Определение надежности режима работы слабых межсистемных связей и методика выбора запасов устойчивости

7.6.1. Надежностью режима работы межсистемной связи называется ее способность обеспечивать продолжительную параллельную работу соединяемых энергосистем без нарушений устойчивости. Одним из существенных факторов, способных оказывать влияние на надежность режима параллельной работы энергосистем, соединяемых слабыми связями, являются превышения предела устойчивости линии электропередачи при нерегулярных колебаниях обменной мощности [Л.8, 9]. Эти превышения и вызываемые ими нарушения синхронизма на слабых связях носят случайный характер. Поэтому задачу оценки надежности режима работы слабых связей в условиях нерегулярных колебаний обменной мощности следует рассматривать как вероятностную*.

________________

* В [Л.12, 13] для решения данной задачи предложено использовать элементы теории случайных процессов. Тем самым задача оценки показателей надежности режима работы слабой связи в условиях нерегулярных колебаний обменной мощности и задача экспериментальной оценки статистических характеристик этих колебаний получили возможность количественного решения.

7.6.2. В качестве основного показателя надежности [Л.12, 13] используется средняя продолжительность безотказной работы - среднестатистическое значение промежутка времени между последовательно возникающими нарушениями устойчивости (отказами в нормальном режиме слабой связи).

7.6.3. Требования к надежности должны основываться на минизации расчетных затрат, т.е. сопоставлении затрат на повышение надежности с достигаемым снижением народнохозяйственного ущерба, вызываемого отказами (нарушениями устойчивости) межсистемной связи. В настоящее время вследствие отсутствия достоверных данных о величине ущерба от нарушений устойчивости такой подход к определению надежности слабых связей неосуществим. Можно считать надежность достаточной, если средняя продолжительность безотказной работы межсистемной слабой связи при плановом потоке мощности составляет не менее одного года*. Для связей, нарушение работы которых не представляет опасности для соединяемых энергосистем, расчетная продолжительность безотказной работы может быть снижена.

_____________

* Имеются в виду отказы, вызванные нерегулярными колебаниями обменной мощности.

7.6.4. С учетом требований надежности коэффициент запаса по статической устойчивости межсистемной связи должен определяться такой величиной, которая отвечала бы определенному уровню надежности. Надежность определяется относительной величиной отстройки среднего значения передаваемой мощности от предела Р_пр

, (7.13)

где s - среднеквадратическое отклонение нерегулярных колебаний мощности.

7.6.5. Рекомендуются две методики вероятностной оценки надежности режима слабой связи в условиях случайных колебаний обменной мощности: методика НИИПТ [Л.14] и методика ВНИИЭ [Л.15]. Эти методики различаются принимаемой моделью процесса нерегулярных колебаний обменной мощности: в [Л.14] этот процесс моделируется марковским стационарным процессом с нормальным распределением вероятности, а в [Л.15] - гауссовским (нормальным) стационарным случайным процессом. Обе методики дают практически совпадающие оценки среднего времени безотказной работы слабой связи и могут быть использованы как для связей, регулируемых вручную, так и для автоматически регулируемых связей. По [Л.14] эффект автоматического регулирования учитывается на стадии статистической обработки экспериментальных данных по колебаниям обменной мощности.

Рис. 7.3. График функции j (х) к расчету вероятностной оценки надежности режима слабой связи

7.6.6. Методика НИИПТ. На рис. 7.3 приведен график функции

, (7.14)

причем средняя продолжительность параллельной работы энергосистем без нарушения устойчивости связана с функцией j (x) следующим соотношением

, (7.15)

где T_p - постоянная времени корреляционной функции K_p (t) колебаний мощности по межсистемной связи

. (7.16)

Для того чтобы определить значение , необходимо располагать двумя параметрами корреляционной функции колебаний обменной мощности по связи: среднеквадратическим отклонением нерегулярных колебаний мощности s и постоянной времени корреляционной функции Т_р. При помощи первой из них из выражения (7.13) по заданным значениям предела статической устойчивости Р_пр и планируемого среднего значения перетока мощности определяется значение отстройки х. Далее для полученного значения отстройки х из графика рис. 7.3 определяется соответствующее значение функции j (х), а из выражения (7.15) с помощью второго параметра корреляционной функции Т_р определяется значение средней продолжительности безотказной работы.

Для работающих связей параметры корреляционной функции s и Т_р могут быть определены статистической обработкой данных измерений обменной мощности. При решении вопросов присоединения изолированно работающей энергосистемы можно определить параметры корреляционной функции случайных колебаний небалансов активной мощности по измерениям случайных колебаний частоты, учитывая существующую связь между корреляционными функциями частоты (индекс " s ") и нагрузки (индекс " н "):

, (7.17, а)

. (7.17, б)

. (7.17, в)

откуда

(7.18)

здесь К_с - коэффициент крутизны статической частотной характеристики энергосистемы (отн.ед.).

Методика экспериментального определения значений К_с, T_s и s _s по регистрациям частоты в энергосистеме изложена в приложении 13. Испытания, проведенные в ряде действующих энергосистем, показывают, что в диапазоне малых отклонений частоты (0,08¸0,12 Гц) значения К_с находятся в пределах 3¸5.

В тех случаях, когда суммарные нагрузки соединяемых на параллельную работу энергосистем различаются более, чем в три раза, можно принимать, что корреляционная функция колебаний обменной мощности по связи совпадает с корреляционной функцией колебаний небаланса активной мощности меньшей из энергосистем, т.е.

(7.19)

При объединении на параллельную работу энергосистем соизмеримой мощности параметры корреляционной функции колебаний обменной мощности по связи могут быть выражены через параметры корреляционных функций колебаний небалансов мощности систем следующим образом:

, (7.20)

, (7.21)

где

, (7.22)

К_сАБ - эквивалентный коэффициент крутизны статической частотной характеристики энергообъединения; А и Б - индексы передающей и приемной энергосистем.

Энергообъединение сложной структуры, когда приемная и передающая его части не являются концентрированными энергосистемами, а содержат, в свою очередь, энергосистемы со слабыми связями, приводится к энергообъединению из двух энергосистем, параметры каждой из которых определяются из выражений

, (7.23)

, (7.24)

. (7.25)

Эквивалентные параметры энергообъединения определяются по формулам (7.22)-(7.24). Во всех формулах суммируются величины, приведенные к базисной мощности [Л.14].

В случае применения автоматического регулирования обменной мощности спектр нерегулируемых колебаний небаланса между суммарной нагрузкой и генерацией содержит относительно быстрые и меньшие по величине колебания, что учитывается соответствующим выбором параметров математического фильтра, при помощи которого производится статистическая обработка экспериментальных записей нерегулярных колебаний мощности на ЦВМ (см. приложение 13). Экспериментальные исследования НИИПТ показывают, что для энергосистем мощностью 3¸20 тыс. МВт можно принимать: = 0,2¸0,4%; Т_р = 0,5¸2,5 мин; при этом зависимость от значения суммарной нагрузки энергосистемы удовлетворительно аппроксимируется выражением, аналогичным (7.5)

или , МВт. (7.26)

Из рис. 7.3 видно, что значение запаса, необходимого для обеспечения , равного одному году, при изменении Т_р = Т_н в пределах 0,5¸1,5 мин изменяется относительно мало и близко к 5 s_рег, где s_рег определяется по формуле (7.26). Поэтому в ориентировочных расчетах можно принимать, что запас устойчивости этих связей на нерегулируемые колебания должен быть порядка х = 5. Вероятность отказа регулятора при этом не принимается во внимание.

7.6.7. Методика ВНИИЭ [Л.15]. Среднее время безотказной работы слабой связи оценивается средним временем между выбросами обменной мощности за относительный уровень (7.15), которое оценивается по следующей формуле

, (7.27)

где n_o - среднее в единицу времени (например, за час) число пересечений нерегулярными колебаниями обменной мощности уровня, равного математическому ожиданию процесса на данном интервале усреднения;

Ф (х) - гауссовское (нормальное) распределение вероятности Ф (х)» 1 при х ³ 2,5.

"Доверительные" оценки s и n_o определяются [Л.16] усреднением результатов, полученных на N часовых интервалах (Т_и = 1 ч), относящихся к характерным областям суточных графиков нагрузки соответствующей энергосистемы или энергообъединения (10 £ N £ 25). Кроме того, определяются зависимости s и n_o от продолжительности интервала усреднения.

Для Т_и = 0,5¸1 ч*

_______________

* По данным экспериментов, выполненных для энергосистем мощностью до 100000 МВт [Л.16, 17].

, МВт (7.28)

с = 0,40¸0,50,

n_o = 15¸25 1/час.

Зависимости этих характеристик от продолжительности интервала усреднения следующие: для t _и от 10 до 60 мин при Т_и = 60 мин

, (7.29)

. (7.30)

Зависимость среднего времени безотказной работы (7.27) от величины отстройки (7.13) показана на рис. 7.4. При n_o = 25 1/ч отстройкам x * = 4,5¸5 соответствует = 1000¸10000 ч. При использовании формулы (7.28) в качестве Р_н подставляется значение суммарной нагрузки меньшей из соединяемых энергосистем или группы энергосистем меньшей мощности по одну сторону от рассматриваемой межсистемной связи. Значение коэффициента с зависит от времени суток и характера графика нагрузки. Рекомендовано принимать с = 0,5 для дневных интервалов от начала утреннего подъема до окончания вечернего спада нагрузки, а для остальных часов - с =0,4. При увеличения мощности энергообъединений сверх 50000 МВт значение коэффициента с может иметь тенденцию к некоторому увеличению. Поэтому в условиях эксплуатации целесообразно уточнять этот коэффициент экспериментальным путем для конкретных условий работы.

________________

* По данным экспериментов, выполненных для энергосистем мощностью до 100000 МВт [Л.16, 17].

Рис. 7.4. Зависимость среднего времени безотказной работы в зависимости от величины отстройки, n_o = 20 1/ч

Указанным значениям отстройки (запаса) в размере (4,5¸5) s (МВт), где s определяется формулой (7.28), соответствует оперативная "ручная" корректировка перетока по слабым связям (в часы стабильной нагрузки), которая производится 1-2 раза в час, а в часы подъема и спада нагрузки энергосистем чаще, в соответствии с фактическим ходом изменения перетока и в зависимости от ответственности данной слабой связи в энергообъединении.

7.6.8. Как видно из сопоставления выражений (7.28) и (7.26), автоматическое регулирование межсистемного перетока снижает нерегулярные колебания обменной мощности. Это позволяет увеличить среднюю передаваемую мощность. Однако отказ по каким-либо причинам регулятора перетока приводит к восстановлению колебания обменной мощности до естественных величин и к увеличению вероятности нарушения устойчивости параллельной работы по данной связи. Выбранная с учетом вероятности отказа регулятора отстройка регулируемого перетока по [Л.16] может быть снижена с 5s до (2-3)s, где значение s определено по формуле (7.28). Такая отстройка предоставляет оперативному персоналу время, достаточное для того, чтобы после отказа регулятора вручную снизить переток и сохранить устойчивость.

Таким образом, исходя из принятых требований надежности, определяемых средней продолжительностью безотказной работы , может быть определен расчетный запас статической устойчивости для автоматических регулируемых и регулируемых вручную слабых межсистемных связей.

7.6.9. Полученная из анализа надежности суммарная отстройка среднего перетока от предела статической устойчивости, равная примерно х _S = 5s, должна быть сопоставлена с рекомендованным выше запасом статической устойчивости: 3s плюс нормативный запас 20%. Допустимая средняя (плановая) нагрузка слабой межсистемной связи определяется большим из сопоставленных запасов.

При этой необходимо учитывать, что в нормальном режиме в случаях, когда это необходимо для предотвращения ограничения потребителей или потери гидроресурсов, допускается длительная работа линии электропередачи с уменьшенным до 5¸10% запасом, в зависимости от ее роли в энергосистеме и последствий возможного нарушения устойчивости. При меньшей отстройке перетока требуется его более частая корректировка. Соответственно, в зависимости от характера использования слабой межсистемной связи, времени, в течение которого должна быть увеличена обменная мощность, и последствий возможного нарушения устойчивости, значение также может быть снижено до нескольких месяцев.

7.6.10. Наряду с нерегулярными колебаниями обменной мощности на надежность режима работы межсистемных слабых связей могут оказывать влияние следующие факторы: внезапные отключения мощных источников энергии или нагрузки в соединяемых энергосистемах, отключения участков или параллельных цепей межсистемных линий электропередачи, понижения напряжения по концам межсистемной связи, изменения частоты энергообъединений [Л.9] и т.п. Вопросы учета вероятностей подобных эксплуатационных возмущений при управлении режимами межсистемных линий электропередачи рассматриваются в [Л.18-20]. Методика расчетов надежности с учетом основных влияющих факторов изложена в [Л.21]; эта методика может быть рекомендована пока лишь для опытного применения.