ВИРТУАЛЬНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ КАК ИНСТРУМЕНТ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ИЗОЛИРОВАННЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ

VIRTUAL LABORATORY IS A SOLUTION FOR RESEARCHES OF STATES IN ISOLATED POWER SYSTEMS

Natalia Batseva

Candidate of Science, assistant professor, Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

Artem Fed’kin

Student, Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

Pavel Berznyy

Head of Energy Department of PAO “Gazpromneft”,

Russia, Sankt-Petersburg

Samvel Khoshbekyan

Post-graduate student, Tomsk Polytechnic University,

Russia, Tomsk

АННОТАЦИЯ

Целью работы является создание виртуальной лаборатории, основу которой составляет цифровая модель изолированной энергосистемы нефтегазоконденсатного месторождения. Виртуальная лаборатория создана в пакете Simulink системы Matlab, и позволяет проводить эксперименты, связанные с протеканием установившихся режимов и переходных процессов.

ABSTRACT

The goal of this work resides in founding the virtual laboratory. The base of the virtual laboratory is the digital model of an isolated power system of an oil and gas condensate deposit. This laboratory is developed in the Matlab Simulink that allows carrying out tests, connected with the progress of steady-state and transient modes.

Ключевые слова: виртуальная лаборатория; изолированная энергосистема; эксперимент; установившиеся и переходные режимы.

Keywords: virtual laboratory; isolated power system; experiment; steady-state and transient conditions.

Введение

Подготовка грамотных специалистов-энергетиков невозможна без применения программных комплексов (ПК), так как проведение экспериментов является важной частью как процесса обучения, так и производственной деятельности на предприятиях энергетики, где проводится непрерывный контроль над техническим состоянием электрооборудования и режимными параметрами электрической сети. Без предварительных расчётов эксперименты в реальных энергосистемах проводить опасно, особенно это касается изолированных энергосистем, так как они не имеют связей с соседними энергосистемами, и при внезапном останове одного или нескольких генераторов, нарушается баланс мощностей, что приведет к потере питания ответственных потребителей и собственных нужд станции. Поэтому создание виртуальной лаборатории для проведения экспериментов по предиктивной аналитике режимов изолированных энергосистем является актуальной задачей.

Согласно [2, с. 1-2; 3, с. 12] виртуальная лаборатория – это программно-аппаратный комплекс, позволяющий проводить эксперименты без непосредственного контакта с реальной установкой или при её полном отсутствии. В [2, с. 1-2; 3, с. 12] виртуальные лаборатории разделены на два типа: лабораторные установки с удалённым доступом в совокупности с программно-аппаратным обеспечением для управления этими установками и средствами коммуникации; лаборатория для моделирования процессов и постановки экспериментов с помощью мощных компьютерных программ.

Для исследования режимов изолированных энергосистем достаточно создать виртуальную лабораторию второго типа.

Материалы и методы

На сегодняшний день среди ПК выгодно выделяется система Matlab с пакетом расширения Simulink, так как предоставляет пользователю разнообразие библиотек готовых блоков и примеров моделей; возможность выбора математического метода расчета; удобные средства для моделирования линейных и нелинейных динамических систем, какими и являются энергосистемы [3–5]. В пакете Simulink можно создать трехфазную цифровую модель энергосистемы, а при моделировании изолированной энергосистемы обойтись без задания базисно-балансирующего узла, что приводит к практически точному повторению режима реальной энергосистемы.

Основой виртуальной лаборатории является цифровая модель изолированной энергосистемы нефтегазоконденсатного месторождения, созданная согласно паспортным данным силового электрооборудования, схеме электрических соединений, контрольным измерениям генерации активной, реактивной мощностей и электрических нагрузок.

Для моделирования электротехнических устройств и измерителей электрических величин использована библиотека Specialized Power Systems, которая содержит необходимый набор блоков. Используя блоки этой библиотеки и функциональные блоки Simulink, можно смоделировать как саму изолированную энергосистему, так и системы управления: комплексы релейной защиты и противоаварийной автоматики, регуляторы, а также логику работы силовых машин.

Моделирование электротехнических устройств

Если такие электротехнические устройства, как трансформаторы и линии электропередачи смоделированы блоками – Three-Phase Transformer и Three-Phase Pi Section Line, то для моделирования генерирующего оборудования было рассмотрено три варианта, так как источниками генерации на нефтегазоконденсатных месторождениях являются газотурбинные агрегаты. После анализа и апробации был сделан вывод, что наиболее подходящий вариант моделирования газотурбинных агрегатов – это точечное задание каждого агрегата газотурбинной электростанции.

На рис. 1 изображен состав модели агрегата. Он включает блок, имитирующий генератор, и блок турбина-регуляторы.

Рисунок 1. Модель агрегата

На рис. 2 представлены параметры газотурбинного агрегата.

Рисунок 2. Параметры газотурбинного агрегата

Блок регуляторов турбины представлен на рис. 3.

Рисунок 3. Блок регуляторов турбины

Обратим внимание на блок Diesel Engine Governor (рис. 4).

Рисунок 4. Блок Diesel Engine Governor

Блок имитирует работу привода генератора и его регулятор скорости. У него два входа: текущая скорость ротора; начальная скорость ротора. Для корректной работы блока его необходимо обеспечить данными о текущей скорости вращения ротора генератора и задать константное значение скорости на начало расчета в о. е.

На рис. 5 изображен блок Excitation system, который реализует регуляторы и систему возбуждения.

Рисунок 5. Блок Excitation system

Входные значения для работы блока: напряжение статора на начало расчета – константное значение, напряжение статора в процессе работы генератора в комплексной форме и вход под стабилизатор.

На рис. 6 представлена логическая последовательность работы этого блока, куда подаются заданные константные значения и приходящая в блок информация. Здесь можно изменять параметры турбины, совершенствовать ее, добавлять или убирать функции, экспериментировать с различными вариациями представления самой турбины.

Рисунок 6. Логическая последовательность работы блока Excitation system

Эксперименты по расчету режимов и результаты

Расчет электрических режимов можно проводить двумя способами: с помощью стандартного метода, для чего необходимо настроить параметры в модуле Simulation/Model configuration parameters/Solver, либо с помощью блока Powergui библиотеки Specialized Power Systems.

На рис. 7 представлена часть электрической схемы изолированной энергосистемы для проведения экспериментов. Красным кругом на схеме показано место трехфазного короткого замыкания для проведения эксперимента по расчету переходного процесса.

Рисунок 7. Часть схемы изолированной энергосистемы в виртуальной лаборатории

Расчёт установившегося режима производился с помощью блока Powergui/Steady-State, а переходного – Powergui/Discrete Phasor.

В табл. 1 приведены результаты расчета по напряжению в установившемся режиме и контрольные измерения напряжения, для того чтобы убедиться в достоверности полученных результатов.

Таблица 1.

Результаты расчета по напряжению в установившемся режиме

На рис. 8 а), б), в) представлены осциллограммы изменения режимных параметров при трехфазном коротком замыкании на отходящей от шин станции линии электропередачи.

а)

б)

в)

Рисунок 8. Осциллограммы изменения: а) активной мощности; б) реактивной мощности; в) скорости вращения ротора

Заключение

1. По результатам погрешности (табл. 1, ∆U, %) можно сделать вывод, что при эксперименте по расчету установившегося режима получены значения напряжения, близкие к контрольным измерениям, значит цифровая модель изолированной энергосистемы, собранная в виртуальной лаборатории, может быть использована для расчета установившегося режима.
2. По осциллограммам рис. 8 видно, что на 1.9 секунде происходит трехфазное короткое замыкание, затем срабатывает токовая отсечка, отключая поврежденный элемент, и энергосистема возвращается в штатный режим работы, что соответствует процессам, происходящим в реальных энергосистемах.

Список литературы:

1. Трухин А.В. Об использовании виртуальных лабораторий в образовании // Открытое и дистанционное образование. – 2002. – № 4 (8). – С. 1-2.
2. Трухин А.В. Виды виртуальных компьютерных лабораторий // Открытое и дистанционное образование. – 2003. - № 3 (11). – С. 12-20.
3. Дьяконов В.П. MATLAB. Полный самоучитель. – М.: ДМК Пресс, – 2012. – 768 с.
4. Центр информационных технологий Экспонента MATLAB&Simulink [Электронный ресурс]: Режим доступа: https://exponenta.ru/simulink, свободный, (дата обращения: 05.04.2024).
5. Костюченко Л.П. Имитационное моделирование систем электроснабжения в программе MATLAB: учеб. пособие. – Краснояр. гос. аграр. ун-т. – Красноярск, – 2012. – 215 с.