Методи та засоби підвищення ефективності функціонування системи автоматичного регулювання частоти та потужності ОЕС України

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.14.02 - “Електричні станції, мережі і системи”

Методи та засоби підвищення ефективності функціонування системи автоматичного регулювання частоти та потужності ОЕС України

Стелюк Антон Олегович

Київ - 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі автоматизації енергосистем Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Яндульський Олександр Станіславович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, м. Київ, декан факультету електроенерготехніки та автоматики, завідувач кафедри автоматизації енергосистем.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лежнюк Петро Дем`янович, Вінницький національний технічний університет МОН України, м. Вінниця, завідувач кафедри електричних станцій та систем;

кандидат технічних наук Павловський Всеволод Віталійович, Інститут електродинаміки НАН України, м. Київ, старший науковий співробітник відділу автоматизації електричних систем.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради В.О. Шостак

Анотація

Стелюк А.О. Методи та засоби підвищення ефективності функціонування системи автоматичного регулювання частоти та потужності ОЕС України. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.02 - електричні станції, мережі та системи. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена розробці методів та засобів, направлених на підвищення ефективності функціонування системи автоматичного регулювання частоти та потужності (САРЧП) ОЕС України. Розроблено математичну модель ОЕС України - ЄЕС Росії, в якій враховано алгоритми роботи групових регуляторів активної потужності (ГРАП) на регулюючих ГЕС ОЕС України. Застосування моделі дозволяє оцінити вплив зміни режимів роботи САРЧП та станційних ГРАП на якість регулювання частоти та потужності.

Розроблено метод визначення змінного коефіцієнта корекції перетока за частотою в режимі реального часу, використання якого дозволяє забезпечити відстроювання САРЧП від зовнішніх збурень в процесі вторинного регулювання частоти.

Розроблено модель системи АРЧП на основі нечіткої логіки, в якій величина керуючої дії визначається пропорційною та інтегральною складовою системного параметру. Показано, що застосування нечіткої САРЧП приводить до зменшення динамічного відхилення та часу перехідного процесу зміни перетока активної потужності.

Запропоновано рекомендації з вибору режимів роботи системи АРЧП, які базуються на результатах теоретичних досліджень при можливій паралельній роботі ОЕС України - ЄЕС Росії з енергооб`єднанням Західної Європи, які дозволять підвищити ефективність регулювання частоти та потужності в енергооб'єднанні.

Ключові слова: енергетичне об'єднання, система автоматичного регулювання частоти та потужності, переток активної потужності, вторинне регулювання частоти.

Annotation

Stelyuk A.O. The methods and means of the improvement of AGC-system operation of UPS. - Manuscript.

The thesis for the candidate of engineering on speciality 05.14.02 - power plants, networks and systems. The national technical university of Ukraine “Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2007.

The thesis deals with the methods and means development to improve the operation effectiveness of automatic generation control (AGC) system of the Ukrainian power system (UPS).

The mathematical model of interconnected Ukrainian and Russian power grids is worked out in which the operation algorithms of the group active power regulators (GAPR) of the Ukrainian hydropower plants are taken into consideration. The usage of proposed model allows to estimate changes in operation conditions of the AGC-system and station GAPR.

The identification method of the variable power flow coefficient with the frequency adjustment in the real-time mode is proposed. The usage of proposed method allows to provide the invariance of the AGC-system from the external disturbances during the secondary frequency regulation.

The fuzzy AGC-system is worked out in which a control signal depends on proportional and integral values of the system parameter. The proposed model usage decreases the dynamic error and transient time of the power flow change.

The recommendations of the AGC-system operation condition choosing is proposed in the possible event when the Ukrainian and Russian power grids are interconnected with the power grids of Western Europe. The proposed recommendations allow to improve the regulation effectiveness in the unified power grid.

Key words: power system, AGC-system, power flow, secondary frequency regulation.

Аннотация

Стелюк А.О. Методы и средства повышения эффективности функционирования системы автоматического регулирования частоты и мощности ОЕС Украины. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.02 - электрические станции, сети и системы. Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2007.

Диссертационная работа посвящена разработке методов и средств, направленных на повышение эффективности функционирования системы автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ) ОЭС Украины. Решение данной задачи обусловлено следующими проблемами. Во-первых, изменения в структуре генерирующих мощностей, обусловленные вводом в эксплуатацию двух энергоблоков на Хмельницкой и Ровенской АЭС, привели к значительному увеличению доли атомных электростанций в покрытии суммарного графика нагрузки в ОЭС Украины, и как следствие, к увеличению перетоков активной мощности и необходимости эксплуатации линий электропередач на пределах их пропускной способности. Во-вторых, возможная работа ОЭС Украины с энергообъединением UCTE повышает требования к качеству регулирования частоты и мощности системой АРЧМ в соответствии с требованиями ко вторичному регулированию частоты, действующими в UCTE. Одним из требований является отстройка системы АРЧМ от внешних возмущений. Отстройка системного регулятора, как правило, обеспечивается в случае возникновения скачкообразного возмущения. В то же время исследования качества регулирования частоты и мощности при возникновении внешних непрерывных возмущений практически отсутствуют. В-третьих, внедрение новой системы АРЧМ и новых групповых регуляторов активной мощности (ГРАМ) с новыми алгоритмами их работы на регулирующих ГЭС ОЭС Украины открыло новые возможности по регулированию частоты, но в настоящее время функционирование системы АРЧМ является недостаточно эффективным.

Разработана математическая модель ОЭС Украины при параллельной работе с ЕЭС России, в которой учтены алгоритмы работы станционных ГРАМ на регулирующих ГЕС ОЕС Украины. Использование модели позволяет оценить влияние изменения режимов работы системы АРЧМ ОЭС Украины и станционных ГРАМ на качество регулирования частоты и мощности в энергообъединении.

Разработан метод определения переменного коэффициента коррекции перетока по частоте (ККПЧ) в режиме реального времени при возникновении внешних возмущений. В предложенном методе используются текущие значения отклонений частоты и перетока мощности, что позволяет уменьшить время вычисления ККПЧ, а, следовательно, обеспечить более точную отстройку системы АРЧМ от внешних возмущений. Установлено, что использование в типовом пропорционально-интегральном (ПИ) законе регулирования переменного ККПЧ в случае возникновения внешнего небаланса мощности, численно равного потери мощности наибольшего энергоблока, динамическое отклонение перетока мощности по линии связи уменьшается в 1,67 рази, а время переходного процесса - на 200 секунд; в случае возникновения непрерывного возмущения, динамическое отклонение перетока активной мощности уменьшается в 2,5 раза и изменяется в пределах зоны нечувствительности АРЧМ.

Разработана модель системы АРЧМ на основе нечеткой логики, в которой величина управляющего воздействия определяется пропорциональной и интегральной составляющей системного параметра. Установлено, что использование системы АРЧМ на основе нечеткой логики по сравнению с системой АРЧМ с типовым ПИ-регулятором при возникновении небаланса активной мощности в ОЭС Украины, численно равному максимальному резерву вторичного регулирования частоты и активной мощности в ОЭС Украины, приводит к уменьшению динамического отклонения в 1,1 раза, отсутствию перерегулирования и к уменьшению времени изменения перетока мощности по линии связи на 80 секунд.

Выполнено моделирование возможной параллельной работы ОЕС Украины - ЕЭС России с энергообъединением UCTE с учетом алгоритмов работы системы АРЧМ и станционных ГРАМ на регулирующих ГЕС ОЕС Украины. Выполнено исследование синхронной работы энергообъединения при работе системы АРЧМ ЕЭС России в режимах АРЧ и АРПЧ. Установлено, что работа системы АРЧМ в режиме АРПЧ приводит к уменьшению перерегулирования, времени переходных процессов, величин динамической и статической ошибок изменения перетоков мощности на сечениях ОЕС Украины с ЕЭС России и UCTE. В частности, при возникновении в энергообъединении UCTE небаланса активной мощности 1300 МВт, время переходного процесса изменения перетоков мощности уменьшается: на сечении ЕЭС России - ОЭС Украины - с 1200 до 800 секунд; ОЭС Украины - UCTE - с 1100 до 800 секунд. На основании полученных результатов теоретических исследований с целью повышения качества регулирования частоты и перетоков активной мощности, рекомендуется работа систем АРЧМ трех энергообъединений в режиме АРПЧ.

Основные научные результаты работы использованы при исследовании работы существующей системы АРЧМ SCADA/AGC ОЭС Украины, а также в учебном процессе Национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”.

Ключевые слова: энергетическая система, система автоматического регулирования частоты и мощности, переток активной мощности, вторичное регулирование частоты.

1. Загальна характеристика роботи

потужність електроенергетичний частота

Актуальність теми. Зміни в структурі генеруючих потужностей в об'єднаній енергосистемі (ОЕС) України, які обумовлені введенням в експлуатацію двох енергоблоків на Хмельницькій та Рівненській атомних електростанціях (АЕС), викликали значне підвищення участі АЕС в покритті сумарного графіка навантаження ОЕС України. Додаткове збільшення встановлених потужностей АЕС, які перевищують пропускну спроможність ліній електропередачі (ЛЕП), унеможливило видачу всієї потужності генерації станцій до енергосистеми. Це зумовило підвищення рівнів перетоків активної потужності і, як наслідок, привело до необхідності експлуатації ЛЕП на межах їх пропускної спроможності, що, в свою чергу, висуває нові вимоги щодо якості регулювання частоти та активної потужності до системи автоматичного регулювання частоти та потужності (АРЧП) ОЕС України.

Запланована паралельна робота ОЕС України з електроенергетичним об`єднанням (ЕЕО) Західної Європи (UCTE) також посилює вимоги до якості регулювання частоти та потужності системою АРЧП у відповідності з вимогами до вторинного регулювання частоти, які діють в ЕЕО UCTE. Однією з цих вимог є забезпечення відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень. Відстроювання системного регулятора, як правило, забезпечується для випадку виникнення зовнішнього стрибкоподібного збурення. В той же час дослідження якості регулювання частоти та потужності при виникненні зовнішніх неперервних знакозмінних збурень практично відсутні.

Впровадження нової системи автоматичного регулювання частоти та потужності і нових групових регуляторів активної потужності (ГРАП) на регулюючих гідравлічних електростанціях в ОЕС України відкрило нові можливості з регулювання частоти та перетоків активної потужності, але в теперішній час функціонування системи АРЧП ОЕС України є недостатньо ефективним.

Значний вклад в розвиток теорії управління енергосистем внесли колективи Інституту електродинаміки НАН України, Вінницького національного технічного університету, Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”, Національного університету “Львівська політехніка”, Донецького державного технічного університету, Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”, Державного підприємства (ДП) Національної енергетичної компанії (НЕК) “Укренерго” та колективи закордонних установ, серед яких Всеросійський науково-дослідний інститут електроенергетики, Сибірський науково-дослідний інститут енергетики та Санкт-Петербурзький державний політехнічний університет. На даний момент роботи з підвищення ефективності функціонування та впровадження системної та станційних частин систем АРПЧ проводяться ДП НЕК "Укренерго" та ВАТ “Укргідроенерго”. Проте комплексний характер проблеми підвищення якості регулювання частоти та перетоків активної потужності і особливості існуючого стану електроенергетичної системи України та систем АРЧП зокрема, потребують подальшу розробку методів та засобів підвищення ефективності функціонування системи АРЧП ОЕС України.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за пріоритетним напрямком розвитку науки і техніки України в рамках науково-дослідної роботи: “Дослідження автоматичного регулювання частоти та потужності при паралельній роботі енергооб`єднань України та Західної Європи” (№ державної реєстрації 0106U002313) та при дослідженні роботи існуючої системи АРЧП SCADA/AGC ОЕС України (договір № 11/2005 від 3 жовтня 2005 року).

У виконанні цих робіт здобувач брав безпосередньо участь як відповідальний виконавець, так і співавтор.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості регулювання частоти та активної потужності шляхом розробки методів та засобів управління режимом електроенергетичної системи, направлених на вдосконалення роботи системи автоматичного регулювання частоти та потужності ОЕС України.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

Провести аналіз особливостей побудови різних систем АРЧП, в тому числі системи АРЧП ОЕС України, і розробити математичну модель електроенергетичного об'єднання ОЕС України - ЄЕС Росії, в якій враховано алгоритми роботи групових регуляторів активної потужності на регулюючих ГЕС ОЕС України та характеристики систем передачі даних.

Дослідити процеси регулювання частоти та перетоків активної потужності системою АРЧП ОЕС України з пропорційно-інтегральним регулятором при виникненні малих збурень та визначити граничні параметри системи АРЧП за умов забезпечення заданого ступеня стійкості системи та заданого ступеня коливальності перехідного процесу.

Розробити модель адаптивної системи АРЧП на основі нечіткої логіки, яка дозволить підвищити якість регулювання частоти та активної потужності, а також провести дослідження роботи систем АРЧП з нечітким та пропорційно-інтегральним регулятором.

Провести аналіз впливу безперервних та знакозмінних зовнішніх збурень на величину коефіцієнта корекції перетока за частотою (ККПЧ) та розробити метод визначення змінного ККПЧ в режимі реального часу.

Розробити рекомендації щодо вибору режиму роботи системи АРЧП, які направлені на підвищення якості регулювання частоти та перетоків активної потужності у випадку можливої паралельної роботи ОЕС України - ЄЕС Росії з електроенергетичним об'єднанням UCTE.

Об'єктом дослідження є процеси зміни частоти та перетоків активної потужності при виникненні збурень в енергосистемі.

Предметом дослідження є система автоматичного регулювання частоти та потужності ОЕС України.

Методи дослідження. Для розв'язання окреслених в дисертації задач використано методи математичного моделювання та ідентифікації систем, теорія автоматичного регулювання, операторний метод, теорія нечіткої логіки.

Моделювання роботи електроенергетичного об'єднання, ідентифікація передаточної функції ОЕС України, визначення граничних параметрів системи АРЧП проводилося з використанням пакетів програм MatLab 7.1, MathCad 2001 та Maple 9.5.

Наукова новизна одержаних результатів:

Розроблено математичну модель електроенергетичного об'єднання ОЕС України - ЄЕС Росії, в якій, на відміну від існуючих моделей, враховано алгоритми роботи групових регуляторів активної потужності на регулюючих ГЕС ОЕС України та властивості систем передачі даних. Використання моделі дозволяє оцінити вплив зміни режимів роботи системи АРЧП та станційних групових регуляторів активної потужності на якість регулювання частоти та перетоків активної потужності в електроенергетичному об'єднанні ОЕС України - ЄЕС Росії.

Запропоновано метод визначення змінного коефіцієнта корекції перетока за частотою при виникненні зовнішніх збурень в режимі реального часу, використання якого дозволяє забезпечити відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень і, як наслідок, підвищити ефективність регулювання частоти та перетоків активної потужності системою АРЧП.

Розроблено модель системи АРПЧ з нечіткою логікою, в якій величина керуючої дії визначається пропорційною та інтегральною складовою системного параметру. Застосування нечіткого регулятора зменшує динамічну помилку та час перехідного процесу зміни перетоків активної потужності міжсистемними лініями зв'язку ОЕС України - ЄЕС Росії.

Запропоновано рекомендації щодо вибору режиму роботи системи АРЧП, які базуються на результатах теоретичних досліджень при можливій паралельній роботі ОЕС України - ЄЕС Росії з електроенергетичним об'єднанням Західної Європи, що дозволить підвищити ефективність регулювання частоти та перетоків активної потужності в електроенергетичному об'єднанні.

Практичне значення отриманих результатів:

застосування математичної моделі ОЕС України в режимі її паралельної роботи з ЄЕС Росії дозволило дослідити якість регулювання частоти та активної потужності в різних режимах роботах ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії і, як наслідок, підвищити ефективність функціонування існуючої системи АРЧП ОЕС України. Розроблена математична модель була використана в роботах по дослідженню існуючої системи АРЧП SCADA/AGC ОЕС України, які проводились спільно з ДП НЕК “Укренерго” та ЗАТ “АК ЕНПАСЕЛЕКТРО”. З метою покращення якості регулювання частоти та активної потужності існуючою системою АРЧП запропоновані рекомендації по налаштуванню параметрів системного та станційних регуляторів;

розроблений метод визначення змінного коефіцієнту корекції перетока за частотою в режимі реального часу дозволяє забезпечити відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень у відповідності з вимогами, які діють в ЕЕО UCTE;

розроблена математична модель ОЕС України в режимі її паралельної роботи з ЕЕО ЄЕС Росії та UCTE. Модель дозволяє визначити необхідні величини коефіцієнтів підсилення каналів регуляторів, які забезпечать зменшення динамічної помилки, перерегулювання та зменшення часу перехідного процесу зміни перетоків активної потужності на лініях зв'язку ОЕС України - UCTE та ОЕС України - ЄЕС Росії.

Основні положення та результати наукових досліджень дисертаційної роботи використовуються в навчальному процесі в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” на факультеті електроенерготехніки та автоматики при читанні лекцій та в проведені лабораторних робіт з курсу “Автоматизація енергосистем” та в НЕК “Укренерго” при дослідженні роботи існуючої системи АРЧП SCADA/AGC.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, які містяться в дисертаційній роботі: формування задач та їх розв'язання, теоретичні дослідження, моделі ЕЕО та наукові результати, які отримані на їх основі, належать автору особисто. У друкованих роботах, які опубліковані у співавторстві, автору належать: розробка математичної моделі ОЕС України [1]; визначення умови відстроювання системного регулятора від зовнішніх збурень та розробка математичної моделі ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії [2]; дослідження якості регулювання частоти та активної потужності в залежності від характеристик каналів передачі даних [3]; розробка і дослідження роботи системи АРПЧ з нечіткою логікою [4]; розробка моделі ОЕС України в режимі її паралельної роботи з ЕЕО ЄЕС Росії та UCTE [5].

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на Сьомій міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми сучасної електротехніки” (м. Київ, 2002), Третій міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2004), на П'ятій міжнародній науково-практичній конференції “Комп'ютерні системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2007) та на Десятій міжнародній конференції “Енергетична безпека Європи ХХІ століття. Євразійські енергетичні коридори” (м. Київ, 2007).

Публікації. Основний зміст дисертаційної роботи відображено у 5 статтях, опублікованих у наукових фахових виданнях ВАК України.

Структура та обсяг дисертаційної роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, переліку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг роботи становить 149 сторінок, в тому числі 106 сторінок основного змісту, 78 рисунків, 8 таблиць, перелік використаної літератури з 106 найменувань та 4 додатків.

2. Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність роботи, приведено зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, сформульовано мету і задачу досліджень, викладено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів досліджень, зазначено особистий внесок здобувача в друкованих працях із співавторами, зазначена апробація отриманих результатів і публікацій.

У першому розділі наведено аналіз схем та алгоритмів функціонування систем АРЧП різних поколінь. Незважаючи на перехід апаратної бази від цифро-аналогових до цифрових систем АРЧП і наявності нових підходів до управління електроенергетичними об'єктами, регулювання режиму енергосистеми за частотою та активною потужністю здійснюється за допомогою типового ПІ-закону регулювання з постійними коефіцієнтами підсилення пропорційної та інтегральної ланок системного регулятора та коефіцієнтом корекції перетока за частотою.

Проведено аналіз впливу величини ККПЧ, яка використовується в ПІ-законі регулювання системи АРЧП, за критерієм забезпечення інваріантності системного регулятора до зовнішніх неперервних знакозмінних збурень. Показано, що відстроювання системи АРЧП забезпечується тільки при змінній величині ККПЧ, яка залежить від частоти зовнішніх неперервних збурень. В той же час величина ККПЧ, яка використовується в законі регулювання діючої системи АРЧП ОЕС України, визначається за емпіричними розрахунками і приймається постійною, внаслідок чого відстроювання системного регулятора від зовнішніх збурень не забезпечується.

Проведено аналіз можливості типового ПІ-закону регулювання частоти та активної потужності щодо забезпечення адаптивності роботи системи АРЧП. Встановлено, що при використанні в ПІ-законі регулювання постійних коефіцієнтів підсилення пропорційної та інтегральної ланок ПІ-регулятора та величини ККПЧ, адаптивність роботи системи АРЧП не забезпечується. Показано, що з метою підвищення ефективності функціонування САРЧП при виникненні внутрішніх збурень необхідно розробити системний регулятор на основі нечіткої логіки, що дозволить виконати адаптивне управління в умовах неповноти та неточності вхідних даних. При виникненні зовнішніх збурень необхідно розробити метод визначення змінного ККПЧ в режимі реального часу, в якому використовуються поточні значення відхилень частоти та перетоків активної потужності, що дозволить забезпечити відстроювання САРЧП від зовнішніх збурень в процесі вторинного регулювання частоти.

Проведено аналіз існуючих моделей систем АРЧП енергосистем. Встановлено, що в існуючих моделях не враховуються алгоритми роботи станційних ГРАП на регулюючих ГЕС ОЕС України та моделі систем передачі даних. В умовах впровадження нової системи АРЧП SCADA/AGC та станційних ГРАП "Centralog" з новими алгоритмами їх функціонування, для аналізу паралельної роботи ОЕС України з ЄЕС Росії та можливої паралельної роботи з енергооб'єднанням UCTE, необхідно розробити математичні моделі ОЕС України - ЄЕС Росії та UCTE - ОЕС України - ЄЕС Росії, в яких були б враховані алгоритми роботи, за якими в теперішній час функціонують станційні ГРАП на регулюючих ГЕС ОЕС України.

У другому розділі для вирішення задач, які поставлені в першому розділі, розроблено математичну модель ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії де: ЕГ та ЕН - еквівалентний генератор та еквівалентне навантаження; БМПП - блок моделювання перетока потужності (в моделі прийнято, що ОЕС України та ЄЕС Росії зв'язані між собою еквівалентною лінією зв'язку); ПКПД - прямий канал передачі даних; ЗКПД - зворотний канал передачі даних; ЦР - центральний регулятор; ДР_нб - небаланс активної потужності; ДР_пер - переток активної потужності еквівалентною лінією зв'язку; б₁, б₂ - масштабні коефіцієнти.

В регулюванні режиму за частотою та активною потужністю в ОЕС України беруть участь наступні регулюючі ГЕС: Київська, Кременчуцька, Дніпродзержинська, Дніпровська ГЕС-1, Каховська та Дністровська ГЕС; в ЄЕС Росії - Волгоградська ГЕС.

Задачу регулювання частоти вирішує ЄЕС Росії, при цьому ОЕС України здійснює регулювання перетока активної потужності на зв'язках ОЕС України з ЄЕС Росії з корекцією за частотою.

Виникнення небалансу активної потужності в одній із енергосистем приводить до відхилення частоти від номінальної величини та перетока активної потужності від заданого значення.

Відхилення частоти Дf на виході ланки ЕГ визначається сумарною зміною активної потужності генерації ГЕС ДР_ГЕС, перетоком активної потужності еквівалентною лінією зв'язку ДР_пер, величиною небалансу активної потужності в енергосистемі ДР_нб та зміною потужності ЕН. Величина зміни перетока активної потужності ДР_пер еквівалентною лінією зв'язку в БМПП визначається зміною кута, пропорційного інтегралу частоти ковзання, - для синхронної потужності та частотою ковзання - для асинхронної потужності.

В моделі ОЕС України на вхід центрального регулятора подаються величини відхилень частоти Дf₁ та перетока активної потужності (в моделі ЄЕС Росії - тільки відхилення частоти Дf₂). При передачі сигналу про величину перетока активної потужності еквівалентною міжсистемною лінією зв'язку від датчиків активної потужності виконано моделювання каналів передачі даних (КПД), що дозволяє дослідити вплив зміни періоду телевимірювання та часу затримки передачі інформації в КПД на якість регулювання частоти та активної потужності системою АРЧП.

В обох енергосистемах функціонують системи АРЧП з типовими пропорційно-інтегральними регуляторами. В залежності від величин відхилень Дf₁ та в моделі системи АРЧП ОЕС України, на відміну від існуючих моделей, окремо визначаються величини керуючих дій u_i та уставок позапланових потужностей , які використовуються при перевірці умов на завантаження або розвантаження гідротурбін, у відповідності з коефіцієнтами часткової участі регулюючих ГЕС у вторинному регулюванні частоти. По ЗКПД уставки u_i та передаються на станційні регулятори активної потужності регулюючих ГЕС ОЕС України.

На відміну від існуючих моделей, в залежності від величини зміни уставки позапланової потужності від системи АРЧП ОЕС України, станційними регуляторами АРЧП у відповідності з алгоритмами їх роботи ініціюються команди на завантаження або розвантаження гідротурбін. Кількість гідроагрегатів, необхідних для компенсації небалансу активної потужності в електроенергетичному об`єднанні, визначається величиною уставки позапланової потужності від системного регулятора та регулювальним діапазоном окремої гідротурбіни.

Необхідно відзначити, що в запропонованій моделі відображається не базові генерація та споживання, а тільки їх зміни.

Для налаштування параметрів системного регулятора за умов забезпечення заданого ступеня стійкості системи та заданого ступеня коливальності перехідного процесу в дисертаційній роботі визначено області стійкості в просторі коефіцієнтів підсилення пропорційної та інтегральної ланок пропорційно-інтегрального регулятора системи АРЧП ОЕС України. При цьому прийнято наступні припущення в роботі електроенергетичного об'єднання ОЕС України - ЄЕС Росії: центральний регулятор АРЧП ЄЕС Росії підтримує частоту постійною, небаланс активної потужності виникає тільки в ОЕС України, переток активної потужності між ОЕС України та ЄЕС Росії визначається відхиленням частоти тільки в ОЕС України. З урахуванням вищевикладених припущень для вибору параметрів пропорційно-інтегрального регулятора системи АРЧП достатньо розглядати математичну модель тільки ОЕС України.

З метою вибору значень коефіцієнтів підсилення пропорційного К_р та інтегрального К_і каналів ПІ-регулятора системи АРЧП за умов забезпечення заданого ступеня стійкості системи та коливальності перехідного процесу, за допомогою методу D-розбиття визначені дві групи параметричних рівнянь: К_р(б,щ) і К_і(б, щ), де б визначає задану ступінь стійкості системи, та К_р(m,щ) і К_і(m,щ), де m визначає задану ступінь коливальності перехідного процесу, та побудовані області D-розбиття площин вищевказаних параметрів за умов забезпечення заданого ступеня стійкості системи та коливальності перехідного процесу.

В роботі проведено моделювання роботи ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії у разі виникнення в ОЕС України стрибкоподібного та плавного небалансів активної потужності, які чисельно дорівнюють максимальному резерву вторинного регулювання частоти в ОЕС України. Співставлення результатів теоретичних досліджень з натурними результатами підтвердило адекватність розробленої моделі.

У третьому розділі розроблено систему АРЧП на основі нечіткої логіки та проведено дослідження роботи нечіткого регулятора у порівнянні з типовим ПІ-регулятором.

Величина керуючої дії U визначається значеннями пропорційної R_p та інтегральної R_І складових системного параметру на вході нечіткого регулятора (НР). З метою збільшення швидкості розрахунку керуючої дії для двох вхідних R_p, R_І та вихідної змінної U прийняті трикутні функції належності. Діапазони зміни вхідних та вихідної функцій належності визначено для випадку виникнення в ОЕС України максимального збурення (зміна небалансу активної потужності на 1000 МВт).

Моделювання роботи класичного ПІ та нечіткого регуляторів при виникненні збурення, яке дорівнює максимальному резерву вторинного регулювання частоти в ОЕС України, виконано на моделі ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії, в кожній енергосистемі частоту та активну потужність регулює еквівалентна ГЕС. В першому випадку системні ПІ-регулятори функціонують в наступних режимах: в ОЕС України - в режимі АРПЧ, в ЄЕС Росії - в режимі АРЧ; в другому випадку в ОЕС України використаний нечіткий регулятор, в ЄЕС Росії - ПІ-регулятор в режимі АРЧ. Наведено результати моделювання: зміна частоти в ОЕС України та зміна перетока активної потужності еквівалентною лінією зв'язку ОЕС України - ЄЕС Росії для випадку виникнення в ОЕС України стрибкоподібного збільшення активної потужності, яке дорівнює максимальному резерву вторинного регулювання частоти в ОЕС України.

Встановлено, що використання системи АРЧП на основі нечіткої логіки приводить до зменшення динамічної помилки на 10%, відсутності перерегулювання перетока активної потужності еквівалентною лінією зв'язку та зменшення часу перехідного процесу зі 120 до 40 секунд у порівнянні з САРЧП з типовим ПІ-регулятором.

Можливе підключення ОЕС України на паралельну роботу з енергооб`єднанням країн Західної Європи (UCTE) висуває додаткові завдання по виконанню вимог спільної роботи, однією із яких є відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень. Система АРЧП кожного району регулювання електроенергетичного об'єднання UCTE працює в режимі регулювання сальдо зовнішніх перетоків активної потужності з корекцією за частотою. Згідно з вимогами до первинного та вторинного регулювання частоти при виникненні небалансу активної потужності в одній з енергосистем енергооб`єднання в первинному регулюванні повинні брати участь усі енергосистеми електроенергетичного об'єднання, а у вторинному регулюванні частоти повинна забезпечуватися вибірковість роботи енергосистем: небаланс активної потужності повинна компенсувати тільки та енергосистема, в якій виникло збурення.

В інших енергосистемах електроенергетичного об'єднання повинно забезпечуватися відстроювання системних регуляторів: при виникненні зовнішніх збурень вони не повинні брати участь у вторинному регулюванні частоти.

Виходячи з вимог до вторинного регулювання частоти, які діють в електроенергетичному об'єднанні UCTE, визначено, що відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень буде забезпечуватися при виконанні умови

(1)

де - ККПЧ ЕЕС; - коефіцієнт крутизни статичної частотної характеристики (с.ч.х.) ЕЕС.

В дисертаційній роботі також досліджено вплив зовнішніх неперервних збурень на величину ККПЧ. Показано, що відстроювання системи АРЧП буде забезпечуватися при виконанні умови

(2)

де - передаточна функція енергосистеми, яка пов'язує між собою відхилення сальдо перетоків активної потужності міжсистемними лініями зв'язку з відхиленням частоти в енергосистемі.

На основі результатів системних випробувань, які проведені ДП НЕК “Укренерго” ОЕС України спільно з ЦДУ ЄЕС Росії, при виникненні в ЄЕС Росії небалансу активної потужності 900 МВт, визначено передаточну функцію ККПЧ ОЕС України

.

У випадку дії зовнішніх “секундних” збурень (щ=0,105-0,209 рад/с) величина ККПЧ є відносно постійною; зі зменшенням частоти зовнішніх збурень величина ККПЧ змінюється. В законі регулювання системи АРЧП величина ККПЧ приймається постійною, внаслідок чого відстроювання системного регулятора від зовнішніх збурень не забезпечується. У випадку виникнення зовнішнього стрибкоподібного небалансу активної потужності (збурення з нульовою частотою), ККПЧ ОЕС України дорівнює

.

Для відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень розроблено метод визначення ККПЧ в режимі реального часу, в якому використовуються поточні значення відхилень частоти та перетоків активної потужності, що дозволяє зменшити час розрахунків ККПЧ, а, отже, підвищити точність відстроювання САРЧП від зовнішніх збурень.

На і-му циклі регулювання визначається величина ККПЧ К_чі. Експоненті фільтри ЕФ1, ЕФ2 призначені для фільтрації ВЧ-складових сигналів ДР_пер.і та Дf_i, ЕФ3 - для згладжування отриманої величини К_чі. Керуючий сигнал (КС) дорівнює логічній “1”, коли виконуються дві умови: величина помилки регулювання району більше зони нечутливості і поточний час кратний періоду ідентифікації Т_ідент (в цьому випадку сигнал на виході елементів логічної перевірки (ЛП) дорівнюють “1”).

Якщо на керуючий вхід тригерного елементу (ТЕ) подається КС, який дорівнює логічній “1”, то на вихід ТЕ пропускається поточна величина ККПЧ К_чі, в іншому випадку на виході ТЕ зберігається попередня величина ККПЧ.

Виконано моделювання роботи ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії при використанні в законі регулювання системи ОЕС України постійного та змінного ККПЧ. Встановлено, що при змінному ККПЧ у випадку виникнення зовнішнього стрибкоподібного збурення на величину, що відповідає втраті потужності найбільшого енергоблоку, динамічне відхилення перетока активної потужності зменшується в 1,67 рази, а час протікання перехідного процесу - на 200 секунд; при виникненні неперервного збурення, динамічне відхилення перетока активної потужності зменшується в 2,5 рази і переток активної потужності змінюється в межах помилки регулювання району системи АРЧП.

В четвертому розділі розглянуто структуру електроенергетичних об`єднань Європи, принципи їх розвитку та технічні стандарти. Виконано аналіз вимог до первинного та вторинного регулювання частоти та активної потужності, які діють в енергооб`єднаннях Західної та Східної Європи. Розроблено модель ОЕС України в режимі її паралельної роботи з електроенергетичними об'єднаннями ЄЕС Росії та UCTE, в якій враховано алгоритми роботи САРЧП та станційних ГРАП в ОЕС України. Розроблена модель дозволяє дослідити процеси регулювання частоти та активної потужності в трьох енергооб`єднаннях з урахуванням алгоритмів роботи станційних ГРАП на регулюючих ГЕС та системи АРЧП ОЕС України.

Беручи до уваги наявність великої кількості міжсистемних ліній зв'язку між ОЕС України та UCTE, виконано моделювання синхронної роботи трьох енергооб'єднань.

У відповідності з вимогами UCTE, регулювання частоти та активної потужності виконується децентралізовано: кожний район регулювання підтримує своє сальдо зовнішніх перетоків активної потужності з корекцією за частотою. В той же час, у відповідності з дослідженнями, які були проведені в ЄЕС Росії для випадку синхронної роботи трьох енергооб'єднань, пропонується покласти функції регулювання частоти на ЄЕС Росії.

З урахуванням вищевикладеного, виконано моделювання синхронної роботи трьох енергооб`єднань для різних режимів роботи САРЧП ЄЕС Росії. Системи АРЧП ОЕС України та UCTE працюють в режимі АРПЧ: в законі регулювання для САРЧП UCTE входить зміна перетока активної потужності на перетині UCTE - ОЕС України, для САРЧП ОЕС України - на перетинах ОЕС України - UCTE та ОЕС України - ЄЕС Росії. Моделювання роботи системного регулятора ЄЕС Росії виконано для режимів АРЧ та АРПЧ, у другому випадку в закон регулювання входить відхилення перетока активної потужності на перетині ЄЕС Росії - ОЕС України.

Враховуючи результати досліджень, які були проведені в ЕЕО UCTE: в енерго`обєднанні зі встановленою потужністю 200 ГВт у разі виникнення збурення 1300 МВт динамічне відхилення частоти не повинно перевищувати 0,2 Гц. З урахуванням вищевикладеного, виконано моделювання роботи ЕЕО UCTE - ОЕС України - ЄЕС Росії для стрибкоподібного збільшення активної потужності споживання в UCTE та ЄЕС Росії на 1300 МВт та збільшення активної потужності в ОЕС України на величину, яка дорівнює максимальному резерву вторинного регулювання частоти та потужності в ОЕС України.

Встановлено, що функціонування САРЧП ЄЕС Росії в режимі АРПЧ призводить до зменшення перерегулювання, часу перехідного процесу, величин динамічної і статичної помилок регулювання. Зокрема, при виникненні в UCTE стрибкоподібного небалансу активної потужності 1300 МВт, час перехідного процесу зміни перетока активної потужності зменшується: на перетині ЄЕС Росії - ОЕС України - з 1200 до 800 секунд; ОЕС України - UCTE - з 1100 до 800 секунд. На основі отриманих результатів, для підвищення ефективності функціонування системних регуляторів, рекомендується робота САРЧП трьох енергосистем в режимі АРПЧ.

Висновки

Виконано аналіз схем побудови та алгоритмів роботи систем АРЧП різних типів. Встановлено, що незважаючи на перехід від цифро-аналогових до цифрових систем АРПЧ, регулювання режиму енергосистеми за частотою та активною потужністю здійснюється за допомогою типового ПІ-закону регулювання з постійними коефіцієнтами підсилення пропорційної та інтегральної ланок ПІ-регулятора та коефіцієнтом корекції перетока за частотою.

Розроблено математичну модель ОЕС України в режимі її паралельної роботи з ЄЕС Росії. Запропонована модель, на відміну від існуючих, дозволяє дослідити роботу ЕЕО ОЕС України - ЄЕС Росії в різних, в тому числі граничних, режимах за частотою та активною потужністю з урахуванням алгоритмів роботи станційних ГРАП на регулюючих ГЕС ОЕС України та характеристик систем передачі даних.

Визначено області стійкості в просторі коефіцієнтів підсилення пропорційної та інтегральної ланок системи АРЧП, що дозволило виконати налаштування параметрів системного регулятора за умов забезпечення заданого ступеня стійкості системи та заданого ступеня коливальності перехідного процесу.

Розроблено модель системи АРЧП на основі нечіткої логіки, величина керуючої дії в якій визначається пропорційною та інтегральною складовою величини системного параметру. Виконано моделювання роботи систем АРЧП з нечітким та типовим ПІ-регуляторами. Показано, що використання системи АРЧП на основі нечіткої логіки приводить до зменшення динамічної помилки, відсутності перерегулювання перетока активної потужності еквівалентною лінією зв'язку та зменшення часу перехідного процесу у 3 рази у порівнянні з САРЧП з типовим ПІ-регулятором.

Визначено умову відстроювання системи АРЧП від зовнішніх збурень в процесі вторинного регулювання частоти. Встановлено, що відстроювання системного регулятора від зовнішніх збурень забезпечується при умові, коли коефіцієнт корекції перетоку за частотою системи АРЧП дорівнює крутизні статичної частотної характеристики енергосистеми.

Визначено амплітудно-частотну характеристику ККПЧ ОЕС України на основі експериментальних даних системних випробувань. Встановлено, що в області низькочастотних збурень величина ККПЧ змінюється, внаслідок чого інваріантність системного регулятора до зовнішніх низькочастотних збурень не забезпечується.

Розроблено метод визначення змінного ККПЧ в режимі реального часу, для визначення якого використовуються поточні значення відхилень частоти та перетоків активної потужності, що дозволяє зменшити час розрахунків ККПЧ, а, отже, підвищити точність відстроювання САРЧП від зовнішніх збурень. Встановлено, що використання в типовому ПІ-законі регулювання частоти та потужності системи АРЧП змінного ККПЧ приводить до зменшення динамічного відхилення перетока активної потужності еквівалентною лінією зв'язку у 1,5-2,5 рази та часу перехідного процесу на 200 секунд.

Розроблено математичну модель ОЕС України в режимі її паралельної роботи з ЕЕО ЄЕС Росії та UCTE, яка дозволяє дослідити процеси регулювання частоти та активної потужності в трьох енергооб`єднаннях з урахуванням характеристик каналів передачі даних та алгоритмів роботи станційних ГРАП на регулюючих ГЕС і системи АРЧП ОЕС України. Виконано моделювання режиму електроенергетичного об`єднання у випадку роботи САРЧП ЄЕС Росії в режимі АРЧ і АРПЧ.

Встановлено, що робота САРЧП ЄЕС Росії в режимі АРПЧ приводить до зменшення перегулювання на 10-20%, часу протікання перехідного процесу у 1,3-1,5 рази та величин динамічної і статичної помилок регулювання.

На основі результатів теоретичних досліджень з метою підвищення якості регулювання частоти та активної потужності рекомендується робота САРЧП трьох енергосистем в режимі АРПЧ.

Перелік публікацій за темою дисертації

1. Яндульский А.С., Стелюк А.О., Бондаренко Ю.Н. Моделирование системы АРЧМ ОЭС Украины при регулировании перетока // Технічна електродинаміка. - 2002. - Ч. 7. - С. 76-79.

2. Кириленко А.В., Яндульский А.С., Стелюк А.О. Вторичное регулирование частоты и перетоков мощности в ОЭС Украины при использовании переменного коэффициента коррекции перетока // Технічна електродинаміка. - 2003. - Ч. 4. - С. 92-95.

3. Яндульский А.С., Стелюк А.О. Моделирование системы АРЧМ ОЭС Украины в режиме автоматического регулирования перетока по частоте // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - № 2. - Ч. 1. - Т. 3. - С. 62-65.

4. Яндульский А.С., Стелюк А.О., Хлыстов В.М. Система АРЧМ ОЭС Украины на основе нейро-нечеткой сети // Технічна електродинаміка. - 2006. - Ч. 2. - С. 83-84.

5. Яндульський О.С., Стелюк А.О. Моделювання системи АРЧП в режимі паралельної роботи ОЕС України з енергооб`єднаннями ЄЕС Росії та UCTE // Вісник Хмельницького національного університету. - 2007. - № 2. - Т. 1. - С. 189-192.

Размещено на Allbest.ru