CC BY
72
УДК 621. 311. 1
ОЦЕНКА РЕЖИМНОЙ НАДЕЖНОСТИ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ НА ОСНОВЕ КОНЦЕПЦИИ РИСКА
1 9
© Фам Чунг Шон1, Н.И. Воропай2
Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработан метод оценки режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией на основе концепции риска. Результаты такого исследования позволяют более обоснованно рекомендовать мероприятия по повышению надежности распределительных электрических сетей и надежности электроснабжения потребителей.
Ил. 8. Табл. 1. Библиогр. 13 назв.
Ключевые слова: распределенная генерация; распределенные энергоресурсы; режимная надежность; вероятность; риск; дефицит мощности; экономический ущерб.
ASSESSING OPERATING RELIABILITY OF ELECTRIC POWER SUPPLY SYSTEM WITH DISTRIBUTED GENERATION BASED ON RISK CONCEPT Pham Trung Son, N.I. Voropai
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074.
A method to assess operating reliability of electric power supply systems with distributed generation based on the concept of risk is developed. The study results advantage the recommendations of more reasonable measures on improving the reliability of electric power distribution networks and the reliability of customers' electric power supply. 8 figures. 1 table. 13 sources.
Key words: distributed generation; distributed energy resources; operating reliability; probability; risk; energy shortfall; economic damage.
Введение. В соответствии с [1] режимная надежность электроэнергетической системы (ЭЭС), в том числе системы электроснабжения, понимается как свойство системы сохранять заданные режимы функционирования при изменении условий, отказах элементов и внезапных возмущениях. Подходы к оценке режимной надежности систем электроснабжения как составляющей комплексного свойства надежности, представлены в многочисленных литературных источниках, включая монографии и учебные пособия [2-8 и др.]. До последнего времени эти подходы рассматривали в качестве объекта пассивную распределительную электрическую сеть, не содержащую генерирующих источников, кроме основного пункта питания от ЭЭС. Распространение источников распределенной генерации в системах электроснабжения требует развития методов оценки режимной надежности, что и является целью данной работы.
Описание метода. Блок-схема разработанного метода расчета режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией показана на рис. 1. Здесь п - число элементов (связей) в системе электроснабжения, k - текущий номер связи j, на которой происходит первичный отказ. Модель режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией, соответствующая блок-схеме
на рис. 1, состоит в следующем.
В качестве отказывающих элементов в соответствии с правилом надежности п-1 рассматриваются все элементы схемы: линии, трансформаторы, источники распределенной генерации. Причинами отказов сетевых элементов могут быть короткие замыкания (к.з.) либо ложные срабатывания их защит, в результате чего элемент отключается. При необходимости отключения элемента в результате к.з. может происходить отказ защиты с последующим действием резервных защит и отключением близлежащих элементов. При действии резервных защит вероятность их отказа не учитывается. Отказ источника распределенной генерации моделируется его отключением с заданной вероятностью.
С учетом наличия в системе электроснабжения источников распределенной генерации финальное состояние системы формируется путем выделения «островов», осуществляемого в соответствии с методикой [9].
В результате отмеченных событий имеем состояние системы электроснабжения, для которого методом Ньютона рассчитывается установившийся режим и проверяется допустимость полученного режима по токам в связях и напряжениям в узлах. Если режим имеет перегруженные по току линии, моделируется их
1Фам Чунг Шон, аспирант, тел.: 89246111689, е-mail: phamtrungson_istu_ru@mail.ru Pham Trung Son, Postgraduate, tel.: 89246111689, е-mail: phamtrungson_istu_ru@mail.ru.
2Воропай Николай Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электроснабжения и электротехники, директор ИСЭМ СО РАН, е-mail: voropai@isem.sei.irk.ru
Voropai Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, Director of the Energy Systems Institute, SB RAS, е-mail: voropai@isem.sei.irk.ru
отключение максимальной токовой защитой. Если в узле подключения фидера нагрузки имеет место недопустимый уровень напряжения, фидер отключается соответствующей защитой. Если при этом при отключении перегруженного элемента происходит отказ защиты, моделируется, как и в предыдущем случае, действие резервных защит с отключением близлежащих элементов.
Если режим допустим, выполняется оценка дефицита мощности в схеме и его вероятности, на основе чего рассчитывается величина риска рассматриваемого состояния системы. При этом вероятности состояний системы в результате сложных отказов рассчитываются по известной формуле [2-8 и др.]:
рк(А)=£Пч,Пр], (1)
где рк(А) - вероятность дефицита мощности величиной (А) в рассматриваемом состоянии к системы электроснабжения; ч - вероятность отказа элемента или защиты; р. - вероятность безотказной
работы элемента или защиты.
Предлагаемый метод моделирования сложных случайных событий является развитием подхода, изложенного в [10], в плане более полного учета вероятных событий, а также учета источников распределен-
ной генерации и формирования на их основе «островов» в послеаварийном состоянии системы электроснабжения.
Показателем для оценки режимной надежности системы электроснабжения является показатель риска. Принятый подход к определению риска в системах электроснабжения при оценке режимной надежности представляется формулой [6,7,11]:
я* =Е рк (А )■ А
(2)
Однако формула риска (2) не учитывает разную тяжесть последствий дефицита мощности для различных категорий электроприемников потребителей. Указанная тяжесть последствий определяется удельным ущербом от внезапности дефицита мощности увн. Современные оценки увн могут быть приняты для различных типов электроприемников потребителей в соответствии с [12]. Поэтому предлагается модифицированная формула для определения риска при оценке режимной надежности системы электроснабжения с распределенной генерацией в виде
п
К =Е рк (Ак А ■ Увт,
(3)
е=1
где п - число узлов схемы системы электроснабжения.
к
к
1':](пп рр^сршгмг эшцит с III ч 141 нем Гули^ЛС^ЦЩПТ ) Н'м|'итгп
Рис. 1. Блок-схема алгоритма расчета режимной надежности системы электроснабжения
с распределенной генерацией
Как было отмечено выше, количество состояний k системы электроснабжения определяется общим числом первичных отказов различного вида элементов схемы - линий, трансформаторов, источников распределенной генерации. Соотнося оценки риска с конкретными элементами схемы, можно определить слабые места в схеме с точки зрения режимной надежности, на основании чего возможно рекомендовать мероприятия по ее повышению. Такие возможности показаны ниже для исследуемой тестовой схемы системы электроснабжения.
Численные исследования. Расчетная схема исследуемой системы электроснабжения приведена на рис. 2. Схема имеет один основной источник питания (узел 1) от ЭЭС, три района, в двух из которых имеют-
ся установки распределенной генерации. Основной источник питания, установки распределенной генерации и районы подключены между собой посредством выключателей. Внутри каждого из трех районов фидеры для питания нагрузок подключены через предохранители. Схема включает 52 узла и 51 связь.
С целью определенного упрощения численного исследования, имеющего иллюстрационный характер, не учитываются отказы источников распределенной генерации.
Вероятности отказов элементов схемы приняты в соответствии с [3-5,13]. Удельные ущербы от внезапности дефицитов мощности у потребителей взяты из [12] и для рассматриваемой схемы приведены в табл.1.
Номер узла Рг, МВт Ог, Рн, Он, Наименование отрасли и предпри- Удельная величина ущерба внезапности при
МВар МВт МВар ятия полном отключении увн, у.е./кВт
1 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0
3 0 0 0,34 0,21 Цементная промышленность 5,72
4 0 0 0,21 0,13 Завод сельскохозяйственного машиностроения 16,36
5 0 0 0,15 0,095 Завод овощных и фруктовых консервов 28,8
6 0 0 0,15 0,095 Больница 0
7 0 0 0 0 0
8 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
9 0 0 0,15 0,095 Сельское хозяйство 6,17
10 0 0 0,27 0,17 Завод овощных и фруктовых консервов 28,8
11 0 0 0 0 0
12 0 0 0 0 0
13 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
14 0 0 0,085 0,053 Административный комитет 0
15 0 0 0 0 0
16 0 0 0,15 0,095 Сельское хозяйство 6,17
17 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
18 0 0 0 0 0
19 0 0 0,042 0,026 Сельское хозяйство 6,17
20 0 0 0 0 0
21 0 0 0,15 0,095 Завод сельскохозяйственного машиностроения 16,36
22 0 0 0,085 0,053 Завод овощных и фруктовых консервов 28,8
23 0 0 0,085 0,053 Прочие предприятия пищевой промышленности 28,8
24 0 0 0,15 0,095 Водокачка 6,17
25 0 0 0 0 0
26 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
27 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
28 0 0 0,085 0,053 Административный комитет 0
29 0 0 0 0 0
Таблица 1
Генерация, нагрузки и удельные ущербы от внезапности дефицитов мощности у потребителей
30 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
31 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
32 0 0 0 0 0
33 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
34 0 0 0,042 0,026 Сельское хозяйство 6,17
35 0 0 0,15 0,095 Завод сельскохозяйственного ма- 16,36
шиностроения
36 0,7 0 0 0 0
37 0 0 0,15 0,095 Водокачка 6,17
38 0 0 0,085 0,053 Завод овощных и фруктовых кон- 28,8
сервов
39 0 0 0 0 0
40 0 0 0,064 0,039 Сельское хозяйство 6,17
41 0 0 0 0 0
42 0 0 0 0 0
43 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
44 0 0 0,042 0,026 Тюрьма 6,17
45 0 0 0 0 0
46 0 0 0,042 0,026 Сельское хозяйство 6,17
47 0 0 0 0 0
48 0 0 0,085 0,053 Сельское хозяйство 6,17
49 0 0 0 0 0
50 0 0 0,085 0,053 Центральное управление здраво- 0
охранения
51 0 0 0,085 0,053 Административный комитет 0
52 0,5 0 0 0 0
Рис. 2. Тестовая схема локальной системы электроснабжения с установками распределенной генерации
На рис. 3 показана зависимость вероятности состояний отказа для связи 1 при различных ситуациях. Из рисунка хорошо видно соотношение между дефицитом мощности и вероятностью возникновения отказа: высокий дефицит - низкая вероятность, низкий дефицит - высокая вероятность. Таким образом, если отказ на устройстве (линии) происходит из-за короткого замыкания (или по другой причине) и защиты работают хорошо (безотказно), то вероятность в расчете является высокой, а дефицит - низким. С другой стороны, с учетом действия резервной защиты (с отключением крупного района) вероятность повреждения комбинации большего набора оборудования будет уменьшаться, а дефицит мощности увеличиваться.
На рис.4 и 5 показаны диаграммы оценок рисков для всех связей схемы системы электроснабжения с
использованием формул (2) и (3) соответственно для случаев без учета отказов защиты и с их учетом. Результаты анализа этих диаграмм показывают следующее.
1. Учет отказов защиты увеличивает риски дефицита мощности и экономического ущерба.
2. Учет ущерба от внезапности дефицита при оценке риска видоизменяет соотношение оценок рисков для разных элементов схемы.
3. Из рис.4 и 5 видно, что слабым местом схемы с точки зрения режимной надежности является связь 17. Анализ данных по элементам схемы показывает, что причиной высокого риска оказывается достаточно большая длина этой связи по сравнению с другими существенно более короткими связями.
Рис. 3. Характеристика состояний отказов с учетом их развития для связи 1
Рис. 4. Диаграмма показателей риска дефицита мощности
Рис. 5. Диаграмма показателей риска экономического ущерба
Для повышения режимной надежности системы выключателя путем добавления одного выключателя электроснабжения и преодоления высокого риска от- в начале связи 17 (схема после реконструкции показа-казов на связи 17 предлагается два варианта меро- на на рис. 6).
приятий.
Вариант 2: Усиление связи 17 путем строитель-
Вариант 1: Секционирование сети с помощью ства второй цепи.
Рис. 6. Тестовая схема локальной системы электроснабжения с установками распределенной
генерации после реконструкции
Рис. 7. Диаграмма показателей риска с учетом экономического ущерба для варианта 1
Рис. 8. Диаграмма показателей риска с учетом экономического ущерба для варианта 2
Результаты оценки рисков для обоих вариантов мероприятий показаны на рис. 7 и 8. Диаграммы на этих рисунках показывают, что результаты снижения риска для связи 17 различаются: строительство второй цепи связи 17 снижает величину риска в большей степени, чем секционирование сети с помощью выключателя. Однако в обоих случаях снижение величины риска весьма существенно. Для первого варианта эффект связан с тем, что при отказе связи 17 путем действия выключателей район 4 изолируется от района 1 и дефицит мощности существенно уменьшается по сравнению с исходной схемой. Для варианта 2 эффект связан с тем, что строительство второй цепи связи 17 примерно на порядок снижает вероятность одновременного отказа обеих цепей.
Выбор решения на основе представленных двух вариантов мероприятий целесообразен путем сравне-
ния затрат на эти мероприятия. Очевидно, что стоимость выключателя может оказаться существенно меньше стоимости сооружения второй цепи связи 17, поэтому более предпочтителен первый вариант. В то же время, несколько усложняются операции переключения.
Заключение. Разработан метод оценки режимной надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией, который развивает существовавшие до настоящего времени подходы. Численные исследования, проведенные для достаточно сложной схемы системы электроснабжения, включающей установки распределенной генерации, показали эффективность разработанного метода, позволяющего путем оценки риска различных состояний системы рекомендовать наиболее предпочтительные мероприятия по повышению режимной надежности.
1. Надежность систем энергетики (Сборник рекомендуемых терминов) / отв. ред. Н.И. Воропай. М.: ИАЦ "Энергия", 2007.
2. Надежность систем энергетики и их оборудования: справочник в 4 т. / под общей ред. Ю.Н. Руденко. Т. 2: Надежность электроэнергетических систем: справочник / под ред. М.Н. Розанова. М.: Энергоатомиздат, 2000.
3. Конюхова Е.А., Киреева Э.А. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергия, 2001.
4. Папков Б.В., Пашали Д.Ю. Надежность и эффективность электроснабжения. Уфа: Уфим. гос. авиац. техн. ун-т, 2005.
5. Воропай Н.И. Надежность систем электроснабжения. Новосибирск: Наука, 2006.
6. Billinton R., Allan R. Reliability evaluation of power systems. New York - London: Plenum Publ., 1984.
7. Billinton R. Reliability evaluation of engineering systems. New York: Plenum Press., 1996.
8. Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности
ский список
в электроэнергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1983.
9. Воропай Н.И., Бат-Ундрал Б. Методы обеспечения эффективности и надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией // Метод. вопр. исслед. надежности больших систем энергетики. Иркутск, 2009. Вып.59.
10. Непомнящий В.А. Экономико-математическая модель надежности энергосистем и электрических сетей // Электричество. 2011. №2.
11. McCalley J.D., Vittal V., Abi-Samra N. Use of probabilistic risk in security assessment: A natural evolution // International Conference on Large High Voltage Electric Systems (CIGRE), CIGRE 2000 Conference, Paris, France, August 28-31, 2000.
12. Непомнящий В.А. Экономические потери от нарушений электроснабжения потребителей. М.: Изд. дом МЭИ, 2010.
13. Шалин А.И, Трофимов А.С. Эффективность и надежность релейной защиты энергосистем // Relay Protection and Substation Automation of Modern Power Systems, CIGRE, Cheboksary, September 9-13, 2007.
