Обзор инструментальных средств

В данном разделе перечислим существующие в настоящее время программные комплексы для решения задач электроэнергетики. Отметим достоинства и недостатки вышеуказанных систем и представим сравнительную характеристику их между собой.

Основными практическим задачами, которые решаются с применением инструментальных средств, являются [72]:

1) исследование последствий нештатных ситуаций. На основе результатов моделирования делаются выводы о необходимости ремонтов, замены производственного оборудования, внедрению противоаварийной автоматики;

2) исследование статической и динамической устойчивости при изменении конфигурации ЭЭС предприятия;

3) формирование альтернатив при создании или модификации подсистемы ЭЭС в плане выбора возможного оборудования. При этом

28 предварительный анализ конфигураций ЭЭС позволяет принимать обоснованные решения.

Следует отдельно отметить, что математические модели современных технических и, в частности, электроэнергетических систем характеризуются высокой размерностью, многорежимностью и жесткостью. В связи с этим в программных комплексах исследования ЭЭС необходимы специальные алгоритмы численного анализа, настроенные на решение задач с отмеченными особенностями.

EUROSTAG [http://www.eurostag.be, http://eurostag.regimov.net]

EUROSTAG - программный комплекс, предназначенный для точного исследования динамики различного рода электроэнергетических систем. Разработчиками данного продукта являются научно-технический центр Tractebel(Бельгия) совместно с Electricite de France(Франция).

Данный программный комплекс предназначен для исследования как коротких (доли секунд) электромагнитных и достаточно продолжительных (десятки минут) электромеханических переходных процессов, так и расчета установившихся режимов. При этом учитывается возможная работа систем автоматического регулирования. В системе имеется большая библиотека модулей регулирования, а также специальный модуль, с помощью которого в удобной среде можно описать практически любое устройство.

Комплекс состоит из независимых модулей, доступных из главного окна программы: редактор сети, редактор входных данных, редактор моделей элементов ЭЭС, конвертер (импорт данных из других программ), расчетный модуль, средства просмотра результатов расчета в виде графиков и таблиц.

Отметим следующие достоинства EUROSTAG:

- Большой спектр решаемых задач.

- Развитое математическое обеспечение (расчеты на длинных временных интервалах, переменный шаг интегрирования).

- Поддержка множества типовых сетевых элементов и автоматик.

- Возможность создавать свои модели для нетипового «железа».

Но также существуют недостатки:

- Отсутствие настроенных таблиц для анализа.

- Отсутствие инструментов для поиска, сортировки, групповой коррекции данных.

- Нет встроенного макроязыка для автоматизации расчетов.

- Очень медленный и недоработанный графический редактор.

- Многочисленные ограничения на количество узлов, ветвей,

генераторов, автоматик и связанных с ними параметров.

- Завышенные требования к аппаратному обеспечению и как следствие - большое время расчета.

- Стандартная библиотека численных методов, не учитывающих особенности рассматриваемого класса систем.

DIgSILENT PowerFactory [http://www.digsilent.de]

Программное обеспечение DIgSILENT PowerFactory (Digital SImuLator for Electrical NeTwork - цифровой инструмент моделирования электрических сетей) предназначено для анализа и планирования режимов работы электрических сетей и систем. Разработчик - компания DIgSILENT GmbH (Германия). Создание системы началась в 1976 году группой опытных инженеров-электриков и программистов, которые непосредственно проектировали и эксплуатировали электрические системы. В настоящий момент актуальной является версия PowerFactory 15. Программное обеспечение уже более 30 лет используется электроэнергетиками (выдано более 5000 лицензий) более чем в 110 странах мира (Великобритания, Италия, Нидерланды, Австралия, Швейцария, ЮАР, Германия, Россия, Украина и др.)

для решения всего спектра задач планирования и управления режимами электрических сетей и систем.

Концепции, заложенные при создании PowerFactory, делают его наиболее гибким и надежным инструментом компьютерного моделирования и анализа электрических систем и сетей. Единый программный «движок» и интерфейс PowerFactory используется для различных приложений и сегментов рынка - генерация, передача, распределение электроэнергии, системы

электроснабжения. Интегрированная база данных позволяет хранить все данные приложения (графика, параметры, результаты, условия выполнения, опции расчетов, сообщения и др.). Мощный графический редактор поддерживает большое количество графических функций, таких как многослойность, «drag and drop», автоматическая генерация типовых схем подстанций, условно-зависимая окраска элементов, масштабирование, визуальная идентификация и др.

Постоянно расширяемый перечень поддерживаемых функций обеспечивает решение прикладных задач:

- Расчет симметричных и несимметричных установившихся режимов, токов КЗ.

- Учет работы первичных и групповых систем автоматического регулирования частоты и мощности.

- Анализ и оптимизация режимов энергосистем с множеством ограничений.

- Исследование электромагнитных и электромеханических переходных процессов, расчеты статической и динамической устойчивости.

- Создание пользовательских моделей регуляторов и идентификация их параметров по данным натуральных испытаний.

PSS®E Siemens PTI [http://www.energy.siemens.com]

Программный комплекс PSS®E (Power System Simulator for Engineering), разработанный Siemens Power Technology International (Германия),

используется компаниями, эксплуатирующими электрические сети во всем мире. С момента своего появления в 1976 году данный программный комплекс стал наиболее всеобъемлющей, технически совершенной и широко используемой коммерческой программой. Вероятностный анализ и передовое динамическое моделирование, включенное в PSS®E, предоставляет инженерам широкий набор инструментов для использования при проектировании, анализе и оптимизации надежных сетей.

1. Анализ постоянных режимов, потокораспределения мощности и других параметров сети.

2. Расчет симметричных и несимметричных коротких замыканий.

3. Расчет динамической устойчивости, который включает долгосрочное динамическое моделирование, расчет статической устойчивости (в малом) и частотный анализ сети.

4. Оптимальное распределение мощности.

5. Графическая среда для разработки моделей.

6. Расчет параметров ЛЭП.

PSS®E имеет интуитивно понятный графический интерфейс, который совмещается с другими PSS®-приложениями.

Отдельно рассмотрим модуль динамического моделирования и библиотеку компонентов. Ключевыми инструментами динамического моделирования PSS®E являются:

- Графический редактор для создания моделей разных уровней сложности, в том числе собственных пользовательских.

- Интуитивный и легкий в использовании графический интерфейс ввода данных динамической модели как в табличной форме, так и через диаграмму сети.

- Возможность создания любых возмущений системы, например КЗ, пуск двигателей, потеря возбуждения генератора, отключение генераторов и т.п.

- Упрощенный метод для проверки данных динамического моделирования.

- Возможность приостановить и продолжить расчет в любое время.

- Средства интерпретации результатов с возможностью экспорта в несколько популярных графических форматов.

- Большая встроенная библиотека моделей.

Широкое распространение, продолжительное существование и всеобщее признание программных комплексов PowerFactory и PSS®E делают их своего рода «стандартом» в области проектирования и использования инструментальных средств анализа программных систем. Отмеченные особенности данных систем, такие как единый программный «движок», мощный графический редактор, средства интерпретации результатов и др., необходимо сохранять и во вновь разрабатываемых комплексах, реализующих современные математические модели и методы анализа.

MATLAB/SimPowerSystems [http://www.mathworks.com]

MATLAB (The MathWorks, США) - один из самых известных пакетов прикладных программ для решения задач технических вычислений. В состав MATLAB входит компонента Simulink - интерактивный инструмент для моделирования, имитации и анализа динамических систем визуальными моделями на основе структурных схем. К несомненным достоинствам Simulink можно отнести: возможность анализа широкого класса моделей; большое количество примитивов; многие блоки работают для векторных и матричных сигналов; архитектура системы позволяет интегрировать свои компоненты. В свою очередь к недостаткам Simulink и MATLAB вообще относится большая вычислительная ресурсоемкость. Дополнительные возможности, которые представлены в пакете и придают ему излишнюю громоздкость, чаще всего не используются; большое количество примитивов, которые противоречат

композиционным принципам агрегирования; отсутствует возможность экспорта результатов в другие среды, блоки для графического представления результатов неудобны в манипулировании графическими данными.

Пакет Simulink SimPowerSystems [71] содержит набор блоков для построения виртуальных моделей электротехнических устройств и устройств силовой электроники. Используя библиотеки Simulink, а также применяя функции и команды MATLAB, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и изучать их частотные свойства, оценивать динамические параметры и осуществлять гармонический анализ токов и напряжений.

В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и т.п. оборудования. Имеется также раздел, содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, включая системы управления для них. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств.

Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно исследовать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления с помощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического проектирования, позволяет значительно упростить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и скорость работы. Кроме того, в модели с использованием блоков SimPowerSystems можно использовать блоки и остальных библиотек Simulink, а также функции самого MATLAB, что

34 дает практически неограниченные возможности для анализа электротехнических систем.

Модели в SimPowerSystems конструируются (рисунок 1.3) для трехфазной системы координат (фазы A, B и C системы электроснабжения). Такие схемы легко интерпретируются, они соответствует реальным электрическим системам. Однако с точки зрения рассматриваемого класса задач, необходимо выполнение дополнительных преобразований для приведения результатов в систему вращающихся координат d - q.

Рисунок 1.3 - Моделирование ЭЭС в SimPowerSystems

RastrWin [http://www.rastrwin.ru]

Комплекс программ RastrWin разработан Региональным общественным объединением «Фонд кафедры «Автоматизированные электрические системы» имени Д.А. Арзамасцева» (Россия). RastrWin позволяет решать задачи по ведению режимов электрических сетей и систем:

- Расчет установившихся режимов электрических сетей произвольного размера и сложности.

- Эквивалентирование (упрощение) электрических сетей.

- Расчет предельных по передаваемой мощности режимов энергосистемы, определение опасных сечений.

- Проведение многовариантных расчетов по списку возможных аварийных ситуаций.

Представление электрической сети в виде однолинейной графической схемы обеспечивает наиболее удобное восприятие информации о расчетах режима. В RastrWin входят средства подготовки и отображения однолинейной графической схемы:

- автоматизированная подготовка графической схемы на основе заданной расчетной, автоматический контроль соответствия расчетной и графической схем;

- подготовка окон (мест расположения) отображения численной информации;

- отображение текущей расчетной информации, быстрая замена типа отображаемой информации;

- проведение коммутаций (отключение/включение) и коррекций режимных параметров непосредственно на графической схеме;

- цветовое выделение номинальных напряжений и районов схемы, выделение номинальных напряжений толщиной;

- динамическая «заливка» схемы в зависимости от значения выбранного параметра (например, отклонения напряжения от номинального);

- отображение энергетической схемы в виде «псевдо»-электрической сети.

АНАРЭС-2010 [http://www.anares.ru]

АНАРЭС (Анализ надежности режимов электрических систем) - семейство программных комплексов для расчетов, анализа и планирования режимов работы электроэнергетических систем [72]. В настоящее время актуальной является версия АНАРЭС-2010.

Комплекс предназначен для оперативных расчетов, анализа, планирования режимов работы электроэнергетических систем; управления ими на различных территориальных уровнях диспетчерского управления.

Программный комплекс позволяет проводить [72]: расчет нормальных (установившихся) режимов; оптимизацию режима работы (минимизация потерь); поиск и анализ предельных режимов работы; расчет токов короткого замыкания; оценивание текущего состояния; анализ режимной надежности, с возможностью оценки вероятности возникновения и развития каскадных аварий; расчет электромеханических переходных процессов; производить проектирование электрических систем; решать задачи обработки телеметрической информации на уровне подстанций и подготовки её для дальнейшего использования для работы комплекса.

Принципиальная схема ЭЭС формируется в универсальном редакторе расчетных схем [13].

Математическая модель переходных процессов ЭЭС получена на основе уравнений электрической цепи, дополненных уравнениями механического движения электрических машин. Основными особенностями данной модели являются:

- учет изменения частоты вращения синхронных машин в уравнениях всех элементов;

- исследование асинхронных машин с учетом не только механического движения, но и переходных процессов в контурах ротора;

- строгий учет автоматических регуляторов возбуждения в соответствии с их передаточными функциями, с учетом форсировки возбуждения и скачков входных сигналов в момент коммутации.

- в модели не учитываются быстро протекающие переходные процессы в статорной цепи электрических машин.

Динамика анализирует переходные процессы при различных коммутациях и событиях, происходящих в системе: короткое замыкание на линии; отключение/включение линии (в том числе, и с одного конца); изменение параметров линии; короткое замыкание в узле; отключение короткого замыкания в узле. Также моделируются: отключение генераторов;

корректировка шунта в узле; корректировка нагрузки в узле; отключение/включение синхронной машины; потеря возбуждения синхронной машины; отключение/включение асинхронной машины; включение импульсной разгрузки блока; деление системы на независимые части и др. Допускается любое сочетание событий одновременно и с разделением во времени.

Расчетный блок выполнен в виде отдельного программного модуля. Это позволяет его использовать без интерфейса в других задачах («Надёжность» и др.). «Динамика» позволяет: формировать задания на расчет, задавать логику работы автоматики, отображать результаты расчета в таблицах и на графиках, отображать результаты работы автоматики, контролировать выход параметров за указанные диапазоны, сортировать результаты по любому параметру.

Как основные преимущества, разработчики отмечают:

- Высокую технологичность программных продуктов в составе комплекса, использующих самые современные научные методы и разработки.

- Высокую надежность работы - проверенные годами, алгоритмы, методы и технологии. Способность решения нестандартных проблем и задач.

- Простоту адаптации программного комплекса к условиям конкретного заказчика.

- Использование в научно-прикладных исследованиях и обучении.

- Техническую и методическую поддержку пользователей.

К недостаткам АНАРЭС отнесем использование стандартных методов численного анализа [69], не адаптированных к особенностям моделируемых систем и допускающих некорректное обнаружение дискретных событий.

Dakar [http://www.dakar.eleks.com]

Программа ДАКАР (Диалоговый автоматизированный комплекс анализа режимов) предназначена для расчета и анализа установившихся режимов и переходных процессов электроэнергетических систем. Разработчик - ELEKS Software (Украина). В состав программного комплекса входит информационная

38 база данных и программные средства работы с ней. В информационную базу входят данные об электрической схеме сети и ее режимах, а также оборудование энергосистемы и нормативно-справочная информация.

Программное обеспечение позволяет решать следующие задачи: создание графической схемы сети и коммутационных схем подстанций, с отображением на них результатов расчета; расчет и анализ установившихся режимов; исследование статической и динамической устойчивости; анализ длительных переходных процессов; анализ несимметричных, неполнофазных режимов и расчет токов короткого замыкания; эквивалентирование режимной схемы.

Анализ статической устойчивости выполнен на основе численного решения алгебро-дифференциальных уравнений исследуемой энергосистемы при малых возмущениях всех активных узлов. Комплекс позволяет осуществить расчет и анализ длительных электромеханических переходных процессов, связанных с изменением частоты в энергосистеме, уровней напряжений, перетоков мощностей и взаимных углов межсистемных связей, с моделированием действий любых устройств противоаварийной автоматики и реакцией теплосилового оборудования электростанций (тепловой автоматики). Методика расчета длительных переходных режимов (до 10 минут) основана на переходе от одного математического описания к другому и охватывает все стадии аварийного переходного процесса.

Из представленного обзора следует, что современные системы инструментального анализа ЭЭС обладают следующими характеристиками [51], которые необходимо учитывать при разработке новых пакетов программ:

1. Предметно-ориентированный пользовательский интерфейс с

графическим редактором принципиальных схем.

2. Единый интерфейс для решения различных расчетных задач.

3. Обширные библиотеки типовых элементов с возможностью включения пользовательских моделей.

4. Учет работы автоматики, создание пользователем собственных алгоритмов и устройств автоматического регулирования.

5. Механизмы импорта данных различных форматов из внешних приложений.

6. Единый расчетный модуль.

7. Расширяемость системы, добавление модулей для новых задач.

8. Исследование многорежимных динамических систем с возмущениями.

9. Проведение активного эксперимента и многовариантных расчетов.

10. Развитые средства графической интерпретации результатов расчета с привязкой к топологии схемы.

Далее перейдем к рассмотрению формализма гибридных систем, который будет использован в разрабатываемом программном комплексе для представления математических моделей ЭЭС.

1.4