На правах рукописи

Баасан Бат-Ундрал

МЕТОДЫ КОМПЛЕКСНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ НОРМАЛЬНЫХ И ПОСЛЕАВАРИЙНЫХ

РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

С РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИЕЙ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции

и энергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Иркутск 2009

Работа выполнена на кафедре электроснабжения и электротехники Иркутского государственного технического университета (ИрГТУ)

Научный руководитель чл.-корр.РАН, доктор технических наук,

профессор

Воропай Николай Иванович

Официальные оппоненты доктор технических наук

Крюков Андрей Васильевич

кандидат технических наук

Войтов Олег Николаевич

Ведущая организация - Институт социально-экономических и

энергетических проблем Севера УрО РАН

Защита состоится 1 декабря 2009г. в 14-оо на заседании диссертационного совета Д003.017.01 при Институте систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, к.355.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью составителя, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 664033, Иркутск, ул. Лермонтова, 130, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета, доктор технических наук,

профессор А.М. Клер

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Энергетические проблемы в последние годы стали одними из важнейших мировых проблем, которые непосредственным образом затрагивают многие страны. Ограничения в наращивании генерирующих и передающих мощностей с использованием традиционных применяемых технологий сдерживают не только развитие промышленности, но и социальное развитие. Во многих развитых странах стремятся использовать распределенную генерацию - малые генерирующие источники, подключаемые к распределительной электрической сети. Для развивающихся стран использование распределенной генерации имеет огромное значение также и как автономный источник энергии для удаленных от основных сетей районов сельской местности.

Подключение распределенных систем генерации к основной сети позволяет создавать решения, отвечающие требованиям конкретных потребителей. Кроме того, распределенная генерация имеет некоторые другие положительные качества и может работать в двух режимах:

параллельно с основной сетью. При нормальном режиме распределенная генерация генерирует электроэнергию, параметры которой полностью соответствующим основной сети. При аварии, т.е. при отключении от основной сети распределенная генерация переходит в автономный режим работы;

полностью автономно. В местах, где отсутствует основная сеть, распределенная генерация покрывает оперативные и долгосрочные потребности в энергии, параметры которой соответствуют потребностям нагрузки конкретного оборудования.

Распределенная генерация в распределительной сети меняет характеристики перетоков, что создает дополнительные проблемы в аварийных ситуациях, в работе системной защиты. Появление распределенной генерации в распределительной сети придает ей новые свойства, но и создает новые проблемы. Одна из важных проблем - управление нормальными и аварийными режимами систем электроснабжения. Требуется разработка новых методов для анализа режимов работы систем электроснабжения, включающих распределенную генерацию, их надежности, устойчивости и т.п. Среди всего большого комплекса задач важное значение имеют задачи исследования нормальных и послеаварийных режимов систем электроснабжения, содержащих распределенную генерацию, и управления этими режимами. Перечисленными важнейшими проблемами определяется актуальность настоящего диссертационного исследования.

Целью работы является разработка технологии комплексного управления нормальными и послеаварийными режимами систем электроснабжения с распределенной генерацией. В соответствии с целью были поставлены и решены следующие задачи:

1) Разработка метода оптимальной с точки зрения минимума потерь реконфигурации распределительной электрической сети, включающей распределенную генерацию;

2) Разработка алгоритма выделения лостровов в распределительной сети с распределенной генерацией при потере основного пункта питания;

3) Разработка интервального метода расчета установившегося режима системы электроснабжения с распределенной генерацией с использованием алгоритма обратного/прямого хода;

4) Разработка алгоритма многокритериального выбора решения с учетом требований нормального и послеаварийного режимов;

5) Исследование разработанных методов и алгоритмов на схеме ЭЭС Центрального района Монголии.

Для решения поставленных в диссертации задач применены: комплексный системный анализ, методы выбора решений, методы расчета и оптимизации режимов радиальных систем электроснабжения, эвристические методы.

В диссертации получены и выносятся на защиту следующие научные результаты:

- технология комплексного управления нормальными и послеаварийными режимами систем электроснабжения с распределенной генерацией при рассмотрении задачи как многокритериальной с использованием различных методов для решения отдельных задач;

- метод управления нормальными режимами распределительной электрической сети с распределенной генерацией путем реконфигурации сети с использованием алгоритма колонии муравьев при обеспечении минимума потерь мощности и соблюдении требуемых границ изменения напряжений и токов;

- алгоритм управления послеаварийными режимами при обеспечении минимума дефицита мощности в результате потери основного пункта питания путем выделения лостровов;

- интервальный метод расчета установившегося режима системы электроснабжения с распределенной генерацией на основе алгоритма обратного/прямого хода;

- алгоритм многокритериального выбора решений с учетом требований нормального и послеаварийного режимов на основе метода последовательных уступок.

Использование полученных в работе результатов обеспечит повышение эффективности работы распределительных сетей, даст возможность комплексно управлять нормальными и послеаварийными режимами распределительной сети, включающей распределенную генерацию.

Основные положения диссертации и отдельные ее части докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции УПовышение эффективности производства и использование энергии в условиях СибириФ, Иркутск, 2007 г. и 2008 г.; Международном научном семинаре им. Ю.Н.Руденко Методические вопросы исследования надежности больших систем энергетики, Иркутск, 2008г. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе одна работа в реферируемом издании из списка ВАК.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении изложена актуальность изученной темы, сформулированы цель и задачи исследований. Дано основное содержание данной диссертационной работы.

Первая глава посвящена анализу проблем исследования и управления системами электроснабжения, включающими распределенную генерацию.

Энергетический кризис семидесятых годов XX века привел к тому, что в западных странах перестала наблюдаться тенденция к максимальной централизации электроснабжения. С этого периода начала интенсивно развиваться распределенная генерация. Источники распределенной генерации базируются на энергетических установках, использующих процессы сжигания топлив (мини газотурбинные и парогазовые установки, установки на биомассе и др.), а также возобновляемые природные ресурсы (мини-ГЭС, ветроустановки и др.). При работе в системе распределенная генерация подключается на низких напряжениях (6-10-35 кВ) в распределительной сети. Подключение распределенной генерации к распределительной сети имеет положительное влияние на ее свойства, но наряду с этим создает новые проблемы, с которыми приходится сталкиваться при управлении режимами системы электроснабжения с распределенной генерацией.

Распределительная электрическая сеть бывает неравномерно загружена, следовательно, нуждается в корректировке потокораспределения, которая может быть достигнута путем соответствующей реконфигурации сети. Реконфигурация является процессом изменения конфигурации распределительной сети изменением положения коммутационных аппаратов (recloser), при этом меняется состояние сети. Реконфигурация сети необходима для минимизации потерь, переключения нагрузки с одного фидера на другой, улучшения уровней напряжения и устойчивости, выделения аварийных участков линии.

Установки распределенной генерации могут быть размещены оптимально в точках, где они обеспечивают наилучшее уменьшение потерь в распределительной сети. При правильном расположении установок распределенной генерации потери мощности могут снизиться.

Островной режим является одним из важных послеаварийных режимов распределительной сети с распределенной генерацией. При наличии напряжения в сети распределенная генерация генерирует электроэнергию с параметрами, полностью соответствующим сетевым. При потере электроснабжения от питающей подстанции основной сети имеется возможность выделить установку распределенной генерации на близкую по мощности нагрузку, что обеспечит электроснабжение прежде всего ответственных потребителей. В случае аварии в основной сети распределенная генерация переключается в автономный режим и следует за параметрами нагрузки.

Распределенная генерация вносит большие изменения в сетевую конфигурацию и режимы, в результате требования к традиционной защите и управляющей системе изменяются. В настоящее время стандарты на подключение распределенной генерации к системе электроснабжения по большой части основаны на принципе, что распределенная генерация не должна влиять на нормальное исполнение действий защиты и управление системой.

Распределенная генерация является практически рациональным вариантом обеспечения надежности электроснабжения в зонах централизованной энергетики. Главным средством повышения надежности является структурное резервирование. Резервная электростанция или резервный электроагрегат в локальной зоне, требующей повышенной надежности, легко решает эту задачу.

В различных задачах расчет установившегося режима электрической системы имеет важную роль. Радиальные электрические сети имеют некоторые особенности, которые делают возможным использование более простых методов, чем для сложнозамкнутых электрических сетей. Для радиальных электрических сетей более эффективными являются методы, учитывающие топологическую специфику таких сетей. Наибольшее распространение получил метод обратного/прямого хода (backward/forward method), позволяющий решать задачу расчета установившегося режима радиальной электрической сети при достаточно полном его математическом описании.

В данной главе приведен обзор методов реконфигурации распределительных электрических сетей с распределенной генерацией, методов выделения лостровов при потере пункта питания от основной электрической сети, методов многокритериального выбора решений применительно к проблемам систем электроснабжения. На основе этого сформулирована постановка задач диссертации.

Вторая глава посвящена методическим основам и методам комплексного управления нормальными и послеаварийными режимами систем электроснабжения с распределенной генерацией. Наличие распределенной генерации позволяет облегчить поддержание уровней напряжений в узлах распределительной электрической сети, уменьшить потери активной и реактивной мощности в сети, обеспечить более высокий уровень надежности электроснабжения потребителей за счет сохранения питания некоторых потребителей от распределенной генерации при аварийном отключении основного пункта питания системы электроснабжения.

С учетом этого возникает важная проблема координации управления нормальными режимами распределительной электрической сети с распределенной генерацией путем реконфигурации сети при обеспечении минимума потерь мощности и соблюдении требуемых границ изменения напряжений и токов, а также управления послеаварийными режимами при обеспечении минимума дефицита мощности в результате потери основного пункта питания путем формирования лостровов. Подобная многокритериальная проблема не всегда может быть сведена к однокритериальной постановке. В данной работе эта проблема решается методом последовательных уступок, при этом для реконфигурации распределительной сети использован метод колонии муравьев, выделение лостровов осуществляется путем формирования ячеек.

Общий подход к координации управления нормальными и послеаварийными режимами распределительной электрической сети, включающей распределенную генерацию, заключается в следующем.

В нормальных режимах целью управления является реконфигурация распределительной сети путем размыкания контуров, при этом в качестве критерия рассматривается минимум потерь активной мощности в сети

(1)

где - множество рассматриваемых нормальных режимов в соответствии с графиками нагрузки потребителей и загрузкой установок распределенной генерации; - число ветвей в сети;, - активное сопротивление и ток в ветви для режима.

В послеаварийном режиме при потере основного пункта питания возникает задача обеспечения электроэнергией ответственных потребителей путем выделения лостровов (islanding), включающих установки распределенной генерации, работающие на сбалансированную нагрузку. Критерием при выделении лостровов является минимум дефицита мощности в послеаварийных режимах

(2)

где - множество рассматриваемых послеаварийных режимов при потере основного пункта питания; - нагрузка в узле сети в нормальном режиме ; - нагрузка в узле в послеаварийном режиме части сети, включающей узлов, принадлежащих всем лостровам; - число узлов сети.

В процессе координации управления нормальными и послеаварийными режимами распределительной электрической сети важной задачей является проверка выполнения ограничений по уровням напряжений в узлах и токов в ветвях сети, как в нормальных, так и в послеаварийных режимах

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)