Сравнение программно-технических комплексов по расчету и оптимизации режимов работы электрических сетей

Электрическая сеть должна проектироваться и эксплуатироваться для обеспечения работоспособности в нормальных и различных послеаварийных режимах, поэтому параметры электрических режимов не должны превышать допустимых значений по различным ограничивающим условиям и выходить за допустимые пределы, обеспечивающие нормальную и экономичную работу различного оборудования и разных видов электролриемников. Это достигается за счет сложных расчетов электрических сетей.

Вследствие развития энергетики сети 35 кВ и выше стали обладать такими свойствами:

• сложность построения;
• ежедневно изменяющаяся топология и нагрузки;
• значительное количество шунтирующих связей;
• значительный объем перспективных электросетевых объектов, сооружение которых определяется Схемами и программами развития электроэнергетики Единой энергетической системы и субъектов РФ;
• значительное количество устройств, обеспечивающих регулирование напряжения — РПН, СКРМ (БСК, ШР, АСК) с плавным и ступенчатым регулированием;
• внедрение микрогрид. распределенной генерации, а также генерации на возобновляемых источниках энергии;
• системный эффект единой энергетической системы.

В целях обеспечения нормативных значений режимных параметров и качества электроэнергии, согласно ГОСТ 32144-2013, при ведении режима работы сети, в том числе после возмущений, и прогнозировании, при разработке или учете схем и программ развития электроэнергетики субъектов России необходимо выполнять расчеты режимов электрических сетей.

Выполнение указанных расчетов ручными методами требует значительных временных затрат В связи с этим в работе применяются различные программно-технические комплексы (ПТК).

Применение программно-технических комплексов для расчета режимов электрических сетей

Для выполнения расчетов электрических сетей, анализа и оптимизации установившихся электроэнергетических режимов могут применяться следующие ПТК:

• RastWin3 — Екатеринбургский фонд «Фонд им. Д. А. Арзамасцева”;
• Energy CS — CSoft Development, г. Москва;
• SDO-6 — Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук, г. Иркутск;
• ДАКАР — ELEKS Software (Украина);
• АНАРЭС — Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук, г. Иркутск;
• Mustang — ВДЦ Балтии (Латвия);
• КАСКАД-РЕТРЕН—АО «НТЦ ФСК ЕЭС», ООО «Кэскад- НТ», г. Москва;
• КОСМОС — Институт электродинамики НАН, г. Киев (Украина) (разработка), АО «Монитор Электрик», г. Пятигорск (поддержка);
• PSSE — PowerFactory Technologies Inc. (США), Siemens (Германия);
• DigSILENT PowerFactory — DigSILENT GmbH(Германия);
• EUROSTAG — Trastebel Engineering (Бельгия).

Комплексы АНАРЭС и КАСКАД-РЕТРЕН, согласно информации, размещенной на официальных сайтах разработчиков, имели последние обновления в 2016-2018 годах.

С учетом принятого в электроэнергетических компаниях России курса на импортозамещение используемых ПТК, а также необходимости обеспечения постоянной поддержки, обновления и расширения функционала, указанным требованиям наиболее соответствуют RastWin3 и Energy CS.

RastWin3

ПТК RastWin3 предназначен для решения задач по расчету, анализу и оптимизации режимов электрических сетей и систем произвольного размера и сложности, любого напряжения (от 0.4 кВ до 1150 кВ).

Для решения данных задач разработано большое количество расчетных модулей, среди которых для расчетов установившихся режимов и токов короткого замыкания можно выделить следующие:

• расчет установившихся режимов электрических сетей произвольного размера и сложности, любого напряжения (ОТ 0,4 кВ ДО 1150 кВ);
• полный расчет всех электрических параметров режима (токи, напряжения, потоки и потери активной и реактивной мощности во всех узлах и ветвях электрической сети);
• расчет установившихся режимов работы электрических сетей с учетом частоты;
• эквивалентирование электрических сетей;
• оптимизация электрических сетей по уровням напряжения, потерям мощности и распределению реактивной мощности;
• учет изменения сопротивления автотрансформатора при изменении положений РПН;
• расчет предельных по передаваемой мощности режимов энергосистемы, определение опасных сечений;
• моделирование отключения ЛЭП, в том числе одностороннего, и определение напряжения на открытом конце;
• моделирование генераторов и возможность задания их PQ-диаграмм.
• анализ допустимой токовой загрузки ЛЭП и трансформаторов, в том числе с учетом зависимости допустимого тока от температуры;
• RastrKZ, предназначенный для расчета периодической составляющей тока коротких замыканий и несимметричных режимов.

Первая версия RastWin была разработана на кафедре «Автоматизированные электрические системы» Уральского государственного технического университета (УГТУ- УПИ) в 1989 году. С тех пор ПТК постоянно обновлялся, становился не только более функциональным, но и интуитивным и удобным к применению. На текущий момент последнее обновление RastWin3 версии 2.6.0.6220(1) выпущено 17.09.2021.

Energy CS

ПТК для расчета режимов работы электрических сетей Energy CS состоит из трех модулей, которые могут использоваться независимо для решения следующих задач:

• расчет и анализ установившихся режимов как разомкнутых распределительных сетей, так и сложнозамкнутых системообразующих сетей (Energy CS Режим);
• расчет и анализ потерь электроэнергии в разомкнутых распределительных и в сложнозамкнутых системообразующих сетях (Energy CS Потери);
• расчет токов короткого замыкания и токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью (Energy CS ТКЗ).

ПТК Energy CS Режим предназначен для рассчитывая установившихся режимов сложнозамкнутых электрических сетей при анализе существующих и проектировании новых систем электроснабжения.

Для расчетов установившихся режимов можно выделить основные функциональные возможности ПТК:

• расчет уровней напряжений, токов, потоков и потерь мощности при заданных нагрузках и генерации в узлах или мощности в головных участках фидеров разомкнутой сети;
• анализ режимных параметров по классам номинальных напряжений, по районам и подрайонам (предусмотрено до 4-х уровней иерархии подрайонов) — балансов мощностей, потерь мощности, потерь электроэнергии, отклонений напряжения от номинальных значений;
• наблюдение при использовании функции «авторасчет» изменения зависимых режимных параметров (токов, напряжений и т. п.) при изменениях состояний коммутационных аппаратов, а также при изменениях схемных или независимых режимных параметров объектов. Применение в ПТК объектов вида «система» и «подсистема» позволяет сложную многоузловую электрическую сеть разбить на ряд подсхем, связанных по иерархии, и рассматривать всю сеть по частям с возможностью обобщения итоговых результатов.

Energy CS разработан в 2005 году сотрудниками Ивановского государственного энергетического университета. Последнее периодическое обновление ПТК Energy CS Режим 5 серии (Energy CS Режим) выпущено 14.05.2021.

Сравнение настроек расчетов режимных параметров в RastWin3 и Energy CS

Оба ПТК позволяют изменять достаточно большое число параметров, влияющих на итерационный процесс расчета установившихся режимов.

Вид таблицы с параметрами настройки ПТК приведен на рисунке 1 и рисунке 2 соответственно для RastWin3 и Energy CS Режим.

У рассматриваемых ПТК схожие возможности настройки расчета итерационного процесса:

• начальные приближения (текущие/номинальные);
• стартовый алгоритм по методу Зейделя (да/нет);
• предельное количество итераций;
• точность расчета и т. д.

RastWin3 позволяет рассчитывать режимы электрических сетей не только классическим методом Ньютона, но и методом «по параметру», а также методом Пауэлла (метод сопряженных направлений).

В Energy CS Режим предусмотрена возможность рассчитывать электрические сети методами Ньютона, «по параметру», Ньютона с нормализацией.

Оба ПТК поддерживают работу с базами данных оборудования, поэтому в них также предусмотрена возможность изменения пропускной способности оборудования в зависимости от температуры окружающей среды. При этом, согласно рисунку 2, в Energy CS Режим возможна корректировка температуры не только воздуха, но и земли, что позволяет более точно оценивать достаточность пропускной способности кабельных участков ЛЭП в случае, если определена зависимость пропускной способности кабельного участка ЛЭЛ от температуры земли.

Сравнение результатов расчетов электрических режимов, выполненных в RastWin3 и Energy CS Режим

Для проведения сравнительного анализа результатов расчетов режимов электрической сети рассмотрим участок, представляющий собой подстанцию с двумя автотрансформаторами 220/110/10 кВ (рисунок 3). В RastWin3 и Energy CS Режим данная схема представлена на рисунках 4 и 5 соответственно.

Для выполнения анализа и сравнения результатов расчетов, выполненных в RastWin3 и Energy CS Режим моделирование участка сети выполнено с использованием одинакового принципа (АТ вручную смоделирован трехлучевой звездой). В указанных ПТК возможно также выполнить путем внесения в справочник/базу данных моделирование АТ, при котором учитывается зависимость сопротивления обмоток и других параметров от положения РПН, при этом на графике такие АТ будут отображаться не трехлучевой звездой а соответствующим изображением автотрансформаторов.

Для сравнения ПТК рассчитывались нормальные режимы работы сети, а также режимы аварийного отключения (АО) следующих электросетевых объектов:

• АО АТ-1;
• АО КП 220 кВ N8 2.

Результаты расчетов представлены в таблицах 1-3, для нормального режима также добавлены данные, полученные по результатам контрольных измерений на объекте.

При формировании таблицы 1 и 2 было установлено, что ПТК Energy CS Режим самостоятельно определяет необходимое количество разрядов после запятой, таким образом, в большинстве случаев довольно сложно выполнить сравнение с данными, полученными при замере и при выполнении расчетов в RastWin3. При этом установленное на реальном объекте большое количество дополнительного оборудования на секциях 220 к8, 110 к8 и 10 кВ, например, трансформаторы напряжения, ошиновка, протяженность которой не учитывается, а также погрешности измерения, которые невозможно учесть в расчетных моделях, не позволяют обеспечить идеальное совпадение результатов расчетов нормального режима с фактически измеренными значениями. По результатам анализа таблиц 1-3 установлено:

1. Результаты расчетов в рассматриваемых ПТК имеют незначительные отличия друг от друга, а именно в нормальном режиме значения напряжений отличались не более чем на 0,16%, активной и реактивной мощности — на 0,21% и 0.63% соответственно, ток — на 0,39%.
2. Полученные в RastWin3 результаты отличались от замерных на 1,31% по напряжению, на 1,21% — по активной мощности.
3. Полученные в Energy CS Режим результаты отличались от замерных на 1,6% по напряжению, на 1,13% — по активной мощности.
4. в послеаварийных режимах отличия в результатах расчетов между ПТК составили не более 0,43% по напряжению, 0,7% — по активной мощности, 4.8% — по реактивной мощности, 0,5% — по току.

Дополнительно был проведен анализ влияния применения вспомогательного метода Зейделя и плоского старта на результаты расчетов режимов.

Несмотря на возможность данной настройки в Energy CS Режим результаты расчетов установившихся режимов были идентичны.

Результаты, полученные при отключении функции плоского старта и стартового алгоритма в RastWin3, оказались более информативными, например, в режиме АО АТ-1 происходит расхождение расчета установившегося режима по значению напряжения в узлах. Увеличение количества итераций и/или снижение предельного значения не приводило к сходимости расчета режима.

Отклонение функции плоского старта приводило к изменениям в нормальном режиме на 0,66% по активной мощности, на 2.03% — по реактивней модности, на 0,1% — по току; в режимах АО на 0.64% — по активной мощности, на 4.88% — по реактивной мощности, на 0,49% — по току. Последующее отключение стартового алгоритма приводило к изменениям в нормальном режиме на 0.12% по активной мощности, на 0,57% — по реактивной мощности, на 0,24% — по току; в режимах АО на 0,34% — по активной мощности, на 0/6% — по реактивной мощности, на 0,32% — по току. Значения напряжений во всех ситуациях отличались не более чем на 0,02%.

Сравнение принципов расчетов токов короткого замыкания в RastWin3 и Energy CS

Методы расчета электрических сетей ПТК RastrKZ позволяют:

• рассчитывать металлические КЗ 1, 2, 3, 1.1, одно- и многократные;
• учитывать взаимоиндукции линий;
• учитывать мнимые коэффициенты трансформации;
• рассчитывать влияние размыкания линий на ТКЗ и шунты;
• производить ускоренный расчет повреждений без рефакторизации матрицы проводимости;
• рассчитывать шунт для моделирования КЗ в расчете установившегося режима и электромеханическом переходном процессе;
• рассчитывать ток в грозотросе ЛЭП.

В RastrKZ реализована функция импорта данных из ПТК ТКЗ-ЗООО, АРМ СРЗА и из файла расчета установившихся режимов.

Energy CS ТКЗ позволяет решить такие задачи:

• определение начальных значений токов трехфазных коротких замыканий (КЗ) с учетом режима, предшествующего КЗ, а также значений ударных токов короткого замыкания по стандарту МЭК 908-1;
• приближенный расчет значений токов двухфазного замыкания;
• оценка токов замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью.

Методы расчета электрических сетей, применяемые в Energy CS ТКЗ, дают возможность обмена данными с другими программами через файлы унифицированного формата данных для электротехнических расчетов, разработанного ВЦ ГТУ ЦДУ ЕЭС России (например. Мустанг, RastrKZ и др.) и файлы известных текстовых форматов (CSV, XML).

По результатам выполненного анализа информации, приведенной в руководствах пользователя RastrKZ и Energy CS ТКЗ установлено, что RastrKZ по сравнению с Energy CS ТКЗ позволяет выполнять больший спектр задач по расчету токов короткого замыкания в электрических сетях.

Реализация в RastWin3 и Energy CS возможности информационного обмена в объеме профилей, утвержденных национальными стандартами РФ

В настоящее время утверждена серия национальных стандартов РФ «Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Информационная модель электроэнергетики», обеспечивающая совместимость информационных продуктов, разрабатываемых для автоматизации информационного обмена в электроэнергетике, и однозначной интерпретации передаваемых и получаемых данных всеми участниками информационного обмена в электроэнергетике. В RastWin3 и Energy CS отсутствует возможность автоматизированного информационного обмена в объеме профилей информационных моделей, утвержденных ГОСТ Р 58651.2-2019, ГОСТ Р 58651.3-2020 и ГОСТ Р 58651.4-2020. В связи с этим требуется доработка указанных ПТК.

Выводы

1. В настоящее время разработано значительное количество ПТК, используемых для расчетов установившихся режимов электрических сетей, как зарубежными, так и отечественными компаниями.
2. По результатам анализа различных ПТК установлено, что наиболее актуальными и получившими наибольшее распространение являются RastWin3 и Energy CS.
3. На основании выполненных расчетов установившихся режимов электрических сетей с помощью данных ПТК установлено, что результаты расчетов расходятся с фактическими значениями не более чем на 1.31% для RastWin3 и не более чем на 1,51% для и Energy CS Режим.
4. Отличия в результатах расчетов электрических сетей между двумя ПТК составили не более 0.63%.
5. Данная разница укладывается в погрешность выполнения расчетов и точности параметров электросетевого оборудования в расчетной модели.
6. Применение стартового алгоритма и плоского старта позволяет увеличить количество сходящихся расчетом методом Ньютона и повысить точность его результатов.
7. В части расчетов токов короткого замыкания модуль RastrKZ, входящей в состав RastWin3, обладает большим функционалом по сравнению с Energy CS ТКЗ.
8. Требуется доработка RastWin3 и Energy CS для обеспечения возможности реализации автоматизированного информационного обмена в объеме профилей информационных моделей, утвержденных ГОСТ Р 68651.2-2019, ГОСТ Р 58651.3-2020 и ГОСТ Р 58651.4-2020.

Оригинал статьи: Сравнение программно-технических комплексов по расчету и оптимизации режимов работы электрических сетей