Анализ условий функционирования будущей электроэнергетической системы при рассматриваемом сценарии ее развития

Page 1

Page 2

энергоснабжение

Анализ условий
функционирования будущей
электроэнергетической
системы при рассматриваемом
сценарии ее развития

УДК 620.9:621.311

Воропай

д.т.н., чл.-корр. РАН, научный

руководитель института ИСЭМ

СО РАН

Ефимов

к.т.н., доцент, старший научный

сотрудник ИСЭМ СО РАН

Домышев

научный сотрудник ИСЭМ СО РАН

Осак

научный сотрудник ИСЭМ СО РАН

Панасецкий

научный сотрудник ИСЭМ СО РАН

Обсуждается

методология

анализа

условий

функционирования

будущих

электроэнергетических

систем

(

ЭЭС

)

при

обосновании

их

развития

учетом

трансформации

структуры

свойств

ЭЭС

обосновывается

необходимость

кор

ректировки

нормативных

требований

по

обеспечению

устойчивости

ЭЭС

по

конкретным

предлагаемым

направлениям

Дается

описание

моделей

методов

для

анализа

условий

функционирования

будущих

ЭЭС

их

реализации

про

граммно

вычислительном

комплексе

АНАРЭС

Приводится

иллюстрационный

пример

оценки

режимной

надежности

ЭЭС

Ключевые

слова

электроэнергетическая система,

обоснование развития, анализ

условий функционирования, устой-

чивость, режимная надежность,

нормативные требования, модели

и методы

етодология обоснования развития электроэнер-

гетических систем (ЭЭС) включает в качестве

обязательного этапа анализ условий функциони-

рования (работоспособности) системы для опти-

мального с точки зрения заданных критериев сценария ее

развития [1]. Этот анализ выполняется для так называемых

расчетных условий функционирования ЭЭС (нормальных,

послеаварийных и ремонтных режимов, устойчивости и т.п.),

заданных нормативными документами (одним из основных

является [2]) и включающих приемлемые (в допустимых

пределах) значения параметров режима и других принятых

показателей, обеспечиваемые при необходимости соответ-

ствующими управляющими воздействиями.

В нынешней ситуации задачи анализа условий функцио-

нирования будущих ЭЭС приобретают особую важность по

следующим причинам [1]:

а) снижается мотивация у генери рующих и электросетевых

компаний для введения достаточных для поддержания

надежности резервов генерирующих мощностей, а также

строительства дополнительных электри ческих связей

для обес печения устойчивости ЭЭС; в то же время из-

за несовершенства экономических и регуляторных ме-

ханизмов не выводятся из работы устаревшие агрегаты

электростанций, составляя внушительную величину не-

работающих генерирующих установок, на поддержание

работоспособного состояния которых затрачиваются

значительные финансовые средства;

б) усложняются и утяжеляются режимы работы ЭЭС из-

за роста противоречий между независимыми энергети-

ческими компаниями вследствие конкуренции, наличия

множества конкретных договорных отношений между

субъектами электроэнергетических рынков, которые

сложно координировать, и т.п.;

Page 3

в) существенно усложняется управление режима-

ми ЭЭС вследствие утяжеления и усложнения

режимов, возрастания противоречий между

субъектами управления, многократного возрас-

тания объема перерабатываемой информации,

недостаточной проработанности принципов

управления режимами ЭЭС в конкурентных

усло виях;

г) существенно услож няется и изменяется систе-

ма требований, стандартов, правил, средств

и мероприятий по обеспечению надежности

и устойчивости ЭЭС в новых условиях.

Далее в статье обсуждаются основные поло-

жения «Методических указаний по устойчивости

энергосистем» [2] и формулируются предложения

по развитию этого стандарта, приводится краткое

описание моделей и методов для анализа усло-

вий функционирования ЭЭС в части обеспечения

допустимости режимов и устойчивости системы,

приводится пример анализа режимной надежности

реальной ЭЭС.

НОРМАТИВНЫЕ

ТРЕБОВАНИЯ

ПО

УСТОЙЧИВОСТИ

ЭЭС

ПРЕДЛОЖЕНИЯ

ПО

ИХ

КОРРЕКТИРОВКЕ

Нормативные требования по устойчивости ЭЭС

эпизодически корректируются с учетом видоизме-

нения систем по мере их развития, а также нако-

пления опыта исследований при проектировании

и эксплуатации ЭЭС. Тем не менее, последняя

версия «Методических указаний по устойчивости

энергосистем» [2], претерпев незначительные

корректировки, как и предыдущие версии, от-

ражает сформулированную десятилетиями иде-

ологию, связанную с требованием выполнения

нормативных запасов по статической устойчиво-

сти с проверкой динамической устойчивости при

определении допустимых по устойчивости ре-

жимов ЭЭС для заданных расчетных условий ее

функционирования. При этом расчетные условия

включают расчетные схемы ЭЭС (нормальная,

ремонтные, послеаварийные), характерные рас-

четные режимы работы системы (например, ре-

жим зимнего максимума нагрузки рабочего дня,

режим летнего ночного минимума нагрузки и дру-

гие в зависимости от конкретных условий), рас-

четные возмущения различных типов и тяжести,

характерные наложения перечисленных видов

расчетных условий.

Принимается допущение о том, что если устой-

чивость ЭЭС обеспечивается для заданных рас-

четных условий, она обеспечивается для всех

условий работы системы (схем, режимов, возму-

щений, их сочетаний), при необходимости с учетом

действия средств противоаварийного управления.

Если устойчивость ЭЭС для заданных расчетных

условий не обеспечивается, производится коррек-

тировка исследуемого варианта развития системы,

после чего анализ ее условий функционирования

повторяется. Этот итерационный процесс завер-

шается при удовлетворении нормативных требова-

ний по устойчивости ЭЭС в рассматриваемом сце-

нарии ее развития.

Сложившаяся идеология, заложенная в [2],

и поддерживаемые ею конкретные нормативные

требования по обеспечению устойчивости ЭЭС,

как показывает анализ, недостаточно учитывают

наметившиеся уже сейчас тенденции радикаль-

ного изменения структуры и свойств ЭЭС [3]. Эти

тенденции в будущем могут проявиться более

определенно, поэтому в [4] предлагается прове-

сти специальные исследования по анализу факто-

ров, определяющих необходимость корректировки

«Методических указаний по устойчивости энерго-

систем» как в части общей идеологии, так и в отно-

шении имеющихся и новых конкретных норматив-

ных требований.

С учетом изложенного в [4] предлагается оце-

нивать уровень устойчивости ЭЭС по условиям

динамической устойчивости, имея ввиду, что ста-

тическая устойчивость системы должна обеспечи-

ваться как в доаварийном, так и в послеаварийных

режимах. Кроме того, при определении динамиче-

ской устойчивости ЭЭС требуется недопущение

асинхронного режима и несанкционированного от-

ключения нагрузки, не связанного с работой про-

тивоаварийной автоматики по противодействию

каскадному развитию аварии. При этом динами-

ческая устойчивость ЭЭС должна обеспечиваться

не только для нормативных наиболее типичных

расчетных возмущений, например, перечисленных

в [2], но и для утяжеленных аварийных возмущений,

представляющих собой начальную стадию каскад-

ного развития аварии. Таким образом, требования

к надежности ЭЭС по усло виям устойчивости в [2]

предлагается сформулировать в двух аспектах:

обеспечение динамической устойчивости системы

с учетом действия противоаварийной автоматики

предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ);

предотвращение каскадного развития аварии сред-

ствами обеспечения живучести ЭЭС. Основания

для такой корректировки нормативных требований

по устойчивости ЭЭС представлены в [4].

Предложенный в [4] подход соответствует объ-

ективному положению о том, что устойчивость ЭЭС

при возмущении определяется статической устой-

чивостью послеаварийного режима и устойчиво-

стью динамического перехода к нему. Очевидно

также требование статической устойчивости до-

аварийного режима системы.

Анализ реальной загрузки межсистемных свя-

зей ЕЭС России, показывает, что по большинству

направлений имеющиеся пропускные способности

существенно недоиспользуются, в то же время по

некоторым связям возникают перегрузки в опре-

деленных режимах. Это свидетельствует о целе-

сообразности вариативного подхода к требуемым

запасам пропускной способности межсистемных

связей в зависимости от конкретных условий в от-

личие от унифицированного подхода, например,

обеспечивать 20% запаса в нормальном режиме

для всех случаев [5].

№

6 (63) 2020

Page 4

Для перспективных схем ЭЭС необходимо иметь

в виду возможность кратковременного (на время

существования аварийного режима) повышения

пропускной способности связей за счет повышения

уровня напряжений в связываемых ими узлах при

использовании устройств FACTS [6].

Принципиально важной является рекомендация

рассматривать в качестве расчетных утяжелен-

ные аварийные возмущения, отражающие в виде

нескольких событий начальную стадию каскадно

развивающегося процесса. Исследования такого

рода предпринимались еще в 1980-е годы [7]. Ста-

тистика 1970–1980-х годов для ЕЭС СССР [8, 9],

а также причины каскадных аварий в ЕЭС России

в последние годы [10] свидетельствуют о важности

рассмотрения таких утяжеленных возмущений. Ак-

туальность анализа живучести ЭЭС при каскадно

развивающихся аварийных процессах подтвержда-

ется ростом последствий таких аварий для потре-

бителей и системы (см. статистику ЭЭС США и Ка-

нады за 1991–2005 годы в [11]).

Наряду с нормативными требованиями устой-

чивости по напряжению в узлах нагрузки следует

рассматривать требования системной устойчиво-

сти по напряжению. Применительно к ЕЭС России

это актуально для систем электроснабжения ме-

гаполисов, имеющих сложнозамкнутую структуру

электрической сети при достаточно коротких лини-

ях, что подтвердила Московская системная авария

2005 года [12, 13].

МОДЕЛИ

МЕТОДЫ

ДЛЯ

АНАЛИЗА

УСЛОВИЙ

ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

ЭЭС

Отметим, что разработанные модели и методы для

анализа условий функционирования ЭЭС учитывают

возможности исследования как действующих норма-

тивных требований, так и новых факторов, отража-

ющих трансформацию структуры и свойств систем.

Оценка динамической устойчивости для каждого

сочетания расчетных условий выполняется путем

расчета переходного процесса во времени при ис-

пользовании динамической модели ЭЭС, в общем

виде записываемой как

(

)),

(1)

0 =



(

)),

где

= {

} — параметры расчетной схемы

расчетного доаварийного режима

и расчетного

возмущения

;

— управляющие воздействия для

обеспечения устойчивости ЭЭС, включающие как

нормативные управляющие воздействия, предус-

матриваемые «Методическими указаниями по про-

ектированию развития энергосистем» [14], а также

требованиями [2], так и необходимые дополнитель-

ные управляющие воздействия, обеспечивающие

сохранение устойчивости ЭЭС;

— текущие пере-

менные режима ЭЭС в переходном процессе.

В ходе расчета переходного процесса в ЭЭС

параметры расчетной схемы

(

) и управляющие

воздействия

(

) изменяются во времени в соответ-

ствии с заданными алгоритмами.

Помимо рассмотренной задачи имитации пе-

реходного процесса в ЭЭС для обеспечения ди-

намической устойчивости системы должна быть

выполнена оценка ее статической устойчивости

в доаварийном, а также послеаварийном режиме,

к которому придет система в результате динами-

ческого переходного процесса. Для оценки стати-

ческой устойчивости ЭЭС используется линеари-

зованная модель на основе (1), положение корней

характеристического уравнения которой на плоско-

сти корней в соответствии с теоремой А.М. Ляпу-

нова об устойчивости «в малом» позволяет судить

о статической устойчивости ЭЭС [15].

Рекомендации на основании исследований

устойчивости будущей ЭЭС связаны, главным об-

разом, с корректировкой схемы электрической сети,

исходя из оценки предельных по устойчивости

перетоков по контролируемым сечениям, а также

с размещением и объемами управляющих воздей-

ствий для обеспечения допустимости нормальных

и послеаварийных режимов и противоаварийного

управления режимами системы.

ПРОГРАММНАЯ

РЕАЛИЗАЦИЯ

МОДЕЛЕЙ

МЕТОДОВ

РАСЧЕТА

РЕЖИМОВ

ОЦЕНКИ

УСТОЙЧИВОСТИ

РЕЖИМНОЙ

НАДЕЖНОСТИ

ЭЭС

Рассмотренные модели и методы реализованы

в программно-вычислительном комплексе (ПВК)

АНАРЭС [16]. На базе ПВК АНАРЭС разработаны

методика и программа оценки режимной надеж-

ности ЭЭС с использованием метода Монте-Карло

[17]. Основные характеристики методики и програм-

мы включают:

– представление ЭЭС в виде электрической рас-

четной схемы с параметрами ее статических

и динамических элементов;

– учет отказов электроэнергетического обору-

дования и нерегулярных колебаний нагрузок

в узлах схемы;

– моделирование развития каскадных системных

аварий с учетом действия противоаварийной ав-

томатики;

– определение комплекса показателей режимной

надежности ЭЭС.

На рисунке в порядке иллюстрации показано со-

поставление вероятностей недопустимого отклоне-

ния напряжений в узлах схемы электрической сети

500 кВ Иркутской ЭЭС в сопоставлении с оценками

по критерию надежности

– 1. Анализ этих резуль-

татов показывает большое количество узлов схе-

мы, опасных с точки зрения вероятного нарушения

устойчивости по напряжению по сравнению с оцен-

ками по критерию

– 1.

ВЫВОДЫ

В результате инновационного развития ЭЭС про-

исходит радикальная трансформация их струк-

туры и свойств, что порождает новые проблемы

в обеспечении устойчивости этих систем. Ука-

занные обстоятельства повышают актуальность

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Page 5

анализа условий функционирования

будущих систем и требуют коррек-

тировки нормативных требований

по обеспечению устойчивости ЭЭС.

Представленные в статье направ-

ления такой корректировки могут

служить отправной точкой для орга-

низации необходимых комплексных

исследований. Разработанные про-

граммные средства дают возмож-

ность проводить анализ условий

функционирования будущих ЭЭС

в соответствии с действующими тре-

бованиями по устойчивости систем,

а также исследовать необходимость

учета новых факторов в норматив-

ных документах.

Работа выполнена по проекту

III.17.4.2 государственного задания

фундаментальных исследований СО

РАН, рег. № АААА-А17-117030310433-1.

Рис

. 1.

Оценки

узлов

опасных

точки

зрения

вероятного

нарушения

устойчивости

по

напряжению

ЛИТЕРАТУРА

1. Воропай Н.И., Подковальников С.В.,

Труфанов В.В. и др. Обоснование

развития электроэнергетических

систем: методология, модели, ме-

тоды, их использование. Отв. ред.

Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука,

2015. 448 с.

2. Об утверждении требований к обе-

спечению надежности электро-

энергетических систем, надеж-

ности и безопасности объектов

электроэнергетики и энергоприни-

мающих установок «Методические

указания по устойчивости энерго-

систем». Утв. приказом Минэнерго

России от 03.08.2018 г. № 630. URL:

https://www.garant.ru/products/ipo/

prime/doc/71932950/.

3. Воропай Н.И., Осак А.Б. Электро-

энергетические системы будущего

// Энергетическая политика, 2014,

№ 5. С. 60–63.

4. Кощеев Л.А. О требованиях к на-

дежности по условиям устойчиво-

сти энергосистемы // Известия НТЦ

Единой энергетической системы,

2018, № 2(79). С. 45–52.

5. Воропай Н.И. О целесообразности

корректировки требований к на-

дежности по условиям устойчиво-

сти электроэнергетических систем

// Известия НТЦ Единой энерге-

тической системы, 2019, № 1(80).

С. 43–45.

6. Zhang X.P., Rehtanz C., Pal B. Flex-

ible AC transmission systems: Mod-

eling and control. Berlin Heidelberg:

Springer Verlag, 2006, 383 p.

7. Зейлигер А.Н., Кощеев Л.А., Мар-

ченко Е.А., Шмелькин Б.М., Мо-

гирев В.В. Методика и некоторые

результаты оценки живучести при

ежегодном анализе надежности

Единой электроэнергетической си-

стемы СССР / Методы и модели

исследования живучести систем

энергетики. Новосибирск: Наука,

1990. С. 124–129.

8. Гайснер А.Д. Методический подход

к анализу живучести электроэнер-

гетических систем на основе экс-

плуатационных данных / Методы

и модели исследования живучести

систем энергетики. Новосибирск:

Наука, 1990. С. 129–136.

9. Воропай Н.И., Калюжный А.Х., Ли-

залек Н.Н. Длительные переход-

ные процессы в энергосистемах:

методы анализа и управление. М.:

Информэнерго, 1988. 52 с.

10. Воропай Н.И., Осак А.Б., Смир-

нов С.С. Анализ системной аварии

2016 г. в ЕЭС России, вызванной

повреждением оборудования на

Рефтинской ГРЭС // Электриче-

ство, 2018, № 3. С. 27–32.

11. Amin M. Challenges in reliability, se-

curity, eﬃ ciency, and resilience of

energy infrastructure: Toward smart

self-healing electric power grid. 2008

IEEE PES General Meeting, Pitts-

burg, USA, July 20-24, 2008, 6 p.

12. Коган Ф.Л. О причинах развития из-

вестной аварии в Московской энер-

госистеме // Электричество, 2008,

№ 5. С. 69–72.

13. Воропай Н.И., Курбацкий В.Г., То-

мин Н.В., Панасецкий Д.А. Ком-

плекс интеллектуальных средств

для предотвращения крупных ава-

рий в энергосистемах. Отв. ред.

Н.И. Воропай. Новосибирск: Наука,

2016. 332 с.

14. Методические указания по проек-

тированию развития энергосистем.

М.: Изд-во ЭНАС, 2003. 34 с.

15. Ушаков Е.И. Статическая устойчи-

вость электрических систем. Ново-

сибирск: Наука, 1990. 312 с.

16. Домышев А.В., Осак А.Б. Исследо-

вание и обеспечение устойчивости

(режимной надежности) ЭЭС / Обо-

снование развития электроэнер-

гетических систем: Методология,

модели, методы, их использова-

ние. Отв. ред. Н.И. Воропай. Ново-

сибирск: Наука, 2015. С. 332–334.

17. Домышев А.В., Крупенев Д.С. Оцен-

ка режимной надежности электро-

энергетических систем на основе

метода Монте-Карло // Электриче-

ство, 2015, № 2. С. 3–10.

REFERENCES
1. Voropay N.I., Podkovalnikov S.V.,

Trufanov V.V. and others. Grounds for

power system development: concept,

models, methods, their use. Voropay

N.I., Editor in chief. Novosibirsk, Nau-

ka Publ., 2015. 448 p. (In Russian)

2. On approval of requirements to pro-

vision of power system reliability, se-

curity and safety of power sites and

№

6 (63) 2020

Page 6

power receiving installations "Me-

thodical guidelines on power system

stability". Approved by the order of

the Ministry of Energy of Russia of

03.08.2018, no. 630. URL: https://

www.garant.ru/products/ipo/prime/

doc/71932950/. (In Russian)

3. Voropay N.I., Osak A.B. Power sys-

tems of the future //

Energetiches-

kaya politika

[Power policy], 2014,

no. 5, pp. 60-63. (In Russian)

4. Koshcheev L.A. On requirements to

reliability under the terms of power

system operation stability //

Izvestiya

NTTS Edinoy energeticheskoy siste-
my

[News of Scientiﬁ c and Technical

Center of Uniﬁ ed Power System],

2018, no. 2(79), pp. 45-52. (In Rus-

sian)

5. Voropay N.I. On feasibility of correc-

tion of reliability requirements under

the terms of power system operation

stability //

Izvestiya NTTS Edinoy en-

ergeticheskoy sistemy

[News of Sci-

entiﬁ c and Technical Center of Uni-

ﬁ ed Power System], 2019, no. 1(80),

pp. 43-45. (In Russian)

6. Zhang X.P., Rehtanz C., Pal B. Flex-

ible AC transmission systems: Mod-

eling and control. Berlin Heidelberg:

Springer Verlag, 2006, 383 p.

7. Zeyliger A.N., Koshcheev L.A.,

Marchenko E.A., Shmelkin B.M.,

Mogirev V.V. Procedures and some

results of durability assessment

within the annual study of reliability

of the uniﬁ ed power system of the

USSR /

Metody i modely issledo-

vaniya zhivuchesty sistem energetiki

[Methods and models of power sys-

tem durability study]. Novosibirsk,

Nauka Publ., 1990, pp. 124-129. (In

Russian)

8. Gaisner A.D. Methodological ap-

proach to operation data-based pow-

er system durability study /

Metody

i modely issledovaniya zhivuchesty
sistem energetiki

[Methods and mod-

els of power system durability study].

Novosibirsk, Nauka Publ., 1990,

pp. 129-136. (In Russian)

9. Voropay N.I., Kaluzhniy A.Kh., Lizalek

N.N. Long-term transients in power

systems: methods of analysis and

control. Moscow, Informenergo Publ.,

1988. 52 p. (In Russian)

10. Voropay N.I., Osak A.B., Smirnov

S.S. Study of the system failure in

UPS of Russia in 2016 caused by

the equipment failure at Reftinskaya

GRES // Elektrichestvo [Electricity],

2018, no. 3, pp. 27-32. (In Russian)

11. Amin M. Challenges in reliability, se-

curity, eﬃ ciency, and resilience of

energy infrastructure: Toward smart

self-healing electric power grid. 2008

IEEE PES General Meeting, Pitts-

burg, USA, July 20-24, 2008, 6 p.

12. Kogan F.L. About the reasons of evo-

lution of a well-known failure in the

Moscow power system //

Elektrich-

estvo

[Electricity], 2008, no. 5, pp. 69-

72. (In Russian)

13. Voropay N.I., Kurbatskiy V.G., Tomin

N.V., Panasetskiy D.A. and others.

A set of intelligent means for major

failure prevention in power systems.

Voropay N.I., Editor in chief. Novosi-

birsk, Nauka Publ., 2016. 332 p. (In

Russian)

14. Methodical guidelines on power sys-

tem development design. Moscow,

ENAS Publ., 2003. 34 p. (In Russian)

15. Ushakov E.I. Steady-state stability of

power systems. Novosibirsk, Nauka

Publ., 1990. 312 p. (In Russian)

16. Domyshev A.V., Osak A.B. Investiga-

tion and provision of uniﬁ ed power

system stability (operating security)

/ Grounds for power system devel-

opment: concept, models, methods,

their use. Voropay N.I., Editor in chief.

Novosibirsk, Nauka Publ., 2015,

pp. 332-334. (In Russian)

17. Domyshev A.V., Krupenev D.S. As-

sessment of operating security of

power systems based on Monte Carlo

method // Elektrichestvo [Electricity],

2015, no. 2, pp. 3-10. (In Russian)

Издательство

журнала

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ

Передача

распределение

выпустило

книгу

академика

РАЕН

профессора

НЕПОМНЯЩЕГО

Тираж

книги

5000

экз

объем

196

формат

170

235

мм

Для

приобретения

издания

звоните

по

многоканальному

телефону

+7 (495) 645-12-41

или

напишите

по

e-mail: [email protected]

В монографии исследована надежность оборудования электро-

станций и электрических сетей напряжением 1150–10(6) кВ, раз-

работана методика сбора и статистичес кой обработки инфор-

мации о надежности оборудования. На основе статистических

данных и расчетов определены основные параметры надежно-

сти и динамика их изменения в процессе эксплуатации. Выяв-

лены статистические законы распределения отказов и времени

восстановления элементов энергосис тем. Проведено их сравне-

ние с зарубежными данными.

ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЕ

Оригинал статьи: Анализ условий функционирования будущей электроэнергетической системы при рассматриваемом сценарии ее развития

Ключевые слова: электроэнергетическая система, обоснование развития, анализ условий функционирования, устойчивость, режимная надежность, нормативные требования, модели и методы

Читать онлайн

Обсуждается методология анализа условий функционирования будущих электроэнергетических систем (ЭЭС) при обосновании их развития. С учетом трансформации структуры и свойств ЭЭС обосновывается необходимость корректировки нормативных требований по обеспечению устойчивости ЭЭС по конкретным предлагаемым направлениям. Дается описание моделей и методов для анализа условий функционирования будущих ЭЭС и их реализации в программно-вычислительном комплексе АНАРЭС. Приводится иллюстрационный пример оценки режимной надежности ЭЭС.