ПРЕСС-ЦЕНТР

Мониторинг устойчивости энергосистем с применением СМПР: международный опыт

Релейщик, № 3/Декабрь 2013

Уилсон Д., вице-президент и технический директор компании Psymetrix (в составе Alstom), Великобритания

Баглейбтер О., руководитель программы R&D компании Alstom, Великобритания

Небера А. А., технический директор по электроэнергетике компании «РТСофт», Россия

Системы мониторинга переходных режимов (СМПР), основанные на использовании синхронизированных векторных измерений, позволяют энергокомпаниям проводить прямое наблюдение динамических характеристик энергосистем. В настоящей статье представлены практические прикладные области, иллюстрируемые примерами применения в энергосистемах различных стран и обеспечивающие решение следующих проблем управления устойчивостью:

  • демпфирование низкочастотных колебаний;
  • сложные виды возмущений и каскадные отключения;
  • деление энергосистем на несинхронно работающие части;
  • ввод в действие и настройка системных стабилизаторов;
  • выявление источников низкочастотных колебаний.

В статье также рассматриваются вопросы интеграции СМПР в комплекс SCADA/EMS применительно к задачам управления устойчивостью энергосистем.

МОНИТОРИНГ УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ СМПР

Демпфирование межсистемных колебаний

Неустойчивые межсистемные колебания могут стать причиной возникновения серьезных нарушений в энергосистеме или повреждений оборудования, и крайне важно, чтобы риск возникновения неустойчивости находился под контролем. При необходимости введения ограничений на передачу электроэнергии для обеспечения запаса устойчивости, данный запас, как правило, выбирается из очень консервативных соображений, обусловленных неопределенностями при моделировании режимов. Непрерывный мониторинг частоты, амплитуды и коэффициента затухания низкочастотных колебаний в энергосистеме в режиме реального времени используется в Великобритании с 1995 года. Первоначально мониторинг был введен для подтверждения возможности повышения передаваемой мощности между Шотландией и Англией на 300 МВт [1, 2].

Аналогичный подход был использован в Австралии, где мониторинг динамических характеристик в режиме реального времени входил в состав необходимых мероприятий по вводу в эксплуатацию межсистемной связи между ранее независимыми энергосистемами в Квинсленде и штатах на юге и юго-востоке. С момента первоначальной установки система непрерывного мониторинга динамических характеристик была расширена и на данный момент охватывает три граничных сечения, где ограничения по условиям динамической устойчивости ослабляются, когда показатели демпфирования низкочастотных колебаний находятся в норме [3].

В Австралии был зафиксирован ряд нарушений устойчивости, связанных с неисправностями оборудования автоматического регулирования, которые были выявлены системой мониторинга устойчивости реального времени с принятием последующих оперативных мер, предотвративших прогрессирующее развитие нарушений.

Возможность мониторинга динамических характеристик широко применяется при вводе в эксплуатацию и настройке автоматических регуляторов, таких как системные стабилизаторы (PSS), и устройств демпфирования низкочастотных колебаний на основе статических компенсаторов (SVC-POD). СМПР с функциями анализа низкочастотных колебаний может применяться для наблюдения за процессом тестирования замкнутого цикла управления и обеспечивает неинвазивную оценку эффективности демпфирования для всех доминирующих колебательных мод, возникающих на протяжении недель или месяцев. Этот подход был успешно использован для настройки системных стабилизаторов на электростанциях в Канаде, Исландии и Австралии.

Рис. 1. Схема межсистемных колебаний Австралии с учетом применения СМПР

Рис. 1. Схема межсистемных колебаний Австралии с учетом применения СМПР

Следует отметить, что существует несколько типов низкочастотных колебаний, которые фиксируются СМПР. Помимо электромеханических колебаний во многих странах мира наблюдаются существенные низкочастотные моды колебаний, вызванные работой регуляторов турбин и оказывающих влияние на динамическую устойчивость энергосистем. Накоплен успешный опыт применения СМПР для определения соответствующих вкладов разных регуляторов и их настройки для улучшения динамических характеристик энергосистем [4].

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТОЧНИКОВ НИЗКОЧАСТОТНЫХ КОЛЕБАНИЙ

Важно определить источники вкладов в низкочастотные колебания, особенно в тех случаях, когда происходит ухудшение демпфирования по некоторой моде колебаний. Источники колебаний далеко не всегда очевидны, так как наибольшие вклады не всегда совпадают с наибольшими колебаниями. Выявление источника колебаний в реальном времени приносит дополнительные преимущества, так как перераспределение загрузки генераторов может быть использовано для улучшения характеристик демпфирования при условии, что диспетчер располагает необходимой информацией для принятия такого решения. В долгосрочной перспективе такие методы анализа могут применяться для определения мест наиболее эффективной настройки регуляторов.

Существует два дополнительных подхода к определению места расположения источников колебаний, разработанных и используемых компанией Psymetrix. Первый основан на фазовых соотношениях между различными модами низкочастотных колебаний и может применяться для определения контролируемых ПС, которые находятся ближе всех к источникам наибольших вкладов в низкочастотные колебания. Этот подход использует только векторы напряжения и не требует высокой частоты выборок измерений. Второй подход основан на одновременном использовании данных систем SCADA и СМПР для определения чувствительности моды к изменению активной мощности генератора и линии связи. Этот подход представляет многовариантную чувствительность в виде дерева решений, формирующего основу для выбора оперативных действий, предпринимаемых диспетчером в ответ на предупреждение о появлении определенной моды колебаний.

Эти новые технологии выявления источников колебаний были использованы при проведении исследований в Колумбии, Австралии, Канаде и Исландии, а также включены в программные инструменты для оперативного применения.

Сложные возмущения, каскадные аварии и выделение участков энергосистем на изолированную работу

Масштабные повреждения и системное выделение происходят время от времени во всех энергосистемах. Системные операторы обычно устанавливают в данном случае процедуру запуска от внешнего источника и восстановления после серьезных нарушений. Тем не менее масштабные колебания разнообразны и сложны, часто сопровождаются многими событиями, которые происходят практически одновременно. Это важно для операторов и инженеров, чтобы отслеживать данные на высоком уровне, которые фиксируют общее состояние и динамические действия энергосистемы. Получение еще большей информации о состоянии системы, которая охватывает глобальные процессы, может существенно улучшить способность быстрого выделения и восстановления безопасной работы.

Приложения Psymetrix обеспечивают очень точную визуализацию системного выделения. Разность частот по всей системе обозначается множеством цветов, и векторы напряжения показывают географическое выделение. Ключевые диаграммы доступны для системного выделения в плане стабилизации и ресинхронизации. В фазе восстановления оператор может подтвердить, что системное выделение является стабильным до процесса ресинхронизации, и если данный процесс произошел с отрицательным результатом, то причину сразу можно выявить. Диспетчер может интерпретировать ключевые особенности событий системного выделения в течение нескольких секунд и восстановить систему в более сжатые сроки по сравнению с решениями EMS. На рис. 2 приводится диспетчерский центр, где значительное место отводится для области системного выделения на диспетчерском щите, наравне со схемой энергосистемы и сводными формами управления генерации.

Рис. 2. Применение СМПР в диспетчерском центре в Исландии. На рисунке показан пример системного выделения

Рис. 2. Применение СМПР в диспетчерском центре в Исландии. На рисунке показан пример системного выделения

СМПР позволяет получить важную информацию в отношении управления аварийными событиями, которые не приводят к системному выделению. Можно определить, какие измеренные точки являются наиболее близкими к месту возникновения нарушений, так как исходный угол аварийного события является наиболее близким к триггерному событию. Происходит активизация точек, указанных на дисплеях, и событие классифицируется в зависимости от угла нарушения/искажения (устранение нарушений или отключение ЛЭП) или частоты нарушения/искажения (генерация или отключение нагрузки). Там, где есть последовательность событий, порядок и место расположение триггеров показаны в географическом отношении. Данный высокий уровень отслеживания аварийных событий позволяет диспетчерам быстро определить ключевые особенности сложного вида аварии, а также установить ответное действие, основываясь на наблюдаемом воздействии и географических характеристиках.

Послеаварийный анализ событий, полная архивация данных объединены с теми же аналитическими функциями и графическим представлением так же, как и в режиме реального времени. Таким образом, существует обширная область для интерпретации. Простой доступ к синхронизированным территориально распределенным динамическим характеристикам, с гибкими графиками, означает, что интерпретация и представление событий являются более подробными и точными, а также производятся гораздо быстрее, чем в прошлом. На рис. 3 показан график с учетом трех аварийных событий в Южной Америке, 3-системное выделение и асинхронный режим с точным определением последовательности событий.

Рис. 3. Пример послеаварийного анализа на основе частоты и угла

Рис. 3. Пример послеаварийного анализа на основе частоты и угла

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Международный опыт внедрения WAMS выявил ряд ключевых областей, в которых происходят заметные изменения в принятой практике оперативного управления и анализа. За счет применения более совершенных функций анализа и визуализации возможно определение:

  • фактов выделения частей энергосистемы, их границ и текущей устойчивости;
  • места возникновения и характеристик аварийного события;
  • фактов возникновения низкочастотных колебаний, типа и формы моды колебаний;
  • источников низкочастотных колебаний.

В настоящее время уже накоплен определенный опыт принятия решений по оперативному управлению с использованием средств отображения и аварийных сигналов, формируемых WAMS, особенно в случаях значительных динамических возмущений. Возможность контроля поведения энергосистемы в целом позволяет обеспечить уровень наблюдаемости и оперативную реакцию на динамические явления, которые не были достижимы в традиционных системах EMS. Кроме того, наличие высокоточных синхронизированных данных для послеаварийного анализа событий и испытаний систем управления значительно повышает возможности и сокращает время анализа в случае сложных событий.

ЛИТЕРАТУРА

1. Carter A. M, et. al. “The Application of Wide Area Monitoring to the GB Transmission System to Facilitate Large-scale Integration of Renewable Generation”, Cigre C2-112, Paris 2010.
2. IEEE Task Force Report TP462 “Identification of Electromechanical Modes in Power Systems”, June 2012.
3. Wilson D. H. et. al. “Discrete Control for Transient Stability and Oscillations: Applications and Case Studies”, IEEE PES General Meeting, Vancouver, July’13 (pending).
4. Arango O. J. et. al. “Low Frequency Oscillations in the Colombian Power System – Identification and Remedial Actions”, Cigre C2-105, Paris 2010.