РЗА-2010

Подождите немного. Документ загружается.

Релейная защита и автоматика энергосистем

230

ОЦЕНКА ЖЕСТКОСТИ УЗЛОВ ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ ТОКОВ

КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СЕТЯХ МЕГАПОЛИСОВ

О.В. ФРОЛОВ, Н.Ш. ЧЕМБОРИСОВА

ОАО «Научно-исследовательский институт постоянного тока»,

г. Санкт-Петербург

Системы электроснабжения мегаполисов характеризуются большими значениями мощностей

нагрузок и централизацией производства, транспорта и распределения электрической и тепловой

энергии, а также высоким уровнем токов короткого замыкания (ТКЗ). Примерами систем электро-

снабжения мегаполисов, имеющими большие ТКЗ, являются Московская энергосистема, обеспе-

чивающая электроснабжение г. Москвы и Московской области, и Ленинградская энергосистема,

осуществляющая электроснабжение г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области. Как показано

в [1] уровни токов короткого замыкания в сети 110-220 кВ можно стабилизировать стационарным

делением сети, хотя эта мера снижает надежность электроснабжения потребителей, ухудшает управ-

ляемость установившимся режимом. В связи с этим для крупных городских образований необходимо

снижение уровня токов короткого замыкания при одновременном повышении показателей режимной

управляемости, особенно в части регулирования напряжений.

Например, при ликвидации всех точек секционирования сети в самом неблагополучном по токам

короткого замыкания узле Московской энергосистемы при расчетах на перспективу ТКЗ превышает

отключающую способность выключателя в несколько раз. После секционирования сети ток в этой

же точке становится меньше отключающей способности выключателей. Для ограничения ТКЗ в Мо-

сковской ЭС организовано более 100 стационарных точек деления в сети 110 кВ и более 15 – в сети

220 кВ. Сходная проблема существует в энергосистеме Санкт-Петербурга и области, но количество

точек секционирования сети меньше на порядок.

Необходимость усиления сетей обеих ЭС на перспективу неизбежно приведет к усложнению и

повышению связности их схем, и, как следствие, к увеличению ТКЗ и возрастанию количества точек

секционирования сети. В этих условиях решение задачи эффективного ограничения ТКЗ при умень-

шении количества точек секционирования сети становится актуальным.

Одним из способов ограничения ТКЗ является снижение «жесткости» узлов схемы [2], которая

определяется по степени снижения напряжения в узле при изменении реактивной мощности в узле

на единицу. В связи с этим представляет интерес формализованный выбор мест ограничения ТКЗ с

использованием секционирования сети или уменьшения «жесткости» узлов схемы с помощью под-

ключенных в них устройств ограничения ТКЗ (УОТКЗ). Такой предварительный анализ параметров

сети для выбора мест установки УОТКЗ значительно повышает их эффективность.

Если сравнивать и располагать узлы по степени их «жесткости», то полученный ранжированный

список дает возможность получить информацию о наиболее «жестких» узлах, ограничивать токи

короткого замыкания в которых необходимо в первую очередь.

Формализовано описать условия ранжирования узлов можно по разности между значениями соб-

ственной Y

и суммой взаимных проводимостей ΣY

для конкретного i-го узла, то есть ΔY

. Чем боль-

ше реактивная составляющая ΔY

, тем более жестким будет узел. В противоположном конце списка

находится сенсорный узел, напряжение в котором будет изменяться сильнее, чем в «жестком». Для

обеих энергосистем были получены на основе параметров сети такие ранжированные списки узлов.

Жесткими узлами в списке оказались узлы, известные из опыта эксплуатации как наиболее неблаго-

получные по ТКЗ (с высоким уровнем токов), ограничение ТКЗ в которых достаточно эффективно.

В ранжированных списках анализировалась информация только по нагрузочным узлам без учета

электрических станций.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

231

Оценить жесткость узлов можно и при расчетах установившихся режимов. Изменяя реактивную

мощность в узле и анализируя отклонение напряжения от номинального (базового) значения, можно

ранжировать узлы по степени их жесткости. Чем сильнее изменяется напряжение при одинаковых

изменениях реактивной мощности в узле, тем менее жестким является узел. Для иллюстрации этого

подхода на рис. 1 приведены зависимости изменения напряжения от изменения реактивной мощ-

ности в одном из самых жестких узлов и в сенсорном узле, находящемся в противоположном конце

списка. Сравнение графиков позволяет сделать вывод о возможности оценки жесткости узлов и по

проводимостям, и по результатам расчета установившегося режима, хотя последняя оценка требует

больших объемов расчетов.

110

111

112

113

114

115

116

117

118

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

Q

U, %

 B = 

Рис. 1. Изменение напряжения в зависимости от генерируемой в узле реактивной мощности

При подключении (или отключении) БСК или токоограничивающих реакторов, резонансных

УОТКЗ, секционировании или изменении топологии сети «жесткость» узлов может изменяться,

чем можно воспользоваться при ограничении ТКЗ. При изменении суммарной (собственной) про-

водимости всех подключенных к узлу ветвей (линий электропередачи, трансформаторов, шунтов)

изменится и жесткость этого узла. Секционирование сети приводит к разделению секций (систем)

шин, то есть вместо одного возникают два узла, имеющие меньшую «жесткость». Такой же эффект

секционирования сети для ограничения ТКЗ получается при размыкании отдельных линий электро-

передачи. Ликвидация секционирования повышает «жесткость» узла, но при этом может повыситься

и надежность функционирования сети, тогда в ремонтных режимах или при изменении топологии

сети можно осуществлять переключения таким образом, что это приведет к снижению уровня ТКЗ

в сети.

На рис. 2 приведены зависимости изменения напряжения в узле в зависимости от величины ин-

дуктивного шунта. Сопоставление графиков позволяет сделать вывод о возможности оценки «жест-

кости» узла по проводимостям. Определенный как «жесткий» узел и при подключении равных по

проводимости шунтов лучше держит напряжение, чем сенсорный.

Для примера на этапе проектирования рассматривались токи короткого замыкания на шинах

одной из подстанций (ПС) Московской энергосистемы с двумя секционированными системами

шин на напряжении 110 кВ. Отдельные секции шин рассматривались как узлы, «жесткость» которых

Релейная защита и автоматика энергосистем

232

сопоставляется. Даже при секционировании сети на шинах этой ПС ТКЗ в перспективном режиме в

самом «жестком» узле (секции) превышают отключающую способность установленных выключателей

на 12%. При замыкании секционных выключателей эта величина возрастает до 51%. Снижение ТКЗ

можно получить при включении реакторов последовательно с секционными выключателями и в две

отходящие линий с наибольшими токами подпитки. В этом случае ток становится немного меньше

допустимого.

Альтернативным вариантом вместо включения реакторов в линии является переключение двух

линий электропередачи с примерно одинаковыми параметрами, одна из которых с меньшими тока-

ми подпитки при КЗ на шинах подключается к наиболее «жесткому» узлу (секции шин), а другая с

большими токами подпитки – к наименее «жесткому» узлу. Если параметры линий значительно отли-

чаются, то необходимо также учесть их влияние на жесткость узлов. При этом ток в самом «жестком»

узле снижается и становится меньше коммутационной способности выключателей на 11,3%. Токи на

остальных секциях шин еще меньше.

Эффективность предложенного варианта ограничения ТКЗ была проверена и в ремонтных схемах.

Результаты расчетов в этих схемах показали, что максимальные ТКЗ в ремонтных схемах на шинах

рассматриваемой ПС ниже предельных значений по условию отключающей способности установ-

ленных выключателей. В варианте без УОТКЗ токи короткого замыкания в ремонтных режимах

становятся больше допустимых по условию отключающей способности выключателей.

Аналогичные расчеты для жесткого узла Ленинградской энергосистемы позволили после ввода

УОТКЗ (реакторов) и значительного снижения жесткости узла снизить ТКЗ от величины на 75% выше

допустимого значения до 8% ниже допустимого значения. Таким образом, при анализе схем или уста-

новившихся режимов в сложных энергосистемах, осуществляющих электроснабжение мегаполисов,

возможно получение дополнительной информации, полезной при ограничении токов короткого

замыкания. Эта информация позволяет до расчета установившегося режима или токов короткого

замыкания по схеме сети определить список наиболее жестких узлов, ограничение токов короткого

замыкания в которых необходимо в первую очередь, что позволяет примерно на порядок уменьшить

объем расчетов ТКЗ. Используя расчеты серии установившихся режимов, можно получить сходную

информацию, но объем расчетов при этом значительно возрастает.

100

102

104

106

108

110

112

114

116

0 2000 4000 6000 8000 10000

&, '%'

U, %

 B =

Рис. 2. Изменение напряжения в зависимости от значения проводимости подключенного

в узле индуктивного шунта

Москва, 1–4 июня 2010 г.

233

Сопоставление схем соединения при проектировании или для ремонтных режимов в сетях с высо-

кими уровнями ТКЗ может быть существенно упрощено, если предварительно оценить степень жест-

кости узлов. Варианты с большей жесткостью узлов (неблагополучных по ТКЗ) можно отбраковывать.

Можно также корректировать схему сети при проектировании, осуществляя присоединение линий к

секциям шин таким образом, чтобы все секции шин имели приблизительно одинаковую жесткость,

т. е. находились в ранжированном списке узлов достаточно близко друг от друга.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Руководящие указания по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования /

Под. ред. Б.Н. Неклепаева. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2006.

[2] Неклепаев Б.Н. Координация и оптимизация уровней токов короткого замыкания в электриче-

ских системах. М.: Энергия, 1978.

Релейная защита и автоматика энергосистем

234

РАСЧЕТ СТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СИСТЕМ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРОГРАММНО-

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА PSS/E

БУЛЫЧЕВ А.В., КОНСТАНТИНОВ Е.П., ОНИСОВА О.А.

ОАО «ВНИИР»

Исходной информацией для расчета релейной защиты являются результаты предварительных

аналитических исследований нормальных режимов и режимов повреждений защищаемой электри-

ческой системы.

Процедура выполнения таких исследований даже для простых радиальных и кольцевых сетей ха-

рактеризуется значительными временными затратами, вероятностью получения неточных, а иногда

и некорректных результатов; для сетей сложной конфигурации выполнение аналитических расчетов

вызывает значительные трудности. По этим причинам целесообразно использование средств авто-

матизированного расчета параметров электрических систем. Среди программных средств данного

назначения нашли применение ТКЗ 3000, АРМ СРЗА, Rastr, Mustang, EUROSTAG, Neplan, PSS/E

и т. д. Основанные на использовании в целом аналогичных математических алгоритмов и опери-

рующие тем же набором исходной информации, что и при расчете «вручную», специализированные

программные средства позволяют существенно снизить временные затраты на проведение расчетов,

повысить точность полученных результатов, учесть ряд важных параметров. С использованием про-

граммных средств становится возможным оперативный расчет всех необходимых режимов, получение

более полной и достоверной информации для уточнения состава защит, настройки параметров их

срабатывания, проверки эффективности действия.

Для решения такого рода задач ОАО «ВНИИР» использует программно-вычислительный комплекс

(ПВК) PSS/E (Power System Simulator for Engineering; разработчик – Siemens PTI).

К основным функциям, выполняемым ПВК PSS/E, относятся расчеты установившихся режимов и

режимов повреждений, анализ динамической устойчивости, оптимизация и эквивалентирование [1].

Библиотека элементов ПВК PSS/E содержит широкий набор стандартных моделей: линии электро-

передач, двух- и трехобмоточные трансформаторы (с «ручным» и автоматическим изменением ко-

эффициента трансформации, с возможностью учета изменения сопротивления при регулировании),

синхронные и асинхронные машины, системы возбуждения, автоматические регуляторы возбуждения,

турбины, системы автоматического регулирования скорости, устройства на современной силовой

полупроводниковой базе (гибкие системы передачи переменного тока – FACTS, линии и вставки

постоянного тока – HVDC), устройства релейной защиты, обобщенная нагрузка. Возможно также

создание пользовательских моделей элементов.

Описание топологии и параметров схемы может выполняться как с использованием интерфей-

са программы (при этом автоматически создаются бинарные файлы описания), так и при помощи

любого удобного пользователю внешнего редактора текстовых файлов (создание текстовых файлов

описаний «вручную»).

РАСЧЕТЫ УСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ПВК PSS/E

Математическая модель расчета установившегося режима представляет собой нелинейную алгеб-

раическую систему уравнений, решаемую итерационными методами.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

235

В ПВК PSS/E итерационные схемы решения уравнений установившегося режима реализованы

на базе алгоритмов Гаусса–Зейделя (Gauss–Seidel, Modified Gauss–Seidel) и Ньютона–Рафсона (Full

Newton–Raphson, Decoupled Newton–Raphson, Fixed slope decoupled Newton–Raphson).

Метод Гаусса–Зейделя характеризуется некритичностью к неточному (некорректному) заданию на-

чальных приближений решения или исходных данных. Кроме того, метод позволяет выявить фрагмент

схемы, неточность в задании параметров которого приводит к несходимости процесса расчета всей

схемы. Однако скорость итерационного решения по методу Гаусса–Зейделя обычно ниже в сравнении

с методами Ньютона–Рафсона.

Метод Ньютона–Рафсона (Full Newton–Raphson) характеризуется быстрой сходимостью, прак-

тически не зависящей от размеров расчетной схемы, и позволяет достичь максимальной точности

решения, но при этом отличается чувствительностью к неточности задания начальных приближений

или исходных данных. В ПВК PSS/E помимо классического метода Ньютона–Рафсона реализованы

также его упрощенные модификации.

Набор реализованных в ПВК PSS/E методов решения уравнений установившегося режима позво-

ляет адаптировать алгоритм решения в соответствии с особенностями конкретной задачи. Возможно

последовательное использование нескольких методов расчета. Например, в качестве стартового

решения могут применяться методы Гаусса–Зейделя, а поиск окончательного решения может быть

реализован с использованием методов Ньютона–Рафсона.

Дополнительным преимуществом ПВК PSS/E является возможность учета автоматического ре-

гулирования коэффициентов трансформации трансформаторов, изменения сопротивления ветвей

трансформаторов при регулировании, ограничений реактивной мощности генераторов (в зависимости

от величины загрузки по активной мощности), статических характеристик нагрузок, регулирования

режимов сети устройствами FACTS.

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМОВ ПОВРЕЖДЕНИЙ

С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПВК PSS/E

ПВК PSS/E позволяет осуществлять моделирование следующих видов повреждений (рис. 1):

• однофазные короткие замыкания;

• междуфазные короткие замыкания (в том числе на землю);

• несимметричные режимы, связанные с обрывом фаз.

Рис. 1. Виды повреждений, моделируемых PSS/E

Релейная защита и автоматика энергосистем

236

Возможно воспроизведение как металлических («глухих») коротких замыканий, так и коротких

замыканий с учетом переходного сопротивления в месте повреждения.

Методика расчета режимов повреждений, реализуемая в PSS/E, базируется на применении модели

электрической сети в форме системы уравнений узловых напряжений и использовании классического

метода симметричных составляющих.

Основные особенности выполнения расчетов параметров повреждений с использованием

программно-вычислительного комплекса PSS/E:

1. Возможность выбора одного из нескольких алгоритмов расчета токов короткого замыкания, а

также возможность настройки пользователем ряда параметров расчета, что позволяет гибко выбрать

оптимальный метод с заданием необходимых начальных условий.

2. Возможность описания расчетной модели с высокой степенью детализации.

3. Возможность расчета токов короткого замыкания с учетом параметров предшествующего ко-

роткому замыканию режима.

Основной алгоритм расчета, реализованный в PSS/E (Detailed analysis of complicated multiple unba-

lanced situations), позволяет максимально подробно описать расчетную модель. Данный алгоритм

предназначен для расчета начального действующего значения периодической составляющей тока

короткого замыкания в заданной точке сети. Основные отличительные характеристики алгоритма:

• расчет значений токов короткого замыкания в соответствии с условиями работы электрической

системы в предшествующем короткому замыканию режиме;

• наличие опций, позволяющих установить необходимые начальные условия для расчета токов КЗ

(отличные от полученных в ходе расчета установившегося режима), в том числе: задать начальные

уровни напряжений в узлах сети и коэффициенты мощности генерирующих установок, принять

номинальные (базисные) значения напряжений в узлах сети и установить режим холостого хода для

всех генераторов схемы;

• возможность учета регулирования напряжения, схем соединения обмоток трансформаторов,

фазового сдвига, вносимого трансформатором;

• возможность учета влияния устройств FACTS и связей, выполненных при помощи передач

(вставок) постоянного тока;

• возможность учета ветвей поперечных проводимостей, в том числе зарядных мощностей линий,

токов намагничивания трансформаторов и автотрансформаторов;

• учет нагрузок в схемах замещения всех трех последовательностей.

Другой алгоритм расчета (Automatic sequencing calculation) предполагает возможность использования

менее подробной расчетной модели исследуемой электрической системы.

В PSS/E предусмотрены также методики расчета, соответствующие требованиям стандартов

МЭК(IEC) 60909, ANSI C37.5-1979.

Алгоритм расчета, основанный на требованиях стандарта МЭК, предполагает определение началь-

ного действующего значения периодической составляющей и ударного тока короткого замыкания,

а также мгновенного значения, апериодической и периодической составляющих тока короткого за-

мыкания в заданный момент времени.

Расчетные условия короткого замыкания предполагают, что напряжения в узлах электрической

сети принимаются равными значениям средних номинальных напряжений; до момента короткого

замыкания все генераторы работают в режиме холостого хода.

Расчет в соответствии с требованиями ANSI C37.5-1979 позволяет определять начальное действую-

щее значение тока короткого замыкания, значения периодической и апериодической составляющих

тока короткого замыкания в заданный момент времени и основан на следующих допущениях:

• игнорируются значения напряжений в узлах сети, полученные в ходе расчета установившегося

режима;

• предполагается, что в момент времени, предшествующий короткому замыканию, генераторы

работают в режиме холостого хода;

• не учитываются статические нагрузки, ветви поперечных проводимостей, устройства FACTS и

связи, выполненные при помощи вставок постоянного тока.

Москва, 1–4 июня 2010 г.

237

В программно-вычислительном комплексе PSS/E реализована возможность создания модели сис-

темы релейной защиты и проверки ее действия в динамических режимах. Однако для более полного

и детального исследования динамических режимов с учетом электромагнитных переходных про-

цессов PSS/E целесообразно применять в комплексе с ориентированными на решение таких задач

программными и программно-аппаратными средствами PSCAD и RTDS (RSCAD).

В качестве примера применения ПВК PSS/E далее приведены результаты расчета нормальных

режимов и режимов короткого замыкания для фрагмента распределительной сети 35/10 кВ (рис. 2).

Анализ нормальных режимов позволяет определить максимальные и минимальные значения рабочих

токов в местах установки устройств защиты. Так, максимальное значение рабочего тока линии W1

соответствует схемно-режимной ситуации, при которой по этой линии осуществляется питание всех

подстанций 35/10 кВ в максимальном режиме электрической системы (рис. 3).

Для расчета уставок токовых защит необходимо также определить значения максимальных и

минимальных токов коротких замыканий в расчетных точках электрической сети. Значения макси-

мальных токов трехфазных коротких замыканий для рассматриваемой схемно-режимной ситуации

показаны на рис. 4 инверсным цветом.

Рис. 2. Фрагмент распределительной сети 35/10 кВ

Релейная защита и автоматика энергосистем

238

С использованием ПВК PSS/E возможен расчет всех необходимых режимов рассматриваемой

схемы (при изменении конфигурации электрической сети, варьировании параметров элементов,

величин генерации и нагрузок).

ВЫВОДЫ

Для решения задач настройки параметров и проверки эффективности релейной защиты необходи-

ма информация о режимных параметрах контролируемой электрической системы. Получение такой

информации возможно с использованием ПВК PSS/E.

ПВК PSS/E представляет собой гибкий инструмент расчета режимов как в отношении выбора

начальных условий, так и с точки зрения возможности варьирования расчетной модели электриче-

ской системы и степени детализации ее представления. Описание расчетных моделей соответствует

требованиям российских и зарубежных стандартов и, кроме того, позволяет учесть дополнительные

параметры, повышающие точность расчета.

ЛИТЕРАТУРА

[1] PSS Product Suite [Программный комплекс PSS; Электронный ресурс] // http://www. usa.siemens.

com/energy. 2009.

Рис. 3. Результаты расчета нормального режима в ПВК PSS/E

Москва, 1–4 июня 2010 г.

239

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Булычев Александр Витальевич – доктор технических наук, профессор; заместитель генерального

директора ОАО «ВНИИР» по науке.

Константинов Евгений Петрович – научный сотрудник ОАО «ВНИИР».

Онисова Ольга Александровна – научный сотрудник ОАО «ВНИИР».

Рис. 4. Результаты расчета токов коротких замыканий в ПВК PSS/E