Моделирование и анализ устойчивости электротехнических систем нефтегазовых производств при возмущениях в электрических сетях

Актуальность темы

Электротехнические системы промышленных комплексов, включающие системы внутреннего электроснабжения, а также электродвигательную и прочую нагрузку, являются сложными динамическими системами, в которых постоянно происходят изменения: меняются режимы питающей электроэнергетической системыосуществляются коммутации элементов электрической сети и потребителей электроэнергиименяются технологические режимы механизмов и установок, а, следовательно, и режимы работы соответствующих приемников электрической электроэнергии. В общем случае возможны события, сопровождающиеся переходными процессами, которые могут приводить к изменениям режимов работы электротехнической системы, называются возмущающими воздействиями или возмущениями [1, 2].

Преобладающую долю возмущений в промышленных электротехнических системах составляют микровозмущения, приводящие к несущественным изменениям режима. Режим при этом можно рассматривать как установившийся. Значительно меньшую долю составляют макровозмущения, сопровождающиеся существенными изменениями режима. Примерами таких возмущений могут служить короткие замыкания, приводящие к нарушению нормального электроснабжения потребителей электроэнергии.

Переходные процессы в системах электроснабжения нефтегазовых производств при электродвигательной нагрузке имеют особую значимость, что обусловлено большим объемом электродвигательной нагрузки данных комплексов (до 90% от общей мощности нагрузки, при общем числе электродвигателей, достигающем тысяч единиц). Большая электродвигательная нагрузка предприятия, объединенная посредством электрических сетей в единую электротехническую систему, обусловливает сложность процессов, возникающих не только при авариях, но и при пусковых режимах электроприводов [3,4]. При возмущениях в таких системах восстановление работы электродвигателей в ряде случаев невозможно, что связано с возможностью нарушения устойчивости узлов электрической нагрузки промышленного комплекса [5].

Анализ переходных процессов в электротехнических системах с большим объемом электродвигательной нагрузки сложен, что обусловлено не только необходимостью отслеживания процессов в большом числе электродвигателей, но и разнообразием типов синхронных и асинхронных двигателей, различающихся по расчетным схемам, параметрам и характеристикам. Некоторыми авторами были разработаны математические модели вполне удовлетворительно и достаточно просто описывающие поведение электрических машин в послеаварийных режимах [6−13]. Анализ процессов в промышленных электротехнических системах существенно отличается от соответствующих задач анализа процессов в электрических системах электроэнергетического комплекса. Для промышленных электротехнических систем главными являются процессы в электродвигательной нагрузке, а питающая электрическая система в большинстве случаев может быть представлена идеальным источником ЭДС, находящимся за эквивалентным сопротивлением, параметры которых могут изменяться при возмущениях. Все это обусловливает необходимость разработки специальных методов и средств исследования переходных процессов в системах промышленного электроснабжения.

Для анализа переходных процессов в электротехнической системе могут использоваться экспериментальные или расчетные данные, отражающие изменение электромеханических величин во времени. Возможности получения экспериментальных данных на действующих предприятиях, в особенности на предприятиях с непрерывными технологическими процессами, характерными для газовой и нефтяной промышленности, ограничены. Обычно возможен только пассивный эксперимент, данные которого используются только для подтверждения расчетных данных для наиболее важных процессов. Основными для анализа переходных процессов в электротехнических системах являются результаты расчетов [6,14−16].

Для сравнительно простых задач расчетные данные могут быть получены в результате ручного счета. Для большинства реальных задач требуется соответствующее программное обеспечение. Программы реализуют математические модели физических процессов в электротехнических элементах и системах.

Расчетная модель электротехнической системы должна удовлетворять противоречивым требованиям. С одной стороны, большое число электродвигателей делает невозможным подробный учет реальных процессов во всех потребителях электрической энергии даже при использовании современных вычислительных средств. Кроме того, непростой проблемой является и информационное обеспечение расчетов. С другой стороны, необходимо достаточно полно учитывать основные характеристики и особенности применяемых электродвигателей, иначе результаты расчетов будут неадекватны реальным процессам. Кроме этого силовые трансформаторы, как правило, оснащаются устройствами регулирования напряжения, которые могут оказывать значительное влияние на результаты моделирования. Актуальность работы заключается во включении всех элементов электротехнической системы (ЭТС), в том числе устройств управления режимами ЭТС, например устройства регулирования напряжения трансформаторов, а также в исследовании влияния структуры ЭТС на ее устойчивость.

Цель работы заключается в развитии средств расчета электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий и в поиске общих закономерностей поведения электротехнических систем при внутренних и внешних возмущениях.

Реализация сформулированных целей требует решения следующих основных задач исследования:

1. Развитие математического, алгоритмического, программного, методического и информационного обеспечения расчетов электромеханических переходных процессов в электротехнических системах промышленных предприятий.

2. Выполнение вычислительных экспериментов с целью моделирования поведения электротехнической системы при различного рода возмущениях и анализ результатов этих экспериментов.

3. Исследование влияния параметров и структуры электротехнической системы на показатели, характеризующие ее устойчивость.

Объекты исследования. Объектами исследования в представленной работе являются ЭТС предприятий нефтяной и газовой промышленности. Данные электротехнические системы обладают рядом особенностей, существенных для рассматриваемой проблематики. Необходимо отметить следующие из них: большая установленная мощность электрооборудованияпреобладание электродвигательной, причем, преимущественно асинхронной, нагрузкинепрерывность технологического процессавысокие требования к бесперебойности электроснабжения. Для наглядности рассмотрения в предлагаемой работе в качестве иллюстраций исследований и полученных результатов используются несколько демонстрационных примеров ЭТС.

Методы исследования. В работе использовались положения и методы следующих областей знания: теории электрических цепей, теории электрических машин и электропривода, математического и компьютерного моделирования электротехнических объектов, линейного и нелинейного программирования, теории катастроф.

Научная новизна полученных результатов:

1. Разработаны математические модели устройств регулирования напряжения для двухи трех обмоточных трансформаторов и трансформаторов с расщепленной обмоткой.

2. Разработаны модифицированные алгоритмы расчета электромеханических переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с разомкнутой и замкнутой структурой электрических сетей, имеющих как внешние, так и внутренние источники электроснабжения, учитывающие влияние устройств регулирования напряжения трансформаторов и пусковых устройств электроприводов переменного тока. Методы и алгоритмы ориентированы на итерационные процедуры определения параметров устойчивости систем при симметричных внешних и внутренних возмущениях в единой расчетной схеме.

3. Исследовано поведение входных параметров ЭТС в пространстве переменных состояния. Установлено существование линий стягивания, по которым стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжения электродвигателей.

4. Исследовано влияние устройств РПН (регулирование под нагрузкой) трансформаторов ГПП (главная понизительная подстанция) на устойчивость электротехнических систем. Показана невозможность обеспечения заданного количественного уровня устойчивости к внешним возмущениям только за счет регулирования напряжения на шинах ГПП.

Практическая ценность представляемой работы заключается в следующем:

1. Разработаны программные средства, реализующих принципы объектно-ориентированного программирования, и методическое обеспечение компьютерного моделирования анализа устойчивости электротехнических систем к внешним и внутренним возмущениям.

2. Выполнен анализ влияния устройств регулирования напряжения трансформаторов на устойчивость электротехнических систем. Показана необходимость учета устройств регулирования напряжения при выполнении расчетов устойчивости электротехнических систем.

3. Предлагается подход сохранения устойчивости технологического процесса, путем выделения главных элементов и сохранения устойчивости важных фрагментов ЭТС.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие положения представляемой работы:

1. Модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов, средств пуска электроприводов переменного тока.

2. Общие закономерности влияния структуры и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на устойчивости ЭТС.

3. Некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях.

Обоснованность и достоверность основных выводов подтверждается использованием апробированного математического аппарата, корректностью исходных предположений и допущений, строгостью математических выкладок, совпадением результатов численного моделирования и теоретического анализа основных зависимостей, хорошей сходимостью результатов расчетных и экспериментальных исследований, успешной реализацией ряда основных положений работы на практике.

Апробация работы. Основные положения и выводы представляемой работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

• Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электроэнергетике нефтяной и газовой промышленности», посвященной 75-летию РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, Москва, 2004 г.

• Шестой и седьмой Всероссийской конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России», Москва, 2005,2007 г.

• Шестой Всероссийской конференции молодых ученых, специалистов и студентов по проблемам газовой промышленности России. Москва, 2005.

• Пятой международной научно-практической конференции «Наука и новейшие технологии при поисках, разведке и разработке месторождений полезных ископаемых», Москва, 2006 г.

• Научных семинарах кафедры Теоретической электротехники и электрификации нефтяной и газовой промышленности РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, Москва, 2004 — 2007 годы.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе одно в издании, рекомендованном ВАК РФ, одно учебно-методическое пособие, получено одно свидетельство об официальной регистрации программы № 2 005 612 406 от 14.09.2005 .

Структура и объем работы. Представляемая работа состоит из введения, четырех глав основного текста, заключения, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 145 страницах машинописного текста, содержит 72 рисунка и пять таблиц, библиография включает 66 наименований.

Заключение

.

В представляемой работе получены следующие основные результаты.

1. Разработаны модели и алгоритмы расчета переходных процессов в многомашинных промышленных электротехнических системах с учетом устройств регулирования напряжения трансформаторов и средств пуска электроприводов переменного тока. Предложенные модели и алгоритмы реализованы в программном комплексе, позволяющем выполнять многовариантные итерационные расчеты в единой расчетной схеме.

2. Разработан программный комплекс позволяющий моделировать электротехническую систему промышленного предприятия с любой степенью подробности, обладающий широкими возможностями моделирования различного рода внешних и внутренних возмущений в электротехнических системах, управления процессами расчетов и моделирования, позволяющий получать практически всю необходимую информацию с любой степенью подробности.

3. Исследованы общие закономерности влияния структуры ЭТС и средств управления режимами промышленных электротехнических систем на устойчивости. Показана ограниченность применения средств регулирования напряжения трансформаторов для поддержания заданного уровня устойчивости электротехнической системы. Предложен подход сохранения устойчивости технологического процесса, путем выделения потребителей влияющих на технологический процесс и определения параметров сохранения устойчивости данных потребителей, а не электротехнической системы как таковой.

4. Исследованиями установлен факт существования характерных траекторий изменения скольжений электроприводов ЭТС — линий стягивания. По данным линиям стремятся развиваться переходные процессы в поле скольжений электроприводов. Предложено обоснование существования линий стягивая.

5. Исследованы некоторые закономерности поведения ЭТС при внутренних возмущениях. Получен общий вид границ устойчивости для однородной асинхронной системы. Показано, что входные электрические величины и величины, характеризующие их изменение, не могут служить признаком текущего режима или положения границ устойчивости.

6. Исследовано движение устойчивых точек в поле скольжения электроприводов при изменении мощности питающей энергосистемы. Установлено существования критических значений мощности питающей энергосистемы, при которых происходит исчезновение промежуточных режимов при внутренних возмущениях, причем промежуточный режим переходит в один из основных скачком.

7. Приведены примеры применения программного комплекса SAD32 для анализа влияния на ЭТС оказываемого пуском мощного асинхронного двигателя.

8. Разработаны алгоритмы автоматического определения параметров статической и динамической устойчивости ЭТС при внешних возмущениях.