CC BY
9
© Тошходжаева М.И., Каримов И.Р., Грачева Е.И. УДК 621.311.001.57
МОДЕЛИРОВАНИЕ И СРАВНЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ В НОРМАЛЬНОМ И АВАРИЙНОМ РЕЖИМАХ С ПОМОЩЬЮ ПРИКЛАДНОЙ ПРОГРАММЫ МАТЛАБ
М.И. Тошходжаева, И.Р. Каримов, Е.И. Грачева Политехнический институт Таджикского технического университета имени
академика М.С. Осими. Казанский государственный энергетический университет, г. Казань, Россия
shukrona14_01_2011@mail.ru
Резюме: ЦЕЛЬ. Анализ и сравнение основных параметров электроэнергетической системы в нормальном и аварийном режиме посредством программы Matlab. В статье приведен анализ состояния электроэнергетической системы, основные параметры которого изменяются при малых и больших возмущениях. Поскольку от надежной работы противоаварийной автоматики зависит устойчивость электроэнергетической системы, требуется определить значения основных параметров электроэнергетической системы, которые характеризуют ее устойчивое функционирование: изменение угла фазового сдвига между ЭДС генератора и напряжением сети, изменение значений активной и реактивной мощности на выходе основного генератора и изменение тока на зажимах потребителя. МЕТОДЫ. Проведен сравнительный анализ значений параметров, которые получены в результате имитационного моделирования в среде Matlab в нормальном и аварийном режиме функционирования электроэнергетической системы на примере конкретной системы электроснабжения промышленной зоны г. Гулистана Согдийской Области. Определены расчетные параметры элементов системы электроснабжения при коротком замыкании в относительных единицах. В имитационной модели короткое замыкание рассматривается на шинах потребителя 10 кВ. При решении поставленной задачи применяется метод имитационного моделирования в среде Matlab и метод расчета токов короткого замыкания при использовании базисных величин. РЕЗУЛЬТАТЫ. В статье описана актуальность темы исследования. Новизна исследования заключается в компьютерном моделировании систем электроснабжения горнодобывающей промышленности в нормальном и аварийном режиме и проверка параметров устойчивости электроэнергетической системы. Проведено сравнение результатов имитационного моделирования системы электроснабжения в нормальном и послеаварийном режимах.
Ключевые слова: моделирование; энергосистема; устойчивость электроэнергетической системы; промышленная зона.
MODELING AND COMPARISON OF THE MAIN PARAMETERS OF THE ELECTRIC POWER SYSTEM IN NORMAL AND EMERGENCY MODES USING THE MATLAB
APPLICATION PROGRAM
MI. Taskhodzhayeva, IR. Karimov, EI. Gracheva Polytechnic Institute of Tajik Technical University named after Academician M.S. Osimi.
Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia
Abstract: PURPOSE. Analysis and comparison of the main parameters of the electric power system in normal and emergency mode using the Matlab program. The article provides an analysis of the state of the electric power system, the main parameters of which change with small and large disturbances. Since the stability of the electric power system depends on the reliable operation of emergency automatics, it is required to determine the values of the main parameters of the electric power system that characterize its stable operation: a change in the phase shift angle between the generator EMF and the mains voltage, a change in the values of active and reactive power at the output of the main generator and a change in the current at the output of the main generator. user clamps. METHODS. A comparative analysis of the values of the parameters obtained as a result of simulation in the Matlab environment in the normal and emergency modes of operation of the electric power system was carried out on the example of a specific power
supply system of the industrial zone of the city of Gulistan, Sughd Region. The calculated parameters of the elements of the power supply system in case of a short circuit in relative units are determined. In the simulation model, a short circuit is considered on the 10 kV consumer buses. When solving the problem, the method of simulation modeling in the Matlab environment and the method of calculating short-circuit currents using basic values are used. RESULTS. The article describes the relevance of the research topic. The novelty of the study lies in computer simulation of power supply systems in the mining industry in normal and emergency mode and verification of the stability parameters of the power system. The comparison of the results of simulation modeling of the power supply system in normal and post-emergency modes is carried out.
Keywords: simulation; power system; stability of the power system; industrial zone.
Введение
Качественное и бесперебойное электроснабжение потребителей электроэнергии зависит от параметров устойчивости электроэнергетической системы. При управлении режимами системы электроснабжения без источников распределенной генерации (РГ), расчеты переходных процессов проводятся с учетом изменения режимов и схем электрической сети. Эффективное функционирование систем противоаварийной автоматики обусловлено фиксацией и обработкой большого количества анормальных ситуаций за короткий срок, чтобы не допустить каскадного развития аварий в системе электроснабжения [1-3]. Данная проблема актуальна при возникновении коротких замыкания в электрооборудовании систем электроснабжения, поскольку любое возмущение негативно воздействует на устойчивость системы. В статье рассматриваются изменение основных параметров системы электроснабжения при коротких замыканиях. При анализе работы электрических сетей учитываются не только электромагнитные параметры, но и механические параметры всех элементов систем электроснабжения, т.к. данные параметры оказывают существенное влияние на электромагнитные и переходные процессы. В качестве параметров электрической сети приняты токи в ветвях и напряжение в узловых точках ЭС [4-6].
Методы
Принципы анализа возникновения переходных процессов при коротком замыкании рассмотрены на примере электроэнергетической системы (ЭС), которая состоит из источника питания (синхронный генератор без устройства АВР) мощностью 171 мВА, повышающего трансформатора мощностью 140 МВА напряжением 10/110 кВ, воздушной линии электропередачи (ВЛЭП) протяженностью 11,4 км, АС-95 мм2, двух понижающих трансформаторов мощностью 16 мВА напряжением 110/35/10, 25 мВА напряжением 110/35 кВ. Моделирование проводится в программной среде MATLAB/Simulink. Следует отметить, что электрическая нагрузка на стороне низкого напряжения условно не изменяется в течение времени. К нагрузкам, которые остаются относительно постоянными в течение времени, можно отнести предприятия горнодобывающей промышленности, электродуговые сталеплавильные печи и шахты по добыче угля. На территории Согдийской области к таким секторам принадлежат предприятия, расположенные на территории г. Гулистон.
Одними из основных параметров, которые характеризуют устойчивость ЭС, являются изменение угла фазового сдвига между ЭДС генератора и напряжением сети, изменение значений активной и реактивной мощности на выходе источника и изменение тока на зажимах потребителя. Изменение угла фазового сдвига определяется по формуле [7,12]:
x = (1)
Фе
где: фЕ -угол фазового сдвига генератора, градус Фи - угол фазового сдвига напряжения сети, градус
Действующее значение тока на зажимах потребителя и генератора изменяется по закону синусоиды:
1=J110г12 dt=JI sin2 ®tdt (2)
где: Т - период синусоиды, 1/с; I - значение тока, А;
1т - мгновенное значение тока, А;
Ю- угловая частота сети, рад/сек.
1 т
Р - т | - VI - I2 (я ± X)
Т - период синусоиды, 1/с; и - напряжение сети, В; I -значение тока, А
Я - активное сопротивление электрической нагрузки, Ом X - реактивное сопротивление электрической нагрузки, Ом
При симметричной трехфазной нагрузке активная и реактивная мощность определяется из выражения:
Р - 3Рф - 3Цф • 1ф 0С8 ф = Яф-1,
2
е - 3бф - 3Цф • 1ф 81П ф-Хф- 1ф
2
(4)
(5)
Иммитационная схема системы электроснабжения приведена на рисунке 1. Для этой цели использованы элементы из библиотеки "81ти1шк» и элементы, моделирующие процессы в ЭС из библиотеки «81тРо"№ег8у51ет» [7, 8, 13].
В модели приведены контрольно-измерительные приборы, которые предназначены для контроля и фиксации механических и электрических параметров ЭС. [9-11,] Между генератором и трансформатором расположен комплект измерительных приборов, основным назначением которых является контроль изменения электрических и механических параметров на зажимах основного генератора. На выходе понижающих трансформаторов также подключены контрольно-измерительные приборы. Параметры элементов на схеме рассчитаны при базисном напряжении 110 кВ и базисной мощности Бб -1000МВА которые приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Параметры системы электроснабжения
Параметры Расчетные параметры
элемента
Синхронный генератор
Тип СВ-1500/175-
84
- 1,1 о.е. х\ - 0,2 о.е. 5Г - Рг - 171 -190; со^ф 0,9
Р -171 мВт со8 фг - 0,9 х',1 - х/» -1,11000 - 5,79 Ж Ж 5Г 190
гг - 0,003 Ом 1 5» 1000 хЖ, - хЖ — - 0,2--1,368 Ж 190 Яг - гг - 0,0031000 - 0,01578 Г Г Бг 190
Повышающий трансформатор
51 -125 мВА ивн -11кВ Хт - иК, . - I1 .1000 - 0,88 т 100 51 100 125
инн -115 кВ ик, -11 % Ят1 - АРк2.10-3 - 400 1000 -10-3 -25,6-10-3 & )2 1252
ДРК = 400 кВт
*п = =НО=и
и.
10
Линии 110 кВ
АС-95 гс = 0,306 Ом/км - 0,434
Ом/км
См/км .' = 25 км
5Т2 - 16 МВА
исНт = ЗВ,БкВ УННп„= 11 кВ ив_с = 10,5 %
ДРК = 100 кВт
Понижающий трехобмоточный трансформатор
Линии 110 кВ
АС-95 гс = 0,306
Ом/км ха = 0,434
Ом/км
См/км 1= 11,4 км
Понижающий двухобмоточный трансформатор
5Т1 - 25 МВА ивНои =115кВ = 11 кВ
ДРК = 120 кВт
Рис 1. Имитационная модель Fig. ¡.-Simulation model of the electric power system of the mining электроэнергетической системы industry горнодобывающей промышленности
Представленная схема (рис. 1) показывает, что трехфазное короткое замыкание рассматривается на шинах потребителя электроэнергии на стороне 10 кВ. Результаты
При возникновении короткого замыкания изменение угла фазового сдвига между ЭДС источника и напряжением системы существенно отличается от допустимых значений. Изменение угла фазового сдвига между ЭДС генератора и напряжением сети в нормальном и аварийном режимах приведены на рисунках 2 и 3.
Рис. 2. Изменение угла фазового сдвига между Fig. 2. Change in the phase shift angle between the ЭДС генератора и напряжением сети в EMF of the generator and the mains voltage in нормальном режиме normal mode
В нормальном режиме на графике обозначаются три отрезка времени, соответствующие трем режимам функционирования ЭС. В течение 0,1 секунды происходит пуск всей системы, переходной процесс заканчивается через 0,6 секунды и ротор основного источника питания совершает колебание устойчивого значения, которое равно 27 градусам.
.Л-^А datai |
Рис. 3- Изменение угла фазового сдвига между ЭДС источника питания и напряжением сети в аварийном режиме.
Fig. 3- Change in the phase shift angle between the EMF of the power supply and the mains voltage in emergency mode.
В аварийном режиме на графике выделяется три отрезка времени, соответствующие трем режимам работы электроэнергетической системы, при этом они отличаются от значений нормального режима В течение 0,1 секунды производится пуск всей системы, переходной процесс пуска системы заканчивается через 0,4 секунды и ротор основного источника питания совершает колебание устойчивого значения угла равного 23 градусам, что может привести к нарушению синхронной работы генератора. При этом угол сдвига имеет убывающий характер.
Изменение значений активной и реактивной мощности на зажимах основного генератора в нормальном и аварийном режимах приведены на рисунках 4 и 5.
в
°0 (.5 0.4 0£ 0.3 1 1.2 1.4 1.9 1.8 2
,
0.2 0.4 «.6 0.3
1.2 1.4 1.6 1.8
Рис. 4.- Графики изменения активной и Fig. 4.- Graphs of changes in active and reactive реактивной мощности на выводах основного power at the terminals of the main generator in генератора в нормальном режиме normal mode
По данным рисунка 4 можно сделать следующие выводы: в нормальном режиме при пуске основного источника питания активная и реактивная мощность на валу генератора резко возрастает активная мощность до 6000 мВт а реактивная мощность до 9000 мВАр в течение 0,2 секунды. По мере вхождения в зону синхронизма потребление активной и реактивной мощности равняется расчетным значениям и не изменяется в течение времени.
Рис. 5.- Графики изменения активной и Fig. 5.- Graphs of changes in active and reactive
реактивной мощности на выводах основного power at the terminals of the main generator in
генератора в аварийном режиме (ось абсцисс- emergency mode (abscissa axis-time (sec), ordinate-
время (сек), ординат-активная и реактивная active and reactive power))
мощность))
Как показывает график, при возникновении трехфазного короткого замыкания активная мощность в течение 0,025 сек остаётся стабильной и равняется 0,8 МВт, затем происходит резкое снижение активной мощности до нуля, что свидетельствует о нарушении устойчивости ЭС. Реактивная мощность в течение 0,025 сек резко возрастает до 0,5 МВар, затем в течение 0,12 сек достигает максимального значения и в течение 0,25 сек падает до нуля, при этом кривая изменения реактивной мощности имеет колебательный характер. Такое явления объясняется процессом намагничивания и размагничивания стальных сердечников силовых трансформаторов [13, 14].
Изменение тока на зажимах потребителя приведено на рисунке 6.
Рис. 6-Изменение тока короткого замыкания на Fig. 6-Change of the short-circuit current at the зажимах потребителя consumer terminals
Как показывает рисунок 6, в течение 0,15 сек значение тока остается практически неизменным, потом происходит скачкообразное возрастание до 8 кА, затем следует скачкообразный спад в течении 0,17 сек, скачкообразное возрастание до 1,5 кА и в течение 2 сек наблюдается спад значения тока до минимальных значений. По полученным данным можно сделать вывод о том, что хотя ударный ток короткого замыкания протекает в течение 0,17 сек, но при этом превышает установившееся значение в 5,53 раза. Такое явление опасно для коммутационных аппаратов и токоведущих частей.
Выводы
Таким образом, собрана имитационная модель в программной среде MATLAB/Simulink системы электроснабжения горнодобывающей промышленной зоны г. Гулистон, Согдийской Области, которая характеризуются условно постоянной нагрузкой. Изменение угла фазового сдвига между ЭДС генератора и напряжением сети в нормальном режиме соответствует критериям устойчивости ЭС, поскольку процесс пуска заканчивается в течение 0,6 секунды, а значение угла равно 27 градусам. Однако, в аварийном режиме переходной процесс заканчивается в течение 0,4 секунды и значение угла меньше, чем в нормальном режиме и имеет убывающий характер, что негативно влияет на устойчивость системы электроснабжения. В нормальном режиме при пуске генератора активная и реактивная мощности резко возрастают - активная мощность до 6000 мВт а реактивная мощность до 9000 мВАр в течение 0,2 секунды. По мере вхождения в зону синхронизма потребление активной и реактивной мощности равняется расчетным значениям и не изменяется в течение времени. При возникновении трехфазного короткого замыкания на шинах потребителя на напряжение 10 кВ, активная мощность в течение 0,025 сек остаётся стабильной и равняется 0,8 МВт, затем происходит резкое снижение активной мощности до нуля, что свидетельствует о нарушении устойчивости ЭС. Реактивная мощность в течение 0,025 сек резко возрастает до 0,5 МВар, в течение 0,12 сек достигает максимального значения и в течение 0,25 сек падает до нуля, кривая изменения реактивной мощности имеет колебательный характер. В течение 0,15 сек значение тока остается неизменным, затем происходит скачкообразное возрастание до 8 кА, затем следует скачкообразный спад
в течение 0,17 сек, скачкообразное возрастание до 1,5 кА и в течение 2 сек происходит спад значений тока до минимальных значений. Результаты моделирования показывают , что ударный ток короткого замыкания протекает в течение 0,17 сек и превышает установившееся значение в 5,53 раза. Такое явление опасно для коммутационных аппаратов и токоведущих частей, которое следует учитывать при выборе коммутационных аппаратов и выбора противоаварийной автоматики.
Литература
1.Грачева Е.И., Алимова А.Н. Методы расчета и сравнительный анализ потерь активной электрической энергии в устройствах низкого напряжения // International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), 2019. С. 361-367
2.Vokhidov., Churakova E.Y. Multicriteria оptimization problem for the layout of a complex technical system // International Journal of Advanced Trends in Computer Science and Engineering. 2020. №9(4).pp. 5784-5787, 235.
3.Рахимов О.С., Мирзоев Д.Н. Определение потерь электроэнергии моделированием низковольных сельсих электрических сетей // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2020. №4-С. 440-449.
4.Тошходжаева М.И. Потери электроэнергии на распределительных сетях промпредприятий и методы её снижения // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2021. № 2. С. 74-78.
5.Тошходжаева М.И. Перспективы применения источников распределенной генерации в Республике Таджикистан // Вестник ПИТТУ им. академика М. Осими. 2019. № 2 (11). С. 43-50.
6. Gracheva E.I., Naumov O.V. Estimation of Power Losses in Electric Devices of the Electrotechnical Complex. - International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), (2019).
7. Perelmuter V.M. Electrotechnikal systems. Simulation with Simulink and SimPowerSystems, CRC Press, 2013.
8.Кушнерев А. А., Алюнов А. Н. Структурное моделирование и анализ статической устойчивости электроэнергетических систем // Вестник Вологодского государственного университета. Серия: Технические науки. 2018. №. 2. С. 34-40.
9.Суворов А.А. и др. Верификация расчётов динамической устойчивости энергорайонов с распределёнными генерирующими объектами //Электрические станции. 2021. №. 10. С. 12-25.
10. Куликов А.Л., Илюшин П.В. Статистические методы оценки параметров аварийного режима энергорайонов с объектами распределенной генерации // Электричество. 019. №. 5. С. 4-11.
11. Lisin E. et al. Sustainable development of regional power systems and the consumption of electric energy // Sustainability. 2018. V. 10. №. 4. p. 1111.
12. Todorov G.N. et al. Sustainability in local power supply systems of production facilities where there is the compensatory use of renewable energy sources // International Journal of Energy Economics and Policy. 2020. V. 10. №. 3. p. 14.
13. Honrubia-Escribano A. et al. Generic dynamic wind turbine models for power system stability analysis: A comprehensive review //Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018. V. 81. p. 1939-1952.
14. Farrokhabadi M. et al. Microgrid stability definitions, analysis, and examples //IEEE Transactions on Power Systems. 2019. V 35. №. 1. pp. 13-29.
Авторы публикации
Мухайе Исломовна Тошходжаева - канд. техн. наук, и.о. доцента, Политехнический Институт Таджикского Технического Университета имени академика М.С. Осими.
Ибодкул Рахимкулович Каримов - ассистент, Политехнический Институт Таджикского Технического Университета имени академика М.С. Осими.
Грачева Елена Ивановна - д-р. техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Казанский государственный энергетический университет.
References
1. Gracheva EI, Alimova AN. Calculation methods and comparative analysis of active electrical energy losses in low voltage devices. International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon). 2019. P. 361-367
2. Vokhidov A, Churakova EY. Multicriteria optimization problem for the layout of a complex technical system. International Journal of Advanced Trends in Computer Science and Engineering. 2020;9(4);5784-5787, 235.
3. Rakhimov OS, Mirzoev DN. Determination of electricity losses by modeling low-voltage rural electrical networks. Proceedings of the Tula State University. Technical sciences.2020;4:440-449.
4. Toshkhodzhaeva MI. Losses of electricity in the distribution networks of industrial enterprises and methods for its reduction. Electrical equipment: operation and repair. 2021;2:74-78.
5. Toshkhodzhaeva MI. Prospects for the use of distributed generation sources in the Republic of Tajikistan. VestnikPITTU im. Academician M. Osimi. 2019;2 (11):43-50.
6. Gracheva EI, Naumov OV. Estimation of Power Losses in Electric Devices of the Electrotechnical Complex. International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), (2019).
7. Perelmuter VM. Electrotechnical systems. Simulation with Simulink and SimPowerSystems, CRC Press, 2013.
8 Kushnerev AA, Alyunov AN. Structural modeling and analysis of the static stability of electric power systems. Bulletin of the Vologda State University. Series: Engineering sciences. 2018;2:34-40.
9. Suvorov AA. et al. Verification of calculations of the dynamic stability of energy districts with distributed generating objects. Electric Stations. 2021;10:12-25.
10. Kulikov AL, Ilyushin PV. Statistical methods for estimating the parameters of the emergency mode of energy districts with distributed generation facilities. Electricity. 2019;5:4-11.
11 Lisin E. et al. Sustainable development of regional power systems and the consumption of electric energy. Sustainability. 2018;10(4):1111.
12. Todorov GN. et al. Sustainability in local power supply systems of production facilities where there is the compensatory use of renewable energy sources. International Journal of Energy Economics and Policy. 2020;10(3):14.
13. Honrubia-Escribano A. et al. Generic dynamic wind turbine models for power system stability analysis: A comprehensive review. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2018;81:1939-1952.
14. Farrokhabadi M. et al. Microgrid stability definitions, analysis, and examples //IEEE Transactions on Power Systems. 2019;35(1):13-29.
Authors of the publication
Muhayo I. Toshkhodzhaeva - Tajik Technical University named after academician M.S. Osimi. IbodkulR. Karimov - Tajik Technical University named after academician M.S. Osimi. Elena I. Gracheva - Kazan State Power Engineering University.
Получено 07.12.2021 г.
Отредактировано 21.12.2021 г.
Принято 10.01.2022 г.
