На правах рукописи

КОПЫЛОВ Владимир Владимирович

Методы обеспечения динамической

надежности узлов электрической нагрузки

при провалах напряжения

05.14.02 Электростанции и электроэнергетические системы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Ставрополь 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Свешников Валерий Иванович доктор технических наук, профессор,

Официальные оппоненты:

Минаков Владимир Федорович кандидат технических наук, доцент Аллилуев Алексей Анатольевич Филиал ОАО «СО-ЦДУ ЕЭС» ОДУ

Ведущая организация:

Юга

Защита состоится “ 2 “ июня 2006 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.245.06 при ГОУ ВПО СевКавГТУ по присуждению ученой степени кандидата технических наук: 355029, г. Ставрополь, пр. Кулакова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СевКавГТУ.

Автореферат разослан “” апреля 2006 г.

Ученый секретарь диссертаци- В. И. Наац онного совета, к.ф.-м.н., доцент

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы. Автоматизация и усложнение современных технологий, широкое внедрение систем управления производством приводит к увеличению количества потребителей энергии с непрерывными технологическими процессами. Особенностью данных производств являются повышенные требования к качеству потребляемой энергии, так как кратковременное нарушение непрерывного технологического процесса из-за низкого качества электроэнергии приводит к сбою в работе всего производства, сопровождающегося массовым ущербом, длительным временем восстановления технологических процессов.

С другой стороны, современное состояние основного оборудования электроэнергетических систем характеризуется высокой степенью износа: так, доля сетевого электрооборудования, выработавшего нормативный срок эксплуатации, составляет в ОАО Ростовэнерго около 70%.

Чрезвычайно напряженными режимами электрических систем, приводящими к ускоренному износу конструкционных и активных элементов электрооборудования, являются переходные электромагнитные и электромеханические процессы, вызываемые короткими замыканиями (КЗ), действиями релейной защиты, противоаварийной автоматики, последующими процессами пуска и самозапуска мощных электродвигателей и пр. В таких условиях работы электрических сетей происходят многочисленные сбои в работе электрического и технологического оборудования. Потребители электроэнергии терпят существенный экономический ущерб, предъявляют многочисленные иски на его возмещение.

На территории обслуживания ОАО Ростовэнерго к таким потребителям относятся ОАО «Новочеркасский завод синтетических продуктов», ОАО «ЭМКАтоммаш» и др. Документально подтверждена подача исковых заявлений потребителей на взыскание с ОАО «Ростовэнерго» десятков миллионов рублей ущерба за некачественное электроснабжение.

В таких условиях актуальной научной и практической проблемой является совершенствование методов и средств повышения надежности функционирования потребителей электроэнергии и обеспечиваемых ими технологических производственных процессов.

Одним из наиболее существенных показателей качества электрической энергии является длительность провала напряжения (предельное время кратковременного снижения напряжения ниже уровня 0,9Uном), понижение напряжения потребителей электроэнергии ниже приведенного значения может вызывать их отказы. Актуальна в этой связи оценка надежности потребителей в кратковременных аварийных режимах. Свойство объекта энергетики сохранять в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции (обеспечивающие технологический процесс объекта) при внезапных возмущениях в электрической сети, называется динамической надежностью.

Основные положения динамической надежности сформулированы, прежде всего, в работах проф. Свешникова В. И., Фокина Ю.А., Гука Ю. Б. Однако, предложенные ими методы и средства анализа и обеспечения динамической надежности сложны для непосредственного использования в инженерной практике. Поэтому разработка и усовершенствование методов анализа динамической надежности и средств повышения ее уровня является актуальной задачей.

Тема диссертационного исследования соответствует “Комплексной программе повышения надежности работы оборудования и персонала и снижения аварийности в ЕЭС России”, утвержденной Правлением РАО “ЕЭС России”, февраля 2001 года на длительную перспективу.

Тема диссертационного исследования соответствует шифру специальности ВАК 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы: разработка методов оценки надежности электрооборудования, структурных схем и схем распределительных устройств электростанций; разработка методов математического и физического моделирования в электроэнергетике.

Целью работы является совершенствование методов оценки уровня динамической надежности энергосистем и средств ее повышения.

Достижение цели осуществляется при решении следующих научных задач:

1) анализ причин появления провалов напряжения, моделирование процессов в электрических сетях, вызываемых ими; определение факторов отказа потребителей;

2) разработка рекомендаций по выбору типов математических моделей расчета тока короткого замыкания, используемых для определения динамической надежности;

3) разработка экспресс-метода расчета уровня динамической надежности электрической сети по ее физическим характеристикам;

4) анализ существующих и совершенствование методов и средств повышения уровня динамической надежности.

Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, теория вероятностей, математическая статистика, математические методы прогнозирования, метод самоорганизации, теория планирования эксперимента.

Научная новизна работы.

1. Предложена имитационная модель электрической сети и ее узлов нагрузки для определения границы между зонами работоспособности и отказов электроприемников.

2. Выполнено ранжирование методов моделирования влияния факторов отказа потребителей по уровню погрешности при различных типах нагрузки и видах аварийных ситуаций.

3. По видам электрических нагрузок (двигательной или статической) обоснована применимость математических моделей расчета токов короткого замыкания при оценке динамической надежности.

4. Разработан экспресс-метод расчета уровня динамической надежности, отличающийся от известных тем, что вычисляются коэффициенты регрессионной модели, позволяющей качественно оценить уровень динамической надежности по параметрам схемы электрической сети;

5. Предложен способ повышения уровня динамической надежности, отличающийся использованием управляемых токоограничивающих реакторов с применением авторского решения системы управления, обеспечивающей контроль тока в питающей линии и напряжения на шинах подстанции.

Практическая ценность результатов работы:

выполнена оценка точности моделирования влияния провалов напряжения на отказ электроприемников и даны рекомендации по их использованию при анализе динамической надежности;

предложены упрощенные методы анализа динамической надежности при проектировании питающих и распределительных электрических сетей по их физическим характеристикам (длина и сечение проводников ЛЭП, уровни напряжения, топология сети);

разработано схемотехническое решение устройства повышения уровня динамической надежности и ограничения токов КЗ.

Реализация результатов работы: Разработанные модели и методы используются в ОАО «Ростовэнерго» и проектной практике институтов филиала ОАО «Южный инженерный центр энергетики» «Южэнергосетьпроект» и ЗАО «Тяжпромэлектропроект».

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Имитационная модель электрической сети и ее узлов нагрузки для определения границы между зонами работоспособности и отказов электроприемников, предназначенная для расчета динамической надежности узлов электрической сети.

2. Результаты ранжирования методов моделирования влияния факторов отказа по уровню погрешности при различных типах нагрузки и видах аварийных ситуаций.

3. Обоснование применимости математических моделей расчета токов короткого замыкания при оценке динамической надежности для различных видов электрических нагрузок (двигательной или статической).

4. Экспресс-метод расчета динамической надежности на базе разработанной имитационной модели, связывающей показатель динамической надежности с параметрами электрической сети.

5. Способ повышения уровня динамической надежности для использования в устройстве электроснабжения, отличающийся применением управляемых токоограничивающих реакторов с устройством управления, контролирующим ток в питающих линиях и напряжение на шинах подстанции.

Апробация работы и публикации. Основные положения и научные результаты диссертации докладывались автором на семинарах «Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики (г. Казань, КГЭУ, 2001 г.; г. Туапсе, 2002 г.), на XX и XXVI сессии семинара АН России «Кибернетика электрических систем» по тематике «Диагностика электрооборудования» (г.

Новочеркасск, 1998 г., 2004 г.). Основные результаты диссертации опубликованы в журнале Известия вузов: Электромеханика в 1999 г., 2002 г., 2003 г., 2004 г.

Получен один патент на изобретение. По результатам выполненных исследований опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения и списка использованных источников. Работа изложена на стр., в том числе: 146 стр. основного текста, включая 37 рисунков и 25 таблиц;

списка использованных источников из 112 наименований.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана структура материала в диссертации. Сформулированы научная новизна основных результатов работы и их практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ современного состояния теории динамической надежности узлов электрической сети, проведен анализ влияния кратковременного нарушения электроснабжения на установки промышленных предприятий. Проанализированы причины появления провалов напряжения в электрических сетях электроэнергетических систем. Дана их характеристика. Исследованы методы и средства обеспечения надежности электроснабжения в динамических режимах.

Автором рассмотрены ущербы, возникающие в результате некачественного электроснабжения, и приведены документальные подтверждения ущерба на промышленных предприятиях ОАО «ЭМК-Атоммаш», ОАО «Новочеркасский завод синтетических продуктов» с общим ущербом в десятки миллионов рублей.

Ущерб на данных предприятиях возникает в результате кратковременного прекращения электроснабжения, провалов напряжения в сети.

Выявлено, что основной причиной появления провалов напряжения являются КЗ и нарушение продольной симметрии в электрической сети высокого напряжения. Ухудшение качества электроэнергии могут вызывать и сами электроприемники. К ним, прежде всего, относятся дуговые печи, электросварочные установки, прокатные станы, асинхронные и синхронные двигатели при пусках и самозапусках.

Для оценки фактического быстродействия устройств релейной защиты (РЗ) и коммутационной аппаратуры была проанализирована электрическая сеть 110кВ ОАО Ростовэнерго. Установлено, что быстродействующими дифференциально-фазными защитами с временем срабатывания tрз, равным 0,1с, оснащены 80% воздушных линий (ВЛ) 220 кВ и 29% ВЛ 110 кВ. На остальных ВЛ установлены междуфазные токовые отсечки, земляные и дистанционные защиты, имеющие значительно большее время срабатывания:

tрз достигает 1с (среднеожидаемое время составляет 0,28с), если КЗ ликвидируется с помощью междуфазной токовой отсечки, первых ступеней дистанционных и земляных защит;

tрз достигает 2-3с (среднеожидаемое время составляет 1с), если КЗ ликвидируется с помощью вторых ступеней дистанционных и земляных защит.

Параметры срабатывания перечисленных средств защит определяют показатели длительности провалов напряжения.

Во второй главе предложена имитационная модель, позволяющая получать значения параметров напряжения в узлах нагрузки и строить распределение зон коротких замыканий в сетях по признаку сохранения работоспособности электроприемников. Во второй главе также выполнен сопоставительный анализ методов моделирования влияния факторов на отказ потребителей, установлена их точность и определена область их применения.

Для упрощения представления математических моделей исследования влияния различных факторов на возникновение отказа, в системе электроснабжения выделено три иерархических уровня:

1) от источников бесконечной мощности до узлов промышленной нагрузки;

2) от узлов промышленной нагрузки до шин питания нагрузки;

3) промышленная комплексная нагрузка, синхронные и асинхронные двигатели, генераторы, автоматическое регулирование возбуждения, регуляторы скорости турбин.

Имитационная модель, включает следующие структурные компоненты:

1) прогонка коротких замыканий по трассе линий 110-220 кВ с равномерным законом распределением вероятности:

где pуд - вероятность КЗ, приходящаяся на 100 км линии, lкз - расстояние до точки КЗ от начала линии;

2) расчет параметров режима системы электроснабжения на 1-ом иерархическом уровне в соответствии с математическим описанием вида:

где Uy(Iy) – матрицы узловых напряжений (токов), соответствующие секциям распределительных устройств, то есть узлов промышленной нагрузки;

Zy – матрица узловых сопротивлений;

3) расчет параметров режима системы электроснабжения на 2-ом иерархическом уровне по уравнениям:

где Uвд (Iд) – матрицы напряжений (токов) на выводах двигателей;

Zвд – матрица сопротивлений элементов электрической сети в цепи узла нагрузки до выводов двигателей;

Mд – матрица подключения двигателей к узлам нагрузки;

4) Расчет электромеханических и электромагнитных переходных процессов на основе дифференциальных уравнений для синхронной машины Парка-Горева:

– угол, характеризующий положение ротора относительно синхронно вращающейся оси (вектора ЭДС Ec электрической системы);

s – скольжение ротора двигателя;

Тj – электромеханическая постоянная времени агрегата (двигатель-механизм);

Ммех, Мэ – момент сопротивления механизма и электромагнитный момент;

Фd, Фq – магнитный поток сцепленный со статорной обмоткой;

Ud, Uq, Id, Iq – напряжение, ток статорной обмотки в продольной и поперечной осях;

Rст – активное сопротивление статорной обмотки;

xd, xq – синхронное индуктивное сопротивление по продольной и поперечной осям;

x’’d, x’’q – сверхпереходное сопротивление по продольной и поперечной осям;

Т’d, Т’’d – переходная и сверхпереходная постоянные времени по продольной оси ротора при короткозамкнутой статорной обмотке;

Т’1q – переходная постоянная времени демпферной обмотки;

Uf – напряжение на обмотке возбуждения.

Синхронная машина имеет систему возбуждения и автоматическое регулирование напряжения, описываемое уравнением:

где TB - постоянная времени системы возбуждения;

E gl ( 0 ) - ЭДС возбуждения в исходном режиме;

I Г, I Г 0 - текущее значение и значение в исходном режиме тока статора;

k I, k if - коэффициенты регулирования;

U f - сигнал на форсировку и расфорсировку;

U pB - входной сигнал на АРВ;

T pB - постоянная времени регулятора возбуждения;

k1 f, k 0u, k1u, k1if, k 0 f - коэффициенты регулирования;

U 0 - уставка АРВ по напряжению.

Результаты расчетов режимов по компонентам 1-4 имитационной модели позволяют получать значения параметров напряжения в узлах нагрузки и режимов работы электроприемников, подключенных к ним и строить распределение зон коротких замыканий в сетях по признаку сохранения работоспособности электроприемников.

В работе выполнено компьютерное моделирование коротких замыканий в электрической сети ОАО «Ростовэнерго» и определена динамическая характеристика нагрузки БКМПО, представляющего собой крупный узел двигательной нагрузки (20 МВт асинхронной нагрузки; 10 МВт статической нагрузки и 33,2 МВт синхронной нагрузки), включающий в себя мощные нагруженные синхронные и асинхронные двигатели, установленные в узлах с номерами 5111, 5112, 5113, 5114, 5115. Расчеты проводились по авторской имитационной модели с применением программного комплекса Мустанг.

Здесь S – скольжение двигателей в узлах с номерами 5110. 5111, 5112, 5113, 5114, 5115;

U5108 – напряжение на шинах 10 кВ узла с номером 5108, производящего питание всех двигателей).

Рисунок 1 – Графики изменения напряжения и скольжения СД БКМПО при КЗ в Расчетные значения напряжения на шинах питания двигателей и их скольжения при моделировании КЗ длительностью 0,9 с показаны на рисунке 1. Результат расчета позволяет сделать вывод: большая часть двигателей сохранила устойчивость, за исключением двигателя, установленного в узле с номером 5110.

В соответствии с компонентой 1 имитационной модели для получения провалов напряжения с различной глубиной посадки напряжения моделировались в электрической сети несколько КЗ, различающихся удаленностью по трассе линии электропередач. Затем для каждой точки КЗ в соответствии с компонентами 2-4 имитационной модели проведено определение динамической устойчивости нагрузки на основе фактора отказа по расчетным значениям параметров режимов. Цель серии расчетов – определение границ зоны устойчивости нагрузки, рисунок 2.

Выявлено, что при глубоком провале напряжения продолжительностью до пяти секунд нарушение динамической устойчивости узла нагрузки БКМПО происходит из-за нарушения устойчивости отдельных СД: СД в узле с номером 5110. При неглубоком провале напряжения продолжительностью более пяти секунд нарушение динамической устойчивости узла нагрузки происходит из-за отключения контакторов, оборудованных замедлителями, используемые на производстве БКМПО.

U_нагрi U_5110i Рисунок 2 – ДХН для разных электроприемников БКМПО В настоящее время известно несколько типов факторов отказа, отличающихся разными математическими представлениями нагрузки и элементов энергосистемы, и, следовательно, разными требованиями к объему исходной информации и точности расчета. Однако, отсутствуют рекомендации по их использованию при расчете динамической устойчивости нагрузки. В связи с этим, в этой части работы на примере полученных ДХН БКМПО проведен сопоставительный анализ существующих методов моделирования влияния факторов на отказ электроснабжения потребителей с установлением точности расчета устойчивости нагрузки и определением области их применения.

В результате анализа методов моделирования влияния факторов на отказ потребителей получены количественные их оценки, сформулирована своя область применения, его преимущества и недостатки, что позволило ранжировать модели по их точности, таблица 1. Считаем, что модель отказа с применением полных дифференциальных уравнений для расчета переходных процессов является точной. Поэтому погрешность остальных моделей рассчитываем относительно указанной.

Таблица 1 – Сопоставительный анализ методов моделирования влияния Метод моделирования влия- Условие нару- Погрешность Недостатки ния фактора шения устойчивости нагрузки Моделирование влияния Относительное Наиболее Требование наличия большого фактора с применением пол- скольжение ро- точный, за- объема исходной информации:

ных дифференциальных торов электро- висит от параметры генераторов энергоуравнений для расчета пере- двигателей правильно- системы, СД, АД потребителей, ходных процессов сти переход- характеристики АРВ СД и генераных процес- торов, характеристики и загрусов женность приводных механизмов Определение допустимого Проверка нера- 30,9 % Неприменим для электродвигазначения провала напряже- венства: тельной нагрузки, должен примения и его продолжительно- Uфtдоп Определение допустимой Проверка нера- 20 – 40 % Применяется в случае отключепродолжительности переры- венства: tф>tдоп ния нагрузки от электрической ключении нагрузки от электрической сети В третьей главе изложены результаты обоснования необходимой сложности математической модели расчета тока КЗ по типу нагрузки потребителей при расчете уровня динамической надежности.

В настоящее время известен детерминированный метод проф. Свешникова В.И. расчета уровня динамической надежности с построением зон электрической сети и расчете по всем фазам остаточного напряжения при КЗ в заданном узле сети.

Использование фазного напряжения не позволяет широко использовать метод, так как накопленная информационная база энергосистем, проектных организаций представлена однолинейной схемой.

Установлено, что для определения динамической надежности узлов электрической сети, имеющих двигательную нагрузку, необходимо исходить из расчета остаточного напряжения прямой последовательности. Это связано с тем, что большинство промышленных нагрузок реагирует на снижение напряжения прямой последовательности. Исключение расчетов по фазам заметно упрощает расчеты и облегчает информационную базу данных для расчетов. Таким образом, сущность метода заключается в определении совокупности узлов, образующих зону недопустимого понижения напряжения вследствие КЗ, и может быть определена с помощью следующих неравенств:

для узлов электрической сети, имеющих двигательную нагрузку где Z lk (i ) – недиагональные элементы матрицы собственных и взаимных сопротивлений нулевой, прямой и обратной последовательности в исходной сети;

I k (i ) д – матрица токов дополнительного источника тока в месте КЗ соответствующей U доп li – минимально допустимое значение понижения напряжения прямой для узлов электрической сети, имеющих статическую и прочую нагрузку (реле, ЭВМ, средства управления и т. д.) U доп l i – минимально допустимое значение понижения фазного напряжения.

Выполнение расчетов с помощью данной математической модели позволяет найти «зону» заданного узла электрической сети при коротких замыканиях в остальных узлах электрической сети.

Частота появления коротких замыканий на ВЛ вычисляется по формуле:

где PT, PД, PД.З., PОф - относительные вероятности КЗ; в зависимости от вида КЗ они распределяются следующим образом; трехфазное КЗ - PТ =0,05, двухфазное PД =0,1, однофазное PОф =0,65, двухфазное на землю PД.З. =0,2; Li T, Li Д, Li Д.З., Li Оф суммарная протяженность ВЛ каждой зоны трехфазного, двухфазного, двухфазного на землю, однофазного КЗ каждого i класса напряжений; i уд - удельное значение повреждений (КЗ) на ВЛ разных i классов напряжений.

Недостатком детерминированного метода является большой объем вычислений. Расчет уровня динамической надежности еще больше усложняется, если подстанция находится на стадии проектирования, так как в этом случае местонахождение ПС в электрической сети, количество и класс напряжения ВЛ имеют несколько вариантов. Несмотря на отсутствие при проектировании точной и полной информации по схеме сети требуется знать уровень динамической надежности для всех вариантов.

В связи с указанным разработан экспресс-метод, который заметно упрощает расчеты динамической надежности по сравнению с детерминированным методом. Это достигается с помощью построения регрессионной модели, связывающей параметры электрической сети с частотой нарушения электроснабжения потребителей. Так как, в частности, расчет проводится для Ростовской энергосистемы, то для упрощения задачи при определении регрессионной модели приняты следующие допущения:

1) ответственные потребители питаются от подстанций 110 кВ, так как статистический анализ показывает, что большинство провалов напряжения происходит при повреждениях в сетях высокого напряжения 110-500 кВ;

2) в качестве повреждений в электрической сети рассматриваем все виды КЗ, происходящих на ВЛ как устраняемые АПВ, так и не устраняемые АПВ;

3) нарушение электроснабжения у ответственного потребителя происходит при понижении напряжения прямой последовательности менее 0,7 Uном.

При выборе оптимальной формы уравнения регрессии использовался метод исключения переменных. Для исходной регрессионной модели, в которую входят 14 эффектов, вычисляются показатели качества математической модели: tкритерий Стьюдента для каждого эффекта, множественный коэффициент корреляции R, F – критерий Фишера F, остаточная дисперсия Sост, коэффициент вариации. Эти показатели качества уравнения приведены в таблице 2, 3.

Наименьшее значение t-критерия Стьюдента соответствует наименьшей значимости этого эффекта. Исключив этот незначительный эффект получим новое уравнение регрессии, соответствующее следующей строке таблицы 2.

На рисунке 3 показано графическое изменение показателей качества уравнения регрессии от числа рассматриваемых факторов.

При выборе оптимальной регрессионной модели возникают сложности с тем, что показатели качества предсказания уравнения регрессии имеют различные значения: F-критерий Фишера для всех типов уравнений больше Fтабл; наименьший t-критерий Стьюдента коэффициентов регрессии имеет переменный характер (при его рассмотрении возможно определить три оптимальных уравнения регрессии с разным числом входящих эффектов и погрешностью); остаточная дисперсия имеет монотонный характер.

Таблица 2 – Результаты расчетов t - критерия Стьюдента для каждого типа уравнения с применением метода исключения переменных № уравнеПоказатели качества уравнения регрессии Поэтому вычисленные показатели качества уравнения регрессии не позволяют отыскать оптимальную модель, а позволяют выбрать лишь подходящую, задавшись допустимой погрешностью расчета. При усложнении структуры модели остаточная дисперсия постоянно уменьшается. В результате получается, что более сложная форма регрессионной модели является всегда более точной.

Поэтому для выбора оптимальной сложности модели лучше применять активный эксперимент с применением метода самоорганизации.

В работе выполнены расчеты оптимальной регрессионной модели с применением метода самоорганизации. В качестве внешнего критерия используется критерий минимума смещения.

На рисунке 4 графически отображено изменение критерия минимума смещения и остаточной суммы квадратов от выбранной модели уравнения.

Fкр S2ост Рисунок 4 – Зависимость изменения критерия минимума смещения kсм и остаточной суммы квадратов Sост от выбранной модели уравнения В результате анализа регрессионных моделей, полученных при использовании различных методов построения эмпирических зависимостей (простейший регрессионный анализ, регрессионный анализ с применением формальных методов, метод самоорганизации), получена оптимальная структура модели. Сопоставительный анализ детерминированного и экспресс-методов расчета динамической надежности приведен в таблице 4.

Детерминированный метод 0%, так как с по- 0%, так как с ской сети лась генеральная числялась экзанедопустимому понижению ние отсеивающего эксперимента. Регрессионный анализ с применением метода самоорганизации римента. Регрессионный мощью метода наименьших квадратов Расчетами подтверждено, что оптимальная структура уравнения регрессии достигается с применением метода самоорганизации и имеет следующий вид:

где x1 - длина ВЛ от исследуемой ПС 110 кВ до близлежащей ПС 220кВ, км;

x2 - количество цепей ВЛ 110 кВ, соединяющих ПС 110 кВ со всеми ПС 220 кВ;

x3 - длина ВЛ 220 кВ, соединяющих подстанции 220 кВ с мощным генераторным узлом x4 - количество всех присоединений ВЛ 110 кВ от всех ПС 220кВ, с которыми связана x5 - мощность генераторного узла, МВт;

x6 - среднее сечение провода ВЛ от исследуемой подстанции 110 кВ до ближайшей подстанции 220 кВ, мм2;

x7 - количество всех присоединений ВЛ 110 кВ с ближайшей подстанции 220 кВ.

Полученная формула позволяет в течение нескольких минут с погрешностью 8,43 % определить частоту нарушения электроснабжения потребителей при кратковременных понижениях напряжения в узлах электрической сети 110 – 500кВ энергосистемы по ее физическим параметрам. Разработанный экспрессметод является качественным и может применяться проектными организациями для оценки динамической надежности различных вариантов электроснабжения потребителей.

В четвертой главе указываются достоинства и недостатки существующих методов и средств обеспечения динамической надежности и предлагается способ повышения динамической надежности.

Классификация методов и средств обеспечения динамической надежности, используемые устройства и места размещения данных устройств в электрической сети указаны в таблице 5.

Таблица 5 – Методы и устройства обеспечения динамической надежности Методы обеспечения дин. Устройства обеспечения динамич-й Места размещения в электриустойчивости нагрузки устойчивости нагрузки ческой сети вия устройств РЗ и ком- быстродействующие выключатели и зоне, в пределах которой КЗ Использование устройств применением накопитебатарей;

лей энергии УГЭ на основе статических источни- Устанавливаются непосредстИспользование УГЭ на В тяжелых динамических режимах, вызванных КЗ в электрической сети, надежность электроснабжения может быть обеспечена устройствами гарантированного электроснабжения (УГЭ). УГЭ имеют свои достоинства и недостатки и не решает полностью проблему питания в динамических режимах.

УГЭ, основанные на воздухоаккумулирующих и газотурбинных установках, тепловых накопителях энергии, ГАЭС носят инерционный характер. Эти устройства не способны увеличить свою мощность за десятые доли секунды в силу своих инерционных процессов. Использование в качестве источника энергии мощных аккумуляторных батарей и маховиков затруднительно, так как при мощности в десятки мегаватт использование аккумуляторной батареи невозможно, а синхронизация резервного источника в виде синхронной машины с маховиком с сетью затруднительна из-за погрешности в работе синхронизатора. УГЭ, базирующиеся на емкостном накопителе, маховиках и аккумуляторных батареях, практически не используются в энергосистемах для резервирования крупных потребителей.

Мощность дизель-генераторной установки недостаточна и имеет довольно значительный инерционный момент. Техническая реализация сверхпроводниковых индуктивных накопителей для практического применения в настоящий момент затруднена. Большинство УГЭ на основе глубокого регулирования напряжения имеют большое количество выключателей. Многократные переключения, производимые при осуществлении регулирования напряжения, приводят к снижению надежности схемы. Кроме того, по принципу своей работы во время короткого замыкания в электрической сети они не производят механического отделения от электрической сети. Таким образом, такие устройства одновременно повышают напряжение у потребителя и также подпитывают, увеличивают ток короткого замыкания в электрической сети. Это действие является недопустимым, так как приводит к дополнительному перегрузу силового и коммутационного оборудования во время короткого замыкания.

В связи с указанными недостатками возникает актуальность в разработке новых средств повышения уровня динамической надежности. Поэтому предлагается устройство электроснабжения, повышающее уровень динамической надежности в электрической сети, являющееся УГЭ на базе авторской схемы регулирования напряжения. Преимуществом данного устройства электроснабжения является повышение сниженного напряжения у потребителя до допустимых пределов, при этом токи КЗ в электрической сети не увеличиваются.

В качестве токоограничивающих устройств предлагается использовать сверхпроводящие ограничители тока, которые имеют неоспоримые преимущества над управляемыми токоограничивающими реакторами: время перехода переключающего элемента из сверхпроводящего состояния в нормальное составляет 10-5…10-4 с., что позволяет использовать сверхпроводящие ограничители тока для ограничения как ударных, так и установившихся значений токов КЗ.

1. Анализ статистики появления провалов напряжения в электрических сетях, результатов их воздействия на узлы электрических нагрузок позволяет сделать вывод, что основной причиной появления провалов напряжения в электрической сети являются повреждения ВЛ электропередач высокого напряжения 110-220 кВ с однофазными, двухфазными, двухфазными на землю и трехфазными КЗ.

2. Предложена имитационная модель для определения границы между зоной работоспособности и зоной отказов электроприемников, которая позволяет получить значения параметров напряжения в узлах нагрузки, определить режимы работы электроприемников, подключенных к ним, и построить распределение зон коротких замыканий в сетях по признаку сохранения работоспособности электроприемников.

3. Выполнен анализ применимости различных расчетных методов для моделирования факторов отказа потребителей электроэнергии, получены количественные оценки их погрешности при расчете уровня динамической надежности, что позволило ранжировать расчетные методы по их точности. Кроме того, для каждого метода для моделирования фактора отказа потребителей электроэнергии определена область применения, достоинства и недостатки применительно к типу нагрузки и показателям качества электроэнергии.

4. Разработаны рекомендации по выбору математической модели расчета тока КЗ при определении динамической надежности в зависимости от типа нагрузки и показателей качества электроэнергии. Это позволяет при расчетах динамической надежности двигательной нагрузки в условиях эксплуатации сократить время расчетов.

5. Предложен экспресс-метод оценки динамической надежности, позволяющий рассчитывать и анализировать показатели динамической надежности по параметрам электрической сети. Экспресс-метод получен по результатам сопоставительного анализа различных регрессионных моделей, полученных при использовании простейшего регрессионного анализа, регрессионного анализа с применением формальных методов, метода самоорганизации. Разработанный экспресс-метод заметно упрощает расчеты динамической надежности по сравнению с детерминированным методом.

6. Выполнен анализ существующих средств повышения уровня динамической надежности и предложено устройство повышения уровня динамической надежности в системе электроснабжения, отличающееся использованием авторского схемотехнического решения, обеспечивающего регулирование напряжения с использованием результатов измерения параметров, отражающих показатели качества электроэнергии.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Копылов В.В. Кратковременные аварийные режимы электрических сетей и их влияние на экономические показатели промышленных предприятий// Материалы конференции «Кибернетика электрических систем» 20 сессии всероссийского семинара «Диагностика энергооборудования», Новочеркасск, 20- сентября 1998 г. – Изв. вузов. Электромеханика. – 1999. – №1. – С. 118.

2. Кушнарев Ф.А., Свешников В.И., Копылов В.В. Инженерный метод расчета показателей динамической надежности узлов электрической сети электроэнергетических систем//Изв. вузов. Электромеханика. – 1999. – №4. – С. 97Кушнарев Ф.А., Свешников В.И., Копылов В.В. Выбор оптимальной сложности модели для анализа динамической надежности узлов электрической сети энергосистем с помощью метода самоорганизации//Российский национальный симпозиум по энергетике МВИНБСЭ, Казань. – 2001г. – С.152.

4. Патент РФ на изобретение № 2180982 RU МКИ7 H 02 H 9/2. Устройство электроснабжения / Свешников В. И., Кушнарев Ф. А., Копылов В. В. Опубл.

27.03.2002г., Бюл. изобретений, 2002, №9.

5. Свешников В. И., Копылов В. В. Модели провалов напряжения и критерии отказа при расчетах динамической надежности// Изв. вузов. Электромеханика. – 2002. – №6. – С.56-57.

6. Кушнарев Ф. А., Копылов В. В., Свешников В. И. Критерии динамической надежности узла электрической сети. Туапсе: МВИНБСЭ. 2002.

7. Копылов В. В., Кушнарев Ф. А., Свешников В. И. Методы и устройства обеспечения надежности электроснабжения потребителей в динамических режимах// Изв. вузов. Электромеханика. – 2003. – №3. – С.39-43.

8. Копылов В. В. Динамическая надежность в узлах нагрузки при кратковременных снижениях напряжения// Материалы конференции «Кибернетика электрических систем» 26 сессии всероссийского семинара «Диагностика энергооборудования», Новочеркасск, 21-24 сентября 2004г. – Изв. вузов. Электромеханика. – 2004.