ДонНТУ>
Портал магистров ДонНТУ 
ДонНТУ>
Портал магистров ДонНТУ
При написании данного автореферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2008 г. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.
АКТУАЛЬНОСТЬ
Изменение условий функционирования электроэнергетических объектов, связанное со структурной перестройкой энергетики и внедрением энергетического рынка сопровождается децентрализацией управления, повышением требований к системам управления. Взаимодействие значительного числа субъектов на энергетическом рынке приводит к созданию схемно-режимных состояний энергетических объектов, когда для обеспечения необходимого уровня надежности необходимо анализировать значительное большее число динамических ситуаций, а значит и технологических задач управления. В результате разделения управления единым технологическим процессом производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии по видам деятельности, значительно увеличились риски в электроэнергетике. Поэтому актуальной задачей является совершенствование систем автоматического и автоматизированного управления системами электроснабжения. Создание таких систем управления, которые обеспечивают решение технологических задач управления на качественно новом уровне, связано с использованием современных информационных технологий и достижений в микропроцессорной технике. Повышение эффективности функционирования системы автоматизированного управления неразрывно связано с созданием подсистемы поддержки принятия решений персоналом электроэнергетических объектов. В настоящее время используются в автоматизированных системах управления используются относительно независимо информационная, модельная и экспертная поддержки принятия решений персоналом, которые. Следует отметить, что экспертная поддержка только начинает интенсивно использоваться. Внедрение технологий гибких линий электропередач с многофункциональными устройствами FACTS, современных быстродействующих устройств управления режимами, интенсивное внедрение микропроцессорных устройств защиты и автоматики также связано с совершенствованием математических моделей элементов электрических систем и режимов, моделей устройств защиты и управления. Эффективность имитационного моделирования зависит от реализации адаптации моделей к текущему состоянию электроэнергетического объекта, цели управления, особенностям физических явления этапов последовательностей динамических ситуаций.
ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Существующие средства имитационного моделирования объектов электроэнергетических систем можно анализировать по различным признакам, в том числе и по общей характеристике задач. Так для выполнения научных задач инженером-исследователем более приспособлены многоцелевые имитационные пакеты MATLAB/Simulink, MATCAD, Simnon, Modelica, ARENE и др., однако их использование в автоматизированной системе управления для решения технологических эксплуатации не эффективно по ряду причин, а в первую очередь из-за усложнения интерфейса пользователя. Специализированные пакеты, которые используются персоналом электроэнергетических объектов, в большинстве своем используют относительно жесткие математические модели, в которых не в полной мере отражены современные устройства. Интенсивное развитие систем сбора информации, в том числе и аварийной с предысторией ее возникновения обеспечивает возможность оперативного построения эквивалентных моделей смежных электроэнергетических объектов, что обеспечивает снижение размерность модели при обеспечении высокой точности решения технологической задачи управления.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является совершенствование модельной поддержки процесса принятия решений персоналом на основе развития имитационного моделирования электроэнергетического объекта при учете смежных подсистем эквивалентами, которые строятся по данным измерений. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- выполнить анализ математических моделей типичных устройств FACTS и создать обобщенную модель устройства, которая бы отражала функциональные возможности конкретных устройств с помощью значений функций настройки;
- разработать алгоритм для определения оптимального места расположения устройства управления потоками мощности в электрической сети;
- использовать для моделирования элементов электрической сети многополюсники при записи уравнений электроэнергетического объекта в фазных координатах, что позволит оперативную адаптацию модели к конкретным условиям.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Большинство цифровых осциллографов сейчас являются автономными устройствами, предназначенными для регистрации локальных аварийных процессов, т.е. таких процессов, существо которых может быть расшифровано по данным от одного регистратора. Такие системы оправдывают себя при использовании на относительно простых объектах, где для расшифровки процесса достаточно иметь одну осциллограмму, имеющую привязку к произвольной шкале времени. На больших объектах, имеющих много присоединений, автономные осциллографы оказываются малопригодными. Для расшифровки аварийного процесса здесь необходимо совмещение данных от различных регистраторов. Совмещение данных от несинхронизированных регистраторов является достаточно сложной задачей, для решения которой необходим персонал высокой квалификации. Не может быть и речи об использовании таких осциллограмм, например, дежурным персоналом. Задача еще более усложняется, если в качестве источников информации даже на одной подстанции используются данные от разнородных устройств, например, от автономных цифровых регистраторов и от микропроцессорных устройств релейной защиты, ОМП, регистраторов качества и счетчиков электроэнергии и т.п., в которых имеются информационные блоки, фиксирующие информацию об аварийном процессе. Наиболее сложны для расшифровки аварийные данные, поступающие в общий диспетчерский центр электрической сети в случае сложной системной аварии, охватывающей несколько подстанций и электростанций. Сложность расшифровки таких аварийных данных связана не только с проблемами временной синхронизации, но и с необходимостью рассмотрения очень большого объема информации. Следует отметить, что линии электропередач (ЛЭП) являются наиболее уязвимым звеном электроэнергетических систем. Однако до настоящего времени основным методом определения мест повреждений (ОМП) является визуальный осмотр ЛЭП при пешем обходе. Несмотря на широкие исследования в области ОМП ЛЭП научный поиск надежных и точных алгоритмов будет еще продолжаться. В последнее время все больше внимания уделяется методам ОМП, основанным на модели ЛЭП с распределенными параметрами. Поэтому был разработан экспериментальный комплекс по исследованию таких методов ОМП. Основные особенности методов ОМП, основанных на модели ЛЭП с распределенными параметрами и определяющих структуру исследовательского комплекса, связаны с необходимостью: - одно и двухсторонних измерений токов и напряжений на концах ЛЭП; - цифровой обработки сигналов в широком диапазоне частот и амплитудных значений; - реализации заданного набора алгоритмов, связанных с ОМП ЛЭП; - хранения больших массивов данных для последующих экспериментальных исследований качественных показателей алгоритмов ОМП ЛЭП; - обеспечения не только приема, но и излучения сигналов при реализации методов активного зондирования ЛЭП; - синхронных двухсторонних измерений для адекватного совмещения информации, полученной с разных концов ЛЭП. Указанные особенности определили состав и структуру разработанного исследовательского комплекса, представленного на рис. 1.
Рис. 1. Исследовательский комплекс методов ОМП ЛЭП (анимация сделана в 3D Flash animator, 5 кадров)
Комплекс обеспечивает два основных режима работы: - пасивный, при котором система сбора данных подключалась к обоим концам ЛЭП, излучения (активного зондирования) не производилось, а осуществлялся только прием сигналов с синхронизацией от GPS; - активный, при котором производилось излучение зондирующих сигналов и работа в режиме “на просвет” и “отражение” с синхронизацией приемно-передающих устройств от GPS. Возможны и другие режимы, например, с односторонним излучением и двухсторонним приемом и обработкой. Однако, в ходе экспериментов такие режимы не реализовывались. Основная цель разработки исследовательского комплекса состояла в определении оптимального состава, конфигурации, программного обеспечения аппаратуры для перспективного промышленного образца устройства ОМП ЛЭП на активном зондировании. В качестве дополнительной рассматривалась задача исследования пассивных методов ОМП ЛЭП (например, волновых), а также изучение возможностей выявления состояния ЛЭП по частичным разрядам на изоляции. Как видно из рис.1., комплекс состоял из двух комплектов приемо-передающих устройств, подключенных к ПЭВМ. Излучение и прием сигналов осуществлялось через стандартные элементы ВЧ - присоединения ЛЭП. Для реализации двухсторонних алгоритмов ОМП ЛЭП производилась последующая обработка синхронизированных выборок. Высокоскоростные коммуникации для объединения полукомплектов приемо-передатчиков не использовались. Таким образом, разработанный комплекс аппаратуры и программного обеспечения позволил синтезировать излучаемый сигнал и выполнить согласованную (оптимальную) обработку принимаемых сигналов с ЛЭП. Указанными функциями исследовательского комплекса достигается реализация пассивных и активных методов ОМП, основанных на модели ЛЭП с распределенными параметрами. Потенциальный коэффициент сжатия для сложных сигналов при использовании рассмотренного исследовательского комплекса достигал 200 000, что позволило достичь отношение сигнал/шум около 56 дБ. Дальнейшее повышение качества цифровой обработки сигналов обеспечивалось когерентным накоплением сигналов. Таким образом, разработанный экспериментальный комплекс позволяет исследовать известные и перспективные методы ОМП, основанные на модели ЛЭП с распределенными параметрами. Сделаем небольшой обзор современных средств имитационного моделирования объектов электроэнергетических систем. Имитационных программы можно разделить на три большие группы:
• - расчет/моделирование установившихся режимов энергосистемы на номинальной частоте (50 Гц);
• - моделирующие программы отдельных элементов энергосистемы как в установившихся, так и в переходных процессах;
• - многоцелевые имитационные пакеты, которые могут быть использованы для систем любых типов, описываемых математически. Каждая из групп содержит различные типы специализированных моделей. Для расчета установившихся режимов энергосистемы используется программный комплекс. Данный пакет рекомендован для расчета уставок РЗА, перетоков мощности и т.д. Но в настоящее время существует немало альтернативных имитационных программ, использующих принципы диакоптики и декомпозиции при синтезе общей модели энергосистемы, например, программа НГТУ, программный комплекс СДО-6 и другие. Были разработана аналогичная программная имитационная модель «SIMPOW». Кроме нее для расчета установившихся режимов используются программы «PSS/E», «NEPLAN». Основным показателем подобных программ является максимальная размерность матрицы Z, описывающей систему (максимальное количество элементов системы), а также корректная работа с разреженными матрицами. Первый показатель связан с известными вычислительными проблемами при решении задач большой размерности, а второй определяется спецификой описываемой модели (обычно матрицы при расчете электрических схем сильно разрежены, что затрудняет их обращение). Второй тип имитационных программ более специализирован по областям применения (модели силовых и измерительных трансформаторов, генераторов, линий электропередачи, двигателей). Подобные модели также можно подразделить на статические и динамические. Особый интерес представляют динамические имитационные модели, в частности, линий электропередачи. В мире широко известны большие имитационные модели «EMTP» и «ARENE», последняя разработана фирмой «Electric de France». Они позволяют физически воспроизвести имитационные сигналы и провести натурные испытания устройств РЗА. Рассматривая программы подобного типа, следует отметить, что существует два принципиально различных подхода к построению динамических имитационных моделей: методы численного интегрирования дифференциальных уравнений («EMTP», «ARENE»), которыми описывается каждый элемент модели и метод, использующий базис компонентов свободного процесса («Большая модель» – ЭКРА, Динамика, «MEMPhIS – Model of Multi Phase Imitation System» - ЧувГу). Последние методы более информативны, так как позволяют оценить спектральный состав сигналов имитационной модели. Третья категория имитационных средств – универсальные моделирующие программы (MATLAB/Simulink, MATCAD, Simnon, Modelica и другие). Как правило, подобные программные пакеты не привязываются к той или иной области техники, а позволяют описать любую систему (механическую, электронную, электромеханическую и т.д.) в виде набора систем дифференциальных уравнений, т.е. так или иначе представляют собой универсальную систему численного интегрирования. Использование универсальных имитационных моделей наиболее привлекательно для разработчиков новых средств РЗА, так как позволяет быстро синтезировать необходимые звенья разрабатываемого устройства. Исследованы имитационные модели, синтезированные с помощью гибридной системы «ARENE» (рис.2) и «MATLAB/Simulink/Power System BlockSet» (рис.3). Обе модели относятся к первому типу, то есть базируются на численном интегрировании. Результаты исследований
Рис.2 - Модель одиночной линии синтезированной в комплексе «ARENE»
Рис.3 - Модель одиночной линии , синтезированная в комплексе «Power System BlockSet»
показали адекватность моделей в большинстве случаев (рис.4), но модель «Power System BlockSet» - более гибкая и открытая система (автоматический выбор схем замещения, синтез своих элементов, более десятка методов интегрирования, возможность работы с модулями «С/С++» и так далее), нежели «ARENE». Ко второму типу динамических моделей относится программа «MEMPhIS», разработанная в ЧувГУ (рис.5). Это модель реализована в базисе фазных координат (multi-phase imitation system) и позволяет кроме текущих токов и напряжений (рис.6), также выделить спектральные компоненты переходного процесса (рис.7). Данная модель написана в системе «MATLAB», но без использования универсальных имитационных пакетов типа «Simulink».
Рис.4 - Результаты моделирования «ARENE» и «Power System BlockSet»
Рис.5 - Модель программы «MEMPhIS»
Рис.6 - Результаты моделирования «MEMPhIS»
Рис.7 - Свободные компоненты переходного процесса для тока фазы А
СОБСТВЕННЫЕ РАЗРАБОТКИ И РЕЗУЛЬТАТЫ
Также ведутся и собственные разработки для полной автоматизации рабочего места диспетчера на объекте. Программный продукт выполнен в среде C ++ и еще проходит стадию усовершенствования. Экспериментальные исследования ведутся в описанной выше программе «MATLAB», которая довольно точно позволяет представить математическую модель процессов.
ЛИТЕРАТУРА
Список используемой литературы:
1. Аржанников Е.А., Лукоянов В.Ю., Мисриханов М.Ш. Определение места
короткого замыкания на высоковольтных линиях электропередачи / Под ред. В.А.
Шуина. - М.: Энергоатомиздат, 2003.-272 с.
2. Шалыт Г.М. Определение мест повреждения в электрических сетях. -М.:
Энергоатомзидат, 1982.-312 с.
3. Johns A.T., Saltman S.K. Digital Protection for Power Systems; IEE Power Series 15,
Peter Peregrims Ltd, 1995. - 203 c.
4. Радиоэлектронные системы: основы построения и теория. Справочник / Под ред
Я.Д. Ширмана.-М.: ЗАО “МАКВИС”, 1998. – 828 с.5. В.В. Григорьев, Н.А. Дони, А.Н. Бирг. «Программа «большая модель» – динамические испытания релейной защиты при переходных процессах в энергосистемах любой конфигурации.» Тезисы докладов I-ой НТК ЧЦРЗА "Релейная защита и автоматическое управление электроэнергетическими системами". Чебоксары 1997 г.
6. О.Н. Войтов, В.А. Мантров, Л.В. Семенова. «Анализ несимметричных режимов электроэнергетических систем и управление ими». Электричество №10, 1999 г.
© ДонНТУ 2008 Маслов