автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Методы и алгоритмы компьютерного проектирования и анализа режимов систем электроснабжения

РГб од

- окт М

На правах рукописи 0%) 1Л1

Эль Кассуф Жорж Ибрагим

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1999

Работа выполнена на кафедре "Электрические системы и сети" Санкт-Петербургского государственного технического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

C.B. Смоловик

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Б.Н. Абрамович

Ведущая организация - АО НИИПТ

Защита состоится "21 " мая 1999 г. в 10 часов на заседании диссертационного Совета К 063.38.24 при Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, С.-Петербург, Политехническая ул., 29, Главное здание, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке университета.

кандидат технических наук С.А. Мельничников

Автореферат разослан

1999 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета

К 063.38.24 K.T.U., доцент

В.А. Масленников

уШ-абс не, о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Несмотря на значительную структурную перестройку народного хозяйства России, около 50% электрической энергии расходуется на производственные пели. В то же время кардинально изменилась (и, по-видимому, будет продолжать меняться) и тарифная политика энергосистем в отношении потребителей. В связи с введением новых принципов расчета энергосистем с промышленными предприятиями за потребление электроэнергии, основанных на значительном росте, начиная с 1994 года, тарифных ставок за активную и реактивную мощность (энергию), особую актуальность приобретает внедрение в системах электроснабжениия (СЭ) мероприятий, направленных на оптимизацию режимов их работы. В последнее время весьма существенное влияние на характеристики электрических режимов предприятий оказывает неполная загрузка их оборудования. В этих условиях для эффективного применения мероприятий по энергосбережению, оптимизации состава оборудования, рационального применения различных мероприятий по компенсации реактивной мощности требуется

специализированное программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее выполнять многовариантные расчеты режимов СЭ 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. В соответствии со сказанным, 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 учегу 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.

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 виде 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.;

• разработаны методические положения по оценке целесообразности привлечения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности системы электроснабжения.

Научная 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 парамегров в

4

табличной форме, разработкой нового метода решения уравнений установившегося режима, обеспечивающего надежную сходимость. 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;

• 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: 9!h International Power System Conference (St.-Petersburg, 4-7 July, 1994), "Фундаментальные исследования в технических университетах" (С.Петербург, 16-17 июня 1997 г., 25 - 26 июня 1998 г.).

Публикации. По результатам работы опубликовано 3 печатных работы. Структура и объем Диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, изложенные на 97 страницах. Содержит 22 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 133 наименований. Общий объем работы 134 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки, определены цели и основные задачи диссертации.

Глава 1 посвящена общим вопросам создания программного обеспечения для расчета электрических режимов систем электроснабжения.

Основной проблемой современных систем электроснабжения является оптимизация структур и режимов, особенно в свете борьбы с непроизводительными потерями электроэнергии. Прогресс, достигнутый в разработке программного обеспечения, привел к созданию новых программных и информационных средств (баз данных, банков алгоритмов, интерактивных систем), использование которых позволило объединить программы, которые ранее использовались автономно.

Развитие аппаратуры по пути уменьшения стоимости процессоров, запоминающих устройств и значительного увеличения возможностей графических периферийных устройств (графопостроителей) позволило объединить все эти возможности информатики в новой форме взаимодействия человека и ЭВМ - создании систем автоматического проектирования - САПР .

В САПР человек и машина объединяются для того, что бы решать задачи создания новых концепций, требующих оригинальных подходов. Эта система решает задачи проектирования проще и эффективнее, чем человек или машина в отдельности. Конечной целью является разработка системы, которая, начиная с постановки задачи и кончая изготовлением (проектированием), создает окончательное изделие, удовлетворяющее поставленным требованиям.

Эта цель достигается осуществлением трех условий: непосредственным взаимодействием между инженером и ЭВМ в диалоговом режиме, позволяющем корректировать сам проект и процесс его разработки; наличием совокупности взаимодействующих периферийных графических устройств, которые устраняют языковое несоответствие между человеком и машиной; использованием базы данных, позволяющей размещать, модифицировать и переносить в реальном масштабе времени надежные технические данные.

Если использовать диалоговую систему с графическим взаимодействием, то фаза ручной обработки данных, соответствующих замыслу разработчика, сокращается, благодаря непосредственному графическому обмену информацией. В результате достигается значительный выигрыш во времени и сокращение числа ошибок. Проектировщик получает возможность за минимальное время проверить большое число технических решений, соответствующих его опыту и представлению.

Разработанную программную среду можно использовать в качестве советчика диспетчера системы электроснабжения для проведения расчётов оценки допустимости тех или иных режимов СЭ или для введения режима в область желательных параметров, а также для планирования учета электрической энергии и оптимизации ее расхода.

Однако указанные возможности и достоинства системы

автоматизированного проектирования проявляются только при соблюдении целого ряда технических, экономических, психологических и эргономических ограничений.

Интерфейс пользователя или человеко-машинный интерфейс (Man-Machine Interface - MMI) - это важнейший элемент компьютерных систем. Как следует из названия, назначение этого интерфейса - обеспечить обмен информацией между пользователем и управляемым объектом (компьютером или технической системой). Хорошо организованный интерфейс пользователя не только делает рабочую обстановку более приятной, но и помогает уменьшить число ошибок и, таким образом, ограничить возможный ущерб. Более того, хороший интерфейс пользователя лает пользователю возможность понять функции технической системы или программы.

Интерфейс пользователя выполняет свое назначение, если реально преодолевает зазор между машиной и действительными намерениями пользователя. Однако, весьма часто понятие "дружественный интерфейс" воспринимается как самоцель и очень часто понимается только как "побольше цветных картинок на экране", использование определенной системы "окон" или поддержку диалога с пользователем на каком-либо национальном языке. На самом деле правильное применение эргономики означает гораздо большее. Если в предлагаемой системе нет уважения к основным эргономическим принципам, разумно заключить, что вся система беспорядочна. Изощренный интерфейс с окнами, иконками и цветной графикой может быть использован для того, чтобы скрыть плохие характеристики системы. Если же интерфейс пользователя легко понимается и используется, тогда скорее всего и техническая система (программа), которую он представляет, хорошо структурирована. Принципы эргономики помогают в оценке качества интерфейса пользователя, а в ряде случаев и самой программы.

Психология - наука о человеческом поведении и опыте, и о соответствующих умственных процессах. Многие результаты, полученные в ходе психологических исследований, напрямую используются в разработках интерфейсов пользователя. Особенно важными являются результаты, касаюшиеся познания и восприятия (то есть постижения чего-либо посредством чувств), запоминания и обработки информации. Используя эти возможности, человек приобретает знания, решает проблемы и планирует будущее. Экспериментальным путем возможно собрать информацию о психологических и познавательных процессах и сфоить соответствующие модели. Основы теории восприятия и запоминания уже разработаны и проверены экспериментально. Эта теория дает основания для проектирования интерфейса пользователя и является предметом рассмотрения первой главы.

7

Во второй главе рассмотрена методика расчета электрических режимов систем электроснабжения. Выполнено сопоставление наиболее наиболее распространенных численных методов решения уравнений узловых напряжений

и'г^-ЪГу-и]- 4-= 0, *-]....п. (1)

и!

Уравнения (1) могуг быть записаны в виде одного матричного уравнения:

С(г) = 0, (2)

Уравнения установившегося режима работы энергосистемы (1), (2) нелинейны и могут быть решены итерационными методами. Общая итерационная схема решения уравнений (2) может быть записана в матричном виде:

г'+1 = 1'+/Г-С(г'), (3)

где Л5 - некоторые неособенные матрицы.

Различный выбор матриц Л* приводит к разным итерационным методам. При выборе наиболее эффективных итерационных методов для решения уравнений установившегося режима необходимо учитывать следующие основные факторы: способность метода выделить среди многих решений уравнений установившегося режима решения, соответствующие статически устойчивым режимам энергосистем; обеспечение сходимости итерационного процесса во всей области устойчивых режимов; быстроту сходимости итерационного процесса и быстроту получения решения при реализации метода в программах для ЭВМ; объём требуемой памяти ЭВМ.

В последние годы всё большее применение в расчётах установившихся режимов энергосистем получает метод Ньютона и его модификации, связанные с введением в вычислительный процесс некоторого коэффициента - параметра, вычисляемого по различным алгоритмам (метод «по параметру»). Практическое широкое применение метода Ньютона и его модификаций в расчётах на ЭВМ стало возможным благодаря разработке высокоэффективных алгоритмов решения линейных уравнений на шаге процесса Ньютона с учётом слабой заполненности матрицы Якоби уравнений установившегося режима.

Метод Ньютона весьма чувствителен к выбору начального приближения и характеру нелинейности решаемых уравнений. Чем ближе уравнения к линейным и чем ближе к решению начальное приближение, тем лучше сходимость метода. В системах с плохо обусловленной матрицей Якоби метод Ньютона может не сходиться. Плохая обусловленность является следствием сильной неоднородности параметров схем замещения энергосистем, а также

близости искомого установившегося режима к границе апериодической устойчивости энергосистемы (для сложных систем). Неоднородность параметров характерна для схем замещения систем электроснабжения, что и потребовало разработки метода решения, обладающего повышенной устойчивостью. При разработке методики исходили из следующих особенностей моделируемых объектов:

1. Значения напряжений неотрицательны и область их изменения ограничена.

2. Параметры, используемые в качестве параметров режима, изменяются в известных пределах (Рнагр. и исист.)

3. Для решения больших систем уравнений ( от нескольких десятков и более ) лучше пользоваться методами типа простои итерации, то есть не требующих, в отличие от методов Ньютона, Ньютона-Рафсона ни вычислений производных, ни работы с матрицами.

4. Из общей теории численного решения систем нелинейных уравнений известно, что метод простой итерации для систем уравнений Х1=1ч(Х), Л' .V/, х2-Х,, дает сходимость в некоторой области (7 изменения параметров X, если выполняется одно из двух условий:

£Л/„ < 1 или УМи < 1, где А/ = /пах

, ] 'о дх1

(исходим из того, что частные производные существуют и непрерывны в С). Однако, провести анализ системы уравнений баланса для схемы произвольной структуры с этих позиций затруднительно.

При построении алгоритма решения следует исходить хотя бы из требования М/ I

5. Для того, чтобы обеспечить максимальную сходимость итерационного процесса, используется следующий прием. В качестве исходного приближения берем, например, Ином.о- При задании нового режима работы мы фактически вводим в систему уравнений возмущение по ряду параметров и сходимость итерационного процесса в случае наличия нелинейных уравнений становится зависящей от абсолютных величин задаваемых рассогласований и характера их изменения по мере распространения возмущений в расчетной схеме. Для уменьшения возмущений, вносимых в систему, используем метод продолжения, который заключается в постепенном переходе к искомому решению, определяемому параметром режима а2 через ряд стационарных состояний, определяемых параметрами

а1=а0+(а2-аа)-1~, //,... к, (4)

где а0 - значение параметра режима известного решения, г - номер промежуточного стационарного состояния,

к - их общее количество.

В нашем случае основным "возмущающим" параметром режима является напряжение системы. Поэтому данную процедуру применяем в первую очередь к этой величине.

Проиллюстрируем принцип работы предлагаемой вычислительной схемы на

простом примере расчетной модели, приведенной на рис. 1.

©

Рис.1. Простейшая расчетная схема. Для этого случая:

U2=Ux-l2-Z.

/2 =

U j = £/0 = const "i

U2

Исходное приближение U\-ll2=Uo. .S'

U[n) =U x-Z-l[n)

l2 ~

u<rx>

Докажем, система сходится к точному решению. Ее решение эквивалентно решению уравнения:

и2

Полученное уравнение будем решать методом последовательных приближений, то есть по следующей схеме:

г-8

U[n,=Ul -

Докажем аналитически, что процесс сходиться. Пусть II * - точное решение. Обозначим

(п-\)

(4)

где С

[/<"> =I/

г«;

Jn>

- ошибка на и-ом шаге итерационного процесса.

ю

Согласно (4):

Покажем, что У"' < и \е<п)\ 0.

Ill II 1И-МО

и* + с",>= "У2'3, . (5)

Пусть £("-1> « и*.

Разложим правую часть (5) в ряд Тейлора в точке II* и ограничимся первыми двумя членами:

U' + е(п> =Ul -Z- S

1

.и' аГ)\

(учитывая что —-— = — - — +...).

х + 5 X г-

Перепишем предыдущее выражение в следующем виде:

Jn)

(п-\)

(6)

и (U )

при и* > I » е(п~" => Согласно (6):

JD Jn-l) Jn>

J"+V __ ь fn+ki ь n r r*L ,

е =—гт5—гт^ 8 -—гтг 0 ПРИ Р к1-(и )2 (V / (И )и *-»» I I

Таким образом, метод обладает абсолютной сходимостью. В практике эксплуатации программы случаи расходимости вычислительной схемы, даже при задании ошибочных исходных данных, не наблюдались. Иллюстрации сходимости метода при выполнении численных экспериментов иллюстрируется рис.2.

В заключительной части главы 2 рассмотрены вопросы привлечения синхронных электродвигателей к компенсации реактивной мощности. Получены выражения, определяющие располагаемую реактивную мощность в зависимости от режима работы двигателя. Анализ целесообразности привлечения СД к КРМ предлагается проводить на основе выражения

АРд О, 1)2 0Сд

кВт

кВар

(7)

Осд (?сди Ясдн Ясди где О/ и />2 - расчетные величины, зависящие от параметров конкретного двигателя, кВт. Для быстроходных мощных СД при Осд Ос;щ характерны соотношения А1'о Осд 2 1.5%. Для явнополтосных двигателей (п<3000 об/мин), в особенности малой мощности / г/;//<! 000кВт, характерно ЛРр Осд 1,5%.

Потери на возбуждение синхронных двигателей должны сопоставляться с дополнительными потерями во внешней сети, связанными с протеканием

и

потоков реактивной мощности. Чем выше активные сопротивления питающей сети, тем выгоднее привлечение СД к компенсации. Вопрос об использовании СД должен решаться на основе анализа расчетов установившихся режимов работы СЭ.

В третьей главе рассмотрены особенности и характеристики разработанной САГГР электрических схем систем электроснабжения. Даны иллюстрации особенностей описания структуры СЭ.

Входные данные представляются в виде изображения электрической схемы на экране дисплея. Изображение формируется пользователем при помощи манипулятора типа "мышь" путем работы с программой конструктора электрической схемы. Программа конструктора позволяет пользователю выбирать элементы оборудования электрических схем из каталогов, расставлять элементы на экране, проводить соединения между элементами. При ошибках в конструкции электрической схемы выдаются сообщения пользователю в графической или текстовой форме. Правильность действий оператора контролируется системой. Одновременно с формированием расчетной схемы составляются матрицы соединений и таблицы расчетных параметров.

Для оценки работоспособности программного комплекса были выполнены расчеты установившегося режима работы системы электроснабжения обогатительной фабрики, включающей в себя пульпонасосную станцию и насосную оборотной воды. Электроснабжение фабрики осуществляется от подстанции с двумя понижающими трансформаторами 2*ТДН 16000/110, которая получает энергию от энергосистемы по двум воздушным линиям (провод АС 150/24), длиной 18 км. От трансформаторов энергия передается по кабелям 3*(3*240) АСБ на распределительные шины 6 кВ, от которых питаются насосы (суммарная активная мощность нагрузки 13,8 МВг). От этих же распределительных шин энергия передается по кабелям 2*(3*185) ААВШУ к распределительным шинам пульпонасосной станции, от которых питаются землесосы (суммарная активная мощность нагрузки 19,8 МВт). В состав системы электроснабжения входит нерегулируемая конденсаторная батарея (КБ) мощностью 2 МВАр.

Расчетная схема и результаты расчета одного из установившихся режимов приведены на рис. 3. В основном расчетном (проектном) режиме отмечаются повышенные уровни напряжений у электроприемников предприятия. Вследствие завышения напряжения имеют место повышенные расходы активной и реактивной электрической энергии. Упорядочение напряжений (в сторону их снижения) путем регулирования отпаек трансформаторов позволит сократ ить расходы электрической энерг ии и получить экономию на ее оплате.

Для достоверного воспроизведения характеристик потребления мощности были учтены статические характеристики нагрузки. При изменении коэффициента трансформации, что может сделать оператор, пользуясь данными измерений или используя данное программное обеспечение, можно понизить напряжение на нагрузке и снизить потребление активной мощности.

Характер работы насосов и землесосов таков, что время их включенного состояния составляет 8700 часов в год. При стоимости электроэнергии (переменной части тарифа) 0,24 рублей за 1 кВт.ч за счет управления режимами напряжения можно достичь экономии 12 068 ООО рублей, то есть порядка 8-12% от полной суммы платы за использованную электроэнергию.

В четвертой главе выполнен анализ установившихся режимов электроэнергетической системы Катара. Характеристики ЭЭС Катара иллюстрируются таблицей 1:

Нагрузка ЭЭС Катара в 1999 году.

Вид нагрузки Летний максимум Р, МВт 0, МВар Зимний минимум Р, Мет О, МВар

Бытовая 1075 (69.6%) 666.3 215 (52.2%) 98.4

Промышленная 357 (23.1%) 172.9 142.8 (34.8%) 32.6

Опреснительная 63 (4%) 30.5 53 (13%) 24.2

Потери 49 (3.2%) 12.2 (3%)

Всего 1544 423

Максимальная генерация (фактор разброса 0.97) 1497 411

ЭЭС Катара характеризуется достаточно развитой сетью напряжения 66 кВ, наличием кольцевой сети 132 кВ и началом сооружения сети 220 кВ. Второе замкнутое кольцо ВЛ 132 кВ обеспечивает электроснабжение локальной группы промышленных потребителей на восточном берегу полуострова Катар, южнее г. Доха.

Анализ установившегося режима работы обнаружил перегрузку ряда воздушных и кабельных линий электропередачи, в основном в сети 66 кВ, причем ряд линий перегружен на 85 - 115 %, что говорит, скорее всего, об ошибках проектирования. Остальные перегруженные линии несут нагрузку, превышающую номинальную на 30-35%. Дальнейший анализ позволил

рекомендовать повышение напряжений в системообразующей сети, некоторое понижение напряжений у потребителей и масштабную компенсацию реактивной мощности потребителей (при полном внедрении данного мероприятия - порядка 300 МВАр). Реализация комплекса данных мероприятии обеспечивает стабилизацию уровней напряжений и приводит к значительному снижению потерь в сети - на величину порядка 10 МВт, что обеспечивает значительную экономию средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработано ядро системы автоматизированного проектирования систем электроснабжения для использования на ПЭВМ типа РС/АТ486/Репиит. Система отличается широким использованием графических возможностей современных ПЭВМ и удобством в работе.

Одним из результатов работы явилось создание графического редактора, позволяющего по заданной конфигурации схемы электроснабжения обеспечить ввод всех параметров элементов и составить многовариантные числовые файлы, позволяющие выполнить электротехнические расчеты, необходимые при выборе оборудования и оптимизации режимов системы электроснабжения. При составлении схемы выполняется проверка правильности соединения элементов.

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, исключающего ошибки и т.д.

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.

Разработаны методические положения по оценке целесообразности привлечения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности системы электроснабжения.

Выполнено исследование режимов системы электроснабжения и показано, что при рациональном управлении уровнями напряжения можно добиться определенного снижения издержек на оплату электроэнергии при сохранения на заданном уровне производительности механизмов.

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. Указанные мероприятия обеспечивают заметную экономию капиталовложений и снижение потерь.

Таким образом, в диссертации дано решение научной проблемы, заключающейся в разработке принципов графической поддержки задач электротехнических расчетов систем электроснабжения и создан программный комплекс, позволяющий выполнять оптимизацию режимов и состава оборудования для систем, имеющих радиальную структуру.

Разработанную программную среду можно использовать в качестве советчика диспетчера системы электроснабжения для проведения расчетов оценки допустимости тех или иных режимов системы или для введения режима в область желаемых параметров.

Основные положения диссертации отражены в публикациях:

1. Эль-Кассуф Ж., Рындина И.Е. «О сходимости алгоритма расчета электрических схем, основанного на встречном расчете токов и напряжений» // Материалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПбГТУ, 1997.

2. Эль-Кассуф Ж., Рындина И.Е. « Программное обеспечение для проектирования и анализа режимов электропотребления систем электроснабжения» // Материалы научно-технической конференции "Фундаментальные исследования в технических университетах", СПбГТУ, 1998.

3. G.I. El-Kassouf, S.N. Romanov, S.V. Srnolovik «Software with graphic interface for computing steady-state performance of electric power supply system» Proceedings of the 9Л International Power System Conference, St.-Petersburg, 4-7 July, 1994, Volume 1

Рис. 2. Пскэютсли сходимости алгоритма расчстп напряжении.

Рис.3. Схема и режим системы электроснабжения.

е>7- чч-ъ/шв- 9

Санкт-Петербургский Государственный Технический

Университет

МЕТОДЫ И АЛГОРИТМЫ КОМПЬЮТЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА РЕЖИМОВ СИСТЕМ

ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции (электрическая часть), сети, электроэнергетические системы и управление ими

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор С.В. Смоловик

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................................................5

ГЛАВА 1. Вопросы создания программного обеспечения для

расчета электрических режимов систем электроснабжения..............10

1.1. Задачи расчета электрических режимов и проектирования СЭ... 10

1.2. Интерфейс пользователя......................................................................................................14

1.2.1. Требования к человеко-машинному интерфейсу..........................................14

1.2.2. Психология и познание..........................................................................................17

1.2.3 Уровни действий....................................................................................19

1.2.4. Ошибки...................................................................................................22

1.2.5. Мысленные модели сложных систем........................................................................24

1.2.6. Управление сложностью объектов.....................................................26

1.2.7. Интерфейс пользователя как средство работы со сложными объектами.......................................................................................27

1.2.8. Оборудование для интерфейса пользователя................................................29

1.2.9. Практический подход к разработке интерфейса пользователя .... 31

1.2.10. Меню............................................................................................................................................40

1.3. Задачи диссертации..................................................................................................................41

ГЛАВА 2. Методика расчёта электрических режимов систем

электроснабжения..........................................................................................................................................45

2.1 Обзор методов расчета режимов................................................45

2.1.1 Метод простой итерации и метод Гаусса-Зейделя......................................46

2.1.2. Метод Ньютона............................................................................................................................49

2.1.3. Характеристики широко используемых программ....................................53

2.2 Описание структуры системы электроснабжения......................................54

2.2.1. Электрическая схема как многосвязный граф................................................54

2.2.2. Построение графических образов узлов графа..............................................56

2.2.3. Пользовательский формат представления данных....................................57

2.2.4. Формат данных в системе автоматизированного проектирования электрических схем энергосистемы............................58

2.2.5. Представление элементов...............................................................................58

2.3. Модели для расчета установившегося режима СЭ................................61

2.3.1. Модели нагрузок......................................................................................................................63

2.3.2. Модели генерирующих источников......................................................................64

2.3.3. Модели трансформаторов..............................................................................................66

2.3.4. Модель линии электропередачи..............................................................................67

2.4. Методика решения уравнений....................................................................................68

2.5. Оценка возможности и экономической целесообразности привлечения синхронных электрических двигателей к компенсации реактивной мощности ......................................................................................................72

2.5.1. Располагаемая реактивная мощность синхронных двигателей и ее определение ..............................................................................................................................72

2.5.2. Экономическая целесообразность привлечения синхронного электродвигателя к генерации реактивной мощности ............76

ГЛАВА 3. Особенности и характеристики разработанной САПР

электрических схем систем электроснабжения......................79

3.1. Характеристики системы автоматического проектирования СЭ ... 79

3.2. Описание работы программы..........................................................................................81

3.3. Пример расчета и оптимизации электрического режима

системы электроснабжения...........................................................................84

ГЛАВА 4. Анализ и оптимизация режимов энергосистемы Катара....... 109

4.1. Информация об энергосистеме Катара................................. 109

4.2. Результаты предварительных расчетов установившихся

режимов........................................................................ 112

4.3. Оптимизация режимов ЭЭС Катара.................................... 112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................ 124

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................... 126

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Несмотря на значительную структурную перестройку народного хозяйства России, около 50% электрической энергии расходуется на производственные цели [16, 50, 69, 75, 91]. В то же время кардинально изменилась (и, по-видимому, будет продолжать меняться) и тарифная политика энергосистем в отношении потребителей. В связи с введением новых принципов расчета энергосистем с промышленными предприятиями за потребление электроэнергии, основанных на значительном росте, начиная с 1994 года, тарифных ставок за активную и реактивную мощность (энергию), особую актуальность приобретает внедрение в системах электроснабжениия (СЭ) мероприятий, направленных на оптимизацию режимов их работы. В последнее время весьма существенное влияние на характеристики электрических режимов предприятий оказывает неполная загрузка их оборудования. В этих условиях для эффективного применения мероприятий по энергосбережению, оптимизации состава оборудования, рационального применения различных мероприятий по компенсации реактивной мощности требуется специализированное программное обеспечение для ПЭВМ, позволяющее выполнять многовариантные расчеты режимов СЭ 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. В соответствии со сказанным, 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 [10,15, 24, 35, 41, 42, 53, 84]. 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.

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 виде 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.;

• разработаны методические положения по оценке целесообразности привлечения синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности системы электроснабжения.

Научная 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. 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 и определение режимов, оптимальных с точки зрения энергопотребления;

• разработана система графической поддержки пользователя на основе использования 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;

• 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: 9th International Power System Conference (St.-Petersburg, 4-7 July, 1994), "Фундаментальные исследования в технических университетах" (С.Петербург, 16 -17 июня 1997 г., 25 - 26 июня 1998 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, четыре главы, заключение, изложенные на 97 страницах. Содержит 22 рисунка, 19 таблиц, список литературы из 133 наименований. Общий объем работы 134 страницы.

Таким образом, в диссертации дано решение научной проблемы, заключающейся в разработке принципов графической поддержки задач электротехнических расчетов систем электроснабжения и создан программный комплекс, позволяющий решать задачи оптимизации режимов и состава оборудования для систем, имеющих радиальную структуру. Приведен пример расчета и оптимизации режимов достаточно простой системы электроснабжения. Показано, что за счет рационального управления уровнями напряжения можно добиться существенного снижения издержек на оплату электроэнергии при сохранении на заданном уровне производительности механизмов.

Разработанную программную среду можно использовать в качестве советчика диспетчера системы электроснабжения для проведения расчетов оценки допустимости тех или иных режимов системы или для введения режима в область желаемых параметров.

ГЛАВА 1. Вопросы создания программного обеспечения для расчета электрических режимов систем электроснабжения.

1.1. Задачи расчета электрических режимов и проектирования СЭ.

Влияние системы электроснабжения на производственные процессы весьма велико. Проектирование электроустановок и систем электропривода должно проводиться в комплексе с проектированием системы электроснабжения при обязательном учете всего многообразия рабочих, аварийных и послеаварийных режимов и учете показателей качества электрической энергии.

Основной проблемой современных систем электроснабжения является оптимизация структур и режимов, особенно в свете борьбы с непроизводительными потерями электроэнергии. Решению этой важной задачи традиционно уделялось значительное внимание российских ученых и специалистов: Абрамовича Б.Н. [1], Вагина Г.Я. [7, 8], Гамазина С.И. [12, 13], Ермилова А.А . [24], Жежеленко И.В. [25 - 27], Железко Ю.С. [28 -33], Карпова Ф.Ф. [41], Кудрина Б.И. [8, 52, 53], Кучумова Л.А. [54], Мукосеева Ю.Л. [62], Папкова Б.В. [69 -71], Праховника A.B. [81, 82], Солдаткиной Л.А. [41, 86]. Общие вопросы оптимизации режимов электрических сетей рассмотрены в работах Арзамасцева Д.А. [4], Веникова В.А. [10, 84], Идельчика В.И. [10, 36], Карпова Ф.Ф. и Солдаткиной Л.А. [41, 86]. Автоматизации проектирования и применению ЭВМ для управления режимами СЭ посвящены работы [3, 9, 12, 13, 14, 20, 21,23,37,44-47,51,55, 59, 60, 66, 72, 82, 83,91,93, 101, 112, 118, 120].

За последние десять-пятнадцать лет уменьшение стоимости расчетов и совершенствование персональных компьютеров, возможности которых часто превосходят возможности больших ЭВМ предыдущего поколения, позволили в проектных и технических подразделениях увеличить

количество специализированных программ расчетов, касающихся решения отдельных электротехнических задач, что обусловливало их применение лишь в ограниченных областях технического проектирования (при расчетах установившихся режимов, токов короткого замыкания, термической стойкости, устойчивости параллельной работы и т. д.). Прогресс, достигнутый в разработке программного обеспечения, привел к созданию новых программных и информационных средств (баз данных, банков алгоритмов, интерактивных систем), использование которых позволило объединить программы, которые ранее использовались автономно.

Наконец, современное развитие аппаратуры по пути уменьшения стоимости процессоров, запоминающих устройств и значительного увеличения возможностей графических периферийных устройств (графопостроителей) позволило объединить все эти возможности информатики в новой форме взаимодействия человека и ЭВМ - создании САПР [12, 22,124].

В САПР человек и машина объединяются для того, что бы решать задачи создания новых концепций, требующих оригинальных подходов. Эта система решает задачи проектирования проще и эффективнее, чем человек или машина в отдельности. Конечной целью является разработка системы, которая, начиная с постановки задачи и кончая изготовлением (проектированием), создает окончательное изделие, удовлетворяющее поставленным требованиям [12, 27, 29, 38, 40, 57, 60, 75, 83, 91, 114, 122, 124].

Эта цель достигается осуществлением трех условий: непосредственного взаимодействия между инженером и ЭВМ в диалоговом режиме, позволяющем корректировать сам проект и процесс его разработки; наличием совокупности взаимодействующих периферийных графических устройств, которые устраняют языковое несоответствие между человеком и машиной; использованием базы данных, позволяющей размещать,

модифицировать и переносить в реальном масштабе времени надежные технические данные [124].

Кроме возможности размещения информации и взаимодействия человек-машина, которую обеспечивает ЭВМ, основным свойством всех САПР является информационная модель. В программе САПР модель является ключом всей системы, однако, если основное качество средств САПР зависит от качества модели, то их пригодность в исследовательских лабораториях зависит от качества интерфейса человек-машина, которое обеспечивают эти средства. Слишком сложные модели не будут иметь никаких преимуществ, если их использование требует длительной подготовки и заставляет реша�