Ткаченко Сергей Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СХЕМАХ ГЛАВНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ: 09.06.01 – «Электрические станции»

Автореферат
магистерской выпускной работы
Научный руководитель: Сивокобыленко В. Ф., проф., д.т.н.
Донецк 2003

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время актуальной задачей является разработка математической модели электрической станции, позволяющей анализировать переходные процессы, возникающие при однофазных и многофазных коротких замыканиях [КЗ] на отходящих линиях электропередач, на сборных шинах, в трансформаторах и на их выводах, при обрывах фаз, а также при неполнофазных отключениях выключателей высокого напряжения. В настоящее время существуют такого типа модели, однако они позволяют рассчитывать эффективные значения токов и напряжений, тогда как для устройств релейной защиты и автоматики, а также для выбора оборудования требуются знания мгновенных значений параметров, указанных выше режимов.
Целью работы является создание математических моделей , основанных на полных дифференциальных уравнениях основных элементов главной схемы электрических соединений ЭС. Модель должна быть реализована в виде программного продукта под кодовым названием PowerNet™.
Данная магистерская работа является частью комплексной темы, которая разрабатывается совместно с магистрантом кафедры «Электрические станции» Харченко Павлом Александровичем. Данная работа посвящена решению следующего круга вопросов:
1) Разработка и анализ математических моделей элементов энергосистемы;
2) Создание универсального алгоритма расчёта схем любой конфигурации;
3) Внедрение модели в программу PowerNet™;
Целью программного продукта является использование его в данной работе при анализе режимов работы Южно – украинской АЭС и Углегорской ТЭС.
Задачи исследования, поставленные в данной работе:
- выбор математических моделей и параметров основных элементов ЭС;
- разработка основного алгоритма расчета стационарных и переходных процессов;
- анализ поведения элементов главной схемы электрических соединений электростанций при возникновении и отключении симметричных и несимметричных КЗ различной длительности;
- анализ поведения и уточнение уставок устройств РЗиА при различных режимах работы электрической системы.
- анализ анормальных режимов работы турбогенераторов;
- анализ перенапряжений возникающих при отключении вакуумными выключателями двигательной нагрузки.
Методы исследования. Теоретические исследования базируются на основных положениях теории электротехники и режимов работы электростанций и систем, теории стационарных и переходных процессов машин переменного тока, численных методах анализа и вычислительной техники в системах электроснабжения.
Научная новизна полученных результатов:
1. Использование дискретных математических моделей синхронных машин основанных на неявных методах численного интегрирования, что позволяет решить проблему возникновения численной неустойчивости при моделировании режимов работы электростанции;
2. Синтез параметров дискретных схем замещения электрических машин на основе каталожных данных;
3. Метод моделирования режимов коммутаций выключателей, основанный на использовании методов неявного интегрирования.
Практическое значение полученных в работе результатов:
Программный пакет PowerNet™ позволяет создать универсальный тренажёр по режимам работы электрических систем, в котором можно имитировать аварии в электросетях и анализировать переходные процессы в них, получать графики моментных характеристик для синхронных и асинхронных двигателей, анализировать поведение синхронных турбогенераторов в анормальных режимах (асинхронный ход, несинхронное включение и.т.д.), выводить зависимости скорости двигателей и генераторов от времени, анализировать процессы выбег – самозапуск электродвигателей, репетировать навыки проведения оперативных переключений на ОРУ и ЗРУ различных классов напряжения, давать оценку надобности установки ОПН на определённых участках сети, корректировать уставки срабатывания релейной защиты и автоматики.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на Международной научно-технической студенческой конференции "Прогрессивные направления развития машинно-приборостроительных отраслей и транспорта", секция "Электротехнические и электромеханические системы". (24-30 апреля 2003 года. Севастополь СевНТУ); на III Международной научно-техническая конференции аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых" (14-15 мая 2003 г. г. Донецк, ДонНТУ), а также на конференции кафедры «Электрические станции», посвящённой дню науки (21 апреля 2003 г. Донецк. ДонНТУ).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Для создания универсальной математической модели требуются полные математические описания всех элементов главной схемы электрических соединений электрической станции на основе полных дифференциальных уравнений.
Уравнения для элементов, обладающих пофазной симметрией (ЛЭП, трансформатор, кабель), записываются в трёхфазной системе координат a, b, c или в двухфазной системе х, y, то есть в неподвижной относительно статоров генераторов. Для симметричных электрических машин (асинхронные двигатели [АД]) используются оси х, y, а для несимметричных (синхронные генераторы и двигатели) – система координат, жёстко связанная с осями d, q ротора. При этом на каждом шаге расчёта для синхронных машин осуществляется пересчёт режимных параметров от осей d, q к осям всех остальных элементов a, b, c или х, y.
В соответствии с заданной схемой соединений записываются уравнения связи между элементами, с помощью которых определяются узловые напряжения в схеме, а затем решаются дифференциальные уравнения отдельных агрегатов сети.
При использовании математических моделей многомашинных систем, описанных полными дифференциальными уравнениями, часто возникают трудности с получением устойчивости решения, а также с формированием модели всей системы. Поэтому основной алгоритм расчёта переходных процессов выполнен на основе дискретной модели, которая позволяет получать пошаговые решения из схемы для стационарного режима. Схема составляется с применением к исходным дифференциальным уравнениям одного из неявных методов численного интегрирования.
В моделях вращающихся электрических машин (двигатели и генераторы) используются схемы замещения с многоконтурным ротором , что позволяет более точно учитывать эффект вытеснения тока в роторе.
С помощью данной модели производится расчёт мгновенных значений токов короткого замыкания, оценивается поведение генераторов при КЗ различной удалённости, поведение асинхронных и синхронных двигателей на секциях собственных нужд, а также может быть выполнен анализ асинхронных режимов турбогенераторов, возникающих при потере возбуждения. Представляется возможным определять предельное время допустимой длительности КЗ из условия обеспечения динамической устойчивости синхронных генераторов и с учётом получаемых результатов осуществлять выбор уставок устройств релейной защиты и противоаварийной автоматики. Модель реализована на языке Microsoft® Visual™ C++ 7.NET применительно к современным ПЭВМ, работающим под управлением операционной системы Microsoft® Windows™ и является основой программного продукта под названием PowerNet.
На рисунке 1 показана копия экрана с участком программы (рабочее окно «Осциллограф»), на котором представлено изменение кривых тока статора АД типа 4А -20 и напряжения на секции 0,4 кВ в переходном режиме по схеме пуск – нормальная работа – КЗ – ликвидация КЗ – восстановление питания – самозапуск .

Рис. 1 Кривые тока статора (белый цвет) АД и напряжения на секции 0,4 кВ (чёрный) в переходном процессе

На данный момент времени реализованная математическая модель ЭС позволяет рассчитывать:
• Универсальный алгоритм расчёта схем любой сложности;
• Расчёт симметричных КЗ;
• обобщенные вектора по трем фазам и мгновенные значения фазных токов, напряжений, сопротивлений, мощностей и углов, моментов описывающих поведение элементов системы;
Реализованные модели:
1. синхронная машина;
2. асинхронная машина;
3. двухобмоточный трансформатор;
4. элементы базовой электротехники;
В дальнейшем планируется внедрение моделей как отдельных агрегатов, так и при их взаимосвязи в различных схемах электрических соединений, расчёт несимметричных КЗ, насыщение трансформаторов и автотрансформаторов.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

1. Ткаченко С.Н., Сивокобыленко В.Ф. Разработка и реализация математической модели электрической станции для анализа переходных процессов в схеме главных электрических соединений// Материалы студенческой научно – технической конференции 28-30 апреля 2003 г. – Севастополь: Издательство СевНТУ, 2003. – 52 с.
2. Ткаченко С.Н., Сивокобыленко В.Ф. Разработка и реализация математической модели электрической станции для анализа переходных процессов в схеме главных электрических соединений// Материалы III Международной научно-техническая конференции аспирантов и студентов "Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых" 14-15 мая 2003 г. – Донецк: Издательство ДонНТУ, 2003. Электронная публикация на лазерном диске.
3. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Поведение синхронных генераторов с системами самовозбуждения при близких коротких замыканиях // Сб. науч. трудов Донецкого гос. техн. унив-та. Серия: “Электротехника и энергетика”. - Донецк: ДонГТУ. - 1998. - Вып. 2. - С. 20-23.
4. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Расчет на ПЭВМ токов коротких замыканий для выбора уставок релейной защиты электростанций // Сб. науч. трудов Донецкого гос. техн. унив-та. Серия: “Электротехника и энергетика”. - Донецк: ДонГТУ. - 1999. - Вып. 4. - C. 186-190.
5. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Метод определения мгновенных значений симметричных составляющих токов и напряжений в переходных режимах// Вісник Нац. унів-ту "Львівська політехніка".- Львів: Львівська політехника. - 2000. - №403. - С. 149-156.
6. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Определение параметров эквивалентных схем замещения турбогенераторов для расчетов на математических моделях // Зб. наук. праць Донецького держ. техн. унів-ту.. Серія “Електротехніка і енергетика”. - Донецьк: ДонДТУ. - 2000. - Вип. 17. - С. 38-41.
7. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Анализ поведения резервных защит генераторов блочных электростанций при внешних симметричных коротких замыканиях // Зб. наук. праць Донецького держ. техн. унів-ту.. Серія “Електротехніка і енергетика”. - Донецьк: ДонДТУ. - 2000. - Вип. 21. - С.120-122.
8. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Математическое моделирование электромеханических переходных процессов на электрических станциях // Электрическтво. – 2001. - №4. - С.5-9.
6. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Математическая модель электрической станции для анализа поведения турбогенераторов с системами самовозбуждения при коротких замыканиях // Технічна електродинаміка. Cпец. випуск за матеріалами II Міжнародної науково-технічної конференції “Математичне моделювання в електротехніці та електроенергетиці”. – Київ: Інститут електродинаміки НАН України. - 1998. – C. 100-105.
7. V. Sivokobylenko, M. Mezhenkova, A. Apuchtin Digital modelling of transients in the turbogenerators of electric power station during the short circuits // Proc. 9-th International Symposium on Short-circuit currents in power systems. –Cracow. - 2000. - P.53-59.
8. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Оценка степени несимметрии трехфазных напряжений и токов в переходных режимах электрических систем // Зб. праць IV Міжнар. наук. конф. “Ефективність і якість електропостачання промислових підприємств”. - Маріуполь: ПриазДТУ. - 2000.- С. 109-113.
9. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Разработка резервной защиты генераторов с системами самовозбуждения с помощью математической модели ТЭС // Книга за матеріалами п’ятої міжнар. науково-техн. конф. “Контроль і управління в складних системах” (КУСС-97). - Вінниця: УНІВЕРСУМ-Вінниця. - 1999. - Том 3. - C. 248-254.
10. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Эквивалентные схемы замещения современных крупных турбогенераторов // ICEE-2000. Материалы IV Междунар. конф. “Электротехника, електромеханика и электротехнологии”. - Россия, Москва, Клязьма, 18-22 сентября 2000.
11. Сивокобыленко В.Ф., Меженкова М.А. Математическое моделирование симметричных составляющих токов и напряжений в переходных режимах// Тези доповідей 3-ї Міжнар. наук.-техн. конф. “Математичне моделювання в електротехніці, електроніці та електроенергетиці”. – Львів. - 1999. - С. 242.