Государственноеобразовательное учреждение
высшегопрофессионального образования
«ТомскийПолитехнический Университет»
Отчет по лабораторнойработе №1
Обеспечениенадежности энергосистемы
Выполнил студент
Патенко М.С.
Томск — 2010
Перед нами стоитинженерная задача. Правильное” решение задачи инженерного анализа “правильным”методом возможно лишь при учете ограничений, с которыми сталкивается инженер,решающий эту задачу. Задача, сведенная к конкретному вопросу, позволяетвыразить получаемое решение через величины, которые можно затем вычислить илиизмерить. Другими словами, нужно ставить такой вопрос, на который можно получитьколичественный ответ. Модель представляет собой идеализированное приближение креальной ситуации. Построение хорошей аналитической модели предполагаетпринятие допущений, учитывающих относительную важность различных элементовзадачи. Применение физических принципов и накопление данных. После построенияаналитической модели можно воспользоваться знаниями и методами научных итехнических дисциплин. Для выполнения любой инженернойзадачи необходимо определить основную цель, которую необходимо достичь, т.е. нужночетко определиться для чего мы собираемся выполнять те или иные действия. Икаков будет результат (что мы будем иметь) при достижении поставленной цели.Будет ли в конечном итоге достигнутая цель удовлетворять решению поставленнойзадачи. Поэтому выполняемую лабораторную работу можно разделить на три основныхэтапа определение цели, ход работы, анализ и вывод. Которые в свою очередьподразделяются на подэтапы.
Определение цели
Основной задачей в нашей работеявляется выбор технического резерва генерирующих мощностей вэлектроэнергетической системе с учетом проведения планово-предупредительныхремонтов генераторов.
Для бесперебойногоснабжения потребителей электроэнергией требуемого качества, суммарный уровеньмощности генерирующих агрегатов должен быть не менеепрогнозируемогомаксимума нагрузки. При равенстве указанных мощностей любое снижениерасполагаемой мощности или увеличение нагрузки приводит к дефициту мощности и недоотпускуэлектроэнергии потребителям. Дефицитом называют превышение запроса мощности надрасполагаемой мощностью ЭЭС. При отсутствии резерва генерирующих мощностейприбегают к восстановлению баланса активной мощности в ЭЭС путемпринудительного уменьшения нагрузки за счет отключения наименее ответственныхпотребителей. Случайные отклонения генерируемой или потребляемой мощностейпроисходят на практике очень часто. Для снижения возможного недоотпускаэлектроэнергии потребителям и обусловленного им экономического ущерба принято вэнергосистеме создавать резерв генерирующих мощностей, т.е. некотороепревышение располагаемой мощности над прогнозируемым максимумом нагрузки. Приопределении резерва необходимо учесть проведение ежегодных планово-предупредительныхремонтов, вызывающих заранее планируемые простои генераторов.
Основными признаками, всоответствии с которыми осуществляется классификация составляющих резервагенерирующей мощности, являются их функциональное назначение и мобильность –время от момента возникновения потребности в резерве до момента полногоиспользования резерва для покрытия потребности. В общем случае резервгенерирующей мощности классифицируют с точки зрения энергетическойобеспеченности и в зависимости от зоны действия. По функциональному назначениюрезерв генерирующей мощности разделяется на две арифметически суммируемыесоставляющие: ремонтный резерв и оперативный резерв. Ремонтный резервпредназначается для компенсации снижения располагаемой мощности системы,вызываемого выводом генерирующего оборудования в предупредительный или плановыйремонт. Оперативный резерв предназначается для компенсации небаланса междугенерированием и потреблением мощности, вызванного отказами элементов(оборудования), непредвиденным увеличением нагрузки. Поэтому при возникновениинебалансов мощности оперативный резерв в свою очередь делят на аварийный инагрузочный. Аварийный резерв служит для компенсации снижения располагаемоймощности системы, вызванного частичными или полными отказами элементов(оборудования). Нагрузочный резерв служит для компенсации покрытиянепредвиденного увеличения нагрузки, включая ее случайные колебания. Всеперечисленные виды резерва могут быть объединены под названием техническогорезерва энергетической системы.
Задача решается исходя изтребований к надежности ЭЭС, определенной нормативными значениями коэффициентаготовности системы (³ 0,999) и коэффициента бездефицитной работы (³ 0.996).
Полагаем ЭЭС концентрированной инеоднороднойсистемой.Концентрированной энергосистемой считаем такую, в которой связи междуотдельными узлами не накладывают ограничений на потоки мощности в нормальных иаварийных режимах работы. Под неоднороднойсистемой понимаем систему,содержащую несколько групп разнотипных генераторов.
Расчетным периодом является 1 год.
Порядок расчета режимнойнадежности представлен логической блок-схемой (рис.1)
Исходя из вышесказанного,рассмотрим первый блок — Подготовка исходных данных: а) построение моделейзимних и летних нагрузок; б) построение годовой модели. Данные модели намнеобходимы для определения грачиного варианта бездефицитной работы ЭЭС. После применения теории задача сводится к нахождению числовыхрезультатов.
· Исходные данные
· Параметрыгенераторов
/>
Рис.1 Логическая схемаопределения потребности ЭС в резерве генерирующей мощности.
режимнаянадежность генератор электроэнергетическийP, кВт N, шт
kвп
tпр 30 2 0,008 0,5 25 3 0,008 0,5
Таблица 2.2- Нагрузка вотносительных единицах
/>Время суток, час P, кВт Зима Лето 2 0,4 0,3 4 0,2 0,2 6 0,65 0,4 8 0,65 0,5 10 0,65 0,5 12 0,6 0,5 14 1 0,45 16 0,6 0,5 18 0,6 0,55 20 0,7 0,45 22 0,7 0,5 24 0,6 0,4
Продолжительности периодов годового графика нагрузки
Длительности периодов tj (мес-в)/dj, (дней)
Зимний t1 /d1
Летний t2 /d2 9 / 274 3 / 91
/>
Проанализировав полученные модели можно сделать вывод, чтопри аварийном или плановом отключении даже одного генератора в зимний периоднеизбежно нарушение энергообеспечения потребителя на интервале от 2 до 4 часов.Построив годовую модель возможно определение распределения нагрузок в течениевсего года.
/>
Исходя из годовой модели нагрузок мы можем определитьвероятность появления каждой нагрузки в указанный период. Что позволит перейтико второму блоку логической схемы.
Определение вероятностей нагрузки и генерации.
Определив вероятность возникновения нагрузок и генерации мысможем выстроить вероятностную модель соответствия генерируемой мощноститребуемым нагрузкам.
Вероятность существования нагрузки в течение расчетногопериодаР, кВт t, час
Вероятность появления нагрузки/> 135 548 0,062557078 94,5 1096 0,125114155 87,75 1644 0,187671233 81 2192 0,250228311 74,25 182 0,020776256 67,5 910 0,103881279 60,75 364 0,041552511 54 912 0,104109589 40,5 182 0,020776256 27 730 0,083333333 135 548 0,062557078 94,5 1096 0,125114155 итого 1 /> /> /> />
Определение вероятностисуществования нагрузки в течение расчетного периода.
Вероятностьсуществования нагрузки в течение расчетного периодаопределяется какотношение />(длительностипотребления мощности />) к продолжительности расчетногопериода T0 (24 часа – для суточного графиканагрузки, 12 месяцев или 8760 часов – для годового), т.е.
/>/>
/>,
где i – номеринтервала; N – количество интервалов,соответствующих количеству разных ступеней графика нагрузок; /> - суммарная длительность нагрузки с уровнем /> за сутки.
Определение биноминальныхкоэффициентов и коэффициентов готовности групп однотипных генераторов.
Ряд распределения для i-й группы имеет вид многочлена
/> (6)
где ni – количество агрегатов в i-й группе;
mi – отключенныеагрегаты в i-й группе;
(ni-mi) – находящиеся в работе агрегатыi-й группы;
Pгi – номинальная мощность агрегатов i-й группы;
/>– коэффициент(вероятность) работы генераторов i-й группы с мощностью />.
Генерируемаямощность />–случайная величина с биномиальной функцией распределения. Для расчетакоэффициентов используем формулу биноминального распределения:
/>, (7)
где /> – биномиальныйкоэффициент;
/>– коэффициентвынужденного простоя miгенераторов (справочная величина);
/> – коэффициентготовности генераторов i-йгруппы.
Определимбиноминальный коэффициент/> для каждой группы генераторовпо формуле:
/>, (8)
Далее поизвестным коэффициенту вынужденного простоя mi генераторов и коэффициенту готовности генераторов i-й группы в степени />определим коэффициентготовности генераторов мощностью/>. Для этого воспользуемсяформулой (6).
Генераторы 1ой группы n
m1 откл ген Генерация, кВт
n1-m1
Cn1
Кг1-вероятность генерации 2 2 1 0,000064 2 1 30 1 2 0,015872 2 60 2 1 0,984064 Генераторы 2ой группы n
m1 откл ген Генерация, кВт
n1-m1
Cn1
Кг1-вероятность генерации 3 3 1 0,000000512 3 2 25 1 3 0,000190464 3 1 50 2 3 0,023617536 3 75 3 1 0,976191488
Рн1 30 60 Кг1 0,000064 0,01587 0,984064 Рн Кг 5,1E-07 3,2768E-11 8,13E-09 5,03841E-07 25 0,00019 1,21897E-08 3,02E-06 0,000187429 50 0,023618 1,51152E-06 0,000375 0,023241167 75 0,976191 6,24763E-05 0,015494 0,9606349
Таким образом мыопределили вероятность совпадения вырабатываемой мощности обеими группамигенераторов.
Третий блок – формированиевероятностной модели ЭЭС
Совпадение процессовпроизводства и потребления во времени выразим через вероятностные модели этихпроцессов полученные в предыдущем блоке логической схемы.Кн\Кг 25 30 50 55 60 75 80 85 105 110 135 27 -27 -2 3 23 28 33 48 53 58 78 83 108 40,5 -40,5 -15,5 -10,5 9,5 14,5 19,5 34,5 39,5 44,5 64,5 69,5 94,5 54 -54 -29 -24 -4 1 6 21 26 31 51 56 81 60,8 -60,8 -35,8 -30,8 -10,8 -5,75 -0,75 14,3 19,3 24,3 44,3 49,3 74,3 67,5 -67,5 -42,5 -37,5 -17,5 -12,5 -7,5 7,5 12,5 17,5 37,5 42,5 67,5 74,3 -74,3 -49,3 -44,3 -24,3 -19,3 -14,3 0,75 5,75 10,8 30,8 35,8 60,8 81 -81 -56 -51 -31 -26 -21 -6 -1 4 24 29 54 87,8 -87,8 -62,8 -57,8 -37,8 -32,8 -27,8 -12,8 -7,75 -2,75 17,3 22,3 47,3 94,5 -94,5 -69,5 -64,5 -44,5 -39,5 -34,5 -19,5 -14,5 -9,5 10,5 15,5 40,5 135 -135 -110 -105 -85 -80 -75 -60 -55 -50 -30 -25
Данная модель точнопоказывает при каких сочетаниях нагрузки и генерации возникает дефицит, а прикаких профицит. Заметим что бездефицитное состояние показывает положительноезначение. Такое представление модели приблизит ее к практически важной оценкинедоотпуска электроэнергии вследствие возникновения дефицитных состояний.
Блоки: определениекоэффициента бездефицитной работы и индекса надежности.
Коэффициент бездефицитной работы определяется по вероятностноймодели функционирования ЭЭС полученной путем вычленения состоянийэнергосистемы, в которых дефицит не возникает, т.е. при />, и суммированиявероятностей возникновения этих состояний:
/>
где /> - уровни располагаемоймощности энергосистемы, в составе которой G генераторов на интервале i = 0,G; /> - ступени пронумерованной наинтервале j = 1,N нагрузки в соответствие с графикомнагрузки.
Определение коэффициентаготовности ЭС.
Коэффициент готовности определим по формуле:
Кг= ( Э – DЭ)/Э,
где Э – годовая потребность в электроэнергии; DЭ – математическое ожиданиенедоотпуска электроэнергии за год вследствие дефицита мощности.
Коэффициенты мощности, для которых не выполняется условие />, называюткоэффициентами дефицитной работы системы. Математическое ожидание недоотпускаэлектроэнергии за год вследствие дефицита мощности в энергосистеме определитсяпо формуле:.
/>,
где /> - коэффициентряда распределения дефицитных состояний, соответствующий уровню дефицита РДi; 8760 – количество часов в году.Э t Рн коэффициенты деф dЭ 19710 730 27 1,01854E-09 2,0075E-05 7371 182 40,5 4,22775E-10 3,1163E-06 49248 912 54 1,59482E-07 0,00785419 22113 364 60,75 2,10204E-07 0,00464824 61425 910 67,5 5,2551E-07 0,03227946 13513,5 182 74,25 1,05102E-07 0,0014203 177552 2192 81 0,000110699 19,6548535 144261 1644 87,75 0,000118199 17,0515552 103572 1096 94,5 7,87996E-05 8,16142813 73980 548 135 0,002462566 182,180602
Проведянеобходимые расчеты получаем вероятность бездефицитных состояний КДБ=0,997;индекс надежности α=0,9996.
Для оценки резерва мощности используют два определенных ранеепоказателя:
1. Коэффициент готовности определенный через отношениеотпущенной энергосистемой электроэнергии к общей ее потребности:
Кг= ( Э – DЭ)/Э,
Нормативное минимальное значение />.
2. Коэффициент бездефицитной работы определенный по вероятностноймодели функционирования ЭЭС путем вычленения состояний энергосистемы, в которыхдефицит не возникает, и суммирования вероятностей возникновения этих состояний:
/>
Нормативное минимальное значение />.
Резерв считается достаточным, если /> и />.
В случаенедостаточности резерва, т.е. невыполнения условий /> и />необходимо ввести дополнительныегенерирующие мощности и проделать расчет сначала в аналогичнойпоследовательности.
Посколькуполученные нами данные удовлетворяют заданным значениям, то переходим к решениюследующего блока – вывод генераторов в ремонт.
Производярасчеты коэффициента Кбд и α, при выведенных генераторах времонт получаем результаты не удовлетворяющие нормативным требованиям, поэтомудля поддержания должного уровня надежности ЭС и соблюдения нормативных значенийкоэффициентов Кбд и α при ремонте введем дополнительныйрезервный генератор на 30 МВт.
Послечего производим расчеты нормативных коэффициентов повторно.
Вероятностнаямодель энергосистемы с учетом выведенных генераторов в ремонт в зимний период.Кн\Кг 25 30 50 55 60 75 80 85 105 110 135 27 -27 -2 3 23 28 33 48 53 58 78 83 108 54 -54 -29 -24 -4 1 6 21 26 31 51 56 81 81 -81 -56 -51 -31 -26 -21 -6 -1 4 24 29 54 87,8 -87,8 -62,8 -57,8 -37,8 -32,8 -27,8 -12,8 -7,75 -2,75 17,3 22,3 47,3 94,5 -94,5 -69,5 -64,5 -44,5 -39,5 -34,5 -19,5 -14,5 -9,5 10,5 15,5 40,5 135 -135 -110 -105 -85 -80 -75 -60 -55 -50 -30 -25
Вероятностнаямодель энергосистемы с учетом выведенных генераторов в ремонт в летний период.Кн\Кг 25 30 50 55 60 75 80 85 105 110 135 27 -27 -2 3 23 28 33 48 53 58 78 83 108 40,5 -40,5 -15,5 -10,5 9,5 14,5 19,5 34,5 39,5 44,5 64,5 69,5 94,5 54 -54 -29 -24 -4 1 6 21 26 31 51 56 81 60,8 -60,8 -35,8 -30,8 -10,8 -5,75 -0,75 14,3 19,3 24,3 44,3 49,3 74,25 67,5 -67,5 -42,5 -37,5 -17,5 -12,5 -7,5 7,5 12,5 17,5 37,5 42,5 67,5 74,3 -74,3 -49,3 -44,3 -24,3 -19,3 -14,3 0,75 5,75 10,8 30,8 35,8 60,75
Определяемсреднее значение недоотпуска электрической энергии в энергосистеме за зимнийпериодЭ t Рн коэффициенты деф dЭ 19710 730 27 1,01854E-09 2,0075E-05 7371 182 40,5 4,22775E-10 3,1163E-06 49248 912 54 1,59482E-07 0,00785419 22113 364 60,75 2,10204E-07 0,00464824 61425 910 67,5 5,2551E-07 0,03227946 13513,5 182 74,25 1,05102E-07 0,0014203 177552 2192 81 0,000110699 19,6548535 144261 1644 87,75 0,000118199 17,0515552 103572 1096 94,5 7,87996E-05 8,16142813 73980 548 135 0,002462566 182,180602
Проведянеобходимые расчеты получаем вероятность бездефицитных состояний КДБ=0,996;индекс надежности α=0,999.
Посколькуполученные коэффициенты соответствуют нормативным параметрам, то считаем, чтоуровень надежности производства электроэнергии в ЭЭС является достаточным.Следовательно, можем переходить к следующему блоку нашей логической схемы.
Составлениемодели ППР
ДаннаяЭЭС в целом рассчитана по количеству установленных агрегатов и не учитываеттого, что часть агрегатов может находиться в плановом ремонте, причемколичество таких агрегатов в течение года может изменяться.
Проиллюстрируемопределение необходимого технического резерва генерирующих мощностей путемпрямого моделирования вывода генераторов в ремонт. Исходной информацией будетслужить годовой график месячных максимумов нагрузки ЭЭС с учетом сезонныхколебаний.
/>
Основнаязадача данного блока заключается в соответствии надежности производства электроэнергии в ЭЭСнормативным показателям при условии, что определенное число генераторов будетвыведено в ремонт.
Исходяиз модели зимних и летних максимумов выводим генераторы мощностью 30 МВт в игенераторы 2ой группы мощностью 25 МВт в летний период т.к. длительностьпланового ремонта генераторов 1ой и 2ой группы соответствует 0,5 месяца. Чтопозволит во временном промежутке выполнить ремонты всех генераторов вустановленные сроки.
Первоначальновыводим генератор 1ой группы в ремонт, следовательно мощность генерируемая нашеЭЭС снизится на мощность соответствующую мощности генератора и на время егопланового ремонта. Поэтому определим вероятность бездефицитных состояний икоэффициента надежности для данной модели. Вычисление проводятся аналогично предшествующиммоделям. В результате которых получаем значения Кбд=0.996 и α=0,999,что соответствует требуемым нормативам. Далее выводим в ремонт генераторы 2ойгруппы мощностью 25МВт. Аналогично проведя вычисления получаем Кбд=0.996и α=0,999.
Полученныезначения нормативных коэффициентов позволяют вывести в ремонт каждый изимеющихся генераторов в установленные сроки в течение года, без ущербанадежности производства электроэнергии в ЭЭС. Графическую модель можноизобразить следующим образом.
/>
Анализ и вывод:
Теперь, когда намиполучен некоторый числовой результат, его нужно оценить. Кроме того, нужноустановить, можно ли сделать обобщения, которые дадут нечто большее, чем просторешение конкретной задачи.
Инженерный анализ былпредставлен здесь в виде последовательности этапов. Хотя потребовалось многократноерешение одной и той же задачи, прежде чем будет получен удовлетворительныйрезультат. Отметим еще раз, что на процесс решения задачи налагаютсяограничения, обусловленные такими факторами, как коэффициент готовности ивероятность бездефицитной работы.
В итоге основная задача внашей работе — выбор технического резерва генерирующих мощностей вэлектроэнергетической системе с учетом проведения планово-предупредительныхремонтов генераторов была выполнена. Составлен график вывода в ремонт имеющихсямощностей который, позволяет без нарушения надежности производстваэлектроэнергии в ЭЭС и отклонения от нормативных параметров производить ППР.Также была определена надежность изначально заданной ЭЭС и введены недостающиемощности.