Назад к библиотеке

Сравнительный анализ работы программ для расчета токов несимметричных коротких замыканий в энергосистемах

Открытое акционерное общество Научно-исследовательский институт по передаче электроэнергии постоянным током высокого напряжения (ОАО НИИПТ), основанное в 1945 г., является многопрофильным электроэнергетическим научно-исследовательским центром, головной научной организацией отрасли в области развития системообразующей сети Единой энергетической системы (ЕЭС) России и межгосударственных электрических связей.

В 2007 г. ОАО НИИПТ стало дочерним зависимым обществом ОАО СО ЕЭС. На базе ОАО НИИПТ создан научный центр Системного оператора для комплексного научного сопровождения задач управления режимами и развития ЕЭС России в современных экономических условиях. Основные направления производственной деятельности и тематика работ ОАО НИИПТ как научного центра Системного оператора направлены на решение актуальных задач в области управления и развития ЕЭС России.

Основные направления деятельности ОАО НИИПТ:

В рамках этих направлений ОАО НИИПТ оказывает следующие услуги:

Основная сфера деятельности ОАО НИИПТ – решение проблем, появляющихся в процессе проектирования и эксплуатации систем электропитания постоянного и переменного тока: от общих принципов работы энергосистемы в целом до разработки, поставки под ключ и обслуживания отдельных систем и устройств и программного обеспечения.

ОАО НИИПТ участвовало практически во всех российских проектах по передачам, вставкам постоянного тока, высоковольтным линиям от 330 кВ до 1150 кВ, обеспечивая теоретическую проработку проектов, предпроектные исследования, внедрение, а также общее управление проектами.

Введение

Проектирование объектов электроэнергетики включает в себя несколько взаимосвязанных этапов. К их числу относятся расчеты нормальных и послеаварийных режимов работы электрических сетей, расчеты статической и динамической устойчивости, расчеты токов короткого замыкания (ТКЗ).

При решении задач релейной защиты, системной автоматики и устойчивости энергосистем возникает необходимость в расчетах квазиустановившихся несимметричных режимов при коротких замыканиях, неполнофазных включений и сложных видов несимметрии сети в одной или нескольких точках.

Современное развитие специализированных вычислительных программ позволяет несколько упростить решение этих задач. На рынке отечественного программного обеспечения представлен целый ряд соответствующих программ, позволяющих производить необходимые вычисления как в независимых модулях (EnergyCS Режим, EnergyCS ТКЗ, RastrWin), так и совместно в одной оболочке (АНАРЭС-2000, АРМ СРЗА).

Большая часть служб РЗА – филиалов ОАО СО ЕЭС – в своей работе использует однотипное программное обеспечение (в частности, программные комплексы ТКЗ-3000 и АРМ СРЗА). При этом результаты, полученные с помощью альтернативных программ расчета ТКЗ, таких как EnergyCS ТКЗ, нередко воспринимаются как недостоверные и подлежащие проверке. Следует отметить, что программа EnergyCS ТКЗ предназначена для выбора (проверки) коммутационной аппаратуры на отключающую способность согласно действующим Руководящим указаниям по расчету токов короткого замыкания (РД 153−34.0−20.527−98). В свою очередь, комплексы ТКЗ-3000 и АРМ СРЗА также могут быть использованы для подобной цели, однако задание параметров доаварийного режима в этих программах выполняется вручную, что приводит к накоплению ошибок и трудоемким процессам их поиска и устранения.

Авторы статьи провели сравнительный анализ результатов расчета ТКЗ в схемах крупных энергосистем, полученных при помощи программ EnergyCS ТКЗ и АРМ СРЗА, с целью подтверждения возможности использования EnergyCS ТКЗ при проведении расчетов для выбора (проверки) коммутационного оборудования.

Описание исследуемых моделей

В качестве исследуемых моделей были взяты схемы двух энергосистем с наименьшим и наибольшим классом напряжения – 35 и 750 кВ соответственно: первая размерностью 863 узла и 1409 ветвей, вторая – 1375 узлов и 2024 ветви. При этом во второй схеме учтены взаимные индукции линий электропередачи, проходящих в одном коридоре, а также активные сопротивления и емкостные проводимости элементов энергосистемы.

Формат представления исходной информации в обеих рассматриваемых программах имеет схожий вид, однако есть некоторые отличия и особенности, которые были учтены при создании математических моделей:

Координации данных для учета второго пункта можно достигнуть либо с помощью алгоритма, отслеживающего идеальные шунты на землю, либо заменой нулевых активных и индуктивных сопротивлений нулевой последовательности на малое активное сопротивление нулевой последовательности (например, 0,01 мОм), соизмеримое с контактным сопротивлением болтовых соединений. Причем, как будет показано дальше, это допущение при конвертации схемы не вносит заметной погрешности в результаты расчета.

Последняя особенность не оказывает влияния на расчет ТКЗ при несимметричных КЗ, так как в статье рассматриваются сети с глухозаземленной нейтралью.

Сравнительный анализ результатов расчета ТКЗ

Анализ результатов расчета ТКЗ в первой из рассматриваемых схем был построен следующим образом.

Первый этап расчетов был проведен в индуктивной схеме без учета взаимоиндукций линий с наибольшим номинальным напряжением узлов сети 110 кВ. Далее за счет ввода автотрансформаторных связей схема последовательно наращивалась ступенчато до класса напряжения 750 кВ. Точность расчета в обеих программах принималась как 1 А.

Результаты расчетов представлены в таблице 1 для схемы сети 110 кВ и на рис. 1 и 2 для схем с классами напряжений 110, 220, 330 и 750 кВ. Здесь Ik3 – величина тока трехфазного КЗ (в кА), Ik1 – величина тока однофазного КЗ (в кА), γIk3(γIk1) – величины относительной погрешности (в %). На рис. 1 и 2 показаны диаграммы, которые отражают изменение величины погрешности результатов расчета в EnergyCS ТКЗ по сравнению с результатами АРМ СРЗА при увеличении числа автотрансформаторных связей в схеме (то есть при росте класса напряжения рассматриваемой сети).

Рисунок 1 – Сравнительный анализ расчета ТКЗ в сети с высшим напряжением 110 кВ

Рисунок 2 – Расхождение величины тока трехфазного КЗ, полученного в программах EnergyCS ТКЗ и АРМ СРЗА

Рисунок 3 – Расхождение величины тока однофазного КЗ, полученного в программах EnergyCS ТКЗ и АРМ СРЗА

Согласно рис. 1, 2, 3, величина максимальной относительной погрешности результатов расчета ТКЗ в программе EnergyCS ТКЗ по сравнению с результатами АРМ СРЗА не превышает 0,25%.

Второй этап расчетов был проведен в схеме с учетом активных сопротивлений элементов рассматриваемой энергосистемы с учетом и без учета взаимоиндукций линий. При этом для ветвей трансформаторного типа в EnergyCS ТКЗ не была использована функция Шунт 0-й последовательности. Вместо этого была произведена замена идеальных шунтов на землю в АРМ СРЗА на аналогичные, но с малым активным сопротивлением нулевой последовательности, равным 0,01 мОм.

Следует подчеркнуть, что формат исходной информации о взаимной индукции линий в обеих рассматриваемых программах имеет практически схожий вид, что, в свою очередь, упрощает процесс конвертирования схем.

Результаты расчетов представлены в рисунках 4 и 5.

Рисунок 4 – Сравнительный анализ расчета ТКЗ в схеме без учета взаимоиндукций линий

Общее число взаимноиндуктивных связей линий, проходящих в одном коридоре, учитываемое при получении результатов в табл. 3, равно 301. При этом максимальный ранг матрицы взаимной индукции, описывающей один из коридоров, равен 11. Следует отметить, что данные матрицы коридоров взаимной индукции описывают магнитосвязанные контуры линий как одного, так и разных классов напряжения.

Рисунок 5 – Сравнительный анализ расчета ТКЗ в схеме с учетом взаимоиндукций линий

Согласно рис. 4 и 5, величина максимальной относительной погрешности результатов расчета ТКЗ, полученных в программе EnergyCS ТКЗ, по сравнению с результатами, полученными в АРМ СРЗА, не превышает 1,45%.

Сравнение интерфейсов программ

Что касается интерфейсов сравниваемых программ, то здесь преимущество неоспоримо остается за EnergyCS ТКЗ. Ее интерфейс прост и интуитивно понятен. Окно программы и ее основное меню напоминают стандартное окно Windows, что позволяет даже неопытному пользователю быстро сориентироваться и начать работу. В первую очередь следует отметить преимущества EnergyCS ТКЗ перед АРМ СРЗА при создании расчетной схемы.

Создание расчетной схемы электрической сети

Наличие в EnergyCS ТКЗ встроенной базы данных типового силового оборудования энергосистем позволяет затрачивать минимум времени на ввод расчетной схемы электрической сети. Для ввода ветви, например, достаточно выбрать необходимый элемент в базе: марка провода, тип трансформатора и т.п. Кроме того, базу данных можно самостоятельно дополнять и редактировать.

Рисунок 6 – Создание расчетной схемы электрической сети в EnergyCS ТКЗ

Как видно на рис. 6, при вводе узлов и ветвей в EnergyCS ТКЗ сразу отображается вся необходимая информация об элементе электрической сети: номер узла, класс напряжения, тип элемента. Перечень выводимых на чертеж параметров определяется пользователем и применяется для всей схемы сразу, что обеспечивает ее однородность. При этом исключается возможность вывода однотипных параметров, таких как напряжения узлов и напряжения с углами, что позволяет не перегружать схему лишними данными.

В свою очередь, в АРМ СРЗА вывод параметров расчетной схемы осуществляется вручную для каждого элемента. Для этого используются интерфейсы, показанные на рис. 7.

Рисунок 7 – Создание расчетной схемы электрической сети в АРМ СРЗА

Эта особенность программы требует больших затрат времени. Кроме того, схема может оказаться частично непрорисованной. Существенно различается и графический вид расчетных схем в рассматриваемых программах. В АРМ СРЗА электрическая сеть представлена принципиальной схемой, в то время как в EnergyCS ТКЗ используется однолинейная схема соединений электрических элементов. Это делает схему наглядной и удобной для чтения. Часто однажды созданная схема используется для разных расчетов, которые могут выполнять специалисты различных направлений профессиональной деятельности. В случае работы со схемой, созданной в EnergyCS ТКЗ, расчетчик может легко привязать ее к реальной энергосистеме, даже если схема была создана другим человеком.

Кроме того, представление электрической сети однолинейной схемой вместе со встроенной базой данных позволяет избежать ошибок при наборе схемы с бумаги. Это наглядно видно на рис. 5, где показан один и тот же участок сети, созданный в разных программах.

Рисунок 8 – Сопоставление графических изображений расчетной схемы в АРМ СРЗА

Рисунок 9 – Сопоставление графических изображений расчетной схемы в EnergyCS ТКЗ

Необходимо отметить такие важные функции EnergyCS ТКЗ, как Калька и возможность импорта графического изображения абстрактной схемы, например, введенной в формате CDU, которые позволяют снизить время создания чертежа расчетной схемы (рис. 9). Так можно получить графику, например, из ПК RastrWin.

Рисунок 10 – Графическое представление расчетной схемы в EnergyCS ТКЗ

С помощью функции Калька программа позволяет вместо фона использовать любое растровое изображение. Это особенно удобно, если необходимо ввести распределительную сеть, подложив вместо фона однолинейную схему в формате AutoCAD или графического редактора. Также в EnergyCS ТКЗ, в отличие от АРМ СРЗА, существует такая важная для любого пользователя функция, как Отмена.

Расчет параметров доаварийного режима работы сети

Наряду с осуществлением контроля правильности ввода электрических параметров элементов сети при создании расчетной схемы, следует производить оценку параметров доаварийного режима работы исследуемой сети. А именно загрузки линий электропередачи, уровней напряжений в узлах, наконец, фактического существования нормального режима (что характерно для моделей сложных сетей). Ввиду этого представляет интерес сравнение особенностей проведения расчета доаварийного режима работы сети в рассматриваемых программах.

EnergyCS ТКЗ, в отличие от АРМ СРЗА, позволяет производить эти расчеты на основе информации о характере и мощности нагрузок и генераций в узлах схемы. Таким образом, осуществляется дополнительная проверка правильности созданной расчетной модели.

В свою очередь, в АРМ СРЗА также возможен расчет доаварийного режима с выводом результатов. Однако для этого необходимо вручную произвести расчет величин доаварийных ЭДС синхронных машин, а также задать нагрузки в узлах в виде дополнительных ветвей-шунтов с сопротивлениями прямой последовательности, произведя пересчет из МВт/МВАр в соответствующие классу напряжения активные и реактивные сопротивления, выраженные в омах. Данная операция трудоемкая и требует больших затрат времени.

Чаще всего в АРМ СРЗА доаварийный режим работы сети оценивается при работе схемы на холостом ходу. Как правило, ЭДС источников задаются равными 105% номинального напряжения соответствующей сети и предполагаются совмещенными по фазе. При этом величины сверхпереходных ЭДС корректируются в соответствии с рассчитанными программой значениями напряжений в узлах. Однако такой подход является методически неверным, так как рассчитанные АРМ СРЗА напряжения в данном случае получаются из матрицы узловых напряжений и, следовательно, не отражают параметров фактического доаварийного режима работы рассматриваемой сети.

В EnergyCS ТКЗ величина сверхпереходной ЭДС синхронных машин и асинхронных двигателей рассчитывается автоматически с учетом параметров доаварийного режима работы, что позволяет избежать ошибок при вводе величин ЭДС.

Следует отметить, что для расчета доаварийного режима программа EnergyCS ТКЗ использует одинаковый с ПК RastrWin формат исходных данных. Ввиду этого схема может быть с минимальными усилиями перенесена в EnergyCS ТКЗ (например, посредством формата CDU), дополнена и далее использована для расчета токов несимметричных коротких замыканий.

Получение и обработка результатов расчета

В АРМ СРЗА существует несколько вариантов выдачи результатов, но в любом случае это текстовый файл следующего вида (рис. 7).

Рисунок 11 – Представление результатов расчета в АРМ СРЗА

Процесс обработки результатов (копирование в Microsoft Word и т.п.) весьма трудоемок. При большом количестве исследуемых узлов и присоединений избежать ошибок сложно.

В EnergyCS ТКЗ результаты могут быть представлены как в виде различных по содержанию таблиц, так и выведены на чертеж расчетной модели (рис. 8). При этом полученные таблицы могут быть переданы автоматически в Microsoft Word посредством заранее подготовленных шаблонов, а чертежи с результатами перенесены напрямую в текстовые редакторы или отредактированы в AutoCAD.

Рисунок 12 – Представление результатов расчета в EnergyCS ТКЗ

Заключение

Проведенный авторами анализ показал, что при выполнении расчетов на одинаковых расчетных схемах результаты, полученные с помощью ПК EnergyCS ТКЗ, полностью соответствуют результатам, полученным в ПК АРМ СРЗА. Следовательно, программный комплекс EnergyCS ТКЗ может быть использован службами РЗА филиалов ОАО СО ЕЭС и организациями, занимающимися проектированием электрической части станций и подстанций.

При этом следует отметить некоторые преимущества использования ПК EnergyCS ТКЗ по сравнению с ТКЗ-3000 и АРМ СРЗА для расчета, выбора и проверки коммутационного оборудования на отключающую способность:

К недостаткам EnergyCS ТКЗ следует отнести отсутствие возможности учета напрямую параметров емкостной проводимости нулевой последовательности, что важно при определении величины тока КЗ на землю в сетях c изолированной нейтралью. В программе по умолчанию емкостная проводимость нулевой последовательности линии равна проводимости прямой последовательности, что верно лишь для группы однофазных кабелей. Данное обстоятельство может привнести неточность в конечный результат.

Cравнение интерфейсов программ АРМ СРЗА и EnergyCS ТКЗ однозначно говорит в пользу последнего. Процесс создания схемы в EnergyCS ТКЗ за счет наличия дополнительных функций (Калька, импорт графического изображения абстрактной схемы и встроенная база данных) занимает гораздо меньше времени. Результаты расчета, полученные в программе EnergyCS ТКЗ, наглядны и легко могут быть перенесены в другие программы.

Авторы статьи провели сравнительный анализ работы программ с точки зрения использования АРМ СРЗА для расчета и проверки аппаратов по отключающей способности. Другие функции программного комплекса АРМ СРЗА не рассматривались.

Андрей Брилинский, инженер НИО-6 ОПРЭ ОАО НИИПТ.

Анна Севастьянова, инженер НИО-6 ОПРЭ ОАО НИИПТ.

E-mail: andrey.ru@rambler.ru

E-mail: sevastyanova_a@niipt.com