В статье рассмотрены функциональные возможности, которые дает программно-аппаратный комплекс «Цифровой двойник энергосистемы» и его новые приложения. Теперь доступны: разработка электрической схемы с применением пользовательских элементов и собственных геометрических моделей линий электропередачи, настройка шага расчета при выполнении симуляции режимов работы энергосистем, создание «снимка режима» и запуск моделирования с использованием «снимков», экспорт результатов расчетов и моделирования в различные форматы данных.  

Введение

Моделирование режимов энергосистем относится к числу важных прикладных и исследовательских задач, поскольку позволяет анализировать и прогнозировать поведение электрических сетей и электротехнического оборудования в различных условиях, оптимизировать их работу, повышать их надежность и устойчивость к возмущениям и нарушениям.

.

.

Существует достаточно большое разнообразие зарубежных программных и программно-аппаратных комплексов для моделирования в энергетике [1], но зачастую их применение ограничено сравнительно узконаправленной функциональностью, что недостаточно для решения комплексных инженерных, образовательных и научных задач. Учитывая задачи обеспечения технологического суверенитета страны, в НИУ «МЭИ» разработали программно-аппаратный комплекс «Цифровой двойник энергосистемы» [2] (ПАК ЦДЭС), позволяющий выполнять: - моделирование электроэнергетической схемы в режиме реального времени с шагом расчета от 30 до 150 мкс; - исследования электромагнитных и электромеханических процессов; - испытания устройств силовой преобразовательной техники; - испытания устройств релейной защиты и автоматики (РЗА); - испытания устройств синхронизированных векторных измерений (УСВИ); - моделирование алгоритмов защиты и автоматики.

 

Используемая архитектура ПАК ЦДЭС с применением ши­ны данных, микросервисной архитектуры, централизованной системы авторизации и контейнеризации приложений позволяет достаточно просто интегрировать новую функциональность [2]. В связи с этим для выполнения вышеописанных задач в состав ПАК ЦДЭС включен ряд различных приложений, обладающих следующим набором функций: - разработка схем энергосистем или импорт готовых схем посредством CIM-модели; - моделирование поведения энергосистем; - разработка сценариев симуляции на языке программирования (ЯП) Python; - создание пользовательских элементов посредством схем замещения или ЯП C/C++; - разработка и моделирование одно- и двухцепных воздушных и кабельных линий электропередачи с различной топологией и конфигурацией; - разработка, конфигурация и запуск виртуальных устройств защиты и автоматизации; - расчет интегральных показателей надежности схемы (SAIDI, SAIFI и др.); - конфигурация информационного обмена посредством протоколов передачи данных МЭК 60870-5-104, Modbus TCP, MQTT, UDP, МЭК 61850 (SV, GOOSE, MMS); - управление входами/выходами аналоговых и дискретных сигналов.

 

В рамках статьи представлена новая функциональность ПАК ЦДЭС, предназначенная для разработки моделей воздушных и кабельных линий посредством геометрического параметрирования ЛЭП, для создания пользовательских элементов, «снимков» режима и экспорта результатов моделирования в различные общепринятые форматы. Функциональность, разработанная ранее, представлена в публикациях [3] и [4].

 

Разработка электрической схемы и моделирование поведения энергосистем

Для разработки схемы электрической се­ти ПАК ЦДЭС включает в се­бя приложение «Редактор ЭЭС». В приложении доступна функция импорта электрической схемы посредством CIM-модели и разработки схемы с использованием встроенной библиотеки элементов. Библиотека элементов содержит одно- и трехфазные элементы следующих типов: - источники электроэнергии (эквивалент энергосистемы и синхронный генератор); - коммутационные аппараты (выключатель, разъединитель и т. д.); - вращающиеся машины; - потребители электроэнергии; - измерительные средства; - средства управления схемой (кнопка, индикатор, тумблер и другие).

 

Математические модели элементов перед добавлением в библиотеку приложения «Редактор ЭЭС» проходили множество испытаний и проверялись на сходимость с математическими моделями элементов всемирно признанного ПАК RTDS [3]. Различие результатов моделирования элементов при сравнении с ПАК RTDS во всех режимах составляло не более 0,01 %. Модели элементов библиотеки ПАК ЦДЭС позволяют моделировать такие явления, как бросок то­ка намагничивания, насыщение трансформаторов то­ка, феррорезонанс в трансформаторах напряжения и др.

 

Помимо уже готовой библиотеки элементов, для создания электрической схемы и последующего моделирования пользователю доступно создание собственных элементов и разработка воздушных и кабельных линий с произвольной конфигурацией и топологией.

 

Для моделирования пользовательских элементов разработано приложение «Редактор элементов», где пользователь составляет схему замещения из простых элементов: идеального трансформатора, источника то­ка, источника ЭДС, катушки индуктивности, конденсатора, резистора и взаимной неэлектрической це­пи. После создания элемента (задания его параметров и составления валидной схемы замещения) необходимо описать алгоритм его работы во встроенном редакторе ко­да на языке программирования C/C++. Посредством редактора ко­да созданного элемента можно описывать различные физические процессы и логику работы данного элемента.

 

Эта функциональность позволяет создавать собственные специфические элементы с оригинальной логикой работы под различные технологические режимы и физические процессы и использовать их при моделировании поведения энергосистем.

 

Разработка моделей воздушных и кабельных линий

В ПАК ЦДЭС для моделирования одно- и двухцепных воздушных линий (ВЛ) применяется модель Бержерона, так как данная модель линии разгружает параметры линии и позволяет достаточно легко производить моделирование ВЛ, в которых не происходит исследований процессов, связанных с изменением частоты. Существует два способа создания модели ВЛ: посредством задания электрических параметров и геометрическим способом. При задании параметров электрическим способом необходимо указать значения активного и реактивного сопротивлений последовательностей (рис. 1). Также для ВЛ необходимо указать способ расчета: как длинную линию или PI-секцию (модель с сосредоточенными параметрами).

 

Рис. 1. Окно задания параметров ВЛ электрическим способом 

Для задания параметров ВЛ геометрическим методом разработано специальное приложение «Редактор ВЛ и КЛ». Для моделирования ВЛ необходимо определить тип линии: одноцепная или двухцепная. После этого задать параметры ВЛ, представленные в табл. 1. На рис. 2 показаны скриншоты приложения «Редактор ВЛ и КЛ» при разработке модели одно- и двухцепных ВЛ.

Таблица 1. Параметры ВЛ при геометрическом методе задания параметров

Рис. 2. Модели ВЛ в приложении «Редактор ВЛ и КЛ» при геометрическом способе параметрирования:  а – одноцепная ВЛ; б – двухцепная ВЛ 

Разработанные модели ВЛ доступны для использования в электрических схемах для последующей симуляции режима энергосистемы. Результаты параметрирования ВЛ отображаются в ви­де матриц: - последовательностей продольных сопротивлений; - последовательностей поперечных проводимостей; - фазных продольных сопротивлений; - фазных поперечных проводимостей.

Помимо воздушных линий, ПАК ЦДЭС позволяет разрабатывать модели кабельных линий (КЛ) с использованием геометрического способа. Для конфигурации КЛ таким образом доступно задание следующих слоев: - Жила | Изоляция; - Жила | Изоляция | Экран | Изоляция; - Жила | Изоляция | Экран | Изоляция | Экран | Изоляция; - Жила | Изоляция | Экран | Изоляция | Экран | Изоляция | Экран | Изоляция.

В табл. 2 перечислены параметры КЛ. Стоит отметить, что параметры слоев КЛ зависят от выбранной конфигурации. На рис. 3 представлен скриншот приложения «Редактор ВЛ и КЛ» при параметрировании кабельных линий.

Таблица 2. Параметры КЛ при геометрическом методе задания параметров

Рис. 3. Геометрическая модель кабельной линии в приложении «Редактор ВЛ и КЛ»

По окончании параметрирования ВЛ и КЛ модели ЛЭП готовы к использованию при разработке электрических схем в приложении «Редактор схемы ЭЭС». После то­го как схема электрической се­ти разработана, необходимо выполнить валидацию, в рамках которой данное приложение проверяет схему на наличие источников электроэнергии и отсутствие островных изолированных участков. После успешной валидации разработанная схема се­ти автоматически передается в другие приложения ПАК ЦДЭС, например, в приложение «Симулятор ЭЭС», где происходит запуск симуляции разработанного решения. Стоит отметить, что в приложении «Симулятор ЭЭС» схема недоступна для редактирования и автоматически окрашивается в соответствии со стандартом «Правила оформления нормальных схем электрических соединений подстанций и графического отображения информации посредством ПТК и АСУ ТП» (СТО 56947007-25.040.70.101-2011) (рис. 4).

Рис. 4. Отображение электрической схемы: а – в приложении «Редактор ЭЭС»; б – в приложении «Симулятор ЭЭС» 

 

Настройка шага расчета при выполнении симуляции режимов работы энергосистем

При моделировании режимов работы энергосистем часто требуется изменение ша­га расчета режима в зависимости от количества элементов, состава технологических элементов и сложности моделируемой схемы.

 

В связи с этим в ПАК ЦДЭС имеется возможность изменения ша­га расчета режимов работы энергосистемы. В приложении «Симулятор ЭЭС» по умолчанию задан шаг расчета 50 мкс. При необходимости более точного моделирования допустимо установить шаг расчета 30 мкс. Увеличение ша­га расчета до 100 или 150 мкс позволяет расширить пользовательские возможности по моделированию и повысить, например, количество элементов в составе моделируемой энергосистемы без изменения аппаратных ресурсов. В настоящий момент проведены нагрузочные испытания ПАК ЦДЭС, в рамках которых одновременно симулировались режимы работы 12 электрических схем, каждая из которых содержала 673 однофазных топологических узла, включая 56 генераторов при ша­ге расчета 50 мкс.

 

Создание «снимка режима» и запуск моделирования

При моделировании больших энергосистем, содержащих множество синхронных генераторов или вращающихся машин с системами автоматического регулирования, требуется значительное время для выхода энергосистемы на установившийся режим. Это связано с возникновением переходных процессов и их последующим длительным затуханием, механической инерцией вращающихся машин и генераторов, большими постоянными времени автоматических регуляторов.

 

В ПАК ЦДЭС реализована функциональность создания «снимков» текущего мгновенного состояния симуляции для возможности запуска симуляции с нужного предварительно сохраненного момента. Все «снимки» режима симуляции сохраняются в памяти ПАК ЦДЭС. Использование данной функциональности позволяет существенно ускорить проведение исследований при работе со сложными моделями энергосистемы.

 

Экспорт результатов расчета и моделирования в различные форматы данных

После выполнения моделирования ПАК ЦДЭС позволяет экспортировать следующие результаты моделирования в различные форматы: - осциллограммы (формат COMTRADE); - схема энергосистемы и состояние режима симуляции (формат SVG); - графики (формат CSV, PNG); - журнал событий (формат CSV); - CIM-модель энергосистемы (формат XML); - однолинейная схема ПС (формат SSD); - результаты расчетов параметров надежности энергосистемы (XLSX).

 

Широкий список поддерживаемых и общепринятых форматов экспорта позволяет быстро и удобно использовать результаты моделирования для составления отчетов, протоколов исследования и т. д. Например, формат экспорта однолинейной схемы ПС SSD необходим для разработки решений по РЗА и АСУ ТП для цифровых подстанций (ЦПС), а такие форматы, как COMTRADE, CSV и XLSX, предоставляют возможность производить дополнительные вычисления и исследования на основе полученных данных из ПАК ЦДЭС.

 

Заключение

Представленная в статье функциональность расширяет ранее имеющиеся возможности ПАК ЦДЭС в части моделирования режимов энергосистемы. Моделирование длинных линий, различных топологий ВЛ и КЛ, создание «снимков» режима и экспорт результатов моделирования в различных форматах – все это необходимо при выполнении как инженерных, так и научных задач. Широкие функциональные возможности комплекса позволяют использовать ПАК ЦДЭС как единую многофункциональную и комплексную платформу взамен сразу нескольких ведущих программных и программно-аппаратных комплексов зарубежной разработки.

 

Литература

1. Форсайт П., Шамис М. А., Иванов Ф. А. Новая платформа NovaCor для симуляторов RTDS // Энергия единой се­ти. 2018. № 3. 2. Волошин А. А., Волошин Е. А., Лебедев А. А., Лебедева Н. С. Архитектура программного-аппаратного комплекса «Цифровой двойник энергосистемы» // Электрические станции. 2023. № 10. 3. Волошин А. А., Волошин Е. А., Лебедев А. А. Результаты разработки российского программно-аппаратного комплекса реального времени «Цифровой двойник энергосистемы» // Энергоэкспетр. 2023. № 2. 4. Волошин А. А., Волошин Е. А., Шамис М. А., Лебедев А. А., Малютин М. С., Рыжков А. К. Применение программно-аппаратного комплекса «Цифровой двойник энергосистемы» для подготовки научных и инженерных кадров в электроэнергетике // Энергоэксперт. 2024. № 1.

Коллеги из МЭИ опубликовали в журнале "Электрические станции" статью о симуляторе ЦДЭС "Архитектура программно-аппаратного комплекса "Цифровой двойник энергосистемы".

В статье представлено описание архитектуры программно-аппаратного комплекса реального времени "Цифровой двойник энергосистемы", рассмотрено аппаратное обеспечение каждого уровня комплекса, а также состав программных модулей, исполняемых на каждом уровне, описаны преимущества модульного построения комплекса для реализации различных вариантов применения комплекса.

Ссылка на статью: Electric stations. Architecture of the CDEC_10.2023 package

 

Подведены итоги VI Всероссийского открытого конкурса работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненным с использованием симуляторов. Конкурс проводился ЗАО «ЭнЛАБ» при поддержке АО «НИЦ ЕЭС» (Россия), НПП «ЭКРА» (Россия) и компании PONOVO Power Co. (Китай).

.

В число призеров вошел магистр кафедры электроснабжения ЮЗГУ Игорь Брежнев. Решением жюри он стал дипломантом конкурса за выпускную квалификационную работу «Исследование качества электроэнергии в сетях жилых, общественных и производственных зданий на примере анализа высших гармоник». Почетный диплом также был вручен научному руководителю ВКР, доценту кафедры электроснабжения Дарье Куделиной.   Подробности далее по ссылке: https://vk.com/wall-108852_32884

Студенты Нижегородского государственного технического университета стали победителями и призерами VI конкурса студенческих работ по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов реального времени. Ежегодный конкурс проводится ЗАО «ЭнЛАБ» при поддержке компаний-партнеров конкурса - АО «НИЦ ЕЭС», НПП «ЭКРА», Ponovo.  

Подробнее по ссылке: https://www.nntu.ru/news/detail/konkursy/vse-novosti/studenty-ngtu-im-re-alekseeva---pobediteli-vi

Магистранты института автоматики и электронного приборостроения стали призерами конкурса студенческих работ от EnLAB.

Всероссийский открытый конкурс работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов, проводится ЗАО «ЭнЛАБ».  

Подробнее по ссылке: https://kai.ru/web/institute-of-automation-and-electronic-instrument-making/news/new?id=12970610

Звездный для ИГЭУ Шестой всероссийский открытый конкурс работ студентов и аспирантов по электроэнергетической и электротехнической тематикам, выполненных с использованием симуляторов Конкурс проводился ЗАО «ЭнЛАБ», г. Чебоксары, при поддержке АО «НИЦ ЕЭС» (Россия), НПП «ЭКРА» (Россия) и компании PONOVO Power Co. (Китай). Обучающиеся электроэнергетического факультета ИГЭУ собрали целый урожай наград!

• Григорьев Денис - I место;
• Петров Алексей - I место;
• Куликов Филипп - II место;
• Родин Никита - III место;
• Тычкин Андрей - III место

Научные руководители - Иванов И.Е., Лебедев В.Д., Шадрикова Т.Ю., Яблоков А.А.

Поздравляем победителей и их наставников!

  Подробнее по ссылке: http://ispu.ru/node/19900

Никита Федорчук, магистрант факультета экологии и инжиниринга, занял первое место в VI Всероссийском открытом конкурсе работ студентов и аспирантов, выполненных с использованием цифровых симуляторов энергосистем. Конкурс прошел под эгидой ЗАО «ЭнЛАБ». Никита представил на конкурс свою магистерскую выпускную квалификационную работу «Моделирование релейной защиты линий напряжением 110-220 кВ в программном комплексе PSCAD». Студент смоделировал модель релейной защиты автоматики ЛЭП так, чтобы она срабатывала при разных повреждениях. Работая на цифровом симуляторе, Никита проанализировал работу действующей ЛЭП при различных коротких замыканиях. Созданная им модель обеспечит надежную защиту на всех участках линий электропередач.

  Подробная информация по ссылке: https://nvsu.ru/news/magistrant-fei-zanyal-pervoe-mesto-vo-vserossiysko/

На сайте "НИУ МЭИ" опубликована информация по студентам вуза, которые стали победителями и призерами VI конкурса студенческих работ от EnLAB в нескольких номинациях.

Подробная информация по ссылке: http://nti.mpei.ru/mpei-students-are-the-winners-of-the-vi-student-work-competition-from-enlab/.

В журнале «ИСУП» (Информатизация и системы управления в промышленности) №4 2023г  вышла наша статья о линейке приборов серии PW400 компании PONOVO, предназначенных для технического обслуживания устройств РЗА.

В таблице представлены ключевые характеристики и функциональные возможности приборов серии PW400

Модификация	POM2-6143	POM2-3243	POM2-3333	PW336i	L336i	L336i-E	PW466i	PW460	PW636i-F
Дисплей управления	+	+	+	-	-	-	-	-	-
Каналы напряжения	4х300В	4х300В	6х120В	4х150В	4х300В	4х300В	6х150В	4х300В	4х300В
Каналы тока	6х15А	3х20А	6х12,5А	6х15А	6х15А	3х20А	6х20А	6х15А	6х32А
Выход DC	300В	300В	300В	300В	-	-	300В	300В	300В
Дискретные входы	8	8	8	8	8	8	8	8+4	8+4
Дискретные выходы	4+4	4+4	4	4	4	4	4	4+4	4+4
Измеритель ±10В, ±20 мА	+	+	-	-	-	+	-	+	+
Wi-Fi					+	+
МЭК61850 SV	-	-	+	-	-	-	-	-	+
GOOSE	Опция	Опция	+	Опция	Опция	Опция	Опция	Опция	+
Вес, кг	16	13	14	20	8,6	8,6	20	20	23

Скачать статью: Проверочные устройства PONOVO для технического обслуживания РЗА

В июньском выпуске журнала "Релейная защита и автоматизация" опубликована наша совместная статья  "Актуальность применения средств автоматического определения характеристик трансформаторов тока" под авторством Яблоков А.А., Панащатенко А.В. "ИГЭУ", Шамис М.А., Иванов Ф.А. "ЭнЛАБ". Исследования трансформаторов тока (ТТ) на соответствие требованиям ГОСТ Р 58669-2019 при переходных процессах показали необходимость измерения параметров ТТ во всем диапазоне их работы. Для этого целесообразно использование специализированных средств анализа характеристик ТТ. В статье представлены основные требования и функциональные возможности двух наиболее известных в России таких анализаторов PCT200 и CT Analyzer.

Скачать статью: Актуальность применения средств автоматического определения характеристик трансформаторов тока