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

Технология

Оператор

Вид объекта Применение «За» «Против»

TERNA

Система/

устройства

Мониторинг/Защита

Широко известная технология, не

требующая значительных затрат и

не подверженная воздействию расти-

тельности.

Отсутствие согласования с тенден-

цией автоматизации современных

подстанций.

Дистанцион-

ные телеме-

трические

блоки

PJM

Система/

устройства

Мониторинг/Защита

Широко известная технология, не

требующая значительных затрат и

не подверженная воздействию расти-

тельности.

Отсутствие согласования с тенден-

цией автоматизации современных

подстанций.

ПОСТОЯННО

ДЕЙСТВУЮ-

ЩАЯ ВИРТУ-

АЛЬНАЯ СЕТЬ

TERNA

Система/

устройства

Связь

Стандартная технология, используе-

мая провайдерами; возможность глу-

бокого проникновения в сеть.

Низкая доступность/слабые эксплуа-

тационные характеристики

ВЫДЕЛЕННЫЕ

ЦИФРОВЫЕ

КАНАЛЫ

TERNA

Система/

устройства

Связь

Стандартная технология, используе-

мая провайдерами; возможность глу-

бокого проникновения в сеть. Высокая

доступность/хорошие эксплуатацион-

ные характеристики.

Высокая стоимость.

TERNA

Система/

устройства

Связь

Возможность использования части об-

щественных сетей; обработки значи-

тельного количества обращений.

Высокая стоимость при высоких тре-

бованиях к эксплуатационным харак-

теристикам.

ОРГАНИЗАЦИЯ

МЕЖСЕТЕВОЙ

ЗАЩИТЫ

NA-

TIONAL

GRID

Система/

устройства

Связь

Гибкие и стандартизированные тех-

нологии.

Уязвимость при внешних воздействи-

ях.

МНОГОПРО-

ТОКОЛЬНАЯ

КОММУТАЦИЯ

НА ОСНОВЕ

ПРИЗНАКОВ

TERNA

Система/

устройства

Связь Низкая стоимость; высокая гибкость.

Недостаточная распространенность/

низкая доступность/слабые эксплуа-

тационные характеристики/ низкая

функциональность (например, много-

адресное срабатывание).

ОСЦИЛЛО-

ГРАФЫ

TERNA

Система/

устройства

Автономный мониторинг

Мощный инструмент для автономно-

го анализа.

Отсутствие возможности взаимодей-

ствия сетей и интеграции между раз-

личными поставщиками.

ОЦЕНКА КА-

ЧЕСТВА УСЛУГ

TERNA

Система/

устройства

Автономный мониторинг

Мощный инструмент для автономно-

го анализа.

Отсутствие возможности взаимодей-

ствия сетей и интеграции между раз-

личными поставщиками.

21C7C2C1.doc

Технология

Оператор

Вид объекта Применение «За» «Против»

РЕГИСТРАЦИЯ

СОБЫТИЙ

PJM

Система/

устройства

Автономный анализ

Исключительная важность для авто-

номного анализа событий.

Отсутствие возможности взаимодей-

ствия сетей и интеграции между раз-

личными поставщиками, недостаточ-

ная временная синхронизация в неко-

торых местах, затруднения при на-

стройке запуска.

ЦИФРОВОЙ

ОСЦИЛЛО-

ГРАФ / РЕГИ-

СТРАТОР СО-

БЫТИЙ

TEPCO

Система/

устройства

Автономный мониторинг/анализ

Исключительная важность для авто-

номного анализа событий и срабаты-

вания защитных реле.

Высокие затраты.

ОТКРЫТАЯ

АРХИТЕКТУРА

ПЕРЕДАЧИ

СООБЩЕНИЙ

ДЛЯ СИСТЕМ

РЕГУЛИРОВА-

НИЯ РЫНКОВ

И ПОТРЕБЛЕ-

НИЯ ЭЛЕКТРО-

ЭНЕРГИИ

PJM

Система Мониторинг/Защита

Стандартизированная технология,

повышенная безопасность, открытая

масштабируемая архитектура, функ-

циональность. Взаимодействие ком-

понентов.

Разработка новой системы связана с

риском.

ИНТЕРНЕТ

SCADA-система

PJM

Система Мониторинг/Защита

Высокая экономическая эффектив-

ность. Быстрое развертывание, вы-

сокая доступность и специализация

системы. Большинство компонентов

готово к использованию сети Интер-

нет.

Данные проходят через обществен-

ную сеть Интернет (хотя и в кодиро-

ванном виде).

21C7C2C1.doc

5.7.2. Мониторинг безопасности

Данные о средствах мониторинга безопасности, применяемых различными опе-

раторами крупных электроэнергетических сетей, в обобщенном виде представлены в

Таблице 7.

Таблица 7. Сводные данные по мониторингу безопасности.

Факторы безопасности

Оператор

Слабое

возмущение

Переходный

процесс

Частота Напряжение

Термическая

перегрузка

TEPCO

Оценка состояния.

Анализ послед

ствий

аварий, возможных

при данном режиме

работы (мощность-

напряжение).

TERNA

Анализ в реальном

масштабе времени

последствий аварий,

возможных при дан-

ном режиме работы.

Анализ в ре-

альном мас-

штабе

времени

последствий

аварий, воз-

можных при

данном режи-

ме работы.

Мониторинг напря-

жения в основных

точках.

Низкочастотный

анализ в реальном

масштабе времени.

Анализ в реальном

масштабе времени

последствий ава-

рий, возможных

при данном режи-

ме работы.

National

Grid

Мониторинг

вида и фор

мы

колебаний

Оценка основ-

ных и допол-

нительных ре-

зервов.

Оценка состояния

(часть низкочастот-

ного анализа в ре-

альном масштабе

времени).

Низкочастотный

анализ в реаль-

ном масштабе

времени.

PJM

Оценка состояния.

нализ последствий

аварий, возможных

при данном режиме

работы (мощность-

напряжение).

Оценка состояния

Анализ последст-

вий аварий, возмо-

жных при данном

режиме работы.

CAISO

Мониторинг

вида и фор

мы

колебаний

Мониторинг напря-

жения.

Мониторинг:

- критического

пути;

- межзональных

перегрузок.

RTE

Превентивный мони-

торинг безопасности.

Программное обес-

печение “ASR”

Оценка основ-

ных и допол-

нительных ре-

зервов.

Мониторинг поро

гов

напряжения («кри-

тическое напряже-

ние», «предупреж-

дение об аварийном

напряжении»).

Программное обес-

печение “ASR”.

Программное

обеспечение

“ASR”

21C7C2C1.doc

Факторы безопасности

Оператор

Слабое

возмущение

Переходный про-

цесс

Частота Напряжение

Термическая

перегрузка

ONS

Мониторинг

напряжения в

основных

точках.

Анализ в реальном

масштабе времени

последствий аварий,

возможных при дан-

ном режиме работы.

Применение нера-

венств для монито-

ринга потоков мощно-

сти.

Мониторинг

основных и

дополнитель-

ных резервов.

Мониторинг напря-

жения в основных

точках.

Анализ в реаль

ном

мас

штабе времени

последствий ава-

рий, возможных

при данном режи-

ме работы. При-

менение нера-

венств для мони-

торинга потоков

мощности.

1. Высокоскоростной анализ перегрузок переменного тока (с использованием программного

обеспечения “ASR”); каждые 15 минут для линий электропередачи и генераторов линий N-1,

а также в заранее заданных ситуациях “N-k” (компания RTE).

“ASR” – это название прикладного программного обеспечения, используемого фран-

цузской компанией EMS. В системе используются оперативные данные, выводимые на дис-

плей в виде карт и таблиц в графическом интерфейсе пользователя, что позволяет операторам

применять комплект методик расчета устойчивого состояния, таких как модель оценки функ-

ционального состояния, расчета потоков нагрузки переменного и постоянного тока, мощно-

сти короткого замыкания, оптимального потока мощности, чувствительности (инжекции

мощности в периферийные потоки). При эксплуатации в реальном масштабе времени система

“ASR” используется для выполнения систематического анализа перегрузок, проверки экс-

плуатационных ограничений и хода выполнения восстановительных мероприятий.

Система “ASR” также применяется при эксплуатационном планировании с использо-

ванием взятых из базы данных системы сведений об имевших место в прошлом событиях.

Система “ASR” имеет ряд графических функций, в том числе для изображения потоков

энергии и напряжения на картах, схем подстанций, численных таблиц по ограничениям, по-

токам, напряжению, мощности и т.д. с фильтрами и сортировками, сравнительных таблиц

между двумя состояниями системы (например, состояниями N и “N-k”) и т.п.

Рисунок 10. Графический интерфейс пользователя системы “ASR”.

Другие средства мониторинга внедряются следующим образом:

21C7C2C1.doc

2. Высокоскоростное устройство оценки функционального состояния в реальном мас-

штабе времени для крупных электроэнергетических систем; каждую минуту, 74 тысячи

шин и 2,5 тысячи агрегатов (разработано фирмой Siemens для компании PJM).

3. Высокоскоростное устройство анализа в реальном масштабе времени перегрузок пе-

ременного тока, послеаварийных термических отклонений и нарушений напряжения;

каждую минуту (разработано фирмой Siemens для компании PJM).

4. Анализ кривой мощность-напряжение в реальном масштабе времени для нормаль-

ных и единичных перегрузок; каждые пять минут (разработан фирмой Siemens для

компании PJM).

5. Мониторинг величины, частоты и затухания доминирующих видов колебаний, иден-

тификация нескольких доминирующих видов колебаний (разработан фирмой Psymetrix

для компаний PJM CAISO & National Grid).

6. Мониторинг рабочих характеристик, обеспечивающий поступление информации с 50

объектов Западной объединенной сети (компания CAISO).

<Выводы>

1) Обычно используется устройство оценки функционального состояния в реаль-

ном масштабе времени.

*Максимальная производительность: 7400 узлов, 2500 генераторов, каждую минуту

2) Анализ перегрузок в реальном масштабе времени также широко внедряется для

выявления как «неустойчивости напряжения», так и «термической перегрузки».

3) Прямой мониторинг колебаний энергосистемы в реальном масштабе времени

начал использоваться в некоторых странах. В США и Европейском Союзе для

мониторинга фазового сдвига применяется блок автоматического измерения ра-

бочих характеристик на основе глобальной системы определения местоположе-

ния GPS.

<Задачи>

1) Повышение точности оценки функционального состояния посредством исполь-

зования блоков автоматического измерения рабочих характеристик в сочетании

с обычными средствами оценки.

2) Расширение масштабов оценки перегрузок за счет анализа устойчивости фазово-

го сдвига, в частности, устойчивости переходных процессов.

3) Оценка возможностей системы по регулированию частоты и мощности (оценка

основного резерва, дополнительного резерва, основной регулирующей энергии).

21C7C2C1.doc

5.7.3. Средства превентивного контроля

Средства превентивного контроля, применяемые различными операторами

крупных электроэнергетических сетей, в обобщенном виде представлены в Таблице 8.

Таблица 8. Сводные данные по средствам превентивного контроля.

Факторы безопасности Оператор

Слабое

возмущение

Переходный

процесс

Частота Напряжение

Термическая

перегрузка

TEPCO

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

Быстрое повтор-

ное включение.

Многополюсное

повторное вклю-

чение.

Автоматическое

управление генера-

тором.

Автоматические

регуляторы напря-

жения VQC, PSVR

Регуляторы вторич-

ного напряжения

SVC, SC (повышен-

ного напряжения).

TERNA

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

Быстрое повтор-

ное включение.

Автоматическое

управление генера-

тором.

Регуляторы вторич-

ного напряжения

SVC, SC.

Переключатели вы-

ходных обмоток

трансформатора.

Ручная разгрузка

системы.

National

Grid

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

Автоматический

выбор реакции

по ряду генера-

торов.

Автоматический

выбор реакции по

ряду генераторов и

понижение частоты

направляемого по-

требителям тока.

Регуляторы вторич-

ного напряжения

SVC.

Автоматическое

включение реакто

ра.

Низкочастотный

анализ в реальном

масштабе времени.

Низкочастотный

анализ в реальном

масштабе време-

ни.

PJM

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

Резервные сис-

темы защиты.

Автоматическое

управление генера-

тором.

Резервные системы

защиты.

Регуляторы вторич-

ного напряжения

SVC, SC.

Регулируемые кон-

денсаторы ограни-

чения мощности.

Резервные сис-

темы защиты.

CAISO

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

Автоматическое

управление генера-

тором.

Распределение на-

грузки с учётом

ограничений по

надёжности и эко-

номичности.

RTE

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

(

регуляторы

типа RQB).

Стабилизаторы

энергосистемы.

Быстрое повтор-

ное включение.

Многополюсное

повторное вклю-

чение.

Автоматическое

управление генера-

тором.

Управление вторич-

ным напряжением.

Перераспределе-

ние нагрузки. За-

пуск газотурбин-

ного агрегата. Бы-

строе реагирова-

ние на фазовый

сдвиг гидроэлек-

тростанций (в ло-

кальном масшта-

бе).

21C7C2C1.doc

Факторы безопасности Оператор

Слабое

возмущение

Переходный

процесс

Частота Напряжение

Термическая

перегрузка

ONS

Стабилиза-

торы энер-

госистемы.

Управление

профилем

напряжения.

Минималь-

ное количе-

ство генера-

торов.

Стабилизаторы

энергосистемы.

Применение нера-

венств для мони-

торинга потока

мощности.

Автоматическое

управление генера-

тором.

Управление генера-

торами как синхро-

низирующими кон-

денсаторами в целях

увеличения инерт-

ности системы.

Управление профи-

лем напряжения.

Регулирование тер-

могенерации.

Регулирование ме-

гавольт-ампер.

Низкочастотный

анализ в реальном

масштабе време-

ни. Повторная от-

правка мощности.

Применение тер-

могенерации.

1. Автоматические регуляторы напряжения на основе ЭВМ: VQC и PSVR (компа-

ния TEPCO).

Вследствие того, что крупные электростанции расположены на расстоянии в

сотни километров от центров нагрузки, в том числе столичного округа Токио, а некото-

рые воздушные ЛЭП напряжением 500 кВ несут мощные потоки энергии, превышаю-

щие волновое сопротивление нагрузке, чистые потери реактивной мощности электро-

сети должны компенсироваться на отправляющем и принимающем терминалах в целях

поддержания запланированного профиля напряжения.

В компании TEPCO высокий и ровный профиль поддерживается автоматиче-

скими регуляторами ARV, установленными на стороне высокого напряжения PSVR ге-

нераторов, и автоматическими регуляторами напряжения реактивной мощности VQC, кото-

рые применяются для включения и выключения конденсаторов компенсации реактив-

ной мощности/реакторов, а также управления понижающим действием трансформато-

ров на подстанциях, как показано на рисунке 11.

Компания TEPCO использует в электроэнергетических сетях значительное коли-

чество конденсаторов компенсации реактивной мощности в целях обеспечения резервов

реактивной мощности на электростанциях для случаев возникновения сильных перегру-

зок в периоды максимальной нагрузки, а также корректировки коэффициента полезной

выходной мощности. Помимо компенсации реактивной мощности посредством указан-

ных конденсаторов, реакторы параллельного включения мощностью более 5000 мега-

вольт-ампер, используемые для компенсации зарядки подземных кабелей, также отключаются

в периоды максимальной нагрузки в целях поддержания резервов реактивной мощности на

подстанциях напряжением 500 кВ.

Компания TEPCO поддерживает значения: 13 000 мегавольт-ампер на подстанци-

ях напряжением 500 кВ, 7000 мегавольт-ампер на подстанциях напряжением 275 кВ и

7000 мегавольт-ампер на подстанциях напряжением 154 кВ. Большинство из них под-

ключено к третичной обмотке трансформаторов, номинальное напряжение которых со-

ставляет 22 кВ или 66 кВ. Некоторые подсоединены к шинам 154 кВ и 66 кВ.

21C7C2C1.doc

AVR

PSVR

AVR AVR AVR

VQC

Tap changing

Switching Switching

550kV

Peak load period

535kV

Peak load period

545kV

Normal

525kV

Normal

500kV power grid

Shunt Shunt Shunt Shunt

PSVR

PSVR PSVR

AVR

PSVR

AVR AVR AVR

VQC

Tap changing

Switching Switching

550kV

Peak load period

535kV

Peak load period

545kV

Normal

525kV

Normal

500kV power grid

Shunt ShuntShuntShunt ShuntShunt Shunt ShuntShuntShunt ShuntShunt

PSVR

PSVR PSVR

Рисунок 11. Координированный контроль

напряжения компании TEPCO.

Автоматические регуляторы напряжения реактивной мощности VQC на под-

станциях напряжением 500/275 кВ или 500/154 кВ одновременно регулируют напряже-

ние основных и вторичных шин, тогда как другие – на подстанциях напряжением

275/154 кВ, 275/66 кВ и 154/66 кВ регулируют поток реактивной мощности на основ-

ной стороне и напряжение вторичной шины.

Автоматические регуляторы напряжения реактивной мощности основаны на

микропроцессорных технологиях. Например, на подстанциях напряжением 500/275 кВ

напряжения обеих шин - и 500 кВ, и 275 кВ используются в качестве входных сигна-

лов. Решение по проведению определенного мероприятия принимается в соответствии

с расположением значения измеренного на шине напряжения на операционном плане,

как показано на рисунке 12.

Changing tap positions

to lower the LV

LV (275kV)

Switching on

Shunt Capacitors

Switching off

Shunt Capacitors

Changing tap positions

to raise the LV

HV (500kV)

Dead

Band

Рисунок 12. Операционный план работы

регулятора напряжения реактивной

мощности VQC.

Включение конденсаторов компенсации реактивной мощности или срабатыва-

ние понижающего действия трансформаторов производится в том случае, если откло-

нение напряжения с временным интегрированием от зоны нечувствительности дости-

гает значения, определенного для первичного или вторичного напряжения.

Период пиковой нагрузки

Сеть напряжением 500 кВ

Нормальная нагрузка

Реакторы параллельного включения

Включение

Переключение обмоток трансформатора

Низкое напряжение 275 В

Переключение ответвлений

трансформатора под нагрузкой для

понижения напряжения

Отключение конденсато-

ров реакторов параллель-

ного вкл

чения

Высокое напряжение 500 кВ

Включение конденса-

торов реакторов парал-

лельного включения

Переключение ответвлений

трансформатора под нагрузкой для

повышения нап

ряжения

Зона нечувстви-

тельности

21C7C2C1.doc

Быстрое включение коммутационного устройства конденсатора/реактора также

инициируется автоматическим регулятором напряжения реактивной мощности с опре-

деленной задержкой в несколько секунд при серьезных отклонениях значения основно-

го напряжения.

2. Регуляторы вторичного напряжения (компания RTE).

Регуляторы вторичного напряжения SVC осуществляют сбор мгновенных зна-

чений напряжения, измеренных в различных точках зоны, сравнивает их с заданными

значениями напряжения и применяет изодромный метод определения сигнала, который

отражает уровень реактивной мощности, требуемый для данной зоны. Данный сигнал

впоследствии используется для определения заданного значения или контура регули-

рования реактивной мощности каждого энергоблока. Затем установившаяся выработка

реактивной мощности сравнивается с показателями всех энергоблоков, каждый из ко-

торых вносит свой вклад в удовлетворение общих потребностей в реактивной мощно-

сти пропорционально своим возможностям.

Регуляторы вторичного напряжения SVC обеспечивают управление конденсато-

рами высокого напряжения, что предполагает сохранение энергоблоками резерва реак-

тивной мощности, который в случае аварии немедленно становится доступным.

Система регуляторов вторичного напряжения SVC имеет следующие структур-

ные ограничения:

- в некоторых регионах взаимосвязь между теоретически независимыми зонами усили-

лась в результате развития сети вследствие внедрения регуляторов вторичного напря-

жения SVC. Во избежание возникновения нестабильности мы должны корректировать

количество зон или быть готовыми к ухудшению динамики управления;

- применение регуляторов вторичного напряжения SVC требует согласования реактив-

ной мощности между энергоблоками, однако исключает превышение нагрузки, которое

может появляться на определенных энергоблоках в результате различий в физическом

положении;

- контур регулирования внутренней реактивной мощности на уровне энергоблока яв-

ляется дестабилизирующим фактором, который действительно может усиливать на-

чальное возмущение в первые моменты после определенных происшествий (например,

выхода генератора из строя).

Другие ограничения связаны с конструкцией:

- система частично допускает эксплуатационные ограничения. Например, она не преду-

сматривает полный мониторинг предельно допустимых значений напряжения или экс-

плуатационных ограничений энергоблока;

- параметры контура регулирования являются фиксированными, что не позволяет уста-

навливать оптимальные условия эксплуатации;

- представление в сигнале требуемого уровня реактивной мощности варьируется со

скоростью, которая не допускает отклонений в возможностях энергоблока по формиро-

ванию отклика.

Система регуляторов вторичного напряжения SVC находится в эксплуатации с

начала 1980-х годов и положительно зарекомендовала себя, несмотря на указанные

выше недостатки, некоторые из которых могут быть смягчены по мере накопления

опыта в ходе длительной эксплуатации. Вместе с тем структурные ограничения стано-

вятся все более значимыми по мере расширения системы. Более сложные системы вто-

ричного контроля, известные как "регуляторы координированного вторичного контро-

ля напряжения” (CSVC), были внедрены в западной части Франции, где наблюдается

сильное взаимодействие между зонами.

21C7C2C1.doc

Архитектура системы координированного вторичного контроля

напряжения (CSVC)

Рисунок 13. Применяемая компанией RTE система

CSVC

3. Стабилизаторы энергосистемы с робастным управлением, используемые

в различных условиях эксплуатации энергосистем (Российская Федерация).

В компании CAISO используется российский опыт. В системе применяется мо-

дель устойчивости малого сигнала, а также сложная процедура оптимизации для сме-

щения доминирующих характеристических чисел влево посредством изменения усиле-

ния стабилизаторов энергосистемы на значительном количестве генераторов в различ-

ных условиях эксплуатации.

< Выводы>

1) Стабилизаторы энергосистемы обычно используются в качестве средства предот-

вращения неустойчивости малого сигнала.

2) Быстрое повторное включение, включая многополюсное повторное включение,

применяется в целях улучшения характеристик устойчивости в переходном состоя-

нии и направлено на восстановление исходного состояния сети.

3) Автоматическое управление генератором обычно используется для поддержания

частоты системы.

4) Широкий спектр систем децентрализованного автоматического управления при-

меняется для предотвращения перехода в напряженный режим, а также для об-

легчения работы оператора.

5) Во Франции система централизованного автоматического управления называется

системой регуляторов вторичного напряжения и используется на региональном

уровне в целях повышения качества процесса управления.

<Задачи>

1) Выбор необходимой централизованной или децентрализованной системы в соот-

ветствии с характеристиками энергосистемы.

2) Разработка комплексного алгоритма, который бы обеспечил операторов инфор-

мацией о способах предотвращения перехода из напряженного режима в аварий-

ное состояние.

Подстанция

Состояние и топология

сети электроп

редачи