Stabilita ES Síťový simulátor

MODES

Ing. Karel Máslo, CSc.

odd. Analýz PS

Obsah přednášky: Dynamická stabilita1. Definice spolehlivosti provozu ES

1. Adekvátnost

2. Bezpečnost provozu

2. Dynamická stabilita1. Úhlová stabilita

2. Frekvenční stabilita

3. Napěťová stabilita

3. Příklady systémových poruch

4. Obranný plán proti šíření poruch

5. Popis síťového simulátoru MODES

Spolehlivost provozu ES Adekvátnost – výkonová přiměřenost

Bezpečnost provozuo kritérium N-1 (přetížení, napětí)

o stabilita (napěťová, úhlová..), zkratová odolnost …

• V Kodexu PS je definována stabilita provozu jako schopnost soustavy udržet rovnovážný stav během normálního provozu i po přechodných dějích způsobených vnějšími vlivy, dispečerským řízením i poruchovými výpadky zařízení

Kodex PS –část I. Základní podmínky pro užívání přenosové soustavy, dostupný na http://www.ceps.cz

• Společná pracovní skupina IEEE a CIGRE definovala stabilitu ES zhruba takto: jestliže dojde v soustavěk rozruchu, musí se soustava vrátit do rovnovážného stavu s veličinami v dovolených mezích a soustava jako celek zůstane nedotčena

Definition and classification of power system stability, technická brožura CIGRE, Paříž 2002

Adekvátnost provozu

Zdroj: ENTSO-E Scenario Outlook & Adequacy Forecast 2011 – 2025

Rozruchy• provozního charakteru - změny odebíraného nebo

dodávaného výkonu, plánované změny topologie sítě(např. vypínáním nebo zapínání vedení),

• poruchy zařízení působených skrytými vadami nebo zrychleným stárnutím (výpadky el. bloků a vedení)

• poruchy způsobených klimatickými vlivy jako údery blesku, silným větrem, vysokou teplotou (zkraty)

• vlivy fungování trhu s elektřinou

• poruchy způsobené lidskou neúmyslnou chybou

• sociální vlivy –např. stávky v elektrárnách

• geomagnetické bouře

• teroristická a kybernetické útoky.

Časový rozsah přechodných dějů v ES

Dlouhodobá stabilita

Střednědobá stabilita

Krátkodobá stabilita

Asynchronní motory

Buzení a generátor

Setrvačnost soustrojí

Primární regulace frekvence

Frekvenční odlehčování

Dynamika kotle

Změna odboček trafa

Omezovač stat. a rotor.proudu

Najíždění rezervy

Sekundární regulace P a f Terciální regulace P a Q

Spolehlivost

Zásahy obsluhy a dispečerů

Plánování provozu

0.1 1 10 100 1000 10000

1min 1hod

čas [sec]

Stabilita ES

Úhlová stabilita

(Xd+X/2)I

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

[pj]

PM

[rad]

PE

)sin(*

δ

Σ

⋅=X

UEP S

E

Úhlová stabilita – oslabení sítě

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

[pj]

PM

[rad]

PE

δ0 δ1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

[pj]

PM

[rad]

PE

δ0

δ ∞

Úhlová stabilita - zkrat

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

[pj]

PM

[rad]

PE0

δ0

PEZ

PE1

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3

[pj]

PM

[rad]

PE0

δ0

PEZ

PE1

Distančníochrana

Střed kývání

S

jEE

Eajm

ea

jX

I

UZ =

−

∗−=⋅= ;

1 δ

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

-6 -4 -2 0 2 4 6r

x a=0.9

a=1.1

a=1

m=

0

E ES

m

XE

m=1

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0-6 -4 -2 0 2 4 6

m=0.5

Frekvenční stabilita

elmech MMdt

dnJ −=⋅

)(dt

dT EMM PP

f−Σ=⋅

Průběh frekvence ∆fpři deficitu ∆PE

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

00 10 20 30 40 50 60

k=2.5 TM=10 s

t [s]

⊥f TT=10 s

TT=2 s

TT=0.1 s

TT=1 s ⊥f=-⊥PE/K

-2

-1.8

-1.6

-1.4

-1.2

-1

-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

00 2 4 6 8 10

k=20 TM=10 s

t [s]

∆f TT=2 s

TT=1 s

TT=0.1 s ∆f=-∆PE/K

Ostrovní provozRegulace otáček

Synchronní propojeníPrimární regulace f

Výpadek 1500 MW s připojeným Tureckem

Zdroj: ENTSO-E SPD, Warsaw, Nov. 4th 2010, TEIAS System Connection, W. Sattinger, Swissgrid

Rozšiřování kontinentálního propojení

Napěťová stabilita - zjednodušený pohled

CEE

Napěťová stabilita – reálné faktory

• zatížení asynchronní motory –lavina napětí,

• činnost hladinových regulátorů napětí (HRT)

• činnost podpěťových ochran (na vlastní

spotřebě)

• činnost omezovačů rotorového proudu v regulátorech buzení

•

Stabilita ES

Zdroj: ENTSO-E Technical background and recommendations for defence plans in the Continetal

Europe,

Blackout již. Švédsko a vých. Dánsko23.9. 2003

Zdroj: The black-out in southern Sweden and eastern Denmark, 23 September, 2003

Iniciační porucha – důsledkyR RT TSR

Nearest phase in adjacent

busbar – B

Disrupture

Busbar – A,

3 phases (R,S,T)

Overheating

R RT TSR

Nearest phase in adjacent

busbar – B

Disrupture

Busbar – A,

3 phases (R,S,T)

Overheating

Napěťový kolaps

přepínání odboček traf

Výpadky bloků

SLOVENIASLOVENIASLOVENIA

SWITZERLANDSWITZERLANDSWITZERLAND

FRANCEFRANCEFRANCE

AUSTRIAAUSTRIAAUSTRIA

Albertville

RondissoneVillarodin

Venaus

Gorduno

Airolo

Ponte

Pallanzeno

MoerelRiddes

AviseValpelline

CamporossoLe Broc-Carros

Soazza

*BulciagoMusignano

Lavorgo

Sondrio

Robbia

Mese

Lienz

Soverzene

Redipuglia Divaca

Padriciano

7

1 2

3

Mettlen Sils

5-6

From Swiss statement to

UCTE

8

4

3.1

Separation from European grid

Planais

3.2

SLOVENIASLOVENIASLOVENIA

SWITZERLANDSWITZERLANDSWITZERLAND

FRANCEFRANCEFRANCE

AUSTRIAAUSTRIAAUSTRIA

Albertville

RondissoneVillarodin

Venaus

Gorduno

Airolo

Ponte

Pallanzeno

MoerelRiddes

AviseValpelline

CamporossoLe Broc-Carros

Soazza

*BulciagoMusignano

Lavorgo

Sondrio

Robbia

Mese

Lienz

Soverzene

Redipuglia Divaca

Padriciano

77

11 22

33

Mettlen Sils

5-65-6

From Swiss statement to

UCTE

88

44

3.13.1

Separation from European grid

Planais

3.23.2

Blackout Itálie28.9. 2003

Blackout Itálie

Blackout Itáliefrekvenční kolaps

Napěťový kolaps Polsko26.6.2006

REC

MON VIE

KRA

GOR

PLC

GLN

PLE

CZE

PPD

BEK

PIO

PAB

JAN

ZGI

ADA

KON

PAT

PDE WLA

TEL BYD

JAS PKW

ZYD DUN

SLK GDA

GBL

ZRC STA

PLO

OST

MSK

SOC MOR WTO MIL

PIA

OLM OLS

ELK

BIA

NAR

SDL

KOZ

PUL ROZ

LSY CHS

ABR

GRU

ROS

ROG

Ostroleka power plant:

- 13:04 activation of limiters on unit 2,

- 13:08 inter generator oscillations (1 Hz),

- 13:08:16 unit 3 trips, overcurrent protection

on auxiliaries due to low voltages,

- 13:08:25 unit 2 goes to house load operation

triggered by undervoltage protection,

- 13:10 unit 2 trips, low water level in drum.

13:09 Bialystok CHP, 2

small units trip, undervoltage protection

13:12 Starachowice CHP,

3 small units trip, undervoltage protection

Kozienice power plant:

13:09 unit 7 trips, low

voltage on auxiliaries,

13:09 unit 9, significant

reduction of reactive power

13:13 Slupsk HVDC link off, low auxiliary voltage

13:08 Ostroleka CHP,

small units trips, undervoltage protection

Napěťový kolaps Polsko

Area1 under-

Area 2 over-frequency

Area 3 under-frequency

Area1 under-frequenc

Area 2 over-frequency

Area 3 under-frequency

49 Hz

50,60 Hz

49,7 Hz

9 260 MW

South Eastern : under frequency

North Eastern: over frequency

Western : under frequency

Total load shed :~ 17 000 MW

Total tripped generation in Western area :~ 10 900 MW (6%)

High frequency – High flowsRisks of further outages

49

49.2

49.4

49.6

49.8

50

50.2

50.4

50.6

50.8

51

51.2

51.4

22:10:20 22:10:30 22:10:40 22:10:50 22:11:00

North

West

South

Rozpad propojení UCTE04.11.2006

49.8

49.9

50

50.1

50.2

22:1

0:0

6

22:1

0:0

7

22:1

0:0

8

22:1

0:0

9

22:1

0:1

0

22:1

0:1

1

22:1

0:1

2

22:1

0:1

3

22:1

0:1

4

22:1

0:1

5

22:1

0:1

6

22:1

0:1

7

22:1

0:1

8

22:1

0:1

9

22:1

0:2

0

22:1

0:2

1

22:1

0:2

2

22:1

0:2

3

22:1

0:2

4

22:1

0:2

5

22:1

0:2

6

22:1

0:2

7

22:1

0:2

8

22:1

0:2

9

22:1

0:3

0

Zone WEST

Zone South East

Zone North East

splitting :

22:10:28,700 West and North East

22:10:28,900 West and South East

Landesbergen closing busbar 22:10:11

Landesbergen-Wehrendorf tripping

22:10:13

150

200

250

300

350

400

450

22:10:10 22:10:12 22:10:14 22:10:16 22:10:18 22:10:20 22:10:22 22:10:24 22:10:26 22:10:28 22:10:30

kV

0

50

100

150

200

250

300

kV

voltage Bassecourt voltage Ag. Stefanos voltage Tumbri voltage Zerjavinec voltage Ternitz -sec. axis

Switzerland

Greece

Austria

Croatia

Croatia

Rozpad propojení

UCTE

WAMS

MěřeníWAMS

48,9

49,1

49,3

49,5

49,7

49,9

50,1

50,3

50,5

50,7

50,9

22:10:10 22:10:15 22:10:20 22:10:25 22:10:30 22:10:35 22:10:40 22:10:45 22:10:50

f [Hz]

Urberach (D)

Rommerskirchen (D)

Bimolten (D)

Ag. Stefanos (GR)

Röhrsdorf (D)

Hagenwerder (D)

Heviz (H)

Blackout USA (Ar, Ca)+Mexiko8.9. 2011

Zdroj: Arizona-Southern California Outages on September 8, 2011, FERC/NAERC report, April 201

Iniciační porucha – důsledky

Zdroj: Arizona-Southern California Outages on September 8, 2011, FERC/NAERC report, April 201

Dílčí závěr• Přes pečlivé plánování a dodržování standardůspolehlivosti (kritérium N-1) může dojít k velkésystémové poruše spojené se ztrátou stability, napěťovým a frekvenčním kolapsem

• Proto je nutné mít vypracované Plány obrany proti šíření poruch:

– nastavení distančních a jiných ochran– rychlé budící soupravy– blokování přepínání odboček traf pří podpětí– frekvenční odlehčování zátěže– přepínání regulací turbíny ….

• Vyšetřování poruch zjednodušují systémy WAMS

• Analýzu rovněž usnadňují síťové simulátory

Určení programu MODESSíťový simulátor - program umožňující sledovat

dynamickou odezvu elektrizační soustavy při změnách v síti. Tyto změny mohou mít:

• poruchový charakter (výpadky elektrárenských bloků, zkraty a výpadky vedení)

• provozní charakter (činnost obsluhy na lokální i centrální úrovni, změny zatížení sítě).

K tomuto účelu program obsahuje knihovnu dynamických modelů jednotlivých prvkůelektrizační soustavy (včetně prostředků pro modelování ochran a automatik).

Možnosti programu MODES

• zobrazuje časové průběhy proměnných (tzv. grafika)

• definuje časový sled zásahů (tzv. scénář)

• ukládá výsledky simulace (časové průběhy proměnných) dotzv. uživatelských výstupních souborů

• sleduje překročení mezí proměnných sítě (tzv. kontrola)

• ukládá zprávy o průběhu výpočtu do souborů (tzv. hlášení)

• provádí analýzu stavů sítě, primární a sekundární regulace f/P (tzv. analýzy)

• počítá střední kvadratické odchylky vybraných proměnných

• počítá veličiny zkratového proudu Ik“, Ikm, Ivyp, Ike

MODES

version

MODES

version2.2

Interakci uživatele zprostředkuje Grafika• informuje o jménu otevřeného projektu a případu

• hlásí poslední provedený zásah

• zobrazuje až 4 grafy s časovým průběhem až 7 proměnných v poměrných hodnotách

• ukazuje okamžité pojmenované hodnoty proměnných

Zásahy se zadávají předem pomocí Scénáře Kod Význam Ident Par1 Par2 'BRAN' Mění stav větve -vypíná/zapíná oboustranně (0/1) odepíná v počátečním/koncovém uzlu (-4/4) jmV Istav

'F_LO' Rozpojení jedné/dvou fází(I=1/2) jmV I

'TRAN' přírůstek poměrného převodu trafa/odbočky pro 3VT jmV absdPt[pj]/±1'STRC' změna struktury regulátoru turbíny jmB I 'EXCT' změna zad. hodnoty regulátoru napětí/jal.výkonu/účiníku jmB dU/dQ[pj]/cosfi -/-/±1 'TURB' změna zadané hodnoty regulátoru výkonu jmB dN/[pj] 'LOAD' změna výkonu zátěže v uzlu o dPzat a dQzat jmU dPzat[%]** dQzat

'UNIT' Zap.(Istavg=1) nebo vyp.(Istavg=0) vypínače bloku jmB Istavg

'LFCB' vyřazení(I=0)/zařazení (I=0)bloku do sek. regulace P/f jmB I 'PUMP' přechod do čerpadlového režimu pro 'HYDR' I=1 jmB I

'VALV' aktivace/vypnutí rychlého zavření ventilu turbíny I=1/0 jmB I 'FREQ' změna zadané hodnoty korektoru frekvence o df jmB df[pj] 'SYNC' synchronizace bloku jmB 1

'FOUL' zkrat na větvi ve vzdálenosti od poč.uzlu Vzdal jmV Vzdal[%] Xboc[Ω]FSLG, FDLG. F_LL jednopólový, dvoupólový zemní a dvoupólový zkrat na větvi ve vzdálenosti od poč.uzlu Vzdal jmV Vzdal[%] Xboc[Ω]'CLER' odpojení zkratu I=3;zkratu+1fáze I=1;Zkratu+3fází I=0, poč.uzlu I= -2; konc. uzlu I= 2 jmV I

'EXCH' zavedení přídavného harm.signálu do regulátoru buzení jmB amplituda[pj] ω[rad/s]'TURH' zavedení přídav. harm.signálu do regulátoru pohonu jmB amplituda[pj] ω[rad/s]'EXCS' zavedení přídavného skok.signálu do regulátoru buzení jmB skok[pj]

'TURS' zavedení přídavného skok.signálu do regulátoru pohonu jmB skok [pj]

Třírozměrný model vstupních dat

Automatiky & Logiky

Sekundární regulace f a P

Lokální katalogy

StabilizátoryOvládání

programu

Scénář Grafika

Výstupní soubory

Řízení výpočtu

Dynamická

data

Případ=Chod sítě+databáze modelů+variace výpočtu

Modifikované databáze =Modely z knihovny

&Typové parametry z katalogů

NasazeníNasazenízdrojů

Zatížení uzlůTopologie sitě

Modifikace modelù

V

V

a

a

ir

ir

a

a

cn e

yt

Chody

sítì

Kontrola veličin sítě

Analýza

Uživatelské rozhraní MODMANMenu

Tlačítková lištu

Prohlížeč projektů a případů

Editor chodů sítě

Editor modelů bloků

Editor modelů uzlů

Editor projektů

Editor případů

Dialogy

Stavový řádekForm.ico

Uživatelské rozhraní MODMAN umožňuje:· orientaci v uložených projektech a případech

· správu a projektů případů

· vytváření nových projektů a případů

· spouštět programy pomocí tlačítek nebo z menu Spusť

· kontextovou a bublinkovou nápovědu

· editaci formulářů pomocí dialogů a tvorbu variací

· editaci chodů sítě Editorem chodů- vytváření variant

· editaci databází Editorem modelů-vytváření modifikace

· úpravy typ. parametrů dynamických modelů Editorem modelů

· přístup k výstupním souborům pomocí menu/tlačítek

Koncepce projektů a případů• Případ tvoří sada vstupních souborů jednotlivého výpočtu,

který byl uživatelem specifikován a uložen jako případ do archivu, má svou identitu (jméno, data vytvoření a změn a

jméno autora).

• Množina případů vytváří projekt. Data projektu jsou uloženy ve stejnojmenné složce v pracovním adresáři MODESu

• Projekt vznikne:

– vytvořením nového projektu,

– úpravou stávajícího projektu - součástí instalace jsou vzorové standardní projekty dokumentující schopnosti

projektu (není vhodné je měnit, pokud s nimi pracujete, uložte je pod novým jménem), obsah standardních projektůje popsán v Průvodcích.

– importem projektu (používá se pro výměny dat).

Verifikace –porovnání simulací s měřením

4 75

476

474

473

432

442

-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

-0.300 0.200 0.700 1.200 1.700 2.200 2.700

[pu]

t [s]

PG

QG

T1=1.175 s

12

13

14

15

16

300

400

500

600

700

800

900

17:45 17:52 18:00 18:07 18:14

I [A]

I

TC[oC]

TC

Simulace teploty

vodiče

Činný a jalový výkonu bloku

Dvojitý dvoufázový zkrat na vedení

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

t[s]

IFA_CV4001[ A] IFB_CV4001[ A] IFC_CV4001[ A] I0_CV4001[A]

IL1 IL2 IL3 IN

t/s0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75

I/kA

0

2

4

6

SimulaceMěření

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

t[s]

IFA_CV4011[ A] IFB_CV4011[ A] IFC_CV4011[ A] I0_CV4011[A]

IL1 IL2 IL3 IN

t/s0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50 1.75

I/kA

0

1

2

3

47

2

47

14

00

40

1

Simulac

e

Jednofázový přípojnicový zkrat

49.7

49.75

49.8

49.85

49.9

49.95

50

50.05

50.1

50.15

38.0 43.0 48.0 53.0 58.0 63.0

Ag Stefanos Bassecourt Brindisi Wien Kassoe Recarei

t [s]

f [Hz]

5s

49.7

49.75

49.8

49.85

49.9

49.95

50

50.05

50.1

50.15

0 5 10 15 20Greece France Italy Austria Denmark Portugal

f [Hz]

8s

SimulaceMěření

Vytvoření vlastního projektu z výchozího chodu sítě standardního projektu NEW/SMIB-HAJ