Файл: Математическое моделирование и исследование процессов автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности в проектируемом районе энергосистемы.pdf

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Энергетический институт
Направление подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Кафедра «Электроэнергетические системы»
МАГИСТЕРСКАЯ ДИССЕРТАЦИЯ
Тема работы
Математическое моделирование и исследование процессов автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности в проектируемом районе энергосистемы
УДК 621.311.016.001.5
Студент
Группа
ФИО
Подпись
Дата
5АМ4Б
Зубков Дмитрий Андреевич
Руководитель
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор кафедры
ЭЭС ЭНИН ТПУ
Гусев А.С. д.т.н.
КОНСУЛЬТАНТЫ:
По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Ассистент кафедры менеджмента ТПУ
Грахова Е.А.
По разделу «Социальная ответственность»
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Доцент кафедры ЭБЖ
ИНК ТПУ
Извеков В.Н. к.т.н.
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ:
Зав. кафедрой
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
ЭЭС
Сулайманов А.О. к.т.н.
Томск – 2016 г.

Запланированные результаты обучения
Код результата
Результат обучения
(выпускник должен быть готов)
Универсальные компетенции
Р1
Совершенствовать и развивать свой интеллектуальный и общекультурный
уровень, добиваться нравственного и физического совершенствования своей личности, обучению новым методам исследования, к изменению научного и научно-производственного профиля своей профессиональной деятельности.
Р2
Свободно пользоваться русским и иностранным языками как средством делового общения, способностью к активной социальной мобильности.
Р3
Использовать на практике навыки и умения в организации научно- исследовательских и производственных работ, в управлении коллективом, использовать знания правовых и этических норм при оценке последствий своей профессиональной деятельности.
Р4
Использовать представление о методологических основах научного познания и
творчества, роли научной информации в развитии науки, готовностью вести работу с привлечением современных информационных технологий, синтезировать и критически резюмировать информацию.
Профессиональные компетенции
Р5
Применять углубленные естественнонаучные, математические, социально-
экономические и профессиональные знания в междисциплинарном контексте в инновационной инженерной деятельности в области электроэнергетики и электротехники.
Р6
Ставить и решать инновационные задачи инженерного анализа в области электроэнергетики и электротехники с использованием глубоких фундаментальных и специальных знаний, аналитических методов и сложных моделей в условиях неопределенности.
Р7
Выполнять инженерные проекты с применением оригинальных методов проектирования для достижения новых результатов, обеспечивающих конкурентные преимущества электроэнергетического и электротехнического производства в условиях жестких экономических и экологических ограничений.
Р8
Проводить инновационные
инженерные
исследования в области электроэнергетики и электротехники, включая критический анализ данных из мировых информационных ресурсов.
Р9
Проводить технико-экономическое обоснование проектных решений; выполнять организационно-плановые расчеты по созданию или реорганизации производственных участков, планировать работу персонала и фондов оплаты труда; определять и обеспечивать эффективные режимы технологического процесса.
Р10
Проводить монтажные, регулировочные, испытательные, наладочные работы электроэнергетического и электротехнического оборудования.
Р11
Осваивать новое электроэнергетическое и электротехническое оборудование; проверять техническое состояние и остаточный ресурс оборудования и организовывать профилактический осмотр и текущий ремонт.
Р12
Разрабатывать рабочую проектную и научно-техническую документацию в соответствии со стандартами, техническими условиями и другими нормативными документами; организовывать метрологическое обеспечение электроэнергетического и электротехнического оборудования; составлять
оперативную
документацию, предусмотренную правилами технической эксплуатации оборудования и организации работы.

Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт Энергетический институт
Направление подготовки 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника»
Кафедра «Электроэнергетические системы»
УТВЕРЖДАЮ:
Зав. кафедрой
_____ _______ ____________________
(Подпись) (Дата) (Ф.И.О.)
ЗАДАНИЕ
на выполнение выпускной квалификационной работы
В форме:
Магистерской диссертации
(бакалаврской работы, дипломного проекта/работы, магистерской диссертации)
Студенту:
Группа
ФИО
5АМ4Б
Зубков Дмитрий Андреевич
Тема работы:
Математическое моделирование и исследование процессов автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности в проектируемом районе энергосистемы
Утверждена приказом директора (дата, номер)
Дата 27.01.2016 № 432/с
Срок сдачи студентом выполненной работы:
ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ:
Исходные данные к работе
(наименование объекта исследования или проектирования;
производительность или нагрузка; режим работы
(непрерывный, периодический, циклический и т. д.); вид
сырья или материал изделия; требования к продукту,
изделию или процессу; особые требования к особенностям
функционирования (эксплуатации) объекта или изделия в
плане безопасности эксплуатации, влияния на
окружающую среду, энергозатратам; экономический
анализ и т. д.).
1. Рекомендуемая научно-техническая литература по теме диссертации;
2. Исследуемая схема и ее параметры энергорайона ОЭС Востока;
3. Исходные данные исследуемых УШР и БСК и их системы автоматического управления.
4. Рекомендуемый для исследования инструмент моделирования
ЭЭС всережимный моделирующий комплекс реального времени
ЭЭС.
Перечень подлежащих исследованию,
проектированию и разработке
вопросов
(аналитический обзор по литературным источникам с
целью выяснения достижений мировой науки техники в
рассматриваемой области; постановка задачи
исследования, проектирования, конструирования;
содержание процедуры исследования, проектирования,
конструирования; обсуждение результатов выполненной
работы; наименование дополнительных разделов,
подлежащих разработке; заключение по работе).
1. Анализ рекомендуемой научно-технической литературы по теме диссертации и определение необходимой для решения задачи автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности в ЭЭС и ее актуальности.
2. Обоснование задач решаемых в рамках диссертационной работы по автоматическому регулированию напряжения и реактивной мощности в исследуемом энегорайоне:
1) Обоснование требований к средствам математического моделирования.

2) Разработка программы и методики экспериментальных исследований автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности в исследуемом энегорайоне с помощью УШР ,БСК и АРКТ.
3) Выполнение экспериментальных исследований.
4) Анализ результатов экспериментальных исследований.
5) Обобщенный вывод на основе результатов экспериментальных исследований.
Перечень графического материала
1. Схема моделирования энергокластера
«Эльгауголь» и прилегающей периферии ОЭС
Востока.
2. Принципиальная электрическая схема УШР.
3. Результаты осциллограмм исследований.
4. Схема режимного состояния с использованием средств регулирования.
Консультанты по разделам выпускной квалификационной работы
Раздел
Консультант
Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение
Грахова Елена Александровна
Социальная ответственность
Извеков Владимир Николаевич
Раздел на иностранном языке
Тарасова Екатерина Сергеевна
Названия разделов, которые должны быть написаны на русском и иностранном
языках:
Mathematical adjusting and research of process of automatic control of voltage and reactive- power
Дата выдачи задания на выполнение выпускной
квалификационной работы по линейному графику
Задание выдал руководитель:
Должность
ФИО
Ученая степень,
звание
Подпись
Дата
Профессор кафедры
ЭЭС ЭНИН ТПУ
Гусев А.С д.т.н
Задание принял к исполнению студент:
Группа
ФИО
Подпись
Дата
5АМ4Б
Зубков Дмитрий Андреевич

Реферат
Магистерская диссертация состоит из 138 листов, 41 рисунка, 26 таблиц,
29 источников, 1 приложения;
Ключевые слова: автоматическое регулирование, напряжение, реактивная мощность, управляемый шунтирующий реактор, батареи статических конденсаторов, моделирование, энергорайон, энергокластер, электроэнергетическая система.
Объектом исследования является проектируемый энергорайон
«Эльгауголь» с прилегающей периферией ОЭС Востока.
Целью диссертационной работы является исследование процессов автоматического регулирования напряжения и реактивной мощности в проектируемом энергорайоне
ЭЭС с помощью управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора совместно с коммутируемыми батареями статических конденсаторов.
Для достижения поставленной цели проведен ряд экспериментов на базе созданного в НИЛ «Моделирование ЭЭС» ЭНИН ТПУ Всережимного моделирующего комплекса реального времени ЭЭС, а также использованы расчетные и графоаналитические методы.
Полученные результаты свидетельствуют об эффективности применения
УШР совместно с БСК, в исследуемом энегорайоне, в качестве инструмента по сохранению устойчивой и бесперебойной работы узлов нагрузки и средств по уменьшению потерь мощности в элементах энергорайона.
Областью применения проводимого исследования являются распределительные сети электроэнергетических систем.
Экономическая значимость работы заключается в уменьшении потерь мощности в элементах сети и предотвращении недоотпуска продукции вследствие нарушения непрерывности технологического процесса.

Список сокращений
УШР – управляемый шунтирующий реактор
БСК – батареи статических конденсаторов
ЭЭС – электроэнергетическая система
ОЭС – объединенная энергетическая система
САУ – система автоматического управления
ВМК РВ – всережимный моделирующий комплекс реального времени
РЗ – релейная защита
КЗ – короткое замыкание
СТАТКОМ – статический тиристорный компенсатор
СТК – статический тиристорный компенсатор
АПВ – автоматическое повторное включение
ПС – подстанция
ШУ – шкаф управления

Оглавление
ВВЕДЕНИЕ
10
1 Обзор литературы
1.1 Регулирование напряжения и реактивной мощности в электрических сетях
13 13 1.2 Основные потребители реактивной мощности ЭЭС
15 1.3 Технические средства для управления режимом работы по напряжению и реактивной мощности
1.3.1 Синхронный компенсатор
1.3.2 Изменение коэффициента трансформации силовых трансформаторов и автотрансформаторов
1.3.3 Шунтирующий реактор и конденсаторные батареи
1.4 Выводы
16 16 17 17 17 18
2 Средства моделирования для адекватного решения задач
регулирования напряжения и реактивной мощности
в проектируемом районе ЭЭС
18 2.1 Управляемый подмагничиванием шунтирующий реактор и батареи статических конденсаторов
20 2.2 Конструктивные особенности и принцип действия управляемого подмагничиванием шунтирующего реактора
21 2.3 Система автоматического управления УШР
27 2.3.1 Режим автоматической стабилизации напряжения
29 2.3.2 Режим форсированного набора мощности
29 2.3.3 Режим форсированного сброса мощности
30 2.3.4 Режим стабилизации тока сетевой обмотки
30 2.4 Коммутируемые батареи статических конденсаторов
32 2.5 Математические модели управляемого шунтирующего реактора и батарей статических конденсаторов
35 2.6 Программная реализация моделирующей системы
36

3 Экспериментальные исследования эффективности влияния
УШР совместно с БСК на режимы работы проектируемого
энергорайона и ЭЭС по напряжению и реактивной мощности.
42 3.1 Программа экспериментов
3.2 Исследование режимов работы системы автоматического управления УШР
45 47 3.2.1 Режим стабилизации напряжения в узле подключения
47 3.2.2 Режим регулирования тока реактора
52 3.2.3 Режим управления степенью загрузки УШР по реактивной мощности
54 3.3 Исследования влияния УШР и БСК на значение потерь активной и реактивной мощности в энегокластере «Эльгауголь»
56 3.4 Исследования влияния УШР совместно с БСК на устойчивость
Узлов нагрузки энергокластера «Эльгауголь»
60 3.5 Анализ экспериментальных исследований
71
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение
74 4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения научных исследований с позиции ресурсоэффективности и ресурсосбережения
75 4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования
75 4.1.2 SWOT - анализ
76 4.2 Планирование этапов и выполнения работ проводимого научного исследования
80 4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования
80 4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ
81 4.2.3 Разработка графика проведения научного исследования
82 4.3 Расчет бюджета научно – технического исследования
86 4.3.1 Расчет материальных затрат НТИ
86

4.3.2 Основная заработная плата исполнителей темы
87 4.3.3 Дополнительная заработная плата исполнительной темы
91 4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды
91 4.3.5 Накладные расходы
92 4.3.6 Формирование бюджета затрат научно- исследовательского проекта
92 4.4 Определение целесообразности и эффективности
Научного исследования
94 4.4.1 Анализ и оценка научно-технического уровня проекта
94 4.4.2 Оценка важности рисков
95
5 Социальная ответственность
99 5.1 Производственная безопасность
100 5.2 Производственная санитария
5.3 Техника безопасности
103 108 5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях
5.5 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Приложение А
112 117 118 119

10
Введение
Одним из основных режимных показателей в электроэнергетических системах является напряжение. Напряжение, величина и диапазон изменения которого, определяет качество электрической энергии. Отклонение напряжения от допустимых пределов, определяемых нормативной документацией, оказывает отрицательное воздействие как на режим работы электрических сетей и ЭЭС, так и на работу электроприемников.
Необходимость поддержания напряжения в допустимых пределах на узловых участках электрической сети определяет его регулирование. Процесс регулирования напряжения в каком либо узле электрической сети неразрывно связан с потоками реактивной мощности по участкам сети, то есть связан с регулированием генерируемой и потребляемой реактивной мощности.
Основными задачами, решаемыми регулированием напряжения и реактивной мощности, являются:
• снижение потерь мощности в ЭЭС;
• поддержание напряжения в узловых точках ЭЭС;
• обеспечение запасов статической устойчивости в нормальных режимах;
• обеспечение динамической устойчивости в аварийных режимах;
Передача реактивной мощности неизбежно сопровождается потерями активной мощности в линиях электропередач, так как реактивный ток является составляющей полного тока в линиях электропередачи и как следствие увеличивает падение напряжения в элементах сети. В связи с этим обеспечение требуемого уровня реактивной мощности приемной системы, только за счет передающей системы является экономически нецелесообразным.
Для решения поставленных задач необходимым становится использование дополнительных средств, осуществляющих управление режимом работы ЭЭС по напряжению и реактивной мощности. Основными такими средствами в российских сетях являются: шунтирующие реакторы, изменение коэффициента трансформации силовых трансформаторов и