Анализ сенсорных элементов схемы и выявление слабых мест в сетях генераторного напряжения

Короткие замыкания (КЗ) в сети, которые могут привести к нарушению устойчивости системы электроснабжения крупного предприятия, являются наиболее тяжелыми авариями. Они могут повлечь за собой расстройство сложных технологических процессов предприятия, массовый недоот-пуск продукции, а также, в случае наличия собственных электростанций, нарушение нормальной работы генераторов и выход электростанции на раздельную работу с энергосистемой. Такой режим работы отрицательно сказывается на динамической устойчивости генераторов, что приводит к нарушению электроснабжения наиболее ответственных потребителей и необходимости синхронизировать генераторы для восстановления параллельной работы с энергосистемой [1–3].

Для исследования устойчивости механизмов расчета установившихся режимов бывает недостаточно, поэтому применяют также расчеты переходных электромеханических процессов [4–6], в которых учитываются собственные характеристики и технические параметры генераторов, мощных электродвигателей, обобщенной нагрузки. Так, например, поведение генераторов в переходном процессе определяет устойчивость системы, что во многих исследованиях является одним из показателей устойчивости.

При КЗ в питающей сети 110–220 кВ наиболее вероятно нарушение динамической и результирующей устойчивости [7, 8]. Поэтому анализ подобных режимов представляет интерес с точки зрения определения необходимых условий для сохранения устойчивости системы.

Для сохранения стабильной работы системы электроснабжения большое внимание уделяется исследованию статической [9–11] и динамической [12–15] устойчивости. Тем не менее во многих исследованиях [16, 17] рассматриваются мощные генераторы, работающие в сетях с большой пропускной способностью. Кроме того, исследуется работа генераторов в пределах одной станции. С точки зрения реальных условий эксплуатации электрических сетей генераторы различных электростанций электрически удалены друг от друга через реакторы и трансформаторы, система электроснабжения имеет сложные связи с различной пропускной способностью, влияющей на баланс мощности, в сети присутствует неоднородная электрическая нагрузка [18, 19].

С целью выявления наиболее чувствительных элементов схемы для улучшения поведенческих свойств электроэнергетической системы (ЭЭС) (управляемости, надежности, контролируемости) О.Н. Войтовым вместе с соавторами [20] был введен термин «сенсорный элемент», т. е. такой элемент сети, параметры режима которого в большей степени изменяются при случайных изменениях в топологии схемы сети и нагрузок. В такой работе анализ реакции ЭЭС на возмущение определяется изменениями во времени углов роторов синхронных генераторов. Степень неоднородности анализируется наличием когерентных генераторов при возмущениях. Одним из мероприятий по снижению неоднородности ЭЭС и, как следствие, исключение сенсорных элементов схемы является изменение проводимостей связей в ЭЭС.

Анализ слабых мест во многих работах связан с определением близости или непосредственного достижения нарушения либо статической, либо динамической устойчивости. В результате такого анализа определялись наиболее слабые связи с низкой пропускной способностью, в которых возникающие перетоки мощности достигали некоторых пределов. Достижение этих пределов осуществлялось, как правило, утяжелением режимов работы сильными возмущениями в системе.

Также поиск слабых мест может осуществляться по следующей методике [21]: для определенного режима работы энергосистемы, содержащей генераторы большой мощности, вводится некоторое аварийное возмущение. После расчета аварийного режима определяется наиболее загруженная линия, которая перед новым этапом расчета отключается, после чего рассчитывается новый режим. Вычисления продолжаются, пока не будет найден участок в системе с нарушением статической или динамической устойчивости, в зависимости от поставленной перед этим задачи. Недостатком таких методов является необходимость проведения многочисленных объемных расчетов, а также объемного аналитического анализа и обработки полученных результатов.

Существуют аналитические алгоритмы выявления слабых мест в системе с точки зрения статической устойчивости, одним из которых является метод кластерного анализа [22]. В таком методе не требуются объемные матричные вычисления, а при использовании теории графов находятся кластеры, узлы которых больше всего коррелируют между собой. Эти узлы в свою очередь связаны слабыми линиями, которые и являются сенсорными элементами схемы.

Кластерный анализ также применяется и для исследования динамической устойчивости, где внимание уделяется поведению генераторов в переходных электромеханических процессах.

Таким образом, для решения задачи выявления слабых мест в системе электроснабжения существуют различные подходы, каждый из которых обладает определенными преимуществами и не- достатками. Наибольшей точности в расчетах можно достичь, учитывая технические характеристики электрооборудования (генераторы, двигатели, линии) и параметры его режима работы, что приводит к усложнению расчетов.

Методика

В ранних работах по исследованию устойчивости механизмов собственных нужд (СН) тепловых электростанций [23] рабочие характеристики механизмов применялись в расчетах в качестве аппроксимированных кривых паспортных рабочих характеристик. В реальности на электростанциях в технологическом процессе производства электроэнергии участвуют механизмы с различными режимами работы. Например, насосы работают на сеть с разным противодавлением. Имеются различия и самих механизмов: по мощности, напряжению, скорости вращения рабочего колеса и т. д. Поэтому при исследовании устойчивости механизмов СН на точность и корректность результатов влияют уточненные параметры исследуемого оборудования и сети в целом. Так, ранее авторами в [24] был разработан алгоритм построения теоретической напорной характеристики насоса, работающего на трубопроводную сеть с определенной производительностью. Суть методики заключается в аналитическом выражении напорной рабочей характеристики насоса, близкой на всем диапазоне подачи к паспортной характеристике, с учетом потерь на удар и вихреобразование и гидравлических потерь при протекании потока жидкости через рабочее колесо насоса.

Но для анализа самозапуска приводного двигателя необходимо получить аналитическое выражение моментно-скоростных характеристик механизма. Такие уточненные статические характеристики были получены в работе [25], где приведены алгоритмы расчета в различных режимах работы насоса: в насосном режиме, в режиме противотока и в турбинном режиме. В отличие от упрощенных методик разработанная методика получения моментно-скоростных характеристик позволяет учитывать конструктивные параметры механизмов, а также гидравлические потери полезного момента и тем самым получить более точные данные об электромеханических процессах в приводном синхронном или асинхронном двигателе центробежной машины в различных режимах работы.

Кроме того, в работе по анализу устойчивости двигателей собственных нужд тепловых электростанций с учетом характеристик приводных механизмов [26] с целью апробации методики были выявлены сенсорные элементы схемы в рамках одного объекта исследования – тепловой электростанции. Но для исследования устойчивости всей системы электроснабжения и выявления чувствительных элементов схемы этого недостаточно, поэтому в настоящей работе исследуется северная часть Магнитогорского энергоузла, а именно основные потребители электростанций и насосных станций, получающих питание с шин генераторного напряжения.

Выявление сенсорных элементов схемы проводилось на примере промышленных электростанций (ЦЭС, ПВЭС-1, ПВЭС-2), насосных станций первого и второго подъема северной части Магнитогорского энергетического узла. Обоснованием выбора этой части системы является сложная структура сети генераторного напряжения при большом количестве и мощности ответственных потребителей, относящихся к I категории по надежности электроснабжения, например, механизмы СН электростанций и насосы насосных станций, подающие воду для охлаждения доменных печей. Упрощенная схема электрических соединений приведена на рис. 1, где утолщенными линиями показаны сети генераторного напряжения, связывающие распределительные устройства электростанций с промышленными подстанциями. Основные потребители насосных станций получают питание со следующих подстанций: н/ст № 1 (12,3 МВт) – п/ст № 5, н/ст № 1А (14,6 МВт) – п/ст № 5А, н/ст № 2 (12,9 МВт) – п/ст № 2, 7, 26, н/ст № 17 (16,1 МВт) – п/ст № 78, н/ст № 20 (16,8 МВт) – п/ст № 79, н/ст № 25 (5,4 МВт) – п/ст № 26. Приводными двигателями насосов являются высоко- вольтные асинхронные двигатели, нерегулируемые и с реостатным регулированием, и синхронные двигатели с тиристорным возбуждением. Распределительные устройства электростанций являются двухсекционными. Параметры генераторов электростанций, входящих в границы объекта исследования, приведены в таблице.

Полученные методики уточненного расчета моментно-скоростных характеристик [24, 26] были интегрированы в программный комплекс «КАТРАН 10.0» [27] для расчета электромеханических переходных процессов при КЗ в сети. Таким образом, в расчете предусмотрен статический момент, полученный на основе разработанной методики, где учитываются как конструктивные параметры механизма, так и характеристика трубопроводной сети.

Для выявления сенсорных элементов схемы были проведены серии моделирований КЗ в программном комплексе «КАТРАН 10.0» длительностью 2,5 с на секциях шин электростанций и распределительных устройств (РУ) насосных станций. Были получены зависимости различных параметров двигателей и генераторов, одним из которых является скольжение двигателей. В отличие от исследования неоднородности ЭЭС на основе взаимных углов роторов генераторов и, соответственно, их когерентности [20], в настоящей работе

Рис. 1. Упрощенная схема северной части Магнитогорского энергоузла

Основные номинальные параметры генераторов

Наименование	Номинальная мощность P ном, МВт	Номинальное напряжение U ном, кВ
ЦЭС, ТГ № 1	12	3,15
ЦЭС, ТГ № 2	12	3,15
ЦЭС, ТГ № 3	40	10,5
ЦЭС, ТГ № 4а	6	10,5
ЦЭС, ТГ № 4б	6	10,5
ЦЭС, ТГ № 5	25	10,5
ЦЭС, ТГ № 6	50	10,5
ЦЭС, ТГ № 7	25	10,5
ЦЭС, ТГ № 8	40	10,5
ПВЭС-1, ТГ № 1	6	6,3
ПВЭС-1, ТГ № 2	6	6,3
ПВЭС-2, ТГ № 1	30	6,3
ПВЭС-2, ТГ № 2	30	10,5
ПВЭС-2, ТГ № 3	12	10,5
ПВЭС-2, ТГ № 4	30	10,5

выявление слабых мест, т. е. неоднородных участков сети, осуществляется с помощью значений забросов скольжения приводных двигателей центробежных машин в аварийном режиме (при КЗ). Таким образом, для определения степени влияния возмущения применена разность полученных значений скольжений, а для оценки степени возмущения рассчитан коэффициент возмущения в точках присоединения потребителей схемы, т. е. таких потребителей, которые получают питание с общих шин РУ подстанций:

P 1 ^A s ^{+ P} 2 ^ s 2 +  + P n A s n

□ = ---------------------------,

P + P2 + - + Pn где Р – мощность приводного двигателя;

As = S™,Y - Smi„ - разность максимального и ми-max min нимального скольжений на исследуемом интервале времени.

Таким образом, разработанная методика выявления сенсорных элементов схемы состоит из следующих основных этапов:

• 1)    определение основных конструктивных параметров и расчет уточненных моментноскоростных характеристик центробежных машин на основе ранее полученных выражений потерь полезного момента;

• 2)    ввод исходных данных в программный комплекс «КАТРАН 10.0», содержащий уточненный расчет моментно-скоростных характеристик;

• 3)    расчет в программном комплексе электромеханических переходных процессов при моделировании КЗ в различных участках схемы, т. е. утяжеление режима работы системы до возможного нарушения статической или динамической устойчивости;

• 4)    получение данных об изменениях скольжений двигателей в исследуемой схеме по результатам расчетов при моделировании аварийных режимов;

• 5)    определение коэффициентов возмущения в точках присоединения потребителей, и расчет средних значений коэффициентов для каждой точки при различных аварийных режимах;

• 6)    выявление сенсорных элементов схемы по наибольшим значениям коэффициентов возмущения;

• 7)    формулирование выводов о наиболее чувствительных участках схемы к возмущениям и об устойчивости системы электроснабжения.

Результаты

По результатам моделирования КЗ на секциях шин РУ электростанций и подстанций на разных уровнях напряжения были получены значения скольжений двигателей. Для каждой точки КЗ выполнен расчет коэффициента чувствительности всех элементов ЭЭС (секций шин, от которых получают питание потребители предприятия, двигательная нагрузка). Для всех точек КЗ были рассчитаны средние значения коэффициентов чувствительности, которые показаны на рис. 2.

Степень возмущения двигательной нагрузки в целом влияет на общее состояние системы. Как правило, наибольшей сенсорностью обладают электропотребители, находящиеся ближе остальных к источнику возмущения. Также на максимальное отклонение от нормального режима влияют качания генераторов. При проворотах ротора генераторов наблюдается утяжеление режима, приводящее к еще большему возмущению сенсоров. Кроме того, КЗ на высоких уровнях напряжения оказывает влияние на большее количество потребителей, в том числе и на генераторы, от устойчивости которых зависит работа не только механизмов СН станции, но и цеховых потребителей предприятия.

ПВЭС-2, РУ п/ст 26 6 кВ

ПВЭС-1, РУ п/ст №7

• 6 кВ

РУ К-8, 3 кВ

РУ К-7, 3 кВ

РУ К-6, 3 кВ

РУ К-5, 3 кВ

РУ К-4, 3 кВ

РУ К-3, 3 кВ

ЦЭС

РУ К-2, 3 кВ

РУ К-1, 3 кВ

РУ ТГ-7, 3 кВ

РУ ТГ-6, 3 кВ

РУ ТГ-5, 3 кВ ру ТГ-4, 3 кВ

О 0,1       0,2      0.3

Рис. 2. Значения коэффициентов возмущения в точках подключения потребителей

Как видно из рис. 2, наибольшим забросом скольжения при КЗ в различных точках системы электроснабжения обладают потребители вторых секций РУ ТГ-4…7, так как эти секции имеют большую загруженность и наименьшую удаленность от генераторов и от точек КЗ из-за меньшей индуктивности реакторов по сравнению с первыми секциями шин тех же РУ. Поэтому одним из средств снижения чувствительности механизмов к внешним возмущениям является изменение проводимости сетей.

Заключение

Разработанная методика выявления слабых мест опробована в условиях более сложного объекта исследования с большим количеством связей в сетях генераторного напряжения. Показана применимость методики, позволяющая выявить слабые места многомашинной системы в условиях крупных промышленных предприятий.

Методика выявления сенсорных и слабых мест схемы дает возможность более точно отстроить уставки релейной и технологической защит, установленных на станциях для более надежной работы основного и вспомогательного технологического оборудования как самой тепловой электростанции, так и цеховых потребителей промышленного предприятия, питающихся с шин генераторного напряжения.