ENGLISH |
ДонНТУ
>Портал магистров ДонНТУ
Биография|
Библиотека| Ссылки |Отчёт о поиске|
Индивидуальное задание
АВТОРЕФЕРАТ
По теме: "САПР электрической части электростанций"
составитель: Ватолин Илья Васильевич
ВВЕДЕНИЕ
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 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. Эти программы широко используются в учебном процессе. Возникла потребность в создании подпрограмм для расчета токов короткого замыкания в схемах напряжением 0,4 кВ, а также в установлении связи между проектными процедурами, которые работают со схемами напряжением больше и меньше 1 кВ. Эта задача была положена в основу данной магистерской работы.
Целью данной магистерской работы есть разработка методов интегрирования отдельных проектных процедур (принципов объединения отдельных подсистем САПР в большие системы).
В качестве объединяемых проектных процедур были выбраны следующие:
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.
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В СХЕМАХ НАПРЯЖЕНИЕМ ДО 1 КВ
Задача поставлена таким образом, чтобы была возможность связать фрагменты схем напряжением больше 1 кВ и меньше 1 кВ. А также выполнить расчет в многоузловой схеме произвольной конфигурации.
Программа должна предусматривать возможность расчета симметричных и несимметричных коротких замыканий для минимального и максимального режимов работы схемы. В качестве расчетного метода в алгоритме программы принят метод приближенного вычисления токов КЗ в именованных единицах. Сопротивление элементов схемы представленные в милиомах (мом). Расчет однофазного тока КЗ предусмотрен в соответствии с правилом Щедрина с использованием метода симметричных составляющих.
Расчет периодической составляющей тока КЗ і-ого источника выполняется с помощью метода узловых напряжений. Находятся потенциалы в узлах во время КЗ . А дальше по выражению (1.1) находим периодическую составляющую тока КЗ і-ого источника:
где Inoi- периодическая составляющая тока КЗ і-ого источника для t=0;
Eфi - ЭДС і-ого источника (фазная величина);Uy
фi- напряжение в узле, к которому присоединен источник (фазная величина);
Zi- внутреннее сопротивление і-ого источника.
Особенность алгоритма состоит в том, что кроме индуктивных сопротивлений учитываются и активные, что разрешает определить постоянные времени угасания отдельных составляющих токов КЗ. Апериодическая составляющая определяется в этом случае, как сумма токов ветвей, так как она рассчитывается по отдельным для каждого присоединения эквивалентным постоянным времени затухания апериодической составляющей тока, такой метод расчета предусмотрен на расчет токов КЗ ГОСТ 27514-87 [1] и ГОСТ 28249-93 [2] .
где m – число независимых ветвей схемы;
Inoi - периодическая составляющая тока КЗ і-ого источника для t=0;
Tai- постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ і-ого источника по отношению к рассмотренной точке КЗ, с.
Постоянная времени затухания апериодической составляющей тока КЗ для отдельных источников определяют как отношения условной к действительной составляющей сопротивления схеме относительно рассмотренного источника:
Известно, что расчет симметричного КЗ делается для одной фазы при условии, что сопротивления всех трех фаз элементов одинаковые.
Ударный ток КЗ от і-ого источники определяется как:
Активные элементы расчетной схемы - электрическая система, генераторы и электродвигатели, синхронные компенсаторы представлены соответствующими ЭДС и внутренними сопротивлениями, а все другие пассивные элементы - только сопротивлениями.
Для расчета несимметричных КЗ предусмотрено автоматическое формирование схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей.
Расчет ведется методом узловых потенциалов (основой решения системы уравнений есть метод квадратных корней), что разрешает обнаружить потенциалы во всех точках расчетной схемы и дает возможность определения тока подпитки места КЗ от каждого из источников ЭДС.
В программе предусмотрена возможность расчета теплового импульса тока КЗ. Для этого должен быть предварительно заданное время отключения выключателя основным и резервным защитами. Расчет интеграла Джоуля выполняется с учетом действия периодической составляющей тока короткого замыкания.
Для определения сопротивлений элементов схемы употребятся в качестве исходных каталожные данные, а расчет выполняется по формулам изображенных в структурной схеме на рис.1
Рисунок 1 – Структурная схема блока создания элементов эквивалентных схем замещения прямой и нулевой последовательностей
УСТАНОВЛЕНИЕ СВЯЗИ МЕЖДУ ЭЛЕМЕНТАМИ СХЕМЫ НАПРЯЖЕНИЕМ БОЛЬШЕ И МЕНЬШЕ 1 KВ
Расчеты токов КЗ предполагается выполнять таким образом, чтобы сначала осуществлялось моделирование короткого замыкания на секциях, к которым присоединены фидеры трансформаторов 6/04 (первый шаг). Это делается для того, чтобы всю часть схемы больше 1 кВ привести к схеме напряжением 0.4 кВ, как эквивалентные системы (с током короткого замыкания). К списку элементов добавляется еще один или несколько (в зависимости от количества трансформаторов 6/04) элементов, которые отвечают эквивалентной системе. Для этого существует специальная функция tr_kz04, общий алгоритм которой изображен на рисунке 2. А уже потом осуществляется расчет тока короткого замыкания в схеме напряжением 0.4 кВ(второй шаг).
Рисунок 2 – Алгоритм установления связи между схемой 0.4 кВ и схемой напряжением более 1 кВ
Опишем детальнее некоторые блоки функции. С помощью второго блока алгоритма формируется специальный список splt, в котором на первом месте стоит определение, к какому предыдущему списку принадлежит блок (если линия – «l», если элемент – «e»), на втором месте отмечается номер этого блока в предыдущем списке (линий или элементов). Эти два первых параметра списка splt создаются для того, чтобы в дальнейшем была возможность создать рисунок расчетной схемы, на котором изображаются только блоки, которые входят в расчет. Третий параметр списка splt - станционная марка, четвертый и пятый - начальные и конечные координаты блока соответственно. Например ("e" 1 "kl1" (62.0 7.09733) (62.0 22.0)).
С помощью третьего блока алгоритма к элементу списка splt, что отвечает линии, на которой установлен знак КЗ, прибавляется дополнительный шестой параметр с названием блока. Например ("l" 2 "proba" (62.0 26.0) (54.4096 26.0) "proba").
В четвертом блоке алгоритма в элементах списка splt, которые имеют одну из координат "0", эта координата заменяется на другую координату этого же элемента. То есть условно превращен в точку. Вышеописанная процедура необходимая для дальнейшего определения трансформаторов 6/0.4, что питают КЗ.
С помощью пятого блока алгоритма к всем элементам, которые имеют общие координаты с линией, а также к элементам присоединенных к этим элементам, прибавляется шестой параметр списка с названием линии КЗ. То есть строится дерево КЗ на стороне 0.4 кВ. После этого создается новый список spltkz, в котором находятся элементы, которые имеют этот шестой параметр.
Шестой блок алгоритма отбирает все трансформаторы 6/0.4 из «0» слоя расчетной схемы. В качестве критерия отбора этих трансформаторов выступает масштаб, так как при формировании рисунка все трансформаторы 6/0.4 вставляются как блоки, которые имеют масштаб 0.2. Этот параметр можно считать из расширенных данных блока под кодом 42. Получается список всех трансформаторов 6/0.4 spt604, что содержит такие же параметры, как и обычный список элементов.
В тринадцатом блоке алгоритма определяются нужные кабели схемы напряжением выше 1 кв (по названию кабеля) а также их параметры (название, точка вставки, сопротивления). Название секции получаем из названия слоя, так как все элементы, которые присоединенные к секции 6 кВ записываются к слою, который имеет название секции. Надо отметить, что в качестве проводимости КЗ Ykz берется проводимость соответствующего кабеля.
То есть точка КЗ (секция) отдаляется на величину сопротивления кабеля. По сути, это отвечает моделированию КЗ за кабелем.
Потом уже по отработанной программе (блок 14) происходит расчет трехфазного короткого замыкания на указанной секции.
С помощью рассчитанного тока КЗ вычисляются сопротивления эквивалентной системы(блок 15) и прибавляется еще один элемент к списку spe04 (блок 16).
Как результат работы функции tr_kz04 получаем дополнительные элементы в списках схем замещения прямой spe04 и нулевой spe040 последовательностей для трансформаторов 6/0.4 и эквивалентных систем, которые отвечают схеме напряжением выше 1 кB.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ СХЕМЫ ЗАМЕЩЕНИЯ
Для расчета режимов работы расчетной схемы необходимо по ней сформировать эквивалентную схему замещения. Каждый элемент входит в эквивалентную схему своей схемой замещения с рассчитанными параметрами (смотри рис. 1) и таким образом узлом есть место связи двух и больше ветвей.
Электрический узел в более простом случае формируется в точке непосредственной связи двух объектов расчетной схемы. Под непосредственной связью понимается совпадение координат точек привязки этих объектов.
Рисунок 3 - Блок - схема подблока формирования узлов блока создания схемы замещения программы расчета токов К3 (схема 0.4 кB)
Сперва формируются узлы, которые соединяют элементы не имеющие сопротивлений. К ним относятся:
1) для схемы 0,4 кB:
-простая линия связи;
-панель
2) для схемы напряжением выше 1 кB:
-простая линия связи;
-открытое распределительное устройство (ОРУ);
-секция с.н. напряжением 6 кВ;
-включенный выключатель;
-ячейка КРУ с включенным выключателем.
Процедура формирования узлов функцией frm_uzl04 начинается из узлов, в формировании которых принимают участие выше названные объекты. Технология сбора состоит в следующем, сначала объединяются между собою вышеперечисленные линии. Линии принимают участие всеми своими точками. Две линии объединяются в один узел, если конец одной из них расположен на другой.
Сделаем пошаговое преобразование исходной схемы черт.4 в эквивалентную. Последовательность сбора узла следующая. Счетчик номеров узлов сбрасывается на нуль. Сначала происходит цикл по списку отобранных линий spl04 (эти выше пересчитанные элементы), если это панель, то она есть узлом со своим именем. При примыкании к панели линий связи ее узлам предоставляется название панели начальному и конечному узлу.
Рисунок 4 – Исходная расчетная схема (анимация: число кадров - 7, количество повторений - 10).
Другим линиям связи, которые не примыкают к панели (счетчик узлов увеличивается на один), и предоставляется номер текущего узла точке вставки и этот же номер предоставляется противоположной точке привязки. Объяснения описанного выше алгоритма приведен на примере преобразования исходной электрической схемы рис.4.
Далее цикл по списку элементов spe (sре04), которые имеют сопротивления, с ним определяется принадлежность точек привязок элементов с концами линий. При совпадении точек линии и элемента, номер узла, присвоенный линии переносится на элемент, то есть в списке точки заменяются на номера узлов. В дальнейшем происходит расстановка узлов с местах связи элементов, продолжая начатую нумерацию, и последними расставляются узлы на висящих элементах. Таким образом, получается полная схема замещения (рис.6) с ветвями, в которых определен номера узлов и сопротивления. Блок - схема образования схемы замещения изображена на рис.6.
Рисунок 5 – Расстановка узлов на линиях связи и включенных выключателях при первом шаге: б) схема 0,4 кВ
Рисунок 6 – Полученная схема замещения ПП: а) схема напряжением выше 1 кВ; б) схема 0,4 кВ
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 РАСЧЕТОВ ТОКОВ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ МОСКОВСКОГО
ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГОИНСТИТУТА
Московским
энергетическим институтом кафедрой "Электрические станции" создана 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 устройств 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 7 - Основное меню программы GUFAULTS. Показывается простейшая
схема демонстрационного примера с пятью элементами.
Рисунок 8 - 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, Игналинской 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
реализована попытка интегрирования программы автоматизации отдельных проектных
процедур в подсистему САПР электрической части электростанций.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполнения магистерской
работы могут быть сделанны следующие основные выводы:
На основе разработанных методов машинного
расчета токов КЗ модернизирована 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).
Биография|
Реферат| Библиотека |Отчёт о поиске|
Индивидуальное задание
ENGLISH |
ДонНТУ
>Портал магистров ДонНТУ