Многофункциональный комплекс для расчетов электроэнергетических процессов и испытаний систем автоматизации электроэнергетики

Надежность электроснабжения сегодня во многом определяет уязвимость жизнеобеспечения общества.

Какими бы надежными ни были энергосистемы, в них неизбежно возникают повреждения.

Аварии в этих условиях могут приводить не только к техническим нарушениям электроснабжения, но и к социальным и экономическим потрясениям. Это — материальные убытки и высокий риск потери управления процессами в энергосистемах и в социальной сфере.

В связи с этим повышаются требования к управлению режимами электроэнергетических систем. Для того чтобы хорошо управлять, надо предвидеть возможные режимы и их последствия. Чтобы предвидеть — надо моделировать и анализировать.

Причем в моделях должны быть учтены те особенности электроэнергетических систем, которые сегодня начинают проявляться в виде тенденций.

Действующие тенденции развития электроэнергетических систем связаны с развитием социальной сферы и направлениями технического прогресса в нескольких областях техники.

Во-первых, в общественной жизни все ярче проявляется стремление экономнее расходовать электрическую энергию и получать ее от энергосистем более высокого качества.

Во-вторых, в сфере производства электрооборудования идет процесс все более интенсивного использования электротехнических материалов (сталь сердечников, проводники обмоток, крепежные материалы и др.). В результате новое оборудование имеет повышенную чувствительность к перегрузкам, изменениям режимов, ненормальным режимам и общим условиям эксплуатации.

В-третьих, начинают активно применяться новые элементы электроэнергетических систем: генераторы небольшой мощности в заводских и городских системах электроснабжения, вставки постоянного тока, управляемые реакторы и другие элементы управления параметрами электрических сетей, нелинейные элементы в электроприводах и др.

В-четвертых, условия эксплуатации электроприемников претерпевают глубокие изменения. Технологические процессы, в которых используется все большее число электродвигателей, постоянно усложняются. Режимы работы становятся более динамичными и разнообразными по характеру. Вместе с основными потребителями электрической энергии оборудование электроэнергетических систем также испытывает значительные перепады нагрузок, многочисленные пусковые режимы, все более интенсивные переходные процессы. Диапазоны токов, соответствующих нормальным режимам, значительно расширились. Значения токов, характерных для нормальных и аварийных режимов, сблизились. Это, в свою очередь, вызывает повышение требований к селективности и чувствительности средств релейной защиты.

В-пятых, под воздействием экономических факторов уменьшается горячий резерв генерации и снижаются запасы пропускной способности некоторых связей. Следствием этого является снижение запаса устойчивости работы электроэнергетических систем.

Модели современных электроэнергетических систем, построенные с учетом отмеченных тенденций и реализованные в современных программных и программно-аппаратных вычислительных комплексах, позволяют решать следующие наиболее актуальные технические и инженерно-экономические задачи.

1. Обоснование инвестиций. Предпроектные исследования.

2. Моделирование с подключением реальных устройств противоаварийной автоматики и релейной защиты. Анализ аварийных ситуаций в электрических системах и разработка рекомендаций о предотвращении их повторного возникновения.

3. Создание библиотеки режимов для целей обучения и упреждающих действий в аварийных ситуациях.

Во ВНИИР создан и начал действовать Центр моделирования электроэнергетических систем.

Его программно-аппаратные и интеллектуальные ресурсы позволяют решать все эти задачи. На рис. 1 показана структурная схема их решения.

Программно-вычислительный комплекс Siemens Power Technologies International (PSS/E) предназначен для расчета установившихся режимов, токов короткого замыкания, анализа статической и динамической устойчивости электрических систем, решения задач оптимизации и эквивалентирования. С помощью PSS/E удобно решать первый круг задач, связанных с поиском напряженных элементов электрических систем, оптимизацией и выбором направлений инвестиционной деятельности. Продуктивные алгоритмы вычислений и удобный интерфейс представления результатов PSS/E позволяют быстро находить эффективные решения совершенствования электрических систем. На рис. 2 показан фрагмент схемы электрической системы. Степень загрузки элементов отображается расцветкой. В исходном режиме ряд элементов перегружен (на первом элементе рисунка эти области показаны темными тонами расцветки). Перераспределение потоков электрической энергии за счет изменения конфигурации сети позволило обеспечить более равномерную загрузку элементов электрической системы. Новый режим отображен на втором элементе рисунка с более равномерной и светлой расцветкой.

Анализ аварийных ситуаций в электроэнергетических системах, связанный с исследованиями электромеханических переходных процессов и реальными устройствами автоматики и релейной защиты, удобно проводить с помощью программно-аппаратного комплекса Real-Time Digital Simulator (RTDS).

Аппаратная часть RTDS базируется на DSP (цифровой сигнальный процессор) и RISC-процессорах, использующих технологию усовершенствованной параллельной обработки данных для обеспечения высокой скорости вычислений в режиме реального времени.

Программная часть комплекса содержит достаточно совершенные модели всех основных элементов электроэнергетических систем (турбогенераторы, гидрогенераторы, трансформаторы, линии электропередачи разных классов напряжения и др.), в том числе новых, которые еще только начинают широко применяться (FACTS, вставки постоянного тока и др.).

Однако важнейшая особенность RTDS заключается в том, что в процессе моделирования могут участвовать реальные устройства автоматики и релейной защиты со своими реальными настройками, обеспечивающие изменение режимов и конфигурации сети. На рис. 3 показаны эквивалентная схема электроэнергетической системы и параметры, характеризующие процессы при повреждениях, полученные с помощью RTDS.

Исследование быстрых процессов в электрических цепях можно производить с помощью программного комплекса PSCAD. Он ориентирован на моделирование сложных электрических цепей с линейными и нелинейными элементами. С его помощью удобно решаются задачи моделирования систем управления силовым оборудованием, задачи, связанные с коммутацией электрических цепей, задачи оценки перенапряжений и многие другие.

Комплексный подход к моделированию различных процессов в электроэнергетике открывает хорошие возможности для оптимизации самих процессов моделирования и более рационального использования полученных результатов. При этом подходе процедуры моделирования целесообразно выполнять в соответствии с функциональной схемой, показанной на рис. 4.

Во-первых, создается база данных параметров оборудования электроэнергетических систем. Она включает в себя справочные данные о параметрах генераторов, трансформаторов, реакторов, электродвигателей, кабельных и воздушных линий электропередачи, преобразователей и других элементов.

Во-вторых, формируется топология модели исследуемого объекта (электрическая схема или схема замещения).

В-третьих, производится актуализация модели. Значения параметров схемы вводятся из предварительно созданной базы данных. Этот процесс по мере совершенствования базы данных становится все менее трудоемким, и снижается риск ошибок ввода.

В-четвертых, осуществляется процедура расчетов.

В-пятых, конвертируются результаты моделирования и схемы модели в те форматы, которые необходимы для удобства дальнейшего использования. В-шестых, создается библиотека режимов. В ней размещаются модели и результаты моделирования.

Таким образом, при решении каждой следующей задачи имеется возможность использовать накопленные данные и тем самым снизить трудоемкость процессов подготовки модели.