CC BY
73
ственного интеллекта разрабатывает варианты корректировок, выбирает наилучшие и координирует процесс выполнения задания. В случае неготовности компьютерной системы обработать данные по новой ситуации работник берет управление на себя.
Такая система особенно нужна на стыке хозяйств. Недавно образованный Центр управления инфраструктурой тоже может и должен участвовать в организации движения, особенно в период проведения «окон»: будет задействован взаимный контроль, что позволит избежать большинство ошибок.
В настоящее время необходимо создать компьютерные базы экспертных знаний и на их основе разработать систему поддержки принятия решений, в которых прописать алгоритмы действий работников в нестандартных ситуациях для качественного принятия решения [7].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. http://edu.dvgups.rU/METDOC/GDTRAN/YAT/UER/U ER/METOD/SHIROKOVA_LAB/WEBUP/frame/fram e_tema1.htm
2. http://tekhnosfera.com/prinyatie-resheniy-po-dispetcherskomu-regulirovaniyu-dvizheniya-poezdov-s-ispo lzovaniem-ekspertnoy-sistemy
3. Методика определения оптимальных границ диспетчерских участков : утв. ОАО «РЖД» от 31.03.2009 / В.Г. Лемешко.
4. Ларичев О.И. Теория и методы принятий решений. М. : Университетская книга : Логос, 2008. 392 с.
5. Лапыгин Ю.Н. Управленческие решения. М. : ЭКСМО, 2009. 448с.
6. Смирнов Э.А. Управленческие решения. М. : РИОР, 2010. 362 с.
7. Воронцов В.И. Информационно-комуникационные технологии в управлении М. : КУПРИЕНКО СВ, 2015. 245 с.
УДК 621.311: 621.321 Закарюкин Василий Пантелеймонович,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: zakar49@mail.ru
Крюков Андрей Васильевич,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщения, e-mail: and_kryukov@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ОСНАЩЕННЫХ БУСТЕР-ТРАНСФОРМАТОРАМИ
V. P. Zakaryukin, A. V. Kryukov
MODELLING OF POWER SUPPLY SYSTEMS WITH BOOSTER TRANSFORMERS
Аннотация. Рассмотрены вопросы моделирования электрических сетей 0,4 кВ, оснащенных бустер-трансформаторами, позволяющими обеспечить нормативный уровень напряжения в удаленных точках сети. Наиболее предпочтительными типами бустер-трансформаторов являются устройства с регулируемой индуктивностью. Они не требуют обслуживания, достаточно надежны и быстро вводятся в эксплуатацию.
Для корректной оценки эффектов применения бустер-трансформаторов требуется разработка адекватных моделей, позволяющих проводить расчеты несимметричных режимов электрических сетей, включающих в свой состав такие устройства. Подобные модели выполнены в рамках концепции решетчатых схем замещения, представленных в работах Иркутского государственного университета путей сообщения и реализованных в программном комплексе Fazonord. Результаты компьютерного моделирования показали применимость бустер-трансформаторов для решения проблем улучшения качества электроэнергии в электрических сетях 0,4 кВ.
Ключевые слова: системы электроснабжения, бустер-трансформатор, моделирование в фазных координатах.
Abstract. Issue 0.4 kV electric networks equipped with the booster transformers allowing to provide the standard level of voltage in remote points are considered. The most preferable types of booster transformers are devices with adjustable inductance. They don't demand service, are rather reliable and are quickly put into operation.
For a correct booster transformers application effects assessment development of their adequate models allowing asymmetrical modes calculations with such devices is required. Similar models can be implemented within the concept of the trellised equivalent circuits presented in works of Irkutsk state transport university and carried out in the Fazonord software.
Results of computer modeling showed the applicability of the booster transformers for the solution of problems of electric power quality improvement in electric networks of 0.4 kV.
Keywords: power supply systems, booster transformer, modeling in phase coordinates.
Введение
Важнейшие требования при эксплуатации распределительных сетей 10(6)/0,4 кВ состоят в поддержании нормативных значений напряжений на зажимах потребителей и минимизации технологических потерь при передаче электроэнергии. Однако в ситуациях, когда необходимо оператив-
ное решение проблемы низкого напряжения на приемном конце протяженной воздушной линии (ВЛ) 0,4 кВ, увеличение потерь отходит на второй план и вполне приемлемым оказывается применение продольных вольтодобавочных трансформаторов (бустеров). Кроме того, использование таких устройств целесообразно при отсутствии воз-
можности реконструкции линии ввиду особенностей местности и других ограничений.
Вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ) могут быть реализованы на различных принципах:
• электромеханическом со ступенчатым регулированием;
• феррорезонансном;
• основанном на использовании подмагни-чивания или регулируемой индуктивности.
Устройства с регулируемой индуктивностью являются наиболее предпочтительными по быстродействию, хотя и не самыми дешевыми решениями проблемы низкого напряжения на зажимах потребителей. Кроме того, по утверждению изготовителей такие ВДТ не требуют обслуживания, достаточно надежны и быстро вводятся в эксплуатацию. Разновидностью подобного рода трансформаторов являются трансформаторы ТВМГ, к положительным сторонам которых относится возможность устранения перекоса напряжений по фазам ввиду пофазного регулирования и увеличение тока однофазного короткого замыкания [1].
К недостаткам трансформаторов ТВМГ можно отнести следующие:
• снижение напряжения перед ВДТ из-за роста тока ЛЭП,
• возрастание потерь электроэнергии,
• рост реактивного электропотребления.
Как отмечено в статье [2], в экономической
плоскости способ обеспечения желательных уровней напряжения с помощью ТВМГ недостаточно эффективен ввиду высокой цены бустеров и потому может применяться только при невозможности быстрого выполнения реконструкции линии.
Для корректной оценки эффектов применения ВДТ требуется разработка адекватных моделей трансформатора, позволяющих проводить расчеты несимметричных режимов электрических систем, включающих в свой состав вольтодоба-вочные трансформаторы. Подобные модели могут быть реализованы в рамках концепции решетчатых схем замещения, представленных в работах [3, 4] и реализованных в программном комплексе Fazonord-Качество [5]. На основе этой концепции могут быть также решены и другие актуальные задачи, связанные с моделированием электроэнергетических систем и систем электроснабжения железных дорог [6...15]. Методика моделирования ВДТ и результаты расчетов режимов системы с вольтодобавочным трансформатором представлены далее. Трудности моделирования связаны с отсутствием параметров однофазных трансформаторов, входящих в состав ТВМГ и отсутствием информации об обмотке MCI, включенной в треугольник (рис. 1). Поэтому при моделировании
были приняты средние параметры трансформаторов 0,4 кВ.
N Авх Ав ых
о о о
Ввх Ввых
о о
Свх Св о
[Clrjj
Рис. 1. Схема основных соединений трансформатора ТВМГ
Принцип действия трансформатора ТВМГ
Согласно материалам [1], трансформатор ТВМГ состоит из шести однофазных трансформаторов, размещенных в одном корпусе. В каждую фазу включено по два трансформатора и реализовано раздельное пофазное регулирование. Схема регулирования отдельной фазы показана на рис. 2. В каждой фазе ТВМГ имеется два трансформатора: Т1 с коэффициентом трансформации 1/3 и Т2, представляющий собой катушку MCI, величина индуктивности которой меняется путем подмаг-ничивания сердечника. К сетевому напряжению добавляется напряжение Un, регулируемое с помощью делителя, реализованного вторичной обмоткой трансформатора Т1 и регулируемой катушкой Т2. Система управления анализирует напряжение в сети и изменяет ток в обмотке управления. В частности, при входном напряжении 180 В регулирование приводит к напряжениям 60 В на катушке MCI, 120 В на вторичной обмотке Т1 и к добавлению 40 В к выходному напряжению.
U11
T1
Ï/W
ив
ив
Обмотка управления
О-
Рис. 2. Схема фазы трансформатора ТВМГ
Включение в сеть трансформатора ТВМГ изменяет условия однофазных коротких замыканий. При большой удаленности КЗ величина тока короткого замыкания может стать ниже предела чувствительности средств защиты. Наличие ТВМГ приводит к двум последствиям: ток в поврежденной фазе значительно - до двух крат - возрастает, а напряжения на неповрежденных фазах, которые при отсутствии ТВМГ существенно увеличиваются, остаются при его наличии на приемлемых уровнях. Все это приводит к повышению надежности срабатывания защит и снижению повреждаемости оборудования, подключенного к неповрежденным фазам. Еще одним свойством ТВМГ является способность ограничивать влияние пусковых токов электродвигателей.
Описание расчетных моделей
Поскольку ПК Fazonord не позволяет напрямую моделировать систему автоматического управления катушками MCI, то проверка возможностей выравнивания напряжений производится путем «ручного» подбора индуктивного сопротивления RL--элемента, подключенного к управляющей обмотке трансформатора MCI.
Для получения возможности моделирования вольтодобавочных трансформаторов в ПК Fazonord необходима информация о параметрах отдельных однофазных трансформаторов ВДТ.
К сожалению, такая информация в справочной литературе и на сайтах производителей отсутствует. По этой причине для моделирования приняты параметры однофазных трансформаторов, равные средним параметрам трансформаторов 0,4 кВ со сходной номинальной мощностью. Для трансформаторов Т1, Т2, Т3 по рис. 1 приняты следующие параметры: номинальная мощность 50 кВА; номинальные напряжения обмоток 40 В, 120 В, 60 В; напряжения короткого замыкания 3 %, 2 %, 2 %; потери короткого замыкания 0,3 кВт; ток холостого хода 1 %; потери холостого хода 0,2 кВт. Соответствующие параметры трансформаторов MCI1, Ma2, Ma3 составляют 50 кВА, 230 В, 230 В, 60 В; 4,5 %, 3 %, 3 %; 0,4 кВт; 3,3 %; 0,08 кВт.
Для анализа режимов работы систем электроснабжения с трансформаторами ТВМГ проведено моделирование применительно к схемам, показанным на рис. 3, 4. Рассматривалось два варианта построения сети: нерегулируемая система электроснабжения (СЭС) по рис. 3 и СЭС с бустер-трансформатором по рис. 4. Расчетные схемы, реализованные средствами программного комплекса Fаzonord, показаны на рис. 5 и 6. На этих схемах от балансирующих узлов 1, 2, 3 с фазными напряжениями 6,0 кВ питается ВЛ L1 длиной 10 км, к которой подключен понижающий трансформатор ТМ-630/10 с глухозаземленной
10 кВ
ш
0.4 кВ
2
Рис. 3. Схема нерегулируемой СЭС
10 кВ
ш
0.4 кВ
Бустер-трансформатор
2
Рис. 4. Схема СЭС с бустер-трансформатором
Рис. 5. Расчетная схема нерегулируемой СЭС
нейтралью на стороне 0,4 кВ. От этого трансформатора через линию Ь2 длиной 2 км и вольтодоба-вочный трансформатор питается нагрузка, представленная на схеме ^^-элементами Za, Zb, Zc, включенными звездой с присоединением нулевого провода.
Схема соединений однофазных трансформаторов ТВМГ (рис. 6) соответствует рис. 1. Трансформаторы Т1, Т2, Т3 - основные вольтодобавоч-ные трансформаторы; Т4, Т5, Т6 моделируют управляемые катушки индуктивности. К вторичным обмоткам последних подключены RL-элементы Zma, Zmb, Zmc, путем изменения пара-
метров которых можно изменять добавочное напряжение. Остальные RL-элементы имеют сопротивление 0,001 Ом и выполняют в расчетной схеме служебную роль.
В случае несимметричной нагрузки возможно пофазное управление значениями Zma, Zmb, Zmc для симметрирования напряжений. Результаты моделирования Результаты моделирования сведены в табл. 1 и 2 и проиллюстрированы на рис. 7.. .10. При моделировании предполагались одинаковые величины сопротивлений Zma, Zmb, Zmc по фазам.
Т а б л и ц а 1
Отклонения напряжений, %_
2а, 2Ь, 2с, Ом Отклонения напряжений в схеме без регулирования Отклонения напряжений в схеме с бустер-трансформатором
А В С 2та, 2тЬ, 2тс, Ом А В С
5+j5 -18,0 -16,5 -17,0 0,01 -5,6 -4,6 -4,9
9+/9 -11,3 -10,3 -10,5 9,4 0,0 1,8 1,1
20+/20 -6,0 -5,4 -5,6 5000 0,5 1,5 1,3
Среднее -11,8 -10,7 -11,0 - -1,7 -0,4 -0,8
Макс. -18,0 -16,5 -17,0 - -5,6 -4,6 -4,9
Т а б л и ц а 2
Потери мощности в ЛЭП и коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям _на нагрузке_
Схема без регулирования Схема с бустер-трансформатором
ДР, кВт ДQ, квар k2U кои 2а, 2Ь, 2с, Ом ДР, кВт ДQ, квар к2и ки
2,44 1,33 0,34 0,69 5+/5 7,28 3,97 0,58 0,05
0,88 0,48 0,21 0,48 9+/9 2,67 1,46 0,36 0,66
0,20 0,11 0,10 0,26 20+/20 0,55 0,30 0,17 0,41
Примечание: AP, ДQ - соответственно потери активной и реактивной мощности в СЭС; k2U, k0U- соответственно коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям.
Рис. 7. Отклонения напряжения на нагрузке
ДР. кВт - Бустер Без бустера
10
15
20
25 I, Ом
Рис. 8. Зависимости потерь ЛЭП Ь2 от сопротивления нагрузки
Рис. 9. Зависимости коэффициента несимметрии кц от сопротивления нагрузки 0.8
0.7
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0
■Бустер
Без бустера
10
15
25 Е. Ом
Рис. 10. Зависимости коэффициента несимметрии кои от сопротивления нагрузки
Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы.
1. Бустер-трансформатор обеспечивает стабилизацию напряжения на нагрузке, повышая напряжение в сопоставимых ситуациях примерно на 10 %; при этом требуется большой интервал изменения параметров регулировочных элементов.
2. Коэффициенты несимметрии по обратной и нулевой последовательностям в схеме с бустер-трансформаторами выше, чем в нерегулируемой системе электроснабжения. Это происходит из-за роста токов ЛЭП по сравнению со схемой без бустер-трансформаторов. При большой нагрузке схема с бустер-трансформаторами показала малое значение коэффициента kou. Для уменьшения несимметрии требуются более сложные законы регулирования, чем стабилизация модулей напряжения на нагрузке.
3. Стабилизация уровней напряжения приводит к заметному росту суммарных потерь в системе электроснабжения.
Заключение
Предложенная методика моделирования систем электроснабжения, оснащенных бустер-трансформаторами, позволяет анализировать различные варианты регулирования напряжений на нагрузке. Результаты моделирования показали, что применение бустер-трансформаторов обеспечивает существенное повышение уровней напряжения на нагрузке и эту технологию можно использовать для оперативного решения проблемы пониженного напряжения в удаленных точках сетей 0,4 кВ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Сайт компании ООО «СКЭ-ЭЛЕКТРО». URL: http://www.ske-electro.ru (дата обращения: 30.12.14).
2. Назаров В.В. Распределительные сети 10(6)/0,4 кВ. Вопросы реконструкции // Новости электротехники. 2014. № 4(88).
3. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесимметрич-ные режимы электрических систем. Иркутск : Изд-во Иркут. ун-т. 2005. 273 с.
4. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего элек-
троснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск: изд-во Иркут. гос. ун-та путей сообщения. 2011. 160 с.
5. Свидет. об офиц. регистр. программы для ЭВМ №2007612771 (РФ) «Ра70иоМ-Качество. Расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фазных координатах с учетом движения поездов» / Закарюкин В.П., Крюков А.В. Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Зарегистр. 28.06.2007.
6. Бардушко В.Д., Закарюкин В.П., Крюков А.В. Режимы работы системы тягового электроснабжения напряжением 94 кВ с симметрирующими трансформаторами // Вестник науч.-исслед. ин-та ж.д. трансп. 2005. № 3. С. 44-47.
7. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многообмоточных трансформаторов в фазных координатах // Электротехника. 2008. № 5. С. 56-60.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование несинусоидальных режимов в системах электроснабжения железных дорог // Вестник Рост. гос. ун-та путей сообщ. 2008. № 3. С. 93-99.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Токораспределение в проводах линий электропередачи с расщепленными проводами // Проблемы энергетики. 2010. № 1-2. С. 54-61.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Соколов В.Ю. Моделирование многоамперных шинопроводов // Проблемы энергетики. № 3-4. 2009. С. 65-73.
11. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Интеллектуальные технологии управления качеством электроэнергии. Иркутск: Изд-во ИрНИТУ, 2015. 218 с.
12. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Управление электромагнитной обстановкой в тяговых сетях железных дорог: монография. Ангарск : Изд-во АГТА, 2014. 158 с.
13. Бардушко В.Д., Закарюкин В.П., Крюков А.В. Принципы построения систем электроснабжения железнодорожного транспорта. М. : Теплотехник, 2014. 166 с.
14. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование режимов систем электроснабжения железных дорог. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2014. 164 с.
15. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многофазных линий электропередачи. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2014. 168 с.
