CC BY
129
УДК 621.311
Ю.П.Кубарьков, П.В.Фомин
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ УСТРОЙСТВА АДАПТИВНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ НАГРУЗКИ
Аннотация
В статье рассмотрен подход к отключению нагрузки при нарушениях режима работы электрических сетей, который требует понимания динамических процессов в сети, технологических ограничений в сочетании с данными об аварийных возмущениях.
Ключевые слова:
контроль данных, аварийный режим, отключение нагрузки, устройства АЧР.
Y.Koubarkov, P.Fomin SOME FEATURES OF THE MATHEMATICAL MODEL CONSTRUCTION FOR THE DEVICE OF ADAPTIVE SWITCHING-OFF OF THE LOAD
Abstract
In the article the approach to switching-off of load is reviewed at disturbances of activity of electrical networks, which one requires comprehension of dynamic processes in a network, technological limitations in combination to the data about emergency disturbances.
Key words:
data control, stand-by mode, switching-off of load, device AFO.
В России и за рубежом самой массовой автоматикой, осуществляющей процесс отключения нагрузки при дефиците активной мощности, является автоматическая частотная разгрузка, входящая в состав системы автоматического ограничения снижения частоты.
Находящиеся в эксплуатации устройства АЧР рассчитаны на сравнительно медленное и плавное снижение частоты. Они имеют низкое быстродействие, что приводит к глубокому снижению частоты в случае возникновения большого дефицита активной мощности [1].
Отечественная промышленность уже выпускает устройства АЧР, реагирующие на скорость изменения частоты, но подобным системам не хватает сведений о прилегающей сети, это приводит к чрезмерному или недостаточному сбросу нагрузки. Система адаптивного отключения нагрузки позволит обеспечить быстрое и оптимальное отключение наименее значимых фидеров с использованием реальных условий эксплуатации [2].
Эффективный подход к отключению нагрузки требует понимания динамических процессов в электрической сети, технологических ограничений в сочетании с данными об аварийных возмущениях. Для наполнения математической модели необходимо отслеживать несколько групп:
1. состояние энергосистемы до возмущения;
2. характер и продолжительность возмущения;
3. ответная реакция системы на возмущение;
4. состояние сети после возмущения.
Система отключения нагрузки, которая может отслеживать и включать в расчёт приведённые выше параметры должна обладать определённым интеллектом. Всё больше объектов энергетики оснащаются системами сбора оперативной информации и параметров возмущения. К тому же современные математические модели и программные комплексы способны решать задачи переходных процессов и динамической устойчивости, используя информацию, поступающую в режиме реального времени. Часть прикладных задач, возможно, удастся решить при помощи экспертных систем и нейронных сетей [3].
Благодаря достижениям науки в электроэнергетике адаптивная, интеллектуальная система отключения нагрузки может удовлетворять следующим требованиям.
1. Решение комплексной, возможно нелинейной задачи отключения нагрузки в заданном районе при ограниченном количестве точек сбора информации.
2. Автоматический контроль рабочего состояния устройств и возможности выработки и реализации управляющих воздействий (УВ).
3. Распознавание сценариев для предсказания развития аварийной ситуации и выработки упреждающих УВ.
4. Оперативное принятие решений о том, какие фидера должны быть отключены на основе информации от датчиков мощности.
5. Отключение минимально возможного числа потребителей в каждой конкретной ситуации.
Несколько выходя за рамки тематики, можно добавить требование, чтобы система имела возможность принимать команды на отключения нагрузки от централизованной системы противоаварийной автоматики. Система должна реализовать управляющее воздействие строго в заданном объёме, обеспечив максимальную эффективность противоаварийного управления.
На рисунке 1 показана принципиальная схема устройства адаптивного отключения нагрузки, которая включает в себя несколько основных функциональных блоков.
Рис.1. Принципиальная схема устройства адаптивного отключения нагрузки
Блок дозировки использует входящую информацию для наполнения математической модели и расчета. На выходе блок формирует группу динамических воздействий.
Блок мониторинга непрерывно контролирует изменение условий эксплуатации и вычисляет перетоки по линиям, загрузку находящихся в работе генераторов, трансформаторов и состояние фидеров. Также блок мониторинга отслеживает потребляемую мощность фидеров, готовых к отключению.
Модель сети содержит топологию, информацию о связях и электрические параметры компонентов сети.
Таблица пусковых органов представляет собой базу данных заранее просчитанных возмущений в нормальных и ремонтных схемах. Кроме того, через этот блок вводится информация о содержании команд противоаварийной автоматики.
Блок оптимизации УВ составляет таблицы отключений согласно изменениям в энергосистеме.
Распределенные органы управления используют программируемые логические контроллеры для быстрой реализации отключения нагрузки в соответствии с возникновением аварийного события.
Отключение нагрузки целесообразно производить с выдержкой времени, зависящей от частоты. Выполнение АЧР с зависимой выдержкой времени было впервые предложено более сорока лет назад, но не получило широкого применения в ЕЭС России. Характеристики такой разгрузки приведены на рисунке 2. Она состоит из нескольких очередей. Устройства запускаются, когда частота в энергосистеме снизится до уставки запуска /зсп (момент С этого момента уставки по частоте /у очередей АЧР начинают изменяться во времени в соответствии с характеристиками А-А, Б-Б, В-В и т.д. (в общем случае по заданному закону). По мере того как частота в энергосистеме снижается, в точках пересечения кривой изменения частоты и характеристики разгрузки, срабатывают очереди А-А, Б-Б, и т.д. [4].
/,Ги 50
49
48
46
44
0 5 10 I, с
Рис.2. Зависимость изменения частоты во времени при действии разгрузки с зависимой выдержкой времени (уставка запуска: /зап = 49 Гц)
Так как в течение времени уставки по частоте увеличиваются, то одни и те же объемы разгрузки используются и для недопущения падения частоты (аналогично действию АЧР-1) и для возврата частоты до приемлемого уровня (аналогично АЧР-2).
При выполнении разгрузки с зависимой выдержкой времени обеспечивается строгая последовательность отключения потребителей, поскольку каждая последующая очередь отличается от предыдущей и более низкими значениями уставки по частоте в одинаковый момент времени, и большим временем срабатывания при одинаковой частоте. Следовательно, при работе такой разгрузки всегда будет соблюдаться порядок отключения потребителей по мере роста их ответственности.
Рассмотрим процесс изменения частоты во времени при возникновении аварийного дефицита мощности, определяемый уравнением относительного движения системы [5]:
# Р - Р
& Т}. ’
где f - частота системы; Рг - генерируемая мощность системы (мощность турбин); Рн - мощность нагрузки; Т] - постоянная механической инерции системы.
Текущее значение суммарной мощности генераторов может быть определено из уравнения:
Рг = Рг0Х+Е Рг0у ± Р
р.с ■
1=1 1 *г
т
где Рг0х - исходное значение суммарной мощности генератора, кроме генераторов, которые могут быть отделены частотной делительной автоматикой (ЧДА); Ро - исходное значение суммарной мощности генераторов, отделяемых ]-й ЧДА; т - количество ЧДА; 7 - номер сработавшей ЧДА; Ррс - изменение мощности турбин под действием автоматических регуляторов скорости.
Нагрузка системы при расчете переходного процесса может быть представлена в виде:
Кн • Кр
где Рн0 - мощность нагрузки в исходном режиме; РАЧР7 - мощность, отключаемая 7-й очередью АЧР; РЧАПВ] - мощность, подключаемая ]-й очередью ЧАПВ; Рн0д - мощность нагрузки в исходном режиме, определяемая д-й ЧДА; Кр - коэффициент, позволяющий рассчитать режим нагрузки, отличный от принятого за исходный (максимальный, минимальный, выходного дня и т. д.); Кн - коэффициент, учитывающий влияние частоты на величину мощности, потребляемой нагрузкой.
Существует несколько подходов к определению значения Кн. Для решения поставленной задачи наиболее подходящим вариантом является нахождение его величины из полинома третьей степени:
Кн = а0 + ау/„ + а2/„2 + аъ/„3,
где ^ = f/fo, а о, а1, а2, а3 - коэффициенты, определяющие долевое участие нагрузок, соответственно нулевой, первой, второй и третьей групп потребителей в суммарной нагрузке Рн0 при исходной частоте^.
К нулевой группе относятся потребители, на потребляемую мощность которых изменение частоты не оказывает непосредственного влияния. Это осветительная аппаратура, выпрямительная, бытовая нагрузка.
К первой группе относятся потребители, потребляемая мощность которых изменяется пропорционально первой степени частоты. К таким потребителям можно отнести привод синхронных двигателей, металлорежущие станки, поршневые насосы, компрессоры и т.д.
Потребление мощности асинхронным двигателем зависит от квадрата частоты только в момент пуска. Ввиду низкой вероятности наличия большого количества двигателей, пускающихся в момент аварии, в последующем расчёте слагаемое о/2 принимается равным нулю.
К третьей группе относятся механизмы с вентиляторным моментом, потребляемая мощность которых пропорциональна кубу частоты. Это крупные асинхронные двигатели собственных нужд ТЭС.
Постоянная механической инерции энергосистемы определяется как сумма постоянных инерций турбоагрегатов и нагрузки, отнесенных к базисной мощности.
Т' ] ~ ^ТГ 2 + ТН
где тТГЕ - постоянная механической инерции рассматриваемых турбогенераторов; тН - постоянная механической инерции нагрузки.
Выполнены расчёты с использованием упрощенной модели системы (рис.3-4). Большая часть коэффициентов подобрана опытным путём для соответствия поведения системы физической картине переходного процесса.
1
2
^ У
О 10 20 30 і, с
Рис.3. Зависимости изменения частоты в режимах с аварийным небалансом активной мощности:
1 - неправильная работа АЧР, увеличение частоты выше 51 Гц; 2 - правильная работа АЧР; 3 - неправильная работа АЧР, снижение частоты ниже 46 Гц
1 Г
2 , 1
V
0 10 20 30 I, с
Рис.4. Зависимости изменения активной мощности потребителей энергорайона в режимах с аварийным небалансом активной мощности:
1 - изменение объема нагрузки при правильной работе АЧР; 2 - изменение объема нагрузки при неправильной работе АЧР и увеличении частоты выше допустимого уровня; 3 - изменение объема нагрузки при неправильной работе АЧР и снижении частоты ниже допустимого уровня
Рассмотрена принципиальная схема системы отключения нагрузки. Описанная структура обладает высокой адаптивностью и использует для своей работы локальную информацию о состоянии режима и минимальный объем данных, получаемых от близлежащих устройств измерения.
Рассмотрен алгоритм отключения нагрузки с использованием принципа работы АЧР с зависимой выдержкой времени.
Для построения адаптивной системы отключения нагрузки согласно структурной схеме необходимо иметь данные о поведении энергорайона при возникновении аварийного дефицита активной мощности.
Результаты, полученные на математической модели, отражают физическую суть процесса изменения частоты и согласуются с данными, полученными опытным путем.
Литература
1. Кучеров Ю.Н., Окин А.А., Мартыненко М.М. Современное состояние автоматической разгрузки энергосистем и пути ее совершенствования // Электрические станции. 2001. № 12.
2. Бернер М.С., Брухис Г.Л., Гуревич Ю.Е. Проблемы применения аварийной разгрузки больших распределительных сетей // Электро. 2008. № 5. C. 12-19.
3. Farrokh Shokooh and JJ Dai, «An Intelligent Load Shedding (ILS) System Application in a Large Industrial Facility,» IEEE IAS Conference Record, 2005.
4. Маркушевич Н.С. Автоматическая частотная разгрузка с зависимой выдержкой времени // Электрические станции. 1969. № 6.
5. Калентионок, Е.В. Оперативное управление в энергосистемах / Е.В. Калентионок, В.Г. Прокопенко, В.Т. Федин. - Минск: Выш. шк., 2007. - 351 с.
Сведения об авторах
Кубарьков Юрий Петрович,
к.т.н., доцент Самарского государственного технического университета,
Россия, 443010, г.Самара, ул.Молодогвардейская, 244
Тел. 8-(846)-242-37-89
Эл. почта:[email protected]
Фомин Павел Владимирович,
магистрант Самарского государственного технического университета,
Россия, 443010, г.Самара, ул.Молодогвардейская, 244 Тел. 8-(846)-242-37-89
