Содержание к диссертации
Введение
1. Разработка принципов построения и структуры системы моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах 12
1.1. Анализ существующих систем моделирования, позволяющих иследовать электромагнитные переходные процессы в электроэнергетических системах 12
1.2. Требования к системам моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах для решения задач релейной защиты 18
1.3. Непрерывно-дискретное и дискретное представление математических моделей электроэнергетических объектов 20
1.4. Обоснование направления исследования и разработки системы дискретного моделирования электромагнитных переходных
процессов в электроэнергетических системах 28
1.5. Выводы 32
2. Модели и алгоритмы дискретного моделирования электромагнитных переходных процессов 33
2.1. Основные подходы к созданию дискретных моделей базисных элементов и объектов электроэнергетических систем 33
2.2. Дискретные модели элементов системы имитационного моделирования 38
2.2.1. Дискретные модели коммутационных элементов... 38
2.2.2. Дискретные модели трехфазных трансформаторов 44
2.2.3. Дискретные модели реакторов 52
2.2.4. Дискретные модели батарей статических конденсаторов
2.2.5. Дискретная модель синхронного генератора 57
2.3. Метод численного решения системы уравнений, описывающей общую вычислительную модель 68
2.4. Создание вычислительной модели и выполнение вычислительного эксперимента 72
2.5. Выводы 75
3. Разработка инструментальной объектно ориентированной подсистемы машинной графики для имитационного моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах 76
3.1. Постановка задачи. Функции, основные требования и структура инструментальной системы машинной графики для моделирования электроэнергетических объектов 76
3.2. Разработка языка графического программирования подсистемы ввода моделей исследуемых электроэнергетических объектов 82
3.3. Графическая подсистема ввода исходных данных 88
3.4. Графический редактор базового набора компонентов 95
3.5. Система управления базой технических данных электроэнергетического оборудования 98
3.6. Подсистема обработки, анализа и вывода осциллограмм 100
3.7. Выводы 117
4. Исследование и практическое применение системы моделирования электромагнитных переходных процессов 120
4.1. Обоснование достоверности и исследование математических моделей и алгоритмов дискретного моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах 120
4.2. Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования устройств релейной защиты с применением разработанной системы моделирования электромагнитных переходных процессов и реле-томографа 132
4.3. Создание библиотеки типовых электромагнитных переходных процессов для ислледования устройств релейной защиты в динамических режимах функционирования 138
4.4. Применение результатов разработки системы имитационного моделирования для целей автоматизированной системы управления 143
4.5. Выводы 146
Заключение 147
Библиографический список 149
- Требования к системам моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах для решения задач релейной защиты
- Дискретные модели элементов системы имитационного моделирования
- Разработка языка графического программирования подсистемы ввода моделей исследуемых электроэнергетических объектов
- Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования устройств релейной защиты с применением разработанной системы моделирования электромагнитных переходных процессов и реле-томографа
Введение к работе
Актуальность темы. На функционирование многих устройств релейной защиты (УРЗ) существенное влияние оказывают электромагнитные переходные процессы (ЭМПП), возникающие при коротких замыканиях (КЗ) и коммутациях в электроэнергетических системах (ЭЭС) К ним относятся, прежде всего, УРЗ линий электропередачи (ЛЭП) сверхвысокого и ультравысокого напряжения, мощных генераторов, трансформаторов и автотрансформаторов, систем электроснабжения предприятий ряда отраслей промышленности, к быстродействию которых предъявляются жесткие требования
Рост мощности и сложности ЭЭС, отдельных электроэнергетических объектов (ЭЭО) и единичных агрегатов, повышение чувствительности современных промышленных технологий к кратковременным нарушениям электроснабжения (КНЭ) обуславливают постоянное повышение требований к быстродействию УРЗ
Большинство УРЗ основано на использовании электрических величин промышленной частоты Для таких УРЗ свободные составляющие токов и напряжений ЭМПП представляют собой помехи, вызывающие погрешности функционирования их измерительных органов (ИО) Устойчивость функционирования быстродействующих УРЗ подобного типа в условиях влияния ЭМПП должна обеспечиваться выбором оптимальных принципов и алгоритмов распознавания вида и места повреждения, а также характеристик и параметров срабатывания ИО В технике РЗ получают также все большее применение устройства, реагирующие непосредственно на электрические величины ЭМПП В УРЗ этого типа свободные составляющие токов и напряжений переходных процессов являются уже не помехами, а сигналами, несущими информацию о виде и месте повреждения Поэтому разработка и совершенствование методов и средств исследования ЭМПП в ЭЭС и динамических режимов функционирования УРЗ являются актуальной проблемой
Разработкам методов расчета ЭМПП для решения задач повышения технического совершенства релейной защиты и исследованиям влияния ЭМПП на функционирование УРЗ посвящено множество работ Большой вклад в исследование и разработку методов и средств анализа ЭМПП в ЭЭС и ЭЭО внесли российские ученые (Левинштейн М Л, Лосев С Б , Чернин А Б , Евдокунин Г А , Подгорный Э В и др ) Исследованию динамических режимов функционирования ИО РЗ в условиях ЭМПП, прежде всего, дистанционных, а также в разработке УРЗ, основанных на использовании электрических величин переходных процессов для построения быстродействующих ИО РЗ посвящены работы Шнеерсона Э М , Любарского Д Р , Подгорного Э В , Засыпкина А С , Лямеца Ю Я , Попова И Н, Лачугина В Ф , Шуина В А
Для исследования динамических режимов функционирования УРЗ, как правило, применяется имитационное моделирование на ЭВМ Такой подход эффективен для УРЗ на электромеханической и микроэлектронной элементной базе Созданию систем моделирования ЭМПП в целях моделирования УРЗ и комплексного моделирования системы «ЭЭО — УРЗ», в частности, были посвящены выполненные в 90-е годы в ИГЭУ работы (Мурзин А Ю*, Фролова О В ) В настоящее время в технике РЗ все большее применение получают устройства на микропроцессорной базе Возможности математического моделирования на ЭВМ динамических режимов их функционирования ограничены, в частности, трудностями, а часто отсутствием возможности построения математических моделей функций РЗ современных микропроцессорных терминалов, алгоритмы функционирования которых являются коммерческой тайной фирм-разработчиков В таких случаях более эффективным способом анализа динамических режимов функционирования УРЗ представляется физико-математическое имитационное моделирование, при котором электрические величины ЭМПП, полученные методами математического моделирования на ЭВМ, посредством согласующего программно-технического комплекса подаются на входы исследуемого устройства В качестве такого программно-технического комплекса, в частности, может быть использована компьютерная система наладки и испытаний УРЗ «Реле-томограф», выпускаемая НПП «Динамика»
Цели и задачи работы. Целью работы является развитие и совершенствование методов и программных средств математического моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах и физико-математического моделирования динамических режимов функционирования системы «электроэнергетический объект -устройство релейной защиты»
Задачи исследований В работе решаются следующие основные задачи
- обоснование структуры и принципов построения объектно-
ориентированной системы моделирования ЭМПП в ЭЭС для решения за
дач разработки и проектирования УРЗ,
совершенствование и развитие математических моделей и алгоритмов имитационного моделирования на ЭВМ ЭМПП в ЭЭС,
разработка математического и программного обеспечения системы автоматизированного моделирования ЭМПП в ЭЭС,
разработка инструментальной объектно-ориентированной подсистемы машинной графики системы автоматизированного моделирования ЭМПП в ЭЭС,
разработка методики и исследование возможностей физико-математического моделирования динамических режимов функциониро--j——_ — ,
Автор выражает благодарность к т н, доценту Мурзину А Ю за научные консу тьтации при выполнении глав данной работы, посвященных разработке системы моделирования ЭМПП в ЭЭС
вания УРЗ с применением разработанной системы моделирования ЭМПП в ЭЭС на ЭВМ и «Реле-томографа»,
- разработка библиотеки сигналов для исследования динамических режимов функционирования сложных устройств релейной защиты
Научная новизна и значимость полученных результатов работы, по мнению автора, заключается в следующих основных положениях
разработаны принципы построения и структура объектно-ориентированной системы, обеспечивающей возможности математического моделирования ЭМПП в ЭЭС и физико-математического моделирования динамических режимов функционирования устройств релейной защиты с применением «Реле-Томографа»,
разработаны дискретные математические модели всех основных элементов ЭЭС в фазных составляющих, обеспечивающие повышение эффективности (быстродействия и устойчивости) моделирования ЭМПП,
с применением системы моделирования ЭМПП в ЭЭС и «Реле-томографа» разработана библиотека типовых испытательных сигналов в международном формате «COMTRADE», обеспечивающая возможность экспериментальных проверок и исследований динамических режимов функционирования сложных УРЗ
Практическая ценность работы
- разработанная система автоматизированного моделирования
ЭМПП в ЭЭС и методика физико-математического моделирования ком
плексной системы «ЭЭО - УРЗ» могут быть использованы в научно-
исследовательских и проектных институтах, вузах и других организациях
для решения задач, возникающих при анализе и синтезе УРЗ, а также
других задач, связанных с исследованием нестационарных режимов ЭЭС,
- на базе разработанного комплекса программных средств могут
быть созданы компьютерные тренажеры и автоматизированные обучаю
щие системы для повышения качества подготовки специалистов в облас
ти автоматического управления ЭЭС,
- разработанная графическая подсистема обработки, анализа и выво
да осциллограмм применяется в составе SCADA-системы «АТЛАНТ»
(ОАО «Ивэлектроналадка», г Иваново), где выполняет функции анализа
полученных в действующих электроустановках осциллограмм электриче
ских величин аварийных и анормальных режимов работы ЭЭС на объек
тах ОАО «ФСК ЕЭС» и АК «Транснефть»
Автор защищает
программный комплекс имитационного моделирования на ЭВМ ЭМПП в ЭЭС для решения задач разработки и проектирования,
дискретные математические модели основных элементов ЭЭС для моделирования ЭМПП,
инструментальную объектно-ориентированную подсистему машинной графики системы автоматизированного моделирования ЭМПП в ЭЭС,
методику и результаты исследования возможностей физико-математического моделирования динамических режимов функционирования УРЗ с применением системы моделирования ЭМПП в ЭЭС на ЭВМ и «Реле-томографа»
Апробация работы. Основные положения диссертации были доложены и обсуждены на следующих конференциях
X международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика - Москва МЭИ, 2004 г
XI международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика - Москва МЭИ, 2005 г
XIII международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика - Москва МЭИ, 2007 г
XVII научно-технической конференции «Релейная защита и автоматика энергосистем - 2006» - Москва, ВВЦ, 2006 г
Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов. - Иваново, ГОУ ВПО Ивановский гос энерг ун-т, 2006 г
Региональной научно-технической конференции студентов и аспирантов - Иваново, ГОУ ВПО Ивановский гос энерг ун-т, 2007 г
Публикации. Основные результаты и положения диссертации опубликованы в 12 печатных работах, включая 6 статей и 6 тезисов докладов конференций
Объем и струїсгура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 93 наименований и 2 приложений Основной материал изложен на 157 страницах машинописного текста Работа включает также 52 иллюстрации и 14 таблиц Общий объем работы составляет 184 страницы
Требования к системам моделирования электромагнитных переходных процессов в электроэнергетических системах для решения задач релейной защиты
Как уже отмечалось выше, объектом исследований и разработок, которые легли в основу данной диссертации, являются задачи, связанные с анализом динамических процессов, протекающих в ЭЭО в составе ЭЭС различной конфигурации и сложности с возможностью последующего использования результатов расчета в целях физического моделирования динамических режимов функционирования УРЗ.
В диссертации рассматриваются вопросы разработки комплекса программных средств, предназначенного для получения информации о характере электромагнитных переходных процессов в защищаемом ЭЭО, возникающих при КЗ, внезапных изменениях режима работы элементов ЭЭС, вызванных коммутациями и т.п.
Для решения задач анализа динамических режимов функционирования УРЗ, как правило, необходимо комплексное моделирование ЭЭО в составе ЭЭС любой сложности, для чего могут применяться системы моделирования, относящиеся к следующим группам: - универсальные, предназначенные для решения широкого круга задач исследования динамических режимов функционирования сложных технических систем, включая ЭЭС [79 — 81, 82, 83]; - объектно-ориентированные, предназначенные для исследования конкретного объекта с определенной стороны его функционирования, а именно для исследования ЭМПП в ЭЭС в целях РЗ [29, 30, 74, 77, 78]. 1.1.2. При решении конкретных задач универсальные системы обладают рядом общих недостатков, среди которых необходимо отметить следующие: - применение универсальных систем моделирования требует специальных и достаточно глубоких знаний от пользователя в таких сложных областях, как теоретические основы электротехники, переходные процессы в ЭЭС, элементы автоматических устройств энергосистем, электроника, микропроцессорная техника, теория автоматического управления, автоматическое регулирование в ЭЭС и др., без которых невозможно построить.модели ЭЭО, адекватно и достоверно отображающие ЭМПП в ЭЭС и динамические режимы собственно УРЗ; - применение универсальных систем моделирования требует достаточно глубоких знаний самой системы моделирования, ее возможностей, принципов работы с ее подсистемами, т.е. больших затрат времени на обучение по работе с ней; - усложнение процесса расчета, вызванное необходимостью построения математических моделей универсальными средствами программного комплекса; - увеличение времени расчета, вызванное невозможностью оптимизации математических моделей; - невозможность осуществить достаточно наглядное отображение схемы исследуемой ЭЭС; - необходимость пересчета технических параметров ЭЭО в параметры моделей ЭЭО; - отсутствие возможности полноценного анализа результатов расчета; - форматы, вывода данных в универсальных системах моделирования (как и в большинстве расчетных и моделирующих программ) являются предметом коммерческой тайны разработчиков, поэтому требуется трудоемкая, а в большинстве случаев и невозможная, разработка специальных программ преобразования формата данных в общепринятые- стандарты, необходимого для физического моделирования УРЗ.
В настоящее время основным универсальным программным ком плексом, способным моделировать ЭМПП в ЭЭС, является математический пакет моделирования Simidink комплекса программных средств MATLAB, включающий в себя библиотеку SimPowerSystems, содержащую готовые модели основных элементов ЭЭС [79 -81].
MATLAB является мощной математической системой, предоставляющей множество функций, возможностей и средств моделирования и анализа, однако эта система не содержит большинства средств, необходимых при моделировании и анализе электромагнитных переходных процессов в ЭЭС в целях релейной защиты.
Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем. Он дает возможность строить графические блок-диаграммы, имитировать динамические системы, исследовать работоспособность различных систем, в том числе технических. Simulink полностью интегрирован с MATLAB, обеспечивая доступ к широкому спектру инструментов автоматизированного анализа, моделирования и проектирования. Система имеет достаточно удобный графический интерфейс, основанный на технологии «drag-and-drop», что позволяет опытному пользователю быстро собрать необходимую для исследования схему.
Необходимо отметить, что система MATLAB не является специализированной для решений задач, возникающих при расчете и моделировании объектов электроэнергетики, что влечет за собой все перечисленные в п. 1.1.2 недостатки универсальных систем.
В таблице 1.1 приведена краткая характеристика основных функциональных возможностей математического пакета моделирования Simulink.
Библиотека блоков SimPowerSystems достаточно обширна, однако, иногда требуемая пользователю модель устройства может в ней отсутствовать. Это касается, например, некоторых двухобмоточных трансформаторов, автотрансформатора, нелинейных резисторов, насыщающихся реакторов, новых типов электродвигателей и т.п. В этом случае пользователю необходимо создавать нужную модель на основе блоков Simulink. Несмотря на то, что Simulink предоставляет такую возможность, время, затраченное на создание новой модели, может составлять от нескольких дней до нескольких недель, в зависимости от ее сложности и уровня подготовки пользователя соответствующей области.
Дискретные модели элементов системы имитационного моделирования
переходных процессов в трехфазных электрических цепях представляет собой сложную и громоздкую задачу по сравнению с задачами анализа динамических режимов в электрических цепях постоянного тока или однофазных цепях переменного тока из-за необходимости совместного решения уравнений для токов и напряжений трех фаз. Сложность непосредственного нахождения фазных токов и напряжений определяется в основном тем, что в общем случае уравнения какой-либо фазы содержат токи и напряжения всех трех фаз. В связи с этим эффективность алгоритмов формирования математических моделей базисных элементов и исследуемых ЭЭО и ЭЭС будут во многом определяться способом описания динамических процессов в объектах электроэнергетики и базовой системы координат.
В настоящее время при исследованиях переходных процессов в различных объектах электроэнергетики (трансформаторах, вращающихся электрических машинах, линиях электропередачи) для упрощения математических моделей трехфазных элементов и уменьшения вычислительных затрат используется ряд различных координатных систем, определяющих вид переменных, в которых формируются модели исследуемых объектов.
Согласно [26, 27, 84 и др.], а таюке анализу, приведенному в [29], наиболее распространенным и удобным базисом при анализе электромагнитных переходных процессов в ЭЭО и ЭЭС являются фазные координаты (а,Ь,с). Указанное определяется следующими обстоятельствами: - решение получается непосредственно в удобном для пользователя виде - в форме фазных токов и напряжений; - предоставляется возможность исследования ЭЭО, содержащих эле менты с пофазной несимметрией параметров (узлы с нелинейными элемен тами, узлы с коммутационными элементами); — наиболее просто и естественно задаются любые, в том числе сложно несимметричные режимы; - просто осуществляются прямые и обратные переходы к другим коор динатным системам (такая необходимость возникает при более простом по лучении математических моделей некоторых базисных элементов системы или при получении моделей, учитывающих различие параметров элементов по разным координатам).
Учитывая изложенное, разработка моделей ЭЭО и простейших трехфазных элементов для системы имитационного моделирования производится в системе фазных.координат.
При структурном подходе к моделированию динамических объектов получение дискретных моделей посредством алгебраизации дифференциальных компонентных уравнений простейших двухполюсников (например, индуктивности L, емкости С и т.п. [57, 62 - 64, 85]) на основе принятых методов интегрирования приводит, как правило, к нерациональным схемным моделям сложных элементов трехфазных электрических систем. Более эффективным, хотя и более сложным способом получения дискретных моделей типовых блоков представляется численное интегрирование СДУ, описывающей электромагнитные переходные процессы в моделируемом трехфазном элементе (блоке).
Методика построения дискретных моделей базисных элементов системы моделирования описана в п. 1.3.3. Применение предложенной методики будет рассмотрено ниже при получении дискретных моделей базисного набора элементов ЭЭС.
Выбор неявных методов интегрирования, необходимых для построения дискретных моделей базисных элементов ЭЭС целесообразно проводить, исходя из следующих требований [57, 62 - 64]: — адекватность получаемых результатов истинному решению (с доста точной степенью точности); - численная устойчивость метода (накопленная погрешность в процессе расчета не должна возрастать с увеличением числа шагов расчета); - хорошая сходимость; - алгоритмическая надежность; - универсальность (применимость к анализу любых объектов электроэнергетики и устройств управления ими); - простая оценка погрешности вычислений; - возможность изменения шага интегрирования в широких пределах; - умеренные затраты-машинного времени и памяти ЭВМ.
Дискретные модели базисных блоков трехфазных электрических систем, содержащих реактивные элементы, могут быть получены на основе од-ношаговых или многошаговых неявных методов интегрирования.
При разработке системы автоматизированного моделирования для упрощения математического и программного обеспечения целесообразно ориентироваться на методы интегрирования какого-либо одного семейства. На основании исследований, приведенных в [29], для построения дискретных динамических моделей элементов трехфазных электрических систем принято семейство жестко устойчивых неявных методов Гира 1 - 4-го порядка [63].
2.1.3. Автоматизированное моделирование нестационарных режимов функционирования электроэнергетических систем, как правило, предполагает представление исследуемого ЭЭО в виде расчетной схемы, составленной из элементов базисного набора компонентов ЭЭС. В соответствии с требованиями, сформулированными в п. 1.2.1, базисные блоки должны представлять модели реальных объектов электроэнергетики (генераторов, линий, трансформаторов и др.). При таком подходе схема исследуемого ЭЭО интерпретируется как совокупность электрически связанных между собой типовых функциональных (схемных) блоков, что позволяет формировать исследуемую модель методом подматриц [57, 62 и др.] согласно концепции структурного моделирования.
В [29] приводится классификация базисного набора компонентов системы моделирования электромагнитных переходных процессов в целях РЗ. Основным недостатком указанной классификации является нечеткое разбиение базисного набора системы моделирования на простейшие трехфазные элементы, параметры которых задаются через параметры составляющих их единичных компонентов, таких как индуктивность L, сопротивление R, емкость С, и др., и на реальные ЭЭО, параметры которых определяются по справочным данным, приводимых в технической литературе, используемой специалистами-электроэнергетиками.
На рис. 2.1 приведена модифицированная (с учетом вышеизложенного) классификация базисного набора элементов системы имитационного моделирования для целей РЗ. Указанный набор элементов позволяет создавать расчетные схемы и режимы функционирования широкого класса ЭЭО. При этом каждому элементу может соответствовать не одна, а несколько (набор) моделей различной сложности.
В [29] приведен полный набор моделей простейших базисных компонентов, позволяющий исследовать динамические режимы функционирования произвольных ЭЭО любой сложности, создавая их модели с использованием разработанный моделей простейших базисных компонентов. Однако использование такого подхода отрицательно сказывается на наглядности представления рассчитываемой схемы ЭЭС, а также резко увеличивает размерность матриц, описывающих исследуемый объект, что неизбежно влечет за собой дополнительные затраты на использование вычислительных ресурсов, таких как объем оперативной памяти и процессорное время. -Следовательно, возникает необходимость в разработке математических моделей всех основных ЭЭО, встречающихся в действующих электроустановках различных классов напряжения.
В [29] приведены модели таких ЭЭО, как генератор, эквивалент генерирующей системы, линии электропередач с Т— и П-образными схемами- замещения, а также двухобомточные трансформаторы со схемами соединения обмоток Yo/A-П и Yo/Y-12. Приведенные в [29] модели показаны на рис. 2.1 на сером фоне. В разделе 2.2 приведены разработанные модели ЭЭО, дополняющие набор моделей, приведенный в [29].
Разработка языка графического программирования подсистемы ввода моделей исследуемых электроэнергетических объектов
В большинстве программных комплексов, применяемых в близких к электротехнике областях и имеющих развитые графические подсистемы ввода исходных схем, например, LabVIEW, MatLab, EWB и др. [92, 95, 96], в качестве средства общения выступают входные объектно-ориентированные графические языки, которые оперируют с графическими элементами или примитивами, обеспечивая формирование и модификацию графической модели. Рассматриваемые графические языки позволяют не только использовать графические изображения и пиктограммы для представления и формирования моделей различных объектов исследования, но и реализовать функ 83 ции управления процессом моделирования, помощи, работы с информационными базами данных и т.п.
Поэтому актуальной задачей при разработке графической подсистемы ввода исходной схемы системы является создание специализированного входного объектно-ориентированного языка пользователя — языка графического программирования.
Разработка языка графического программирования должна базироваться на следующих основных принципах: - входной язык должен представлять собой графическое средство общения пользователя с системой моделирования, отражающий специфику ЭЭС и соответственно должен быть максимально приближен к естественному языку специалистов, работающих в области электроэнергетики; - графическими объектами и образами, входящими в состав специализированного языка, должны быть изображения (примитивы), позволяющие работать со стандартными однолинейными трехфазными электрическими схемами; - топология однолинейных электрических схем должна формироваться не с помощью таблиц узлов и ветвей, а посредством размещения на «наборном» поле графических образов (примитивов) различных ЭЭО и трехфазных элементов и соединения их между собой линиями или узлами; - параметры ЭЭО должны задаваться либо самим пользователем, либо формироваться автоматически в соответствии с техническими данными ЭЭО, хранящимися в электронном справочнике и сформированными в соответствии с материалами справочников на электротехническое оборудование; - входной язык должен позволять пользователю оперировать не только моделями реальных ЭЭО (трансформаторов, генераторов, выключателей и т.п.), но и моделями простейших трехфазных элементов, таких как продольные и поперечные трехфазные активно-емкостные проводимости, активно-индуктивные сопротивления и т.п.; - входной язык должен предоставлять возможность пользователю достаточно просто описывать как модели сложных электрических систем произвольной конфигурации, так и повреждения и коммутации любой сложности в них; - при создании мнемосхемы анализируемой электрической сети вход ной язык должен предоставлять пользователю возможность манипулирова ния графическими образами элементов: перемещение, вращение, удаление, копирование и т.п. При этом в случае перемещения элемента, имеющего свя зи с другими элементами, топология схемы не должна нарушаться. 3.2.3. В разделе 2 приведена классификация базисного набора компо нентов системы моделирования электромагнитных переходных процессов в целях РЗ. В соответствии с данной классификацией, все базисные элементы разбиты на три основные группы: - реальные ЭЭО (генератор, реактор, ЛЭП, двухобмоточные и трех обмоточные трансформаторы с различными группами соединения обмоток, автотрансформатор и т.п.), параметры которых задаются по справочным дан ным на электроэнергетическое оборудование; . - простейшие трехфазные элементы (трехфазные источники,, продольные и поперечные трехфазные индуктивно-активное сопротивление и активно-емкостная проводимость и др.), параметры которых задаются через параметры составляющих их единичных компонентов, таких как активное сопротивление, индуктивность, емкость и т.п.; - коммутационные элементы (выключатель, ключ КЗ): Необходимо отметить, что указанная классификация предполагает на личие в системе моделирования для каждого „ трехфазного и однофазного ЭЭО или простейшего трехфазного-элемента соответствующей уникальной математической модели.
Основными элементами языка графического программирования для инструментальной подсистемы машинной графики системы моделирова ния режимов функционирования ЭЭС являются: - унифицированные графические образы (примитивы) базового набо ра трехфазных и однофазных элементов ЭЭС и простейших трехфазных ком понентов, которые располагаются в отдельном «окне примитивов» графиче ской подсистемы ввода и предоставляют пользователю возможность выби 85 рать требуемые элементы для конструирования в «окне мнемосхемы» исследуемой ЭЭО без задания каких-либо параметров; - графические образы конкретных трехфазных и однофазных ЭЭО и простейших трехфазных компонентов, а также связей между ними, отображаемые в «окне мнемосхемы» и содержащие информацию о топологии исследуемой схемы и параметрах составляющих ее элементов. При этом топология схемы должна задаваться пользователем графически (с помощью графического соединения отдельных элементов, а не с использованием таблиц узлов и ветвей), а параметры элементов должны задаваться при помощи «оконных меню».
В табл. 3.1, 3.2 приведены в качестве примера изображения графических образов соответственно некоторых базисных ЭЭО и простейших трехфазных элементов, отображаемых в «окне примитивов» и в «окне мнемосхемы».
Из приведенных в табл. 3.1, 3.2 данных следует, что количество примитивов отдельных элементов, находящихся в «окне примитивов» не соответствует количеству примитивов в «окне мнемосхемы». Указанное несоответствие допущено в целях минимизации объема графической информации, предоставляемой пользователю. Так, например, количество двухобмоточных трансформаторов с различными группами соединения обмоток в общем случае может доходить до шести (Y0/A, Y/A, Y0/Y, А/А, Y/Y, Y0/Y0). Тогда количество графических примитивов соответствующих двухобмоточных трансформаторов в «окне мнемосхемы» также должно быть равно шести. Тем не менее, в «окне примитивов» достаточно иметь одно упрощенное изображение двухобмоточного трансформатора без указания на схемы соединения обмоток, так как на этапе выбора элемента из «окна примитивов» пользователь оперирует с типом объекта, а не с его параметрами. Задание параметров, в том числе и схемы соединения обмоток, трансформатора производится в «окне мнемосхемы» через «окно параметров» данного элемента.
Методика физико-математического моделирования динамических режимов функционирования устройств релейной защиты с применением разработанной системы моделирования электромагнитных переходных процессов и реле-томографа
Организация базы данных исследуемых электрических величин. Наиболее распространенным форматом хранения дискретных зависимостей электрических величин от времени, является международный формат «COMTRADE». Работа с данным форматом позволяет совместить разрабатываемую систему моделирования с различными программными комплексами и приборами, разработанными для целей электроэнергетики. Данная возможность предназначена для решения следующих задач: - просмотр и анализ результатов расчетов с помощью подобных рассматриваемому модулю программных комплексов (программы просмотра осциллограмм приборов «Парма», «Сириус», «MiCOM», Подсистема отображения аварийных процессов АО НИИПТ «Осциллограф» и др.), что позволяет дополнить отсутствующие в нем некоторые функциональные возможности; - преобразования результатов расчета системы в аналоговую форму (например, с помощью испытательных приборов НПП «Динамика» «Ретом»)-с целью наладки и испытаний устройств релейной защиты; - просмотр и- анализ с помощью данного модуля реальных осциллограмм аварийных режимов, а также сравнений их с результатами расчетов;
Файлы осциллограмм хранятся на жестком диске в различных директориях. Каждая директория содержит файлы с результатами одного расчета (для системы моделирования), или одного пуска цифровых осциллографов на подстанции. В каждой группе файлов- содержатся результаты расчета- по одному элементу моделируемой системы, или осциллограммы, снятые для одного присоединения.
Показано, что при решении задач многовариантного анализа функционирования ЭЭС в установившихся, аварийных и послеаварийных режимах с использованием ЭВМ целесообразно применять объектно-ориентированные системы автоматизированного моделирования, основанные на принципе блочного построения моделей исследуемых ЭЭО и имеющие в своем составе интерактивный инструментарий — графический интерфейс, который позволяет пользователю — специалисту-электроэнергетику конструировать с определенной степенью простоты и наглядности исследуемые схемы ЭЭС и ЭЭО (любой сложности), а также проводить анализ полученных результатов в понятных ему терминах и образах.
Установлено, что инструментальная подсистема машинной графики должна содержать специализированный язык графического программирования, элементами которого являются графические образы (примитивы) базового набора трехфазных и однофазных элементов ЭЭС и простейших трехфазных компонентов.
Установлено, что длясистемы моделирования необходима разработка специализированной системы управления базой; данных технических параметров ЭЭО.
3;7.6:.Решен комплекс теоретических и практических задач, связанных с созданием графической подсистемы обработки, анализа и вывода результатов расчета электромагнитных переходных процессов в ЭЭС и реальных осциллограмм электрических величин, полученных с помощью цифровых ос-циллографов;в действующих электроустановках.
На основе требований, предъявляемых к графическому редактору примитивов, разработана структура программного обеспечения редактора примитивов для графического интерфейса системы моделирования. В графическом редакторе реализован набор графических шаблонов, необходимых для создания рисунков любой сложности. Предусмотрено создание пользовательских графических шаблонов. Обеспечено удобное и наглядное создание графических изображений базовых элементов из графических шаблонов редактора примитивов и шаблонов, созданных ранее пользователем. Организовано ведение базы данных созданных пользователем графических примитивов с возможностью их сохранения, загрузки и редактирования, а также совместимость базы данных графических примитивов с графическим интерфейсом системы моделирования.
На основе требований, предъявляемых к инструментальной системе машинной графики системы моделирования, разработана структура программного обеспечения, графической подсистемы ввода исходных данных. Разработан специализированный объектно-ориентированный инструментарий с высокой степенью наглядности и иллюстративности. Обеспечена концепция структурного моделирования. Создан язык графического программирования с возможностью конструировать и описывать сложные схемы ЭЭС различной конфигурации.
Разработана СУБД технических параметров электроэнергетического оборудования, отвечающая предъявленным к ней требованиям и обладающая высокой степенью наглядности.
Разработанная графическая подсистема обработки, анализа и вывода осциллограмм предоставляет все основные средства, необходимые при анализе результатов расчета системы имитационного моделирования. Представление результатов в форме графиков, векторных диаграмм, фильтрация симметричных составляющих, вывод на экран действующих значений электрических величин позволяет пользователю сделать быстрые и адекватные выводы о характере переходного процесса, произвести быстрый расчет токов короткого замыкания и проанализировать возможное действие защит для рассчитанных условий.
Хранение результатов в формате «COMTRADE» обеспечило возможность использовать разработанную графическую подсистему для просмотра и анализа реальных осциллограмм аварийных режимов, а также использовать результаты расчета системы моделирования для дальнейшего использования в целях испытаний УРЗ.
