CC BY
46
УДК 621.311(575.3) DOI: 10.17213/0321-2653-2015-3-50-53
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ И АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ РЕСПУБЛИКИ
ТАДЖИКИСТАН
MODELING OF TRANSIENT PROCESSES AND ANALYSIS OF DYNAMIC STABILITY FORREPUBLIC OF TAJIKISTAN POWER SYSTEM
© 2015 г. И.И. Надтока, П.А. Васильев, Ф.Д. Махмадджонов
Надтока Иван Иванович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электроснабжение промышленных предприятий и городов», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. Тел. (863)22-55-650. E-mail: ii_nadtoka@ mail.ru
Nadtoka Ivan Ivanovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Power Supply of Industrial Enterprises and Cities», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. Ph. (863)22-55-650.E-mail: ii_nadtoka@mail. ru
Васильев Павел Александрович - канд. техн. наук, доцент, Vasilliev Pavel Aleksandrovich - Candidate of Technical Sci-
кафедра «Электрические станции и электроэнергетические ences, associate professor, department «Power Stations and
системы», Южно-Российский государственный политехни- Electric Power Systems», Platov South-Russian State Polytech-
ческий университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Ново- nic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: pavas@
черкасск, Россия. E-mail: pavas@mail.ru mail.ru
Махмадджонов Фируз Додарджонович - аспирант, кафед- Makhmaddzhonov Firuz Dodardzhonovich - post-graduate
ра «Электроснабжение промышленных предприятий и student, department «Power Supply of Industrial Enterprises
городов», Южно-Российский государственный политехни- and Cities», Platov South-Russian State Polytechnic University
ческий университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Ново- (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: firuz_7773@mail.ru черкасск, Россия. E-mail: firuz_7773@mail.ru
Рассмотрены проблемы обеспечения надежности электроснабжения и устойчивости энергосистемы Республики Таджикистан, связанные с изолированным от соседних стран режимом ее работы, вследствие чего Северная часть энергосистемы является дефицитной, а Центральная и Южная часть избыточными по вырабатываемой электроэнергии. С помощью программного обеспечения «Мустанг» выполнено моделирование переходных процессов при коротких замыканиях в линиях связи, которые соединяют эти части энергосистемы между собою на напряжениях 220, 500 кВ. Расчеты и анализ динамической устойчивости проводились для зимнего периода года, в котором в энергосистеме наблюдается наибольший дефицит электроэнергии. Исследованы предельные длительности времени АПВ выключателей подстанций, а также устойчивость работы генераторов Кайраккумской гидроэлектростанции в аварийных режимах.
Ключевые слова: энергосистема; моделирование; короткое замыкание; переходный процесс; динамическая устойчивость; углы роторов.
Considered the problems of software reliability power supply and stability of the power system of Republic of Tajikistan, related with insulated from neighboring countries operation of modes, whereupon the Northern part of power system is deficient, and Central and Southern parts generate surplus power. By using software «Mustang» modeling of the transition processes during short circuits in transmission lines, which connect these parts of the power system with one another at 220, 500 kV was carried out. Calculations and analysis of the dynamic stability were performed for the winter period of the year, when the greatest energy emergency is observed in the power system. The maximum time of automatic circuit reclosersin substations is investigated as well as the stability of operation of generators at Kairakkym hydroelectric station in emergency modes.
Keywords: power system; modeling; shortcircuit; transition process; dynamic stability; angle rotors.
Всякое внезапное нарушение рабочего режима вает качания роторов синхронных машин. Качания электрической системы, состоящей из электростан- роторов синхронных машин могут возникнуть в сле-ций, линий электропередачи (ЛЭП) и нагрузок, вызы- дующих случаях: при внезапном скачке нагрузки, при
отключении ЛЭП или трансформаторов подстанций, при отключении части генераторов электростанций и при коротком замыкании (КЗ). Самым опасным из этих видов аварии является КЗ [1, 2]. Важнейшую роль в обеспечении и повышении динамической устойчивости энергосистемы играют быстродействующие выключатели, которые своевременно отключают ЛЭП во время КЗ, и через некоторую паузу система АПВ обратно включает ЛЭП [3, 4].
С декабря 2009 г. Республика Таджикистан начала эксплуатацию своей энергетической системы в изоляции от энергосистем других стран Центрально-Азиатского экономического сообщества (ЦАЭС) и, как следствие, в настоящее время отсутствует возможность обеспечения бесперебойного энергоснабжения потребителей в зимние месяцы [5]. Поменялась и схема электроснабжения Северной части энергосистемы Таджикистана, которая ранее питалась от энергосистемы Республики Узбекистан. В Северной части производство электроэнергии осуществляется только на одной гидроэлектростанции - Кайраккумской ГЭС (КГЭС) 126 МВт, мощности которой недостаточно для обеспечения электроэнергией потребителей области Сугд. А в Южной (область Хатлон) и Центральной (город Душанбе) частях энергосистемы производство электроэнергии осуществляется несколькими гидроэлектростанциями и теплоэлектроцентралями, суммарная мощность которых составляет 4271 МВт (рис. 1).
Таблица 1
Параметры ЛЭП 500 кВ Душанбе - Сугд
Рис. 1. Электрическая связь между Южной, Центральной и Северной частями энергосистемы Республики Таджикистан на напряжении 220 - 500 кВ
В сложившийся ситуации Таджикистан принял решение соединить Северную часть энергосистемы с Центральной и Южной частями. Была построена воздушная ЛЭП, параметры которой приведены в табл. 1.
Название ЛЭП Класс напряжения, кВ Марка и сечение провода Длина, км Количество цепей Макс. доп. ток, А
Душанбе - Сугд 500 3хАС-400 213 1 2000
Для распределения и передачи электрической энергии в Северную часть были построены подстанции Сугд500 на Севере, Душанбе500 в Центральной части. Для повышения надежности связи (Север -Юг) в Центральной части энергосистемы построена Душанбинская ТЭЦ-2 (ДТЭЦ-2), проектная мощность которой составляет 200 МВт. Первая очередь ДТЭЦ-2 мощностью 100 МВт (два блока по 50 МВт), была сдана в эксплуатацию 13 сентября 2014 г. [6].
Построенная линия 500 кВ в значительной мере решила проблему электроснабжения Северной части энергосистемы, однако наличие одной связи Севера с Югом создает ряд проблем в динамической устойчивости энергосистемы в аварийных и послеаварийных режимах. В работе была поставлена задача исследования динамической устойчивости и надежности связи между Северной (дефицитной) и Южной (избыточной) частями энергосистемы Таджикистан. Выполнен анализ режимов работы КГЭС при КЗ в линиях 220 и 500 кВ, находящихся в Северной, Центральной и Южной частях энергосистемы. Для этого получены расчетные кривые переходных процессов изменений углов роторов генераторов на ГЭС и ТЭЦ. Исследовано максимальное время АПВ на ЛЭП-220 и 500 кВ при КЗ вблизи подстанций, на которых установлены АПВ. Выполнены расчеты при ?апв = 0,48 с; 0,50 с; 0,63 с; 0,65 с; 0,68 с для оценки влияния времени АПВ на динамическую устойчивость генераторов КГЭС.
С учетом рекомендаций [7] было принято решение о рассмотрении однофазного КЗ (ОКЗ), двухфазное КЗ на землю (ДКЗ) и трехфазное КЗ (ТКЗ) на ЛЭП 220-500 кВ вблизи шин подстанций (рис. 1). По указанным ЛЭП, перечень которых приведен в табл. 2, распределяется вся передаваемая мощность от Южной части энергосистемы к Центральной части, потом от Центральной части к Северной части. ТКЗ на ЛЭП-500 кВ в соответствии с [7] не рассматривались.
Таблица 2
Перечень ЛЭП 220 и 500 кВ, на которых моделировались КЗ
№ Наименование ЛЭП Номинальное Виды КЗ
п/п напряжение, кВ ОКЗ ДКЗ ТКЗ
1 Нурекская ГЭС (НГЭС-1) - Регар + + -
2 Регар - Душанбе 500 + + -
3 Душанбе - Сугд + + -
4 Нурекская ГЭС (НГЭС-2) - ОРДЖ-2 + + +
5 Байпазинская ГЭС (БГЭС) - Лолазор 220 + + +
6 КГЭС - Ходжент + + +
7 Сугд - Ходжент + + +
Сечение Север - Юг является определяющим надежность электроснабжения области Сугд. Для выявления свойств связи и анализа динамической устойчивости энергосистемы исследовались несколько видов короткого замыкания в указанных выше точках энергосистемы с помощью программного комплекса «Мустанг». В данной программе можно определить область динамической устойчивости энергосистем при переходных процессах, аварийных и послеаварийных режимах [8 - 10]. В расчетной схеме, которая использовалась для моделирования аварийных режимов, были учтены мощности всех генераторов ТЭЦ и ГЭС, имеющих связи с энергосистемой на напряжениях 220 и 500 кВ, а также все ЛЭП и трансформаторы подстанций 220 и 500 кВ. Балансирующим узлом в данной схеме является НГЭС-1. Всего расчетная схема имеет 62 узла и 80 ветвей. От государственной национальной энергетической компании Республики Таджикистан ОАХК «Барки Точик» [11] были получены эквивалентные данные параметров энергосистемы, параметры регуляторов возбуждения и регуляторов турбин всех электростанций. Эквивалентные данные включают в себя сопротивления прямой и обратной последовательности линий, а также ЭДС на шинах подстанций. Данные об эквивалентных сопротивлениях линий были использованы в программном комплексе «Мустанг», как добавочные сопротивления, которые зависят от вида КЗ (табл. 2).
Моделирование переходных процессов при КЗ в данной программе производилось в следующей последовательности: короткое замыкание, отключение линии и включение ее после срабатывания АПВ. Приняты следующие временные интервалы, характеризующие параметры выключателей и АПВ. Через 0,18 с после начала короткого замыкания выключатель отключает линию. После 0,68 (0,48; 0,50; 0,63; 0,65) с под воздействием АПВ выключатель обратно включает линию. В результате перебора времени АПВ из ряда /АПВ = 0,48; 0,50; 0,63; 0,65; 0,68 определялось максимальное время /апв, при котором не нарушается устойчивость работы КГЭС. Результаты анализа АПВ выключателей подстанций приведены в табл. 3.
При анализе динамической устойчивости актуальным является рассмотрение изменения углов роторов генераторов электростанций во время КЗ.
5, град
А
J (\ /ч 8
AV / ^ 7 ^6
"Г
5
3 — -—
2
-
1
Ь " !■ £ ь t, с
Рис. 2. Изменение во времени угловых характеристик роторов генераторов на электростанциях энергосистемы при ТКЗ на линии 220 кВ КГЭС - Ходжент и успешном АПВ
6. фал
8
-
7 6
- 5 4
„ '
1 3
1
W>
\
1
1
*/ 4 >1 ■!■ t, с
Рис. 3. Изменение во времени угловых характеристик роторов генераторов всех станций энергосистемы при ДКЗ на линии 500 кВ Регар - Душанбе и успешном АПВ
Результаты моделирования переходных процессов изменений углов роторов генераторов электростанций приведены на рис. 2, 3, на которых показаны расчетные кривые переходных процессов для случаев наибольших отклонений углов роторов при КЗ в линиях 220 кВ КГЭС - Ходжент и 500 кВ Регар - Душанбе.
Таблица 3
Исследование времени АПВ выключателей подстанций
№ п/п Наименование ЛЭП Виды КЗ Углы роторов генераторов КГЭС, град Предельное время АПВ с
1 КГЭС - Ходжент ТКЗ -22,5 0,63
2 НГЭС-2 - ОРДЖ-2 ОКЗ -18,5 0,68
3 БГЭС - Лолазор ТКЗ -20 0,68
4 Душанбе - Сугд ОКЗ -20 0,65
5 Регар - Душанбе ДКЗ -28,5 0,48
6 НГЭС-1 - Регар ОКЗ -17,71 0,50
Шины генераторов ГЭС и ТЭЦ пронумерованы следующим образом: 1 - КГЭС; 2 - ДТЭЦ-2; 3 - Головная ГЭС; 4 - БГЭС; 5 - Сангтудинская ГЭС-1; 6 - НГЭС-1; 7 - Сангтудинская ГЭС-2; 8 - НГЭС-2. Как видно из рис. 2, 3 и табл. 3, углы роторов генераторов КГЭС изменяются до - 22,5 град при ТКЗ на линии КГЭС - Ходжент, а при ДКЗ на линии Регар - Душанбе до - 28,5 град.
Выводы
1. В результате моделирования в программном комплексе «Мустанг» получены угловые характеристики роторов генераторов электростанций при разных видах КЗ в разных точках энергосистемы и определены предельные максимальные по длительности времени уставки АПВ на подстанциях 220 и 500 кВ, при которых сохраняется устойчивость генераторов Кайраккумской ГЭС.
2. При однофазном КЗ на землю в ЛЭП-500 кВ Душанбе - Сугд и успешном действии АПВ длительностью t = 0,65 с, асинхронный ход генераторов КГЭС не наблюдается и устойчивость Северной части энергосистемы сохраняется.
Литература
1. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем / под ред. Л.А. Жукова. М.: Энергия, 1979. 456 с.
2. Md Multan Biswas, Kamol Kanto Das. Steady State Stability Analysis of Power System under Various Fault Conditions// Proc. Global Journal of researches in Engineering Electrical and Electronics Engineering. Nov.2011. USA, 2011. P. 8 - 14.
3. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Хачатрян Э.А. Устойчивость нагрузки электрических систем. М.: Энергоиздат, 1981. 208 с.
4. Changhong Zhao, UfukTopcu, Na Li, Steven H. Low. Design and Stability of Load-Side Primary Frequency Control in
Power Systems // Proc. International Conference on Smart Grid Communications. Nov. 2012. Taiwan City, Taiwan, 2012. P. 1 - 21.
5. Махмадджонов Ф.Д. Перспективы развития энергосистемы Таджикистана с вводом Рогунской гидроэлектростанции мощностью 3600 МВт // Современные энергетические системы и комплексы и управление ими: Материалы XI Меж-дунар. науч.-практ. конф., г. Новочеркасск, 24 июня 2013 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2013. С. 56 - 59.
6. Надтока И.И., Махмадджонов Ф.Д. Анализ динамической устойчивости энергосистемы Таджикистана с учетом ввода Душанбинской ТЭЦ-2 // Науч.-техн. конф. и выставка инновационных проектов: сб. материалов конф. г. Новочеркасск, 14-16 декабря 2014 г. / Юж.-Рос. гос. политехн. ун-т (НПИ) им. М.И. Платова. Новочеркасск: ЮРГПУ (НПИ), 2014. С. 36 - 39.
7. Методические указания по устойчивости энергосистем, утверждены приказом Минэнерго России № 277 от 30. 06. 2003 г.
8. Касобов Л.С. Предотвращение нарушения устойчивости режима энергосистемы с преобладанием гидрогенерации (на примере энергосистемы Таджикистана): дис. ... канд. техн. наук: 05.14.02/ НГТУ. Новосибирск, 2009. 178 с.
9. Фишов А.Г., Касобов Л.С. Постановка задачи управления переходными режимами для обеспечения устойчивости Нурекской ГЭС путем отключения генераторов // Изв. Томского политехнического ун-та. Энергетика. 2009. Т. 315, № 4. С. 46 - 51.
10. Васильев П.А., Надтока И.И., Федоров В.А. Моделирование переходных процессов в энергосистеме и системе электроснабжения газоперерабатывающего завода для совершенствования противоаварийной автоматики // Изв. вузов. Электромеханика. 2008. Спец. вып. С. 166 - 167.
11. Информационный сайт Министерства энергетики Таджикистана. Электронный ресурс. Режим доступа: http://minenergoprom.tj (дата обращения: 03.03.2015).
References
1. Zhdanov P.S. Voprosyustoychivostielektricheskikhsistem [Questions of stability of electric systems]. Moscow, Energiya Publ., 1979, 456 p.
2. Md Multan Biswas, Kamol Kanto Das. Steady State Stability Analysis of Power System under Various Fault Conditions. Proc.
Global Journal of researches in Engineering Electrical and Electronics Engineering. Nov.2011. USA, 2011, p. 8-14.
3. Gurevich Yu.E., Libova L.E., Khachatryan E.A.. Ustoychivost' nagruzkielektricheskikhsistem [Stability of load of electrical
system]. Moscow, Energoizdat, 1981, 208 p.
4. Changhong Zhao, UfukTopcu, Na Li, and Steven H. Low. Design and Stability of Load-Side Primary Frequency Control in Power
Systems. Proc. International Conference on Smart Grid Communications. Nov.2012. Tainan City, Taiwan, 2012, pp. 1-21.
5. Makhmaddzhonov F.D.. PerspektivyrazvitiyaenergosistemyTadzhikistana s vvodomRogunskoygidroelektrostantsiimoshchnost'yu
3600 MW [Prospects of development of the energy system of Tajikistan with introduction of the Rogun hydroelectric power station capacity of 3600 MW]. [Modern power systems and complexes and management. Materials of XI International scientific practical conference]. Novocherkassk, June 24, 2013, pp. 56-59.
6. Nadtoka II, Makhmaddzhonov F.D.. Analiz dinamicheskoy ustoychivosti energosistemy Tadzhikistana s uchetomvvodaDushanbin-
skoyCHP-2. [Analysis of dynamic stability of powersystem of Tajikistan into account the Dushanbe CHP-2]. [Scientific and technical conference and exhibition of innovative projects. Conference materials]. Novocherkassk, December 14-16, 2014, pp. 36-39.
7. Metodicheskie ukazaniya po ustoychivosti energosistem, utverzhdeny prikazom Minenergo Rossii № 277 ot 30 iyunya2008 g
[The method of stability of energy systems. Approved by order of Ministry of energy of Russia No. 277 dated 30 June 2003].
8. Kasobov L.S.. Predotvrashchenie narusheniya ustoychivosti rezhima energosistemy s preobladaniem gidrogeneratsii (naprimer
eenergosistemy Tadzhikistana. Diss. kand. techn. nauk). [Of the stability regime dominated by hydro power system (for example, the power system of Tajikistan. Diss. kida. techn. sciences]. Novosibirsk, 2009, 178 p.
9. Fishov A.G, Kasobov L.S.. Postanovka zadachi upravleniya perekhodnymi rezhimami dlya obespecheniy austoychivosti Nurekskoy GES putem otklyucheniya generatorov. [Statement of the problem of transient regimes control for the stability of Nurek HPP by switching off generators]. Izv. Tomsk Polytechnic University. Energetika, 2009, vol. 4, pp. 46-51.
10. Vasil'yev P.A., Nadtoka I.I., Fedorov V.A. Modelirovanie perekhodnykh protsessov v energosisteme i sisteme elektrosnabzheniya ga-zopererabatyvayushchego zavoda dlya overshenstvovaniya protivoavariynoy avtomatiki. [Simulation of transients in the power supply system and a gas processing plant to improve emergency automatics]. Izv. vuzov. Elektromekhanika, 2008, SpetsiaTny vypusk, pp. 166-167.
11. http://minenergoprom.tj - Information site Ministry of Energy of Tajikistan (accessed 03.03.2015).
Поступила в редакцию 1 апреля 2015 г.
