Размещено на http://www.allbest.ru/

Определение оптимального способа анализа электрических режимов и выбор средств снижения несимметрии напряжений в районах с высокой долей потребления электроэнергии тяговой нагрузкой

О.С. Стремилова 1, И.М. Кац 2, В.В. Дикович 3, П.Б. Завьялов 4

1,2 ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Томск, Россия

3 Филиал АО «СО ЕЭС» Бурятское РДУ Улан-Удэ, Россия

4 Филиал АО «СО ЕЭС» Забайкальское РДУ Чита, Россия

Аннотация

На примере характерного участка проанализированы способы учёта тяговой нагрузки при моделировании электрических режимов. Сформулированы принципы определения наиболее неблагоприятных с точки зрения несимметрии напряжений режимов. Определено влияние различных технических средств на снижение несимметрии напряжения.

Ключевые слова -- анализ электрических режимов, тяговые потребители электроэнергии, несимметрия напряжений, устройства компенсации реактивной мощности, FACTS.

Abstract

The article analyzes registration methods of traction load influence to the electrical mode simulation process. The authors define determination principles for the most unfavorable modes from the perspective of voltage unbalance. The research reveals an impact of various technical tools on voltage unbalance reduction.

Keywords -- analysis of electrical modes, electrically propelled vehicles, voltage unbalance, reactive-power compensation devices, FACTS.

Введение

Негативное влияние тяговой нагрузки на режим работы электроэнергетических систем (ЭЭС) возрастает в случаях, когда потребление электроэнергии электроподвижными составами занимает большую долю от общего потребления в энергорайоне, а источник питания, например электростанция, значительно удален от источника несимметрии. К таким участкам относятся система внешнего электроснабжения (СВЭ) Байкало-Амурской магистрали, восточный транзит 220 кВ Забайкальской энергосистемы и т.д.

Несогласованность действий основных потребителей электроэнергии и энергоснабжающих организаций является основной причиной, по которой учет тяговой нагрузки и ее влияние на электрический режим осуществляется приближенно. Это приводит к неверным расчётам электрических режимов, и, как следствие, к частому срабатыванию защит, непредвиденному отказу оборудования и перерывам в электроснабжении потребителей. Во избежание этого необходимо рассмотреть способы анализа электрических режимов с учётом тяговой нагрузки и предложить меры по снижению несимметрии напряжений в питающей сети.

Целью данной работы является исследование влияния тяговой нагрузки на электроэнергетический режим транзита 220 кВ ПС Холбон - ПС Могоча Забайкальской энергосистемы и определение оптимального способа анализа электрических режимов с учетом тяговой нагрузки, а так же выбор средств снижения несимметрии напряжений.

тяговый нагрузка электрический режим

Описание характерного энергорайона и расчетной модели

Транзит 220 кВ ПС Холбон - ПС Могоча, схема которого представлена на Рис.1, входит в Юго-Восточный энергорайон Забайкальской энергосистемы и представляет собой сеть узловых и опорных подстанций. Наиболее крупными из них являются ПС 220 кВ Холбон, ПС 220 кВ Зилово, ПС 220 кВ Могоча. Общая протяженность транзита составляет 413 км. В случае отсутствия работы Забайкальского преобразовательного комплекса (ЗабПК) на ПС 220 кВ Могоча ближайшим источником электрической энергии является Харанорская ГРЭС.

Данный участок энергосистемы характеризуется значительным влиянием тяговой нагрузки на электрический режим. В 2016 г. на данном участке Забайкальской ЭЭС доля потребления электрической энергии железнодорожным транспортом составила 61 % от общего потребления в этом районе. Также в Забайкальской ЭЭС в целом наблюдается рост тяговой нагрузки. С 2013 г. по 2016 г. доля потребления Забайкальской железной дороги увеличилась с 34% до 37,9 % от общего потребления электроэнергии в крае. [1]

Основными проблемами, вызванными несимметрией токов и напряжений, являются:

* останов поездов на перегоне;

* нарушение режимов работы золотодобывающего предприятия ЗАО «Рудник Александровский»;

* отключение преобразователей напряжения (ПН) Забайкальского преобразовательного комплекса (ЗабПК);

* отключение блоков Харанорской ГРЭС ТЗОП;

* перегрузка/снижение напряжения и выход из строя/отключение электрооборудования в сетях 110 кВ и ниже.

Для регулирования напряжения на участке ПС 220 кВ Холбон - ПС 220 кВ Могоча установлены СКРМ: нерегулируемые ШР на ПС 220 кВ Бушулей и ПС 220 кВ Урюм, а так же тиристорные компенсаторы реактивной мощности (ТКРМ) и устройства СТАТКОМ на ПС 220 кВ Могоча. Устройства СТАТКОМ, входящие в состав ЗабПК, оказывают благоприятное влияние на электрический режим. Стоит отметить, что алгоритм работы ЗабПК в режиме СКРМ и ВПТ не включает в себя компенсации обратной последовательности.

Выбор метода расчета

В районах с высокой долей тяговой нагрузки очень остро стоит вопрос совместного учёта систем тягового электроснабжения (СТЭ) и СВЭ. Стоит отметить, что в проектных организациях железнодорожного транспорта и службах электроснабжения железных дорог зачастую СТЭ рассматривают отдельно от СВЭ. А при моделировании электрических режимов тяговая нагрузка принимается эквивалентной трехфазной. Оба этих фактора приводят к ряду негативных последствий, рассмотренных выше.

Для исследования рассматриваемой проблемы использовался метод имитационного моделирования в ПК Matlab Similink. В ходе расчета электрических режимов транзита 220 кВ ПС Холбон - ПС Могоча был смоделирован рассматриваемый энергорайон. В качестве исследуемой была принята нормальная схема электрических соединений. Работа ЗабПК в предварительном анализе не рассматривалась. Точка раздела между ОЭС Сибири и ОЭС Востока расположена на ПС 220 кВ Могоча. В модели были учтены параметры линий, трансформаторов, фазировки подключения тяговых подстанций к внешней сети. Для более корректной оценки влияния тяговой нагрузки на режим транзита была также смоделирована СТЭ от ПС 220 кВ Чита-1 до ПС 110 кВ Могоча, а так же выполнено моделирование генерирующего оборудования Харанорской ГРЭС и Читинской ТЭЦ-1.

Рис.1. Упрощенная схема транзита 220 кВ ПС Холбон - ПС Могоча

Модель контактной сети была построена в соответствии с [2] и [3]. Тяговые нагрузки были приняты для типовых поездов, имеющих веса 4500, 6300, 6800, 7100 и 12000 тонн. Усредненная мощность электровозов, проходящих по данному участку железной дороги, с учетом рекуперации составляет 3 МВт. Средний межпоездной интервал равен 25 минутам. Средний коэффициент мощности равен 0,8.

Для расчета СТЭ используются методы, основанные на использовании заданного графика движения, метод равномерно распределенной нагрузки и метод расчета по заданным размерам движения. Однозначно невозможно сказать какой метод расчета СТЭ и СВЭ является наиболее приемлемым, поэтому было решено провести эксперименты, используя методы равномерно распределенной нагрузки, метод характерного сечения графика движения и вероятностный метод расчета.

Рассмотрим метод равномерно распределенной нагрузки по транзиту. Для начала определим влияние места нахождения нагрузки на коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (К2U). В качестве нагрузки примем единичный поезд мощностью 26 МВт, установленный в начале, середине или конце каждой межподстанционной зоны (МПЗ). Результаты моделирования представлены на Рис.2.

Рис. 2. Распределение уровня K2U(%) по транзиту 220 кВ при разном расположении поездов

Согласно полученным результатам расчетов, представленных на Рис. 2, наименее благоприятным режимом является нахождение поезда в начале каждой межподстанционной зоны.

Далее, проведем исследование влияния мощности поезда на К2U. В качестве нагрузки рассматривались единичные поезда мощностью 6, 13 и 26 МВт, установленные в начале каждой МПЗ. Результаты моделирования представлены на Рис.3.

Рис. 3. Распределение уровня K2U(%) по транзиту 220 кВ при разной мощности поездов, находящихся в начале МПЗ

Полученные результаты показали, что увеличение мощности подвижного состава приводит к увеличению уровня несимметрии. Так же можно отметить, что при равномерной загрузке транзита коэффициент несимметрии по обратной последовательности удовлетворяет требованиям.

Также в работе был рассмотрен метод характерного сечения графика движения. Для этого была выполнена неравномерная загрузка транзита в соответствии с графиком движения поездов для случаев больших и малых межпоездных интервалов с количеством 29 и 55 поездов. Результаты моделирования представлены на Рис.4.

Рис. 4. Распределение уровня K2U(%) по транзиту 220 кВ при загрузке транзита в соответствии с графиком движения

Как видно из Рис. 4, в рассматриваемых случаях коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности отличается незначительно. Стоит отметить, что при высокой загрузке транзита наблюдается отклонение напряжений ниже аварийно допустимых значений.

Для использования вероятностного метода необходимо определить закон распределения нагрузки. Анализ справочных данных показал, что тяговая нагрузка распределена по нормальному закону распределения [2]. Для задания закона распределения нагрузки необходимо знать его параметры: математическое ожидание величины и её среднеквадратическое отклонение. Для вычисления математического ожидания необходимо оценить число поездов, одновременно находящихся на участке, их единичную мощность и межпоездной интервал (указаны выше). Число поездов можно определить согласно (1). Средняя скорость поезда выбрана согласно исследованиям, проведенным в [5].

(1)

где Li - длина межподстанционной зоны, км;

v - средняя скорость поезда, км/ч;

? - средний межпоездной интервал, мин.

За среднеквадратическое отклонение была принята мощность единичного локомотива.

При проведении исследований использовался метод Монте-Карло. Согласно [6], при его использовании необходимо определить требуемое число опытов, которое позволит получить результаты моделирования нагрузки с заданной доверительной вероятностью. Как показали расчеты, для получения результатов с доверительной вероятностью 0,95 и точностью 0,1, необходимо провести 600 опытов.

На Рис. 5 и 6 приведены результаты моделирования рассматриваемого энергорайона при вероятностном подходе к заданию тяговой нагрузки. Как видно из Рис. 5, закон распределения К2U подчиняется нормальному закону. Аналогичная ситуация наблюдается и для отклонений напряжения в узлах, а так же токов обратной последовательности электростанций. Основным преимуществом данного подхода является возможность оценки не только влияния единичных тяговых потребителей на режим работы СВЭ, но и сочетаний вариантов потребления электрической энергии в различных межподстанционных зонах, что в свою очередь, как видно из Рис. 6, оказывает значительное влияние на результаты расчета распределения К2U. Также, предложенный подход позволяет оценить, какие из вариантов потребления нагрузки являются наиболее вероятными и учесть тот факт, что нагрузка поезда при его движении по пути является переменной величиной и зависит от большого числа факторов.

Рис. 5. Гистограмма частот появления случайной величины для К2U на ПС 220 кВ Могоча

Рис. 6. Распределение коэффициента несимметрии по обратной последовательности по транзиту для 600 опытов

Выбор средств компенсации

В работе также были рассмотрены методы компенсации несимметрии напряжений для наиболее вероятных K2U на транзите. В качестве средств компенсации было рассмотрено применение УПК со стороны 25 кВ, включенных последовательно с тяговыми трансформаторами и включенных последовательно с рельсом. Так же в качестве средств компенсации рассмотрено применение СТАТКОМ на ПС 220 кВ Могоча с симметрирующим алгоритмом и без него. Система управления СТАТКОМ подробно изложена в [7]. Результаты моделирования приведены на Рис. 7.

Рис. 7. Распределение коэффициента несимметрии по обратной последовательности по транзиту при применении различных средств снижения несимметрии

Как видно из Рис.7, наиболее эффективным является применение устройства СТАТКОМ с алгоритмом симметрирования в конце транзита.

Заключение

В работе были рассмотрены основные методы расчёта СТЭ, так же обращается внимание на совместное моделирование СТЭ и СВЭ. В качестве наиболее эффективного и информативного метода анализа СТЭ и СВЭ выбран вероятностный метод моделирования нагрузки (расчёт по заданным размерам движения). Данный подход позволяет оценить вероятности возникновения различных режимных ситуаций, проанализировать их влияние на энергосистему.

Так же были рассмотрены способы симметрирования нагрузки. Стоит отметить, что УПК, предлагаемые тяговыми потребителями для решения проблемы останова поездов в перегонах, поддерживают напряжение в сети 25 кВ, однако, практически не влияют на проблемы качества электроэнергии в СВЭ.

Наиболее эффективным признан метод коррекции системы управления ЗабПК с добавлением алгоритма симметрирования в режимах СКРМ.

Список литературы

1. СИПР Забайкальского края на период 2018-2022 годов. Утвержден 30 апреля 2017 года. - Чита. - 316с.

2. Маквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог - М.: Трансжелдориздат, 1982 - 528 с.

3. Тер-Оганов Э.В. Электроснабжение железных дорог: учеб. для студентов университета (УрГУПС)/ Э.В. Тер-Оганов, А.А. Пышкин. - Екатеринбург:УрГУПС,2014 - 432 с.

4. ГОСТ 32144 - 2013. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначении. М., 2014 - 20 с.

5. Мехедов М.И. Методика оценки факторов, определяющих стабильность пропуска грузовых поездотоков на грузонапряженных направлениях: диссертация на соискаание ученой степени кандидата технических наук: 05.22.08: защищена 15.02.17:утв. 10.03.2017/ Мехедов Михаил Иванович. - Москва, 2016 - 143 с.

6. Вентцель Е.С.Исследование операций. М.: Наука, 1980.

7. Дикович В.В. Выбор методов и средств снижения несимметрии напряжений в восточной части ОЭС Сибири/ В.В. Дикович, И.М. Кац, О.С.Стремилова// Проблемы энергетики. - 2016. - № 9-10. - С.66-72

Размещено на Allbest.ur