Диссертация: Разработка и тестирование системы противоаварийного управления изолированной энергосистемой.

Актуальность диссертационного исследования связана с предполагаемым переводом в 2025-м году энергосистемы Калининградской области на изолированный режим работы, обусловленный желанием энергетических компаний Эстонии, Латвии и Литвы выйти из состава энергообъединения БРЭЛЛ. Отличительной особенностью рассматриваемой энергосистемы является преобладание в структуре её генерирующих мощностей тепловых электростанций, в составе которых присутствуют газотурбинные и парогазовые установки (ГТУ и ПГУ). Рассматриваемый тип энергетического оборудования является достаточно новым для отечественных ЭЭС, в связи с чем вопросы его математического моделирования применительно к задачам противоаварийного управления (ПАУ) на данный момент являются малоизученными. При этом, опыт эксплуатации отечественных и зарубежных изолированных ЭЭС показывает, что применение данного энергетического оборудования оказывает негативное влияние на протекание электромеханических переходных процессов (ЭМПП) с учётом изменения частоты.
Степень разработанности. Различным аспектам противоаварийного управления в ЭЭС всегда уделялось достаточно большое внимание. Многие фундаментальные идеи в области его теоретической и практической реализации были описаны в трудах В.А. Веникова, А.А. Горева, М.С. Жданова, И.А. Груздева, С.А. Лебедева, А.А. Окина, Р.С. Рабиновича, Ю.Н. Руденко, В.А. Семенова, С.А. Совалова, Н.Н. Щедрина, О.В. Щербачева, а также ряда других известных учёных и инженеров. В отечественных энергосистемах первые устройства противоаварийной автоматики (ПА) стали появляться, начиная с 30-х годов 20-го века. В связи с отсутствием в то время цифровой техники указанные устройства ПА реализовывали только локальные принципы противоаварийного управления и обладали децентрализованной структурой. Начиная с 1960-х годов развитие вычислительных устройств и средств передачи телеметрической информации позволило начать постепенную реализацию принципов централизованного ПАУ в энергосистемах СССР. Первые разработки по внедрению централизованных систем противоаварийной автоматики (ЦСПА) были выполнены сотрудниками НИИПТ (в настоящее время – АО «НТЦ ЕЭС») совместно со специалистами диспетчерских управлений Единой энергетической системы СССР (коллектив авторов в составе Л.А. Кощеева, Ю.А. Садовского, П.Я. Каца, И.А. Богомоловой и других) и реализованы в объединённой энергосистеме Урала. На данный момент комплексы ЦСПА присутствуют практически во всех ОЭС, относящихся к ЕЭС России. На протяжении последних 60 лет первоочередными задачами противоаварийного управления, решаемыми комплексами ЦСПА, являлись обеспечение устойчивости параллельной работы отдельных частей энергосистем и ликвидация недопустимых токовых загрузок сетевых элементов. Учёт допустимости изменения частоты после реализации управляющих воздействий (УВ) в рассматриваемых системах ПА до сих пор осуществлялся только путём весьма упрощённой оценки установившихся послеаварийных значений данного электроэнергетического параметра без моделирования ЭМПП с учётом изменения частоты. В первую очередь такой подход к формированию алгоритмов работы ЦСПА был связан с тем обстоятельством, что внедрение данных комплексов противоаварийной автоматики осуществлялось только в достаточно крупных энергообъединениях, для которых глубокое снижение частоты во время протекания переходных процессов (в отличие от изолированных ЭЭС) является нехарактерным явлением.
Объект исследования: изолированная энергетическая система, в которой отсутствуют протяженные электрические связи.
Предмет исследования: особенности протекания электромеханических переходных процессов с учётом изменения частоты в изолированных ЭЭС и реализации противоаварийных мероприятий, направленных на обеспечение допустимых показателей качества их протекания.
Целью выполнения данной диссертационной работы является разработка интеллектуальной системы противоаварийного управления (ИСПАУ), действие которой направлено на предотвращение развития аварийных ситуаций в изолированных энергосистемах, сопровождающихся недопустимыми отклонениями частоты.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: 1) проведён анализ особенностей протекания аварий в современных изолированных энергосистемах; 2) проведён анализ особенностей существующих способов противоаварийного управления в энергосистемах рассматриваемого типа; 3) проведён анализ особенностей математического моделирования энергетического оборудования, оказывающего влияние на протекание ЭМПП с учётом изменения частоты в изолированных ЭЭС (за исключением объектов распределённой генерации и возобновляемых источников энергии); 4) выполнена разработка и программная реализация математических моделей элементов энергосистем, предназначенных для проведения расчётов установившихся и переходных режимов применительно к изолированным ЭЭС для решения задач противоаварийного управления; 5) осуществлены выбор и программная реализация оптимального алгоритма интегрирования дифференциальных уравнений для проведения расчётов ЭМПП с использованием разработанных математических моделей; 6) выполнена разработка алгоритмов выбора оптимальных объёмов управляющих воздействий из числа ступеней УВ, доступных ИСПАУ; 7) разработаны рекомендации по определению настроек ИСПАУ; 8) проведено тестирование корректности разработанных алгоритмов ИСПАУ при их работе в реальной изолированной энергосистеме.
Методология и методы исследования. Решение поставленных задач осуществлялось при помощи методов математического и компьютерного моделирования.
Научная новизна работы: 1) разработаны рекомендации по выбору математических моделей теплосилового оборудования для проведения расчётов электромеханических переходных процессов с учётом изменения частоты; 2) определены математические модели теплосилового оборудования, использование которых допустимо для решения задач противоаварийного управления в изолированных энергосистемах с учётом выполнения расчётов переходных процессов в режиме реального времени. Указанные математические модели адаптированы для энергосистемы Калининградской области при её изолированном режиме работы; 3) разработана архитектура ИСПАУ, отличная от архитектуры централизованных систем противоаварийного управления с точки зрения процесса формирования таблиц управляющих воздействий на верхнем уровне; 4) разработаны общие требования к структуре изолированной энергосистемы, при которых ИСПАУ обеспечивается необходимая точность расчёта объёмов управляющих воздействий; 5) сформулированы и обоснованы рекомендации по определению настроек ИСПАУ применительно к реальной энергосистеме; 6) разработаны алгоритмы выбора оптимальных объёмов УВ, направленные на обеспечение заданного качества протекания электромеханических переходных процессов в изолированных энергосистемах, которые позволяют предотвращать неоправданное отключение ГТУ и ПГУ технологическими автоматиками во время развития системных аварий и минимизировать экономический ущерб от реализации избыточных объёмов управляющих воздействий.
Теоретическая значимость результатов работы. Предложенные в диссертационной работе научно-технические решения открывают новое направление в автоматическом противоаварийном управлении изолированными энергосистемами – выбор оптимальных объёмов и мест реализации управляющих воздействий путём проведения расчётов электромеханических переходных процессов с учётом изменения частоты в режиме реального времени.
Практическая значимость результатов работы: 1) повышение устойчивости работы генерирующего оборудования электростанций при возникновении в изолированных энергосистемах аварийных ситуаций; 2) снижение экономического ущерба от неконтролируемого отключения потребителей электроэнергии действием устройств автоматической частотной разгрузки (АЧР).
Соответствие паспорту специальности. Результаты выполненной диссертационной работы соответствуют пункту №9 паспорта специальности 05.14.02 – Электрические станции и электроэнергетические системы («Разработка методов анализа и синтеза систем автоматического регулирования, противоаварийной автоматики и релейной защиты в электроэнергетике»).
Достоверность полученных результатов подтверждается как теоретическими обоснованиями, так и экспериментальными исследованиями, которые были выполнены с использованием подробных математических моделей энергосистем, реализованных в современных программно-вычислительных комплексах (ПВК).
Положения, выносимые на защиту: 1) рекомендации по выбору математических моделей газотурбинного и паросилового энергетического оборудования, предназначенных для проведения расчётов ЭМПП с учётом изменения частоты, в зависимости от временного интервала рассмотрения указанных переходных процессов или других факторов; 2) способ оптимального построения интеллектуальных систем противоаварийного управления в «компактных» изолированных энергосистемах; 3) алгоритмы выбора оптимальных объёмов УВ, направленных на обеспечение заданного качества протекания электромеханических переходных процессов в изолированных энергосистемах; 4) рекомендации по выбору настроек разработанной интеллектуальной системы противоаварийного управления изолированной энергосистемой.
Апробация результатов. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались в рамках проведения научно-технических секций АО «НТЦ ЕЭС», а также были представлены на следующих всероссийских и международных научно-технических конференциях: 1) IV Международная молодёжная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи – 2013», г. Новочеркасск, 2013 г. 2) V Международная молодёжная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодёжи – 2014», г. Томск, 2014 г. 3) XXII Международная конференция и выставка «Релейная защита и автоматика энергосистем», г. Москва, 2014 г.