Совершенствование мониторинга живучести Азербайджанской энергосистемы на основе устройств синхрофазорных измерений

Page 1

Page 2

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)

узлах

сети

500–330–220

кВ

Азербайджанской

энерго

системы

(

ЭС

Целью

работы

является

обеспечение

живучести

энергосистемы

условиях

функционирования

структуре

объединения

ЭС

России

Ирана

Грузии

Турции

Определены

оптимальные

места

размещения

PMU

Азербай

джанской

ЭС

которые

обеспечивают

полную

наблюдаемость

ЭС

позволяют

осуществить

мониторинг

пропускной

способности

запасов

статической

устой

чивости

также

рассмотреть

динамические

процессы

при

аварийных

режи

мах

реальном

времени

Ключевые

слова

энергосистема, живу-

честь, наблюдаемость,

оптимальное размеще-

ние, синхрофазорные

измерения, интегри-

рованная информаци-

онно-измерительная

система

Гусейнов

д.т.н., профессор, глав-

ный научный сотруд-

ник отдела «Режимы

и проб лемы управле-

ния энергосистем»

АзНИиПИИЭ

Гулиев

к.т.н., доцент, заведую-

щий отделом «Режимы

и проблемы управле-

ния энергосистем»

АзНИиПИИЭ, доцент

кафедры «Автоматика

и управление» АзТУ

Сулейманов

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

континентальном

объединении

ЭС

Page 3

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

АЗЕРБАЙДЖАНСКОЙ

ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

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:

= [

;



;



(1)

где

— модуль напряжения

-го узла;



— фаза на-

пряжения

-го узла;

— ток, вытекающий из

-го узла;



— 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:

min



при ограничениях |

| ≥

(2)

= 1

где

— число узлов в системе;

— бинарный вектор

решения;

— целочисленная матрица, структура ко-

торой зависит от схемы сети;

— целочисленный

вектор.

В (2) элементы матрицы

принимают значения:

1, если

соединены,

0, если

не соединены.

Бинарный вектор |

| = |

...

{0; 1}

1, если PMU установлен в узел

0, если в узле

PMU отсутствует.

| = |1 1 1 ... 1|

1×

РЕЗУЛЬТАТЫ

ОПТИМАЛЬНОГО

РАЗМЕЩЕНИЯ

PMU

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

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.

ЭС Ирана

ЭС

сс

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

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

Оригинал статьи: Совершенствование мониторинга живучести Азербайджанской энергосистемы на основе устройств синхрофазорных измерений

Ключевые слова: энергосистема, живучесть, наблюдаемость, оптимальное размещение, синхрофазорные измерения, интегрированная информационно-измерительная система

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.