Моделирование и исследование режимов работы энергосистем в ПАК ЦДЭС

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.