SYSTÉM ŘÍZENÍ TOKU ENERGIE (PMS) ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY TCO (KAZACHSTAN)

Mezinárodní konference Technical Computing Prague

11 listopadu 2008 Praha

SYSTÉM ŘÍZENÍ TOKU ENERGIE (PMS) ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY TCO (KAZACHSTAN) POWER MANAGEMENT SYSTEM FOR THE ELECTRICALLY SYSTEM TCO TENGIZCHEVROIL (KAZAKHSTAN) Ing. Jiří Marek, CSc., Ing. Petr Neuman, CSc., Ing. Luboš Vargovčík.,CSc. UNIS a.s. Jundrovská 33, 624 00 Brno. Neureg spol. s .r.o. [email protected], [email protected], [email protected] Abstrakt: Předmětem příspěvku je základní popis modelu distribuční elektrizační soustavy (DS) a jejiho systému řízení PMS. Model zahrnuje i připojení DS do nadřazené přenosové soustavy Kazachstánu. Model je realizován na základě analýzy dynamického chování energetického systému. Analýza je založena na sestavení matematickofyzikálního modelu. Takto sestavený model je následně verifikován na základě : 1.

simulačního modelu energetického systému – distribuční elektrizační soustavy;

2.

simulačního modelu systému řízení energetického systému PMS;

Matematicko-fyzikální model je vypracován na základě matematicko-fyzikální analýzy dílčích technologických systémů elektrizační soustavy (s využitím podmínek dynamické rovnováhy; teorie obecného elektrického stroje aplikovaného na případ synchronního stroje a transformátoru). Model elektrizační soustavy popisuje proces výroby a distribuce elektrické energie. Popisuje způsob připojení kompenzačního generátoru ke stávající elektrizační distribuční soustavě TCO. Dále popisuje řídicí funkce a způsob jejich implementace. Funkce systému řízení obsahuje všechny řídící a regulační algoritmy (sekvence, dálkové ovládání DO, regulace frekvence a činných výkonů – GDC / AGC, regulace U a Q, atd.). Vzhledem k tomu, že nebyly k dispozici všechny potřebné parametry pro kompletní model DS, byly některé vzaty podle analogických zařízení provozovaných v České republice (např. některé parametry synchronních generátorů SG, transformátorů, vedení). Lze konstatovat, že mnohé parametry elektrických zařízení dodavatel ani neudává a provozovatel je tedy nezná a ani je k provozu nepotřebuje. Jsou to například některé typy reaktancí SG, nebo parametry a charakteristiky transformátorů, jak měřících tak výkonových. Model systému je realizován pomocí prvků z knihovny modelů blokové stavebnice “SimPowerSystem”, který je obsažen v simulačním prostředí MATLAB-SIMULINK. Knihovna je použita pro modelování všech prvků elektrizační soustavy na základě následujících modulů: synchronní elektrický stroj, přípojnice rozvodny, přípojnice, spínací a vypínací prvky, odpojovače, linka vysokého napětí, zátěž – spotřebič, atd. Klíčová slova: Simulační model elektrizační soustavy, řízení zatížení zdrojů, řízení toku jalové energie, řízení točivé rezervy, monitorování výkonu.

,



1 ÚVOD Elektrizační soustava TCO v republice Kazachstan obsahuje prvky výroby a distribuce elektrické energie zajišťující provoz těžby a zpracování ropy v oblasti Tengiz. Obsahuje následující susbsystémy : 1. Generátorová stanice GTS 144 2. Generátorová stanice GTS 480 3. Rozvodové stanice NPS 480; 4. Centrální distribuční stanice CDS 5. Rozhraní na centrální kazachstánskou přenosovou soustavu KEGOC; 6. Rozhraní směrem k technologickému odběru (SGI) elektrické energie SGP; 7. Rozhraní směrem k odběru elektrické energie TENGIZ 9

Obr. 1. Blokové schéma elektrizační soustavy TENGIZ Z důvodů vysoké komplexnosti článek se omezuje na základní popis problematiky modelování vztahů mezi systémem výroby elektrické energie GTS 480 (Gas Turbo Station) a akčním systémem řízení toku elektrické energie, kterým je rozvodná stanice NPS 480 (New Power Station) 2

KOMPOZICE SIMULAČNÍHO MODELU ENERGETICKÉHO SYSTÉMU PRO PŘIPOJENÍ GENERÁTOROVÉ STANICE Objektem řízení jsou stanice GTS-480, NPS-480. Subjektem řízení je blok PMS – Power Management System, ve kterém jsou umistěny veškeré monitorovací a řídící funkce, které jsou předmětem implementace. Komunikace s uživatelem je formálně soustředěna v bloku uživatelského roizhraní – User Interface PMS.


S-GTS

C-NPS

S-NPS

C-GTS

R GTS

M-GTS

R-NPS

M-NPS


S-NPS S-GTS

A

a (T7)

B

B

b (T7) b (L156)

T 7 line

C

A

A

B

B

c (T7)

B - A4/3

B

B

C - A4/3

C

C

C-GTS

a (T8)

C

b (T8)

T 8 line

c (L156)

L 156 a (L157)

b (L157) A- C 1

Operator Interface System

A

A

A

B

B

c (T8)

A

a (T9)

C

C B-C 1

B

B

C-C 1

b (T9)

T 9 line

C

C

c (L157)

L 157

c (T9)

CDS A

GND

Function of PMS for the connection TG6.7 to GTS 480 thorough NPS480.

C

A

A

A

B

A - A4/3

B

C

a (L156)

C

M-NPS

R-NPS

A

C - C4/3

M-GTS

R-GTS

A - B4/3 B - B4/3

C

Power Management System

C-NPS

GND

NPS 480 1. Synchronous Generator 2. Transformers 3. Measurement 4. Line. Modified date : Thu Oct 30 18:56:20 2008 Revision : 1.123

GTS 480

Obr. 2. Základní simulační schéma

Generátorová stanice obsahuje synchronní generátory TG 6.5, TG 6.6 a TG.6.7. Každý generátor je připojen do systému prostředenictvím vlastní sběrnice PSB 010A (TG 6.5), PSB 010B (TG 6.6) a PSB 011C (TG 6.7).

1 C-GTS

PSB 010 B

PSB 010 A

C-PSB10B05Q0 M-PSB10B03Q0 M-PSB10B05Q0

C-PSB10B03Q0

M-PSB10B05Q0 M-PSB10B03Q0

CB-PSB10A04Q0

M-PSB10A06Q0 M-PSB10A06Q0

C-PSB10B08Q0

S-PSB 010B

CB-PSB10A06Q0

CB-PSB10A0800

<Sync Request>

Request Sync .

Request Sync .

<Sync Request>

M-PSB10A04Q0 M-PSB10A04Q0

Request Disconect

S-PSB 010A

Request Disconect

M-PSB10B08Q0

GT 6.5

3 C - C4/3

f

A-G5

G-A

B-G5

G-B

M-PSB10A08Q0

TG 6.6

TG 6.5

TG 6.6

TG 6.5

f

PSB 10 A04 Q0

GND

G-A

A- G 6

G-B

B-G6

G-C

C-G6

B - B-4/3

M-PSB10A01Q0

C-PSB10A01Q0

A - B-1

a

A

A - A-1

B - B-1

b

B

B - A-1

C - B-1

c

C

C - A-1

C - B-4/3 GND

Power System Bus {PSB-010B}

A - A4/-3

4 A - A4/3

B - A-4/3

5 B - A4/3

C - A-4/3

6 C - A4/3

GND M-PSB10A01Q0

G-C

M-PSB10A08Q0

f

A - B4/-3

C -G5

2 B - B4/3

GT 6.5

f

1 A - B4/3

GT 6.5

GT 6.6

M-PSB10B08Q0

gnd

GND

GND

Power System Bus {PSB-010A}

Fedder Bus Coupler Section {FBCS}

1 S-GTS 10 GND PSB 011 C S-PSB 011C C-PSB10C06Q0

M-PSB11C06Q0 M-PSB10C06Q0

Request Sync .

<Sync Request>

Request Disconect

GT 6.7

TG 6.7

TG 6.7

f

GT 6.7

A - C-1

7 A-C 1

B - C-1

8 B-C1

f

G-A

A- G 7

G-B

B-G7

G-C

C-G7

GND

C - C-1 GND

9 C -C1

Power System Bus {PSB-011C}

Obr. 3. Simulační schéma stanice GTS-480 Sběrnice PSB 010A a PSB 010B mohou být propojeny prostřednictvím vazebního spínače (Fedder Bus Coupler). Simulační schéma generátorové stanice (obr. 3.).



Simulační schéma vlastních generátoru obsahuje model synchronního generátoru a prvky systému řízení úhlové rychlosti systému řízení buzení generátorů (obr. 4.).

Turbo Generator GT - 6.6 50 2 f

Nomimal frequency

1 GT 6.6

1 omega

Ready sm

Vq Vd

Measurement SM

flow HP gate

1 TG 6.6

gate flow Hp

P ref

omega ref

init flow

init flow

omega

m

Speed Regulator

Pm

Pm

omega

SSM vref

Gas Turbine

A

1 G-A

B

2 G-B

C

3 G-C

E

0.0

C

Synchronous Generator 43 MVA 10.0 kV

vq

B

Vf

A

vd

vstab

Excitation System

Own Consuption Load

MARK V

4 GND

Obr. 4. Schéma turbogenerátorů TG 6.5, (TG 6.6 a TG 6.7) stanice GTS-480 Jednotlivé generátory TG6.5, TG 6.6 a TG 6.7 jsou připojeny do elektrizační soustavy prostřednictvím transformační a rozvodové stanice NPS-480. Simulační schéma stanice NPS-480 je uvedeno na obr. 5. Úplné schéma stanice je složitější. Uvedené simulační schéma obsahuje relevantní část stanice vzhledem k úloze řízení a monitorování parametrů toku elektrické energie směrem ke stanici GTS 480.

Tab. 1. Základní technické parametry generátorů Generátor TG6.5,TG6.6,TG6.7

Typ zapoje ní

Nominální Výkon

L-L napětí

Pn[MVA]

Vn[kV]

43

10

Frekvence

Setrvačnost

[Hz]

[kgm2]

Koeficient tlumení

Počet pólů

Vnitřní impedance Z=R+jX

[F/v] [Nms1 ]

[]

jX[Ohm]

0,0092381

1

3fáze Synchrónni

R= 1.3953 50

0,3468

Y

Rozvodová a transformační stanice obsahuje následující části : 1.

sekce výstupních linek do centrální distribuční stanice CDS – Central Distribution Substation; 1.1. CDS Line 156 Bus Section; 1.2. CDS Line 157 Bus Section;

2.

R[Ohm]

sekce distribučních transformátorů T-7, T-8 a T-9 na výstupu TGS-480; 2.1. Transformer T-7 110/10 kV Bus Section;

X=2.0930



2.2. Transformer T-8 110/10 kV Bus Section; 2.3. Transformer T-9 110/11 kV Bus Section; 3.

vazební sekce 3.1. Bus Coupler Section.

S-BCS S-BCS a1 C-BCS

Coupler Bus1

Coupler Bus2

b1 c1 a2 b2

GND c2

1 C-NPS

gnd

BC Section C-L156BS

S-L156BS S-L156BS

By Pass Bus

Central Distribution Station Section C

A-BP

a-B1

B-BP

b-B1

C-BP

c -B1

10 a (L156 )

a-CDS

a-B2

11 b (L156 )

b-CDS

b-B2

12 c (L156 )

c-CDS

c -B2

1 S-NPS

gnd

GND

L 156 Section

C -L157BS

S-L157BS S-L157BS

A-BP

a-B1

B-BP

b-B1

C -BP

c-B1

GND

a-B2

13 a (L157 )

a-CDS

b-B2

14 b (L157 )

b-CDS

c-B2

15 c (L157 )

c-CDS

gnd

Central Distribution Station Section B

L 157 Section

C -T7BS

S-T7BS S-T7BS

A-BP

a-B1

B-BP

b-B1

C -BP

c-B1

1 a (T7)

a-GTS480

a-B2

2 b (T7)

b-GTS480

b-B2

3 c (T 7)

c-GTS480

c-B2

Generator Station GTS 480 Section PSB 10 B

gnd

GND

T - 7 Section

C -T8BS

S-T8BS

A-BP

a-B1

B-BP

b-B1

C -BP

c-B1

4 a (T8)

a-GTS480

a-B2

5 b (T8)

b-GTS480

b-B2

6 c (T 8)

c-GTS480

c-B2

Generator Station GTS 480 Section PSB 10 A

S-T8BS

gnd

GND

T - 8 Section

C -T9BS

S-T89S S-T89S

A-BP

a-B1

B-BP

b-B1

C -BP

c-B1

7 a (T 9)

a-GTS480

a-B2

8 b (T 9)

b-GTS480

b-B2

9 c (T9)

c-GTS480

c-B2

Generator Station GTS 480 Section PSB 10 C

gnd

GND

16 GND

T - 9 Section

Obr. 5. Simulační schéma rozvodové a transformační stanice NPS-480 Tab. 2. Parametry vedení Vedení

Délka vedení [km ]

Frekvence [Hz]

Rezistance vedení [Ohm/km ]

Induktance vedení [mH/km ]

Kapacitance vedení



[nF/km ]

Tří-fázové „PI section Line“

100

R1 = 0,01273

L1 = 0,9337

C1 = 12,74

R0 = 0,3864

L0 = 4,1264

C0 = 7,751

50

CDS Line 156 Bus Section {CDS L156-BS}

1 C-L156 BS

1 S-L156 BS PDS 11Q7 C-PDS11Q7

PCB 11Q0

M-PDS11Q7

M-PDS11Q7

C--PCB11Q0

PDS11Q1

M-PCB11Q0

C-PDS11Q1

M-PCB11Q0

M-PDS11Q1

M-PDS11Q1

1 A-BP

A

a

a

A

A

a

4 a-B1

2 B-BP

B

b

b

B

B

b

5 b-B1

3 C-BP

C

c

c

C

C

c

6 c-B 1

14 GND

GND

gnd

GND

gnd

Power Disconnector BP Section L 156

gnd

GND

Power Bus Breaker Section L156

Power Disconnector CB1 Section L 156 PDS11Q2 C-PDS11Q2

11 a-CDS 12 b-CDS 13 c-CDS

M-PDS11Q2

M-PDS11Q2

A

a

7 a-B2

B

b

8 b-B2

C

c

9 c-B 2

gnd

GND

10 gnd

Power Disconnector CB2 Section L 156

Obr. 7. Základní simulační schéma sekce L 156 (L 157) rozvodné stanice NPS 480

Transformer T-9 110/11 kV Bus Section {T9-BS}

1 C-T 9BS

1 S-T 89 S

M-PCB07Q0

PDS 07 Q7 C-PDS07Q7

PCB 07 Q0

M-PDS07Q7

M-PDS07Q7

C--PCB07Q0

PDS 07 Q1

M-PCB07Q0

C-PDS07Q1

M-PDS07Q1

M-PDS07Q1

1 A-BP

A

a

a

A

A

a

8 a-B 1

2 B-BP

B

b

b

B

B

b

9 b-B 1

3 C-BP

C

c

c

C

C

c

10 c-B1

7 GND

gnd

GND

Power Disconnector BP Section T 9

gnd

GND

gnd

GND

Power Disconnector CB1 Section T 9

Power Bus Breaker Section T 9

PDS 07 Q2 C-PDS07Q2

M-PDS07Q2

a2

4 a-GTS 480

A

5 b-GTS 480

B

6 c-GTS 480

C

M-PDS 07Q2

A

a

11 a-B 2

B

b

12 b-B 2

c

13 c-B2

b2

IM c2

C n2 GND

Three-Phase Transformer Inductance Matrix Type (Two Windings)

gnd

14 gnd

Power Disconnector CB2 Section T 9

Obr. 8. Základní simulační schéma sekce T9 (T 7, T 8) rozvodné stanice NPS 480 Tab. 3. Základní technické parametry transformátorů Transformátor T7,T8,T9

Počet výhybek

Nominální Výkon

Počáteční výpočtová

Frekvence [Hz]

Napětí vinutí Fáze-

Rezistance vinutí Primární

Induktance vinutí Primární

Magnetická Rezistance


Pn[MVA]

„On Load Tap Changer“

17 ,(8,0,+8)

100


poloha výhybky

0

fáze [kV ]

Sekundárni [Ohm ]

Sekundárni [Ohm ]

Reaktance [Ohm ]

Primární 110

R1 = 0,003

jX L1 = j300

R = 300

R2 = 0,003

jX L2 = j300

jX= j300

50 Sekundární 10

(OLTC)

Tab 4. Základní technické parametry vypínačů Vypínače/Odpojovače

Počáteční pozice []

Rezistance „OPEN“ [MOhm ]

Rezistance „CLOSE“ [Ohm ]

Kapacitanc [Farad ]

„Open“

1

0,001

Inf. (nekonečno)

Tří-fázové

Subjekt řízení elektrizační soustavy PMS – Power Management System obsahuje v současné podobě dva základní typy bloků. Jde o bloky ovládání (Command Function System) a monitorování dat (Performance Monitoring System) subsystémů elektrizační soustavy GTS a PMS. Na simulačním schématu jsou tyto funkce soustředěny v blocích : GTS Command Function System and Performance Monitoring System NPS Command Function System and Performance Monitoring System Jde o velmi jednoduché funkce umožňující ovládaní jednotlivých prvků elektrizační soustavy. Dále je zde množina funkčních bloků obsahující funkce správy subsystému elektrizační soustavy. Na uvedeném simulačním schématu jsou zde funkce •

Řízení zatížení - Load Control Function;

•

Řízení toku jalové energie – Reactive Control Function;

•

Řízení točivé rezervy – Spinning Reserve Function.

Cílem funkce navrženého modelu je odhad chování elektrizační soustavy v průběhu specifikovaných mimořádných událostí např.: •

změna systémové konfigurace (přechod do ostrovního režimu, výpadek specifikovaných generátorů);

•

změna systémových parametrů (změna frekvence nebo napětí některého generátoru);

•

změna velikosti a charakteru zatížení sítě.

V tomto článku jsou uvedeny výsledky některých verifikačních testů části simulačního modelu uvedeného na obr. 2. Do simulačního schématu je zahrnuta jedna sekce CDS v oblasti spotřeby a jedna sekce GTS 480 v oblasti výroby elektrické energie. Byly simulovány změny referenční frekvence generátorů v rozsahu 98 % až 102 % nominální frekvence

ω ref = 0.98,1.02 ω n a změny referenčního napětí v rozsahu 90 % až 110 % nominálního napětí

U ref = 0.9, 1.1 U n Průběhy referenční frekvence a referenčního napětí jsou uvedeny na obr 9. a obr. 12. Hodnocení modelu bylo posuzováno na základě průběhu frekvence napětí kotvy a průběhu napětí kotvy generátorů při běhu naprázdno a v případě nominálního zatížení S = 43 MVA a nominálním učiníku cosϕ =0.96 . Průběhy napětí jsou uvedeny v efektivní hodnotě.

1.05

1.04

1.03

1.02



Obr 9. Průběh požadované relativní hodnoty frekevence napětí generátoru

55

54

53

52

51

50

49

48

47

46

45

0

5

10

15

20

Obr. 10 Průběh frekvence naětí kotvy generátoru při chodu naprázdno zatížení (frekvenční regulace)

52

51.5

51



Obr. 11 Průběh frekvence naětí kotvy generátoru při nominálním zatížení (frekvenční regulace)

1.02

1.015

1.01

1.005

1

0.995

0.99

0.985

0.98

0

5

10

Obr 12. Průběh požadované relativní hodnoty napětí generátoru

4

1.05

1.04

1.03

1.02

x 10

15

20



Obr 13. Průběh napětí kotvy generátoru při chodu naprázdno (napěťová regulace)

55

54

53

52

51

50

49

48

47

46

45

0

5

10

15

20

Obr 14. Průběh frekvence napětí kotvy generátoru při chodu naprázdno (napěťová regulace)

4

1.05

1.04

1.03

1.02

1.01

x 10



Obr 15. Průběh napětí kotvy generátoru při nominálním zatížení (napěťová regulace)

50.5

50.4

50.3

50.2

50.1

50

49.9

49.8

49.7

49.6

49.5

0

5

10

15

20

Obr 16. Průběh frekvence napětí kotvy generátoru při nominálním zatížení (napěťová regulace)

50

48

46

44

42



Obr 17. Průběh činného výkonu generátoru při nominálním zatížení (napěťová regulace)

30

28

26

24

22

20

18

16

14

12

10

0

5

10

15

Obr 18. Průběh jalového výkonu generátoru při nominálním zatížení (napěťová regulace) 3 LITERATÚRA Vargovčík,L : TENGIZ Power Management System. TENGIZCHEVROIL 2002. 4

KONTAKTY:

Ing. Jiří Marek, CSc., UNIS a.s. Jundrovská 33, 624 00 Brno, [email protected] Ing. Luboš Vargovčík.,CSc. UNIS a.s. Jundrovská 33, 624 00 Brno, [email protected] Ing. Petr Neuman, CSc., Neureg spol. s .r.o. [email protected]

20

SYSTÉM ŘÍZENÍ TOKU ENERGIE (PMS) ELEKTRIZAČNÍ SOUSTAVY TCO (KAZACHSTAN)

Recommend Documents