Создание модели эквивалента электрической схемы Новосибирской энергосистемы

Размещено на http://www.allbest.ru

Создание модели эквивалента электрической схемы Новосибирской энергосистемы

Р.С. Чувашев, И.Ю. Коротков,

И.В. Дулов, А.Г. Русина

ФГБОУ ВО "Новосибирский

государственный технический университет"

Новосибирск, Россия

E-mail: chuvashev_r@mail.ru

Аннотация

Современные электрические сети имеют большое количество элементов, поэтому вопрос упрощения схем замещения для расчета режима является актуальным. Зачастую, чтобы рассмотреть процессы, происходящие с отдельными объектами, требуется более простой расчёт, и отдельные части системы могут заменяться их эквивалентами. Таким образом, количество параметров режима становится меньше, что упрощает расчёт. Эквиваленты частей энергосистемы формируются на основе различных математических моделей, характеризующих физические процессы. При проведении исследования использовались методы математического анализа и моделирования, методы электротехники. В качестве инструмента моделирования применялось программное обеспечение RastrWin и MathCad. Получена эквивалентная модель электрической сети Новосибирской энергосистемы. Оценены погрешности режимных параметров при применении эквивалента. Расчетным путем показана необходимость использования разных моделей для двух сезонов года. Полученная эквивалентная модель позволяет оценить режимы отдельных электрических станций при отсутствии представительной информации по узлам нагрузки.

Ключевые слова: моделирование, эквивалентирование, расчет нормального режима, электроэнергетическая система, четырехполюсник.

Abstract

Рroblem of simplification of the substitution schemes is actual, because of the large number of elements in modern electrical systems. In some cases, several parts of system could be replaced with equivalent, in order to study processes in the individual objects. The number of mode parameters is decrease and calculation is becoming easier. Equivalents of the part of the electrical system are based on the different math methods, which model physical processes. Various methods of math analyzing, math modeling and electrical engineering methods were used during the study. RastrWin and Mathcad were used as main modeling tools. Equivalent model of electrical network of Novosibirsk energetic system was calculated. Inaccuracies of mode parameters were evaluated with usage of equivalent model. Necessity of using two different model for different seasons was shown by calculation method. Final equivalent model allow to evaluate modes of power plants without information about load buses.

Keywords: modeling, equivalent, calculation of normal mode, electric power system, quadripole.

Введение

Электрические схемы современных электроэнергетических систем (ЭЭС) являются достаточно объёмными. В одной ЭЭС может находиться до нескольких тысяч объектов. Сложная структура математических моделей физических объектов и процессов, происходящих в них, делает расчёт и анализ таких сетей достаточно трудоёмким

Необходимость экивалентирования выражается следующими причинами:

· целью и доступными формами анализа результатов расчетов, позволяющих планировать решения;

· информационным обеспечением, полнотой и достоверностью информации, необходимой для рассматриваемой задачи;

· вычислительными процедурами - временем, сходимостью итерационных расчетов, точностью результатов и др.

Для расчетов режима очень редко используется полная схема электрических соединений. Существует множество задач, в которых используются различные методы эквивалентирования электрической сети. Эквивалентирование проводится по территориальным границам, по классу напряжения сетей, при составлении планов ремонтов отдельных ЛЭП или подстанций и пр. Эквивалентирование позволяет уменьшить размерность задачи, что дает большие вычислительные преимущества, но главной причиной является то, что можно проводить качественный анализ результатов расчетов и планировать деятельность предприятий энергетики.

При эквивалентировании части системы заменяются их эквивалентами, полученных на основании критериев эквивалентности. В результате количество элементов сокращается, что существенно облегчает расчёт. Критерии эквивалентности зависят от параметров элемента, и от выполняемой задачи. электрический сеть новосибирский энергосистема

В результате одну систему можно разделить на несколько подсистем, и часть из них заменить эквивалентами (рисунок 1).

Рис. 1. Условное изображение ЭЭС с эквивалентируемой чатью

При анализе возможности применения эквивалента, необходимо оценить параметры режима в узлах и ветвях примыкания эквивалента к сохраняемой части энергосистемы. Зачастую после преобразования подсистем, сохраняются некоторые узлы, имеющие принципиальное значение для ЭЭС.

Эквивалентирование электрических сетей проводится с учетом трех факторов: границы ЭЭС, расчетный нормальный режим сетей, использование соответствующих принципов представления электрической сети.

При эквивалентировании используются обобщение конструктивных и режимных параметров сети. В числе конструктивных параметров используется схема сети (размер, параллельные и последовательные цепи, число цепей ЛЭП). По параметрам режима используется класс напряжения, величина тока, потери мощности и электроэнергии, величина нагрузки в узлах. Набольшее распространение получило эквивалентрирование по классу напряжения, по территории, по нагрузке.

Методы эквивалентирования электрических сетей по всем названным параметрам хорошо разработаны в электротехнике. Для уменьшения числа ветвей и узлов применяются законы электротехники, для топологического эквивалентирования применяется диакоптика [2]. Это позволяет от сети, включающей все элементы от источников мощности до электроприемников, перейти к такому ее представлению, которое связано с целью и задачей расчетов.

При решении конкретных задач, как правило, расчет производится для времени, значительно большего, чем мгновенные режимы (от суток до года). Электрическое эквивалентирование базируется на мгновенных параметрах и отражает статическое состояние системы. При решении прикладных задач чаще всего возникает потребность в учете динамических свойствах системы и, следовательно, необходимо иметь динамические характеристики параметров. Динамику процесса отражают средние параметры на определенном интервале, или функциональные зависимости этих параметров от времени, или регрессионные факторные характеристики. Чаще всего используются осредненные значения мощностей, токов, напряжений и по ним рассчитывается режим сети. Но в [6], показано, что наиболее эффективно использование потери мощности или энергии.

Эквивалентирование объектов Новосибирской ЭЭС

Любой элемент электрической сети можно рассматривать как четырёхполюсник. При этом с помощью преобразований каскадно-параллельных соединений уравнений можно получить эквивалент рассматриваемой подсистемы.

Рис. 2. Соединения четырёхполюсников: а - каскадное; б - паралельное

При каскадном соединении четырёхполюсников уравнения эквивалентного четырёхполюсника примут вид: А=А₁*А_2; при параллельном соединении: Y=Y₁+Y₂.

Авторы исследовали возможность получения эквивалентной модели Новосибирской энергосистемы с использованием четырехполюсников.

При этом необходимо разделить систему на локальные зоны электроснабжения, что уменьшит размерность задачи. Число зон электроснабжения определено числом крупных источников генерации: Новосибирская ГЭС Барабинская ТЭЦ, ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4 и ТЭЦ-5.

Новосибирская ГЭС играет важную роль единственного регулирующего и мобильного источника электроэнергии в западной части сибирской энергосистемы. Современные условия эксплуатации Новосибирской ГЭС очень специфичны из-за многочисленных ограничений, накладываемых на режим её работы неэнергетическими водопользователями [5].

Новосибирская ТЭЦ-5 расположена в Октябрьском районе города Новосибирска. Снабжает теплом и электроэнергией население и промышленные предприятия Новосибирска. Является поставщиком электрической энергии и мощности на рынок. Является одной из крупнейших генерирующих станцией за Уралом по установленной тепловой мощности. Входит с структуру АО «СИБЭКО». Установленная электрическая мощность: 1200 МВт. Установленная тепловая мощность: 2850 Гкал/ч. [7]

Данные станции оказывают наибольшее влияние на работу энергосистемы, поэтому проводилось эквивалентирование схемы вокруг ТЭЦ-5 и НГЭС.

Эквивалентированию подлежали только линии 110 кВ и ниже. При этом линии с более высоким классом напряжения были сохранены. Рассматривались зоны электроснабжения ТЭЦ-2, ТЭЦ-3, ТЭЦ-4 и БТЭЦ.

Границы зон электроснабжения определены точками потокораспределения по данным расчета нормальных режимов в характерные дни года (летний минимум и зимний максимум). При этом границы зон для этих режимов изменялись, что связано с большой теплофикационной нагрузкой ТЭЦ в зимний период и использованием водных ресурсов на ГЭС в летний период. Выработка электроэнергии на ТЭЦ-2 и БТЭЦ в летний период идёт в основном на покрытие собственных нужд.

Рис. 3. Зоны энергоснабжения станции ТЭЦ-3: а - летний период; б - зимний период

Программное обеспечение RastrWin позволяет эквивалентировать схемы электрической сети. Но при расчете заданных эквивалентов данный программный пакет использует только данные установившегося режима без учёта изменения нагрузки. Применение эквивалентирования с помощью четырехполюсников позволяет учитывать эти изменения.

Путем каскадно-параллельного эквивалентирования были получены эквиваленты районов электроснабжения. При эквивалентировании использовались следующие уравнения четырехполюсника:

Уравнения ЛЭП П-образной семы замещения:

Где Z_л - продольное сопротивление, а Y_л - поперечная проводимость линии.

Уравнения для повышающего трансформатора:

Где Z₀ - продольное сопротивление, Y₀ - проводимость, учитывающая потери с сердечнике трансформатора, k - коэффициент трансформации.

Уравнения для модели электрической нагрузки:

Где S_n - мощность потребляемой нагрузки, Un - номинальное напряжение.

Рассмотрим алгоритм эквивалентирования на примере схемы электроснабжения станции ТЭЦ-4 (рисунок 4). Сначала путем каскадных преобразований эквивалентируются линии, отходящие от шин РУ ВН станции, и ближайшая нагрузка. Затем с помощью параллельных преобразований образуется эквивалентный четырёхполюсник. Составляется П-образная схема замещения эквивалента с продольным сопротивлением и двумя поперечными проводимостями, которые нужно присвоить соответственным узлам.

Рис. 4. Схема района электроснабжения ТЭЦ-4: а- без использования эквивалентов; б - с использованием эквивалентов

Погрешность эквивалентирования можно получить, сравнив данные, полученные при расчёте режима схемы без использования эквивалентов и схемы с эквивалентами. При этом сравнивать нужно потоки мощностей по ветвям примыкания (таблица 1) и напряжения в узлах примыкания (таблица 2).

Таблица 1. Изменение потоков мощностей в ветвях примыкания

Таблица 2. Изменение напряжения в узлах примыкания

В результате потоки мощности по ветвям примыкания в режиме максимальных нагрузок изменились в среднем на 10%, а в режиме минимальных нагрузок на 6,6%. Погрешность эквивалентирования по напряжению в узлах примыкания составила около 3,27%. Несопоставимость погрешностей при различных режимах связана с тем, что районы электроснабжения станций, и потребляемая мощность в системе существенно отличаются.

Заключение

На основе анализа имеющихся научных и практических разработок, изучены методы, позволяющие дополнить и улучшить способы расчётов режима. В результате была построена эквивалентная модель Новосибирской энергосистемы, которая позволила снизить число узлов и ветвей. Оценено влияние зон электроснабжения различных станций их на режимы Новосибирской ЭЭС.

Список литературы