Совершенствование мониторинга живучести Азербайджанской энергосистемы на основе устройств синхрофазорных измерений

Page 1
background image

Page 2
background image

50

управление сетями

Совершенствование 
мониторинга живучести 
Азербайджанской энергосистемы 
на основе устройств 
синхрофазорных измерений

УДК 621.311.019.3

Статья

 

посвящена

 

вопросу

 

оптимального

 

размещения

 

устройств

 

синхрофазор

-

ных

 

измерений

 (PMU) 

в

 

узлах

 

сети

 500–330–220 

кВ

 

Азербайджанской

 

энерго

-

системы

 (

ЭС

). 

Целью

 

работы

 

является

 

обеспечение

 

живучести

 

энергосистемы

 

в

 

условиях

 

функционирования

 

в

 

структуре

 

объединения

 

ЭС

 

России

Ирана

Грузии

Турции

Определены

 

оптимальные

 

места

 

размещения

 PMU 

в

 

Азербай

-

джанской

 

ЭС

которые

 

обеспечивают

 

полную

 

наблюдаемость

 

ЭС

 

и

 

позволяют

 

осуществить

 

мониторинг

 

пропускной

 

способности

 

и

 

запасов

 

статической

 

устой

-

чивости

а

 

также

 

рассмотреть

  

динамические

 

процессы

 

при

 

аварийных

 

режи

-

мах

 

в

 

реальном

 

времени

.

Ключевые

 

слова

энергосистема, живу-

честь, наблюдаемость, 

оптимальное размеще-

ние, синхрофазорные 

измерения, интегри-

рованная информаци-

онно-измерительная 

система

Гусейнов

 

А

.

М

.,

д.т.н., профессор, глав-

ный научный сотруд-

ник отдела «Режимы 

и проб лемы управле-

ния энергосистем»

АзНИиПИИЭ

Гулиев

 

Г

.

Б

.,

к.т.н., доцент, заведую-

щий отделом «Режимы 

и проблемы управле-

ния энергосистем»

АзНИиПИИЭ, доцент 

кафедры «Автоматика 

и управление» АзТУ

Сулейманов

 

К

.

А

.,

аспирант АзНИиПИИЭ

ВВЕДЕНИЕ

 

Азербайджанская энергосистема (ЭС) является важнейшей составляю-

щей  интенсивно  развивающегося  топливно-энергетического  комплекса 

республики. За последнее десятилетие в стране введено в строй 20 элек-

тростанций  общей  мощностью  2,3  тыс.  МВт  (рост  30%).  В  ближайшей 

перспективе  предусматривается  увеличение  установленной  мощности 

еще на 2,1 тыс. МВт. Наряду с ростом мощностей и протяженности линий 

электропередачи динамика развития ЭС сопровождается диверсифика-

цией  технологических  процессов  в  сфере  производства  электрической 

энергии, развитием распределенной генерации, внедрением в энергети-

ческий  баланс  возобновляемых  источников  энергии  (420  МВт,  включая 

350 МВт на ветроэлектростанциях (ВЭС), 50 МВт на солнечных электро-

станциях (СЭС) и 20 МВт на биомассе) [1]. Такая динамика направлена 

на  удовлетворение  социально-экономических  потребностей  республи-

ки. Азербайджанская ЭС имеет значительный опыт работы в структуре 

крупных  электроэнергетических  объединений,  таких  как  объединенная 

ЭС  (ОЭС)  СНГ.  На  ближайшую  перспективу  ей  отводится  важная  роль 

в процессе создания крупных континентальных объединений. Речь идет 

о расширении межсистемных связей с ОЭС Юга России, ЭС Грузии, ЭС 

Ирана, ЭС Турции. Имеется в виду роль транзитера электрической энер-

гии в направлениях «Север — Юг» и «Запад — Восток» (рисунок 1) [2]. 

ЕДИНАЯ 

ЭНЕРГОСИСТЕМА 

РОССИИ

ЕНТСО-Е, Север, 

Балтика,

Юго-Восточная 

Европа

Энергосистема 

Грузии

Энергосистема 

Азербайджана

Восточная Сибирь, 

Дальний Восток, 

Центральная Азия,

Юго-Восточная Азия 

Энергосистема 

Ирана

Энергосистема 

Турции

Рис

. 1. 

Место

 

ЭС

 

Азербайджана

 

в

 

континентальном

 

объединении

 

ЭС


Page 3
background image

51

Такие объединения предполагают существенные по-

ложительные эффекты (мощностной, частотный, эко-

номический, экологический и др.), и они, как правило, 

достигаются.

Вместе с этим мировая практика изобилует круп-

ными  системными  авариями  (blackout),  заверша-

ющимися  лавинообразным  падением  частоты  или 

напряжения с обесточиванием значительных терри-

торий  и  огромным  отрицательным  экономическим 

эффектом  [3].  Не  является  исключением  в  общем 

списке и Азербайджанская ЭС, где аварии системно-

го характера случились в 2002 и 2018 годах.

 

ОБ

 

УГРОЗЕ

 

ЖИВУЧЕСТИ

 

В

 

АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ

 

ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

 

И

 

НАПРАВЛЕНИИ

 

ЕЕ

 

МОНИТОРИНГА

Анализ  причин  различных  системных  аварий  и  ха-

рактера  их  процессов  (вплоть  до  blackout)  выявил 

наличие в ЭС ряда угроз (факторов), определяющих 

состояние  живучести  ЭС.  Среди  значимых  являет-

ся  нарастающее  несоответствие  между  условием 

функционирования  и  динамическими  свойствами 

развивающихся ЭС, с одной стороны, и средствами 

управления,  с  другой  [4].  В  Азербайджанской  ЭС, 

в  структуре  которой  функционируют  избыточные 

и дефицитные по мощности составляющие, а также 

критические «слабые» сечения, пропускные способ-

ности  которых  обеспечивают  работу  как  отдельных 

подсистем, так и межсистемных связей с ЭС России, 

Грузии  и  Ирана,  этот  фактор  является  значимым, 

обеспечивающим живучесть ЭС.

Высокий уровень требований к точности и скоро-

сти управления в условиях системной аварии требует, 

чтобы и системы управления действовали на основе 

интегрированной 

информационно-измерительной 

системы  SCADA/EMS-WAMS,  что  позволяет  на  всех 

этапах  развития  аварии  (нормальный,  аварийный 

и  после аварийный  режимы)  осуществлять  монито-

ринг и управление динамическими показателями [5]. 

SCADA/EMS  является  важнейшей  информационной 

технологией, обеспечивающей работу диспетчерско-

го  управления.  В  составе  SCADA/EMS  находятся: 

удаленный  терминал  (RTU),  имеющий  высокие  ин-

теллектуальные возможности, диспетчерские пункты 

управления  (MTU)  и  специализированные  каналы 

связи  (CS).  При  огромных  функциональных  возмож-

ностях традиционная система SCADA/EMS уступает 

системе  WAMS  по  целому  ряду  показателей:  син-

хронности измерений, скорости и точности передачи 

информации. В структуре системы WAMS действует 

устройство  PMU,  дающее  информацию  о  состоянии 

ЭЭС  синхронно  с  точностью  (на  примере  прибора 

SEL-421) по измерению напряжения ±0,1%, по фазо-

вому углу ±0,2 рад., по току ±0,2%, по частоте ±0,01 Гц, 

по углу между током ветви и напряжением узла ±0,2° 

с периодичностью 20 мс [5].

Вектор измерений представляется как:

 

Y

 = [

U

i

ij

I

ij

ij

], 

(1)

где 

U

i

 — модуль напряжения 

i

-го узла; 

i

 — фаза на-

пряжения 

i

-го узла; 

I

ij

 — ток, вытекающий из 

i

-го узла; 

ij

 — сдвиг фазы между током и напряжением.

Если  система  SCADA/EMS  уже  установлена 

и действует на подстанционных узлах Азербайджан-

ской ЭС, то задача размещения PMU требует допол-

нительных исследований.

МЕТОД

 

ОПТИМАЛЬНОГО

 

РАЗМЕЩЕНИЯ

 

УСТРОЙСТВ

 

СИНХРОФАЗОРНЫХ

 

ИЗМЕРЕНИЙ

 (PMU)

Высокая стоимость самих устройств PMU с их токо-

выми каналами и каналами напряжений, необходи-

мость связи этих каналов с концентраторами данных 

(PDC) в местах размещения последних и др., требу-

ет предварительного исследования.

Полную наблюдаемость можно обеспечить, если 

использовать  измерения  напряжения  в  узлах  уста-

новки PMU и токов от этих же устройств и расчетно 

определить  эти  параметры  в  смежных  узлах.  Точ-

ность при этом сохраняется [7].

Теория  наблюдаемости  рассматривается  в  об-

щей теории управления [8]. Применительно к задаче 

оценки состояния ЭС, где во главе ставится вопрос 

об идентификации схемы ЭС, важен топологический 

аспект  наблюдаемости,  который  основывается  на 

линейной системе уравнений.

 Решение задачи будем основывать на использо-

вании  метода  целочисленного  линейного  програм-

мирования [9]. Минимизируемая функция представ-

ляется как:

 

N

 

min

 

X

k

 при ограничениях |

A

·

 |

X

| ≥ 

b

(2)

 

k

 = 1

где 

N

 — число узлов в системе; 

X

 — бинарный вектор 

решения; 

A

 — целочисленная матрица, структура ко-

торой  зависит  от  схемы  сети; 

b

  —  целочисленный 

вектор.

В (2) элементы матрицы 

A

 принимают значения: 

 

1, если 

i

 = 

j

,

 

A

ij

 = 

 1, если 

i

 и 

соединены,

 

0, если 

i

 и 

j

 не соединены.

Бинарный вектор |

X

|: 

|

X

| = |

X

 

X

2

  

X

 ...  

X

N

|

T

,

X

i

 

 {0; 1}

 

X

i

 

 

1, если PMU установлен в узел 

i

,

 

 

0, если в узле 

PMU отсутствует.

|

b

| = |1  1  1  ...  1|

T

N

.

РЕЗУЛЬТАТЫ

 

ОПТИМАЛЬНОГО

 

РАЗМЕЩЕНИЯ

 PMU 

В

 

АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ

 

ЭС

Метод  целочисленного  линейного  программиро-

вания применен к электрической сети в 500–330–

220  кВ  Азербайджанской  ЭС,  в  которой  36  узлов, 

в  том  числе  18  узлов  сети  500–330  кВ  и  18  узлов 

в  сети 220  кВ  (рисунок  2).  Декомпозиция  произве-

дена  по  межсистемным  связям  с  ЭС  России  (ВЛ 

330  кВ  Хачмаз  —  Дербент),  ЭС  Грузии  (ВЛ  500  кВ 

Самух — Гардабани, ВЛ 330 кВ Акстафа — Гарда-

бани), ЭС Ирана (ВЛ 330 кВ Имишли — Парсабад, 

ВЛ 330 кВ Имишли — Таги — Дизе).

 3 (54) 2019


Page 4
background image

52

Расчет с использованием комплекса Matlab пред-

ставил следующее размещение PMU по узлам: для 

обеспечения  полной  наблюдаемости  PMU  должны 

быть установлены в 10 узлах (28% общего числа уз-

лов) ЭС, а именно: 2, 5, 9, 12, 16, 19, 24, 26, 27, 35. 

В смежных с этими узлами наблюдаемость обес пе чи-

ва ет ся расчетно по измерениям напряжений и пере-

токов от установленных PMU. Если стоимость одного 

канала 1 у.е., то в соответствии с рекомендацией [10] 

затраты на размещение PMU составляют 48 у.е.

Наблюдаемость  в  узлах  межсистемных  связей 

с ЭС Грузии (узел 10 и 7) и ЭС России (узел 1) обе-

спечивается  расчетно  (либо  по  ветвям  со  стороны 

PMU  в  соседних  узлах  Азербайджанской  ЭС,  либо 

соответствующих соседних ЭС.

Измерения фаз напряжений по концам линий ос-

новных сечений передающей части (к примеру, 9–8, 

4–3,  4–13,  4–18)  позволяет  осуществлять  монито-

ринг пропускной способности и запасов статической 

устойчивости в режиме реального времени.

Интеграция данных измерений PMU, установлен-

ных  на  шинах  напряжений  станции  АзТЭС  500  кВ 

(узел  9),  Дженуб  220  кВ  (узел  27),  Ширван  220  кВ 

(узел 26), а также данных, полученных расчетно на 

шинах  напряжений  станции  АзТЭС  330  кВ  (узел  4) 

(Сумгаит 220 кВ (узел 33) и Шимал 220 кВ (узел 35) 

с информацией от систем SCADA/EMS в этих же уз-

лах  дает  возможность  мониторинга  динамических 

процессов при больших возмущениях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полученное  размещение  устройств  PMU  в  Азер-

байджанской ЭС и их число (должно быть не более 

30%)  строго  отвечает  критерию  топологической  на-

блюдаемости.  Путем  синхрофазорных  измерений 

обеспечивается мониторинг пропускной способности 

основных  сечений,  работающих  на  межсистемные 

связи и дефицитную часть ЭС, уровни напряжений 

и их фаз и др., необходимые для оценки состояния 

живучести ЭС.

Данная  работа  выполнена  при  финансовой 

поддержке Фонда развития науки при Президенте 

Азербайджанской Республики. Грант № EIF-BGM-4-

RFTF-1/2017-21/09/1.  

1

2

3

8

5

10

6

11

7

12

4

9

13

18

19

 

 

и

и

з

у

р

Г 

С

Э

15

16

14

17

20

22

24

21

23

32

33

35

ЭС Ирана 

36

34

25

28

27

26

29

30

31

ЭС

 Р

о

сс

и

и

Хачмаз 330 кВ

Яшма 330кВ

Абшерон 

330кВ

Абшерон 500 кВ

АзТЭС 500 кВ

Самух 500 кВ

Акстафа 330 кВ

Шемкир 330 кВ

Самух 

330 кВ

  АзТЭС 330 кВ

Гянджа 330 кВ 

Геранбой 330 кВ

Дженуб 330 кВ

Ширван 330 кВ

Агджябяди

330 кВ

Мин ГЭС 330 кВ

Саз 330 кВ

Мин ГЭС 220 кВ

Ширван 220 кВ

Масаллы 220 кВ 

Сальян 220 кВ

Сангачал 220 кВ

Хырдалан 

220 кВ

Говсаны 220 кВ

Шимал 220 кВ

Забрат 220 кВ

Дженуб 220 кВ

Мушвиг 220 кВ

Яшма 220кВ

Абшерон 

220кВ

Агдаш 220 кВ

Агсу 220 кВ

Сумгаит 220 кВ

Габала 220 кВ

Промышленный узел

220 кВ

Имишли 220 кВ

Рис

. 2. 

Схема

 

электрической

 

сети

 500–330–220 

кВ

 

Азербайджанской

 

ЭС

 (

цветом

 

выделены

 

места

 

установки

 PMU)

ЛИТЕРАТУРА
1.  Азербайджанская  энергетика.  Го-

сударственный  Комитет  статисти-

ки  Азербайджанской  Республики. 

Баку, 2018, 150 с. URL: https://www.

stat.gov.az/.

2.  Юсифбейли  Н.А.,  Гусейнов  А.М., 

Гулиев  Г.Б.,  Алиева  А.Ф.,  Азадха-

нов А.Б. Мониторинг динамических 

показателей  режимной  надежно-

сти  энергосистемы  Азербайджана 

в  усло виях  транзита  мощности  // 

Методические  вопросы  исследова-

ния  надежности  больших  систем 

энергетики,  2017,  выпуск  68,  Ир-

кутск. С. 357–362.

УПРАВЛЕНИЕ 

СЕТЯМИ


Page 5
background image

53

3.  Авария в энергосистеме. Википедия.

URL: https://ru.wikipedia.org/wiki.

4.  Воропай  Н.И.,  Ефимов  Д.Н.,  Кур-

бацкий  В.Г.,  Панасецкий  Д.А.,  То-

мин  Н.В.  Алгоритмы  живучести 

и  самовосстановления  интеллек-

туальных  электроэнергетических 

систем.  URL:  Energystrategia.ru  /

proyets/ Energy 21/7-z.pdf.

5.  Hector  J.,  Altuve  F.,  Scweitzer  E.O.  

Modern Solutions for Protection. Con-

trol and Monitoring of Electric Power 

System.  Schweitzer  Engineering 

Laboratories, USA, 2010, 361 р.

6.  Kezinovic M., Popovic T. Wide-Area 

Monitoring,  Protection  and  Control 

System  (WAMPAC).  Standards 

for  Cyber  Security  Requirements. 

Draft October 26, 2012, 53 р. URL: 

http://smartgrid.epri.com/doc/ES-

RFSD.pdf. 

7.  Гамм  А.А.,  Голуб  И.И.  Наблюдае-

мость электроэнергетических сис-

тем. М.: Наука, 1990. 198 с.

8.  Аоки М. Оптимизация стохастичес-

ких систем. М.: Наука, 1971. 424 с.

9.  Gou B. Optimal Placement of PMUs 

by Integer Linear Programming. IEEE 

Transactions  on  Power  Systems, 

2008, V. 23, рр. 1525–1526.

10. Кузькина  Я.И.  Алгоритмы  выбора 

синхронизированных  векторных 

измерений  с  ограниченным  чис-

лом  каналов  /  Сб.  тр.  молодых 

ученых «Системные исследования 

в энергетике». Иркутск: ИСЭМ СО 

РАН, 2016, выпуск 46. С. 21–27.

REFERENCES
1.  Azerbaijan Energy. State Committee 

of Statistics of the Republic  Azerbai-

jan, Baku, 2018, 150 p. URL: https://

www.stat.gov.az/.

2.  Yusifbeyli N.A., Guseinov A.M., Gu-

liyev H.B., Aliyeva A.F., Azadkhanov 

A.B.  Monitoring  of  dynamic  indica-

tors of regime reliability of the power 

system Azerbaijan  under  conditions 

of power transit // Methodical issues 

of  the  study  of  reliability  of  large 

energy  systems.  Issue  68,  Irkutsk, 

2017, pp. 357-362. 

3.  Accident in the power system. Wikipe-

dia. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/.

4.  Voropay N.I., Efi mov D.N., Kurbatsky 

V.G.,  Ponasetsky  D.A.,  Tomin  N.V. 

Algorithm  of  survivability  and  self-

arrangement  of  intelligent  electric 

power systems. URL: Energystrate-

gia.ru/proyets/Energy 21/7-z.pdf.

5.  Hector J., Altuve F., Scweitzer E.O.  

Modern  Solutions  for  Protection. 

Control  and  Monitoring  of  Electric 

Power  System.  Schweitzer  Engi-

neering  Laboratories,  USA,  2010, 

361 р.

6.  Kezinovic M., Popovic T. Wide-Area 

Monitoring,  Protection  and  Control 

System  (WAMPAC).  Standards 

for  Cyber  Security  Requirements. 

Draft October 26, 2012, 53 р. URL: 

http://smartgrid.epri.com/doc/ES-

RFSD.pdf. 

7.  Gamm A.A., Golub I.I. Observability 

of  electric  power  systems.  M.:  Sci-

ence, 1990, 198 p.

8.  Aoki  M.  Optimization  of  stochastic 

systems. M.: Science, 1971, 424 p.

9.  Gou  B.  Optimal  Placement  of 

PMUs  by  Integer  Linear  Program-

ming. IEEE Transactions on Power 

Systems,  2008,  V.  23,  рр.  1525-

1526.

10. Kuzkina  Ya.I.  Algorithms  for  the 

selection  of  synchronized  vec-

tor  measurements  with  a  limited 

number  of  channels.  Collection  of 

works  of  young  scientists  -  ISEM 

SB  RAS.  Issue  46,  Irkutsk,  2016, 

pp. 21-27.

На правах рекламы

 3 (54) 2019


Читать онлайн

Статья посвящена вопросу оптимального размещения устройств синхрофазорных измерений (PMU) в узлах сети 500–330–220 кВ Азербайджанской энергосистемы (ЭС). Целью работы является обеспечение живучести энергосистемы в условиях функционирования в структуре объединения ЭС России, Ирана, Грузии, Турции. Определены оптимальные места размещения PMU в Азербайджанской ЭС, которые обеспечивают полную наблюдаемость ЭС и позволяют осуществить мониторинг пропускной способности и запасов статической устойчивости, а также рассмотреть динамические процессы при аварийных режимах в реальном времени.

Поделиться:

«ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ. Передача и распределение»