Макромоделирование подсистем промышленного электроснабжения на основе частотных характеристик тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Стасовский, Олег Николаевич

• Стасовский, Олег Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Стасовский, Олег Николаевич

ВВЕДЕНИЕ. АНАЛИЗ МЕТОДОВ МАКРОМОДЕЛИРОВАНИЯ ПОДСИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

1.1 Методы эквивалентирования электрических сетей и узлов на* грузки.

1.2 Методы моделирования элементов систем электроснабжения в частотной области.

1.3 Идентификация параметров математических моделей элементов систем электроснабжения.

1.4 Постановка цели и задачи исследования.

1.5 Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ

СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ В ЧАСТОТНОЙ ОБЛАСТИ.

2.1 Математическое моделирование асинхронных двигателей в частотной области.;.412.2 Математическое моделирование кабелей, реакторов, статической нагрузки в частотной области.

2.2.1 Математическая модель кабеля.

2.2.2 Математическая модель статической нагрузки.

2.3 Математическая модель реактора в частотной области.

2.4 Математическое моделирование синхронных двигателей.

2.5 Частотные характеристики элементов систем электроснабжения.

2.6 Выводы.

3 ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕМЕНТОВ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫМ ДАННЫМ.

3.1 Теоретические основы получения частотной характеристики. . системы электроснабжения исходя из экспериментальных данных.

3.2 Влияние ограничений во времени на частотные характеристики.

3.3 Получение частотных характеристик для асинхронных двигателей по результатам экспериментальных исследований при пуске.

3.4 Выводы.

4 МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДСИСТЕМ И СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ.

4.1 Теоретические основы макромоделирования подсистем электроснабжения на основе частотных характеристик.

4.2 Идентификация параметров эквивалентных элементов систем электроснабжения для макромоделирования на основе частотных характеристик.

4.3 Формирование целевых функций для идентификации пара-{9 метров асинхронных двигателей, синхронных двигателей и статической нагрузки.

4.4 Определение ограничений на параметры и начальных условий при решении задачи параметрической идентификации.

4.5 Макромоделирование подсистемы электроснабжения нефтеперекачивающей станции "Нововеличковская" ОАО "Черномортранснефть".

4.6 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Макромоделирование подсистем промышленного электроснабжения на основе частотных характеристик»

Актуальность проблемы. Современные системы электроснабжения крупных промышленных предприятий таких отраслей промышленности как нефтяная, газовая, химическая являются очень сложными и, как правило, содержат большое количество мощных синхронных и асинхронных двигателей, т.е. являются многомашинными.

Аварийные ситуации в крупных многомашинных системах промышленного электроснабжения имеют очень тяжёлые последствия и требуют быстрой ликвидации, так как затягивание отключения повреждений может привести к срыву технологического процесса и значительному материальному ущербу.

Возникающие при этом переходные процессы трудно рассчитываются из-за большой размерности "системы электроснабжения и наличия большого количества различных элементов.

Применение современной релейной защиты и противоаварий-ной автоматики ла^основе .микропроцессорной техники вызывает необходимость в расчётах переходных процессов при аварийных ситуациях в системах электроснабжения по мгновенным значениям электрических величин, что повышает требования к точности расчетов.

Системы электроснабжения крупных промышленных предприятий являются ограниченными электротехническими комплексами, расположенными на большой территории. Возмущения, возникающие в системе, в различной степени влияют на элементы, расположенные близи от места возмущения, по сравнению с их влиянием на более от далённые элементы. Возникает возможность упростить анализ больших систем путём разделения их на отдельные подсистемы, представляя более точными изображения моделей элементов, расположенными близко к точке приложения возмущения, и менее точно для моделей, удаленных от точки возмущения.

Такой подход позволяет значительно сократить объем информации, используемой при расчётах, а также повысить эффективность вычислительных алгоритмов.

Из всех существующих методов макромоделирования подсистемы многомашинной системы электроснабжения, наиболее предпочтительными для расчетов переходных процессов для быстродействующих микропроцессорных релейной защиты и противоаварийной автоматики являются методы, основанные на использовании частотных характеристик элементов систем электроснабжения, так как математическая модель элемента в частотной области полностью содержит информацию о динамических-свойствах этого элемента.

Важной особенностью применения частотных характеристик элементов систем электроснабжения является то обстоятельство, что при решении задач макромоделирования подсистем выполняются операции с алгебраическими выражениями, что значительно повышает эффективность вычислительных алгоритмов.

Целью работы является разработка методики макромоделирования подсистем многомашинных систем электроснабжения по частотным характеристикам элементов.

Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:

-провести анализ существующих методов макромоделирования подсистем электроснабжения;

-получить частотные характеристики для элементов систем электроснабжения в координатах обобщенного вектора;

-разработать методику получения частотных характеристик электродвигателей переменного тока по результатам эксперимента при пуске;

-разработать методику макромоделирования узла нагрузки как подсистемы электроснабжения по частотным характеристикам элементов;

-разработать методику параметрической идентификации эквивалентных синхронного и асинхронного двигателей, статической нагрузки по частотным характеристикам в координатах обобщённого вектора.

Методика исследования. При решении поставленных задач использовалась обобщенная теория электрических машин и методы их математического моделирования, теория интегральных преобразований, теория оптимизации.

Научная новизна работы заключается в следующем: -разработаны теоретические основы макромоделирования подсистем многомашинных систем электроснабжения по частотным характеристикам элементов на условиях энергетической эквивалентности;

- получены аналитические выражения для частотных характеристик элементов систем электроснабжения в координатах обобщенного вектора и выявлены их общие закономерности;

-разработана методика получения частотных характеристик двигателей переменного тока исходя из результатов эксперимента при пуске.

Автор выносит на защиту:

-математические модели элементов системы электроснабжения в частотной области в координатах обобщенного вектора; . .

-методику макромоделирования подсистем многомашинных систем электроснабжения по частотным характеристикам элементов;

-методику идентификации параметров эквивалентных синхронного и асинхронного двигателей, статической нагрузки по частотным характеристикам.

Практическая ценность работы заключается в следующем: -разработана методика макромоделирования многомашинных систем электроснабжения в виде упрощенных, связанных подсистем по частотным характеристикам элементов;

-разработана методика определения параметров математических моделей основных элементов систем электроснабжения.

Исследования по теме диссертации производились в соответствии с планами научно-исследовательских работ кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Кубанского государственного технологического университета. Результаты работы внедрены в ДАО «Электрогаз», в Краснодарском отделении «Черномортранс-нефть», в учебном процессе по курсам «Переходные процессы в системах электроснабжения» и «Релейная защита и автоматика в системах электроснабжения».

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на:

-второй межвузовской научной конференции «Электромеханические преобразователи энергии», Краснодар, 2003г;

-третьей межвузовской научной конференции

Электромеханические преобразователи энергии», Краснодар, 2004г;

-научных семинарах кафедры «Электроснабжения промышленных предприятий» Куб ГТУ.

Публикации. По результатам диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованной литературы, включающей 70 наименований, содержит 154 страницы, 50 рисунков, 3 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Стасовский, Олег Николаевич

4.6 ВЫВОДЫ

1.Для моделирования узла нагрузки в виде макромодели подсистемы электроснабжения разработана методика получения частотных характеристик эквивалентных синхронного и асинхронного двигателей, а также статической нагрузки.

2.Учитывая общие закономерности частотных характеристик элементов систем электроснабжения операции с частотными характеристиками, отражающими динамические свойства элементов для макромоделирования сводятся к простым алгебраическим операциям.

3.Разработана методика идентификации параметров эквивалентных элементов системы электроснабжения по результирующим частотным характеристикам.

4.Исследования закономерностей целевых функций при решении задачи параметрической идентификации для поиска глобального минимума позволили ввести обоснованные ограничения на параметры.

5.Произведено макромоделирование подсистемы электроснабжения нефтеперекачивающей станции « Нововеличковская» на основе предлагаемых методик.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При выполнении диссертационной работы получены следующие результаты:

1.Разработана методика макромоделирования подсистем много-ма-шинных систем электроснабжения по частотным характеристикам элементов, основанная на соблюдении условий энергетической эквивалентности.

2.Получены аналитические выражения для частотных характеристик элементов систем электроснабжения (кабелей, реакторов, статической нагрузки, синхронных и асинхронных двигателей) в координатах обобщенного вектора и выявлены общие закономерности этих характеристик.

3.Разработана методика получения частотных характеристик электродвигателей переменного тока исходя из экспериментальных данных пуска.

4.Предложены теоретические основы макромоделирования подсистем электроснабжения на основе частотных характеристик элементов.

5.Предложена идентификация параметров эквивалентных элементов для макромоделирования узла нагрузки по частотным характеристикам.

6. С целью определения минимума целевой функции при решении задачи параметрической идентификации найдены ограничения на параметры и рекомендовано определение рациональных начальных условий для эквивалентных моделей элементов.

7.Для проверки предлагаемой методики произведено макромоделирование системы электроснабжения нефтеперекачивающей станции «Нововеличковская» с целью анализа действия автоматического ввода резерва при потере питания.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Стасовский, Олег Николаевич, 2004 год

1. Жуков JLA., Стратан И.П. Установившиеся режимы сложных электрических сетей и систем: Методы расчетов -М.: Энергия, 1979, 416с.

2. Щедрин H.H. Упрощения электрических систем при моделировании. M.:-JI. Энергия, 1966. 159с.

3. Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1970,472с.

4. Гусейнов Ф.Г. Упрощение расчётных схем электрических сис-тем.-М.: Энергия, 1978г,-184с.

5. Старощук Л.В. Эквивалентирование электрических систем.-М.: Моск.энерг. инст., 1987. -0 44с.

6. Электрические системы. Электрические сети./" Под ред.В.А.Веникова. М.: Высшая шк., 1971.- 438с.

7. Щербина Ю.В., Качанова Н.А., Ганченко Н.А. Эквивалентирование энергосистем для оперативных расчетов установившихся режимов // Электричество, 1984, №11, с 1-6.

8. Применения частотных методов в электроэнергетических исследованиях. Тезисы докл.Всесоюзного совещания, Сиб НИИЭ, 1976, 232с. .

9. Гуревич Ю.Е. и др.Устойчивость нагрузки электрических систем. М:-Энергоиздат, 1981.-208с.

10. Ю.Веников В.А., Зеленохат Н.И., Макчеев В.А., Никитин Д.В. Эквивалентирование узлов нагрузки и энергосистем./ Энергетика, 1973 ,№5,с.3-10.

11. П.Илиев С. Опытно-аналитический метод эквивалентирования группы асинхронных двигателей. Энергия и транспорт, 1967, №4,с.42-45.

12. Соколов Н.И.,Киркин Б.И.Определение частотных характеристик синхронных машин./ Электричество, 1962, №1, с 29-33.

13. З.Коваленко В.П.Эквивалентное преобразования сложных энергосистем.-Изв.АНСССР , Энергия и транспорт, 1964, №2,с181-192.

14. Крон Г.Исследования сложных систем по частям-диакоптика, ,М.-Наука, 1972,542с.

15. Сипайлов Г.А. и др. Электрические машины (специальный курс)- М.: Высш.шк.,1987, -287с.

16. Казовский Е.Я. Переходные процессы в электрических машинах переменного тока. -М. —JL: Из-во АН СССР, 1962.-624с.

17. Гусейнов Ф.Г., Рахманов Н.Р. Оценка параметров и характеристик энергосистем.-М.:Энергоатомиздат, 1988.,-152с.

18. Азарьев Д.И. Математическое моделирование электрических систем.М.-JI.: Госэнергоиздат, 1962.

19. Соколов Н.И., Якушев В.М. Определение частотных характеристик методом гармонического воздействия.-Сб.трудов ЭНИН им.Г.М.Кржжанов-ского.-М.: 1977., Вып.65.

20. Дейч A.M. Методы идентификации динамических объектов.-М.: Энергия, 1979. -240с.

21. Ковалёв В.З. Синтез математической модели асинхронного двигателя на измерительно-вычислительном комплексе.-Омск, Из-во ОПИ, 1985. -20с.

22. Сивокобыленко В.Ф., Костенко В.И. Определение параметров и характеристик машин переменного тока из опытов пуска и выбега. Изв. Вуз. Энергетика, 1978, №3.-с.44-48.

23. Фильц Р.Ф.Математические основы теории электромеханических преобразователей.-Киев: Наук.думка, 1979.-208с.

24. Сивокобыленко В.Ф., Костенко В.И. Математическое моделирование электродвигателей собственных нужд электрических станций. -Донецк; ДЛИ, 1979. -1 Юс.

25. Сивокобыленко В.Ф. Переходные процессы в многомашинных системах электроснабжения- Донецк, 1984.-116с.

26. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока.-М.: Энергич, 1980, 256с.

27. Копылов И.П. Электромеханические преобразователи энер-гии.-М.: Энергия, 1973.-400с.

28. Трещев И.И. Электромеханические переходные процессы в машинах переменного тока.-JI.: Энергия, 1980.-344с.

29. Рюденберг Р. Переходные процессы в электроэнергетических системах. -М.: Из-во иностранной литературы., 1955.-714с.

30. Гамазин С.И., Поноровкин Д.В., Цырук С.А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения.-М.: Из-во МЭИ, 1991.-352с.

31. Павлюк К., Беднарек С. Пуск и асинхронные режимы-синхронных двигателей. -М: Энергия, 1971.-272с.

32. Копылов И.П. Электрические машины.-М.: Энергоатомиз-дат, Ю86.-320с.

33. Ковач К.П., Рац И. Переходные процессы в машинах переменного тока.-М.:ГЭИ, 1963.-744с.

34. Крон Г. Применение тензорного анализа в электротехнике.-М.: ГЭИ, 1955.-275с.

35. Копылов И.П., Клоков Б.К.,Морозкин В.П., Токарев Б.Ф. Проектирование электрических машин.М.: Энергоатомиздат, 1993.-464с.

36. Гусейнов Ф.Г., Рахманов П.Р. Оценка параметров и характеристик энергосистем.-М.: Энергоатомиздат, 1988.-152с.

37. Казовский Е.Я., Лернер Л.Г., Сидельников А.В., Синтез схем замещения машин переменного тока по переходным процессам и частотным характеристикам. Электротехника, 1979., №5, с.6-13.

38. Рогозин Г.Г., Ларин A.M. Расчёт параметров эквивалентных роторных контуров синхронных машин по их экспериментальным частотным характеристикам. Электричество, 1974, №6, с.63-65.

39. Сивокобыленко В.Ф., Гармаш B.C. Определение параметров схем замещения асинхронных машин из динамических режимов .-Из-во АН СССР Энергетика и транспорт, 1977, №3 с.163-166.

40. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. Идентификация параметров математической модели глубокопазных асинхронных двигателей -Изд.вуз.сер.Электромеханика, 1989 -с.33-38.

41. Smith I.R., Effect of parameteg variationsmotjr transients \\ Proc.IEE, vol 129,1975. -12. -p 1489 -1496.

42. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. О решении задачи параметрической идентификации для асинхронных двигателей \\ Сб."Задачи динамики электрических машин", -Омск, 1988. -с.76-78.

43. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. Идентификация параметров математической модели явнополюсных синхронных двигателей -Изд.вуз.сер.Электромеханика, 1989. -№9. -с.49-55.

44. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. Идентификация параметров математической модели неявнополюсных синхронных двигате-лей\\ Модели и методы надёжности и экономичности электрических систем: Сб.науч.трудов. Новосибирск, 1988. -с.44-50.

45. Коробейников Б.А., Ищенко А.И. Идентификация параметров многоконтурных модели неявнополюсных синхронных двигателей \\Электричество, 1989.-№12.-с.59-62.

46. Нуссбаумер Н. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмывычисления сверток. -М.: Радио и связь, 1985. 248с. •

47. Рабинер JL, Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978. -848с.

48. Ярославский Л.П. Введение в цифровую обработку изображений. М.: Сов. Радио, 1979. -312с.

49. Техническая кибернетика. Теория автоматического регулирования. Книга 1. Математическое описание, анализ устойчивости и качества систем автоматического регулирования \ Под.ред. В.В.Соло-довникова. -М.: Машиностроение, 1967. -770с.

50. Эйкофф П. Основы идентификации систем управления. -М.: Мир.,1975.

51. Ланнэ А.А. Оптимальный синтез линейных электронных схем.-М.: Связь, 1978. -336с.

52. Батищев Д.И. Методы оптимального проектирования. —М.: Радио и всязь, 1984. -248с.

53. Уайд Д. Оптимальное проектирование. -М.: Мир., 1981. -272с.

54. Валах И.,Сигхал К. Машинные методы анализа и проектирование электронных схем -М.: Радио и связь, 1988. -560с.

55. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М Практическая оптимизация -М.; Мир, 1985. -509с.

56. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование . -М.:Мир.1974. -543с.

57. Гучапшев Х.М., Коробейников Б.А. Математическая модель для определения частных характеристик асинхронных двигателей \\Изв.Кабардино-Балкарского научного центра РАН \ Нальчик, 1998, №2, -с.63-66.

58. Коробейников Б.А., Ищенко Д.А., Ищенко А.А. Математическая модель явнополюсного синхронного двигателя в фазной системе координат \ Труды Куб ГТУ, Том III, Серия Электроэнергетика. Выпуск 1, том III, 1999. -с.212-215.

59. Зиновьев A.JL, Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей .-М.: Высшая шк., 1975. -264с.

60. Коробейников Б.А.Идентификация параметров математической модели неявнополюсного синхронного двигателя в координатах обобщенного вектора \\СИФ Информэлектро,ВНИТИ "Деп.научн. работ", 1992. -№8.-№6 с 72, с70.

61. Коробейников Б.А., Стасовский О.Н. Математическая; модель асинхронного двигателя в частотной области // Труды Куб ГТУ. -Краснодар, 2003. -T.XIX. -Скер.Нефтегазпром. дело вып.3.-с.8-13.

62. Коробейников Б.А., Стасовский О.Н. Моделирование аварийных режимов в газопереработывающего завода // Труды Куб ГТУ — Краснодар, 2003. T.XIX. - сер. Нефтегазпром.дело. -Вып.З. -с. 14-18.

63. Коробейников Б.А., Стасовский О.Н Эквивалентирование группы электродвигателей переменного тока // Труды Куб ГТУ, том XIV, серия "Энергетика", выпуск 3, Краснодар, 2002, с.59-61.

64. Коробейников Б.А., Стасовский О.Н Частотные характеристики статических элементов систем электроснабжения // Электромеханические преобразователи энергии (Материалы второй межвузовской научной конференции), том 1, Краснодар, 2003, с. 251-253.

65. Коробейников Б.А., Стасовский О.Н Частотные характеристики асинхронных двигателей // Электромеханические преобразователи энергии ( Материалы второй межвузовской научной конференции), том 1, Краснодар, 2003, с. 185-186.

66. В учебном процессе кафедры электроснабжения промышленных предприятий используются следующие результаты исследований по теме диссертации Стасовского О.Н.

67. Математические модели глубокопазного асинхронного двигателя, синхронного двигателя, реакторов, кабелей, статической нагрузки используются в лекционном курсе "Переходные процессы в системах электроснабжения" для студентов специальности 10.04.

68. Методика макромоделирования подсистем электроснабжения используется в курсе "Релейная защита распределительных сетей" для студентов специальности 10.04.

69. Использование результатов НИР позволило студентам углубить изучение указанных курсов.1. Авторы:24 июня 2004года

70. Б. А.Коробейников О.Н.Стасовский

71. Использование результатов НИР подтверждаем:

72. Декан факультета НГиЭ, д-р техн.наук, профессор

73. Зав.кафедрой ЭПП, д-р, техн.наук, профессор

74. Председатель метод.комиссии ф-та НГиЭ, канд.техн.наук, доцент

75. A.М.Гапоненко Б.А.Коробейников1. B.М.Кузубов

76. УТВЕРЖДАЮ Начальник Краснодарского районного управления магистральных нефтепроводов ерномор-шанснефть" жолаев С.Б.

77. АКТ ВНЕДРЕНИЯ по диссертационной работе Стасовского О.Н. "Макромоделирование подсистем промышленного электроснабжения на основе частотных характеристик"

78. Главный энергетик / """ А.А.Андросов

79. УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор ДОАО «Электрогаз»

80. АКТ ВНЕДРЕНИЯ Результатов диссертационной работы Стасовского Олега Николаевича на тему : «Макромоделирование подсистем промышленного электроснабженияна основе частотных характеристик»

81. Начальник технического отдела,кандидат технических наук, профессо^^^^"' Н.А.Сингаевский