МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

     
Часть 1

ПОДГОТОВЛЕНЫ ВНИИЭ, МЭИ, ВГПИиНИИ Энергосетьпроект, ЦДУ ЕЭС СССР, ИЭД АН УССР и НИИПТ: введение - ВНИИЭ, ЦДУ ЕЭС СССР, ИЭД; гл.1 - ВНИИЭ, ЦДУ ЕЭС СССР; гл.2 - МЭИ, Энергосетьпроект, ВНИИЭ; гл.3 - МЭИ, Энергосетьпроект; гл.4 - МЭИ, Энергосетьпроект; гл.5 - ВНИИЭ, МЭИ; гл.6 - ВНИИЭ, МЭИ; гл.7 - ВНИИЭ, НИИПТ, ЦДУ ЕЭС СССР; гл.8 - МЭИ; гл.9 - ИЭД; гл.10 - ВНИИЭ, ЦДУ ЕЭС СССР; приложения - ВНИИЭ, МЭИ, Энергосетьпроект, НИИПТ, ИЭД.

СОСТАВИТЕЛИ д-р техн. наук Л.Г.Мамиконянц (введение, гл.1, 5-7, 10), канд. техн. наук Л.М.Горбунова (гл.6), канд. техн. наук Ю.Е.Гуревич (гл.6, приложения 1, 11, 12), инж. Л.Е.Либова (гл.2), канд. техн. наук В.Ф.Тимченко (гл.7), д-р техн. наук А.А.Хачатуров (гл.5, 8, приложения 1, 8, 9), ВНИИЭ; д-р техн. наук В.А.Веников (гл.2-6, 8, приложение 1), канд. техн. наук Н.Д.Анисимова (гл.3, 8, приложения 3, 4, 14), д-р техн. наук Л.А.Жуков (гл.2, 5), д-р техн. наук И.В.Литкенс (гл.3, приложения 5, 6), канд. техн. наук В.А.Строев (гл.3, 6, приложение 10), канд. техн. наук Д.А.Федоров (гл.4, 5), канд. техн. наук А.Н.Цовьянов (гл.4), МЭИ; д-р техн. наук Д.И.Азарьев (гл.2-4), инж. Ю.В.Кишкин (гл.2, приложения 2, 18) инж. Ю.В.Морошкин (гл.3), инж. Ю.А.Поздняков (гл.3, 4, приложение 7), канд. техн. наук З.Г.Хвощинская (гл.2, приложение 18), инж. Л.П.Шипунова (гл.2), Энергосетьпроект; д-р техн. наук С.А.Совалов (введение, гл.1, 7, 10, приложение 1), канд. техн. наук М.Г.Портной (гл.7, 10), ЦДУ ЕЭС СССР; д-р техн. наук Л.В.Цукерник (гл.9, приложения 15, 16, 17) ИЭД; канд. техн. наук Е.А.Марченко (гл.7, приложение 13), канд. техн. наук В.А.Андреюк (гл.7, приложение 13), НИИПТ.

УТВЕРЖДЕНЫ заместителем начальника Главного технического управления по эксплуатации энергосистем К.М.Антиповым 24 марта 1977 г.

ВВЕДЕНИЕ

Настоящие Методические указания базируются на [Л.1] и имеют целью дать проектным, исследовательским и эксплуатирующим организациям рекомендации (но не обязательные предписания) по методам определения различных видов устойчивости энергосистем в целом и отдельных их элементов (межсистемных связей, нагрузки и др.), а также по принципиальному выбору мероприятий, необходимых для обеспечения устойчивости энергосистем.

Методические указания содержат общие, принципиальные рекомендации, а не детально разработанные методики. Последние при необходимости могут составляться применительно к конкретным условиям в зависимости от решаемых задач, имеющихся средств для анализа устойчивости энергосистем и т.п.

Как правило, рекомендации даются вариантно, т.е. предоставляется возможность выбрать один или несколько из известных и рекомендуемых к использованию методов анализа устойчивости энергосистем в зависимости от решаемой задачи, имеющихся исходных данных и средств анализа.

При описании отдельных методов отмечаются их основные положения, но детали и особенно выводы используемых формул не приводятся, однако даются ссылки на соответствующие литературные источники. Исключения составляют методы, еще не опубликованные или опубликованные в малотиражных изданиях.

В большей части случаев рекомендуемые методы анализа устойчивости энергосистем иллюстрируются примерами принципиального характера без детального изложения всего расчета.

В настоящее время многие вопросы теории и практики анализа и способов обеспечения устойчивости энергосистем находятся еще в стадии разработки. В частности, быстро развиваются и совершенствуются методы анализа устойчивости энергосистем с помощью электронных аналоговых и особенно цифровых вычислительных машин (ЦВМ). В связи с этим настоящие Методические указания содержат рекомендации по известным методам и не ограничивают опытное использование новых, не вошедших в них методов анализа устойчивости энергосистем и мероприятий по ее обеспечению.

В настоящие Методические указания включены и некоторые приближенные методы анализа и критерии устойчивости энергосистем и их нагрузок, теоретически недостаточно строго обоснованные, но проверенные на практике. Это, в частности, относится к упрощению схем энергосистем, к ряду практических критериев оценки устойчивости и т.п.

В данных Методических указаниях сохранены определения и термины, принятые в [Л.1] и приведенные также в приложении 1.

Методические указания состоят из десяти глав и ряда приложений.

В гл.1 сформулированы задачи анализа устойчивости энергосистем на различных стадиях их проектирования и эксплуатации, даны определения видов их устойчивости, изложены общие рекомендации по анализу устойчивости: расчетные режимы, требуемая точность, анализ результатов, выбор средств для анализа и т.п. В гл.2 даются указания по подготовке исходных данных и режимов, по преобразованию схем энергосистем (эквивалентированию).

В гл.3, 4, 5 приведены рекомендации по анализу соответственно статической, динамической и результирующей устойчивости энергосистем. При этом, где необходимо, для каждого вида устойчивости даны рекомендации по специфическим особенностям применения специальных средств анализа (статических моделей, аналоговых и цифровых вычислительных машин).

Вопросам анализа устойчивости нагрузки посвящена гл.6, при этом рассматриваются случаи, когда изменение режима нагрузки не может существенно повлиять на устойчивость параллельной работы генераторов энергосистемы, т.е. когда напряжение электросети, питающей нагрузку за некоторым сопротивлением, является заданным (не обязательно постоянным) и не зависящим от режима рассматриваемой нагрузки. Более сложный случай, в котором устойчивость собственно энергосистемы и питающейся от нее нагрузки взаимно сильно связаны, охватываются общими методами, приведенными в гл.3, 4 и 5.

Специфические особенности анализа устойчивости энергосистем при наличии слабых межсистемных связей рассматриваются в гл.7. Глава 8 посвящена основным вопросам анализа самовозбуждения (главным образом применительно к случаям наличия в их электросетях значительных емкостей) и самораскачивания (в общем случае учета активных сопротивлений всех элементов энергосистемы). Общие рекомендации по применению ЦВМ для анализа устойчивости энергосистем даны в гл.9. Рекомендации по проведению натурных экспериментов в энергосистемах - в гл.10. Главы 6-10 составляют содержание части 2 Методических указаний.

Изданные ранее "Основные положения и временные руководящие указания по определению устойчивости энергетических систем" будут в дальнейшем пересматриваться и дополняться на основе опыта их использования при проектировании и эксплуатации энергосистем и с учетом новых теоретических разработок. В соответствии с этим предполагается в будущем пересмотреть и дополнить настоящие Методические указания.

Глава 1. ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ УСТОЙЧИВОСТИ ЭНЕРГОСИСТЕМ

     
1.1. Основные требования к анализу устойчивости энергосистем

1.1.1. Расчеты устойчивости энергосистем должны выполняться в соответствии c [Л.1.].

1.1.2. Требуемая точность анализа устойчивости энергосистем зависит от конкретных решаемых задач, стадий проектирования и нужд эксплуатации, точности исходных данных и т.п.

1.1.3. Ориентировочные расчеты (расчеты на первых стадиях проектирования и перспективные эксплуатационные расчеты, выполняемые при выборе напряжений, количества цепей, принципиальных схем электропередачи и основных мероприятий, обеспечивающих осуществимость требуемых режимов с необходимым запасом) могут проводиться упрощенно в отношении схем и расчетных условий. Например, расчеты статической и динамической устойчивости заданного режима могут производиться при неизменных значениях ЭДС синхронных машин за их переходными сопротивлениями.

1.1.4. Уточняющие и настроечные расчеты при проектировании и в эксплуатации (выбор схем и рабочих режимов, уточнение параметров оборудования энергосистемы и определение запасов устойчивости в нормальных и послеаварийных режимах, уточнение требований к защите, системной автоматике, регуляторам возбуждения синхронных машин, определение параметров - уставок - этих устройств и т.п.) следует выполнять по достаточно полным схемам и с учетом основных факторов, которые могут оказать значительное влияние на результаты расчетов. Следует учитывать электромагнитные и электромеханические уравнения основных синхронных машин, статические и динамические характеристики нагрузок, характеристики регуляторов возбуждения, регуляторов первичных двигателей, фактические значения времени действия выключателей, уставки и характеристики устройств системной автоматики и релейной защиты и т.п.

Эти расчеты в условиях эксплуатации целесообразно сочетать с экспериментальными данными, полученными в энергосистеме (см. гл.10).

1.1.5. Оперативно-эксплуатационные расчеты в зависимости от конкретных задач могут производиться весьма приближенно (грубая прикидка того или иного режима, показывающая наличие большего запаса, и т.п.) и с возможно более точным учетом конкретных условий и характеристик оборудования. В последнем случае целесообразно также использование результатов натурных испытаний.

1.1.6. Исследовательские расчеты также в зависимости от конкретных задач и стадий исследования могут производиться приближенно и возможно более точно, вплоть до представления машин и устройств системной автоматики наиболее полными системами уравнений. Последнее, в частности, оказывается необходимым при анализе влияния на устойчивость энергосистем параметров и характеристик самих машин и связанных с ними систем и устройств автоматики.

1.1.7. Анализ устойчивости энергосистем и выбор мероприятий для ее повышения следует производить с учетом конкретных задач для:

- режима нормальной работы энергосистемы при наиболее напряженных длительных условиях (максимальная активная или реактивная нагрузка энергосистемы, режимы наибольшей нагрузки основных линий электропередачи и других проверяемых элементов; утяжеленные условия питания проверяемых нагрузок для энергосистем с мощными гидроэлектростанциями - режимы паводка при минимальной нагрузке тепловых электростанций; для энергообъединений - режимы максимальных перетоков и т.п.);

- режимов, возникающих в результате отключения какого-либо основного элемента энергосистемы, вызывающих существенные ухудшения условий устойчивости и существующих до вмешательства персонала энергосистемы. Для таких режимов следует выполнять только расчеты статической устойчивости;

- ремонтных режимов, возникающих вследствие вывода в ремонт основных элементов энергосистемы, существенно влияющих на устойчивость энергосистемы в целом или проверяемого звена. При ориентировочных и уточняющих расчетах устойчивость этих режимов не проверяется, так как считается, что в этих режимах нагрузки линий электропередачи могут быть снижены до значений, достаточных для сохранения устойчивости. Однако устойчивость этих режимов должна, как правило, проверяться при выполнении оперативно-эксплуатационных расчетов;

- кратковременных особо тяжелых режимов, отличающихся от обычных меньшей надежностью и поэтому нормально не применяемых, а также для специальных случаев (например, для режимов работы синхронных машин с недовозбуждением).

Необходимость в проверке таких режимов может встретиться преимущественно в эксплуатационных условиях.

1.1.8. При ориентировочных расчетах, как правило, допустимо ограничиваться проверкой статической и динамической устойчивости, не производя проверки устойчивости нагрузки и результирующей устойчивости энергосистемы.

1.1.9. При уточняющих, настроечных и оперативно-эксплуатационных расчетах следует, как правило, анализировать все виды устойчивости собственно энергосистемы и узлов нагрузок.

1.1.10. В отдельных случаях, особенно при наличии продольной емкостной конденсации, необходима проверка возможности нарушения статической устойчивости энергосистемы или узлов нагрузки (в состав которых входят синхронные двигатели) вследствие самораскачивания, вызванного в режиме малых нагрузок относительно большим активным сопротивлением. При наличии значительных продольных или поперечных емкостей необходима также проверка на отсутствие самовозбуждения.

1.2. Методы анализа устойчивости энергосистем

1.2.1. Методом аналогий (подобия) следует пользоваться в ориентировочных расчетах, если простым пересчетом параметров на основе соотношений подобия [Л.2] можно свести рассматриваемую задачу к другой, уже имеющей оценку устойчивости на основе данных эксплуатации или по ранее выполненным исследованиям (расчетам, испытаниям и т.п.).

1.2.2. Применение относительно простых критериев устойчивости позволяет решать следующие задачи: определение статической устойчивости по "сползанию" с использованием критерия равенства нулю свободного члена характеристического уравнения системы или эквивалентных ему практических критериев, в которых используются производные передаваемой активной мощности по углу, реактивной мощности по напряжению и т.п.; определение динамической устойчивости по методу площадей; определение результирующей устойчивости по критериям ресинхронизации без выявления характера процесса; проверка отсутствия самовозбуждения по простейшим критериям, определяющим соотношения между индуктивными, емкостными и активными сопротивлениями, при которых это явление не возникает.

1.2.3. Уточненные методы анализа устойчивости энергосистем предназначены для большей части задач. Они основаны на анализе линеаризованных (для статической устойчивости) и нелинейных (для динамической и результирующей устойчивости) уравнений.

Для исследования статической устойчивости используются строгие критерии (Гурвица, Рауса, Михайлова, метод -разбиения), дающие необходимые и достаточные условия устойчивости. Степень упрощения элементов сложной энергосистемы может быть разной (различное количество электростанций, для которых не учитываются электромагнитные переходные процессы в контурах ротора и которые представляются упрощенно в виде постоянной ЭДС за постоянным сопротивлением, разное представление нагрузок и т.д.).

1.3. Средства анализа устойчивости энергосистем

1.3.1. Исследования устойчивости энергосистем могут выполняться с помощью разных средств, однако возможности каждого из них разные и поэтому различны области их применения. Средства непрерывно развиваются и совершенствуются, новые средства вытесняют менее совершенные. В Методических указаниях дается лишь краткая характеристика средств, используемых в настоящее время для исследования устойчивости энергосистем.

1.3.2. Простейшие средства, позволяющие выполнять расчеты вручную (логарифмическая линейка, арифмометр, клавишная вычислительная машина), следует использовать только при оценке устойчивости энергосистем с помощью методов аналогий, практических критериев и в упрощенных расчетах простых схем.

1.3.3. Аналоговые вычислительные машины (АВМ), предназначенные для решения систем нелинейных дифференциальных уравнений, целесообразны и используются для исследований устойчивости энергосистем, содержащих лишь небольшое количество индивидуально учитываемых электростанций (до трех-четырех), работающих в несложной электросети, так как с усложнением схемы трудности ее математического моделирования резко возрастают. Аналоговые вычислительные машины эффективны для исследования влияния на устойчивость различных средств автоматики и для выбора их характеристик.

Удобством использования АВМ, работающих в соответствии с методами математического моделирования [Л.3], является относительная легкость вариации параметров и характеристик моделируемого оборудования (в том числе с учетом нелинейностей), возможность быстрого получения наглядных результатов. Путем создания сравнительно простых преобразовательных переходных блоков имеется возможность сочетания АВМ с реальными устройствами автоматики.

1.3.4. Статические модели энергосистем, которые долгое время были единственным средством анализа устойчивости сложных энергосистем, еще могут использоваться для расчетов установившихся режимов и анализа апериодической статической устойчивости энергосистем с использованием практических критериев и динамической устойчивости методом последовательных интервалов.

Статические модели содержат активные и реактивные сопротивления, воспроизводящие пассивные элементы схемы замещения электрической системы, и устройства, позволяющие изменять вручную фазу и значения напряжений, подводимых к этой схеме, и таким образом воспроизводить режим работы электростанций.

Статические модели просты и надежны в эксплуатации, однако производительность работы на таких моделях относительно невелика. В настоящее время они вытесняются автоматическими моделями, производительность которых во много раз выше.

1.3.5. Автоматические модели электрических систем [Л.4] могут быть использованы для исследования любых видов устойчивости, однако наиболее эффективны они при исследованиях установившихся режимов и динамической устойчивости.

В отличие от статических моделей в автоматических моделях электрических систем, разработанных в Энергосетьпроекте, синхронные машины и асинхронные двигатели представлены специальными электромеханическими устройствами - генераторными станциями и нагрузками, автоматически воспроизводящими установившиеся режимы, электромеханические переходные процессы синхронных машин и динамические характеристики потребителей энергии. Управление коммутационными переключениями осуществляется программным блоком, а регистрация фаз ЭДС - с помощью автоматического потенциометра (самописца). Предусмотрено также применение цифровой регистрации. Переходный процесс воспроизводится в замедленном масштабе времени (1:100), причем этот процесс в любой момент может быть остановлен на любое время и вновь продолжен без искажения результатов. Такие модели могут содержать большое количество станций и нагрузок, причем увеличение их числа не увеличивает времени воспроизведения электромеханического переходного процесса, возрастает лишь время набора схемы и установки режима.

Модели с использованием лишь электронных элементов (типа "Дельта", разработка ВНИИЭ) могут быть использованы для исследования любых видов устойчивости энергосистем, в том числе и для исследований, связанных с асинхронным ходом синхронных машин. Такие модели могут работать в натуральном и ускоренном масштабе времени. Имеются принципиальные возможности непосредственного сочетания модели генераторов с натурными устройствами систем автоматического регулирования и защиты, если рабочая частота модели соответствует рабочей частоте устройств.

Для исследований установившихся режимов и динамической устойчивости энергосистем средней сложности могут также использоваться автоматические модели последовательного действия, разработанные АрмНИИЭ. Основной особенностью этих моделей, отличающих их от описанных, является наличие лишь одного вычислительного устройства, автоматически подключаемого поочередно к элементам и изменяющего фазу и значение напряжения, подводимого к исследуемой схеме в точках, куда подключены синхронные машины, и лишь одного вычислительного устройства, подключаемого к элементам, воспроизводящим нагрузку. Эти вычислительные устройства выполняют роль оператора в статических моделях. Процесс расчета на них аналогичен: при установке режима используется итеративный метод, а при расчете переходного процесса - метод последовательных интервалов. Время расчета на таких моделях увеличивается соответственно увеличению количества станций.

1.3.6. Цифровые вычислительные машины следует рассматривать как наиболее эффективные и перспективные средства анализа устойчивости энергосистем с требуемой для многих проектных, эксплуатационных и исследовательских задач высокой степенью полноты и точности математического описания системы в целом (учет большого количества машин, сложной сети и т.п.), отдельных ее элементов и систем автоматики. Цифровые вычислительные машины и методы анализа устойчивости, выполняемые с их помощью, быстро совершенствуются (см. гл.9).

1.3.7. Физические (электродинамические) модели энергосистем следует применять главным образом для проверки вновь разрабатываемых устройств управления, регулирования и защиты в условиях, близких к тем, которые имеют место в реальных энергосистемах.

Физические модели энергосистем [Л.5] представляют собой лабораторные физические модели генераторов, трансформаторов, линий и других элементов энергосистем, специально разработанные на основе теории подобия. Эти модели допускают изменение параметров в диапазонах, соответствующих реально имеющимся в энергосистемах. Такие модели проще, чем математические, сочетаются с натурными устройствами автоматики и защиты. Они могут работать в комплексе с аналоговыми математическими моделями тех процессов или устройств, физическое моделирование которых затруднительно или нецелесообразно (например, с математическими моделями турбины и ее системы управления).

Физические модели существенно уступают математическим в гибкости и оперативности, но позволяют проводить исследования с учетом ряда факторов, математическое описание которых затруднено или еще отсутствует (например, сложные несимметрии в системе с несколькими генераторными станциями).

1.4. Выбор методов и средств анализа устойчивости энергосистем

1.4.1. Выбор методов и средств анализа устойчивости энергосистем должен производиться с учетом конкретных задач, категорий расчетов и имеющихся возможностей.

1.4.2. Принципиально следует начинать оценку устойчивости энергосистем с более простых методов и применять более сложные, если возможные погрешности результатов, полученных простым методом, больше допустимых для решаемой задачи (например, если полученный запас по устойчивости соизмерим с величиной погрешности метода). Если коэффициенты запаса, полученные по методу аналогий, по практическим критериям устойчивости или в результате расчетов упрощенных схем, значительно превышают нормативные коэффициенты и возможные погрешности метода и исходных данных, то проверку устойчивости более точными методами можно не производить, за исключением случаев, когда это диктуется необходимостью более детального анализа процессов, возможных путей улучшения технико-экономических показателей системы за счет снижения излишних запасов, уточнения параметров и характеристик средств автоматики и защиты.