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.
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 |
Рады сообщить, что наши коллеги из "Нижегородского государственного технического университета ("НГТУ") им. Р.Е. Алексеева" профессор Куликов А.Л. и доцент Лоскутов А.А. опубликовали очень полезное и содержательное учебное пособие "Моделирование электроэнергетических систем и алгоритмов РЗ и А в программном комплексе PSCAD". С аннотацией указанного пособия и его содержанием Вы можете ознакомиться по ссылке: аннотация и содержание. Для получения упомянутого пособия Вы можете обратиться к нам с официальным письмом.
RTDS Technologies в условиях COVID-19
Персонал RTDS Technologies работает из дома, чтобы сохранить наш коллектив в безопасности. Мы по-прежнему полностью готовы поддержать вас в случае, когда вы нуждаетесь в нас. Наши отделы разработок и программно-технического обслуживания, поддержки моделирования работают для вас в течение этого времени. Мы надеемся, что наши клиенты из разных стран также остаются дома для своей безопасности.
Новые модели и функции RSCAD®
Модель трансформатора с внутренними КЗ
Наша новая модель силового трансформатора с внутренними КЗ основана на методе конечных двойственных эквивалентов (TDM). Существующие инженерные проблемы решаются путем замещения схемы звезды на эквивалент, основанный на принципах TDM.
Новая модель представляет собой более реалистичное и практически точное представление магнитной цепи трансформатора, включая представление о реальных физических утечках. Это позволяет более точно прогнозировать магнитный пусковой ток, а также полностью отображать взаимную связь между ветвями, что позволяет повысить производительность модели на клеммах. В асимметричных условиях модель позволяет точно оценить реактивное сопротивление короткого замыкания путем разложения потока рассеяния на осевую и поперечную составляющие. Новая модель представляет собой реальный инструмент для представления переходных процессов в трансформаторах и позволяет проводить комплексные испытания защиты трансформаторов.
Средство преобразования моделей Small Timestep в модель Substep.
Наш новый инструмент преобразования Small Timestep в Substep позволяет пользователям переносить модели, разработанные в подсетях с малым шагом расчета, в новую среду Substep. Новый режим Substep имеет существенные преимущества при симуляции силовых электронных преобразователей и снимает ограничение на количество используемых ключей, позволяет избежать искусственных потерь в ключе при высокой частоте коммутации и необходимости отделения преобразователя VSC от остальной части сети, а также увеличивает количество узлов в моделируемой подсети.
Компонент частотного сканирования
Наш новый инструмент сканирования по частоте обеспечивает аналитическое предварительное сканирование импеданса моделируемой сети, до начала симуляции. В редакторе Draft появилась новая кнопка для запуска сканирования по частоте в диапазоне (0 – 1000) кГц. При этом выполняется частичная компиляция модели и вычисляется полный импеданс по отношению к заданному месту сканирования по частоте. Встроенное частотное сканирование позволяет удобно определять и предупреждать о резонансных условиях в моделируемой системе.
Возможность сканирования гармоник
Наша новая функция сканирования гармоник обеспечивает инжекцию белого шума в моделируемую сеть во время симуляции. Гармонические колебания в частотном диапазоне, указанном пользователем (до 9 кГц), накладываются и применяются к системе, а затем специальный компонент рассчитывает реакцию импеданса системы в частотной области. В настоящее время разрабатывается модуль для удобного создания диаграмм Боде и определения критерия устойчивости Найквиста на основе полученных значений.
Модели механических аккумулирующих установок
В RSCAD появились полностью документированные модели для аккумуляции энергии на базе маховиков и гидроаккумулирующих насосов, которые дают отправную точку для пользователей, желающих использовать приложения для анализа накопления механической энергии. Модель гидроаккумулирующего насоса с перекачкой основана на системе асинхронных машин двойного питания и переменной скоростью, причем машина, преобразователи и ШИМ импульсы зажигания симулируются в режиме Substep. Модель маховичного накопителя симулирует дополнительную массу, добавляемую к ротору синхронной машины с постоянными магнитами, встречно включенные преобразователи и генераторы импульсов зажигания в режиме Substep. Оба примера содержат также усредненные модели этих преобразователей (AVM), которые позволяют уменьшить требования к аппаратному обеспечению, необходимой для симуляции. Новые случаи можно найти в каталоге Samples.
Испытание специализированной схема защиты для HVDC линии BELGIUM/UK
К концу 2018 года была проложен и проведены испытания подводного кабеля Nemo HVDC Link , соединяющего Бельгию и Великобританию и передачи энергии до 1000 МВт,
Однако включение линии в работу была отложено, пока не была введена специализированная схема защиты (SPS). Компания Schweitzer Engineering Laboratories (SEL) разработала такую систему защиты для обеспечения устойчивости энергосистемы при возникновении ненормальных условий в коридоре. Десять готовых панелей защиты SPS включают в себя устройства релейной защиты и автоматики, сетевые устройства для связи и логического управления. Система использует обмен сообщениями GOOSE по МЭК61850 для связи внутри подстанции.
Симулятор RTDS использовался для испытаний комплекса SPS перед его установкой на место эксплуатации. На основе имеющихся данных в среде RSCAD была построена и отлажена модель бельгийской энергосистемы, включая линию HVDC и программная модель существующей системы защиты и автоматики. Затем эта модель была подключена к панелям SPS для проведения испытаний в режиме HIL, в ходе которых было подтверждено взаимодействие комплекса SPS с существующей системы SCADA, а также оценено время срабатывания SPS в критических ситуациях.
План мероприятий 2020 с изменениями
Вебинар "Практическое использование симулятора RTDS для повышения надежности при интеграция HVDC" 16 апреля в 9:00 CST
Узнайте о симуляции в реальном времени не выходя из дома! Мы рады объявить об этом совместном вебинаре с Национальным центром HVDC Великобритании, который расскажет о принципах моделирования в реальном времени для исследования схемы HVDC с множественными окончаниями. На вебинаре вы узнаете о международном опыте тестирования оборудования в замкнутой схеме для снижения рисков при интеграции новых технологий для энергосистем и полученных практических результатах.
Изменения в графике предстоящих мероприятий
Некоторые из ожидаемых нами мероприятий были перенесены, но все равно будут проведены в этом году позже. В то же время, если у вас есть вопросы или хотели бы получить демонстрационный продукт, то обратитесь к нашей цифровой конференции marketing@rtds.com,
- IEEE PES T & D: октябрь 12-16, 2020, Чикаго, США
- Microgrid Knowledge: ноябрь 18 - 20, 2020, Филадельфия, США
- SEERC: 24-27 ноября 2020 г., Вена, Австрия
- Встреча европейских пользователей 2020: 23-25 сентября 2020 г.Нюрнберг, Германия
Посетите наш сайт для получения дополнительной информации и для подачи тезисов!
Читать в оригинале
В новом выпуске журнала ЭнергоStyle №1 (45) 2019 г была опубликована наша статья об учебном стенде для изучения работы устройств РЗА. Работа на стенде начинается с создания в симуляторе PSCAD модели участка сети, которую должен защищать аппарат РЗА. Далее.... читайте в статье:
Скачать статью "Использование для изучения РЗА стендов на базе цифровых стимуляторов энергосистем PSCAD "
