Поведение электроэнергетических систем различной структуры

В зависимости от того, из какого уровня элементов (местные, подсистемные, системные и т.д.) состоит ЭЭС и каким образом они связаны друг с другом, формируется структурная модель системы в целом. При этом оказывается, что особенности структуры сложной ЭЭС, роль и значимость отдельных элементов существенным образом определяют поведение системы.

Местные узлы (генераторы, подсистемы) характеризуются сильной зависимостью их режимов и условий устойчивости от местных параметров (электростанции, нагрузки прилегающего сетевого района) и сравнительно слабой - от поведения остальной части системы. Они могут быть либо малозначимыми, либо существенными для работы ЭЭС. Согласно существующей терминологии это концевые узлы.

Если связь концевого узла с системой слабая, то это вносит ряд особенностей в анализ режимов, определение устойчивости "в малом" и "в большом", связанных с малой пропускной способностью связи (в том числе, возможны частые нарушения устойчивости без значительных последствий для системы), Если связь узла с системой имеет среднюю жесткость, то система влияет на его работу.

Анализ режимов и устойчивости концевых узлов (электростанций, ЭЭС) показывает, что сильное влияние на пределы устойчивости параметров самого узла и близлежащей нагрузки связано с возможностями поддержания напряжения в прилегающем энергорайоне в стационарных и переходных режимах. Особенно сильна зависимость предела передаваемой мощности по связи от располагаемой реактивной мощности для дефицитных узлов. Подобные узлы следует моделировать подробно и выявлять зависимость пределов устойчивости по связи от режимов работы нагрузки и располагаемой реактивной мощности. Управление местными узлами выполняется по местным параметрам.

Внутренние узлы. Для них характерна сильная зависимость от режимов работы генераторов, входящих в одну подсистему. Внутренние узлы могут быть основными и малозначимыми. Как правило, для внутренних генераторов не возникает проблем с обеспечением устойчивости при коротких замыканиях, ликвидируемых действием мгновенных ступеней релейной защиты. Однако при затягивании отключений повреждений вблизи электростанций может нарушаться устойчивость их генераторов по отношению к системе, Характер нарушения устойчивости определяется местом возмущения. Если короткое замыкание происходит у основного генератора, то может иметь место групповое нарушение устойчивости этого генератора и сильно связанных с ним малозначимых генераторов. Повреждение вблизи малозначимого узла приводит к его локальному нарушению устойчивости по отношению к системе, не влияющему на устойчивость остальных генераторов. В первом случае управление должно быть направлено на сохранение устойчивости основного генератора, во втором - на отделение малозначимого генератора со сбалансированной нагрузкой от системы.

Системные узлы характеризуются наиболее сложными условиями работы. Именно они формируют ЭЭС, связывая подсистемы в одно целое. Режимы работы и параметры таких узлов существенно влияют на пропускную способность внутренних и внешних связей подсистемы. Изменение числа включенных генераторов, мощности их участия в покрытии нагрузки, типы и настройки регуляторов возбуждения в системных узлах необходимо учитывать при анализе режимов и устойчивости ЭЭС. Как правило, этими узлами являются мощные электростанции, не имеющие значительной собственной нагрузки, расположенные в центре системы.

Режимы и устойчивость системных узлов можно исследовать только через многомерные зависимости, отражающие характер функциональных связей между узлами. Их размерность определяется числом значимых межузловых структурных связей. В подавляющем большинстве случаев тяжелые возмущения вблизи системных узлов (многофазные и затянувшиеся короткие замыкания) приводят к нарушению устойчивости целых подсистем, а иногда распространяются и за их пределы, вызывая каскадное развитие аварий.

Многомерные зависимости режимов системных узлов существенно определяются составом включенного оборудования. Как правило, управление такими узлами должно быть централизованным (по общесистемным параметрам).

Равнозначимые узлы характеризуются более сложными условиями работы. Их отличительный признак - наличие равновеликих структурных связей, относящихся либо к одноименному (генератор-генератор, подсистема-подсистема), либо к более высоким уровням иерархии (генератор-подсистема, подсистема-система). Подобные узлы целесообразно исследовать в составе лучевых (радиальных) структур с числом лучей, равным числу значимых связей. Наиболее характерной лучевой структурой является трехлучевая, состоящая из трех узлов; исследуемый генератор или подсистема и два другие генератора соответственно. При этом равнозначимый узел может располагаться в так называемом электрическом центре качаний ЭЭС (условная точка, по отношению к которой происходят колебания генераторов). Это обусловливает определенные особенности переходных процессов при коротких замыканиях. Место нарушения устойчивости зависит от места короткого замыкания и отключаемого элемента. В итоге могут быть следующие случаи: совместное нарушение устойчивости П1 и Г относительно П2 при ослаблении связей с П2 или повреждениях внутри нее; то же для П2 и Г по отношению к П1; общесистемное нарушение устойчивости при различных движениях всех трех узлов.

Близость узла к электрическому центру качаний создает возможность его отключения защитой генератора из-за перегрузки по реактивной мощности, что может приводить к развитию аварий. Указанные явления слабее выражены в многолучевых структурах, так как там смещение центра качаний к равнозначимому узлу имеет место гораздо реже по сравнению с трехлучевой схемой. Как правило, управление такими узлами организуется с помощью делительной автоматики, отделяющей аварийный луч от остальной части системы.

Живучесть систем

Простой пример динамической системы. Вернемся к анализу поведения сложныхсистем при изменениях их параметров, но с несколько иных, по сравнению с п.3.3-3.5, позиций, а именно - с точки зрения анализа механизмов распространения возмущений. Дляэтой цели рассмотрим сначала простой пример динамической системы.

Сложные системы. В структурно сложной многомерной системе возмущения начальных условий и параметров системы происходят в некотором смысле локально, некотораячасть координат системы вблизи места возмущения получает более сильный "толчок" посравнению с удаленными координатами. Происходящее нарушение устойчивости системы втаком случае выражается в том, что эта группа "возмущенных" координат системы, условно говоря, попадает область притяжения устойчивого положения равновесия, но остальные координаты продолжают оставаться в этой области и топология многомерной потенциальной функции для остающихся координат практически не меняется.

Следует отметить, что подобные ситуации распространения возмущений, каскадногоразвития аварий и связанного с ними понятия живучести характерны не только для ЭЭС, но и для других сложных систем различной природы. При этом трактовка свойства живучестипримерно соответствует приведенной выше для ЭЭС, отличаясь в некоторых деталях. Подчеркнем, что только для сложных систем имеет смысл говорить о свойстве живучести, дляпростых систем такие явления и процессы не характерны.