Технико-экономическая модель оценки мероприятий по ограничению токов короткого замыкания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Статья по теме:

Технико-экономическая модель оценки мероприятий по ограничению токов короткого замыкания

С.А. Ерошенко, А.О. Егоров, М.Р. Загидуллин, М.Д. Сенюк

Аннотация

В настоящее время всё более важной становится проблема высоких уровней токов коротких замыканий на шинах подстанций 110 кВ и выше, что приводит к необходимости разработки мероприятий по их ограничению. Это вызвано тем, что большой объем коммутационного оборудования по отключающей способности не соответствует расчётным уровням токов короткого замыкания. Замена существующих силовых выключателей является дорогостоящей процедурой, в соответствии с чем целесообразно рассмотреть альтернативные технические решения, в том числе реализацию стационарного деления электрической сети, что в свою очередь требует учёта множества критериев влияния на режим электроэнергетической системы. В качестве решения данной проблемы в статье предлагается модель для оценки мероприятий по ограничению токов короткого замыканий в энергосистеме.

Ключевые слова -- ток короткого замыкания; стационарное деление сети; коммутационное оборудование; отключающая способность.

Abstract

At present, the problem of high levels of short-circuit currents on busbars of substations of 110 kV and above becomes more important which results in necessity for development of actions for its limitation. This is due to the fact that the great part of the switching equipment does not correspond to expected levels of short-circuit currents on the breaking capacity. Replacement of the existing power switches is considered to be expensive therefore it is expedient to find alternative technical solutions, including realization of stationary sectioning of electric network that in turn requires to take into account a set of criteria of influence on the mode of electrical power system. As a solution to this problem the article offers the model for actions assessment for limiting short-circuit currents in the power system.

Keywords -- short-circuit curretn; stationary network sectioning; switching equipment; breaking capacity.

Введение

В настоящее время всё более важной становится проблема высоких уровней токов коротких замыканий на шинах подстанций 110 кВ и выше. Поскольку установленная мощность электростанций в энергосистеме и суммарная нагрузка постоянно растут, необходимо увеличивать пропускную способность электрической сети от крупных электростанций до центров промышленной и бытовой нагрузки, что требует строительства новых электросетевых объектов. Увеличение установленной мощности электростанций и интенсивное развитие электросетевой инфраструктуры обуславливают постоянный рост токов коротких замыканий в энергосистеме, что приводит к необходимости разработки мероприятий по их ограничению. Это вызвано тем, что большой объем коммутационного оборудования по отключающей способности не соответствует расчётным уровням токов короткого замыкания. Замена существующих силовых выключателей является дорогостоящей процедурой, вследствие чего целесообразно рассмотреть альтернативные технические решения, в том числе реализацию стационарного деления электрической сети, что в свою очередь требует учёта множества критериев влияния на режим электроэнергетической системы.

В данной статье предлагается модель для оценки мероприятий по ограничению токов коротких замыканий. В качестве мероприятий рассматриваются различные комбинации точек стационарного деления сети. Критерии оценивания во многом основаны на методике системы подстанций-индикаторов, представленной в [1]. Кроме оценки уровней токов коротких замыканий в энергорайоне также используется критерий для оценки статической устойчивости. Далее будут представлены подробное описание разработанной методики и краткий расчетный пример оценки мероприятий по ограничению токов коротких замыканий в энергосистеме.

В качестве примера была рассмотрена Региональная энергосистема.

Модель оценки мероприятий по ограничению токов короткого замыкания

Оптимизация топологии электрической сети заключается в поиске оптимальных точек деления для ограничения токов короткого замыкания, т.е. секционирование шин или размыкание транзитов. Главной целью разработанной модели является оценка каждого мероприятия по ограничению токов короткого замыкания с учётом влияния на статическую устойчивость и токовые перегрузки, возникающие вследствие изменения схемно-режимной ситуации в электроэнергетической системе.

Описание критериев оценки мероприятий

Основная идея предлагаемой модели заключается в формировании целевой функции, которая характеризует эффективность мероприятий по ограничению уровней токов короткого замыкания и допустимость режима электроэнергетической энергосистемы. Целевая функция выглядит следующим образом:

, (1)

где, - суммарный ток короткого замыкания на подстанции i; - суммарная подпитка тока короткого замыкания на подстанции j по транзитным линиям электропередачи от подстанций первого пояса [1]; - превышение суммарного тока короткого замыкания над коммутационной способностью выключателей, установленных в распределительном устройстве подстанции n; - превышение токовой загрузки линии электропередачи, трансформатора или автотрансформатора k над длительно допустимой токовой загрузкой; - эквивалентное сопротивление прямой последовательности короткого замыкания при моделировании короткого замыкания на электростанции l; - весовые коэффициенты для соответствующего критерия; - суммарное количество узлов (шины подстанций, электростанций, переключательных пунктов) в модели исследуемого энергорайона; - количество ветвей в модели сети (линии электропередачи, трансформаторы, автотрансформаторы); - количество электростанций в исследуемом энергорайоне.

Как видно из представленного выражения целевой функции, всего для оценки эффективности ограничения токов короткого замыкания используются пять критериев:

- суммарный уровень тока короткого замыкания на подстанции i. С точки зрения ограничения токов короткого замыкания данный критерий является определяющим в связи с тем, что он характеризует уровень токов короткого замыкания на объекте.

- максимальное значение подпитки тока короткого замыкания на шинах подстанции j от объектов первого контура, входящих в рассматриваемый энергорайон. Данная величина характеризует степень развития сетевой инфраструктуры в энергоузле и также является важнейшим фактором, влияющим на общий уровень токов короткого замыкания.

- превышение суммарного тока короткого замыкания над коммутационной способностью выключателей в распределительном устройстве подстанции n. Данный критерий отражает главную цель оптимизации уровней токов короткого замыкания, а именно снижение уровней токов короткого замыкания для приведения в соответствие отключающей способностью силовых выключателей расчетным уровням токов короткого замыкания. На данном этапе разработки модели рассматривается ток отключения силового выключателя.

- превышение токовой загрузки линии электропередачи, трансформатора или автотрансформатора k над длительно допустимой токовой нагрузкой. Этот критерий отслеживает выход режима из допустимой области, а именно увеличение токовой нагрузки в продольных элементах сети, вызванные вновь вводимыми точками секционирования.

- эквивалентное сопротивление прямой последовательности короткого замыкания при моделировании короткого замыкания на электростанции l. С помощью этого критерия оценивается пропускная способность электрической сети, связывающей электростанцию l с остальными узлами рассматриваемого энергорайона.

Принцип работы модели оценивания мероприятий по ограничению токов короткого замыкания

Как было сказано ранее, разработанная методика характеризует уровень токов короткого замыкания и состояние электрической сети и электроэнергетического режима рассматриваемого энергорайона.

На начальном этапе производится расчет значения целевой функции до применения мероприятий по ограничению токов короткого замыкания. Таким образом, фиксируется исходное состояние до выполнения оптимизации топологии электрической сети.

На следующем этапе формируется список разрабатываемых мероприятий по ограничению токов коротких замыканий. В данной статье, как говорилось ранее, рассматривается стационарное деление электрической сети.

Каждое выбранное мероприятие реализуется в расчетных моделях токов короткого замыкания и электрического режима для определения необходимых параметров. Далее производится итерационный расчет целевой функции.

Заключительный этап оптимизационной процедура является ранжирование расчетных значений целевой функции для выявления наиболее эффективных мероприятий. Об эффективности мероприятий можно судить при уменьшении значения целевой функции, что характеризует снижение общего уровня токов короткого замыкания в энергосистеме. Дополнительно требуется отслеживание области допустимых значений каждого критерия по отдельности во избежание технологических нарушений электроэнергетического режима.

Расчётный пример применения разработанной модели для оценки мероприятий по ограничению токов короткого замыкания

В качестве района электрических сетей, для которого производились расчёты, был выбран ПРЭС (Промышленный район электрических сетей) Региональной энергосистемы. Графическое изображение данного энергорайона изображено на рисунке 1. Расчёты электроэнергетического режима и токов короткого замыкания были выполнены в программном комплексе Rastrwin 3. В качестве мероприятий по ограничению токов короткого замыкания было выбрано СДС (стационарное деление сети) на подстанции 220 кВ Заводская в распределительном устройстве 110 кВ и подстанции 110 кВ Лесная.

Как было сказано ранее, необходимо выполнить расчет для начального состояния энергосистемы до выполнения оптимизации топологии электрической сети. Карта токов коротких замыканий для начального этапа изображена на рисунке 2, где значения токов представлены в килоамперах.

Следует отметить, при расчётах электрического режима токовые нагрузки в продольных элементах сети не превысили длительно допустимые токовые нагрузки. При расчетах токов коротких замыканий суммарные значения тока короткого замыкания на каждой подстанции не превысили отключающую способность силовых выключателей на данных энергообъектах. Таким образом, по критериям №3 и №4 нарушений не было обнаружено до применения мер по ограничению токов коротких замыканий.

замыкание сеть модель ограничение

Рис. 1 - Графическое изображение Промышленного района электрических сетей в графическом редакторе ПК Rastrwin 3

В случаях применения СДС на подстанциях Лесная и Заводская наблюдается снижение уровня тока короткого замыкания на шинах энергообъектов, расположенных рядом с точками деления сети. По критериям №3 и №4 также не было обнаружено. Значения по каждому критерию для всех случаев приведены в таблице 1. Из данной таблицы можно заметить, что показатели, характеризующие уровень тока короткого замыкания в районе электрических сетей, уменьшаются.

Таблица 1 - Значения критериев целевой функции для каждого случая

В процессе расчета значения целевой функции было принято решение представить значение каждого критерия для каждого случая в относительных единицах по отношению к величине критерия на начальном этапе. Данное представление результатов продемонстрировано в таблице 2.

Таблица 2 - Значения критериев целевой функции для каждого случая

Рис. 2 - Карта токов коротких замыканий Промышленного района электрических сетей до оптимизации топологии электрической сети

Выводы

В настоящее время всё более важной становится проблема увеличения уровней токов коротких замыканий на шинах подстанций 110 кВ и выше. Данный факт приводит к необходимости применения мер по их ограничению.

Исследование проводилось на основе расчётной модели региональной электроэнергетической системы. С целью выявления активных критериев влияния расстановки точек секционирования и устройств ограничения токов короткого замыкания на схемно-режимную ситуацию электроэнергетической системы выполнялось последовательное моделирование режимов симметричных и несимметричных коротких замыканий, а также оценка технологических последствий от аварийных отключений поврежденных элементов.

Авторами данной статьи была разработана модель оценки технической эффективности реализации мероприятий по ограничению уровней токов короткого замыкания.

В данной статье предоставлен расчетный пример применения данной модели, который демонстрирует, как влияет на режим работы и уровень токов короткого замыкания в Промышленном районе электрических сетей введение новых точек стационарного деления сети.

Таким образом, разработанная модель позволяет решать важную эксплуатационную задачу электросетевого комплекса - выбор и оценка последствий от реализации мероприятий по ограничению токов короткого замыкания с учётом технологических и факторов.

Список литературы

1. S. A. Eroshenko, A. O. Egorov, M.R. Zagidullin, M.D. Senuk. The indicator system for the short circuit currents levels assessment in the power systems. - “2017 15th International Conference on Electrical Machines, Drives and Power Systems (ELMA)”. - Technical University of Sofia, Bulgaria. - 2017.

2. Manuelito Y. Del Castillo, Hwachang Song “Tabu search based topology modification for reduction of fault current level in power systems” - Dept. of Electrical and Information Engineering, Seoul National University of Science and Technology, Seoul, 139-743, Korea.

3. M. Khorrami, Mohhamad S. Nader, and N. Khalil Nejhad, “Short Circuit Current Level Control and its Effects on Circuit Breakers Transient Studies”, Journal of Electrical Engineering: Theory and Application, vol. 1, 2010, pp. 4-17.

4. Ерошенко С.А., Загидуллин М.Р., Сенюк М.Д., Кузнецов К.А. Инфографика уровней токов коротких замыканий для повышения качества решений по оперативному управлению и развитию энергосистемы региона // Сборник докладов VII Международной молодежной научно-технической конференции “Электроэнергетика глазами молодежи - 2016”

5. Короткие замыкания и выбор электрооборудования: учебное пособие для вузов / И.П. Крючков, В.А. Старшинов, Ю.П. Гусев и др.; под ред. И.П. Крючкова, В.А. Старшинова - М.: Издательский дом МЭИ, 2012.

Размещено на Allbest.ru