Elektrotehniški vestnik 73(4): 201-206, 2006 Electrotechnical Review: Ljubljana, Slovenija Ocena dinamične sigurnosti elektroenergetskih sistemov s pomočjo digitalne simulacije Uroš Kerin1, Grega Bizjak1 1 Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani, Tržaška 25, SI-1000 Ljubljana, Slovenija E-pošta: uros.kerin@fe.uni-lj.si, grega.bizjak@fe.uni-lj.si Povzetek. V članku smo predstavili postopek za oceno dinamične sigurnosti elektroenergetskih sistemov. Postopek smo razvili v okviru programskega orodja za simulacijo dinamičnih stanj elektroenergetskih sistemov NETOMAC, v katerega smo ga tudi v celoti implementirali. V članku smo na kratko opisali kriterije stabilnega obratovanja sistemov in definirali upoštevane vrste stabilnosti. Na podlagi opredelitve obratovalnih stanj sistema smo določili območja obratovanja in podali karakteristične lastnosti sistema v posameznem območju. Predstavili smo modularno strukturo ocenjevalnega postopka in naloge posameznih modulov. Delovanje postopka smo preizkusili na poenostavljenem simulacijskem modelu dejanskega sistema. Rezultati postopka so na voljo v grafični in numerični obliki in v obliki krajšega besedila. Ključne besede: dinamične sigurnosti, tranzientna stabilnost, napetostna stabilnost, NETOMAC Power System Dynamic Security Assessment using digital simulation Extended abstract. Electrical energy plays an extremely important role in the world's constantly increasing growth in economy and industry. This is why, power systems have been growing and are nowadays most complicated man-made systems in the world. To meet the increasing demand and to assure secure operation, an intensive planning and development of power systems have to be made. All over the world, engineers are using various approaches and methods to predict the systems behavior in most common conditions. Nowadays, the most widely used methods and simulations are made with neural networks and other fast and reliable procedures. Their main advantage is the speed of the calculation process. However, to prepare the neurons for it, they have to be trained, which is a much time consuming and complicated procedure. In this paper, we propose a new approach, based on the NETOMAC program system. The software already uses fast calculation methods and does not require any special additions. We use the NETOMAC's abilities to develop the basics for the new algorithm providing us with the Dynamic Security Assessment of the network. For testing purposes we utilize the topology of the Hydro-Quebec's 735kV transmission level. During the simulation, the system is exposed to various contingencies. They are different for Prejet 20. februar, 2006 Odobren 27. julij, 2006 each system and are normally reduced to the most severe ones. The paper presents theoretical basics of stability, structure of the developed framework and obtained results. Keywords: dynamic security assessment, transient stability, voltage stability, NETOMAC 1 Uvod Zanesljivo in sigurno obratovanje elektroenergetskega sistema (EES) je v času odprtega trga z električno energijo prednostna funkcija vsakega operaterja. V EES mora kljub dnevnim motnjam, spremembam topologije in nepredvidenim obratovalnim stanjem ohraniti sistemsko celovitost in zanesljivost dobave električne energije. Ocena dinamične sigurnosti (ODS) je postopek, ki upravitelju omrežja pomaga pri razumevanju dinamičnih lastnosti reguliranega EES. Z njim lahko ugotovimo tipe motenj, ki vplivajo na obratovanje in določimo območje v katerem je obratovanje sigurno. V času zmogljive strojne in programske opreme je postopek ODS mogoče definirati z uporabo več različnih metod [1]. V zadnjem času so v ospredju metode, ki razmere v EES analizirajo in ocenijo bodisi na podlagi uporabe nevronskih omrežij ali z uporabo direktnih metod na podlagi energijskih funkcij. Odlikujejo jih časovno hitro reševanje, prilagodljivost in praktično neomejena uporabnost, vendar hkrati zahtevajo veliko kompleksnih definicij in uporabniškega časa. Kratek povzetek tovrstnih metod je podan v [2]. Nekoliko manj znane in uporabljane pa so metode, ki temeljijo na numeričnem reševanju obravnavanih primerov. Zaradi numerične zasnove in v preteklosti omejene procesorske moči se niso razvijale vzporedno z drugimi metodami, temveč so se uporabljale le pri časovno neomejenih simulacijah. Te metode odlikujeta uporabnost in preprosto definiranje ter izvajanje izbranih funkcij. V splošnem je primarni namen postopka ODS določiti območje sigurnega obratovanja za izbrani EES. Po literaturi [3] je območje sigurnega obratovanja mogoče ugotoviti z zaporednim izvajanjem štirih korakov: 1. izbira kritičnih motenj, 2. simulacija motenj in detajlna analiza nastalih sistemskih razmer, 3. pregled rezultatov in ugotovitev morebitnih kršitev, 4. zaporedno izvajanje 2. in 3. koraka do približne določitve območja sigurnega obratovanja. Raziskave dinamične sigurnosti so bile do nedavnega osredotočene na hitro izvajanje 2. in 3. koraka. Na modelu obravnavanega EES se je s simulacijami številnih motenj določilo območje obratovanja, v katerem EES kljub motnjam ohrani sigurno obratovanje. To je bil sicer uveljavljen in preizkušen postopek, ki pa smo ga v našem primeru še nekoliko izboljšali. Izboljšava zajema predvsem 1. korak in vključuje redukcijo števila motenj na tiste, pri katerih je verjetnost prehoda v nestabilno obratovanje največja (kritične motnje). Za redukcijo stanj je na voljo več naprednih metod, na primer [4], v raziskanih EES pa je redukcijo mogoče izvesti tudi na podlagi izkušenj. V članku povzet postopek ODS ne temelji na aktualnih metodah, temveč na numerični obravnavi. Izvedli smo ga z uporabo programskega orodja, ki se uporablja predvsem za digitalno obdelavo prehodnih stanj električnih omrežij. Osnova postopka so že opisani koraki, pri čemer smo v simulacijah upoštevali majhen nabor motenj. Postopek smo izvedli na poenostavljenem modelu dejansko obstoječega EES. 2 Obratovalni kriteriji, tranzientna in napetostna stabilnost Ocena dinamične sigurnosti je podana na podlagi določil in zahtev, podanih z obratovalnimi kriteriji EES, in na podlagi definicij stabilnosti EES, ki so podane v [5]. Na splošno velja, da če v prehodnih stanjih sistema pride do kršitev teh kriterijev, razmere v sistemu ocenimo kot nesigurne. V našem primeru smo za oceno sigurnosti obratovanja uporabili kriterije pravil obratovanja in kriterije tranzientne in napetostne stabilnosti. V nadaljnjem razvoju postopka pa je predvidena razširitev nabora upoštevanih kriterijev še na druga področja stabilnosti. Morebitno nestabilno stanje EES smo ocenili na podlagi primerjave trenutnih razmer z definicijo tranzientne stabilnosti in napetostne nestabilnosti: Tranzientna stabilnost je sposobnost sistema, da kljub večjim motnjam ohrani sinhrono obratovanje vseh v EES povezanih elementov. V visokonapetostnih omrežjih so vplivom motenj najbolj izpostavljeni generatorji. Zaradi rezerve moči se na motnje hipno odzovejo z nekontroliranim pospeševanjem rotorjev, kar povzroči osciliranje izhodnih moči in v izrednih primerih tudi izgubo sinhronizma ter posledično nestabilno obratovanje. Napetostna nestabilnost je proces neustavljivega padanja (drsenja) napetosti do trenutka popolnega zloma oziroma hipnega upada na vrednost blizu nič. Pojav imenujemo napetostni zlom. Največkrat nastane v omrežjih, v katerih je prišlo do nenadnega izpada napetostnih podpornih točk, ki jih sestavljajo elektrarne, kompenzacijski elementi ipd. Procesa ni vedno mogoče predvideti. Nastane lahko z zakasnitvijo po motnji in ga v začetnem stadiju zaradi počasnega upadanja napetosti ne zaznamo. 3 Sigurno obratovanje EES in dinamična sigurnost Z namenom opredelitve trenutnega obratovalnega stanja EES smo v raziskavi obratovanje sistema uvrstili v tri obratovalna področja: • Sigurno obratovanje: je območje, v katerem je obratovanje EES stabilno. Vzpostavljeno je ravnovesje pretokov moči in z obratovalnimi kriteriji predpisano napetostno stanje. Rezerva moči v sistemu je zadostna. Na večino motenj se sistem dinamično odzove in se po njih vrne v točko sigurnega obratovanja. V izrednih primerih lahko sistem preide v območje nevarnega ali nesigurnega obratovanja. • Nevarno obratovanje: je območje, v katerem je obratovanje EES stabilno. Vzpostavljeno je ravnovesje moči, vendar pri minimalni rezervi moči. Nekoliko slabše so tudi napetostne razmere. V večini primerov bo motnja povzročila direkten prehod v nesigurno obratovanje. • Nesigurno obratovanje: je območje, v katerem so bodisi kršeni obratovalni kriteriji ali pa je obratovanje sistema nestabilno. Območja obratovanja so ponazorjena na sliki 1. Območje sigurnega obratovanja je območje, v katerem je točka T1, nevarno območje je določeno s točko T2 in območje nesigurnega obratovanja s točko T3. Meje med posameznimi območji so zaradi različnosti karakteristik elementov in nepredvidljivosti obratovanja včasih težko določljive. Q1