Разработка и применение к исследованию режимов электроэнергетических систем программного комплекса с графическим интерфейсом

В настоящей диссертационной работе выполнена разработка программного комплекса с графическим интерфейсом для анализа режимов электрических систем.

Актуальность разработки программных комплексов данного класса определяется значительным расширением и усложнением условий оперативного управления режимами работы объектов электроэнергетических систем, а также качественной и структурной перестройкой электроэнергетики России, созданием нового оптового и розничного рынка электрической энергии (мощности) [1]. В настоящий момент ведение электрического режима складывается под влиянием двух основных, иногда противоречащих друг другу факторов: выбора режимов работы сети с наименьшими потерями электроэнергии и учёта ценовых заявок, формирующихся на новом оптовом рынке энергии и мощности, которые определяют перетоки энергии (мощности) от продавцов к покупателям. При этом, непременным условием ведения режимов является обеспечение надежности электроснабжения [2] и требуемого качества электроэнергии [3].

Дополнительным фактором является нормативная величина потерь электроэнергии в электрических сетях, подлежащая строгому нормированию в соответствии с Положением «Об организации в Министерстве промышленности и энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям». Для учёта этого ограничивающего фактора электросетевые компании должны рассчитывать величину складывающегося баланса по поступлению и полезному отпуску из сети электрической энергии для её последующей покупки на оптовом рынке энергии и мощности с целью покрытия сверхнормативных потерь [1,6].

Для практического осуществления режимов, удовлетворяющих вышеперечисленным факторам, РАО ЕЭС и ОАО «СО — ЦДУ ЕЭС» были изданы два приказа от 09.09.2006 г. № 603 и от 04.08.2006 № 257 [5, 7], предписывающие доукомплектовать и модернизировать оборудование телемеханики (ТМ) на всех 4 генерирующих станциях и охватить весь технологический цикл с формированием базы данных по параметрам и режимам работы основного силового оборудования. Аналогичная работа проводится и в сетевых компаниях.

В этой связи возникает проблема обработки и прогнозирования режимов работы электротехнического оборудования станций и подстанций с учётом информации, записанной от устройств телемеханики, а также данных о возможных ремонтных и аварийных режимах [8].

Данную проблему можно решить путём применения специализированного программного комплекса, существенным образом облегчающего ведение оптимального режима работы энергосистемы, прогнозирования развития аварийных ситуаций и анализ работы релейной защиты и системной автоматики. Наиболее важным элементом его стала бы специализированная компьютерная программа, обеспечивающая автоматическое формирование математической модели локальной энергетической системы, динамически изменяющейся во времени и рассчитываемой в темпе процесса, на основании достоверной информации о характеристиках в анализе рассматриваемых энергообъектов.

Целью данной диссертационной работы является создание программного комплекса с графическим интерфейсом для расчёта и анализа электрических величин в электроэнергетических системах на основе разработанного программного обеспечения и получения с его помощью объективной информации, необходимой для исследования установившихся, аварийных и послеаварийных режимов.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе были решены следующие задачи:

1) разработка алгоритма анализа и расчёта электрических величин в трёхфазных электрических сетях для симметричных режимов и при несимметричных повреждениях;

2) разработка методики, алгоритмов функционирования и программной реализации графического редактора для составления электротехнических схем для переменного трёхфазного, однофазного и постоянного тока;

3) создание универсального алгоритма преобразования графической части электротехнических схем в результирующую схему замещения энергосистемы, реализация алгоритма для метода симметричных составляющих при анализе несимметричных повреждений;

4) разработка методики, алгоритмов контроля правильности начертания электроэнергетических схем и реализация методики и алгоритмов проверки корректности составленных расчётных электрических схем замещения.

Методы и исследования. Для решения поставленных задач использовались методы, основанные на теории преобразования координат и теории матриц, а также современные методы математического моделирования, анализа и расчёта режимов электроэнергетических систем с применением ЭВМ.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов работы обеспечивается применением законов и методов теории электрических цепей, математического анализа и моделирования, корректным использованием методов преобразования координат и двойной факторизации, а также совпадением результатов выполненных расчётов с тестовыми примерами и конкретными расчётами режимов электрических сетей.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Программный комплекс с графическим интерфейсом для исследования режимов электроэнергетических систем.

2.Результаты исследования режимов работы распределительных сетей и параллельной работы мини-ТЭЦ с энергосистемой.

3.Алгоритмы контроля правильности начертания электрических схем и допустимости введённых электрических параметров сети.

Научная новизна.

1. Разработанный программный комплекс отличается от существующих тем, что предложено автоматическое построение схем замещения электроэнергети6 ческих систем по их графическому изображению (схемам электрических соединений) — применена двойная факторизация матриц для сокращения времени счёта и возможности увеличения размерности сети (числа узлов и ветвей) — при анализе режимов энергосистем использованы универсальные алгоритмы визуализации графики сети на любых устройствах отображения информации.

2. Полученные результаты исследования конкретных энергетических систем включают в себя вычисления потокораспределения и потерь мощности, узловых напряжений и токов короткого замыкания во всех ветвях системы на базе универсального алгоритма преобразования графической части электротехнических схем в результирующую схему замещения энергосистемы для метода симметричных составляющих.

3. Предложенные алгоритмы включают в себя, в отличие от известных, перечень возможных ошибок при начертании схем электрических соединений, а также блоки выделения ошибочно воспроизведённых изображений и их визуализацию на экране.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что:

1. Разработанный программный комплекс позволяет ускорить расчёты нормальных и аварийных режимов работы электроэнергетических систем 6/10−500 кВ при принятых допущениях и с приемлемой точностью.

2. Комплекс позволяет рассчитывать сети любой сложности.

3. Комплекс позволяет рассчитывать симметричные и несимметричные короткие замыкания, неполнофазные режимы работы электрической сети, быстро находить ошибки в начертании схем.

4. Примеры расчётов конкретных сетей использованы на предприятии ОСП «Чебоксарские электрические сети» ООО «Коммунальные технологии». Для того же предприятия выполнен энергоаудит с использованием разработанного программного комплекса.

Полученные с помощью разработанного программного комплекса параметры режима позволили адекватно оценить эффективность технических решений по развитию энергетических систем, исследованию и оптимизации режимов 7 работы сети, разработке мероприятий по снижению потерь электроэнергии, а также проведению энергетических экспертиз и аудитов.

Реализация результатов работы. Полученные результаты работы были использованы при создании комплекса программ, специализированных файлов данных и динамической библиотеки для расчёта установившихся симметричных и несимметричных режимов работы трёхфазных электрических систем.

Программный комплекс применялся при расчёте токов трёхфазного короткого замыкания на РП (ТП) 6−10 кВ и установившегося режима сети 6−10 кВ ОСП «Чебоксарские электрические сети» и ОСП «Новочебоксарские электрические сети» ООО «Коммунальные технологии» при проведении энергоаудита. Оценивались режимы работы электрической сети 6−110 кВ при планируемом подключении когенерационных станций в г. Чебоксары. Акты о внедрении прилагаются.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на XX сессии семинара АН России «Кибернетика электрических систем» (Новочеркасск, 1999), Российском национальном симпозиуме по энергетике (Казань, 2001), в «Трудах Академии электротехнических наук» Чувашской Республики (№ 4, 2003), «Вестнике Чувашского университета (№ 2, 2006, № 3,2011).

Публикации. Содержание работы нашло отражение в 10 опубликованных работах автора, из которых 8 наиболее значимые, в том числе 2 работы были опубликованы в рекомендованных ВАК научных сборниках.

1. Борданов С. А. Автоматическое построение схемы замещения на ПЭВМ для расчета и анализа режимов электрических систем / С. А. Борданов, Ю. С. Борданова // Электроснабжение и автоматизация промышленных предприятий, межвузовский сборник научных трудов. Чебоксары: 1997. С. 99−102.

2. Борданов С. А. Визуальный анализ электрических величин при аварийных и анормальных режимах работы электрооборудования // Тезисы докладов XX сессии семинара АН России «Кибернетика электрических систем» по тематике «Диагностика энергооборудования». 1999. № 1. С. 87.

3. Борданов С. А. Программа расчёта токов короткого замыкания в электрических сетях с графическим интерфейсом // Проблемы электроэнергетики на региональном уровне, Межвузовский сборник научных трудов. Чебоксары, 1998. С.42−50.

4. Борданов С. А. Применение информационно-расчетного программного комплекса в производственных службах энергосистем // Приоритетные научно-технические проблемы регион: Сборник научных трудов. Чебоксары, 1999. С. 131−135.

5. Борданов С. А. Комплекс программ с графическим интерфейсом для расчёта электрических величин в электроэнергетических системах / С. А. Борданов, Н. М. Ермолаева, В. А. Щедрин // Труды академии электротехнических наук Чувашской Республики 1999. № 4. С.59−65.

6. Борданов С. А. Комплекс программ с графическим интерфейсом для анализа режимов работы электрических систем методами диакоптики и двойной факторизации / С. А. Борданов, Н. М. Ермолаева, В. А. Щедрин // Материалы докладов Российского национального симпозиума по энергетике (РНСЭ). Казань, Россия, 10−14 сентября 2001 г. Казань, 2001. Т.2. С. 127−130.

7. Борданов С. А. Использование метода двойной факторизации для расчёта режимов электрических систем в реальном времени / С. А. Борданов, Н. М. Ермолаева, В. А. Щедрин // Вестник Чувашского Университета. Естественные и технические науки. 2006. № 2. С. 216−221.

8. Борданов С. А. Нормирование потерь электроэнергии в трёхфазных электрических сетях систем электроснабжения / Борданов С. А., Геркусов А. А.// Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2006. № 5−6. С. 2936.

9. Борданов С. А. Применение систем управления данными с графическим интерфейсом в производственных службах энергосистем // Вестник Чувашского Университета. Естественные и технические науки. 2011. № 3. С. 40−44.

10. Борданов С. А. Программный комплекс с графическим интерфейсом для расчёта режимов электроэнергетических систем // материалы VIII Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике». Чебоксары, 2012. С. 290 -293.

11. Свидетельство № 2 012 619 373 от 16.10.2012 г. о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программный комплекс с графическим интерфейсом для расчёта и анализа электрических величин в электроэнергетических системах «AVE98».

Полученные результаты работы были реализованы в созданном комплексе программ, специализированных файлов данных и динамических библиотек для расчёта установившихся симметричных и несимметричных режимов работы трёхфазных электрических систем.

Диссертационная работа объёмом 185 страниц состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка используемой литературы и приложений, А — Д. Работа содержит 49 рисунков и 33 таблицы.

Список литературы

включает 94 наименования.

выводы.

1. Выполнены тестовые примеры расчёта и анализа электрических величин для продольной и поперечной несимметрии в сетях с глухозаземлённой и изолированной нейтралью, что позволяет оценить работоспособность программного комплекса.

2. Приведены результаты расчёта и анализа электрических величин в Чебоксарских городских электрических сетях.

3. Выполнены расчёты и сделан анализ результатов подключения вновь строящейся когенерационной станции в районе котельной 8−9К г. Чебоксары.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей диссертации разработан программный комплекс расчёта электрических величин в нормальном и аварийных режимах работы энергосистемы при однократной продольно-поперечной несимметрии. Комплекс имеет графический интерфейс, что позволяет рисовать однолинейную схему и накладывать на неё результаты расчёта режимов, что снижает трудоемкость расчётов электрических величин в схемах, уменьшает риск возможных ошибок при вводе топологии схемы и анализе полученных результатов.

Разработанные алгоритмы отображения на схеме элементов сети позволяют отображать на экране любые графические конструкции, определённые пользователем. Набор графических свойств элемента определяется матрицей команд для интерпретатора графического вывода элемента сети на экран схемы. Кроме того, в алгоритме рисования элементов сети на экране предусмотрена возможность выполнения макрокоманд, когда по одной команде оператора возможно рисовать часто повторяющиеся фрагменты сети.

Универсальность разработанных алгоритмов рисования схемы на экране дисплея и автоматического построения математической модели расчётной электрической сети из графического представления схемы позволяет использовать их не только в данной программе, но и в приложениях, разрабатываемых пользователем, исходя из требуемых условий задачи. Гибкость разработанных алгоритмов позволяет рассчитывать электрические величины в однофазных и трёхфазных цепях переменного тока, а также в цепях постоянного тока. Для каждого класса элементов трёхфазной сети пользователем может задаваться правило построения схемы замещения относительно расчётного метода симметричных составляющих или фазных координат.

Разработан алгоритм интерпретатора команд и структура матрицы команд для расчёта электрических параметров элемента сети, при запросе информации из специализированной БД. Таким образом, каждый элемент сети хранит в своих полях данных алгоритм расчёта своих электрических параметров.

Разработан алгоритм, учитывающий слабую заполненность матриц проводимостей, реализующий метод двойной факторизации для расчёта электриче.

132 ских величин в темпе процесса в схемах, содержащих до 98 304 узлов. Высокая скорость расчёта электрических величин при использовании метода двойной факторизации позволяет в полном объёме использовать данные из базы параметров электрического режима, создаваемой устройствами телемеханики, для оценки и прогнозирования режимов в темпе процесса. Предусмотрена возможность передачи в расчётный модуль до 32 дополнительных неэлектрических параметров элемента, таких как термические, механические и иные величины, которые могут быть использованы для уточнённого расчёта электрических величин.

Электрические величины, полученные в результате расчёта программным комплексом приводятся к «своей» ступени напряжения, при этом учитывается группа соединения трансформаторов. При построении схем замещения выполнен учёт взаимной индуктивности воздушных линий электропередач.

В виртуальном классе электрических схем предусмотрена возможность выделения коммутационной аппаратурой нескольких электрически не связанных между собой подсетей и выполнения расчёта электрических величин в каждой из независимых подсетей.

Исходя из сформулированных и записанных в матрицу свойств электротехнических элементов, таких, как источник ЭДС, источник тока, ветвь с сопротивлением, нагрузка и т. п. реализована возможность генерирования входных и выходных форм для элементов сети с учётом разного рода тока.

При помощи разработанного программного комплекса выполнялись расчёты токов трёхфазного короткого замыкания на РП (ТП) 6−10 кВ и установившегося режима сети 6−10 кВ ОСП «Чебоксарские электрические сети» и ОСП «Новочебоксарские электрические сети» ООО «Коммунальные технологии» по подписанным договорам № 23/07−07 от 26.01.2007 г., № 25/07−07 от 29.01.2007 г. между ООО «Инженерный центр» и ООО «Коммунальные технологии» на проведение энергоаудита.

Оценивались режимы работы электрической сети 6−110 кВ при планируемом подключении когенерационных станций в г. Чебоксары. Акты о внедрении прилагаются.

Разработанный программный комплекс возможно использовать как для расчёта электрических величин при симметричных и несимметричных продольно-поперечных повреждениях в сети, так и для расчёта потерь электрической энергии в установившихся режимах работы электрической сети.

Полученный в результате работы программного комплекса расчётный материал позволит адекватно оценить эффективность технических решений по развитию энергетических систем, оптимизации режимов работы сети, разработке мероприятий по снижению потерь электроэнергии, а также проведению энергетических экспертиз и аудитов.