Geum.ru

Блоки расчета токов короткого замыкания и моделирования электромеханических переходных процессов в пвк анарэс-2000

Вид материалаДокументы

Содержание


Блок моделирования электромеханических переходных процессов «Динамика»
Уравнения для синхронной машины
Подобный материал:

Блоки расчета токов короткого замыкания и
моделирования электромеханических переходных процессов в ПВК АНАРЭС-2000


Осак А.Б., Домышев А.В., Ушаков Е.И.

ИСЭМ СО РАН, г. Иркутск

Тел.: (3952) 42-84-18, e-mail: mail@anares.ru

С середины 90-х годов в составе ПВК АНАРЭС успешно функционируют блоки расчета токов коротких замыканий (ТКЗ) и моделирования электромеханических переходных процессов. В настоящее время завершена разработка аналогичных расчетных блоков для ПВК АНАРЭС-2000.

Блок расчета токов коротких замыканий


Блок ТКЗ предназначен для расчета переходных и сверхпереходных, симметричных и несимметричных коротких замыканий (КЗ) (при однократной несимметрии). В расчетах применяется метод симметричных составляющих (симметричных координат).

В модели электроэнергетической системы (ЭЭС) используемой для расчета ТКЗ, участвуют синхронные машины и асинхронные двигатели своими переходными и сверхпереходными сопротивлениями и ЭДС. В синхронных машинах учитываются различия в параметрах по продольной и поперечной осям. Для расчета токов несимметричного короткого замыкания учитываются группы соединения трансформаторов. Линии электропередачи представляются П-образной схемой замещения. Если рассматривается короткое замыкание на линии, то линия моделируется в виде двух П-образных участков, параметры которых определяются программой.

Блок ТКЗ позволяет проводить одиночные и циклические расчеты однократных коротких замыканий различных типов (1-, 2-, 3- фазные КЗ, 2- фазное КЗ на землю). Возможен автоматический расчет сери КЗ – циклический расчет.

Точки КЗ могут находиться в узлах и/или на линиях. После проведения расчета для анализа доступны токи и напряжения в узлах и ветвях по фазам А, В, С, а также по прямой, обратной и нулевой последовательностям. Кроме того, определяются фазные токи и токи последовательностей синхронных и асинхронных генераторов и двигателей.

Для проведения расчета ТКЗ требуется рассчитанный установившийся режим, предшествующий КЗ, на основе которого определяются расчетные модули и фазы ЭДС генераторов и двигателей. Расчет предшествующего режима выполняется автоматически с помощью блока расчета установившегося режима ПВК АНАРЭС-2000.

Топология и параметры расчетной схемы автоматически считываются из расчетной схемы установившегося режима. Для проведения расчета ТКЗ необходима дополнительная информация по элементам схемы: по генераторам, по синхронным компенсаторам, по синхронным и асинхронным двигателям, по трансформаторам (группа соединений), которая задается в базе данных ПВК АНАРЭС-2000.

В новой версии блока ТКЗ учитываются требования руководящих указаний по расчету токов короткого замыкания и выбору электрооборудования (РД 153-34.0-20.527-98).

Следует отметить некоторые отличия в постановке задачи при расчете ТКЗ для задач выбора оборудования, задач выбора уставок релейной защиты и автоматики (РЗА), проверки защит и определения мест повреждения (ОМП) на линиях электропередачи.

Для задач выбора и проверки оборудования необходимо определение максимальных токов, протекающих по проводникам и электрическим аппаратам (токопроводам, разъединителям, выключателям и другому оборудованию) для оценки термической устойчивости и механической прочности от динамических ударов. Для этого на шинах, вводах и других точках электростанций и подстанций необходимо моделирование различных видов КЗ и определение максимальных токов, протекающих в этих элементах.

Для задач выбора уставок РЗА необходимо определение максимальных токов для отстройки от КЗ, происходящих вне зоны действия проверяемой защиты, и минимальных токов КЗ для проверки чувствительности. Причем для каждого вида РЗА могут учитываться только определенные виды замыканий. Для этого на шинах станций, трансформаторах, генераторах, ЛЭП необходимо моделирование различных видов КЗ и определение токов КЗ, протекающих через трансформаторы тока, к которым подключена защита, и напряжений на трансформаторах напряжения.

Для задач проверки правильности срабатывания защит (проверка селективности) и ОМП необходимо моделирование заданного вида КЗ и определение токов КЗ и напряжений на всех заданных элементах сети. При проверке защит это точки подключения трансформаторов тока и напряжения, а при ОМП это точки подключения фиксирующих приборов, осциллографов и регистраторов.

Для решения всех перечисленных задач могут быть использованы единая математическая модель и алгоритмы расчета, что упростит работу с комплексом. Поэтому для ПВК АНАРЭС-2000 предполагается разработка блока ТКЗ, позволяющего решать все эти задачи.

Как уже говорилось, для точного расчета ТКЗ необходимо знать параметры предшествующего КЗ режима для определения модулей и фаз ЭДС генераторов и двигателей. Во многих существующих программах расчета ТКЗ либо не учитывается предшествующий КЗ режим, либо необходимо вручную вносить параметры предшествующего режима. В ПВК АНАРЭС-2000 блок расчета установившихся режимов и блок расчета ТКЗ взаимодействуют друг с другом, что позволяет не только использовать параметры установившегося режима, предшествующего КЗ, но и значительно упростить подготовку исходных данных.

Часто на практике имеется несоответствие топологии расчетной схемы установившегося режима и расчетной схемы ТКЗ. Это связано с тем, что для различных задач требуется детализация различных участков электрической сети.

При расчете установившихся режимов диспетчерской службой (службой электрических режимов) используется своя система нумерации узлов, а при расчете ТКЗ службой РЗА своя. Причем количество узлов для расчета ТКЗ значительно больше, чем в УР. Это происходит из-за того, что при расчете ТКЗ ЛЭП приходится разделять на отдельные участки (ветви), так как на протяжении длины линии могут меняться собственные удельные параметры ЛЭП и параметры взаимоиндукции с другими ЛЭП. С другой стороны, повышение числа узлов при расчете УР приведет к резкому снижению наглядности и наблюдаемости режима. Поэтому объединение существующих схем замещения для расчета УР и ТКЗ путем перенумерации узлов неэффективно.

Связку двух видов схем замещения можно осуществить следующим образом. Создается таблица соответствия номеров узлов УР и ТКЗ, в которой указываются общие узлы обеих схем замещения. В настоящее время в рамках блока ТКЗ выполняется реализация возможности выполнения расчетов, когда имеется различная детализация схем замещения для расчета установившегося режима и ТКЗ.

Блок моделирования электромеханических переходных процессов «Динамика»


Программа «Динамика» предназначена для моделирования электромеханических переходных процессов с учетом изменения частоты при различных коммутациях и событиях, происходящих в системе и анализа динамической устойчивости системы.

Для анализа динамической устойчивости отображаются параметры системы в ходе переходного процесса, а также анализируются следующие ситуации:
  • выход параметров за установленные диапазоны;
  • превышение заданных пределов взаимных углов по линиям;
  • разделение системы на асинхронно работающие части;
  • работа автоматики.

Применяется оригинальная математическая модель, предложенная и обоснованная в [2, 3, 4]. Основными особенностями данной модели являются:
  • учет изменения частоты вращения синхронных машин (СМ) в уравнениях всех элементов;
  • моделирование асинхронных машин (АМ) с учетом не только механического движения, но и переходных процессов в контурах ротора;
  • строгий учет автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) в соответствии с их передаточными функциями, с моделированием форсировки возбуждения, с учетом скачков входных сигналов в момент коммутации.

Уравнения сети, статорных обмоток СМ и АМ и роторных обмоток АМ записываются в единой системе прямоугольных координат, жестко скрепленных с осью вращающейся с постоянной синхронной частотой. Уравнения роторных контуров всех СМ записываются в осях скрепленных с собственным ротором [6].

Уравнения для синхронной машины:









,

где «р» и «с» относятся соответственно к ротору и статору;

; – число СМ;

, , – соответственно потокосцепления, токи и напряжения;

; ;

; ;

индексы «f», «d», «q» соответственно относятся к контуру возбуждения, продольному и поперечному демпферным контурам;



– средневзвешенная частота.

;

– синхронная угловая частота

– угол между ротором i-ой СМ и синхронной осью;

– матрица индуктивностей СМ в принятой системе координат;

– момент турбины, развиваемый при данном открытии клапанов при синхронной частоте вращения;

– коэффициент учитывающий зависимость момента турбины от частоты вращения при данном открытии клапанов (коэффициент самовыравнивания).

Уравнения для асинхронной машины:





,

где – момент сопротивления АМ.

Уравнения АРВ синхронной машины:

Возбудитель:













где – напряжение на зажимах обмотки возбуждения;

– выходной сигнал от АРВ;

– синхронная ЭДС;

– выходной сигнал от форсировки (расфорсировки) возбуждения, определяется из уравнения:

.

На k-ом шаге численного интегрирования принимается:



где , , , – значения напряжения статора, при которых включается форсировка или расфорсировка;

, – величина форсировки и расфорсировки.

АРВ сильного действия:



где – оператор дифференцирования:

, – коэффициенты усиления по отклонению напряжения и его производной;

, – коэффициенты усиления по отклонению частоты и ее производной;

– коэффициент гибкой обратной связи по току возбуждения;

, – напряжение и частота напряжения статора;

– синхронная ЭДС (пропорциональна току возбуждения);

, – значения уставок;

– постоянная времени общего канала регулятора;

– постоянная времени блока измерения частоты;

– постоянная времени фильтра постоянной составляющей;

, , – постоянные времени дифференцирующих звеньев.


АРВ пропорционального действия:



В программе уравнения АРВ преобразуются к форме уравнений состояния.

Автоматический регулятор скорости (АРС):







На k-ом шаге численного интегрирования:





,

где – перемещение муфты центробежного маятника (измерителя частоты);

– перемещение штока сервомотора, о.е.;

– переменная тракта энергоносителя, о.е.;

– скольжение;

– статизм регулятора скорости, о.е.;

– долевой коэффициент, определяет долю части высокого давления в создании мощности для паровых турбин с промперегревом;

– зона нечувствительности центробежного маятника.

Модель сети представляется уравнениями узловых напряжений в форме баланса токов:

,

где – вектор токов статорных обмоток СМ и М.

Все нагрузки кроме АМ включены в матрицу в виде постоянных проводимостей.

Программа позволяет моделировать переходные процессы при различных коммутациях и событиях, происходящих в системе, в том числе: короткое замыкание на линии, отключение/включение линии (в том числе и с одного конца), изменение параметров линии, короткое замыкание в узле, отключение короткого замыкания в узле, отключение/включение узла, отключение генераторов, корректировка шунта в узле, корректировка нагрузки в узле, отключение/включение синхронной машины, включение автомата гашения поля (АГП), потеря возбуждения синхронной машины, отключение/включение асинхронной машины, включение импульсной разгрузки блока, деление системы на независимые части.

Допускается любое сочетание событий одновременно и с разделением во времени.

Системную и противоаварийную автоматику в программе предполагается моделировать путем задания алгоритмов ее действия. Задаются условия срабатывания и управляющие воздействия. В качестве условий могут быть отклонения от заданной величины (в большую или меньшую сторону) контролируемых параметров режима в определенной точке системы и коммутационные состояния элементов системы (ветвей, узлов, коммутационных аппаратов). Возможна любая комбинация условий (по И/ИЛИ). В качестве управляющих воздействий могут быть любые коммутации, предусмотренные в программе. В настоящее время разрабатывается блок задания (редактора) логических моделей противоаварийной автоматики. А после завершения разработки редактора моделей планируется заведение шаблонов для основных типов автоматики.

В настоящий момент в программе используются явные методы численного интегрирования с постоянным шагом (типа Рунге-Кутта). Планируется применение методов численного интегрирования с переменным шагом (в том числе неявные), что позволит повысить скорость расчета.

Литература:

  1. Домышев А.В., Осак А.Б. Универсальная система подготовки данных для расчета режимов ЭЭС на безе ПВК АНАРЭС-2000 // Системные исследования в энергетике. – Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2001. – С.
  2. Ушаков Е.И. Статическая устойчивость электрических систем. Новосибирск.: Наука, 1988, 273 с.
  3. Ушаков Е.И. Разделение движений при исследовании переходных процессов и устойчивости ЭЭС. // Известия АН. Энергетика, №6, 2000, с.74-86.
  4. Ушаков Е.И. Моделирование автоматических регуляторов при расчетах переходных процессов ЭЭС. // Известия АН. Энергетика, №6, 1997, с.34-45.
  5. Домышев А.В. Блок анализа динамической устойчивости для ПВК АНАРЭС-2000. // Системные исследования в энергетике.: Труды молодых ученых ИСЭМ СО РАН, Вып. 32. - Иркутск: ИСЭМ СО РАН. 2002 г.