на главную страничку  

 

 
Компьютерное конструирование единой графической электронной модели электрических сетей энергосистемы

Ришкевич А.И., Задерей А.В., к.т.н., Семенюк А.В., Клипков С.И., к.т.н.

Вопросам моделирования электрических сетей энергосистемы уделяется пристальное внимание, начиная с момента появления первых автоматизированных систем проектирования (САПР) и автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) на основе ЭВМ. Модели дают возможность проверять реальность и оптимальность проектных разработок по отдельным энергетическим объектам и энергосистеме в целом, а также надежность функционирования работающей энергосистемы путем решения конкретных технологических задач и сравнительного анализа разных стратегий проектирования и оперативного управления для принятия решений на основании состояния и параметров режима её электрической сети [1].

Из множества моделей электрической сети энергосистемы в общем случае можно выделить два основных типа моделей, используемых при решении задач проектирования и оперативного управления режимами её работы.

Первый тип это общепринятая графическая модель электрической схемы энергосистемы, описывающая в требуемом объёме и степени детализации оборудования электрическую сеть и отдельные объекты. Такой моделью, например, является электрическая схема сети энергосистемы или её фрагменты, представленные упрощенными или полными схемами первичных соединений электростанций и подстанций с элементами оборудования, на бумажных носителях, мозаичном диспетчерском щите или в электронном виде в ПЭВМ.

Второй тип это специализированные модели расчетных схем, описывающие максимально упрощено схему электрической сети энергосистемы без элементов оборудования на уровне требований применяемых математических методов и конкретных технологических задач. Например, узловая расчетная схема электрической сети энергосистемы для решения задачи установившегося режима или токов короткого замыкания.

В электронном виде принято модель первого типа описывать информацией локальных баз данных в форме таблиц стандартного унифицированного формата, связанных с электросетевыми объектами энергосистемы, и достаточной для решения любых технологических задач. Модель второго типа описывается информацией специализированного алфавитно-цифрового или бинарного формата в унифицированных файлах данных и рассчитана на решение одной-двух задач.

С момента начала внедрения ЭВМ в электроэнергетику и до настоящего времени при решении технологических задач, в частности расчетов нормальных и аварийных режимов энергосистемы, применяются упрощенные расчетные модели второго типа, так называемые узловые модели, описываемые примитивами "узлы" и "ветви". За этими моделями при решении инженерных задач, как в проектировании, так и в эксплуатации энергосистем, сохраняется приоритет и по настоящее время. Такое положение объясняется требованиями формализации и алгоритмизации используемых математических методов, существующей технологией расчетов, возможностями эксплуатируемой в проектировании и производстве, особенно в первые десятилетия, вычислительной техники, исторически сложившимися традициями и условиями развития АСУ электроэнергетикой.

Программная реализация связи моделей разных типов с автоматическим переходом от модели в виде полной принципиальной электрической схемы к адекватной упрощенной расчетной поузловой модели и обратно была реальна только для схем небольшого объёма, требовала значительных ресурсов памяти ЭВМ, затрат машинного времени и представлялась до настоящего времени нецелесообразной.

Современный уровень технических и программных средств уже позволяет реализовать задачу автоматического преобразования модели первого типа в расчетную модель второго типа для выполнения расчета, сохраняя при этом исходные параметры, состояние оборудования и коммутационных аппаратов рассматриваемого режима работы энергосистемы. Такая универсальная модель обеспечивает быстрое решение всего состава технологических задач, анализ полученных результатов и своевременную выработку последующей стратегии проектирования или оперативного управления.

В этом случае решать технологические задачи и анализировать результаты расчетов целесообразнее всего на ЕДИНОЙ общедоступной и понятной проектировщикам и эксплуатационному персоналу различного уровня и разных производственных служб модели первого типа, полностью исключив из рассмотрения модель второго уровня (Рис.1).


Рис.1 Электронная графическая модель электрической сети 110-750кВ ОЭС

Разработка ЕДИНОЙ графической электронной модели (ЕГЭМ) энергосистемы, в первую очередь, была ориентирована на задачи подсистем SCADA и EMS в АСДУ, а в САПР`е на проектирование перспективных схем развития энергосистем [2]. Однако можно указать и ряд других важных направлений применения ЕДИНОЙ графической электронной модели в процессе проектирования и эксплуатации энергосистемы. Модель может использоваться при технико-экономическом обосновании выбора места размещения и последующего проектирования новых электростанций, подстанций и линий электропередачи. Модель может применяться в эксплуатационной практике как электронный диспетчерский щит, а также в качестве тренажера-советчика диспетчера. Она позволяет выполнить оценку неверных и отсутствующих данных при достоверизации телеизмерений, и эффективно обнаруживать ошибочные результаты телеметрии. ЕГЭМ может служить основой оперативного управления процессами коммутации, регулирования режима по напряжению и реактивной мощности, выбора экономического распределения нагрузок и учета потребления электроэнергии в условиях рыночных отношений. Может использоваться как графическая информационная база персоналом, осуществляющим изыскательские работы, проектирование и эксплуатацию линий электропередачи, подстанций и др.

Мониторинг состояния текущих параметров режима и топологии электрической сети с последующей алгоритмической и программной реализацией их в виде адекватной математической модели, которая обеспечивает анализ поведения энергосистемы большого объема, стал реально возможен в эксплуатационной практике на современном этапе развития вычислительной техники, телемеханики и связи.

Для идентификации элементов модели и определения текущей топологии электрической сети большого объема, описываемой многообразными схемами отдельных объектов сложной конфигурации и линиями электропередачи различного напряжения, разработаны алгоритмы и решён ряд задач. Наиболее сложными являются формализация и алгоритмизация автоматического анализа состояния топологии электрической сети, моделируемой в ЭВМ примитивами в терминах: генератор, трансформатор, коммутационный аппарат, шина, линия и последующее автоматическое преобразование с переходом к примитивам расчетной схемы, моделируемой в терминах "узел" - "ветвь", и обратно. Из множества известных методов преобразования модели электрической сети, описанной в стандартных терминах в расчетную поузловую модель, использующих матрицы инцидентности, логические таблицы и поиск по дереву сети [3] в данной разработке реализован последний.

Следует отметить, что в ЕДИНОЙ модели допускается симбиоз моделей первого и второго типа. Такое объединение необходимо при конструировании графической модели энергосистемы, собственные основные объекты и элементы которой представляются в виде достаточно подробных принципиальных электрических схем, а часть собственных менее важных объектов и объекты прилегающих энергосистем вычерчиваются в виде эквивалентных узлов-ветвей расчетной схемы.

Алгоритмическая и программная реализация автоматического учета состояния топологии электрической сети с автоматическим переходом между моделями разных типов - один из главных инструментов, обеспечивающих решение на ЕДИНОЙ графической модели электрической сети энергосистемы всех технологических задач подсистемы SCADA и EMS, анализ полученных результатов и разработку стратегии управляющих воздействий.

В качестве инструмента при конструировании ЕДИНОЙ графической электронной модели применён программный пакет AutoCAD компании AutoDesk, зарекомендовавшей себя как интеллектуальная САПР для платформы PC. Немаловажно то, что AutoCAD - развивающаяся открытая и надежная система с встроенным интерпретирующим языком AutoLISP, позволяющая манипулировать графическими примитивами (объектами) в неограниченном количестве слоев, хранить в примитивах дополнительные (расширенные) данные, разрабатывать меню, инструментальные панели, кнопки и диалоговые формы, связывать объекты чертежа с внешними SQL-базами данных, программировать на языках VBA, С++, а также обмениваться с другими широко используемыми программными пакетами и графическими файлами.

ЕДИНАЯ графическая электронная модель энергосистемы конструируется в среде графического редактора AutoCAD специальными программными средствами, разработанными для энергетики:

  • интерфейс пользователя в виде меню, инструментальных панелей, диалоговых форм данных по типу элемента или объекта, диалоговых форм настройки условий работы с моделью и технологическими задачами, таблиц результатов расчетов и т.п., выполненных в дизайне AutoCAD;
  • автоматизированное формирование конфигурации и топологии модели электрической сети;
  • автоматизированный ввод-вывод данных по оборудованию и параметрам электрической сети и решаемых технологических задач;
  • синтаксический и семантический контроль исходных данных и результатов расчета, контроль топологии сети.

Графическая схема электрической сети в виде блоков AutoCAD описывается в стандартных терминах: генератор, трансформатор, линия электропередачи, нагрузочный фидер, реактор, конденсатор и т.п. Электрическое соединение указанных элементов описывается стандартными терминами: секция системных шин, выключатель, разъединитель, отделитель, линия соединения и т.п.

Параметры оборудования и характеристики режима моделируемой электрической сети описываются в виде алфавитно-цифровой информации, принятой и используемой в настоящее время в электроэнергетике, в диалоговых формах и таблицах.

Положения выключателей и разъединителей, а также параметры режима фиксируются в модели первого уровня для нормального состояния электрической сети, автоматически изменяясь телесигналами и телеизмерениями (ТС/ТИ) по каналам телеметрии при условии подключения модели к оперативно-информационному комплексу (ОИК АСДУ). При каждом изменении данных о текущем положении коммутационной аппаратуры автоматически формируется конфигурация и топология модели второго уровня (расчетной схемы) описываемой, как уже отмечалось выше в терминах узлы и ветви. Таким образом, положение выключателей и разъединителей на модели первого уровня (см. Рис.2) формирует в памяти ПЭВМ соответствующую конфигурацию узлов и ветвей расчетной модели второго уровня (Рис.3).


Рис.2 Фрагмент модели первого типа в стандартных терминах

Рис.3 Фрагмент модели второго типа в терминах узлы-ветви

Разработанная система графического автоматизированного конструирования модели электрической схемы (ГрафАКМЭС) применяется в Национальной энергетической компании "Укрэнерго" для моделирования электрических сетей и объектов 220-750кВ объединенной энергосистемы (ОЭС) Украины (Рис.1), сетей и объектов 35-330кВ её отдельных энергосистем. Работоспособность сконструированных моделей проверена путем подключения телеметрии ОИК (SCADA) и отдельных технологических задач EMS для выполнения расчетов нормальных и аварийных режимов.

Графические модели схем электрических сетей построены с учетом иерархической структуры цепочки управления ОЭС Украины по принципу:

Объединённая энергосистема в составе 8-ми ЭС (ОЭС) - Центральная энергосистема в составе 4-х облэнерго и г. Киева (ЦЭС) - Областная энергосистема в составе 28-ми РЭС (AES Киевоблэнерго) - Городская энергосистема в составе 4-х ПЭС (АК Киевэнерго).

В настоящее время авторами ведутся работы по подключению очередных задач подсистем SCADA и EMS.

По результатам опытно-промышленной эксплуатации разработанной графической электронной модели на примере ОЭС Украины можно сделать следующие выводы:
1. Разработана ЕДИНАЯ графическая электронная модель (ЕГЭМ), обеспечивающая решение основных задач подсистем SCADA и EMS.
2. ЕГЭМ может использоваться как аналог электронного диспетчерского щита и как тренажер-советчик, обеспечивающий оперативное вмешательство в процессы управления коммутациями, регулированием режима по напряжению и реактивной мощности, выбора экономического распределения нагрузок и учета потребления электроэнергии в условиях рыночных отношений.
3. ЕГЭМ может служить электронно-графической информационной базой для персонала, обеспечивающего эксплуатацию линий электропередачи и оборудования электросетевых объектов.
4. На основе ЕГЭМ целесообразно разработать новую технологию взаимодействия производственного персонала служб различных иерархических уровней в процессе оперативного управления режимами путем автоматического слияния (без эквивалентирования электрических сетей) отдельных моделей энергосистем в ЕДИНУЮ объединенную модель.
5. Система ГрафАКМЭС позволяет организовать безбумажную технологию расчетов нормальных и аварийных режимов работы электрических сетей, анализа результатов и выработки стратегии управления, а также создать ретроспективный графический электронный архив режимов энергосистемы.

Дальнейшее развитие ЕДИНАЯ графическая электронная модель должна получить при слиянии её с ядром геоинформационной системы (ГИС) (Рис.4), являющейся универсальным хранилищем для пространственных и атрибутивных данных. Описанный подход позволит создать интегрированную систему оперативного компьютерного моделирования инженерных коммуникаций в части анализа режимов работы электроэнергетических систем [4].


Рис.4 Электронная графическая модель сети 35-330кВ AES Киевоблэнерго

Фирма "Аркада" является базовым партнером по интегрированию ЕГЭМ в среду AutoCAD в виде универсального приложения AutoCAD Energy.

ЛИТЕРАТУРА

1. Гамм А.З., Гришин Ю.А., Окин А.А. Развитие АСДУ ЕЭС с учетом новых условий и механизмов управления. - В кн. Энергетика России в переходный период: проблемы и научные основы развития и управления. - Новосибирск, Наука, 1996.
2.Ришкевич А.И., Задерей А.В., Семенюк А.В., Клипков С.И. Оперативное моделирование электрических сетей Объединенной энергосистемы Украины. - Новини енергетики ,N8,стр.44,2002.
3. A.M. Sasson, S.T.Ehrmann, P.Lynch, L.S. Van Slyck, "Automatic power system network topology determination", IEEE Trans.Power App.Syst., vol.PAS-92, pp.610-618,Mar./Apr.1973.
4.Интегрированное ГИС-решение для электроэнергетики.-Еженедельник "Компьютерное обозрение", N48, стр.37, декабрь, 2001.


в начало страницы
  обратная связь