CC BY
128
УДК 621.311.001
ОСОБЕННОСТИ МОДЕЛИ НАДЕЖНОСТИ АКТИВНОЙ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
© З.А. Стычинский1, Н.И. Воропай2, И.Н. Шушпанов3, К.В. Суслов4
1,2,3,4Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. Университет Отто-фон-Герике, Германия, г. Магдебург, Университетплатц, 2. 2,3Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева, 664033, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 130.
Представлена модель надежности активной распределительной электрической сети. Рассмотрены особенности модели надежности активной распределительной сети с разбитием на операционные зоны. На конкретном примере показана эффективность реализации активной распределительной сети с точки зрения повышения надежности электроснабжения потребителей. Ил.2. Библиогр. 13 назв.
Ключевые слова: модель надежности; распределительная электрическая сеть; показатели надежности; элементы сети, активная электрическая сеть.
ACTIVE POWER DISTRIBUTION NETWORK RELIABILITY MODEL FEATURES Z.A. Styczynski, N.I.Voropai, I.N. Shushpanov, K.V. Suslov,
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664074. Otto-von-Guericke University, 2 Universitätsplatz, Magdeburg, Germany, 39106. L.A. Melentiev Energy Systems Institute, 130 Lermontov St., Irkutsk, Russia, 664033.
The paper introduces a model of active power distribution network reliability. It considers the features of the active distribution network reliability model by breaking down into operational zones. A specific example demonstrates the implementation efficiency of an active distribution network in terms of improving power supply reliability. 2 figures. 13 sources.
Key words: model of reliability; power distribution network; reliability indices; network elements; active network.
Введение. Оценка надежности распределительных электрических сетей имеет важное значение, поскольку от этого в существенной мере зависит уровень бесперебойности электроснабжения. Существуют и используются различные методы расчета надежности распределительных электрических сетей, в большей или меньшей мере эффективные при той или иной постановке задачи расчета [1-5].
Обычно различают структурную и режимную надежность электрических сетей [6]. Под структурной надежностью понимается свойство, обусловленное структурой электрической сети. Режимная надежность - это свойство электрической сети сохранять задан-
ные режимы функционирования при изменении условий, отказах элементов и внезапных возмущениях. Отличие режимной от структурной надежности заключается в следующем: при расчете режимной для каждого из вероятных состояний распределительной электрической сети требуется расчет электрического режима с анализом его допустимости по токам (потокам мощности), по связям и уровням напряжений в узлах. При выходе параметров режима за допустимые пределы приводится в действие соответствующая защита.
Отличительной особенностью использовавшихся ранее моделей надежности распределительных элек-
1Стычинский Збигнев, профессор, e-mail: [email protected]
Styczynski Zbigniew, Professor of Otto-von-Guericke University of Magdeburg, e-mail: [email protected]
2Воропай Николай Иванович, доктор технических наук, заведующий кафедрой электроснабжения и электротехники, e-mail: [email protected]
Voropai Nikolai, Doctor of technical sciences, Professor, Head of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: [email protected]
3Шушпанов Илья Николаевич, аспирант кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89021709919, e-mail: [email protected]
Shushpanov Ilya, Postgraduate of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89021709919, e-mail: [email protected]
4Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: [email protected].
Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering, tel.: 89148704673, e-mail: [email protected]
трических сетей является то, что они используются для "пассивных" сетей. Это определяется тем, что структура распределительной электрической сети изменяется в послеаварийных режимах в некотором смысле "вынужденно", по заданным условиям работы защиты и автоматики. Распространение в системах электроснабжения распределенной генерации несколько усложняет общую задачу определения после-аварийных состояний и координации управляющих воздействий для комплексного обеспечения эффективности работы системы электроснабжения в нормальных и послеаварийных режимах [7,8]. Однако стратегия управления распределительной электрической сетью в послеаварийных режимах остается при этом в "пассивной".
Появление и использование современных многофункциональных коммутационных аппаратов (реклоузеров) [9] приводит к существенному изменению эксплуатационных процедур в послеаварийных состояниях распределительной электрической сети за счет применения автоматических мероприятий (автоматические переключения, реконфигурация сети и др.). Стандарт IEEE 37.100-1992 в переводе с английского дает следующее определение: "Реклоузер - это автономное устройство, использующееся для автоматического отключения и повторного включения цепи переменного тока по предварительно заданной последовательности циклов отключения и повторного включения с последующим возвратом функции АПВ в исходное состояние, сохранением включенного положения или блокировкой в отключенном положении. Реклоузер включает в себя комплекс элементов управления, необходимых для выполнения указанных его функций." Примечательно, что компания "Таврида-электрик" уже начала производство этих современных аппаратов в России [10].
Использование реклоузеров и их систем управления для автоматических переключений (реконфигурации) распределительной электрической сети в после-аварийных режимах позволяет придать этой сети свойства "активности", предусматривающие применение гибких операционных процедур [11]. В некотором смысле при этом электрическая сеть приобретает способность самовосстановления (самоотключения -self-healing), т.е. автоматического восстановления электроснабжения потребителей в послеаварийных режимах в максимально возможном объеме [12].
В данной статье на примере конкретной схемы системы электроснабжения производится иллюстрация особенностей модели надежности активной распределительной сети.
Модель надежности активной сети. В основу традиционной части модели надежности распределительной сети положены следующие положения [13]:
• В качестве исходных показателей надежности каждого основного элемента (линия, трансформатор, комплектная трансформаторная подстанция) используются параметр потока отказов I и интенсивность восстановлений ц элемента.
• На их основе при допущении, что поток отказов-восстановлений обладает марковским свойством,
т.е.X=const и по известным формулам опре-
деляются вероятность отказа, частота отказов и время восстановления элемента.
• С учетом указанных показателей элементов сети вычисляются средняя частота отказов, средняя продолжительность отказов и средний коэффициент готовности системы.
• Отказы выборочных элементов - устройств защиты и выключателей - учитываются опосредованно в значениях параметров потока отказов и интен-сивностях восстановлений основных элементов.
Рассмотрим на примере конкретной схемы системы электроснабжения особенности учета в модели надежности факторов, определяемых активностью распределительной сети.
На рис.1 показана городская распределительная сеть напряжением 10 кВ, получающая питание от двух основных источников - С1 и С2 напряжением 110 кВ. От распределительной сети запитаны 15 пунктов отбора мощности, обозначенные на рисунке как 1-15.
Целью является реконструкция распределительной сети с переводом ее из "пассивной" в "активную", путем использования реклоузеров (обозначены знаком Х). При этом появляются новые узлы. Реконструированная схема приведена на рис. 2. С учетом отключенных в нормальном режиме линий видно, что электрическая сеть работает как радиальная.
Введем понятие операционной зоны работы сети и поясним его содержание и использование на примере схемы, представленной на рис. 2, для реконфигурации сети с целью повышения надежности электроснабжения. Необходимость введения операционных зон обусловлена созданием логики работы реклоузеров. Операционные зоны - это совокупность элементов распределительной сети, формирующихся по какому-либо функциональному смыслу. Операционные зоны формируются исходя из структуры сети. Рассмотрим целесообразные автоматические операции в представленных операционных зонах.
Операционная зона № 1. При отказе трансформатора Тр1 в заданной операционной зоне происходит включение резервной линии 3-4, тем самым источник питания для этой зоны меняется и структура сети ре-конфигурируется. При этом после реконфигурации сети вследствие удаленности зоны №1 от источника питания С2 напряжение на шинах пункта отбора мощности 1 снизилось до критического уровня, защита минимального напряжения отключила нагрузку на этом пункте, тем не менее электроснабжение потребителей, подключенных к пунктам 2 и 3, сохранилось. Другой пример: на линии 1-2 произошло короткое замыкание, она отключилась максимальной токовой защитой. Автоматическое включение резервной линии 3-4 обеспечивает питание потребителей, подключенных к пунктам 2 и 3. Аналогично, при коротком замыкании на линии 2-3 и ее отключении максимальной токовой защитой автоматическое включение резервной линии 3-4 обеспечивает питание потребителей, подключенных к пункту 3. При аварии на пункте 3 включения резервной линии 3-4 не происходит, однако питание потребителей, подключенных к пунктам 1 и
С2
С1
Tp3
11
10
Tp2
г 12
13
14
Рис. 1. Схема распределительной сети
2, может быть сохранено от источника С1 при отключении линии 2-3.
В операционной зоне № 2 реконфигурация схемы происходит аналогично: при отказах элементов в этой зоне автоматически включается линия 3-8, при этом сохраняется питание потребителей, подключенных к пунктам отбора мощности этой зоны, в зависимости от того, какой элемент отказал. При отказе пункта 8 резервная линия 3-8 не включается, но сохраняется питание других потребителей от основного источника С1 .
При отказе элемента в операционной зоне №3 реконфигурация сети не производится, так как эта зона имеет радиальную структуру.
В операционной зоне № 4 автоматические переключения не отличаются по смыслу от таковых в зонах №1 и №2, однако при повреждениях автоматически включается резервная линия 4-11.
В операционной зоне № 5 реконфигурация электрической схемы происходит аналогично путем автоматического включения линии 6-7.
После каждой реконфигурации распределительной электрической сети проводится расчет электрического режима с определением уровней напряжений на подстанциях и величин токов в линиях. Модель учитывает условия работы максимальной токовой защиты в линиях и защиты минимального напряжения на пунктах отбора мощности. Затем производится оценка влияния отключений линии или нагрузки на пунктах отбора мощности на электроснабжение других потребителей. При необходимости выполняются расчеты электрических режимов в новых состояниях системы.
Предлагаемая модель позволяет провести расчет показателей надежности элементов сети, определить работоспособность элементов сети с учетом ввода
8
2
3
6
9
5
8
4
7
Зона 4
Зона 1
Зона 2
Зона 3
Рис. 2. Распределительная сеть с разбитием на операционные зоны
резервных линий, а также рассчитать работу максимальной токовой защиты и защиты минимального напряжения.
Можно сформулировать основные особенности математической модели оценки надежности распределительной электрической сети:
• Моделирование отказов-восстановлений элементов РЭС простейшим Марковским случайным процессом при постоянных значениях интенсивностей отказов и восстановлений элементов.
• Моделирование отказов силовых элементов РЭС с использованием правил надежности п-1 и п-2.
• Учет режимов работы РЭС путем расчета по-токораспределения и контроля допустимости напряжений в узлах и токов в линиях.
• Опосредованный учет отказов выключателей и средств защиты в показателях надежности линий, трансформаторов и подстанций.
• Учет возможности реконфигурации РЭС в по-слеаварийных режимах для повышения надежности электроснабжения потребителей.
В результате использования данной модели можно определить наиболее эффективную схему электроснабжения и оценить уровень надежности электроснабжения потребителей.
Заключение. Использование в распределительных электрических сетях многофункциональных коммутационных аппаратов - реклоузеров - позволяет придать электрической сети свойство "активности" в послеаварийных режимах, реализуя автоматическую реконфигурацию сети и тем самым обеспечивая эффект самовосстановления ее функций. На конкретном примере показана эффективность реализации активной распределительной сети с точки зрения повышения надежности электроснабжения потребителей.
1. Фокин Ю.А., Туфанов В.А. Оценка надежности систем электроснабжения. М.: Энергоатомиздат, 1981.
2. Эндрени Дж. Моделирование при расчетах надежности в электроэнергетических системах. М.: Энергоатомиздат, 1983.
3. Биллинтон Р., Аллан Н. Оценка надежности электроэнергетических систем. М.: Энергоатомиздат, 1988.
4. Конюхова Е.А., Киреева Э.А. Надежность электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 2001.
5. Надежность систем энергетики и их оборудования: справочник. В 4 т. / под общ. ред. Ю.Н.Руденко. Т.2: Надежность электроэнергетических систем / под ред. М.Н.Розанова. М.: Энергоатомиздат, 2000.
6. Надежность систем энергетики (Сборник рекомендуемых терминов) / Отв. ред. Н.И.Воропай. М.: ИАЦ Энергия, 2007.
7. Воропай Н.И., Бат-Ундрал Б. Методы обеспечения эффективности и надежности систем электроснабжения с распределенной генерацией // Методические вопросы исследо-
ский список
вания надежности больших систем энергетики. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009. Вып.59.
8. Vitorino R.M., Neves L.P., Jorge H.M. Network cjnfiguration to improve reliability and efficiency in distribution systems // IEEE Bucharest Power Tech Conf.- Bucharest, Romania, Yune 28- Yuly 2, 2009.
9. Кваша Е.М. Что такое "реклоузер"? // Энергоэксперт. 2012. №2.
10. Чалый А.В., Бензорук С.Е., Васильев С.С. Реклоузер Smart 35: мировая премьера // Энергоэксперт. 2012, №6.
11. McDonald J. Adaptive intelligent power systems: Active distribution network // Energy Policy. 2008. Vol. 36, №6.
12. Haonurg Liu, Xingying Chen, Kun Yu,Yunhe Hou The control and analysis of self-healing urbau power grid // IEEE Transactions on Smart Grid, 2012. Vol.3, №3.
13. Шушпанов И.Н., Воропай Н.И. Разработка и исследование метода расчета надежности радиальной распределительной электрической сети // Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики. СПб., 2010. C.95-105.
