Применение программного комплекса EnergyCS при проектировании электрических сетей
Программные комплексы EnergyCS Режим и EnergyCS ТКЗ, предназначенные для расчетов установившихся режимов и токов короткого замыкания соответственно, используются при проектировании электроэнергетических объектов, электрических сетей, электрических станций и подстанций. Основным преимуществом программного комплекса является возможность простой сборки модели из объектов с автоматическим расчетом параметров схемы замещения и представлением расчетной схемы в виде, близком схеме электрической однолинейной. На одной модели можно рассматривать как расчеты установившихся режимов (УР), так и расчеты токов короткого замыкания (ТКЗ). Для этого используются два независимых модуля: один для расчета установившегося режима, а второй, соответственно, для расчета токов короткого замыкания. Решение о реализации этих двух задач в разных модулях объяснялось тем, что, с одной стороны, математические модели для расчета установившегося режима и расчета токов короткого замыкания хоть и похожи, но имеют существенные различия. С другой стороны, расчеты установившихся режимов и расчеты токов короткого замыкания в крупных проектных организациях и большинстве эксплуатирующих, как правило, выполняются разными специалистами. Однако анализ практики применения EnergyCS в проектных организациях показал, что достаточно часто одни и те же специалисты решают и задачи, связанные с расчетом установившихся режимов, и задачи, связанные с расчетом токов коротких замыканий. При выполнении проектных работ, связанных с выбором оборудования, одновременно необходима информация из расчета установившегося режима и расчета токов короткого замыкания. Таким образом, нужен ориентированный на проектирование электрических сетей специализированный вариант EnergyCS, объединяющий функциональность EnergyCS Режим и EnergyCS ТКЗ, а также расширенный за счет инструментов, позволяющих решать задачи, возникающие в процессе проектирования.
Рис. 1. Таблица периодов
Такой программный продукт для проектирования развития электрических сетей разработан. Он включает всю функциональность EnergyCS Режим и EnergyCS ТКЗ и имеет следующие дополнительные возможности:
1. Анализ вариантов развития электрической сети и документирование результатов по каждому варианту. Учет трендов естественного изменения нагрузок во времени.
2. Анализ схемнорежимного многообразия электрической сети, а также документирование результатов по предопределенному множеству режимов. Автоматический синтез множества послеаварийных режимов.
3. Выбор и проверка оборудования по допустимости режимных параметров.
4. Получение затратных характеристик каждого варианта развития и расчета соответствующих капитальных вложений.
5. Моделирование коммутационных аппаратов с разными функциональными возможностями и разными стоимостными характеристиками.
6. Моделирование распределительных устройств в составе схемы сети неограниченной сложности без влияния на качество расчета УР и ТКЗ.
7. Автоматизированное выделение подстанций на схеме и их идентификация.
Для реализации этих возможностей потребовалось внести в информационную модель значительные изменения:
1. Добавлена новая сущность — «Период развития». Предполагается, что существующая сеть соответствует нулевому периоду. Далее каждый новый период (номера 1, 2, 3 …) соответствует этапу существенного изменения сети. Пример таблицы периодов приведен на рис. 1. Кроме номера, период имеет текстовое название и номер года, соответствующий дате окончания периода.
2. Для всех объектов схемы предусматриваются дополнительные поля Номер периода и Новый статус, связанный с развитием сети. Любой элемент сети может иметь статус:
2.1. Существующий, если элемент появился в нулевом периоде (то есть до рассматриваемого периода развития) и не изменяет своего статуса.
2.1. Новый, если элемент появился в период, отличный от нулевого.
2.1. Демонтированный, если элемент появился в нулевом периоде, но должен быть демонтирован в последующем рассматриваемом периоде.
2.1. Частичная замена, если элемент появился в нулевом периоде, но в последующие периоды предполагается замена основного оборудования без существенной реконструкции. Это может быть замена трансформатора на ТП, замена провода на существующих опорах и т.п.
3. Для объектов «Нагрузка», «ТП», «Фидер» предусмотрено поле Тренд, которое предполагает описание естественного роста (или снижения) нагрузки по периодам. Тренд задается множеством коэффициентов роста нагрузок по активной и реактивной мощности по каждому периоду, кроме нулевого. Предполагается возможность задания тренда для каждого нагрузочного объекта или сразу для множества объектов, например для всей схемы, района, фидера, центра питания и т.п. Тренд может вводиться в абсолютных значениях нагрузки Р и Q или в коэффициентах роста нагрузки по отношению к нагрузке в нулевом периоде (рис. 2).
Рис. 2. Таблица тренда изменения нагрузок по периодам
4. Добавлена новая сущность «Режим». Режим определяется состоянием коммутационных аппаратов сети, величинами нагрузок и генераций, положениями регуляторов отдельных устройств. Если ввести понятие «Основной планируемый режим», или «Базовый», то это режим, определяемый начальными положениями коммутационных аппаратов, заданными нагрузками, заданными генерациями и положениями регуляторов (РПН и т.п.). Каждый новый режим может образовываться из базового путем изменения состояний коммутационных аппаратов, заданием новых нагрузок, новых генераций или положений регулирующих аппаратов. Каждый новый режим может также получаться не только из базового, но и из текущего режима, то есть последнего режима, который стал результатом предыдущих действий. С одной стороны, это может сократить число действий для перехода к новому режиму, с другой — новый режим из предыдущего может быть получен с меньшими вычислительными затратами, то есть за меньшее число итераций и с большей вероятностью сходимости. Описание списка режимов и списка действий для реализации каждого режима приведено на рис. 3.
Рис. 3. Таблица со списком режимов
5. Для задания изменений параметров, определяющих режим, добавлена связанная с режимом сущность — «Действие». Произвольный режим определяется базовым режимом и конечным числом действий, приводящих схему из базового режима в заданный. Каждое действие связано с режимом и ветвью — устройством. Кроме ссылок на режим и ветвь, здесь содержится описание необходимых действий:
- отключение или включение ветви в начале и/или в конце;
- вид действия (кроме отключения): изменение нагрузки, генерации, положения регулятора, сопротивления и проводимости;
- величина примененного действия, то есть новое значение нагрузки, генерации и т.п. в виде комплексного числа. Таблица описания действий показана на рис. 4.
Рис. 4. Таблица действий, определяющих выбранный режим
6. Если речь идет о разомкнутых участках сети, то есть о фидерах, то множество режимов и соответствующих действий может генерироваться автоматически на основе анализа состояний коммутационных аппаратов на головных участках фидеров и резервирующих коммутационных аппаратов, связывающих смежные фидеры. Автоматически сформированное множество режимов обязательно должно быть проверено расчетчиком. Программа может найти недопустимые режимы, а также пропустить режимы, которые получаются включением и отключением более чем одного коммутационного аппарата. Для анализа множества режимов с действиями предусмотрена таблица с развернутым списком режимов (рис. 5).
Рис. 5. Развернутый список всех режимов и определяющих их действий
7. Для моделирования коммутационных аппаратов вместо абстрактного выключателя, имеющегося в EnergyCS Режим и ТКЗ, предусмотрен объект «Коммутационный аппарат». Для коммутационного аппарата может определяться его вид, а его тип выбирается из справочника с указанием величины допустимого и коммутируемого тока, а также с параметрами, характеризующими его термическую и динамическую стойкость (рис. 6).
Рис. 6. Параметры коммутационных аппаратов схемы
8. На схеме совокупность последовательно соединенных коммутационных аппаратов образует ячейку. Она ассоциируется с ветвью нулевого сопротивления. Очевидно, что цепочка нулевых сопротивлений имеет нулевое сопротивление. Ячейка соответствует расчетной ветви. Отключенное состояние ячейки будет задано отключением любого аппарата. А включенное соответствует включению всех элементов.
Рис. 7. Линии электропередач с их диспетчерскими обозначениями и ссылками на внешние модели и ГИС
9. Линия в программах прежних версий представлялась одним топологическим участком, который имел множество конструктивных участков, выполненных кабельными или воздушными линиями либо токопроводами. Этот подход имел недостаток — линию нельзя было обозначить так, как ее понимают диспетчеры: как часть схемы, состоящую из участков линий и включаемую и отключаемую как единое целое, — примером является линия с отпайками (очень похоже на фидер, но фидер — более широкое понятие). Теперь эта проблема устранена. Введено понятие «Линия». Линии может быть присвоено диспетчерское обозначение. Она может состоять из множества топологических участков, каждый из которых является расчетной ветвью и может, в свою очередь, состоять из множества конструктивных участков. Ввод последних осуществляется так же, как и ввод любого другого объекта схемы. При этом происходит автоматическое определение топологических участков и линий в целом. В расчете конструктивные участки формально объединяются до топологических участков, которые рассматриваются как ветви. Выделение диспетчерских линий и их топологических участков выполняется автоматически. Линии рассматриваются как суперобъекты сложной конфигурации и могут иметь свое обозначение, ссылку или привязку к ГИС. При автоматическом выделении цвета назначаются случайно, но затем их можно настроить вручную. Пример схемы с раскрашенными линиями и таблицей линий приведен на рис. 7. Необходимо отметить, что при определении конструктивных участков на их стыках появляются узлы, которые во время расчета в расчетную модель не включаются. Лишние надписи с результатами расчета на конструктивных участках одного топологического участка также не формируются.
Рис. 8. Расцветка схемы по подстанциям и формальное выделение подстанций на схеме рамками с надписями
10. Совокупность станционного оборудования, отраженного в модели, соответствует подстанции или электростанции. Обычно необходимо ввести общее обозначение для подстанции. Добавлена новая сущность — «Подстанция». Она имеет два основных параметра: наименование и обозначение. По этим параметрам можно группировать результаты расчетов и отображать наименование и обозначение подстанции на схеме, а при необходимости очертить рамками оборудование каждой подстанции (рис. 8). Группировка объектов по подстанциям может осуществляться автоматически по специальной команде. При этом автоматически формируется список подстанций. Следует сказать, что подстанция — это устройство, отображаемое на карте, и в данных о подстанциях предусматривается внешний ID, связывающий изображение на схеме с данными ГИС и другими моделями, отображающими иные аспекты подстанции, например компоновку РУ и ее детальную схему (рис. 9).
Рис. 9. Список подстанций с настройкой внешней информации
Рис. 10. Отношения между сущностями модели
Рис. 11. Анализ режимов существующей сети с учетом естественного роста нагрузок
Структура информационной модели программного комплекса EnergyCS в виде упрощенного представления отношений между сущностями, моделируемыми в программе, приведена на рис. 10.
Произведенные изменения модели позволяют решать новые задачи, связанные с проектированием электрических сетей. Так, например, для модели, содержащей два центра питания и по два фидера, отходящих от каждого ЦП, можно выполнить анализ существующей схемы во времени, то есть по периодам развития, и построить таблицу параметров режимов фидеров с учетом роста нагрузок, но без учета реконструкции (рис. 11). Аналогично можно получить сводную таблицу для множества послеаварийных режимов с учетом роста нагрузок, но без учета реконструкции (рис. 12).
Рис. 12. Анализ послеаварийных режимов для множества сгенерированных конфигураций послеаварийных режимов
Рис. 13. Анализ нормальных режимов с учетом естественного роста нагрузок
и изменений в схеме в результате ее развития
Рис. 14. Анализ послеаварийных режимов по периодам с учетом реконструкций
В результате реконструкции в схему сети вносятся изменения, и анализ основных и послеаварийных режимов даст другие результаты, приведенные на рис. 13 и 14.
Если анализ схемы показывает функциональную работоспособность сети, то с технической точки зрения приняты правильные решения. Далее остается осуществить документирование внесенных в модель изменений и расчет ожидаемых затрат на внесение принятых изменений. Такие отчеты на основании полной модели также формируются автоматически. Однако на самом деле не все так просто. Конечно, программа способна просмотреть все множество возможных режимов, автоматически выполнить все необходимые расчеты и сформировать итоговые документы, но это будет лишь формальный анализ и исключительно на основе введенной информации. В этом случае роль расчетчика, его ответственность значительно повышаются. При существенном снижении объема рутинной, простой работы возникает задача интеллектуального анализа рассматриваемых моделей и, возможно, отбраковки и исключения невозможных режимов уже на уровне исполнителя. То есть применение программы, с одной стороны, значительно повышает производительность труда проектировщика, а с другой — предъявляет более высокие требования к проектировщикуисполнителю.
