CC BY
517
УДК 621.311
А. В. ДЕД С. В. БИРЮКОВ А. В. ПАРШУКОВА
Омский государственный технический университет
ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В MATLAB ДЛИТЕЛЬНЫХ НЕСИММЕТРИЧНЫХ РЕЖИМОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В статье рассмотрена реализация в среде Simulink (Matlab) длительного несимметричного режима работы участка распределительной сети напряжением 0,4 кВ. Модель и алгоритмы расчета энергетических параметров системы электроснабжения воспроизведены посредством применения входящих в Matlab пакет Simulink и библиотеки блоков SimPowerSystem.
Ключевые слова: качество электрической энергии, имитационная модель, несимметричная нагрузка, потери мощности.
В последнее десятилетие, в связи с бурным развитием и внедрением информационных технологий, все более широкое применение находят методы расчета и моделирования режимов работы систем электроснабжения на ЭВМ. При этом важнейшим фактором, обеспечивающим эффективное решение и достоверность результатов при достижении поставленных инженерных задач, помимо производительности ЭВМ, является и применяемое при исследованиях программное обеспечение. По нашему мнению, наиболее оптимальным решением в данном случае является использование интегрированных пакетов программирования, ориентированных на решение задач имитационного моделирования в конкретных отраслевых областях. В частности для имитационного моделирования электротехнических устройств и систем наиболее оптимально подходит прикладная программа Simulink и библиотека блоков SimPowerSystem из ядра пакета Matlab.
Выбор данного программного продукта обусловлен наличием современных методов визуально-ориентированного программирования, развитого математического аппарата, библиотеки моделей пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередач и т.п.
Система пакета Matlab позволяет пользователю осуществлять вывод информации в любой удобной для него форме: графики, диаграммы, таблицы и т.п. Кроме того, интерфейс Matlab допускает возможность получать и передавать информацию при связи с редактором электронных таблиц Microsoft Excel.
Используя возможности Simulink и SimPower-System можно не только моделировать, но и анализировать работу различных устройств. Библиотека блоков SimPowerSystem охватывает достаточно широкий спектр энергетического, измерительного и вспомогательного оборудования [1]. В то же время, если в стандартной библиотеке нет блока, моделирующего необходимое оборудование или алгоритм,
то пользователь имеет возможность создать свои собственный блок. Реализовать возможности Simulink по созданию подсистем можно как с помощью уже имеющихся в базе блоков, так и на основе моделей основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напряжения.
В настоящей статье представлена имитационная модель участка системы электроснабжения, созданной с учетом вышеуказанных свойств пакета Simulink.
Базовая схема, представленная на рис. 1, позволяет в диалоговом режиме оценивать несимметрию трехфазной сети, исследовать дополнительные потери в системах электроснабжения в зависимости от различных уровней несимметрии напряжений и токов.
Основными элементами данной модели являются программируемый источник напряжения (Controlled Voltage Source ABC), четырехпроводная кабельная линия на основе блоков Series RLC branch, изменяющаяся во времени нагрузка (Controlled Current Source ABC), подсистемные блоки Simulink, обрабатывающие и выводящие необходимую для дальнейших расчетов информацию с датчиков измерения электрических величин (Three-Phase V-I Measurement, Scope, Sequence Analyzer). В дополнение к стандартным блокам Simulink были созданы и включены в модель элементы-блоки (Subsystem 1, Subystem 2), которые позволяют определять показатели качества электрической энергии, потери напряжения и мощности, дополнительные потери мощности в элементах и прочие основные электрические характеристики в характерных точках исследуемой системы.
Блоки Subsystem 1 и Subsystem 2 позволяют определять для каждой из фаз величину напряжения (U) и тока (I), активную (P), реактивную (О) мощность, коэффициент мощности (cos ф), симметричные составляющие напряжения (Ut, UUg) и коэффициенты несимметрии напряжений по обратной (K2U) и нулевой последовательностям (Kgu).
Рис. 1. Схема БшиИпк-модели системы электроснабжения для исследования длительных несимметричных режимов
Рис. 2. Алгоритм-схема подсистем Subsystem 1 и Subsystem K
Уровень несимметрии напряжений в модели определяется при помощи блока Subsystem KU, встроенного в подсистемы Subsystem 1 и Subsystem 2, в соответствии с требованиями ГОСТ 30804.4.302013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии» из выражений (1) и (2) [2]:
K2U = U -100%;
2U U1
K2U = Uo -100%,
2U U
(1)
(2)
где U2 — значение напряжений обратной последовательности; U0 — значение напряжений нулевой последовательности; Ut — значение напряжения прямой последовательности.
Значения симметричных составляющих различных последовательностей напряжений (U¡, U2, U0), необходимые для определения соответствующих коэффициентов, определяются при помощи стандартного блока Simulink Sequence Analyzer [1]. Содержание подсистем Subsystem 1 и Subsystem KU показано на рис. 2.
Длительный несимметричный режим работ моделируется компонентами Controlled Voltage Source ABC и Controlled Current Source ABC, с помощью
Рис. 3. Структурная схема блока, формирующего сигнал тока фаз А, B, C подсистемы Controlled Current Source ABC
алгоритма на основе блоков управляемых источников напряжения (рис. 3) и управляемых источников тока. При моделировании режима задаются реальные графики нагрузок, полученные в ходе проведения измерений основных энергетических показателей действующей системы электроснабжения.
Блок Controlled Voltage Source ABC вырабатывает синусоидальное напряжение с переменной амплитудой, в соответствии с выражением:
Un = UamPn ■ sm(2# + Vun X
(3)
где U —
^ ampn
частота; t
амплитуда напряжения источника; f — - время моделирования режима; ф — начальная фаза напряжения.
Уравнение (3) в модели реализуется, с учетом значений экспериментальных данных, в подсистеме, структура которой представлена на рис. 3.
Значения амплитуды выходного напряжения источника, а также значения его фазы задаются через блок Signal Builder, который позволяет с помощью графических средств задать необходимую форму сигналов, подаваемых на выводы данного блока.
Работу нагрузки моделирует блок Controlled Current Source ABC, имитирующий потребление синусоидального тока с переменной амплитудой согласно выражения:
4 = Impn ■ sm(2rft ±pb
(4)
исследовании длительных несимметричных режимов систем электроснабжения. Результаты моделирования позволят оперативно и с необходимой достоверностью определять как возможные уровни несимметрии в характерных точках системы, так и уровни дополнительных потерь мощностей, возникающих в различных элементах системы электроснабжения, и принимать решение о рациональном (оптимальном) распределении нагрузок либо о применении симметрирующих устройств.
Библиографический список
1. Черных, И. В. Моделирование электротехнических устройств в МаНаЬ, SimPowerSystems и 81шиИпк / И. В. Черных. - М. : ДМК Пресс ; СПб. : Питер, 2008. - 288 с.
2. ГОСТ 30804.4.30-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Методы измерений показателей качества электрической энергии. — Введ. 2014-01-01. - М. : Стандартинформ, 2013. - 52 с.
3. Дед, А. В. Оценка дополнительных потерь мощности в электрических сетях 0,38 кВ на основе экспериментальных данных / А. В. Дед [и др.] // Успехи современного естествознания. - 2014. - № 11-3. - С. 64-67.
4. Дед, А. В. Расчет дополнительных потерь мощности от воздействия несимметрии напряжений и токов в элементах электрических сетей [Электронный ресурс] / А. В. Дед, [и др.] // Современные проблемы науки и образования. - 2014. -№. 5. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/119-15249 (дата обращения: 18.09.2015).
где ¡amp n — амплитуда выходного тока источника; f — частота источника; t — время моделирования режима; ф/п — начальная фаза тока.
Необходимые значения величин амплитуд токов и их начальных фаз, задаются аналогично уровням напряжения при помощи блока Signal Builder.
Общеизвестно, что в электрических сетях напряжением 0,4 кВ существует проблема, определяемая отклонением напряжений в фазах от номинальных (нормативных) значений. В свою очередь, отклонения уровней напряжения от требуемых параметров приводят к нарушению нормальной (устойчивой) работы и снижению срока службы электрооборудования, в том числе и к перерасходу электрической энергии [3, 4].
Представленная модель, как упоминалось выше, является базовой для моделирования и проведения
ДЕД Александр Викторович, старший преподаватель кафедры электроснабжения промышленных предприятий.
БИРЮКОВ Сергей Владимирович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры физики.
ПАРШУКОВА Александра Витальевна, магистрант гр. ЭЭМ-142 факультета элитного образования и магистратуры.
Адрес для переписки: ded_av@mail.ru
Статья поступила в редакцию 18.09.2015 г. © А. В. Дед, С. В. Бирюков, А. В. Паршукова
