CC BY
25
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
2. Астраханцев Л.А., Асташков Н.П. Обоснование метода построения автоматизированной системы управления производительностью мотор-вентиляторов на электровозах // Вестн. ИрГТУ. 2012. № 3. С. 90-95.
3. Скогорев И.В., Федюков Ю.А., Бобков В.Н. Регулирование расхода охлаждающего воздуха в зависимости от нагрузки оборудования и климатических факторов // Межвуз. сборник научных трудов. Хабаровск, 1987. С. 50-57.
4. Лукьянов А.В., Михальчук Н.Л., Капустин Н.И. Разработка программного комплекса теплови-зионного контроля технического состояния оборудования локомотивов // Информационные и математические технологии в науке, технике и образовании : тр. Х Байкал. Всерос. конф. Ч. II. Иркутск, 2005. С. 97-103.
5. Готтер Г. Нагревание и охлаждение электрических машин. М.,Л. : Госэнергоиздат, 1961. 264 с.
УДК 621.311.016 Закарюкин Василий Пантелеймонович,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университе путей сообщения, e-mail: zakar49@mail.ru
Крюков Андрей Васильевич, д. т. н., профессор, ИрГУПС, e-mail: and_kryukov@mail.ru
МУЛЬТИФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ ПОДХОД
К МОДЕЛИРОВАНИЮ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ
V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov
ELECTRICAL POWER SYSTEM MODELING - MULTIFUNCTIONAL APPROACH
Аннотация. В статье представлены основные результаты разработок авторов по методам и компьютерным технологиям, обеспечивающим комплексное моделирование электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения. На основе этих разработок возможно выполнение расчетов нормальных, несимметричных, несинусоидальных и предельных режимов электроэнергетических систем, определение электромагнитных влияний систем тягового электроснабжения на смежные линии электропередачи, а также моделирование электромагнитных полей, создаваемых многопроводными линиями.
Работа выполнена в рамках плана научных исследований по направлению «Интеллектуальные сети (Smart Grid) для эффективной энергетической системы будущего». Договор № 11.G34.31. 0044 от 27.10.2011.
Ключевые слова: электроэнергетические системы, системы тягового электроснабжения железных дорог.
Abstract. Authors' main results on methods and computer technologies providing complex modeling of electrical power systems and the systems of traction power supply are presented in the paper. On the basis of this investigation it is possible to calculate normal, asymmetrical, not sinusoidal and limit modes of electric systems, definition of electromagnetic influences of traction contact nets on adjacent transmission lines, and also modeling of the electro-
magnetic fields created by the multiwire transmission lines.
The work is performed within the plan of scientific researches «Intellectual Networks (Smart Grid) for an Effective Power System of the Future». Contract No. 11.G34.31.0044 of27.10.2011.
Keywords: electrical power systems, systems of traction power supply of the railroads.
Введение
В настоящее время осуществляется переход электроэнергетики РФ на новую технологическую платформу, в основу которой положена концепция интеллектуальных электрических сетей (smart grid) [1]. Проектирование и эксплуатация таких сетей требуют создания новых подходов к решению традиционных электроэнергетических задач, в частности задач моделирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС). Методы моделирования, применимые в задачах проектирования и эксплуатации smart grid, должны удовлетворять следующим требованиям:
• возможности расчета сложнонесимметрич-ных (нормальных и аварийных), несинусоидальных и предельных режимов, поскольку одна из основных задач, решаемых на основе технологий smart grid, состоит в повышении надежности электроснабжения и качества электроэнергии;
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
• адекватное моделирование активных элементов, таких как устройства FACTS, кондиционеры гармоник, вставки несинхронной связи между энергосистемами, управляемые линии электропередачи;
• возможность решения дополнительных задач, таких как определение электромагнитных влияний на смежные линии электропередачи (ЛЭП), а также моделирование электромагнитных полей, создаваемых многопроводными ЛЭП.
Сформулированным требованиям отвечают методы мультифункционального моделирования электроэнергетических систем в фазных координатах, разработанные в ИрГУПС [2-25].
Методика мультифункционального моделирования ЭЭС. Наиболее эффективно задача мультифункционального моделирования ЭЭС может быть решена на основе применения фазных координат. Основную трудность при этом создают элементы со взаимоиндуктивными связями, к которым относятся многопроводные линии электропередачи и трансформаторы. В работах [2, 11] предложен единый методологический подход к построению моделей таких элементов, реализуемых решетчатыми схемами замещения в виде наборов ^LC-элементов, соединенных по схеме полного графа. На основе этого подхода реализованы методы и компьютерные технологии, отличительные особенности которых состоят в следующем (рис. 1):
• мультифазность, т. е. возможность моделирования мультифазных систем (трехфазно-однофазных, трехфазно-четырехфазных, трехфаз-но-шестифазных и т. д.);
• мультирежимность, заключающаяся в моделировании широкого спектра режимов ЭЭС: нормальных и аварийных, несимметричных, несинусоидальных, предельных по статической апериодической устойчивости [2, 5, 13];
мультизадачность, состоящая в том, что совместно с определением перечисленных выше режимов ЭЭС возможно решение дополнительных задач, актуальных в практике проектирования и эксплуатации ЭЭС: определение наведенных напряжений на смежные ЛЭП [2, 4, 11, 12]; расчет напряженностей электромагнитного поля, создаваемого ЛЭП [10]; параметрическая идентификация ЛЭП и трансформаторов по данным измерений, получаемых от устройств PMU WAMS [14]; учет активных элементов smart grid при моделировании ЭЭС [15]; учет эффекта близости при моделировании токопроводов с массивными шинами [7, 8].
Структурная схема, поясняющая характер взаимосвязей между решаемыми в процессе муль-тифункционального моделирования задачами, представлена на рис. 2.
Примеры моделирования. Ограниченный объем статьи не позволяет привести иллюстрации всех задач, решение которые можно получить
Мультифункциональный подход к моделированию ЭЭС
Мультирежимность
Моделирование режимов:
- нормальных;
- аварийных;
- сложнонесимметричных;
- неполнофазных;
- несинусоидальных;
- предельных.
Совместно с моделированием режимов ЭЭС возможно решение следующих задач:
- определение наведенных напряжений на смежные ЛЭП;
- расчет напряженностей электромагнитного поля, создаваемого ЛЭП;
- параметрическая идентификация ЛЭП и трансформаторов;
- учет активных элементов smart grid при моделировании ЭЭС;
- учет эффекта близости при моделировании токопроводов с массивными шинами.
Рис. 1. Возможности мультифункционального моделирования ЭЭС
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Рис. 2. Комплекс решаемых научно-технических проблем
в рамках разработанного мультифункционального подхода к моделированию ЭЭС. Заинтересованные специалисты могут ознакомиться с монографиями [2-15], полнотекстовые версии которых размещены на сайте кафедры «электроснабжение» ИрГУПС по адресу www.irgups.ru/web-edu/~egt/. Там же доступны полнофункциональные версии программных комплексов, реализующих рассматриваемые в статье методы моделирования ЭЭС, с ограничением максимально допустимого числа узлов электрической сети.
Мультифазность. В качестве примера моделирования мультифазной ЭЭС на рис. 3-11 представлены результаты моделирования нагрузочной способности двенадцатифазной ЛЭП с напряжением проводов относительно земли, равным 220
—=■ кВ (рис. 3, а). Для сопоставления с традици-
л/3
онными способами передачи электроэнергии про-
водилось моделирование трехфазной ЛЭП 500 кВ, имеющей сравнимую пропускную способность (рис. 5). Расположение проводов ЛЭП в пространстве представлено на рис. 4 и 6.
Моделирование осуществлялось на основе комплекса программ «БаЕОпоМ-Качество», разработанного в ИрГУПС. Расчетные схемы, сформированные средствами ПК «БаЕОпоМ-Качество», приведены на рис. 7. Результаты компьютерного моделирования проиллюстрированы на рис. 8-11.
Результаты моделирования позволяют сделать следующие выводы.
1. Двенадцатифазная ЛЭП с напряжением
проводов относительно земли, равным 220 кВ, проводов относительно земли, равным кВ,
л/3
имеет пропускную способность, соизмеримую с аналогичным показателем для традиционной ЛЭП 500 кВ.
25
20
15
10
У, м • • • •
• • • •
• •
Рис. 3. Схема двенадцатифазной ЛЭП
-10 -5 0 5 1 0
Рис. 4. Координаты расположения проводов двенадцатифазной ЛЭП
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 5. Схема трехфазной ЛЭП
о о
? 9Р X, м
-15 -10 -5 0 5 10 15
Рис. 6. Координаты расположения проводов трехфазной ЛЭП
—-|_37
--±38 В
Зё"-1 (
Нагрузка Р, О
Рис. 7. Расчетные схемы: а) двенадцатифазная ЛЭП; б) трехфазная ЛЭП
700
500
400
300
200
100
Р^МВт енадцатп > | п I и! ЛЭ
д=
-"7
лэг ЯН) кВ
5, град
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00
Рис. 8. Угловые характеристики мощности
4 50 5.00
14 12 10
8 6 4 2 0
А Р,%
¡енадцатифаз
ДЕ ная ЛЭП
ЛЭП 500 / - кЕ
100 200 300 400 500 600 700
Рис. 9. Зависимость потерь от придаваемой мощности Рь
800
2. Потери мощности двенадцатифазной ЛЭП выше, чем у трехфазной ЛЭП 500 кВ.
3. Двенадцатифазная ЛЭП создает значительно меньшие напряженности электромагнитного поля по сравнению с трехфазной линией 500 кВ. Максимальный уровень напряженности электрического поля двенадцатифазной ЛЭП меньше примерно в 3,5 раза, а напряженность магнитного поля меньше в 3 раза.
Мультирежимность. В качестве иллюстрации мультирежимности представлены результаты расчетов предельных режимов в системе электроснабжения железнодорожной магистрали, фрагмент расчетной схемы которой показан на рис. 12. На рис. 13 представлены результаты расчетов предельных режимов, выполненные применительно к этой системе; PС - активная мощность подстанции СБ; PT - активная мощность подстанции ТМ;
дЕ
- - матрица Якоби уравнений установившегося
дХ
режима. Расчеты выполнялись при симметричном утяжелении на тяговых подстанциях СБ и ТМ, а также при изменении однофазной тяговой нагрузки на этих подстанциях.
Анализ полученных результатов позволяет
сделать вывод о том, что при несимметричном утяжелении пределы передаваемой мощности существенно уменьшаются. Этот факт необходимо учитывать при планировании перспективных размеров движения по этому участку магистрали.
Мультизадачность. В качестве примера мультизадачности на рис. 14, 15 представлены результаты расчета наведенных напряжений на отключенную линию электропередачи, проходящую параллельно трассе железной дороги переменного тока. Моделирование осуществлялось применительно к межподстанционной зоне однопутного участка железной дороги длиной 36 км при системах электрификации 27,5 кВ, 2x25 кВ, 94 кВ. Расстояние от отключенной и незаземленной линии электропередачи такой же длины, подверженной влиянию, принималось равным 20 м. Удельная проводимость земли задавалась равной 0,01 См/м. Формы кривых наведенных напряжений показаны на рис. 14. Расчеты выполнены с учетом гармонических искажений токов и напряжения в тяговой сети. Максимальные уровни наведенных напряжений от высших гармоник достигают 200 В при СТЭ 27,.5 кВ, 55 В при СТЭ 2x25 кВ и 110 В при СТЭ 94 кВ (рис. 15).
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
Рис. 12. Фрагмент расчетной схемы
250
200
150
100
50
Вт
Симметр ичное уп эжеление
/ Гранин 1 Не / [Ы облкк :имметр ти устон иное утя гчивости желение ах
ю фидер; 1м 27.5 к! -ч В
0 Рт, МВт \
° 0 20 40 60 §0 100 120 140
Рис. 13. Результаты расчета предельных режимов в системе электроснабжения железнодорожной магистрали
Рис. 14. Формы кривых наведенных напряжений при ширине сближения 20 м
тАВ1] = , 1и? + тЯ+и? + и?+тЛ
20 22 24 26
30 32 34
Время, мин
Рис. 15. Динамика изменения наведенных напряжений от высших гармоник
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Заключение. Разработки методов и компьютерных технологий, обеспечивающих комплексное моделирование электроэнергетических систем и систем тягового электроснабжения, позволяют выполнять расчеты нормальных, несимметричных, несинусоидальных и предельных режимов электроэнергетических систем, расчеты электромагнитных влияний систем тягового электроснабжения на смежные линии, а также моделирование электромагнитных полей, создаваемых многопроводными ЛЭП.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть - новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт. 2009. № 4. С. 29-34.
2. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесим-метричные режимы электрических систем. Иркутск : Изд-во Иркут. гос. ун-та. 2005. 273 с.
3. Крюков А.В., В.П. Закарюкин, С.М. Асташин. Управление режимами систем тягового электроснабжения : монография. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2009. 124 с.
4. Крюков А.В., Закарюкин В.П. Моделирование электромагнитных влияний на смежные ЛЭП на основе расчета режимов энергосистемы в фазных координатах. Иркутск : Изд-во Ир-ГУПС, 2009. 120 с.
5. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Крюков Е.А. Моделирование предельных режимов электроэнергетических систем с учетом продольной и поперечной несимметрии. Иркутск : ИСЭМ СО РАН, ИрГУПС, 2006. 140 с.
6. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Абрамов Н.А. Ситуационное управление режимами систем тягового электроснабжения. Иркутск : Изд-во ИрГУПС. 2010. 123 с.
7. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Соколов В.Ю. Моделирование систем электроснабжения с мощными токопроводами. Иркутск : Изд-во ИрГУПС. 2010. 80 с.
8. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Соколов В.Ю. Моделирование систем электроснабжения с токопроводами. Germany, Saarbrücken : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 90 с.
9. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Абрамов Н.А. Управление системами тягового электроснабжения. Ситуационный подход. Germany, Saarbrücken : LAP LAMBERT Academic Publishing, 2011. 128 с.
10. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Электромагнитная обстановка на объектах железнодорожного транспорта. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. 130 с.
11. Крюков А.В., Закарюкин В.П. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск : Изд-во ИрГУПС,
2011. 170 с.
12. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.А. Математические модели для определения взаимных электромагнитных влияний в системах тягового электроснабжения. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2011. 110 с.
13. Крюков А.В. Предельные режимы электроэнергетических систем. Иркутск : Изд-во ИрГУПС,
2012. 236 с.
14. Закарюкин В.П., Крюков А.В, Шульгин М.С. Параметрическая идентификация линий электропередачи и трансформаторов. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012. 96 с.
15. Закарюкин В.П., Крюков А.В, Ушаков В.А., Алексеенко В.А. Оперативное управление в системах электроснабжения железных дорог. Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012. 129 с.
16. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Асташин С.М. Моделирование систем электроснабжения железных дорог переменного тока // Проблемы энергетики. 2008. № 3-4. С. 134-140.
17. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование несинусоидальных режимов в системах электроснабжения железных дорог // Вестн. Ростов. гос. ун-та путей сообщения. 2008. № 3. С. 9399.
18. Крюков А.В., Закарюкин В.П. Моделирование систем тягового электроснабжения в фазных координатах // Науч. проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 1. С. 284288.
19. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Токораспределе-ние в проводах линий электропередачи с расщепленными проводами // Проблемы энергетики. 2010. № 1-2. С. 54-61.
20. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Расчет электромагнитных полей, создаваемых тяговыми сетями электрифицированных железных дорог // Вестн. ИрГТУ. 2011. № 1 (48). С. 148-152.
21. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многообмоточных трансформаторов в фазных координатах // Электротехника. 2008. № 5. С. 56-61.
22. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Соколов В.Ю. Моделирование многоамперных шинопроводов // Проблемы энергетики. 2009. № 3-4. С. 65-73.
23. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Абрамов Н.А. Управление системами тягового электроснабжения железных дорог // Управление больши-
Информатика, вычислительная техника и управление. Моделирование. Приборостроение. Метрология. Информационно-измерительные приборы и системы
ми системами : сб. тр. Вып. 29. М., 2010. С. 201-213.
24. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Определение наведенных напряжений с учетом несинусоидальности токов контактной сети железных дорог переменного тока // Научные
проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 2. С. 315-319.
25. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Шульгин М.С. Параметрическая идентификация элементов системы электроснабжения железной дороги переменного тока // Вестн. РГУПС. 2013. № 2 (50). С. 37-47.
УДК 502.3 Аистов Игорь Петрович,
д. т. н., профессор кафедры «Промышленная экология и безопасность», Омский государственный технический университет, тел.: (3812)-23-06-51, 8-960-984-54-48, e-mail: aistov_i@mail.ru
Баженов Владислав Викторович, к. т. н., доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность», Омский государственный технический университет, тел.: (3812)-23-06-51, 8-960-985-15-848, e-mail: vlad383@mail.ru
Гаглоева Анжелика Ефремовна, к. т. н., старший преподаватель кафедры «Промышленная экология и безопасность», Омский государственный технический университет, тел.: (3812)-23-06-51,8-908-798-20-29, e-mail: anzhelika.gagloe@mail.ru
НОВЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ РАСЧЕТА ВЫБРОСОВ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ВЕЩЕСТВ В ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ
I.P. Aistov, V.V. Bazhenov, A.E. Gagloeva
NEW METHODS FOR SOLVING THE PROBLEM OF HARMFUL SUBSTANCES BLOW-OUT FROM OPEN WATER SURFACES
INTO THE ENVIRONMENT
Аннотация. В статье рассматриваются существующие методы решения задач расчета выбросов загрязняющих веществ с открытых водных поверхностей, анализируются проблемы, связанные с использованием этих методов. Предлагается новый способ решения данной задачи. Описана модель поступления вредных веществ в окружающую среду с открытых водных поверхностей. Приводятся результаты эксперимента.
Ключевые слова: модель, загрязняющие вещества, испарение.
Abstract. The article considers the existing methods of calculating emissions of polluting substances from open water surface, problems associated with the use of these methods are analysed. A new method of solving the problem is proposed. The model of receipt of the hazardous substances from open water surfaces is given. The results of the experiment are presented.
Keywords: model, polluting substances, evaporation.
В настоящее время вследствие увеличения численности населения, урбанизации, индустриализации и в особенности развития сельскохозяй-
ственного производства растет водопотребление. В результате увеличивается объем сточных вод, поступающих на очистку в водоотводящие системы и сооружения.
Предприятия по очистке сточных вод и во-доподготовке помимо воздействия на гидросферу также в значительной степени оказывают влияния и на атмосферный воздух вследствие выделения вредных веществ с открытых водных поверхностей.
В настоящее время при расчётах выбросов загрязняющих веществ с открытых водных поверхностей используются методики, разработанные в 80-90-е годы прошлого столетия. Как следствие, расчёты изобилуют разного рода усредняющими коэффициентами, необходимыми в основном для упрощения и ускорения проведения расчётов без использования ЭВМ. Очевидно, что подобного рода упрощения не учитывают особенностей работы технологического оборудования на предприятии, что приводит к неизбежным погрешностям в расчётах выбросов вредных веществ и, как следствие, к неконтролируемому загрязнению окружающей среды и ухудшению качества жизни населения. Кроме того, используемые в настоящее время методики по своим возможно-
