Цифровая защита и автоматика систем электроснабжения с активными промышленными потребителями


    М. В. Шарыгин, А. Л. Куликов


   ЦИФРОВАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИКА
   СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
   С АКТИВНЫМИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ
   ПОТРЕБИТЕЛЯМИ

   МОНОГРАФИЯ















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022

УДК 621.31
ББК31.29
     Ш25




Реце н з е нт ы: доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой электрических станций и электроэнергетических систем ФГБОУ ВО «Южно-Российский государственный политехнический университет» (Новочеркасский политехнический институт)
В. И. Нагай;
доктор технических наук, профессор кафедры автоматического управления электроэнергетическими системами ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет им. В. И. Ленина» В. А. Шуин;
доктор технических наук, профессор, заместитель заведующего кафедрой электроэнергетических систем ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский университет МЭИ» А. В. Шунтов


       Шарыгин, М. В.
Ш25 Цифровая защита и автоматика систем электроснабжения с активными промышленными потребителями : монография / М. В. Шарыгин, А. Л. Куликов. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 268 с. : ил., табл.
             ISBN 978-5-9729-0996-4

             Рассматриваются вопросы релейной защиты и автоматического управления системами электроснабжения с активными промышленными потребителями. Представлены новые методы и алгоритмы распознавания режимов электрической сети, ее защиты, рационального выбора управляющих воздействий на активных потребителей, оценки последствий отключений/ограничений потребителей электрической энергии и их практическое применение в задачах электроэнергетики.
             Для научных работников и специалистов-практиков в области электроэнергетики, а также аспирантов и магистрантов, обучающихся по направлению «Электроэнергетика».



                                                                  УДК 621.31
                                                                  ББК31.29











ISBN 978-5-9729-0996-4

      © Шарыгин М. В., Куликов А. Л., 2022
                             © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
                             © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ



a - нижний порог принятия решения по критерию Вальда
A j - множество всех способов отключения j-го потребителя
B - компенсация, выплачиваемая потребителю от энергокомпании-поставщика надежности при факте отказа электроснабжения
b - верхний порог принятия решения по критерию Вальда
C - потери, возникающие в результате принятия решения устройством РЗА
Cj - множество осуществимых способов отключения/-го потребителя
dj       - накопитель сырья-продукции/-го потребителя
D j      - множество накопителей j-го потребителя
Ej - множество недопустимых способов отключения/-го потребителя
Gj - множество предельных способов отключения j-го потребителя
Gᵣj      - функция нормального изменения состояния агрегата m j (производственный график)

H - гипотеза оценки режима сети многопараметрической защитой (по контексту)
H - энтропия (по контексту)
Hj       - множество возможных способов отключения/-го потребителя
i - набор отключаемых присоединений (гл. 4, 5, 6)
i - индекс (гл. 2, 3)
I - действующее значение основной гармоники тока присоединения (по контексту)
I - количество информации (по контексту)
Iп       - уставка по току, соответствующая порогу ц
Iбр.пуск - бросок пускового тока
Iнагр    - рабочий ток нагрузки
Iнб      - ток небаланса
Iпуск    - ток пуска нагрузки
Iу       - уставка по току
Iхх      - ток холостого хода
j        - индекс
J        - матрица задающих токов узлов
к        - коэффициент (по контексту)
к        - степени близости зоны защиты к месту установки РЗ (гл. 3)
Kч       - коэффициент чувствительности релейной защиты
Lt - матрица типа ветвей графа зон защиты
M - количество гипотез многопараметрической защиты, основанной на статистических принципах (гл. 2, 3)
mj       - конкретный агрегату'-го потребителя
M j      - множество всех агрегатов отдельного/-го потребителя (гл. 4, 5, 6)
Mjзапр   - подмножество агрегатов с «запрещенным» вынужденным остановом у j-го потребителя
M j - множество агрегатов с запретом на отключение у/-го потребителя з зо
M [...]   - математическое ожидание случайной величины
MD j     - множество агрегатов и накопителей j-го потребителя (множество элементов агрегативной
            модели)
Мрз.осн  - первая матрица инциденций основного графа зон защиты
Mрз.раб  - рабочая первая матрица инциденций основного графа зон защиты
N        - количество, число
Nсм      - количество рабочих смен
O [..]   - максимальное отклонение случайной величины с равномерным законом распределения
            от величины математического ожидания
Р - величина электрической мощности (по контексту)
Р        - вероятность (по контексту)
p        - плотность распределения вероятности
Pc       - матрица согласовываемых защит
Рр       - условная вероятность излишнего отключения устройством РЗА
Рм       - условная вероятность неотключения короткого замыкания устройством РЗА
Pt       - матрица типа узлов графа зон защиты
Pz       - матрица соответствия ступеней и зон защиты
Ро       - полная вероятность ошибочного распознавания режимов
Рп       - полная вероятность правильного распознавания режимов

3

Q Qv R R Risk S-s' Sj °запр

Sv t T

tо U
Vd W
W ²
X X j Yj
Ydi

   -  силовой высоковольтный выключатель
   -  матрица вариантов положений коммутационных аппаратов графа зон защиты
   -  уровень надежности электроснабжения потребителя (по контексту)
   -  активное сопротивление (по контексту)
   -  риск
   -  множество участков производства^-го потребителя
   -  конкретный участок производства j-го потребителя
   -  множество участков производства с запрещенным вынужденным остановом у j-го потребителя

   -   матрица связанности агрегатов и накопителей
   -   абсолютное время
   -   выплата за дополнительную надежность электроснабжения (от потребителя - энергокомпании-поставщику надежности)
   -   время начала
   -   действующее значение основной гармоники линейного напряжения присоединения
   -   уровень заполнения накопителя сырья-продукции
   -   величина электрической энергии
   -   матрица связи системы электроснабжения с производственной системой
   -   множество состояний агрегата (по контексту)
   -   индуктивное сопротивление (по контексту)
   -   фазовая траектория изменения состояния i-го агрегатау'-го потребителя
   -   фазовая траектория изменения состояния i-го накопителя сырья-продукции j-го потребите-
     ля

Yу       - матрица узловых проводимостей элементов сети
Zj       - множество присоединений/-го потребителя
Z j - подмножество оперативно управляемых присоединенийу-го потребителя ^оп

Zтп      - множество точек питания потребителя
Д                  - доход
3                         - затраты
М - набор мероприятий, реализуемых с целью управления уровнем надежности
П - технический показатель
Потказ                    - параметры отказа точки питания
Прmd(t)  - зависимость производительности агрегата mj от времени
У        - ущерб
Э        - показатель информационной эффективности релейной защиты
Эквx     - эквивалент потребителя по величине X
а j - множество технико-экономических показателей производства^'-го потребителя
ав - весовой коэффициент важности технического показателя
а - значение вероятности ошибки принятия решения устройством Р3А
APотказ  - величина ограничения точки питания потребителя по активной мощности
AQОтказ  - величина ограничения точки питания потребителя по реактивной мощности
At      - расчетный период
8                         - относительная погрешность
е      - допустимая ошибка
ц - порог отношения правдоподобия при принятии решения по критерию Байеса
Л(Ф)                      - отношение правдоподобия
X - порог отношения правдоподобия при принятии решения по критерию Неймана - Пирсона т        - длительность интервала времени
тэ       - длительность отключения/ограничения потребителя
Ф - вектор наблюдаемых параметров многопараметрической защиты, основанной на статистических принципах (observation vector)
ф - наблюдаемый параметр многопараметрической защиты, основанной на статистических принципах
¥        - пространство наблюдений многопараметрической защиты, основанной на статистических
            принципах (total observation space)
и - частота отказов

4

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ



АБ      - аварийная бронь                                                          
АВР     - автоматический ввод резерва                                              
АД      - асинхронный двигатель                                                    
АКЦ     - автоклавно-катализаторный цех                                            
АО      - автоматическое отключение поврежденного элемента                         
АПВ     - автоматическое повторное включение                                       
АСКУЭ   - автоматизированная система коммерческого учета электроэнергии            
АСУ     - автоматизированная система управления                                    
АТБ     - акт аварийной и технологической брони                                    
АЧР     - автоматическая частотная разгрузка                                       
АЭС     - атомная электрическая станция                                            
ВЛ      - воздушная линия электропередачи                                          
ВН      - уровень высокого напряжения                                              
ГБП     - граница балансовой принадлежности электрической сети                     
ГК      - генерирующая компания                                                    
ГПП     - главная понизительная подстанция                                         
ГЭС     - гидроэлектростанция                                                      
ДЗ      - дистанционная защита                                                     
ЕНЭС    - единая национальная электрическая сеть                                   
ЗМН     - защита минимального напряжения                                           
ИЭС ААС - интеллектуальная электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью
ИЭУ     - интеллектуальное электронное устройство                                  
ИРГ     - источник распределенной генерации                                        
КЗ      - короткое замыкание                                                       
КЛ      - кабельная линия                                                          
КП      - конечный потребитель                                                     
ЛЭП     - линия электропередачи                                                    
МКЗ     - междуфазное короткое замыкание                                           
МРСК    - межрегиональная распределительная сетевая компания                       
МТЗ     - максимальная токовая защита                                              
МЭС     - магистральные электрические сети                                         
НН      - уровень низкого напряжения                                               
ОЗЗ     - однофазные замыкания на землю                                            
ПА      - противоаварийная автоматика                                              
ПО      - пусковой орган                                                           
ПС      - подстанция электрической сети                                            
ПТБ     - правила технической безопасности                                         
ПТЭ     - правила технической эксплуатации                                         
ПУЭ     - правила устройства электроустановок                                      
РГ      - распределенная генерация                                                 
РЗ      - релейная защита                                                          
РЗА     - релейная защита и автоматика                                             
РП      - распределительный пункт электрической сети                               
РУ      - распределительное устройство подстанции                                  
САОН    - системная автоматика отключения нагрузки                                 
СН      - уровень среднего напряжения                                              
СЭС     - система электроснабжения                                                 
ТН      - измерительный трансформатор напряжения                                   
ТО      - токовая отсечка                                                          
ТП      - трансформаторный пункт электрической сети                                
ТСО     - территориальная сетевая организация                                      
ТТ      - измерительный трансформатор тока                                         

5

ЦРП эк

ээс DNS DMS FACTS

IED LC MAS MGCC PnP SCADA


-   центральный распределительный пункт электрической сети
-энергокомпания (компании-составляющие ЭЭС: сетевые, генерирующие, операторы и др-)
-   электроэнергетическая система
-   оператор распределительной сети (distribution network operator)
-   распределенная система управления (distributed control system)
-   управляемые системы электропередачи переменного тока (flexible alternative current transmission system)
-   интеллектуальное электронное устройство (intelligent electronic device)
-   локальный контроллер (local controller)
-   мультиагентная система (multi-agent system)
-   центральный контроллер, например микрогрид (microgrid control controller)
-   технология «включай и работай» (plug and play)
-   диспетчерское управление и сбор данных (supervisory control and data acquisition)

6

ВВЕДЕНИЕ



     Системы электроснабжения потребителей электроэнергии должны быть эффективными. Их эффективность складывается из надежности, безопасности и экономичности. Максимизация этих составляющих возможна при развитом автоматическом оптимальном управлении технологическими процессами в электроэнергетике и подсистемах потребителей электроэнергии.
     Проблема оптимального управления процессами в системах электроснабжения существует с момента возникновения самой электроэнергетики. До настоящего времени решение этой проблемы затруднялось низким уровнем или отсутствием информационных сетей, развитых автоматизированных систем управления (АСУ) трансформаторных пунктов электрической сети (ТП) энергокомпаний и потребителей, низким уровнем квалификации персонала, обслуживающего электросети. Системы электроснабжения рассматривались как вторичные по отношению к основной сети энергосистемы, отсутствовали эффективные методы управления ими, теоретическая база их развития, практические наработки были фрагментарными. В результате системы электроснабжения проектировались максимально простыми: с радиальной или магистральной структурой, отсутствием реверсивных перетоков мощности и параллельной работой источников электроэнергии, с простейшей релейной защитой и автоматикой.
     Проблема управления приобрела особую актуальность в современных условиях структурных, организационных, технологических, технических и других изменений: внедрение рыночных отношений, разделение электроэнергетической отрасли, широкая интеллектуализация и автоматизация, внедрение цифровых подстанций, распределенной генерации и микроэнергосистем (microgrid), внедрение принципиально новых устройств, электроустановок и т. д. Системы электроснабжения, основанные на старых традиционных принципах, не смогут обеспечить динамичное развитие экономики в новых современных условиях. Они станут новым узким местом, затрудняющим внедрение новых технологий, что давно демонстрирует проблема развития малой генерации.
     Введение рыночного базиса в электроэнергетическую отрасль значительно усугубило проблему управления за счет размытия границ ответственности субъектов энергетики за результат, появления множества новых взаимопротиворечащих целей у различных субъектов. Обеспечение уровня надежности электроснабжения, удовлетворяющего потребителей, остановки его дрейфа в сторону снижения в современных условиях почти невозможно.
     Особенно актуально создание методов автоматического управления для перспективных микроэнергосистем, поскольку, во-первых, в этих сетях, обладающих значительно большим количеством управляемых элементов и активных потребителей (в том числе электротранспорта), чем традиционные сети, внедрение привычных диспетчерских служб обойдется слишком дорого или невозможно, во-вторых, скорость развития нарушений нормального режима будет здесь слишком велика; в-третьих, в таких сетях будут допускаться реверсивные режимы и многоконтурная топология, что создаст сложности для «ручного» распознавания режимов и управления ими. По этим причинам микроэнергосистемы обречены стать лидером в развитии автоматизации управления технологическими процессами в электроэнергетических системах.
     Вместе с тем развитие техники и технологий предоставляет все больше возможностей решения проблемы эффективности систем электроснабжения.
     На сегодня разработан широкий спектр технических методов повышения эффективности систем электроснабжения, но их применение, как правило, затруднено, по следующим причинам: неприспособленность к рыночным условиям в электроэнергетике и ее разделенности на энергокомпании по функциональному признаку, отсутствие универсальности, техническая сложность или высокая стоимость реализации, их старение.

7

     Первой отечественной работой по количественному учету вероятностных условий функционирования релейной защиты и автоматики (РЗА) и выбора параметров ее срабатывания является работа К.Ю. Меллера. Позднее вероятностные методы применялись для оценки надежности и настройки средств РЗА.
     Учет случайного характера режимов систем электроснабжения распространялся лишь на варианты выбора уставок и оценку эффективности средств РЗА. Алгоритмы срабатывания РЗА с применением статистических методов не формировались.
     Предпосылки для широкого использования методов математической статистики создал метод информационного (многомерного) анализа релейной защиты, предложенный Ю.Я. Лямецем и в варианте многопараметрического подхода развитый В.И. Нагаем в задаче дальнего резервирования. Он предполагает обязательное применение имитационного моделирования и разработку алгоритмов РЗА на основе результатов, полученных по модельным экспериментам.
     Однако заявленные концепции создания класса активных потребителей, информатизации и интеллектуализации систем электроснабжения пока не имеют четких форм и методов внедрения. Развитая автоматизация в системах электроснабжения существует лишь в области РЗА и автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии (АСКУЭ), но алгоритмы РЗА распознавания режимов сетей электроснабжения до 35 кВ почти не изменились за прошедшие сто лет: даже микропроцессорные устройства РЗА сетей 6-35 кВ во многом лишь воспроизводят алгоритмы электромеханических или статических панелей.

8

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМ УПРАВЛЕНИЯ
И РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
С АКТИВНЫМИ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПОТРЕБИТЕЛЯМИ




                                     ГЛАВА 1





1.1. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
И ИХ ПЕРСПЕКТИВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ



     Совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией, называется системой электроснабжения [74]. Современные системы электроснабжения потребителей имеют следующие особенности:
     1      . Множество видов и типов снабжаемых потребителей. Потребитель - это потребитель электрической энергии, приобретающий электрическую энергию (мощность) для собственных бытовых и (или) производственных нужд [143]. Каждый конкретный потребитель имеет свой индивидуальный набор электроприемников. Для описания и систематизации этого факта существует множество различных классификаций. Основная классификация основана на делении по видам деятельности снабжаемых потребителей и используется, например, для выделения тарифных групп:
     -      промышленные и приравненные к ним (строительные, транспорт, шахты, рудники, карьеры, нефтяные, связь, коммунальное хозяйство и бытовое обслуживание);
     -     сельскохозяйственные;
     -     электротранспорт;
     -      прочие группы: непромышленные потребители, организации торговли и сферы услуг, население и населенные пункты, электрическая энергия, используемая на нужды отопления, горячего водоснабжения и охлаждения, реклама и освещение.
     Промышленные потребители используют основную долю электроэнергии и мощности, вырабатываемой электрическими станциями страны. Кроме того, удельная мощность их потребления максимальна среди всех групп потребителей - электрическая мощность одного промышленного предприятия может достигать десятков и сотен мегаватт. Поэтому основные усилия исследователей были приложены к поиску подходов, методов, средств управления именно промышленными потребителями как приносящими наибольший эффект при минимизации организационных затрат.
     Основное внимание в работе акцентировано на организации электроснабжения именно промышленных потребителей. Многочисленные исследования в этом направлении обусловлены разнообразием видов промышленности и тем, что даже внутри одной отрасли различные предприятия могут существенно отличаться друг от друга как величиной (количеством), так и структурой электроприемников. Подавляющее большинство научных и практических работ в области управления электроснабжением являются узконаправленными, применимыми лишь в отдельной отрасли, промышленности, а чаще всего лишь к отдельным конкретным предприятиям и их подразделениям.


9

. Близость электроприемников и их сравнительно небольшая мощность (в пределах одной системы электроснабжения) обусловливает применение низкого номинального напряжения сетей электроснабжения. Лишь крупные промышленные потребители имеют сети электроснабжения 110-220 кВ, большинство потребителей имеют сети номинальным напряжением 35-0,4 кВ.
     3      . Сети электроснабжения имеют важное, но вторичное значение для потребителей по сравнению с их системой основного производства, выпускающего конечную продукцию. Действительно, для потребителей основное значение имеет сохранение планового выпуска продукции. Все подсистемы энергообеспечения (электро-, тепло-, газо-, водоснабжения и т. д.) не являются приоритетными для руководства предприятий. Поэтому сети электроснабжения промышленных потребителей почти всегда имеют максимально дешевое исполнение, что обусловливает следующие особенности систем электроснабжения:
     -      максимально простая конфигурация электрической сети (радиальная или магистральная) с частым наличием резервного ввода (нагруженного или ненагруженного). Лишь малое количество крупных потребителей имеют несколько центров питания (подстанций). В случае стихийного развития сети электроснабжения на крупных предприятиях возможны более сложные конфигурации, но параллельная работа источников питания в подавляющем большинстве случаев не допускается. При наличии у потребителей собственных источников электроэнергии, как правило, их генераторы не имеют технической возможности параллельной работы с внешней сетью без реконструкции сети электроснабжения;
     -      упрощенная конфигурация сети и отсутствие параллельной работы источников обусловливают применение максимально дешевого силового оборудования: минимальных сечений проводников электроустановок сети, коммутационных аппаратов с низкой отключающей способностью и т. д.;
     -      упрощенная конфигурация сети и отсутствие реверсивных режимов обеспечивает применение простейших систем защиты от коротких замыканий и простейшей автоматики, а также отсутствие диспетчеризации;
     -      все вышеприведенные особенности систем электроснабжения обусловливают тот факт, что зачастую персонал энергослужб промышленных потребителей имеет весьма низкую квалификацию и численность, а на малых предприятиях этот персонал выведен за штат.
     В результате большинство систем электроснабжения на сегодня слабо подготовлены к перспективным изменениям в электроэнергетике, массовому внедрению распределенной генерации, интеллектуальных сетей, концепции активных потребителей, новых алгоритмов управления и других инновационных технических решений.
     Для успешного внедрения инноваций в системах электроснабжения промышленных потребителей они должны иметь:
     -    существенный экономический и/или технический эффект для потребителей;
     -    максимальную степень автоматизации;
     -    максимальную степень готовности технических решений.
     Инновационные технологии в системах электроснабжения [15, 28, 65, 68, 98, 104, 270, 271, 275]. Основная часть систем электроснабжения была построена во второй половине прошлого столетия и спроектирована под технические потребности того времени.
     Существующие системы электроснабжения сталкиваются с большими трудностями, определяемыми развитием экономики, тенденциями интеграции различных технических систем, увеличивающимися потребностями в энергии и мощности, которые заставляют системы снабжения функционировать на грани устойчивости.
     Появились новые технические решения: такие, как эффективные распределенные источники энергии малой и средней мощности, в том числе использующие возобновляемые источники энергии, элементы силовой электроники, которые в сочетании с информационными технологиями расширяют возможности электроэнергетического рынка. Электроэнергетический рынок также претерпевает изменения, поскольку участие распределенных источников энергии приводит к необходимости высокого уровня автоматизации учета выработки, потребления, расчетов за электроэнергию, реализации указанных процессов в реальном масштабе времени.

10