключения новых генераторов к

бразильской единой электроэнергетической системе (характеристики систем возбужде-

ния, стабилизатора энергосистемы, генератора мощности и т.д.), как указано в Инст-

рукции по эксплуатации сети;

- улучшение основных эксплуатационных характеристик существующих под-

станций посредством модернизации конфигурации системы шин, реструктуризации

контуров, а также проведения других мероприятий, направленных на сокращение нега-

тивных последствий крупных аварий;

- ликвидация дистанционной резервной системы защиты путем установки дуб-

лирующих средств защиты на каждый компонент, блочной защиты на шины и устрой-

ства резервирования отказов выключателей;

- установка автоматов повторного включения на все воздушные линии электро-

передачи сверхвысокого напряжения, а также замена каждой имеющейся трехфазной

схемы повторного включения на три схемы пофазного автоматического повторного

включения;

- ежегодная проверка и настройка автоматических регуляторов основных элек-

тростанций бразильской единой электроэнергетической системы;

- определение критерия способности переносить рабочую перегрузку для линий

и оборудования в аварийной ситуации;

- пересмотр спецификаций и принципов настройки систем линейной защиты в

целях снижения воздействия пускового броска трехфазного сбалансированного напря-

жения, предотвращения распространения возмущения, но сохранения чувствительно-

сти к резистивному короткому замыканию на землю;

- развитие критериев проведения исследований в области электротехники в со-

ответствии с требованиями, предъявляемыми бразильской единой электроэнергетиче-

ской системой, а также высоким уровнем развития международной науки и техники;

- развитие процедур автоматизации санкционирования программного отключе-

ния элементов сети;

- внедрение средств программного обеспечения, способных осуществлять оцен-

ку уровня безопасности бразильской единой электроэнергетической системы с тем, что-

бы решения можно было принимать в надлежащие сроки, а система могла функциони-

ровать в условиях, свободных от риска возникновения чрезвычайных ситуаций;

б) мероприятия, направленные на ограничение распространения неизбежных ава-

рийных ситуаций:

- совершенствование процесса использования систем резервной защиты;

- установка и/или соответствующее использование систем защиты от несин-

хронного отключения;

c) мероприятия, направленные на оптимизацию процесса восстановления:

- пересмотр системы планирования бразильской единой электроэнергетической

системы с точки зрения процесса восстановления (определение мест установки допол-

нительных токоограничивающих реакторов в целях облегчения процесса восстановле-

ния);

21C7C2C1.doc

- широкое использование практики выделения генераторов на изолированную

нагрузку при пониженном напряжении для малых и средних гидроэлектростанций с

локальными нагрузками;

- определение новых электростанций, требующих оснащения устройствами

пуска из полностью обесточенного состояния;

- выявление подстанций, которые обязательно должны быть укомплектованы

обслуживающим персоналом, оказывающим помощь в восстановлении энергосистемы.

Это позволит избежать нарушений работы вследствие ошибочного исполнения телеко-

манд и непроизвольных действий, чему подвержены необслуживаемые подстанции;

- определение подстанций, которые жизненно важны для бразильской единой

электроэнергетической системы и для которых будет разработан дифференцированный

план технического обслуживания;

- реализация графика проведения периодических проверок устройств пуска из

полностью обесточенного состояния на электростанциях, которые способны самостоя-

тельно возобновлять выработку электроэнергии;

- разработка программы подготовки операторов и диспетчеров.

В целях непрерывного совершенствования процесса оптимизации эксплуатаци-

онной безопасности бразильской единой электроэнергетической системы процесс разра-

ботки Программы защиты постоянно согласуется с реальными потребностями данной

энергосистемы с учетом необходимости обеспечения ее прозрачности и возможности

осуществления контроля. В этой связи Программа защиты также включает установку

цифровых осциллографов, предназначенных для регистрации кратковременных и дли-

тельных переходных процессов.

В результате реализации данной Программы защиты ряд чрезвычайных аварий-

ных ситуаций не приобрел каскадного характера, что подробно описано в приведенной

ниже таблице.

Дата/время Описание

Действия системы резерв-

ной защиты

Последствия

6 июля

2003 года

23 часа

59 минут

Отключение трех сетей напря-

жением 765 кВ, связанных с

энергосистемой Itaipu (удары

молнии).

Сброс мощности (2 940 МВт)

в энергосистеме Itaipú (60Гц)

что позволило сохранить цело-

стность соединений с подстан-

циями.

Система стабильна

Δf = - 0,8 Гц

16 сентября

2003 года

3 часа

13 минут

Отключение четырех сетей на-

пряжением 765 кВ, связанных с

подстанцией Itaberá, вследствие

ударов молнии и срабатывания

защиты от ошибочных действий

Сброс мощности (1 400 МВт)

в энергосистеме Itaipu (60Гц),

что позволило сохранить цело-

стность соединений с подстан-

циями.

Система стабильна

Δf = - 0,4 Гц

9 декабря

2003 года

17 часов

39 минут

Отключение 10 сетей напряжен

и-

ем 440 кВ, магистральной ЛЭП и

двух трансформаторов 440/138

кВ на подстанции Bauru (корот-

кое замыкание системы шин).

Сброс мощности на гидроэлек-

тростанциях на реке Parana-

panema River в целях контроля

над электромеханическими ко-

лебаниями в системе.

Система стабильна

Δf = - 0,9 Гц

Без сброса нагруз

ки.

26 сентября

2004 года

05 часов

38 минут

Размыкание цепи шины напря-

жением 500 кВ на подстанции

Jaguara - отключение четырех

сетей напряжением 500 кВ и

двух трансформаторов 500/345

кВ (короткое замыкание).

Срабатывание системы резерв-

ной защиты предотвратило пе-

регрузку оборудования в энер-

госистеме.

Система стабильна

Δf = - 0,7 Гц

Без сброса нагруз

ки.

21C7C2C1.doc

Дата/время Описание

Действия системы резерв-

ной защиты

Последствия

14 июня

2005 года

15 часов

26 минут

Отключение двух сетей напря-

жением 765 кВ, связанных с

энергосистемой Itaipu 60 Hz,

разрушено девять линейных

опор ЛЭП с ответвлениями

(сильный ветер).

Сброс мощности в энергосис-

теме Itaipu (60Гц), (2 800 МВт

)

во избежание размыкания ос-

тавшихся сетей.

Система стабильна

Δf = - 0,8 Гц

Без сброса нагруз

ки.

4 октября

2005 года

20 часов

44 минуты

Разрушение опоры высоко-

вольтной линии, отключение

трех сетей напряжением 765 кВ

на участке Foz do Iguaçu –

Ivaiporã в результате сильного

ветра, секционирование энерго-

системы Itaipú (4,800 МВт).

Сработала защита от выпаде-

ния из синхронизма на юго-

восточных/ северо-восточных

и северных/ юго-восточных

линиях для предотвращения

распространения аварийной

ситуации на северную и севе-

ро-восточную подсистемы.

Система стабильна

Δf = - 1,7 Гц

Аварийная разгруз-

ка 6.5% на южных

и юго-восточных

линиях и в подсис-

темах.

6 марта

2005 года

15 часов

04 минуты

Ошибочное срабатывание систе-

мы защиты электродных линий

от перегрузки на магистрали по-

стоянного тока высокого напря-

жения энергосистемы Itaipu в хо-

де проведения технического об-

служивания диполя 1, что приве-

ло к блокированию диполя 2.

Правильное срабатывание за-

щиты от выпадения из синхро-

низма, что позволило предот-

вратить распространение ава-

рийной ситуации.

Активирована схема аварийной

разгрузки в южных и юго-

восточных регионах.

Система стабильна

Δf = - 0,8 Гц

Перерыв в переда

че

2 700 МВт

по линии

постоянного тока

высокого напряже-

ния (диполь 2).

Аварийная раз-

грузка 2 154 Вт.

4 сентября

2005 года

15 часов

04 минуты

Отключение двух сетей напря-

жением 765 кВ, связанных с

подстанцией Itabera, отключе-

ние диполя 1 (падение опоры

ЛЭП в результате сильного вет-

ра).

Сброс мощности на электро-

станции Itaipu (60Гц), (2100

МВт).

Система стабильна

Δf = - 0,7 Гц

Электроснабжение

постоянного тока

высокого напря-

жения сокращено с

6300 до 3 150 МВт.

Примечание: Стабильность энергосистемы при достаточно уверенном демпфиро-

вании колебаний обеспечена благодаря уточнению настроек автоматических регулято-

ров, проведенному компанией ONS на основных электростанциях.

5.7.1. Перечень технологий, применяемых в качестве мер противодействия

(за и против)

В приведенной ниже по тексту таблице перечислены основные технологии, ис-

пользуемые или разрабатываемые компаниями-операторами электроэнергетических

систем. Таблица составлена в соответствии с информацией, представленной ими в оп-

росных листах.

Первым важным аспектом является расширение использования новых техноло-

гий, основанных на измерениях комплексной мощности, синхронизированных гло-

бальной системой определения местоположения, даже несмотря на то, что их использо-

вание все еще ограничено в связи с высокой стоимостью.

Кроме того, компании-операторы электроэнергетических систем пытаются по-

высить точность и надежность данных, усовершенствовать процесс их сбора и доставки

из полевых условий в центры управления с применением высокоскоростных каналов

связи. Анализ технологий, использованных при оценке безопасности, подтверждает

тенденцию перехода к использованию блоков автоматического контроля рабочих ха-

рактеристик и глобальных широкоохватных систем мониторинга, так как только они

21C7C2C1.doc

способны обеспечить мониторинг процессов возникновения аварийных ситуаций и

сбор данных для комплексных исследований.

Компаниям-операторам электроэнергетических систем следует направить уси-

лия на соблюдение стандартов, что в результате позволит сократить эксплуатационные

расходы.

Другие традиционные устройства, используемые для мониторинга

(дистанционные телеметрические блоки, аналоговые устройства регистрации событий)

не могут быть полностью заменены блоками автоматического контроля рабочих харак-

теристик, но при использовании в сочетании с последними их доля в информационном

обеспечении может быть сокращена.

21C7C2C1.doc

Таблица 6. Сводные данные по применяемым технологиям.

Технология Оператор

Вид объекта Применение «За» «Против»

TERNA

Устройство Мониторинг/Защита

Устройства "равной защиты"; отсут-

ствие особых требований к подстан-

циям/подготовке персонала.

Необходима очень высокая степень

доступности и наличие общих сетей.

PJM

Устройство Мониторинг/Защита

Измерения могут быть разнесены по

времени. Высокая скорость сбора

контрольных данных. Возможность

отслеживания угла сдвига фаз. (Ком-

пания PJM принимала участие в соот-

ветствующих НИОКР).

Необходима комплексная система свя-

зи.

Отсутствие стандартов.

RTE

Устройство Мониторинг/Защита Нет данных. Нет данных.

Блок автома-

тического

контроля ра-

бочих харак-

теристик

(PMU)

ONS

Устройство

- регистрация данных динамического

возмущения - анализ последствий (вклю-

чая модальный частотный анализ);

- проверка правильности настройки ди-

намических моделей и регулирующих

устройств;

- мониторинг в целях защиты от нару-

шения синхронизации и измерение пара-

метров линий электропередачи (на ос-

новных межсистемных соединениях).

Высокая точность.

Измерения могут быть разнесены по

времени.

Высокая скорость сбора контрольных

данных.

Необходимо обеспечить надежность

глобальной системы определения ме-

стоположения.

Отсутствие в наличии готовых кон-

центраторов каналов.

Различие динамических характери-

стик блоков автоматического кон-

троля рабочих характеристик различ-

ных производителей.

Отсутствие стандартов.

Необходимо обеспечить доступность

телекоммуникационных каналов и не-

обходимые эксплуатационные качест-

ва.

21C7C2C1.doc

Технология

Оператор

Вид объекта Применение «За» «Против»

TERNA

Система Мониторинг/Защита

Основные области применения: мо-

дальный анализ; комплексное теле-

коммуникационное управление мощно-

стью/аварийной разгрузкой.

Диапазон сфер возможного применения

оценка функционального состояния; из-

мерение линейной температуры; усто

й-

чивости в переходном режиме; отслеж

и-

вания угла сдвига фаз; мониторинга ус-

тойчивости напряжения; тревожной

сигнализации на базе ЭВМ.

Ограниченное распространение тех-

нологии на рынке; в разработке не-

сколько вариантов применения.

PJM

Система Мониторинг/Защита

Основные области применения: послеа-

варийный анализ, резервные системы

защиты; мониторинг колебаний (испол

ь-

зовался в исследовательском проекте

PSERC по разработке блоков автома-

тического контроля рабочих характер

и-

стик и глобальных широкоохватных

систем мониторинга).

Диапазон сфер возможного примене

ния:

оценка функционального состояния; из-

мерение линейной температуры; усто

й-

чивости в переходном режиме; отслеж

и-

вания угла сдвига фаз; мониторинга ус-

тойчивости напряжения; тревожной

сигнализации на базе ЭВМ.

Необходима комплексная система свя-

зи.

Дорогостоящие, как и все новые тех-

нологии.

RTE

Система Мониторинг/Защита

Обеспечивает широкое поле деятель-

ности при исследовании происходящих

в сети процессов, позволяет произво-

дить автоматические действия по

сохранению сети.

Ограниченное распространение тех-

нологии на рынке.

Глобальные

широкоох-

ватные сис-

темы мони-

торинга

(WAMS)

ONS

Система

- мониторинг данных и прогнозирование

событий в реальном масштабе времени

(средства визуализации в центрах

управления компании ONS’);

- совершенствование процесса оценки

функционального состояния – использо-

вание измерений комплексного тока в

системах управления аварийными си-

туациями.

Послеаварийный анализ.

Мониторинг колебаний.

Необходима комплексная система свя-

зи.

Необходима разработка специализи-

рованных вариантов применения.