МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СХЕМАХ СОБСТВЕННЫХ НУЖД ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЙ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 схемы собственных нужд электростанций при возникновении и отключении симметричных и несимметричных КЗ различной длительности;
- анализ поведения и уточнение уставок устройств релейной защиты и автоматики при различных режимах работы электрической системы;
- анализ аварийных режимов работы электродвигателей СН блока;
- 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.
   Исследования режимов работы конкретных объектов энергосистем проводятся путем визуального моделирования в интерактивном редакторe PowerNet.
Новизна полученных результатов:
1. Совмещение визуального моделирования с возможностью расчета силовых электротехнических схем, содержащих энергоагрегаты большой мощности.
2. Универсальные математические модели электрической системы и отдельных элементов, включённых в программный продукт PowerNet.
3. Высокое быстродействие и точность расчетов переходных и стационарных режимов.
4. Абсолютная устойчивость математической модели при исследованиях коммутаций выключателей и цепей, содержащих емкости.
Практическое значение полученных в работе результатов проявляется в возможности использования программного пакета PowerNet™ как тренажера для моделирования оперативных переключений и аварийных ситуаций в электрических системах, для выбора устройств релейной защиты и автоматики, а также для выбора коммутационной аппаратуры и защит от перенапряжений. Это создает перспективу для внедрения PowerNet на электроэнергетических предприятиях и в проектных институтах. Универсальность данного программного продукта позволяет также использовать его при анализе электронных схем с полупроводниковыми элементами. Благодаря наглядности и простоте пользовательского интерфейса PowerNet урезанной комплектации может применяться и в учебном процессе.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на студенческой научно-технической конференции, посвященной дню науки в ДонНТУ (Донецк, 2003 г.); на студенческой научно-технической конференции “Электротехнические и электромеханические системы” (Севастополь, 2003 г.); на III Международной научно-технической конференции аспирантов и студентов “Автоматизация технологических объектов и процессов. Поиск молодых” (Донецк, 2003 г.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

    В данной работе решена задача визуализации основных элементов электрических систем, к которым относятся генераторы, трансформаторы, ЛЭП, двигатели (синхронные и асинхронные), выключатели и др.
    Заданная схема электрических соединений набирается на экране при помощи мыши. Для установки требуемых элементов в окне программы содержится панель инструментов, на кнопках которой находятся схематические изображения всех доступных элементов системы.

Рисунок 1 - Фрагмент набранной в программе схемы

    Соединение элементов схемы возможно как непосредственно, так и при помощи специальных элементов, отображающих соединительные провода. При каждом изменении соединений схемы программа автоматически выполняет нумерацию узлов и ветвей и отображает номера на экране.
    В программе предусмотрен ввод исходных данных элементов схемы в диалоговом режиме с дисплея, а также из базы данных, представ-ленной в формате Microsoft Access. При этом пользователь вводит только каталожные данные реальных элементов электрической системы, а параметры, необходимые для расчета (такие как индуктивности и сопротивления ветвей трансформатора), определяются в программе.

Рисунок 2 - Ввод параметров элемента схемы

    По собранной на дисплее схеме программа генерирует матрицу соединений схемы (матрицу П). После этого автоматически формируется система дифференциальных уравнений схемы в виде дискретной модели, построенной на 3-х шаговом неявном методе, как для каждого элемента электрической системы, так и для их межузловых связей. Система уравнений схемы формируется для расчета мгновенных и действующих значений токов, напряжений, мощностей, скоростей вращения машин и других параметров режима по методу узловых потенциалов. Расчет схемы может вестись в осях x, y или a,b,c по желанию пользователя, но для синхронных машин в обоих случаях выполняется пересчет в оси d, q. Высокая устойчивость неявного метода интегрирования позволяет производить расчет переходных процессов с коммутациями, а также в схемах с резко отличающимися постоянными времени ветвей.
    Результаты расчета наглядно представляются в виде осциллограмм на экране и таблиц, помещенных в файл. Для примера приведем осциллограммы режимов пуска, выбега при перерыве питания и самозапуска на секции асинхронных двигателей, питающейся от системы с ограниченной мощностью.

Рисунок 3 - Полученная осциллограмма режимов пуска, выбега и самозапуска acинхронных двигателей

    Программа разработана на языке Visual C++ 7.0 в среде MS Visual Studio. NET. Минимальные системные требования: ПЭВМ с процессором Pentium II и выше, 32 Мб ОЗУ, под управлением операционной системы Windows 2000 или XP. Требуемое место на диске - около 1 Мб.
    Программа ориентирована на расчет переходных процессов в схемах главных электрических соединений и системах электроснабжения собственных нужд электростанций различных типов. Расчетная схема может состоять из генераторов, трансформаторов, линий, двигателей, резистивной нагрузки всех уровней напряжений. Количество моделируемых элементов ограничивается размером оперативной памяти компьютера.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

На данный момент времени реализованная в программе PowerNet математическая модель ЭС позволяет рассчитывать:
• Вектора действующих значений и осциллограммы фазных токов, напряжений, мощностей , а также скоростей вращения и моментов, описывающих поведение электрических машин;
• Симметричные КЗ и коммутационные перенапряжения;
• Режимы пуска, выбега и самозапуска электрических машин;
Реализованные модели:
1. Асинхронная машина;
2. Синхронная машина;
3. Двухобмоточный трансформатор;
4. Элементы схем замещения: идеальные источники, резистор, катушка, конденсатор;
В дальнейшем планируется внедрение моделей остальных агрегатов электрических станций и систем.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ВЫПУСКНОЙ РАБОТЫ

1. Харченко П.А., Сивокобыленко В.Ф. Разработка интерактивного редактора для математического моделирования переходных процессов в электрических системах// Электротехнические и электромеханические системы: Материалы научн.-техн. конф. – Севастополь: изд-во СевНТУ, 2003. -С. 17-18.
2. Харченко П.А., Сивокобыленко В.Ф. Разработка интерактивного редактора для математического моделирования переходных процессов в электрических системах// Збірник наукових праць – Донецьк, ДонНТУ 14-15.05.2003 .
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.