Расчет и оптимизация работы участка электроснабжения региональной энергосистемы при подключении нового присоединения

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ ДОНЕЦКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра электромеханики и ТОЭ

КУРСОВАЯ РАБОТА

по теоретическим основам электротехники

Тема: «Расчёт и оптимизация работы участка электроснабжения региональной энергосистемы при подключении нового присоединения»

Выполнил: студент группы ЭСЭ-12А Проверил: доцент кафедры «Электромеханика и ТОЭ»

Донецк — 2014

РЕФЕРАТ Объектом исследований и анализа является часть региональной системы электроснабжения.

Цель работы — разработка математической модели сети, основанной на определении её параметров, анализ исходного рабочего режима сети, а также анализ экономичного режима работы до и после подключения нового присоединения, исследование переходных процессов в линии нового присоединения, вызванных коммутацией этого присоединения.

Расчёты выполнены на основе теории электрических цепей с применением метода узловых потенциалов для установившегося режима и операторного метода для переходного режима. При расчётах использовалась компьютерная программа MathCAD.

Полученные результаты могут быть использованы на практике для дальнейшего анализа, предусматривающего разработку рекомендаций по улучшению работы участка энергосистемы. Разработка программы позволит снизить затраты времени на выполнение расчетов и повысить их точность.

ЭНЕРГОСИТЕМА, СЕТЬ, КОМПЛЕКСНАЯ НАГРУЗКА, СОПРОТИВЛЕНИЕ, ЛИНИЯ С РАСПРЕДЕЛЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ, МЕТОД УЗЛОВЫХ ПОТЕНЦИАЛОВ, ПЕРЕХОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ, ТОЧНОСТЬ ВЫЧИСЛЕНИЙ.

СОДЕРЖАНИЕ математический модель сеть электроснабжение Введение Определение параметров цепи Расчет исходного режима работы сети Расчет экономичного режима работы сети Определение параметров сети относительно точки присоединения Расчет ЛРП нового присоединения Расчет сети после подключения присоединения Расчет переходных процессов Выводы Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Энергосистема является важнейшей составной частью технико-экономического потенциала региона, от функционирования которой зависят его экономические показатели. Исследование и анализ рабочих режимов сети является важной задачей. Однако предварительно должны быть определены параметры элементов сети. В данной работе выполнен расчет переходных процессов в ветви с новым присоединением, возникающих в результате его подключения. Оценена степень опасности для целостности оборудования от происходящих переходных процессов.

Исследование и анализ рабочих режимов сети является важной задачей. Определение сетевых параметров в данной работе выполнено на основании законов Ома и Кирхгофа. Анализ работы сети в исходном и экономичном режиме даёт возможность сделать выводы о её состоянии и дать предложение по улучшению технико-экономических показателей сети.

1. РАСЧЕТ СЕТИ ДО ПОДКЛЮЧЕНИЯ ПРИСОЕДИНЕНИЯ На основании задания на курсовую работу (рис. 1) составляем расчетную схему (рис. 2).Так как в сети имеется несколько уровней напряжения (330 и 500 кВ) и точка П находится на стороне низкого напряжения, расчет выполним путем приведения параметров оборудования высокой стороны к напряжению низкой стороны. При составлении расчетной схемы учтено, что исследуемая трехфазная сеть является симметричной, поэтому схема изображена в однолинейном исполнении, а расчет выполняется для одной фазы относительно фазных величин. Линии электропередачи представлены П-образной схемой замещения, а трансформаторыодним продольным сопротивлением.

Определяем параметры линий и результаты сводим в табл. 2. Удельные активные и реактивные сопротивления, ёмкостные проводимости в зависимости от типа линии взяты из приложения 1. Комплексы сопротивлений линий и их проводимости на всю длину вычислены по формулам:

zlq =(r0q + j· x0q)·lq, blq = b0q· lq

Таблица 1 — Данные для линий

Определяем параметры трансформаторов. Результаты сведены в табл. 2

Таблица 2

Таблица 3

Данные для линий

Сопротивление (Ом) нагрузок

Заданные значения сопротивлений нагрузок сведены в таблицу 4

Таблица 4

Приводим параметры элементов высокой стороны к низкому напряжению:

— коэффициент трансформации:

n = Uвн/UCн = uvtr/ustr = 5003/3303 = 1.515;

— линия 1:

zl1 = = 3.411+j36.224 Ом;

bl4= bl4*n2=2.231*10−3Cм;

-сопротивление трансформатора ztr=ztr/n2 =0.196+j217.364

— напряжение первого источника Е1=Е1/n=190.5 кВ Выполняем расчет цепи рис. 2 методом узловых потенциалов. Поскольку в схеме 4 узла с неизвестными потенциалами, то система уравнений имеет вид:

Y11· U1 — Y12· U2 — Y13· U3 — Y14· U4 = J1,

— Y21· U1 + Y22· U2 — Y23· U3 — Y24· U4 = J2,

— Y31· U1 — Y32· U2 + Y33· U3 — Y34· U4 = J3,

— Y41· U1 — Y42· U2 — Y43· U3 +Y44· U4 = J4.

Y11 = zn1−1+ zl2−1+ zl4−1+ zl3−1 +;

Y12 = zl2−1;

Y13 = zl3 -1; Y14 =0

Y22 = ztr-1 + zl5−1+ zn2−1+zl2 +;

Y23 = 0; Y24 = ztr -1 ;

Y33 = zn3−1 + zl3−1 + zl6−1+; Y34 = 0;

Y44 = zl1−1 + ztr -1 +; Y42 =ztr-;1; Y41 =0 ;Y43 =0 ;

J1 = zl4−1· Е2; J2 = zl5−1· Е2; J3 = zl6 -1· Е1; J4 =0.

Система уравнений в матричном виде Y· U=JJ решается с помощью программы Mathcad (см приложение) Рассчитываем токи, используя закон Ома и первый закон Кирхгофа:

— токи в линиях:

I1 =; I2 =; I3 =; I4 =;

I5 =; I6 =;

— токи нагрузок: Inq =;

— токи трансформаторов: Itr1 =;

— токи источников: IE1 = I1 +E1;

IE2=I6+ I5+ I4 +j +E2 j 2.

Расчитываем мощности:

— мощности потерь в линиях:

Slq = 3· zlp·Ip2, где p=1.6; Sl7 =Slp;

— ёмкостная мощность линий в расчёте на три фазы:

SC=3· 0.5[U32·(bl3+bl6)+U12·(bl4+bl2+bl3)+U22·(bl2+bl5)+U42·bl1+E12·bl1+E22·(bl4+bl5+bl6)l:

— мощности нагрузок: Snp = 3· Up·= 3· znp· Inp2; Sn5 =SSnp;

— мощность потерь в трансформаторе: Strm = 3· ztr·Itr2;

— мощность, пропускаемая трансформатором: SStr1 = 3· E1·Itr;

— мощность собственных нужд второго источника: SJ = 3· E2·;

— мощности источников: SЕ1 = 3· Е1·; SЕ2 = 3· Е2·.

Баланс мощностей составлен следующим образом.

Мощность источников: Sist = SЕ1 + SЕ2 — SJ.

Мощность потребителей: Spotr = Sn4+ Sl7 +SStrqj· SC.

Баланс Sist = Spotr выполняется.

Поскольку получены значения величин, приведенные к низкому напряжению, вычислим фактические значения токов и напряжений сети на стороне высокого напряжения:

,, .

Результаты решения системы уравнений пордразд. 1.6, полученные значения всех токов и мощностей представлены в сводной табл. 5. Для токов и напряжений высокой стороны приведены фактические значения.

Коэффициент полезного действия системы:

h= Re (Sn5)/Re (Sist) = 0.982

Коэффициент мощности всей системы:

cosj = Re (Sist)/Sist = 0.928

Анализ режима работы сети

1. Учитывая, что провода линий стале-алюминевые, можно принять экономическую плотность тока равной 1 А/мм2. Тогда номинальные токи линий численно равны их сечению. Мы видим, что первая, вторая, четвертая, пятая, шестая линии работают в режиме, близком к номинальному; третья линия загружена слабо.

2. Напряжение в линии 3 ниже номинального. Здесь желательно подключение присоединения с источником для повышения напряжения.

2. Расчет экономического режима работы сети Производим расчет сети при условии, что нагрузки работают с коэффициентом мощности 0.95. Сопротивления нагрузок задаём в следующем виде:

Znq= kq|Znq исх|· e j· arccos0.95

где q — номер нагрузки;

kqкоэффициенты коррекции величины сопротивления нагрузки, первоначально они взяты равными 1;

Znqисхисходное (заданное) значение сопротивления нагрузки.

Далее полностью повторяем расчет системы по разд.1. Благодаря уменьшению потребляемой нагрузками реактивной мощности в связи с её компенсацией, уменьшились токи в линиях, что привело к уменьшению потерь в них и повышению напряжений в узлах сети, а это дало увеличение потребляемой нагрузками мощностей. Для получения прежних значений потребления активной мощности корректируем величины сопротивлений нагрузок в сторону увеличения.

Значения коэффициентов коррекции оказались равными:

k1 = 1.205 371 k2 = 1.139 175 k3 = 1.28 186

Результаты расчета помещены в сводную табл. 5.

На основании результатов расчета приходим к следующим выводам:

— коэффициент мощности системы благодаря компенсации реактивной мощности нагрузок существенно возрос (0.985 против 0.992);

— за счет уменьшения токов в линиях вдвое уменьшились потери в них. Следовательно данное мероприятие мероприятие следует рекомендовать к применению.

3. Расчет эквивалентных параметров системы относительно точки присоединения П Для расчёта режима работы сети после подключения нового присоединения сеть до его подключения представим эквивалентной схемой, состоящей из эквивалентной ЭДС и входного сопротивления относительно точки П.

Эквивалентную ЭДС (напряжение холостого хода) берём из предыдущего расчета (разд. 2). В нашем случае:

Еэкв = Uh =0.5· (U1 +U3)=186.378 — j13.439=186.862· e-j4.124 кВ.

Для нахождения входного сопротивления эквивалентного источника вычислим ток короткого замыкания в точке П. Этот расчет выполним методом узловых потенциалов: Yk· Uk=Jk.

Матрица проводимостей может быть получена из ранее составленной матрицы Y вычеркиванием первой строки и первого столбца :

Yk =

Столбцовую матрицу узловых токов также получаем из вектора Jc:

JJk = Вектор узловых напряжений: Uk = Yk-1· JJk

Результат решения системы уравнений:

= 66.473-j2.117 кВ;

= 140.075-j6.939 кВ;

= 48.644+j0.459 кВ.

= 189.811-j0.982 кВ;

В соответствии с законом Ома и первым законом Кирхгофа ток в месте короткого замыкания

= 9.261· e-j82.5 кА.

Входное сопротивление эквивалентного источника:

=20.176· ej78.376Ом.

4. Расчёт параметров линии присоединения (ЛРП) и её режима работы В соответствии с заданием определяем номинальную мощность присоединения.

Spr=P2+j· Q2, =230.445MBA

Номинальные линейные напряжение и ток присоединения:

кВ, А По этому току с учетом механической прочности, условий короны и однообразия с другими линиями системы в качестве ЛРП выбираем линию напряжением 330 кВ АС-240/32. Длина линии км. Первичные параметры линии:

Ом/км; Ом/км; См/км; g0l =0;

Вторичные параметры линии:

-характеристическое сопротивление

= 315.5e-j5.14Ом

-коэффициент распространения

= 1.066· 10−3·ej84.86 1/км Схема сети представленной эквивалентным источником, с присоединением имеет вид рис. 3. Расчет этой схемы выполняем, используя основные уравнения четырехполюсника в форме Z. Исходные данные;

— ll=255 км:

— Ом

— 1.066· 10−3·ej84.86

— =192.1945e-j1.79

— zv=20.176· ej78.376Ом Рис .9 Схема замещения для расчета режима работы

, что еще будет уточняться с целью получения системой от присоединения заданой мощности, запишем следующим образом =ej-a. Для первого приближения принимаем kk=1; .

Система уравнений симметричного четырехполюсника, которым является исследуемая линия с распределенными параетрами (ЛРП):

;

Так как, экв-;, то получаем следующую систему уравнений:

Решаем систему и находим токи и .

Напряжение в начале линии

Расчетное значение мощности от присоединения ветви:

Изменяя коэффициенты kk и, добиваемся совпадения значения расчетной мощности с заданной. Полученные значения коэффициентов: kk=1.105 251; (cм.приложение) Полученные при этом значения токов и напряжений:

345.0· e j143.105 A; 277· e-j7.227A; 191.8· e-j2.637кВ; 203.234· e-j7.177.

5. Расчёт сети после подключения присоединения Подключение присоединения учитываем в схеме рис. 2 путем присоединения к линии точки П идеального источника ЭДС с напряжением U1.

В результате, в решаемой в разд. 3 системе уравнений элементы столбцовой матрицы узловых токов станут равны:

E2/zl4+U1/zl3· 0.5 ;

Полученные в результате решения системы уравнений значения напряжений, ,, помещены в табл. 5

Расчет токов, мощностей, КПД, коэффициента мощности выполняется по тем же формулам, что и в разделе 1 и 2.

Результаты расчета помещены в сводной табл. 5.

Выводы по результатам расчета сети после подключения нового присоединения:

— напряжения на всех без исключения узлах выросли на 1−4%;

-токи в линиях, за исключением четвертой и шестой, увеличились. Некоторое уменьшение тока в этих линиях обьясняется тем, что напряжение в первом и третьем узле несколько снизилось;

-увеличились мощности, потребляемые нагрузками. Это требует дополнение регулировки сопротивления нагрузок для получения прежних мощностей, что выходит за пределы задания ;

— снижение токов линиях привело к уменьшению потерь в линиях и незначительному повышению КПД системы (на 0.3%);

-трансформатор по-прежнему работает в режиме, близком к холостому ходу, надо полагать, его отключение не приведет к существенному токо перераспределению в сети;

-мощности источников Е1 и Е2 снизились ввиду появления в сети дополнительных генерирующих мощностей;

— реактивная мощность первого источника стала отрицательной, что для источника является нежелательным явлением. Это требует проведения дополнительных соответствующих мероприятий.

6. РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ

Пусть следует рассчитать переходные процессы в линии электропередачи без потерь, находящейся под нагрузкой, при отключении от её источника (рис. 10).

Так как длина рассматриваемой линии (270км) значительно меньше длины волны (6000 км), а длительность пробега волны и переходного процесса в линии (доли миллисекунд) значительно меньше периода синусоидального напряжения сети (20мс), которое за рассматриваемое время существенно измениться не успевает, то переходный процесс можно рассчитать с достаточной точностью, заменив действующие в схеме синусоидальные источники постоянными со значениями, определяемыми в момент коммутации. Тогда возникающая падающая волна будет иметь прямоугольный фронт.

Определяем параметры схемы рис. 4.

До коммутации в рубильнике (а с некоторой погрешностью можно считать, что и по всей линии) протекал ток (см. разд. 4). Допустим (наиболее тяжелый случай переходного процесса), что в момент коммутации этот ток проходил через максимум, то есть. Напряжение в ЛРП в этот момент времени равно мгновенному значения ЭДС источника :

.

Ток падающей волны рассчитываем по схеме замещения рис.5; -129.6 А, -38.23 кВ .

Энергосистему в течении переходного процесса будем представлять последовательно соединенными резистором R и индуктивностью L, значение которых определим из комплексного эквивалентного сопротивления системы (разд. 3)

4.065+j19.762 Ом

R=Re (zv)=4.065 Ом L=Im (zv)/ =0.063 Гн.

С=1.5мкФ.

Параметры исследуемой линии без потерь (ЛРП):

— длина l=295 км;

— удельные реактивные сопротивление и проводимость

x01=0.331Ом/км; b0l=3.3810−6 Cм/км;

-вторичные параметры

;

1.12 210−3 рад/км;

— длина волны /= 5602 км;

— фазовая скорость /=2.8105 км/c;

— длительность пробега волны по линии /=9.64 410−4мс.

Для расчета волн, возникающих после прихода падающей волны в т. П, составим схему замещения рис 6:

Когда падающая волна дойдет до конца ЛРП, где включена нагрузка Н3 и компенсирующая емкость С, то возникнет отраженная волна, расчет которой произведем по схеме рис. 6.

Параметры ЛРП

L=255×0=0.331 b0=3.8· 10−6 =

Zc= Zc=295.136 =1.122· 10−3

Эквивалентные параметры схемы относительно точки точки 3

R=Re (zequ) R=4.065 zequ=4.065+j19.762

Конструктивная емкость в точке 4

С=1.5· 10−6

Параметры обратной волны напряжение и ток, длина волны, фазовая скорость и длительность

ipad= ipad=-0.1296

upad=Zc· ipad upad=-38.237

v=2.8· 10−5 tpr= tpr=9.644· 10−4

Напряжение линии до коммутации Решение характеристического уравнения

p= polyroots (V) p=

Установившееся значение напряжения на конденсаторе

uCu=-1.039

Начальное значение производной напряжения на конденсаторе Расчет постоянных интегрирования

Напряжение на конденсаторе схемы замещения

uC (t)=uCu+ A= A1=0.52-j27.991

Напряжение и ток в точке П Амплитуды фазного номинального напряжения и тока

unom=330 Im= umf=

Im=678.823 umf=269.444

Фиксированный момент времени tf=4.822

Напряжение и ток отраженной волны

tf=4.82 210−4

Ток и напряжение вдоль линии

Выводы Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы;

Если падающую волну считать независящей от времени и равной амплитуде напряжения Uh в точке присоединения новой линии, то во время переходного процесса напряжение в конце ЛРП начинает превышать величину падающей волны через 1.2 мс после ее прохода в эту точку. Поскольку время двух пробегов волны по линии составляет 0.93 мс, и за это время результирующее напряжение, и за это время результирующее напряжение не достигает величины напряжения падающей волны, то можно утверждать, что дополнительной опасности для изоляторов ЛРП из-за переходного процесса не возникает.

Максимальный ток в конце ЛРП существенно превышает (примерно в.0 раза) ток падающей волны и значительно (примерно в 3 раза) превышает амплитуду тока I2n.

Время пробега волны по линии составляет 0.97 мс, что свидетельствует о возможности считать падающую волну, не зависящей от времени.

Напряжение и ток в точках ЛРП, по которым прошла отраженная волна, изменяются незначительно. Это обьясняется тем, что время пробега волны по линии существенно меньше времени переходного процесса в схеме замещения.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ Зевеке Г. В. и др. Основы теории цепей. — М. «Энергия», 1984, 628 с.

Бессонов Л.А. ТОЭ. — М., ВШ, 1988, 712с.

Неклепаев Б.Н., Крючков И. П. Электрическая часть электростанций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования: Учеб. пособие для вузов.- М.: Энергоатомиздат, 1989.

Дьяконов В. П. Справочник по MathCAD PLUS 7.0 PRO — М.: СК Пресс, 1998. 352 с.