Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Общие вопросы создания программного обеспечения для расчета электрических режимов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 12
1.1 Актуальность разработки информационно-программного комплекса по моделированию режимов системы электроснабжения и противоаварийной автоматики 12
1.2 Особенности разработки программного комплекса по моделированию режимов систем электроснабжения 19
1.3 Характеристика состава потребителей узлов нагрузки нефтехимических производств 21
1.4 Выводы по главе 1 23
ГЛАВА 2. Разработка методики расчета режимов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 25
2.1 Постановка задачи расчета стационарных и квазистационарных режимов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 25
2.2 Анализ методов расчета стационарных и квазистационарных режимов 29
2.3 Метод узловых напряжений на основе топологических матриц 31
2.4 Разработка методики расчета стационарных и квазистационарных режимов систем электроснабжения 33
2.4.1 Выбор и обоснование математических моделей структурных элементов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 38
2.4.2 Алгоритмы приведения параметров структурных элементов систем электроснабжения 41
2.4.3 Эквивалентирование при расчетах режимов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 65
2.5 Выводы по главе 2 72
ГЛАВА 3. Автоматизация расчета параметров основных видов релейной защиты, используемых в системах электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 74
3.1 Требования, предъявляемые к основным видам токовых релейных защит, используемых в системах противоаварийной автоматики на предприятиях нефтеперерабатывающего комплекса 74
3.2 Разработка алгоритма селективности действия трёхступенчатой токовой релейной защиты 82
3.3 Задачи анализа при расчете режимов функционирования систем электроснабжения 85
3.4 Разработка алгоритма анализа и выбора режимов функционирования систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий в концепции построения единого ПТК АСКУЭ и ПА 93
3.5 Анализ методов выбора и моделирования отказов 101
3.6 Выводы по главе 3 105
ГЛАВА 4. Практическая реализация программного комплекса по моделированию систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий. анализ системы электроснабжения ООО «ЛУКОЙЛ-пермнефтеоргсинтез» 107
4.1 Особенности реализации программного комплекса по моделированию систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий 107
4.2 Выбор и проверка электротехнического оборудования 113
4.3 Моделирование режимов короткого замыкания 114
4.4 Расчет параметров релейной защиты 116
4.5 Характеристика системы электроснабжения предприятия ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» 118
4.6 Анализ режимов работы системы электроснабжения ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» 122
4.7 Выводы по главе 4 124
Заключение 126
Библиографический список 128
Приложение 147
- Актуальность разработки информационно-программного комплекса по моделированию режимов системы электроснабжения и противоаварийной автоматики
- Постановка задачи расчета стационарных и квазистационарных режимов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий
- Разработка алгоритма селективности действия трёхступенчатой токовой релейной защиты
- Особенности реализации программного комплекса по моделированию систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий
Введение к работе
Промышленное предприятие - это сложная динамически развивающаяся система. От состояния электрических сетей, качественного и надежного снабжения электрической энергией во многом зависит стабильная и бесперебойная его работа. В сети любого промышленного предприятия часто происходят изменения состава электрооборудования, конфигурации схем электроснабжения, изменяются также и внешние характеристики энергосистемы. Каждое такое изменение в системе электроснабжения (ЭС) предприятия ведет к изменениям токов и напряжений и, в зависимости от изменяющейся мощности, к перераспределению подводимой электрической энергии. Поэтому такие изменения должны заранее сопровождаться подтверждением правильности выбора типов электрооборудования, уставок релейной защиты и устройств автоматики, конфигурации сети и т. п.
Данные расчеты достаточно трудоемки и ответственны, особенно, если учесть, что система электроснабжения рассматривается как сложный объект кибернетического типа, все элементы которого участвуют в едином производственном процессе, основной специфической особенностью которого является быстротечность явлений. Нужно учесть также зачастую невысокое качество поставляемой электроэнергии, оказывающее серьезное влияние на работу устройств противоаварийной автоматики (ПА). Однако в ряде промышленных отраслей (например, нефте- и газопереработка) внедряемые передовые технологии не допускают даже кратковременной потери питания.
При так называемых «ручных» расчетах требуются большие затраты рабочего времени высококвалифицированного персонала, при этом велика вероятность ошибки. Как правило, отчетные документы по проведенным расчетам не удовлетворяют требованиям наглядности и удобства пользования. При этом малейшие изменения в схеме электроснабжения приводят к необходимости проведения расчетов заново.
В настоящее время наиболее популярным и универсальным средством исследования поведения электроэнергетической системы являются электронно-вычислительные машины (ЭВМ). Однако, предлагаемые на отечественном рынке программные продукты {ELSO, SAD, «РИТМ», «Диана» и др.) не в должной мере отвечают современным требованиям в части полноты охвата по тематическим разделам расчетов, поскольку позволяют автоматизировать лишь отдельные этапы (разделы) проектирования и расчета электрооборудования предприятий и, зачастую, не учитывают целый ряд задач, возникающих при моделировании режимов работы систем электроснабжения предприятий и, прежде всего, процессы управления противоаварийной автоматикой (ПА), возникающие в моменты штатных и нештатных переключений.
В силу указанных причин актуальной является задача разработки специализированного информационно-программного комплекса по моделированию режимов работы систем электроснабжения, который позволит комплексно, расчетными методами проверять возможность применения технических решений по формированию сети на этапах сравнения вариантов в процессе проектирования и в изменяющихся условиях эксплуатации систем ЭС нефтеперерабатывающего комплекса.
Алгоритм моделирования электрического режима, положенный в основу программного обеспечения, должен учитывать целый ряд факторов, обычно не принимаемых во внимание в типовых программах расчета и анализа режимов электрических систем и систем ЭС. В частности, необходимо предусмотреть возможность оперативного изменения пользователем структурной топологии системы, автоматический расчет параметров ПА для многовариантных задач, учет алгоритмов селективности защит. Информационно-программный комплекс должен входить составной частью в автоматизированную систему управления (АСУ) технологическим процессом и иметь связи с более высокими уровнями иерархии автоматизированной системы контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) и ПА.
6 Качественная прогностическая оценка использования разработанного комплекса включает: повышение надежности работы системы ЭС на основе стратегии построения толерантных систем. Построение системы в тенденции минимизации риска отключения в экстремальной ситуации резко снижает вероятность отключений, форсирующих экстремальную ситуацию; повышение технико-экономических показателей системы ЭС за счет нахождения оптимального варианта системы с минимальными расчетными затратами. Это становится возможным благодаря резкому возрастанию количества рассматриваемых вариантов и благодаря применению методов математического программирования; резкое снижение зависимости качества принимаемых решений по настройке системы от квалификации персонала (автономизация системы); точная архивация принятых решений и создание оперативно-информационного поля, обеспечивающего контроль технической и организационной ответственности; уменьшение рисков, связанных с потерей информации; уменьшение вероятности возникновения нештатных ситуаций; уменьшение потерь электроэнергии, связанных с нештатными ситуациями за счет оптимизации управления; увеличение ресурса электрооборудования и кабельных сетей за счет снижения вероятности возникновения экстремальных ситуаций.
Таким образом, целью диссертационной работы является автоматизация выбора режимов функционирования систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий на основе универсальной обобщенной модели системы электроснабжения в форме матриц инциденций, проводимостей и электродвижущих сил (ЭДС).
Для достижения сформулированной цели ставятся и решаются следующие научные задачи: разработать методику и алгоритмы оперативного расчета стационарных и квазистационарных режимов систем ЭС; сформировать базу типовых математических моделей элементов системы ЭС, характерных для нефтеперерабатывающих предприятий, используемую при автоматизированном формировании математического описания электротехнических систем сложной структуры; разработать структуру и алгоритмы гибкого информационно-программного комплекса моделирования систем ЭС нефтеперерабатывающих предприятий, совместимого с АСУ производствами, позволяющего анализировать состояние их элементов и значения параметров режимов функционирования при оперативном управлении и в задачах проектирования.
Методы исследования. В работе над диссертацией использовались фундаментальные и специальные теории: основ электротехники, электроснабжения, релейной защиты, моделирования, численных методов, матриц. Разработка программного обеспечения проводилась с использованием интегрированного программно-инструментального пакета создания WINDOWS-приложений Inprise Borland Delphi. Достоверность полученных при моделировании результатов достигается использованием обоснованных математических моделей структурных элементов электроэнергетической системы, а также корректностью последующих аналитических преобразований без дополнительных допущений.
Научная новизна диссертационной работы заключается в формировании нового подхода к анализу и управлению режимами систем ЭС, основанного на обобщенной формализации уравнений узловых напряжений в виде матриц инциденций, проводимостей и ЭДС, представляющей оригинальную агрегированную модель электроэнергетической системы.
Практическая ценность работы определяется следующим: разработано программное обеспечение, обеспечивающее повышение эффективности и выбор наилучшей структуры электрической сети и состава оборудования в зависимости от ожидаемых режимов работы. Для действующих предприятий обеспечивается анализ режимов с целью оптимизации энергопотребления. Кроме того, программный комплекс позволяет рассчитывать параметры системы электроснабжения при номинальном режиме и режимах короткого замыкания с учетом и без учета двигательной нагрузки, оценивать возможности пуска (самозапуска) двигателей, проверять правильность используемого электрооборудования, в т. ч. по термической и динамической устойчивости, определять параметры основных защит, выбирать сечения переносных заземлений; разработана система информационной поддержки пользователя на основе применения справочной базы данных электротехнического оборудования, содержащей параметры и характеристики основных типономиналов элементов системы ЭС нефтеперерабатывающего комплекса; программный комплекс используется также как тренажер для диспетчерского персонала Управления Главного Энергетика (УГЭ) на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез»; выполнено исследование режимов работы системы ЭС ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» с автоматическим расчетом параметров и уставок ПА; разработанная программная среда рассматривается как составная часть единого программно-технического комплекса АСКУЭ и ПА.
На защиту выносятся следующие основные положения: - методика и алгоритмы оперативного расчета стационарных и квазистационарных режимов систем ЭС; база типовых математических моделей элементов системы ЭС, характерных для нефтеперерабатывающих предприятий, используемая при автоматизированном формировании математического описания электротехнических систем сложной структуры; структура и алгоритмы гибкого информационно-программного комплекса моделирования систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий, совместимого с АСУ производствами, позволяющего анализировать состояние их элементов и значения параметров режимов функционирования при оперативном управлении и в задачах проектирования.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на областной научной конференции молодых учёных и аспирантов «Молодёжная наука Прикамья-2000» (Пермь, 2000), на научно-технической конференции Электротехнического факультета ПГТУ (Пермь, 2000), на IV-й и V-й Международных научно-практических конференциях «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы, решения» (Пермь, 2001, 2002), на Всероссийской конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2001), на Всероссийской научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» (Екатеринбург, 2001), на региональной научной конференции аспирантов и молодых ученых «НАУКА. ТЕХНИКА. ИННОВАЦИИ» (Новосибирск, 2002).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 12 печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложение, изложенные на 168 страницах. Содержит 26 рисунков, 2 таблицы. Библиографический список включает 198 наименований.
Внедрение результатов.
Результаты проведенных исследований по разработке методики моделирования экстремальных режимов систем ЭС нефтеперерабатывающего комплекса и разработанный на ее основе программный комплекс «Энергетика» приняты к реализации на предприятии ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Составляющими экономического эффекта от внедрения являются 2 уровня:
1) Образующая составляющая - связана с повышением надежности силового оборудования и зависящего от него технологического оборудования.
Единицей измерения данной составляющей эффекта следует считать миллионы рублей, количественная оценка возможна на основе статистики моделирования реальных нештатных ситуаций на предприятии.
2) Вторая составляющая относится к повышению эффективности инженерного труда; по экспертным оценкам достигает 1 200 000 руб. в год.
Разработанный программный комплекс «Энергетика» используется Научно-образовательным центром энергоснабжения (НОЦЭС) при ПГТУ при расчетах номинальных параметров и потерь электрической мощности в системах электроснабжения исследуемых НОЦЭС объектов.
Кроме того, разработанное методическое и программное обеспечения используются в учебном процессе кафедры Микропроцессорных средств автоматизации Электротехнического факультета ПГТУ при проведении лабораторных работ по дисциплинам: ^«Проектирование систем управления» (набор и редактирование схем электроснабжения промышленных предприятий, расчет оптимальности режима, расчет уставок релейной защиты для нештатных режимов);
2) «Основы электроэнергетики промышленного производства» (расчет параметров системы электроснабжения при номинальном режиме и режимах короткого замыкания с учетом и без учета двигательной нагрузки; оценка
11 возможности пуска (самозапуска) двигателей; проверка правильности используемого электрооборудования).
Актуальность разработки информационно-программного комплекса по моделированию режимов системы электроснабжения и противоаварийной автоматики
К особенностям, присущим электроэнергетическим объектам, в первую очередь следует отнести значительную сложность большинства из них, которая представляется в многоэлементности и иерархичности структуры, обилии степеней свободы, разнообразии параметров, характеризующих состояние объекта [1, 68]. Наличие у электроэнергетических объектов указанных признаков позволяет причислить их к объектам кибернетического типа [17, 21]. В связи с этим задачи, которые необходимо решать при эксплуатации существующих, а также при вводе в эксплуатацию новых элементов, оказываются весьма сложными. Решение таких задач на интуитивном уровне недопустимо, поскольку неоптимальные решения могут наносить значительный экономический, технический и социальный ущерб [17, 63, 68, 142].
Принятие оптимальных решений возможно только при наличии достаточно полной информации о свойствах объекта, получаемой путем всестороннего его анализа. Проведение такого анализа с помощью прямого экспериментирования в энергосистемах практически полностью исключено [1, 4]. Объясняется это повышенными требованиями, предъявляемыми к надежности функционирования электроэнергетических объектов и системы электроснабжения в целом, поскольку их повреждения могут явиться причиной недопустимого перерыва в электроснабжении потребителей [3, 85, 91, 108, 109, 112,158,159].
Изучение свойств сложных электроэнергетических объектов возможно либо с помощью регистрации процессов, протекающих самопроизвольно в ходе эксплуатации действующих объектов, либо с помощью имитационных моделей, на которых расчетным путем моделируются различные процессы, возникающие в электроэнергетических объектах [7, 17, 21]. Очевидно, что первый путь не всегда бывает удовлетворительным, а в ряде случаев, например, при создании нового, уникального, объекта, он полностью исключен. В связи с этим второй путь исследования электроэнергетических объектов, состоящий в изучении свойств имитационных моделей, является наиболее перспективным, а подчас и единственно возможным [21, 68, 162, 167, 170].
Создание имитационных моделей - это сложный и, как правило, длительный творческий процесс [68], требующий от разработчика высокой квалификации в различных областях науки и техники. В частности, разработчик должен обладать знаниями, позволяющими получить математическое описание процессов, протекающих в исследуемых объектах, и, применяя современные вычислительные средства, организовать решение уравнений, входящих в это описание. По этой причине разработкой имитационных моделей электроэнергетических объектов занимаются наиболее квалифицированные исследователи, которые вынуждены надолго отвлекаться от решения текущих электротехнических проблем, что приводит к снижению эффективности, удорожанию исследований и увеличению сроков их выполнения [68].
Мощным средством повышения эффективности научных исследований является их автоматизация, достигаемая созданием универсальных имитационных моделей, способных путем изменения сравнительно небольшого объема простейшей входной информации настраиваться на моделирование конкретных электроэнергетических объектов в широком классе [3]. Известны разработки, ориентированные на анализ электроэнергетических объектов с помощью ЭВМ [5, 11, 24, 30, 42, 44, 46, 49, 53, 56, 59, 64, 68, 70, 71, 72, 73, 81, 83, 86, 88, 94, 95, 97, 98, 99, 106, 117, 129, 137, 144, 146, 151, 156, 160, 163, 164, 165, 166, 169, 173, 174, 175, 176, 177, 180, 181]. Однако они не решают в полной мере проблему автоматизации исследования. Анализ пакетов прикладных программ, представленных на отечественном рынке, показал, что существующие прикладные программы, в силу заложенных в них типовых конфигураций систем электроснабжения промышленных предприятий, ограничены определенным набором расчетных процедур и минимальной типовой палитрой основных элементов систем электроснабжения. Полнофункциональное использование таких прикладных программ достаточно затруднено без соответствующей сертификации и адаптации к конкретному промышленному предприятию. Кроме того, можно говорить о том, что предлагаемые на отечественном рынке программные продукты (ELSO, SAD, разработки МЭИ, Самарского университета) не в должной мере отвечают современным требованиям в части полноты охвата по тематическим разделам расчетов, поскольку позволяют автоматизировать лишь отдельные этапы (разделы) проектирования и расчета электрооборудования предприятий и, зачастую, не учитывают целый ряд задач, возникающих при проектировании систем электроснабжения предприятий и, прежде всего, процессы, возникающие в моменты штатных и нештатных переключений. Например, распространенные программные продукты ELSO 2.0 и ELSO 3.0 (г. Москва) позволяют вести расчет электроосвещения, силового электрооборудования, низковольтных электросетей и надёжности систем электроснабжения, но ориентированы на проектирование систем ЭС [194]. В случае уточнения (замены) параметров любого элемента системы необходимо снова пройти процедуру проектирования системы. Другие программные продукты (например, SAD (г. Самара)) ориентированы на составление схем электроснабжения, имеют графическую поддержку с популярной системой проектирования AUTOCAD, позволяют рассчитывать номинальные режимы, но не имеют модулей для расчета параметров нештатных ситуаций [194]. В программном комплексе «РИТМ» (г. С-Петербург) реализованы алгоритмы, позволяющие рассчитать динамические переходные процессы в системе электроснабжения, но, к сожалению, нет расчета уставок релейной защиты и построения карты селективности [68, 91]. Разработки МЭИ (программные продукты GUxxx) представляют собой набор программ, ориентированных на расчет отдельных разделов анализа электросистемы (программа расчета токов короткого замыкания, программа построения карты селективности и др.), но не дают целостной картины процессов, происходящих в системе [194]. Заложенные в программах типовые решения затрудняют оперативные изменения в составе и конфигурации системы электроснабжения. Для использования пакета МАЭС требуется предварительная разработка управляющей программы [68], комплекс РВП-1 имеет существенные ограничения на класс допустимых схем исследуемых объектов [68], а предложения, содержащиеся в работе [29] приводят к усложнению расчетной схемы объекта при учете коммутирующих элементов. В программе МАРС-СТ неудовлетворительно решаются некорректные задачи, обусловленные введением в схему идеальных ключей. Аналогичные зарубежные разработки, например [153, 171], недоступны для использования. Следовательно, создание универсальной имитационной модели, предназначенной для анализа с помощью ЭВМ широкого класса электроэнергетических объектов, является актуальным [182]. Кроме того, в электрической сети предприятия происходят изменения состава электрооборудования, конфигурации схем электроснабжения, вызванные нештатными (аварийными) режимами работы системы электроснабжения; изменяются также и характеристики внешней энергосистемы [194].
Постановка задачи расчета стационарных и квазистационарных режимов систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий
Во второй главе последовательно рассматриваются следующие вопросы. Ставится задача расчета стационарных и квазистационарных режимов систем ЭС нефтеперерабатывающих предприятий, рассматриваются методы расчета. Предлагается решение задачи на основе решения УУН. Разрабатывается методика расчета стационарных и квазистационарных режимов систем ЭС на основе УУН. Формируется база математических моделей структурных элементов системы ЭС. Рассматриваются вопросы эквивалентирования при составлении схем замещения систем ЭС.
Расчеты стационарных и квазистационарных режимов имеют как самостоятельное значение, так и являются составной частью более сложных видов расчетов, таких как оптимизация нормальных режимов, анализ устойчивости, оценка надежности и т. д. [18, 51, 65, 130]. Расчеты установившихся режимов базируются на решении уравнений, сформулированных на основе одного из двух методов, вытекающих из закона Кирхгофа, - метода узловых напряжений или метода контурных токов. Следует отметить, что решения уравнений установившегося режима (УУР) с помощью метода контурных токов не получили широкого распространения для расчетов установившихся режимов сложнозамкнутых электрических сетей ЭЭС из-за сложностей выбора независимых контуров, трудностей учета узлов с заданными Pt и /,- и решения контурных уравнений. Расчет установившегося режима, сводящийся к решению УУР, возможен методами, которые можно разделить на следующие две группы [1]: 1) поузловые методы, предусматривающие последовательное, друг за другом, итеративное решение УУР, относящихся к одному узлу. К числу поузловых методов относятся: метод простой итерации, метод Гаусса-Зейделя, методы поузлового решения линеаризованной по Ньютону системы УУР, градиентные методы. 2) системные методы, предусматривающие на каждой итерации одновременное решение УУР сразу для всех узлов; итерации при этом требуются для учета нелинейностей, вызванных заданием мощностей в узлах. К числу системных методов относятся: методы, использующие обращенную форму УУР, прямое решение УУР методом Гаусса с упорядоченным исключением неизвестных, метод Ньютона и его модификации. Указанные методы можно классифицировать также по скорости сходимости, надежности получения решения, требуемому объему оперативной памяти ЭВМ для расчета, гибкости и простоте алгоритма, универсальности [114]. Так, поузловые методы обладают меньшими потребностями в оперативной памяти, являются более гибкими, однако проигрывают, как правило, системным методам в надежности получения решения и универсальности. Вместе с тем в каждой группе методов есть наиболее применяемые на практике: среди поузловых таким является метод Гаусса-Зейделя, среди системных - метод Ньютона [23, 43, 68].
Рассмотрим более детально некоторые модификации УУН, широко применяемые в мире и в СНГ для выполнения оперативных расчетов допустимости электрических режимов, их оптимизации и надежности. Каждая из этих задач включает многовариантные расчеты, и удовлетворить достаточно жестким требованиям быстродействия и робастности метода расчета в рамках одной модели практически невозможно. Поэтому разработан класс моделей, используемых в зависимости от условий задачи:
Модель 1 - уравнения активного потокораспределения в функции узловых мощностей (метод коэффициентов потокораспределения) [74].
Модель 2 - уравнения активного потокораспределения в функции фазовых узловых напряжений (уравнения, идеализированные по постоянному току Р-8);
Модель 3 - комплексные УУН в форме баланса токов при задании нагрузки постоянной проводимостью;
Модель 4 - комплексные УУН в форме баланса мощностей в полярной системе координат с упрощениями, исключающими операции с тригонометрическими функциями и разделением итерационного процесса по активной и реактивной мощностям;
Модель 5 - комплексные УУН в форме баланса мощностей в прямоугольной системе координат при аппроксимации их полным рядом Тейлора (более устойчивая модель по сравнению с предыдущей при работе с неоднородной сетью низкого напряжения) [127, 155].
Две последние модели являются нелинейными с постоянной матрицей Якоби, которая может быть определена и факторизована вне итерационного процесса, что удобно для моделирования отказов, а при использовании оптимального шага обеспечивает хорошую сходимость, лучшую по сравнению с полным методом Ньютона, значительный выигрыш по памяти и скорости счета как в нормальных, так и в утяжеленных режимах [114].
Данный класс моделей охватывает практически весь спектр задач, связанных с анализом установившихся режимов при оценке надежности для различных уровней структурной иерархии электроэнергетической системы (ЭЭС) (распределительные сети низкого и высокого напряжений, сети объединенных энергосистем (ОЭС), межсистемные связи).
Предлагается решение задачи расчета стационарных и квазистационарных режимов систем ЭС на основе модели 3, с использованием топологических матриц. Линейная модель 3 представлена комплексными УУН в форме баланса токов при задании нагрузки постоянной проводимостью, а мощности генераторов - током: [G] [U] = [7].
Разработка алгоритма селективности действия трёхступенчатой токовой релейной защиты
При диспетчерском управлении решение задачи анализа возможных аварийных ситуаций, обеспечиваемого проверкой способности системы противостоять различным внезапным отказам оборудования, а также оценкой степени тяжести отдельных отказов и выделением из них наиболее значимых (для последующего более детального анализа), получило широкое распространение (особенно за рубежом) [61, 80, ПО, 120, 135, 143]. Оценка допустимости возможных послеаварииных режимов производится для определённого заранее перечня аварийных нарушений, - как правило, отключения одного-двух элементов контролируемой электрической сети. Эта функция может осуществляться автоматически при анализе аварийности планируемых режимов. При такой оценке критериями будут являться: - уровень напряжения в контролируемых точках сети, - устойчивость параллельной работы; - термическая стойкость элементов системы (в основном, ЛЭП и трансформаторов). Наиболее часто используется критерий термической стойкости, поскольку системы промышленного электроснабжения развитых зарубежных стран, как правило, работают со значительными запасами по устойчивости [82, 110, 116]. По результатам работы алгоритма выдаётся информация о наиболее тяжёлых возможных послеаварииных режимах, которые могут возникнуть после отключения ЛЭП, автотрансформаторов, генераторов. В некоторых случаях эта информация дополняется советами диспетчеру по восстановлению нормального режима или по изменению текущего режима, в результате чего предотвращается опасная перегрузка в возможном послеаварийном режиме. В электрической сети рассматриваются, например, следующие виды отказов [40, 89]: - одиночные отказы линий, трансформаторов и присоединений при нормальном срабатывании выключателей; - одиночные отказы линий, трансформаторов и присоединений с отказом срабатывания выключателей и соответствующим действием устройств резервирования отказа выключателей (УРОВ) (т. е. развитие отказа); - двойные отказы, обусловленные наложением отказа на отказ, и отказ на ремонт; - групповые или множественные отказы линий, проходящих по одной трассе. Необходимость рассмотрения отказов более высокой степени должна быть обоснована специальными исследованиями. При вычислении же показателей надёжности следует различать отключения элементов для капитального и профилактического ремонтов [33, 134]. По результатам анализа формируется список состояний для последующего моделирования системы электроснабжения в целом. Список включает: - группы выпадающих присоединений до некоторой вероятности появления; - потери секций шин; - потери всех присоединений. Вероятность отказа линии, обусловленная её непосредственным повреждением, корректируется с учётом вероятности её выпадения вследствие отказов оборудования распределительного устройства (РУ). Кроме того, в последующем цикле анализа список отказов в электрической сети дополняется списком групповых отказов в РУ, в том числе и с учётом выпадения генераторов. Такой подход позволяет учесть надёжность генерирующих узлов в общей оценке надёжности системы. Обычно интенсивность отказов коммутационной аппаратуры значительно меньше интенсивности собственных отказов линий, а оборудование РУ в меньшей степени подвержено влиянию погоды, поэтому в расчётах можно ограничиться рассмотрением только схем объектов, находящихся в ремонтных состояниях, т. е. ослабленных [40, 87]. Анализ отказов включает два важных обстоятельства [40]: 1) по результатам моделирования отказов оборудования РУ модифицируются показатели надёжности присоединений; 2) отказ линии даже при нормальном её отключении соответствующей защитой может привести к более сложной ситуации с выпадением других присоединений, разделением секций шин. Аналогичные проблемы возникают при действии противоаварийной автоматики на отключение генераторов электростанций через выключатели высшего напряжения в ремонтных схемах РУ, когда при неправильной настройке ПА могут выпадать дополнительные присоединения [39]. Существует ряд достаточно специфичных проблем, требующих глубокого изучения в задаче комплексного анализа режимов функционирования системы электроснабжения: проблемы анализа каскадных и (или) зависимых отказов, проблема формирования стратегии восстановления [54, 90]. Изучение этих задач требует детального представления и моделирования логики действия и отказов защит и противоаварийной автоматики. Например, необходимо распознавание следующих условий и правил [62]: - способны ли линии, отключенные с одного конца, оставаться в работе; - локализуется ли повреждённое оборудование отключением всех смежных выключателей или только выключателей, по которым протекает ток короткого замыкания к месту повреждения; - возможно ли воздействие на секционные и шиносоединительные выключатели. В более сложном случае при комплексном анализе режимов функционирования системы ЭС необходимо рассматривать отказы основных защит и защит ближнего резервирования, моделирую логику действия зашит дальнего резервирования, защищающих присоединения, смежных с повреждённым [119].
Особенности реализации программного комплекса по моделированию систем электроснабжения нефтеперерабатывающих предприятий
При помощи разработанного программного комплекса «Энергетика» были промоделированы режимы функционирования системы ЭС ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Это позволило рассчитать параметры системы ЭС при номинальном и экстремальном режимах с учетом и без учета двигательной нагрузки; определить уставки ПА; проверить правильность используемого электрооборудования по термической и динамической устойчивости.
На основе полученной с помощью ПК информации инженерно-технический персонал Управления Главного энергетика предприятия может оценить правильность принятия технических решений по установке нового (замене, модернизации) электротехнического оборудования, изменений топологии схем ЭС, вывода в ремонт (резерв) РУ с автоматическим расчетом параметров и уставок ПА. Пример расчета экстремальной ситуации приведен в Приложении 2. Достоверность результатов, полученных на основе разработанных методик и алгоритмов, подтверждается путем сравнения с рабочей документацией на общие данные, расчеты и схемы электрических соединений подстанций системы ЭС ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез». Например, для ЦРП-6 был произведен расчет токов КЗ при помощи разработанной методики на основе УУН (табл. 4.6.1). Полученные значения были сравнены с данными, представленными в рабочей документации на Общие данные, расчеты, схемы электрических соединений ЦРП-6 [126]. Относительная погрешность, 8 оценивалась по формуле [114]: где х - полученное значение, X — значение, приведенное з рабочей документации. Небольшая погрешность (1,15-2,92%) позволяет говорить об удовлетворительном уровне достоверности полученных результатов (ГОСТ 27514-87 допускает использовать методы расчета токов КЗ, если их погрешность не превышает 5-10 % [36]). 4.7 Выводы по главе 4 1) Разработаны алгоритмы и принцип действия диалоговой среды для набора и редактирования схем электроснабжения и расчета параметров для различных режимов функционирования систем ЭС - т.н. «конструктора схем, автоматически проверяющего правильность соединения элементов и формирующего математическую модель системы в виде матриц инциденций, проводимостей и ЭДС; 2) Для действующих предприятий обеспечивается анализ режимов с целью оптимизации энергопотребления; 3) Кроме того, программный комплекс позволяет рассчитывать параметры системы электроснабжения при номинальном режиме и режимах короткого замыкания с учетом и без учета двигательной нагрузки, оценивать возможности пуска (самозапуска) двигателей, проверять правильность используемого электрооборудования, в т. ч. по термической и динамической устойчивости, определять параметры основных защит, выбирать сечения переносных заземлений; 4) Разработана система информационной поддержки пользователя на основе применения справочной базы данных электротехнического оборудования, содержащей параметры и характеристики основных типономиналов элементов системы ЭС; 5) Программный комплекс используется также как тренажер для диспетчерского персонала Управления Главного Энергетика (УГЭ) на предприятии ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез»; 6) Выполнено исследование режимов работы системы электроснабжения ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» с автоматическим расчетом параметров и уставок ПА; 7) Достоверность полученных при моделировании режимов работы ЦРП-6 ООО «ЛУКОИЛ-Пермнефтеоргсинтез» подтверждается сравнением с рабочей документацией на общие данные, расчеты и схемы электрических соединений подстанций систем ЭС предприятия; 8) Разработанная программная среда рассматривается как составная часть единого программно-технического комплекса АСКУЭ и ПА. Данная диссертационная работа посвящена решению актуальной научно-технической задачи - созданию эффективной универсальной имитационной модели, предназначенной для автоматизированного формирования уравнений состояний широкого класса электроэнергетических объектов, необходимых при решении большинства задач анализа и последующего управления. В процессе научно-исследовательской работы решены все поставленные задачи. Конкретные выводы сделаны по главам, здесь подведем общие итоги. По результатам работы можно заключить следующее: - предложено решение задачи моделирования стационарных и квазистационарных режимов систем ЭС на основе решения УУН; - разработана принципиально новая методика решения УУН, позволяющая выполнять расчеты как штатных, так и аварийных режимов функционирования систем ЭС; - разработана база математических моделей элементов системы электроснабжения, полученных на основе предложенной методики. База включает в себя модели электрических машин (асинхронный двигатель, синхронный двигатель), трансформаторов (двух- и трехобмоточный трансформатор с устройством РПН, автотрансформатор, автотрансформатор с третичной обмоткой), реакторов, линий электропередачи, шинопроводов, коммутационной аппаратуры (высоко- и низковольтной), нагрузки (с учетом статических характеристик) и др.; - разработан алгоритм селективности основных видов защит систем ЭС нефтеперерабатывающих предприятий; - разработаны алгоритмы и принцип действия диалоговой среды для набора и редактирования схем электроснабжения и расчета параметров для различных режимов функционирования систем ЭС - т.н. «конструктора» схем, автоматически проверяющего правильность соединения элементов и формирующего математическую модель системы в виде матриц инциденций, проводимостей и ЭДС; - предложен подход к созданию единого ПТК АСКУЭ )- ПА с использованием полученных при моделировании результатов.
