Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 620.9

ФГАОУ ВО "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"

СРАВНЕНИЕ СВОЙСТВ И ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРОГРАММНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА «EUROSTAG» И ВСЕРЕЖИМНОГО МОДЕЛИРУЮЩЕГО КОМПЛЕКСА РЕАЛЬНОГО ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ

А.П. Мальцев, А.О. Сулайманов, Р.А. Уфа

Томск, Россия

Введение

На данный момент происходит усложнение электроэнергетических систем (ЭЭС) за счет внедрения устройств FACTS, HVDC систем, технологий распределенного производства электроэнергии, возобновляемых источников энергии. Актуальным является, во-первых, необходимость обеспечения бесперебойной работы в рамках усложнения сети, во-вторых, получение точной информации о процессах в ЭЭС. Получение достаточно полной информации способствует эффективному решению широкого спектра задач исследования, проектирования и эксплуатации ЭЭС.

Основными средствами анализа работы ЭЭС являются информационно-измерительные комплексы (ИИК) и системы моделирования. Использование ИИК имеет такие недостатки, как высокая трудоемкость анализа осциллограмм аварийных процессов при низкой наблюдаемости ЭЭС, ограниченность применения результатов при изменении конфигурации данной ЭЭС и в других энергосистемах, в случаях возникновения не наблюдавшихся ранее возмущающих воздействиях, а также большие затраты времени в связи с невозможностью проведения масштабных натурных испытаний в ЭЭС [1]. В связи с этим, основным средством исследования работы ЭЭС является моделирование. При этом особое внимание уделяется моделированию динамических переходных процессов, так как параметры переходных процессов, возникающих, в особенности, в аварийных режимах, обуславливают устойчивость и надежность системы.

На сегодняшний день существуют такие средства моделирования, как гибридные модели, автономные пакеты программ цифрового моделирования и цифровые модели, работающие в реальном масштабе времени [2].

Одним из наиболее распространенных средств моделирования является программно-вычислительный комплекс (ПВК) «EUROSTAG», разработанный научно-техническим центром TRACTEBEL совместно с ELECTRICITE DE FRANCE [3]. Данный комплекс реализует цифровой подход к моделированию.

В научно-исследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» Томского политехнического университета был разработан Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС), который основан на технологии гибридного моделирования [1].

Целью данной работы является сравнение результатов моделирования в ПВК «EUROSTAG» и ВМК РВ ЭЭС.

Во II главе будут рассмотрены модели оборудования, реализуемые в данных комплексах, в III главе будут представлены результаты моделирования.

1. Анализ моделей оборудования, реализуемых в ПВК «EUROSTAG» и ВМК РВ ЭЭС

1.1 Подход к моделированию, реализуемый в ПВК «EUROSTAG»

Цифровая модель энергосистемы представляет собой структуру, состоящую из узлов, которые могут представлять собой шины распределительных устройств электрических станций и подстанций, выводы генераторов, которые соединены между собой ветвями, представляющими собой линии электропередачи, выключатели, трансформаторы. При этом в каждом узле может производиться выработка (потребление) активной и реактивной мощности. В данном комплексе реализуется численное интегрирование дифференциальных уравнений методом Ньютона [3].

Библиотека ПВК «EUROSTAG» содержит 4 модели трансформаторов: 3 упрощенные модели, имеющие либо действительный коэффициент трансформации, либо регулируемый в ходе расчета установившегося режима комплексный коэффициент трансформации, либо комплексный коэффициент трансформации, а также детализированная модель, позволяющая учитывать изменение коэффициента трансформации и в статике, и в динамике [3].

Математическая модель синхронных машин основана на классической теории Парка-Горева, при этом реализуются две модели:

1) полная модель, в которой ротор представлен четырьмя эквивалентными обмотками: обмоткой возбуждения и демпферной обмоткой в оси d с индуктивной связью между ними и двумя демпферными обмотками в оси q;

2) упрощенная модель, в которой ротор представлен исключительно обмоткой возбуждения в оси d и нет обмоток по оси q.

Помимо этого, в модели синхронной машины может быть учтен блочный трансформатор, а также есть возможность задания параметров машины внешними параметрами (реактансы и постоянные времени) либо внутренними параметрами (сопротивления обмоток, взаимными индуктивностями). Особенностью задания параметров синхронной машины в данном комплексе является то, что постоянная инерции задается как половина постоянной инерции, указанной в справочниках для уравнений Горева, умноженная на номинальную активную мощность и деленная на номинальную полную мощность машины, указанную в справочниках в связи с отличием в записи уравнения Парка-Горева [3].

Асинхронная машина может быть представлена двумя разными моделями:

1) полной моделью, в которой учитываются переходные процессы в роторе в предположении, что на роторе находится двойная короткозамкнутая обмотка. Кроме того, эта модель предусматривает реалистичное воспроизведение электрического момента при пуске двигателя и работе под нагрузкой с небольшим скольжением;

2) упрощенной моделью, в которой пренебрегается переходными процессами в роторе, и которая предназначена в основном для моделирования нагрузки. Эта модель ведет себя подобно пассивной нагрузке, и не привносит никакого изменения в мощность короткого замыкания.

Аналогично синхронным машинам, асинхронная машина может быть задана как внешними параметрами, так и внутренними [3].

Нагрузка моделируется различным образом в установившемся и переходном режимах. В установившемся режиме нагрузка моделируется постоянным отбором мощности. В переходном режиме реализуется модель нагрузки с зависимостью от напряжения и частоты, модель регулируемой нагрузки, учитывающей действие РПН понижающего трансформатора и модель распределительной сети [3].

Помимо использования готовых моделей оборудования, можно создавать собственные модели различного оборудования с помощью графического редактора макроблоков, не прибегая к использованию языков программирования [3].

1.2 Подход к моделированию, реализуемый в ВМК РВ ЭЭС

В отличие от ПВК «EUROSTAG», в ВМК РВ ЭЭС реализуется гибридный подход к моделированию [1].

В качестве математической модели синхронных генераторов используется полная система уравнений Парка-Горева повышенной точности, вместе с уравнениями формирования трехфазных координат a, b, c и уравнениями взаимного преобразования переменных систем d, q и a, b, c. Повышенная точность достигается за счет моделирования большего количества демпферных контуров и учета зависимости их параметров от частоты, а именно трех контуров по оси d и четырех контуров по оси q [4].

В качестве модели силовых трансформаторов и автотрансформаторов используются системы уравнений трех фаз пятиобмоточного трансформатора для того, чтобы учесть все различные виды применяемых трансформаторов и автотрансформаторов и схем соединения обмоток их фаз [4].

Математическая модель ЛЭП основана на телеграфных уравнениях, записанных в системе координат б, в, 0. Данная модель позволяет учитывать распределенность параметров ЛЭП, волновые процессы. Для нулевой последовательности учитывается явление поверхностного эффекта в земле [4].

Математическая модель синхронного двигателя получается из модели синхронного генератора за счет учета противоположного направления механического момента двигателя относительно момента синхронного генератора, при этом механический момент учитывается как нагрузка двигателя. Модель асинхронного двигателя, в свою очередь, получается из модели синхронного двигателя путем обнуления напряжения в уравнении роторного контура двигателя, используемого для моделирования обмотки возбуждения [4].

Модель нагрузки включает в себя эквивалентные асинхронный и синхронный двигатели, обобщенную нагрузку, описываемую зависимостями активной и реактивной мощности этой нагрузки от частоты и напряжения, при этом учитывается диапазон регулирования напряжения. При учете возможности управления симметрией нагрузки, в основном, по нулевой последовательности, системой координат, используемой для формирования универсальной математической модели трехфазной обобщенной нагрузки, является система координат б, в, 0 [4].

Моделирование реакторов осуществляется на основе универсальной математической модели трансформаторов при обнулении коэффициентов неиспользуемых обмоток и задании параметров реакторов для используемых обмоток. При исключении из модели нелинейности вольтамперной характеристики реактора, можно воспроизводить процессы, адекватные реактору с линейной вольтамперной характеристикой. Кроме того, наличие в математической модели реакторов уравнения линейной трехфазной регулируемой RL-цепи позволяет моделировать упрощенные ЛЭП для периферийных и эквивалентных районов энергосистемы, а также упрощенные регулируемые RL-нагрузки, которые являются достаточно распространенными и широко используемыми [4].

2. Результаты моделирования

На рисунке 1 изображена схема энергосистемы, которая включает в себя генератор, повышающий трансформатор, линию электропередачи и нагрузку.

Рис. 1. Схема энергосистемы

В ПВК «EUROSTAG» производятся испытания согласно следующему сценарию: в момент времени 10 секунд производится резкое увеличение мощности в узле нагрузки до момента времени 100 секунд.

При проведении моделирования для синхронного генератора используется полный тип модели без учета насыщения, с 3 обмотками (уравнения Парка-Горева).

Нагрузка моделируется постоянным сопротивлением. На рисунке 2 представлены графики напряжения генератора и потребляемой мощности.

Рис. 2. Осциллограммы, полученные в ПВК «EUROSTAG»

Далее производятся испытания по аналогичному сценарию в ВМК РВ ЭЭС. При этом можно учитывать колебания параметров режима, либо же не учитывать их, переведя генератор в режим ШБМ. На рисунке 3 представлены осциллограммы напряжения генератора и ШБМ.

Рис. 3. Осциллограммы, полученные в ВМК РВ ЭЭС

По полученным графикам видно, что характер протекания процесса аналогичен при моделировании в ВМК РВ ЭЭС и в ПВК «EUROSTAG». Осциллограмма напряжения на ШБМ приближается к осциллограмме напряжения, полученной в ПВК «EUROSTAG», что свидетельствует о сходимости расчетов в данных комплексах. Однако, по графику напряжения генератора, полученному в ВМК РВ ЭЭС, видно, что колебания напряжения, всегда присутствующие в энергосистеме, увеличивают свой размах при увеличении нагрузки. На рисунке 4 изображена осциллограмма частоты в энергосистеме. электроэнергия производство бесперебойный сеть

Рис.4. Осциллограмма частоты, полученная в ВМК РВ ЭЭС

Из рисунка 4 видно, что в результате наброса мощности, во-первых, увеличивается размах качаний частоты, во-вторых, колебания происходят относительно более низкого значения, чем в изначальном режиме, то есть частота в энергосистеме снижается.

В результате генератор выпадет из синхронизма, энергосистема развалится.

На рисунках 5 и 6 изображены график частоты при наличии ШБМ и график частоты, полученный в «EUROSTAG».

Рис. 5. Осциллограмма частоты при наличии ШБМ

Рис. 6. Осциллограмма частоты в ПВК «EUROSTAG»

При расчетах в «EUROSTAG» и при наличии ШБМ невозможно судить об изменениях частоты, так как ШБМ поддерживает значение частоты постоянным.

Исходя из этого, можно сделать вывод, что с помощью ВМК РВ ЭЭС можно получить более детальное представление о поведении энергосистемы при воздействии различных возмущений. Данный комплекс позволяет увидеть не только характер протекания переходного процесса и новый установившийся режим, но и получить представления о колебаниях самого режима и, соответственно о его устойчивости, то есть дает представление и о динамической устойчивости энергосистемы, и о ее статической устойчивости. ПВК «EUROSTAG» моделирует отдельно установившиеся режимы, не учитывая колебаний, происходящих в энергосистеме, рассчитывает непосредственно переходные процессы, дает представление только о динамической устойчивости.

Заключение

В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы. ПВК «EUROSTAG» обладает такими преимуществами, как простота формирования моделей энергосистем, наличие большого количества моделей оборудования, простота обработки результатов. Недостатком данного комплекса является то, что в нем ведется расчет отдельно установившихся режимов и отдельно и переходных процессов, не учитываются качания режима. Соответственно, данный комплекс не дает представления о статической устойчивости энергосистемы. Кроме того, в данном комплексе не воспроизводятся процессы в реальном времени.

Преимуществами ВМК РВ ЭЭС являются использование универсальных математических моделей оборудования, возможность воспроизведения процессов в реальном времени, учет колебаний параметров режима, а также все преимущества, присущие гибридному подходу к моделированию. Данный комплекс дает представление и о динамической, и о статической устойчивости энергосистемы, обладает большей точностью вычислений по сравнению с ПВК «EUROSTAG».

Исходя из преимуществ данных комплексов, можно сделать вывод, что ПВК «EUROSTAG» более применим при проектировании энергосистем, при расчете уставок автоматики. ВМК РВ ЭЭС больше подходит для подготовки диспетчеров и для задач, в которых необходимо учитывать качания параметров режима.

Список литературы

1. Разработка гибридных моделей высоковольтных передач постоянного тока для задач всережимного анализа больших энергосистем / А. В. Прохоров [и др.] // Известия Томского политехнического университета [Известия ТПУ]. -- 2014. -- Т. 324, № 4 : Техника и технологии в энергетике. -- [С. 123-133].

2. Виджей К. Суд. HVDC and FACTS Controllers: применение статических преобразователей в энергетических системах: Пер. с англ.: НП «НИИА», 2009. - 344 с.

3. Руководство пользователя ПВК EUROSTAG. Отчет о НИР ОАО «НИИПТ» инв. № 125-КТ, СПб, 2007.

4. Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем: учебное пособие / М.В. Андреев, Н.Ю. Рубан, А.А. Суворов, А.С. Гусев, А.О. Сулайманов.; Томский политехнический университет. - Томск. Изд-во Томского политехнического университета, 2016. - 112с.

Аннотация

Состояние вопроса: Особенно актуальной является проблема моделирования динамических процессов в электроэнергетических системах, так как параметры переходных процессов, возникающих, в особенности, в аварийных режимах, обуславливают устойчивость и надёжность системы. Одним из наиболее распространённых средств моделирования является программно-вычислительный комплекс «EUROSTAG», содержащий подробные модели силового оборудования и автоматики и используемый АО «СО ЕЭС» для расчёта режимов. Также, моделирование осуществляется аппаратными комплексами. В научно-исследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» был разработан Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем (ВМК РВ ЭЭС). Для сравнения возможностей ПВК «EUROSTAG» и ВМК РВ ЭЭС было проведено моделирование электроэнергетической системы с помощью обоих комплексов и сравнение результатов.

Материалы и методы: При проведении исследования использовался метод математического моделирования. В качестве инструментов моделирования применялись ПВК «EUROSTAG» и ВМК РВ ЭЭС.

Результаты: Создана математическая модель электроэнергетической системы в ПВК «EUROSTAG» и ВМК РВ ЭЭС. Получены результаты расчёта установившегося режима и переходных процессов. Дано сравнение результатов моделирования, свойств и возможностей ПВК «EUROSTAG» и ВМК РВ ЭЭС.

Выводы: Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации процесса моделирования, а именно корректировки выбора средств моделирования в зависимости от решаемой задачи и требуемой точности.

Ключевые слова: моделирование электроэнергетических систем; ПВК «EUROSTAG»; Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем; переходные процессы.

Background: The problem of modeling dynamic processes in electric power systems is especially relevant because the parameters of transients arising especially in emergency modes determine the sustainability and reliability of the system. One of the most popular modeling tool is «EUROSTAG» software and computing complex that includes detailed models of power equipment and automation and used by Joint-stock Company «System Operator of the United Power System» for calculation of modes. Also modeling is carried out by hardware complexes. In Power Grid Simulation Lab the Fully-Variable Real-Time Simulating Complex of Electrical Power Systems was developed. For comparison of qualities and capabilities of the «EUROSTAG» software and computing complex and the Fully-Variable Real-Time Simulating Complex of Electrical Power Systems, the simulation of electric power system was made by both tools and the results were compared.

Materials and Methods: During the study, the method of math modeling was used. «EUROSTAG» software and computing complex and the Fully-Variable Real-Time Simulating Complex of Electrical Power Systems were used as modeling tools.

Results: The math model of electric power system was created using the «EUROSTAG» software and computing complex and the Fully-Variable Real-Time Simulating Complex of Electrical Power Systems. The results of calculating the steady-state regime and transient processes are obtained. Comparison of results and qualities and capabilities of «EUROSTAG» software and computing complex and the Fully-Variable Real-Time Simulating Complex of Electrical Power Systems was given.

Conclusions: The results obtained can be used to optimize the modeling process, namely, to adjust the choice of modeling tools depending on the task to be solved and the accuracy required.

Key-words: simulation of electric power systems; «EUROSTAG» software and computing complex; the Fully-Variable Real-Time Simulating Complex of Electrical Power Systems; transient processes

Размещено на Allbest.ru