Рындина И.Е.http://www.eps.spbstu.ru/pubs/ryndina_phd.htm Методы компьютерного моделирования для проектирования и анализа режимов систем электроснабженияДиссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. 2000.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.В современных условиях развитие систем электроснабжения и средств автоматического управления ими происходит под действием двух основных факторов: во-первых, все более широким внедрением рыночных механизмов, повышением внимания к показателям качества электроэнергии; во-вторых, - значительным расширением применения микропроцессорной техники, использованием автоматических и автоматизированных систем различных уровней, объединенных средствами передачи информации, способных осуществлять функции экономического управления энергопотреблением в масштабах как субъектов и сегментов рынка, так и всего рынка в целом. В идеале, речь идет о создании единого аппаратно-программного комплекса автоматизированной системы контроля и управления энергопотреблением - АПК АСКУЭ. Для эффективного применения мероприятий по энергосбережению, оптимизации состава оборудования, рационального применения различных мероприятий по компенсации реактивной мощности систем электроснабжения (СЭ) требуется специализированное программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее выполнять многовариантные расчеты режимов с одновременным учетом технических и технологических ограничений и выдачей рекомендации оперативному персоналу. Указанные задачи, в принципе, должны решаться как на стадии проектирования и реконструкции СЭ, так и на этапе эксплуатации. Алгоритм расчета 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 электроснабжения. В частности, обязательному учету подлежат токи намагничивания трансформаторов, потери на возбуждение синхронных двигателей, потери в конденсаторных батареях, дискретность изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора при переключении отпаек РПН. Обязательному учету подлежат и статические характеристики нагрузок, определяющие изменение потребления активной и реактивной мощности при отклонениях напряжения. Программное обеспечение должно, в идеале, выполнять оптимизацию суточных графиков нагрузки предприятия, сигнализировать о приближении к ограничениям технического и экономического характера, обрабатывать заявки на изменение состава оборудования, согласовывая их с заявленными максимальными значениями активной и реактивной мощностей, входить составной частью в АСУ технологического процесса и иметь связи с более высокими уровнями иерархии АСКУЭ. Необходимо отметить, что программы для ЭВМ (ПЭВМ), отвечающие сформулированным требованиям, в настоящее время отсутствуют. Поэтому представляется весьма актуальной разработка необходимого комплекса математических моделей элементов, создание необходимой программной среды и разработка принципиально устойчивого метода расчета режима для решения указанных задач.
Цель диссертационной работы.В соответствии со сказанным, целью работы являлась разработка программного обеспечения для выполнения многовариантных расчетов и оптимизации режимов систем электроснабжения (СЭ) с учетом наиболее значимых факторов, определяющих потребление электрической энергии. Для выполнения сформулированных целей были решены следующие научные задачи:• разработан "конструктор" электрических схем, то есть графический редактор для формирования расчетной схемы системы электроснабжения (энергосистемы), автоматически проверяющий правильность соединения элементов и формирующий математическую модель системы в в иде матриц соединений для последующего использования этой информации для проведения расчетов; • разработан специальный метод решения уравнений, обладающий высокой устойчивостью получения решения, позволяющий выполнять расчеты нормальных, утяжеленных и аварийных режимов; • разработан набор математических моделей элементов системы электроснабжения, предназначенных для решения предложенным методом. Модели включают синхронный двигатель (генератор) с учетом автоматического регулирования возбуждения, двух- и трехобмоточный трансформатор с устройством РПН, реакторы, кабельные и воздушные линии, нагрузки с учетом статических характеристик; • опыт выполнения проектных и расчетных работ обобщен в виде рекомендаций по созданию рационального человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего пользователю психологический комфорт и поддерживающего высокую производительность труда, исключающий ошибки и т.д.; • разработана методика выполнения расчетов электрических режимов СЭ с учетом потерь на возбуждение синхронных двигателей; на базе ее применения сформулированы методические положения по оценке целесообразности привлечения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности системы электроснабжения. Научная новизнаНаучная новизна диссертационной работы определяется разработкой новых принципов организации человеко-машинного интерфейса, позволившего создать эффективную систему расчета, анализа и оптимизации состава оборудования и режимов систем электроснабжения на основе графической поддержки пользователя, обеспечивающей формирование математической модели системы электроснабжения в виде матриц соединений и параметров в табличной форме, разработкой нового метода решения уравнений установившегося режима , обеспечивающего надежную сходимость, выполнением расчетов режимов СЭ с учетом потерь на возбуждение СД. Практическая ценность работы определяется следующим:• разработана программа для ПЭВМ, обеспечивающая 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; • разработана система графической поддержки пользователя на основе применения каталожной базы данных, содержащей изображения элементов энергосистемы, позволяющей эффективно формировать расчетную схему с одновременным составлением модели в виде матриц соединений и таблиц параметров; • выполнено исследование режимов системы электроснабжения и показано, что при рациональном управлении уровнями напряжения можно добиться определенного снижения издержек на оплату электроэнергии при сохранении на заданном уровне производительности механизмов; • разработаны методические положения по оценке целесообразности привлечения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности системы электроснабжения. С помощью разработанного программного комплекса впервые выполнены расчеты режимов системы электроснабжения с учетом потерь на возбуждение синхронных двигателей. Показано, что в условиях типовой системы электроснабжения привлечение СД для компенсации реактивной мощности смежных потребителей является нецелесообразным; • выполнено исследование режимов работы электроэнергетической системы Катара; показано, что на существующем уровне развития сети допустимые уровни напряжений в узловых точках могут быть обеспечены без коренной реконструкции сети за счет применения компенсации реактивной мощности и использования простейших средств регулирования напряжения. Апробация работы.Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили одобрение на научных семинарах кафедры "Электрические системы и сети" СПбГТУ, на научно-технических конференциях: "Фундаментальные исследования в технических университетах" (С.-Петербург, 16 - 17 июня 1997 г., 25 - 26 июня 1998 г.); научно-практической конференции "Технология энергосбережения" (С.-Петербург, 29 - 30 марта 2000 г.); Non-destructive Testing and Computer Simulation in Science and Engineering (St.-Petersburg, Russia, D.23, 8-12 June, 1998). Публикации.По результатам работы опубликовано 5 печатных работы. Структура и объем диссертации.Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, изложенные на 155 страницах. Содержит 60 рисунков, 20 таблиц, список литературы из 137 наименований. Общий объем работы 169 страниц. |