На правах рукописи
БОРДАНОВ Сергей Александрович
разработка и применение к ИССЛЕДОВАНИю РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА С ГРАФИЧЕСКИМ ИНТЕРФЕЙСОМ
Специальность 05.14.02 –Электрические станции и электроэнергетические системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Чебоксары 2013
Работа выполнена на кафедре Электроснабжения промышленных предприятий им.
А. А. Фёдорова Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова».
-
Научный руководитель:
|
В. А. Щедрин,
кандидат технических наук, профессор,
профессор кафедры Электроснабжения промышленных предприятий им. А. А. Фёдорова, ФБГОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова»
|
Официальные оппоненты:
|
А. В. Булычёв,
доктор технических наук, профессор,
технический директор ООО «НПП Бреслер»
С. И. Гамазин,
доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры Электроснабжения промышленных предприятий ФГБОУ ВПО «Московский энергетический институт (технический университет)»
|
Ведущая организация:
|
ОАО «ВНИИР» (г. Чебоксары)
|
Защита состоится «22» марта 2013 г. в 13 часов в зале Учёного совета на заседании диссертационного совета Д 212.301.02 при ФБГОУ ВПО «Чувашский государственный университет имени И. Н. Ульянова» (428034, Чувашская Республика, г. Чебоксары, ул. Университетская, д.38, библиотечный корпус третий этаж).
Отзывы на реферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим высылать по указанному адресу на имя учёного секретаря диссертационного совета.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова».
Автореферат разослан «____» февраля 2013 г.
 Учёный секретарь
диссертационного совета Д 212.301.02 Г. П. Охоткин
д. т. н., профессор
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Качественная и структурная перестройка электроэнергетики России, создание оптового и розничного рынка электрической энергии (мощности) значительно расширили и усложнили условия оперативного управления режимами работы объектов электроэнергетических систем. В настоящий момент ведение электрического режима складывается под влиянием двух основных, иногда противоречащих друг другу факторов: выбора режимов работы сети с наименьшими потерями электроэнергии и учёта ценовых заявок, формирующихся на новом оптовом рынке энергии и мощности, которые определяют перетоки энергии (мощности) от продавцов к покупателям. При этом непременным условием ведения режимов является обеспечение надежности электроснабжения и требуемого качества электроэнергии.
Дополнительным фактором является нормативное значение потерь электроэнергии в электрических сетях, подлежащее строгому нормированию в соответствии с Положением «Об организации в Министерстве промышленности и энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям». Для учёта этого ограничивающего фактора электросетевые компании должны рассчитывать величину складывающегося баланса по поступлению и полезному отпуску из сети электрической энергии для её последующей покупки на ОРЭМ с целью покрытия сверхнормативных потерь.
В связи с этим возникает проблема обработки и прогнозирования режимов работы электротехнического оборудования станций и подстанций энергосистем с учётом информации, записанной от устройств телемеханики (ТМ), а также данных о возможных ремонтных и аварийных режимах.
Данную проблему можно решить путём применения специализированного программного комплекса, существенным образом облегчающего ведение оптимального режима работы энергосистемы, прогнозирование развития аварийных ситуаций и анализ работы релейной защиты и системной автоматики. Наиболее важным элементом его является специализированная компьютерная программа, обеспечивающая автоматическое формирование математической модели локальной энергетической системы, динамически изменяющейся во времени и рассчитываемой в темпе процесса, на основании достоверной информации о характеристиках при анализе рассматриваемых энергообъектов.
Объект исследования. Объектом исследования являются электроэнергетические системы, работающие при номинальных классах напряжения 6-500 кВ, обеспечивающие генерацию, транспорт и распределение электроэнергии от источников питания к узлам нагрузки.
Предметом исследования являются теоретические и практические вопросы анализа и расчёта параметров, характеризующих режимы функционирования электроэнергетических систем, и разработка программного комплекса для решения этих задач.
Цель, методы и задачи исследования. Создание программного комплекса с графическим интерфейсом для расчёта и анализа электрических величин в электроэнергетических системах на основе разработанного программного обеспечения и получения с его помощью информации, необходимой для исследования установившихся, аварийных и послеаварийных режимов.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:
Разработка алгоритма анализа и расчёта электрических величин в трёхфазных электрических сетях для симметричных режимов и при несимметричных повреждениях.
Разработка методики, алгоритмов функционирования и программной реализации графического редактора для составления электрических схем переменного трёхфазного, однофазного и постоянного тока.
Создание универсального алгоритма преобразования графической части электротехнических схем в результирующую схему замещения энергосистемы, реализация алгоритма для метода симметричных составляющих при анализе несимметричных повреждений.
Разработка методики, алгоритмов контроля правильности начертания электроэнергетических схем и реализация методики и алгоритмов проверки корректности составленных расчётных электрических схем замещения.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность результатов работы обеспечивается применением законов и методов теории электрических цепей, математического анализа и моделирования, корректным использованием методов преобразования координат и двойной факторизации, а также совпадением результатов выполненных расчётов с тестовыми примерами и конкретными расчётами режимов электрических сетей.
Основные положения, выносимые на защиту.
Программный комплекс с графическим интерфейсом для исследования режимов электроэнергетических систем.
Результаты исследования режимов работы распределительных сетей и параллельной работы мини -ТЭЦ с энергосистемой.
Алгоритмы контроля правильности начертания электрических схем и допустимости введённых электрических параметров сети.
Научная новизна.
Разработанный программный комплекс отличается от существующих тем, что предложено автоматическое построение схем замещения электроэнергетических систем по их графическому изображению (схемам электрических соединений); применена двойная факторизация матриц для сокращения времени счёта и возможности увеличения размерности сети (числа узлов и ветвей); при анализе режимов энергосистем использованы универсальные алгоритмы визуализации графики сети на любых устройствах отображения информации.
Полученные результаты исследования конкретных энергетических систем включают в себя вычисления потокораспределения и потерь мощности, узловых напряжений и токов короткого замыкания во всех ветвях системы на базе универсального алгоритма преобразования графической части электротехнических схем в результирующую схему замещения энергосистемы для метода симметричных составляющих.
Предложенные алгоритмы включают в себя, в отличие от известных, перечень возможных ошибок при начертании схем электрических соединений, а также блоки выделения ошибочно воспроизведённых изображений и их визуализацию на экране.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что:
Разработанный программный комплекс позволяет ускорить расчёты нормальных и аварийных режимов работы электроэнергетических систем 6/10-500 кВ при принятых
допущениях и с приемлемой точностью.
Комплекс позволяет рассчитывать сети любой сложности.
Комплекс позволяет рассчитывать симметричные и несимметричные короткие замыкания, неполнофазные режимы работы электрической сети, быстро находить ошибки в начертании схем.
Примеры расчётов конкретных сетей использованы на предприятии ОСП «Чебоксарские электрические сети» ООО «Коммунальные технологии». Для того же предприятия выполнен энергоаудит с использованием разработанного программного комплекса.
Полученные с помощью разработанного программного комплекса параметры режима позволили адекватно оценить эффективность технических решений по развитию энергетических систем, исследованию и оптимизации режимов работы сети, разработке мероприятий по снижению потерь электроэнергии, а также проведению энергетических экспертиз и аудитов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на XX сессии семинара АН России "Кибернетика электрических систем" (Новочеркасск, 1999), Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань,
2001), излагались в «Трудах Академии электротехнических наук» Чувашской Республики (№4, 2003), «Вестнике Чувашского университета» (№2, 2006), VIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике» (Чебоксары, 2012).
Реализация результатов работы. Полученные результаты работы были использованы при создании комплекса программ, специализированных файлов данных и динамической библиотеки для расчёта установившихся симметричных и несимметричных режимов работы трёхфазных электрических систем.
Использовались при расчёте токов трёхфазного короткого замыкания на РП (ТП)
6-10 кВ и установившегося режима сети 6-10 кВ ОСП «Чебоксарские электрические сети» и ОСП «Новочебоксарские электрические сети» ООО «Коммунальные технологии» при проведении энергоаудита. Оценивались режимы работы электрической сети 6-110 кВ при планируемом подключении когенерационных станций в г. Чебоксары. Акты о внедрении прилагаются.
Публикации. Содержание работы нашло отражение в 10 опубликованных работах автора, из которых 8 наиболее значимые, в том числе 2 работы были опубликованы в рекомендованных ВАК научных сборниках.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы (94 наименования) и пяти приложений. Общий объём работы составляет 185 страниц, в том числе основного текста 134 страницы, 49 рисунков, 33 таблицы.
ОСНОВНОЕ содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, область применения, решаемые задачи, научная и практическая ценность работы. Кратко изложены основные вопросы, рассмотренные в диссертации.
В первой главе выполнен анализ состояния программного и методологического обеспечения для решения инженерно-технических задач в области расчета аварийных величин в электроэнергетических системах. Рассмотрены электрические величины в трёхфазных электрических сетях при нормальных и аварийных режимах, требуемые для решения следующих основных задач в электроэнергетике: проверка режимов работы энергосистем, проверка термической и динамической стойкости при выборе электротехнического оборудования при производстве проектных изысканий, выбор уставок для релейной защиты и автоматики, определение мест повреждения на линиях, расчёт потерь электрической энергии и их нормирование. Приведён анализ существующих программ, применяющихся в электроэнергетике для этих целей. Проанализированы основные характеристики расчётных программ, используемых в энергосистемах.
В I главе также сформулированы цели и круг решаемых задач для предлагаемого класса специализированного программного обеспечения.
Во второй главе рассмотрены вопросы построения схемы замещения электрической сети для расчёта электрических величин методом симметричных составляющих и фазных координат, а также математические методы решения поставленных задач. Разработаны алгоритмы расчёта электрических величин в сложных электроэнергетических системах, учитывающие слабую заполненность матриц. При расчёте нормальных и аварийных режимов в электрической сети методом узловых напряжений требуется составить матричное уравнение  , решив которое получим:
 , (1)
где U∆ -матрица-столбец искомых напряжений в узлах расчётной сети; Y-1-обратная матрица узловых проводимостей порядка nхn (n –число независимых узлов в схеме); J- матрица-столбец задающих токов в узлах расчётной сети.
Специфической особенностью матрицы узловых проводимостей Y является её слабая заполненность, так как количество ветвей не намного больше количества узлов. В табл. 1 приведено соотношение ветвей к узлам, а также общий процент ненулевых элементов в матрице узловых проводимостей Y реальных электрических сетей.
Таблица 1. Соотношение ветвей к узлам у реальных электрических сетей
№
|
Наименование сети
|
Число
ветвей, nв
|
Число
узлов, nу
|
Отношение
nв/nу
|
Заполнения
матрицы Y
|
1
|
Чувашская энергосистема (35-500 кВ)
|
1681
|
954
|
1,77
|
0,27%
|
2
|
ОСП «Новочебоксарские электрические сети» (10 кВ)
|
1854
|
980
|
1,89
|
0,28%
|
3
|
ОСП «Чебоксарские электрические сети» (6-10 кВ)
|
8290
|
3568
|
2,32
|
0,10%
|
Непосредственное обращение даже сильно разреженной матрицы Y приводит к получению полностью заполненной обратной матрице Y-1, что влечёт за собой значительное увеличение времени расчётного процесса. В связи с этим возникает необходимость в разработке и применении методов, позволяющих сохранить слабую заполненность матрицы в процессе решения уравнения (1). Оперирование только с ненулевыми элементами может существенно повысить эффективность расчётов.
Учёт слабой заполненности матрицы узловых проводимостей в работе осуществлён на базе метода двойной факторизации. Метод двойной факторизации объединяет в себе два метода: представление обратной матрицы в виде произведения матриц-сомножителей и разложение матриц в произведение треугольных матриц. В основе метода лежит определение 2n матриц-сомножителей  , произведение которых удовлетворяет соотношению:
 , (2)
где L -левые матрицы –сомножители; R -правые матрицы –сомножители; Y -матрица узловых проводимостей; N -единичная матрица порядка n.
Матрица узловых проводимостей симметрична и имеет отличные от нуля диагональные элементы. Это делает метод двойной факторизации особенно эффективным для расчётов режимов работы электроэнергетических систем.
Решение матричного уравнения (1) методом двойной факторизации можно записать в общем виде:
 , (3)
где L -левые матрицы –сомножители; R -правые матрицы –сомножители; J -матрица –вектор задающих токов в узлах.
Промежуточные матрицы R и L размерности n на k-ом шаге преобразования имеют вид:
  ,   ,
где  ,  ,  ;
 ,  ;
 , , .
При выполнении факторизации, для сведения к минимуму появления новых ненулевых элементов, разработан метод упорядочения по наименьшему числу присоединённых ветвей. Последовательность исключения переменных (узлов) определяется в данном методе по исходной электрической схеме сети. Первыми исключаются узлы, связанные с наименьшим количеством ветвей, затем узлы с меньшим количеством связей и т. д. по нисходящей.
Для выполнения расчётов на ЭВМ методом двойной факторизации разработаны процедуры, хранящиеся во внешней, динамически подключаемой библиотеке (DLL). Для экспорта во внешнюю расчётную оболочку предназначено пять процедур. Название и функциональное назначение процедур следующее:
SSCheckDLL -проверка версии библиотеки (DLL) на возможность работы с текущей версией программного комплекса;
SSGetMaxUzl -запрос максимального числа узлов электрической схемы, с которым могут работать процедуры библиотеки;
SSGetMaxVet -запрос максимального числа ветвей электрической схемы, с которым могут работать процедуры библиотеки;
SSCheckShm -проверка связанности и электрических параметров расчётной схемы замещения;
SSRasch -процедура, реализующая метод двойной факторизации.
Главной расчётной подпрограммой библиотеки является процедура SSRasch, реализующая метод двойной факторизации. Она состоит из семи локальных (не экспортируемых) процедур. Название и функциональное назначение локальных процедур следующее:
InitArr -создание и инициализация рабочих массивов в памяти ЭВМ;
RenumbUzl -перенумерация узлов сети с учётом кодировки схем замещения прямой, обратной и нулевой последовательностей для выполнения расчётов методом двойной факторизации;
BildParallel -согласование параллельных ветвей в комплексной схеме замещения;
WrtConnectArr –выделение, хранение только ненулевых элементов матрицы Y;
OrdExeptVal -определение порядка исключения переменных;
DblFactor -выполнение процесса двойной факторизации, определение ненулевых элементов матриц сомножителей  и  ;
FactorBack -осуществление обратного хода факторизации.
Структура входных и выходных данных процедур позволяет рассчитывать режимы работы до 255 электрически изолированных энергосистем, находящихся на одной схеме графического редактора (чертеже). Блок-схема экспортируемой из DLL процедуры, реализующей метод двойной факторизации, приведена на рис. 1.
Сравнительный расчёт напряжений в узлах по методу двойной факторизации, согласно формуле (3) и решение матричного уравнения (1) при прямом обращении матрицы узловых проводимостей Y проводился на компьютере с процессором Pentium®IV 2,4ГГц, RAM 1024Мб, под управлением операционной системы Windows®2000 SP4. Как видно из результатов теста, приведенного в табл.2, расчёт электрических величин в энергетических системах, содержащих более 500 узлов, прямым обращением матрицы Y требует значительного времени счёта. Для наглядности результаты времени счёта методом прямого обращения матрицы Y и с применением метода двойной факторизации приведены на рис. 2.
Рис. 1. Блок-схема процедуры, реализующей метод двойной факторизации
Таблица 2. Время обращения матрицы Y по методу двойной факторизации и прямого обращения
Число узлов
|
150
|
300
|
500
|
750
|
1000
|
1500
|
2000
|
3000
|
10000
|
Число ветвей
|
225
|
450
|
750
|
1125
|
1500
|
2250
|
3000
|
4500
|
15000
|
Метод прямого обращения, с
|
0,2
|
1,2
|
4,8
|
14
|
34,8
|
112,1
|
260,8
|
943,1
|
34070
|
Метод двойной факторизации, с
|
0
|
0
|
0
|
0,1
|
0,1
|
0,2
|
0,4
|
0,9
|
8,5
|
Рис. 2. Время расчёта электрических величин двумя методами
Таким образом, используя метод двойной факторизации, появляется возможность выполнять расчёты нормальных, аварийных и послеаварийных режимов работы энергосистем в темпе процесса, что позволяет принимать выверенные и обоснованные на расчётах управляющие воздействия.
Кроме того, метод двойной факторизации является привлекательным для выполнения вычислений на сетевых промышленных контроллерах управления и ведения режимов «умных сетей» (SMART GRID), объединяющих в себе распределённую генерацию малой мощности, такую, как газопоршневые установки, ветрогенераторы, солнечные батареи и потребителей электрической энергии.
Также рассмотрены возможности применения преобразования Крона для расчёта электрических величин при сложных повреждениях в электроэнергетических системах. |
