|
>
АВТОРЕФЕРАТ
по теме: "Моделирование коротких замыканий в схемах электрических соединений электростанций"
автор: Порохня Артем Владимирович
В настоящее время несмотря на широкое внедрение средств вычислительной техники в проектное производство его программное обеспечение в виде подсистем САПР остается недостаточным.
Заграничные аналоги САПР не адаптированы к особенностям проектирования новых и в особенности реконструкции существующих энергетических объектов, а также мало доступны из-за большой дороговизны.
Министерством энергетики Украины не ведется целенаправленная работа по разработке отечественных систем САПР.
Поэтому в проектных институтах по-старому автоматизация проектирования осуществляется на основе автоматизации отдельных проектных процедур, которая есть лишь первым этапом автоматизации и отличается низкой эффективностью.
На кафедре "Электрические станции" на протяжении многих лет проводится работа по разработке программ расчета на ПЭВМ токов КЗ, выбора и проверки электрооборудования и токопроводов. Эти программы широко используются в учебном процессе. Учитывая солидный опыт работников кафедры, сюда обратился Донецкий проектно-изыскательный и научно-исследовательский институт "Теплоэлектропроект" с просьбой создать для него промышленный вариант программы расчета токов КЗ и выбора электрооборудования. Эта задача была положена в основу данной магистерской работы.
Целью данной магистерской диссертации есть разработка методов интегрирования отдельных проектных процедур (принципов объединения отдельных подсистем САПР в большие системы).
В качестве объединяемых проектных процедур были выбраны следующие:
- расчет токов симметричных и несимметричных КЗ в схемах главных электрических соединений и системе с. н. напряжением 6 кв.
- выбор и проверка силового электрического оборудования.
- проверка устройств релейной защиты.
Научная новизна работы состоит в разработке и усовершенствовании алгоритмов подсистем САПР, разработке математических моделей отдельных проектных процедур и принципов их интегрирования в подсистемы САПР.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
- разработанной программе расчета токов КЗ и выбора оборудования, внедрении ее в проектно-изыскательный и научно-исследовательский институт "Теплоэлектропроект" и учебный процесс кафедры "Электрические станции";
- выполненных расчетах токов КЗ для когенерационных газовых ЭС шахт Донецкого региона.
Объект исследования - электрическая часть электрических станций, работающих на традиционных и нетрадиционных источниках энергии.
Цель разработок и исследований заключается в совершенствовании методов автоматизации проектных процедур по схемам главных электрических соединений и системам с. н. энергоблоков.
Методы исследования: методы линейного и нелинейного программирования, матричные методы расчета электрических цепей, методы комбинаторной топологии, алгоритмические языки программирования, стандартное и прикладное программное обеспечение ПЭВМ.
Разработаны математические модели расчета симметричных и несимметричных токов КЗ в схемах главных электрических соединений ЭЭО, методы и алгоритмы автоматизации проектных процедур. Разработаны принципы выполнения информационного обмена для интегрирования отдельных проектных процедур в системы САПР. Результаты работы внедрены в электротехническом отделе проектно-изыскательного научно-исследовательского института "Теплоэлектропроект", а также в учебный процесс кафедры ЭС при выполнении курсового и дипломного проектирования.
Программа, благодаря ее простоте, не требует глубоких знаний в области пакета AutoCAD и благодаря ее скорости расчета может быть примененная на любых промышленных предприятиях.
Автоматизированное проектирование - молодая область науки. При проектировании электрической части электростанций ЭВМ применяется для расчета токов КЗ, выявления успешного самозапуска электродвигателей механизмов собственных нужд (с.н.), расчета заземляющих устройств и т.д. Данные программы расчета на ЭВМ имеют четко выраженный расчетный характер. В программах реализуются хорошо отработанные методы, которые употребляются и при ручных расчетах без применения ЭВМ [4].
Расчет токов КЗ в сложной схеме представляет собой сложную задачу, и применение средств вычислительной техники для ее решения довольно целесообразно. Программы расчета токов КЗ [1,2,3] на ЭВМ нашли широкое применение именно в практике проектирования электроустановок. При подключении новых генераторов к существующим распределительным сетям возникают проблемы, так как токи КЗ от питательной системы уже близкие к максимально допустимой величине. Ведь ограничения токов КЗ чаще всего есть одной из самых важных причин, которые мешают подключению новых генераторов к существующим распределительным сетям и определяют потребность в надежном и эффективном вычислении ожидаемых токов КЗ.
Для расчета на ЭВМ начального значения периодической составляющей тока КЗ в электроустановках в известных алгоритмах и программах применяются принцип наложения собственно аварийного режима на предыдущий нагрузочный режим, который использует собственные и взаимные сопротивления и проводимости [3]. Принцип наложения предусматривает применения математических методов решения линейных систем уравнений, записанных в матричной форме (метод Гауса, Зейделя, обращения матрицы и т.д.).
По исходной треугольной матрице сопротивлений ветвей схемы замещения электрической сети формируется матрица узловых проводимостей 
. С помощью стандартной программы обращения матрицы определяется матрица узловых сопротивлений 
. Потом рассчитывается нагрузочный и аварийный режимы электрической сети с использованием известного матричного уравнения
где U и I - матрицы столбцы узловых напряжений и узловых токов.
Напряжение узла в нагрузочном режиме
где N - число узлов в схеме замещения.
В аварийном режиме в схеме замещения есть лишь один источник тока в узле КЗ (имеет обозначения "c")
При этом напряжение в і-ом узле
После определения напряжений во всех узлах схемы замещения токи в ветвях находят по выражению
Алгоритм позволяет рассчитать и токи КЗ за ветвями, которые находятся за исходной точкой КЗ. Данные ветви в матрице узловых проводимостей не учитываются. Ток КЗ и напряжение в і-ом узле при КЗ за такой ветвью находят по формулам
где 
- сопротивление ветви, которое заканчивается точкой КЗ.
Метод расчета токов однофазного и двухфазного КЗ на землю имеет много общего с рассмотренным выше методом расчета трехфазного КЗ. В соответствии с правилом Щедрина [2] по данным схемы замещения нулевой последовательности ЭВМ формирует матрицу узловых проводимостей . Путем обращения получается матрица узловых сопротивлений . Дале рассчитываем токи однофазного и двухфазного КЗ в месте замыкания по следующим выражениям
Напряжение в нагрузочном режиме и суммарные сопротивления прямой последовательности в узлах схемы замещения известны из результатов предыдущего расчета токов трехфазного КЗ. Напряжения нулевой последовательности во всех узлах схемы замещения составляют:
Токораспределение в ветвях схемы замещения нулевой последовательности определяется согласно закона Ома для участка сети путем деления разности напряжений в узлах ветвей на сопротивление.
На рассмотренном выше принципе наложения основаны алгоритмы многих программ. Одним из первых этот принцип был использован в программе созданной в 80-х годах в Ивановском энергетическом институте под руководством доц. Оржаникова.
В настоящее время на этом принципе работают программы созданные немецкой фирмой "Siemens", американскими фирмами и др. Все эти программы рассчитывают токи КЗ, а на выбор оборудования не выходят.
Программа расчета токов короткого замыкания разработки Киевского ИЭД
Наибольшее распространение в энергосистемах как Украины, так и стран СНГ, получила программа расчетов токов КЗ и эквивалентов в сложных электрических сетях энергетических объединений и энергосистем с большим (до 1000) числом узлов. Но это программа другого уровня, нашей задачей есть рассмотрение и создания программ для расчета локальных энергосистем. Несмотря на достоинства алгоритма расчета токов КЗ, программа на наш взгляд имеет следующие недостатки:
- в ней отсутствует графический интерфейс пользователя, который обуславливает необходимость предыдущего формирования и следующего корректирования математической модели на бумажном носителе. Для многоузловых схем энергосистемы с несколькими сотнями узлов и ветвей это неудобно;
- затруднительна также работа с числовой нумерацией узлов при их большом количестве (до 1000), поскольку имеет место вероятность или повторения, или пропуска номера узла;
- немаловажным фактором есть закрытость системы и ее большая стоимость (до 5000 у.е.);
- сформированная в этой программе информационная модель не может быть использована в других программах.
Программа расчета токов короткого замыкания фирмы "Siemens"
Программа фирмы "Siemens" расчет токов КЗ выполняет двояко или по стандарту ІЕС-60909, или с использованием рассмотренного выше метода наложения. При этом начальные условия этого метода могут быть получены непосредственным расчетом доаварийного режима работы сети.
Для этой цели в панели инструментов указанной программы применена специальная кнопка (DYN(аміс)/ІЕС) переключения методов расчета. Если кнопка DYN/ІЕС находится в положении ІЕС, расчет токов короткого замыкания выполняется в соответствии со стандартом ІЕС 60909. Программа вычисляет максимальный начальный ток КЗ Ік" во всех ветвях сети, ударный ток Ір в заданной точке КЗ. Эти токи отображаются в окнах результатов, которые появляются при выборе того ли другого компонента в расчетной схеме.
Международный стандарт ІEC 60909 применяется для вычисления токов КЗ в трехфазных системах, которые работают при номинальной частоте 50 или 60 Гц. Рассматриваются симметричные (трехфазные) и несимметричные повреждения, разные подходы обеспечиваются в зависимости от конфигурации сети: радиальные или многоконтурные сети, и от места расположения точки КЗ.
По методу вычисления ІEC 60909 [5,6,7,8] токи КЗ в месте повреждения, определяются с использованием источника эквивалентного напряжения 
, определенного как напряжение идеального источника, приложенного в точке КЗ схемы прямой последовательности, в то время как все другие источники в системе игнорируются (короткозамкнуты). Все отходящие присоединения, сети, синхронные и асинхронные машины заменяются их внутренними импедансами. При вычислении максимальных токов КЗ, коэффициент напряжения "с" может быть принятым равным сmax=1.1, для любой ступени напряжения сети.
В случае симметричного КЗ начальный ток КЗ вычисляется как
где 
- величина эквивалентного импеданса цепи КЗ замыкания 
со стороны питательной сети относительно точки КЗ.
Методом эквивалентных напряжений, можно определить ток КЗ используя только номинальное напряжение и рабочие характеристики оборудования, хотя применение определенных корректирующих коэффициентов также считается целесообразным. В сетях с разными ступенями напряжения токи и импедансы приводятся к ступени места КЗ с использованием номинального коэффициента трансформации трансформаторов, которые есть в схеме.
Если переключатель DYN/lEC находится в положении "DYN", начальный ток вычисляется с использованием метода наложения, а токи в ветвях рассчитываются как функции от времени с момента возникновения короткого замыкания.
Программа предназначена для вычисления токов и напряжений при разных повреждениях в сети: трёхфазное, двухфазное, однофазное КЗ. Для каждого типа вычислений есть своя кнопка. После выполнения вычислений результат не отображается до тех пор, пока не будет использован метод визуализации. Графическое меню состоит из горизонтального стационарного и свободно перемещаемого по всему экрану меню компонентов (рис. 1).
Рисунок 1 - Основное графическое меню программы elplek с примером элементарной схемы
В программе используется редактирование параметров компонентов подобно тому, как это делается в известных редакторах текста. Возможности редактирования включают копирование и вставку.
В программе есть некоторые ограничения и недостатки:
- вычисляется только максимальный начальный ток lk"max, нет минимального тока;
- ток отключения вычисляется для времени 0.1 мин;
- в случае несимметричных повреждений может рассчитываться только одна точка;
- если в сети есть заземленный компонент, результат может быть неправильным. Причина - стандартный метод вычисления: короткое замыкание заменяется источником отрицательного напряжения. Напряжения всех других источников в сети устанавливаются равными нулю. Если, например, в сети появляется ветвь с заземленным компонентом, параллельным короткозамкнутой ветви, то отрицательное напряжение в поврежденной ветви теоретически вызовет ток на землю;
- коэффициент мощности синхронных двигателей равняется 0.8, так как в программе отсутствет введение параметров коэффициента мощности для синхронных двигателей. Поэтому в расчетах возможная небольшая неточность, вызванная этим предположением.
- провода (тонкие линии) и шины (толстые линии) - всего лишь, линии связи. Они не имеют никаких параметров. При необходимости избежания электрической связи между линиями, которые пересекаются, используются специальные линии сечения;
- перемещения отдельного компонента или группы компонентов с помощью мыши имеют недостаток, который состоит в том, что соединительные провода не перемещаются за компонентами. Они должны быть растянуты или добавлены в отдельности.
Программа расчетов токов короткого замыкания Московского энергетического института
Московским энергетическим институтом кафедрой "Электрические станции" созданна программа GUFAULTS [9]. Программа может быть использована на компьютерах с операционными системами MS WІNDОWS-95/98/Me/2000/XP и MS DOS, при выборе и проверке кабелей и электрооборудования по условиям короткого замыкания, для выбора коммутационных аппаратов, уставок релейной защиты, заземляющих усторойств в разомкнутых и замкнутых сетях, в электроустановках переменного тока напряжением выше 1 кB.
Программа вычисляет соответственно рекомендациям ГОСТ 25514-87 "Короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока напряжением свыше 1 кB":
- действующее значение и начальную фазу периодической составляющей тока симметричного и несимметричного коротких замыканий в заданный момент времени поврежденной фазы в точке короткого замыкания;
- значения апериодической составляющей и ударного тока в точке короткого замыкания;
- действующее значение и начальную фазу симметричных составляющих напряжения во всех узлах расчетной схемы.
Результаты расчета можно пересматривать на экране дисплея и получать протокол расчета. В нем воссоздаются все исходные данные и результаты расчета, вызванные в процессе диалога с программой на экран. Также в протоколе расчета есть сведения о параметрах всех элементов схемы замещения (ЭДС, активные и индуктивные сопротивления).
Расчет ведется с учетом:
- активных и индуктивных сопротивлений элементов электрической сети;
- реальных коэффициентов трансформации трансформаторов (с учетом РПН);
- предыдущего режима генераторов;
- подпитка короткого замыкания токами двигателей, затухания периодической составляющей тока подпитки от асинхронных двигателей.
Для создания и редактирования расчетной схемы используется база стандартных графических символов и проблемно ориентированный графический интерфейс пользователя. Графическое меню состоит из горизонтального и вертикального ряда пиктограмм (смотри рис. 2). Пиктограммы горизонтального ряда содержат стандартные графические символы элементов электрических схем. Пиктограммы вертикального ряда содержат условные символы разных операций, выполняемых программой.
Параметризация элементов расчетной схемы выполняется ручным способом. С целью снижения вероятности ошибки, числовые данные, которые вводят в программу, оцениваются на соответствие установленному для каждого параметра диапазона значений. Данные, что выходят за пределы установленного диапазона программа отвергнет. Предусмотрена возможность оперативного корректирования диапазона допустимых значений для каждого параметра.
Меню результатов расчета появляется на экране после успешного выполнения расчетной процедуры, которая запускается при активизации пункта "Счет" основного графического меню. При этом в окне на рабочем поле экрана появляются значения токов или напряжений в точке короткого замыкания (смотри рис. 3). По желанию можно записывать все результаты расчета, которые пересматриваются на экране, в протокол на магнитный диск.
Рисунок 2 - Основное меню программы GUFAULTS. Показывается простейшая схема демонстрационного примера с пятью элементами
Рисунок 3 - Меню результатов программы GUFAULTS. Показываются результаты расчета при трехфазном коротком замыкании
К недостаткам программы следует отнести:
- программа разрешает выполнять расчет схем не более чем с 100-110 элементами;
- при использовании трансформаторов с обмотками, соединенными в треугольник, может возникнуть ошибка после команды "Счет" при формировании схемы замещения нулевой последовательности. В этой ситуации рекомендуется добавить на расчетной схеме, со стороны обмоток соединенных в треугольник одного или нескольких трансформаторов, кабельную линию. Другой конец этой линии пусть "висит в воздухе" - на результаты расчета это не повлияет, а проблема формирования схемы замещения нулевой последовательности будет преодолена;
- программа вычисляет эквивалентную постоянную времени затухания апериодической составляющей тока на основе комплексного сопротивления схемы. Следуя из этого апериодическая составляющая полного тока КЗ может разбегаться с суммой значений апериодических составляющих отдельных ветвей, примыкающих к узлу КЗ;
- для расчета коротких замыканий за кабельной линией заданной длины надо в расчетной схеме каждую кабельную линию вводить несколькими элементами, суммарная длина которых равняется длине кабельной линии.
На сегодня программа введена в Мосэнерго, на Калининской АЭС, Ігналинской АЭС, в проектных институтах "Гидропроект", "Энергопром" и других. Авторы программы постоянно проводят работы по усовершенствованию программы в направления автоматизации выбора аппаратуры, защит и кабелей. Также ведутся работы по программной поддержке расчета токов КЗ в электроустановках переменного тока напряжением до 1000 В и в электроустановках оперативного тока с аккумуляторными батареями.
Как видно из проведенного анализа на сегодня в проектной практике используется устаревший метод автоматизации отдельных проектных процедур: расчета токов КЗ, выбора оборудования, токопроводов и прочее. Такой подход носит название позадачного и имеет ряд существенных недостатков:
- необходимость дублирования входной информации;
- необходимость организации обмена результатами расчета между программами;
- необходимость приспособления пользователей к разным интерфейсам.
В данной же работе реализованна попытка интегрирования программы автоматизации отдельных проектных процедур в подсистему САПР электрической части электростанций.
В результате выполнения магистерской работы могут быть сделанны следующие основные выводы:
На основе разработанных методов машинного расчета токов КЗ создана программа расчета на ПЭВМ в среде графического редактора AutoCad, которая имеет следующие преимущества перед аналогами:
- возможность расчетов симметричных и несимметричных токов КЗ;
- интеграция отдельных проектных процедур в подсистемы САПР на основе разработанных в работе принципов информационного обмена между отдельными проектными процедурами;
- применение баз данных параметров для уменьшения трудозатрат по вводу объемных входных данных асинхронных двигателей и кабелей.
Выполненные сопоставления расчетов токов КЗ по разработанной программе с лучшими мировыми аналогами дали положительные результаты.
Программа была апробирована на промышленных энергетических объектах и введенна в электротехническом отделе проектно-изыскательного и научно-исследовательского института "Теплоэлектропроект". По ней были выполненные расчеты токов КЗ для современных когенеративных газовых электростанций шахт Донецкого региона.
Программа введена в учебный процесс кафедры ЭС при выполнении курсового и дипломного проектирования.
Литература:
1. ГОСТ 27514-87 короткие замыкания в электроустановках. Методы расчета в электроустановках переменного тока с напряжением свыше 1 кВ. - 40 с.
2. Ульянов С. А. Электромагнитные переходные процессы в электрических системах. - М.: Энергия , 1970 - 517 с.
3. Баков Ю.В. Применение электрической чести электростанций с применением ЭВМ: Учеб. пособие для вузов - М.: Энергоатомиздат, 1991 - 272с
4. Околович М. Н. Проектирование электрических станций: Учебник для вузов. - М.: Энергоиздат, 1982. - 400 с., ил.
5. IEC60909-0 (2001): Calculation of short-circuit currents.
6. IEC60909-1 (2002): Factors for the calculation of short-circuit currents according to IEC 60909-0.
7. IEC 60909-2 (2002): Electrical equipment - Data for shot-circuit currents calculation in accordance with IEC 909 (1988).
8. IEC 60909-4 (2002): Examples for the calculation of short-circuit currents.
9. http://www/mpei.ru Официальный сайт "МЭИ" (ТУ).
|
>