Введение к работе
Актуальность темы. Релейная защита является важнейшим видом противоаварийной автоматики электроэнергетических систем (ЭЭС). Опыт разработки, проектирования и эксплуатации устройств релейной защиты (УРЗ) показал, что существенное влияние на функционирование УРЗ многих электроэнергетических объектов (ЭЭО) могут оказывать электромагнитные переходные процессы, возникающие при коротких замыканиях (КЗ) и других нарушениях нормального режима. К таким УРЗ относятся, в частности, быстродействующие защиты линий электропередачи сверхвысокого напряжения, дифференциальные защиты шин, генераторов, трансформаторов и электродвигателей большой мощности, защиты от однофазных замыканий на землю (033) электрических сетей, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостных токов, и др. В России и некоторых других странах получили применение также УРЗ, основанные на использовании в качестве информационных величин токов и напряжений электромагнитных переходных процессов, возникающих при КЗ илиОЗЗ.
В связи со сложностью переходных и установившихся электромагнитных процессов в ЭЭС основным методом их анализа при решении задач, связанных с разработкой, исследованием и проектированием УРЗ является математическое моделирование на ЭВМ. Поэтому работы и исследования по развитию методов и инструментальных средств моделирования на ЭВМ переходных и установившихся электромагнитных процессов в ЭЭС для решения указанных задач актуальны.
Исследованиям по созданию и применению средств математического моделирования для решения задач разработки и проектирования УРЗ много внимания уделяли ведущие научно-исследовательские институты, проектные организации и вузы России и других государств СНГ. В настоящее время в различных организациях и вузах разработаны и применяются при исследованиях и проектировании УРЗ пакеты программ для расчета на ЭВМ переходных и установившихся электромагнитных процессов в ЭЭС, программы моделирования отдельных функциональных узлов и устройств защиты и автоматики. Однако создать достаточно эффективную комплексную систему моделирования для решения названных выше задач пока не удалось.
Работа выполнена в Ивановском государственном энергетическом университете (ИГЭУ). Ее отдельные разделы выполнялись в рамках межвузовской научно-технической программы 1.13 "Автоматизация проектирования" (1991- 1995 г.г.), а также по договорам с предприятиям ряда энергосистем России.
Применение методов математического моделирования на ЭВМ наиболее эффективно при решении следующих задач, возникающих на различных этапах разработки и проектирования УРЗ:
анализ электромагнитных переходных и установившихся процессов в ЭЭС с целью выбора принципов функционирования, структурной и схемо-технической оптимизации УРЗ, определения параметров срабатывания и оценки эффективности их функционирования;
анализ электромагнитных переходных и установившихся процессов в цепях первичных преобразователей тока и напряжения, вторичных цепях и измерительной части УРЗ;
анализ электромагнитных переходных и установившихся процессов в системе "ЭЭО - УРЗ".
Цель работы состоит в развитии методов, разработке математического обеспечения и программных средств автоматизированного моделирования переходных и установившихся электромагнитных процессов в ЭЭС для решения указанных задач.
Для реализации указанной цели в работе решены следующие конкретные задачи:
разработан метод моделирования электромагнитных переходных процессов в трехфазных электрических цепях, содержащих коммутационные элементы, основанный на декомпозиции сложной электрической сети до уровня макроблоков с одним питающим элементом и использовании непрерывно-дискретных математических моделей составляющих макроблок элементов;
разработаны принципы построения, структура, основное математическое и программное обеспечение системы имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС для решения задач разработки, исследования и проектирования УРЗ;
разработаны принципы построения, структура, основное математическое и программное обеспечение подсистемы моделирования установившихся электромагнитных процессов в ЭЭС и процессов функционирования УРЗ при повреждениях и ненормальных режимах;
проведены испытания разработанных систем моделирования на модельных задачах, при решении ряда реальных исследовательских задач, в учебном процессе подготовки специалистов по автоматическому управлению ЭЭС в ИГЭУ, а также апробация на ряде энергопредприятий и в проектных организациях.
Основные методы научных исследований. Для решения задач диссертационной работы использовались методы теории электрических цепей, переходных процессов в ЭЭС, матричной алгебры, дифференциальных уравнений, математического моделирования и автоматизированного проектирования.
Научная новизна работы заключается в следующих основных положениях:
-
Разработан метод моделирования электромагнитных переходных процессов, основанный на использовании непрерывно-дискретных дифференциальных уравнений состояния элементов ЭЭС в фазных составляющих.
-
Разработаны методика получения и получены непрерывно-дискретные линейные модели основных элементов ЭЭС (генератора, системы, линии, трансформаторов с различными схемами соединения обмоток и режимом заземления нейтрали, электродвигателя и др.).
-
Разработан алгоритм формирования непрерывно-дискретной модели макроблоков и исследуемого ЭЭО в целом по непрерывно-дискретным уравнениям состояния составляющих их элементов.
-
Разработаны математические модели элементов ЭЭС и алгоритмы моделирования установившихся электромагнитных процессов ЭЭС и процессов функционирования УРЗА при КЗ и сложных несим-метриях в фазных составляющих.
. 5. На основе указанных в п. 1-4 методов, моделей и алгоритмов разработаны структура и принципы построения систем моделирования переходных и установившихся электромагнитных процессов при КЗ и сложных несимметриях для решения задач разработки и проектирования релейной защиты ЭЭС. Практическая ценность работы:
-
Разработанные принципы построения систем моделирования для целей релейной защиты реализованы в виде системы имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС (МЭП.РЗ), подсистемы моделирования установившихся электромагнитных процессов и программного комплекса моделирования режимов самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций и систем электроснабжения промпредприятий (SAMOZAP).
-
Разработанная система имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС МЭП.РЗ может быть использована в научно-исследовательских и проектных организациях при решении задач разработки и проектирования УРЗ, ряда других задач, связанных с исследованиями переходных процесов в электрических системах (например, для исследования перенапряжений в электрических сетях при КЗ и коммутациях и др.).
-
Разработанный программный комплекс моделирования режимов самозапуска электродвигателей SAMOZAP может быть рекомендован для применения на электростанциях, в службах релейной защиты и автоматикии (РЗА) АО-энерго, в проектных организациях, в системах электроснабжения промпредприятий.
-
На базе разработанных систем моделирования электромагнитных процессов в ЭЭС могут быть созданы компьютерные обучающие
системы и тренажеры для подготовки и повышения квалификации специалистов-электроэнергетиков.
Достоверность и обоснованность полученных результатов в части моделей, методов, алгоритмов и программ моделирования переходных и установившихся электромагнитных процессов в ЭЭС подтверждается результатами проверки расчетов, выполненных с использованием разработанных систем моделирования, с расчетами, выполненными с применением апробированных программ и систем моделирования, с данными теоретических и экспериментальных исследований, опубликованными в литературных источниках.
Внедрение результатов работы. Разработанная система имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов МЭП.РЗ использована для решения задач, связанных с разработкой устройств защиты от 033 для электрических сетей 6-Ю кВ типа "Импульс" и "Спектр", основанных на использовании электрических величин переходного процесса. Программный комплекс SAMOZAP внедрен в центральной службе РЗА, на Сормовской, Новогорьков-ской, Дзержинской, Игумновской ТЭЦ и НиГРЭС АО Нижновэнерго, на Костромской ГРЭС и Костромской ТЭЦ-2. Программные комплексы для моделирования переходных процессов в ЭЭС и режимов самозапуска электродвигателей используются в ИГЭУ в учебном процессе подготовки инженеров по специальности 210400 "Автоматическое управление ЭЭС".
Автор защищает:
метод непрерывно-дискретного моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС (модели и алгоритмы);
программный комплекс имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в ЭЭС МЭП.РЗ (математическое и программное обеспечение);
модели, алгоритмы и программы моделирования установившихся электромагнитных процессов и процессов функционирования УРЗ при КЗ и сложных несимметриях в ЭЭС в фазных составляющих;
программный комплекс моделирования режимов самозапуска электродвигателей собственных нужд электростанций SAMOZAP (математическое и программное обеспечение подсистемы моделирования);
результаты исследований переходных электромагнитных про
цессов при 033 в электрических сетях 6-Ю кВ, использованные при
разработке устройств защиты от 033 типа "Импульс" и "Спектр".
Апробация результатов исследований. Основные результаты проведенных исследований и разработок обсуждались на Всесоюзных и международных научно-технических конференциях IV - VIII "Бенар-досовские чтения" (Иваново, 1989 - 1997 г.г.); Всероссийской научно-
технической конференции "Автоматизация проектирования в энергетике и электротехнике" (Иваново, 1989 г.); 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы комплексной автоматизации электроэнергетических систем на основе микропроцессорной техники" (Киев, 1990 г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Современная релейная защита электроэнергетических объектов" (Чебоксары, 1991 г.); XII и XIV сессиях Всесоюзного научно-технического семинара "Кибернетика электрических систем" (Новочеркасск, 1990, 1992 г.г.); Всероссийском научно-техническом семинаре "Автоматика энергосистем - 93" (Москва, 1993 г.); Всероссийской научной конференции "Токи короткого замыкания в энергосистемах" (Москва, 1995 г.); Всероссийской научно-технической конференции "Релейная защита и автоматика энергосистем - 98" (Москва, 1998 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ; в т.ч. 3 статьи, 8 тезисов докладов международных, всесоюзных и всероссийских научно-технических конференций. Результаты работы отражены также з 3-х отчетах по научно-исследовательской работе.
Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы, заключение, список литературы, включающий 106 наименований, приложения. Основной материал диссертации изложен на 153 страницах машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков и 4 таблицы. Общий объем работы составляет 213 страниц.
