Реактивная мощность в оценке надежности энергосистем

Реактивная мощность играет значительную роль в функционировании энергетической системы. Однако, при оценке надежности, внимание реактивной мощности практически не уделяется. При традиционных подходах к оценке надежности систем энергоснабжения в качестве предельных значений реактивной мощности источников энергии принимаются фиксированные максимальные и минимальные величины. Неисправности источников реактивной мощности учитываются крайне редко. Мало изучены подробные причины нарушений работы сети в аварийных ситуациях. Для смягчения нарушений работы сети традиционно используется снижение активной мощности нагрузки, не учитывая важную роль мощности реактивной.

В существующих методиках нет соответствующих показателей надежности, отражающих недостаточность реактивной мощности. Предлагаем к рассмотрению вопросы нехватки реактивной мощности и соответствующие искажения напряжения, возникающие вследствие отказов источников реактивной мощности. Также предлагаем рассмотреть новые показатели надежности для отражения влияния нехватки реактивной мощности на надежность системы. Определены показатели надежности, учитывающие дефицит реактивной мощности. Указанные показатели отделены от аналогичных показателей, касающихся нехватки активной мощности. Выполнено исследование предельных значений реактивной мощности, определяемых по выходной активной мощности генератора с использованием P–Q диаграмм мощности генератора.

Для определения возможного дефицита реактивной мощности и места его возникновения рассмотрим «метод подпитки реактивной мощностью». В качестве иллюстрации предложенной методики был выполнен анализ модифицированной 30-узловой тестовой схемы энергосистемы. Полученные результаты дают проектировщикам и диспетчерам энергосистем чрезвычайно важную информацию для управления активной и реактивной мощностью.

Реактивная мощность

Реактивная мощность является основным условием поддержания стабильности напряжения энергосистемы. Предполагается, что достаточный запас реактивной мощности позволит поддерживать целостность энергосистемы в послеаварийных режимах при случайных отказах источников реактивной мощности. Будучи хорошо отлаженной вспомогательной службой, средства обеспечения реактивной мощностью и регулирования напряжения играют жизненно важную роль в функционировании энергетической системы. Масштабные аварийные ситуации обычно возникают в тяжело нагруженных системах, которые не обладают достаточным запасом реактивной мощности. Тяжело нагруженные системы обычно характеризуются высоким потреблением реактивной мощности и потерями реактивной мощности в линии электропередач. При аварийной ситуации активная составляющая мощности существенно не изменяется, тогда, как поток реактивной мощности может измениться весьма значительно.

Это происходит из-за того, что падение напряжения на шине из-за отказа элемента сети приводит к уменьшению потока реактивной мощности от емкости линии и конденсаторов конденсаторной установки. Следовательно, необходимо иметь весьма значительный запас реактивной мощности, чтобы обеспечить потребности в реактивной энергии в послеаварийном режиме. Реактивная мощность, которая может быть поставлена энергосистемой, зависит от конфигурации сети, режима работы и расположения источников реактивной мощности. Реактивная мощность является ключом к решению проблем с сетевым напряжением при работе энергосистемы и должна учитываться при оценке надежности системы.

В методах оценки качества предельных значений реактивной мощности источников принимаются фиксированные максимальные и минимальные значения. Сетевые искажения в аварийной ситуации обычно уменьшают посредством снижения нагрузки с активным характером мощности, уделяя при этом реактивной мощности меньшее внимание. Напряжения в послеаварийном режиме, генерация реактивной мощности и потокораспределения мощности оценивались с использованием анализа чувствительности. Посредством кусочно-линейного оценивания было установлено влияние предельных характеристик оборудования на результаты оценки. Параллельный конденсатор оказывает влияние на надежность распределительной сети. Влияние ограничений напряжения и реактивной мощности на надежность системы было исследовано с помощью метода расчета потокораспределения мощности на модели сети постоянного тока. Рассчитывалась ожидаемая величина снижения электрической энергии из-за недостаточной генерации реактивной мощности и предполагаемое значение отклонений напряжения.

Однако в существующих методиках расчета надежности редко принимается во внимание ряд вопросов. Во-первых, большинство существующих методик пренебрегают возможными отказами источников реактивной мощности, такими как синхронные компенсаторы и статические компенсаторы реактивной мощности. Во-вторых, сетевые искажения из-за дефицита активной мощности не отделены от искажений, возникающих из-за недостаточного количества реактивной мощности при снижении нагрузки в послеаварийном режиме. В-третьих, отсутствуют показатели и соответствующие методы решения вопросов надежности, связанных с недостаточным количеством реактивной мощности. И, наконец, не рассматривается взаимосвязь между активной и реактивной мощностью генератора, определяемой по P–Q диаграммам генератора. Таким образом, существующих показателей надежности недостаточно для проектировщиков и диспетчеров энергосистем для осуществления рационального планирования и эффективного управления.

Предлагаемая методика оценки показателей надежности учитывает дефицит как активной, так и реактивной мощности из-за отказов источников активной и реактивной мощности, таких как генераторы, синхронные компенсаторы и статические компенсаторы. В данной методике рассмотрены дефицит реактивной мощности и связанные с ним отклонения напряжения, возникающие из-за сбоев в источниках реактивной мощности.

Предложены новые показатели надежности, позволяющие учесть влияние дефицита реактивной мощности на надежность системы. Показатели надежности, связанные с дефицитом реактивной мощности отделены от показателей, связанных с дефицитом активной мощности. Предложен «метод подпитки реактивной мощностью» для определения дефицита реактивной мощности и места его возникновения. С использованием P–Q диаграмм мощности выполнено исследование предельного значения реактивной мощности генератора, определяемого по его выходной активной мощности.

Вопросы реактивной мощности

A. Характеристики реактивной мощности
Существует три момента, отличающие реактивную мощность от активной при эксплуатации энергосистемы, и которые следует учитывать при оценке надежности. Во-первых, передавать реактивную энергию на большие расстояния неэффективно из-за больших потерь в линиях электропередач, и напряжение на шине весьма чувствительно к реактивной мощности. Таким образом, дефицит реактивной мощности в слабо связанных сетях обычно компенсируется локально, на месте. Во-вторых, важнейшей ролью реактивной мощности является поддержание стабильности напряжения / эксплуатационной надежности энергосистемы.

Следовательно, влияние реактивной мощности на надежность системы, в смысле недоподачи энергии, является косвенным и должно быть вычислено на основе дефицита реактивной мощности и отклонений напряжения. И, наконец, потери реактивной мощности изменяются в зависимости от конфигурации системы и эксплуатационных режимов. Потребность в реактивной мощности с точки зрения восстановления напряжения в послеаварийном периоде во многом зависит от распределения запасов реактивной энергии в энергосистеме.

Чтобы обоснованно определить распределение активной и реактивной мощности и послеаварийный сброс нагрузки, следует рассмотреть зависимости активной и реактивной мощности от напряжения на шинах и их взаимосвязь. В настоящем материале рассматриваются диаграммы P–V, P–V и P–Q, которые показывают взаимодействие между активной мощностью, реактивной мощностью и напряжением при распределении активной и реактивной мощности и снижении (отключении) нагрузки.

B. Управление падением напряжения и разгрузкой системы

Стабильность сетевого напряжения является очень важным показателем работы энергосистемы и должна учитываться при оценке надежности. Для решения проблем стабильности напряжения, вызванных дефицитом реактивной мощности, существуют известные методы. В общем случае, смягчить колебания напряжения можно с помощью превентивного или корректирующего управления.

Превентивное управление направлено на предотвращение нестабильности напряжения до того, как она реально будет иметь место, тогда как корректирующее управление призвано стабилизировать состояние системы в послеаварийном режиме посредством таких действий, как коммутация компенсационных реакторов, увеличение максимального значения напряжения генератора, управление напряжением во вторичной цепи, перераспределение генерации и т.д.

Сброс нагрузки при понижении напряжения является последним средством для решения проблем с напряжением и используется в настоящей статье для определения сокращения нагрузки, вызванного дефицитом реактивной мощности. Допускается 10% снижение поставарийного напряжения относительно самого низкого допустимого напряжения (95%) при учете ограничений до второго порядка на основании. В качестве уставки напряжения для отключений нагрузки может использоваться как величина 0.85 о.е., так и 0.9 о.е.

Показатели надежности и прогнозирование аварийных ситуаций

A. Модель надежности компонента
Элементы системы, такие как генератор, линия электропередачи или компенсатор реактивной энергии, могут быть представлены с использованием модели надежности с двумя состояниями, как показано на рис. 1. Коэффициент готовности А и коэффициент простоя U элемента может быть рассчитан на основе его интенсивности отказов λ, и времени восстановления µ, по следующим соотношениям:

B. Параметры надежности системы
Для энергосистемы с N независимыми компонентами вероятность состояния pi, интенсивность выхода λi, частота Fi и общее количество имеющегося в системе объема активной мощности Pi для состояния i при M неисправных компонентах могут быть определены по следующим соотношениям:

где Ai, Ui , λi и µi – коэффициент готовности, коэффициент простоя, интенсивность отказов, время восстановления компонента i, соответственно, Pk– активная мощность генератора k, а Ngi – число имеющихся генераторов в системе для состояния i. Следует отметить, что вероятность состояния должна быть скорректирована для отказов, обусловленных общей причиной.

C. Показатели надежности
Для получения информации о надежности, как по активной, так и по реактивной энергии системы для проектировщиков и диспетчеров, ожидаемые сокращения активной и реактивной мощности нагрузки из-за дефицита активной мощности обозначены, соответственно, как ELCP и EQCP. Ожидаемые сокращения активной и реактивной мощности нагрузки из-за дефицита реактивной мощности обозначены, соответственно, как ELCQ и EQCQ.

Ожидаемое количество непоставленной энергии из-за дефицита активной и реактивной мощности представлены, соответственно, как EENSP и EENSQ. Ожидаемое количество непоставленной реактивной мощности из-за дефицита активной и реактивной мощности представлены, соответственно, как EVNSP и EVNSQ. Ожидаемый дефицит реактивной мощности из-за отклонений напряжения определен как EVarS. Эти показатели могут быть рассчитаны по следующим соотношениям:

где NC – общее количество рассмотренных аварийных ситуаций, LCPi и QCPi – сокращения активной и реактивной мощности нагрузки из-за дефицита активной мощности для состояния i, соответственно, а LCQi и QCQi – сокращения активной и реактивной мощности нагрузки из-за дефицита реактивной мощности для состояния i, соответственно, а VarSQi – дефицит реактивной мощности, вызывающий отклонения напряжения для состояния i.

Ожидаемый дефицит реактивной мощности на каждой шине может быть использован для выбора оптимального места установки дополнительных компенсаторов реактивной мощности при проектировании системы и в процессе управления ее работой.

D. Отбор и фильтрация аварийных ситуаций
Количество рабочих состояний системы для реальных систем большой мощности будет чрезвычайно возрастать при рассмотрении отказов второго порядка и почасового графика продолжительности нагрузки за год. Следовательно, для уменьшения количества рассматриваемых состояний необходимо использовать фильтрацию или отбор аварийных ситуаций, исходя из требуемой точности. Большинство существующих методов отбора ситуаций при оценке надежности основаны на вероятностях нештатныхсостояний. Ситуации с вероятностями, превышающими заданную величину, будут рассматриваться с помощью метода отбора состояний. В ходе анализа надежности предлагаются различные методы для уменьшения времени вычислений при отборе в реальном времени.

Учитывая особые требования по оценке надежности определен показатель фильтрации состояний, на основе сочетания вероятности состояний и показателя производительности, который аналогичен показателю для отбора аварийных режимов работы. Различают два вида режимов системы: режимы с разделенными шинами из-за отказов в сети и режимы без разделения шин. Для режимов без разделения шин, предлагаемый показатель фильтрации представляет собой произведение вероятности состояния и коэффициент тяжести режима.

Показатель тяжести для различных режимов определится следующим образом:

для режимов с двумя отказавшими источниками, показатель тяжести представляет собой отношение суммарной активной мощности отказавших генераторов к общей активной мощности нагрузки в нормальном режиме работы;
для режимов с двумя отказавшими линиями, показатель тяжести представляет собой отношение суммарного потока активной мощности отказавших линий к общей активной мощности нагрузки в нормальном режиме работы;
для режимов с одной отказавшей линией и одним отказавшим источником, показатель тяжести представляет собой отношение суммы потока активной мощности отказавшей линии и активной мощности отказавшего генератора к общей активной мощности нагрузки в нормальном режиме работы.

Все режимы, вплоть до отказов второго порядка с разделенными шинами, должны учитываться из-за полного отключения нагрузок на этих шинах.

Методика оценки надежности

A. Сброс нагрузки с активным и реактивным характером мощности
Предложен двуступенчатый процесс отключения нагрузки, чтобы различать показатели надежности, относящиеся к случаям, возникающим по причине дефицита реактивной мощности, и показатели, относящиеся к дефициту активной мощности. Основной целью здесь является предоставление подробной информации для проектировщиков и диспетчеров о текущих и будущих энергетических ресурсах системы.

Этап № 1. Общая имеющаяся активная мощность системы , включающая как генерируемую, так и резервную, сравнивается с суммарной потребляемой активной мощностью , включающей суммарную активную мощность нагрузки и потери при передаче. Поток мощности переменного тока рассчитывается для определения потерь при передаче для i-го аварийного режима. Если меньше, чем , активные нагрузки всех загруженных шин уменьшаются в пределах системы, используя пропорциональный или иной метод разгрузки по напряжению. Реактивная нагрузка на каждой шине также соответственно уменьшается в зависимости от начального значения коэффициента мощности.

Пропорциональный метод – наиболее широко используемый метод снижения нагрузки при оценке надежности и именно его применяют на этом этапе. В соответствии с этим методом, суммарный дефицит активной мощности P, равный –, распределяется по всем нагруженным шинам в соответствии с их процентной долей от общей нагрузки системы. Нагрузки на всех шинах уменьшаются одновременно в соответствии с процентным распределением нагрузки.

Этап № 2. После первого этапа снижения нагрузки необходимо выполнить анализ потока энергии переменного тока. Проверить подпитку реактивной мощности Q на всех шинах типа PV-bus и отклонения напряжения на других шинах. Если значение Q на шине типа PV-bus достигает своего максимального значения, то изменяем тип шины на PQ-bus для фиксации значения ее реактивной составляющей. Подпитка реактивной мощности Q будет изменяться в процессе снижения нагрузки. В случае если напряжение на некоторых нагруженных шинах становится ниже значения уставки напряжения, то возникает проблема локального дефицита реактивной мощности.

Для решения проблемы дефицита реактивной мощности требуется снижение нагрузки. Как правило, в узлах с отклонениями напряжения выполняется сброс нагрузки, ввиду низкой эффективности передачи реактивной энергии на большие расстояния. Как активная, так и реактивная нагрузки снижаются итеративно, с шагом в 1 % при поддержании неизменным коэффициента мощности до тех пор, пока отклонения напряжения не будут устранены.

Причина выбора столь малого шага величиной всего лишь в 1% от реактивной нагрузки в ходе итеративного процесса снижения нагрузки заключается в том, что напряжение является величиной, очень чувствительной к значению реактивной мощности. Если шаг сделать больше, нижний предел напряжения не сможет быть достигнут плавно в ходе итеративного процесса. Если на этих шинах отклонения напряжения все еще сохраняются даже после того, как вся нагрузка полностью отключена, необходимо сбросить нагрузку в соседних, смежных узлах, в соответствии с локальными характеристиками реактивной мощности. Следует отметить, что стабильность напряжения сильно зависит от распределения активной нагрузки в системе.

Для сложных сетей необходимо рассматривать понятия электрического расстояния и территорий/зон управления напряжением, чтобы иметь возможность определить соседние узлы для снижения нагрузки. Для облегчения проблем отклонений напряжения могут быть использованы и другие методы для компенсации реактивной мощности и снижения нагрузки. Целью этого этапа является обеспечение информацией планировщиков и диспетчеров о локальных дефицитах реактивной мощности Q.

Следует также отметить, что разгрузка по напряжению – это крайняя мера для решения проблемы с напряжением. Как уже упоминалось выше, значение уставки напряжения является очень важной величиной в процессе разгрузки по напряжению. Для режимов с изолированными шинами, питание нагрузок на этих шинах будет невозможным.

B. Подпитка реактивной мощностью
Отклонения напряжения, связанные с нехваткой реактивной мощности, могут быть также ликвидированы путем дополнительной локальной подпитки Q или компенсации реактивной мощности. В этом случае реактивная мощность подается в узлы, где имеют место отклонения напряжения, для ликвидации этих отклонений. Когда напряжение достигает значения напряжения уставки, соответствующая величина «подпиточной» реактивной мощности есть значение дефицита Q реактивной мощности VarSQ.

Следует отметить, что влияние подпитки реактивной мощностью на напряжение шины очень чувствительно к конфигурации сети и распределению источников реактивной мощности. Здесь мы видим, что реактивная мощность вводится постепенно с шагом в 1% от реактивной нагрузки на шине с отклонениями напряжения до тех пор, пока проблема с напряжением не будет решена. Целью подпитки реактивной мощностью здесь является обеспечение дополнительной информацией планировщиков и диспетчеров для введения новых источников реактивной мощности в новые проекты и в процессе эксплуатации.

C. Процесс оценки надежности
Последовательность действий в предлагаемом методе включает в себя последовательные шаги. Рассмотрим их подробно.

Ввод данных о сети и ее составляющих, таких как параметры надежности и сетевые параметры. Определение состояний системы с использованием предложенной методики фильтрации режимов; Расчет основных показателей надежности системы для i-го режима.
Расчет суммарной имеющейся активной мощности в системе и суммарного потребления , анализируя поток мощности.
Сравнение Pi и Pdi . Если Pi больше, чем Pdi, то переходим к следующему шагу. Иначе, снижаем активную и реактивную мощность нагрузки пропорционально на всех шинах до тех пор, пока Pi и Pdi не уравновесятся. Пересчитываем заново (обновляем) значения ELCP, EQCP, EENSP и EVNSP.
Выполнение анализа потока мощности и проверка величины подпитки реактивной мощности для всех шин типа PV-bus. Если подпитка реактивной мощности шины типа PV-bus достигла максимального значения, то изменяем тип шины на PQ-bus.
Определение отклонения напряжения. Переходим на шаг 8 для определения дефицита реактивной мощности VarSQi, при наличии отклонений напряжения. Иначе, переходим на шаг 13.
Компенсация отклонения напряжения, с использованием метода подпитки реактивной мощностью Q (шаг 8 и шаг Добавляем 1% реактивной мощности в узлы, где имеют место отклонения напряжения, используя методику, описанную в разделе IV-B и пересчитываем значение VarSQi.

Проверка отклонений напряжения с использованием анализа потока мощности. Если отклонения напряжения еще остались, возвращаемся на Шаг 8. В противном случае обновляем суммарное значение ЕVarS.
Отвод накопленной реактивной энергии, введенной в шины на шаге 8, и переход на шаг 11 для определения сокращения нагрузки из-за отклонений напряжения.
Компенсация отклонений напряжения, используя метод локального сокращения нагрузки (шаг 11 и шаг 12). Уменьшаем на 1% активную и реактивную нагрузку на шинах, на которых были обнаружены на Шаге 7 отклонения напряжения и пересчитываем QCQi.
Проверка отклонений напряжения, используя анализ потока мощности. Если отклонения напряжения еще остались, то переходим к Шагу 11. Иначе, обновляем суммарное значение EVNSQ и переходим к следующему шагу.
Если все аварийные состояния рассмотрены, то переход на следующий шаг. В противном случае, переход на Шаг 3 для рассмотрения следующего режима.
Расчет показателей надежности системы.

Если в ходе анализа надежности учитывается взаимосвязь между активной и реактивной мощностью, то для определения пределов реактивной мощности используются P–Q диаграммы мощности.

Следует отметить, что при достижении реактивной мощностью предельного значения в шинах типа PV-bus, необходимо проверить отсутствие проблемы перенапряжения. Также необходимо подчеркнуть, что выбор из двух методов, используемых для устранения отклонений напряжения, зависит от результатов сравнительного анализа стоимости установки новых компенсационных устройств (конденсаторных установок) и затратами на прекращение подачи энергии потребителям из-за сброса нагрузки. Если стоимость первого варианта ниже, чем второго, то в сеть необходимо установить новые конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности.

Исследование системы

Модифицированная 30-узловая тестовая схема энергосистемы, приведенная на Рис.2, проанализирована для иллюстрации предложенной методики. Такая система выбрана из-за высоких требований компенсации реактивной мощности, обусловленных особой конфигурацией от двух генерирующих станций к удаленным нагрузкам. В системе имеется пять шин типа PV-bus и 24 шины типа PQ-bus. Суммарная активная и реактивная мощность системы в периоды пиковых нагрузок в нормальном режиме составляет соответственно 283.4 МВт и 126.2 Мвар.

Для расчета надежности генератора в процессе оценки предполагалось, что 4х60 МВт устройств подключены к шине 1 и 3х40 МВт устройств – к шине 2. Были использованы параметры надежности генераторов и линий электропередач, приведенные в Таблице № 4 и № 6. В результате исследований было выявлено и представлено влияние различных аспектов реактивной мощности на надежность системы и электроснабжения в точках приложения нагрузки.

A. Основной анализ надежности
В анализе использованы фиксированные пределы реактивной мощности, приведенные в Таблице № 5 для генераторов и конденсаторов. В этом случае использовано значение годового статического пика нагрузки. Активная и реактивная мощности нагрузки каждой шины собраны вместе с использованием фиксированного начального значения коэффициента мощности в процессе сброса нагрузки. Рассматриваются режимы до отказов второго порядка. Показатели EENSP, EENSQ, ELCP и ELCQ для точки нагружения и системы приведены в Таблице № 1 в предположении значения уставки напряжения на уровне 0.9 о.е.

Таблица № 1. Показатели EENSP, EENSQ, ELCP и ELCQ для точки нагружения и системы

Из Таблицы №1 видно, что точка нагрузки на шине 5 имеет самое большое значение EENSP, вместе с нагрузками шины 8 и 7. Самое высокое значение EENSP на этих шинах взято из-за самого высокого уровня нагрузки, по сравнению с другими точками нагрузки. В отличие от EENSP, точка нагрузки на шине 29 имеет высокое значение EENSQ, как и точка на шине 30. Причина заключается в том, что нет локального реактивного компенсатора мощности, подключенного к ближайшим окружающим шинам, а линии передач от других компенсаторов к этим двум шинам очень длинны. Результаты также показывают, что значение показателя EENSQ системы составляет около 1,8% от EENSP. Причем 47,21% общего значения EENS на шине 29 из-за дефицита реактивной мощности. Это говорит о том, что компенсация реактивной мощности для некоторых точек нагрузки является критической для восстановления в послеаварийном режиме. Значение EENSQ системы, обусловленное пределом генерации реактивной энергии и отклонениями напряжения, составляет 1,76% от общего значения EENS.

Таблица № 2. Показатели EVNSP, EVNSQ, EQCP и EQCQ для точки нагружения и системы

В Таблице № 2 приведены показатели EVNSP, EVNSQ, EQCP и EQCQ для точки нагружения и системы. Ожидаемое значение сокращения реактивной нагрузки из-за дефицита реактивной мощности меньше, чем из-за дефицита активной мощности. Причина этого в том, что реактивная мощность нагрузки ограничена на первом этапе снижения нагрузки. В реальных энергосистемах, активная и реактивная нагрузки сокращаются на основе характеристик нагрузки.

B. Ограничение нагрузки и компенсация
Большинство существующих методов оценки надежности устраняют отклонения напряжения посредством снижения активной и реактивной мощности нагрузки (метод 1). Подпитка реактивной мощностью (метод 2) также рассмотрена в данном материале для решения аналогичной проблемы. Целью снижения нагрузки или подпитки является восстановление напряжения на каждой шине до его минимального предела.

Таблица № 3. Показатели надежности для двух методов

Таблица № 3 показывает суммарное значение EENS точки нагрузки и системы, полученное с помощью двух методов. Соответствующие значения ограничений активной и реактивной нагрузки для метода 1 и компенсация реактивной мощности для метода 2 из-за отклонений напряжения также представлены в Таблице № 3.

Если реактивная мощность вводится в соответствующие шины для исключения отклонений напряжения, то общее значение EENS системы уменьшится на 2% по сравнению с тем значением, которое было получено при использовании метода сброса нагрузки. Суммарная ожидаемая величина подпитки реактивной мощности является 68.039 Мвар∙час/год. Максимальную подпитку реактивной мощностью испытывают шина 29, а также шина 30 и шина 5. Результаты представляют информацию проектировщикам систем для будущего размещения компенсаторов реактивной мощности.

C. Влияние уставки напряжения
Также рассмотрено влияние уставки напряжения на показатели надежности. Рассчитаны показатели надежности для уставки напряжения равной 0.85 о.е. Значение EENSQ для уставки напряжения равной 0.85 о.е. значительно меньше тех же показателей, определенных при уставке равной 0,9 о.е.: значение 9.4078 MВт∙ч/год при 0,85 о.е., при 67.4098 МВт∙ч/год при 0,9 о.е.

Значение показателя EVarS системы для уставки, равной 0,85 о.е., равно 8.72 Мвар/год, что значительно меньше значения 68.0390 Мвар/год для уставки 0,9. Результаты показывают, что если система может обеспечить нормальное функционирование в стабильном режиме при пониженном напряжении и значении уставки, равном 0,85, то это привело бы к меньшим снижениям нагрузки и меньшим подпиткам. Следует отметить, что запас надежности для послеаварийных режимов также уменьшен из-за меньшего значения напряжения уставки.

D. Влияние вариаций нагрузки
Чтобы учесть влияние активной и реактивной мощности на надежность при различных условиях нагрузки, необходимо вычислять показатели надежности на основе графика продолжительности нагрузки. Почасовой график продолжительности нагрузки основан на базе годового максимума нагрузки и ежечасных, ежедневных, ежемесячных процентов. График продолжительности нагрузки приблизительно представляется с использованием 14 нагрузочных уровня с шагом 5% с высшего на низший нагрузочный уровень.

Показатели надежности для различных нагрузочных уровней при использовании двух различных методов представлены на Рис.3. Общий показатель системы EENS уменьшается при снижении уровня нагрузки со 100% до 80% от пикового уровня по двум методам. Это очень маленькая разница между результатами, полученными двумя методами. При уровне нагрузки менее или равном 80% от пикового значения, показатель системы EENS остается одинаковым для обоих методов, поскольку в этом случае в большинстве режимов работы сети она не испытывает отклонений, за исключением работы в режиме с изолированными шинами. Общие годовые показатели надежности представлены в Таблице № 4.

Таблица № 4. Показатели надежности системы по двум методам

Суммарные годовые показатели EENS и EVarS значительно уменьшились по сравнению с аналогичными показателями, использующими для расчета постоянную годовую пиковую нагрузку. Следовательно, результаты, полученные на основе годовой пиковой нагрузки, дают пессимистическую оценку. Более точные результаты могут быть получены с использованием почасовой кривой продолжительности нагрузки.

E. Влияние взаимосвязи между активной и реактивной мощностью генератора В традиционных энергосистемах при оценке надежности максимальное значение реактивной мощности генератора предполагается постоянным. Однако максимальная реактивная мощность генератора тесно связана с его активной выходной мощностью. При определении выходной активной мощности генератора для аварийного режима работы, соответствующая реактивная мощность может быть определена по P–Q диаграммам мощности. Больше реактивной мощности генератор может выдать, когда активная мощность на выходе меньше. Влияние активной выходной мощности на предельные значения реактивной мощность генератора рассматривается в этом разделе.

Для пояснения влияния P–Q диаграмм мощности генераторов рассмотрим генераторы, подключенные к шине Все другие шины типа PV-bus изменены на тип PQ-bus с фиксированными пределами Q, приведенными в Таблице № 7. Для иллюстрации влияния исследуются только отказы второго порядка одиночного генератора на шине 1 и одной линии передач в системе.

Результаты, полученные с использованием P–Q диаграмм генератора (Вариант 1), сравниваются с аналогичными показателями, полученными при условии постоянной величины предела реактивной мощности (Вариант 2). Результаты расчета показателя EENSQ приведены для двух вариантов на рис.4. Показатель EENSQ для Варианта 2 приблизительно в полтора раза превышает свое значение для Варианта 1, что означает следующее: наибольшее количество реактивной мощности может быть произведено генераторами на шине 1 для Варианта 1, нежели для Варианта 2.

Следовательно, реактивная мощность генераторов не используется в полной мере при использовании фиксированного предельного значения для Варианта 2. Максимальное значение реактивной мощности , которое может быть обеспечено генераторами при различных уровнях нагрузки, недооценено в этой системе. И хотя предельное значение генерируемой реактивной мощности может быть тоже определено с помощью P–Q диаграмм генератора на основе выходной активной мощности, вероятность того, что генератор будет работать на этом пределе, весьма невелика. Только в 8 случаях из 40 ситуаций генератор работал на максимуме реактивной энергии.

На основании анализа можно сделать вывод о том, что активная и реактивная мощность генератора может использоваться в очень широких пределах, поэтому сброс нагрузки является крайней мерой, когда исчерпаны пределы реактивной мощности генератора, определенные по его P–Q диаграммам на основе выходной активной мощности.

Таблица № 5. Показатели надежности и пределы реактивной мощности

F. Влияние отбора аварийных состояний Предлагаемый метод отбора аварийных ситуаций или метод фильтрации используется для уменьшения числа рассматриваемых режимов системы. В этом методе применяется метод расчета потока мощности для определения потокораспределения мощности по линиям. Предложенный показатель фильтрации определен на основе вероятности состояния, мощности генератора, мощности линии, суммарной нагрузки системы с использованием метода, отбора и фильтрации аварийных ситуаций. Общие значения показателя EENSS для различных аварийных режимов собраны и упорядочены от максимального к минимальному по убыванию в соответствии с предлагаемой методикой. Все отобранные в соответствии с методикой режимы представляют собой наиболее тяжелые режимы, при этом для отбора режимов использовалось фиксированное количество режимов.

Общие значения показателя EENSS для различного числа режимов также сравнивается со значениями, полученными при анализе всех ситуаций с отказами второго порядка. Результаты показывают, что разница составляет всего лишь 3,8%, тогда как в первом случае отобран 51 режим, а во втором случае рассмотрено 1378 режимов. Следовательно, предложенный метод фильтрации ситуаций может значительно снизить число анализируемых режимов при сохранении приемлемой точности. Следует отметить, что рассмотренный метод фильтрации аварийных ситуаций может изменяться в зависимости от конфигурации сети, размещений генераторов, и поэтому должен быть хорошо изучен при его использовании в практических системах.

Выводы

В настоящем материале мы рассмотрели вопросы использования реактивной мощности при оценке надежности энергетической системы. Также разобрали метод оценки надежности системы и точек нагрузки энергосистемы в условиях дефицита реактивной мощности из-за отказов источников реактивной мощности, таких как генераторы, синхронные компенсаторы и статические компенсаторы. Показатели надежности при дефиците реактивной мощности отделены от аналогичных показателей при дефиците активной мощности.

Дефицит реактивной мощности определяется с использованием подпитки реактивной мощностью в узлах, где имеют место отклонения напряжения, для обеспечения проектировщиков и операторов подробной информацией. Исследовано влияние P–Q диаграмм на надежность системы. Для иллюстрации предложенной методики и моделей была модифицирована и проанализирована 30-узловая тестовая схема энергосистемы. Полученные результаты показали, что реактивная мощность оказывает существенное влияние на надежность системы и должна быть учтена при анализе надежности. Предложенные новые показатели надежности обеспечивают проектировщиков и операторов очень важной информацией, способствующей принятию оптимальных решений. В статье также предложены различные способы минимизации возмущений в работе сети и поиска оптимального местоположения новых компенсаторов реактивной мощности.

Таблица № 6. Параметры надежности линий электропередач

Таблица № 7. Мощность подпитки Q после конвертирования шины типа PV-BUS в шины типа PQ-BUS