Технические науки/5. Энергетика

К.т.н. Большанин Г.А., Большанина Л.Ю., Марьясова Е.Г.

Братский государственный университет, Россия

Линия электропередачи как объект системного

анализа

В условиях глобализации ряда проблем энергетики, экономики, экологии важное место занимают вопросы электроэнергетики, как с позиции снижения потерь электрической энергии, так и с позиции уменьшения негативного влияния воздушных линий электропередачи на человека. Современное общество трудно представить без электричества. Поиск новых источников энергии и разумное использование старых является фундаментальными задачами в этой сфере.

Транспортировка электрической энергии на дальние расстояния обычно выполняется воздушными линиями электропередачи (ЛЭП) высокого напряжения трехпроводного исполнения. Линию электропередачи как объект системного анализа можно рассмотреть с разных сторон, проводя анализ ее компонентов в той или иной области. С точки зрения энергосбережения интерес представляет рассмотрение ЛЭП в условиях пониженного качества электроэнергии. Технический прогресс и информатизация современного общества привели к появлению у потребителей электрической энергии большого количества нелинейных элементов: от мощных силовых установок, электрических преобразователей до персональных компьютеров, организующих электронный документооборот. Это явилось причиной негармонических колебаний напряжений и токов, снижения качества электрической энергии. В качестве компонентов для системного анализа ЛЭП берутся основные ее параметры: продольные и поперечные параметры, фазные напряжения и линейные токи.

Наблюдение за исследуемым объектом проводилось в виде пассивного эксперимента. В качестве объектов исследований были взяты две линии различной протяженности в системе «Иркутскэнерго»: от подстанции «Заводская« до подстанции «Гидростроитель» (г. Братск) напряжением 110 кВ и от подстанции «Коршуниха» (г. Железногорск) до подстанции «Лена» (г. Усть-Кут) напряжением 220 кВ. В процессе исследования анализировались основные характеристики транспортируемой электрической энергии: фазное напряжение и линейный ток.

Предварительно линия была разбита на относительно однородных участков с последующим анализом каждого из полученных таким образом участков ЛЭП. Границами неоднородности здесь послужили, в основном, узлы подключения нагрузки и существенные изменения рельефа поверхности земли.

Для каждого однородного участка ЛЭП на частоте каждой гармонической составляющей напряжения и тока была построена полнофазная электрическая схема замещения. Продольные параметры ЛЭП на ее схеме замещения иллюстрируются резистивными и индуктивными элементами, поперечные параметры – резистивными, емкостными и магнитными связями.

На основании созданных схем замещения была построена математическая модель распределения напряжений и токов на частоте -й гармонической составляющей вдоль каждого однородного участка ЛЭП трехпроводного исполнения в виде системы дифференциальных уравнений второго порядка [1, 2].

Использование математических методов оптимизации этих моделей дают возможность определения напряжений и токов, а также иных характеристик транспортируемой по анализируемым ЛЭП электрической энергии [3, 4].

Проверка адекватности модели проводилась из сопоставления результатов расчета с данными, полученными путем измерений спектрального состава напряжений и токов в начале и в конце исследуемых линий электропередачи. Измерения производились на базе программ и приборов Aura и Parma.

При исследовании устойчивости модели распределения напряжений и токов оценивались корни соответствующего характеристического уравнения [5] согласно рекомендациям теоремы Ляпунова. Кроме того, были рассмотрены физические особенности процесса передачи электрической энергии, как результат наложения 3-х пар волн электромагнитного поля. Наличие отраженной волны в линии электропередачи заставляет внести коррективы в теорему Ляпунова: система останется устойчивой и при наличии корней с положительной вещественной частью (для отраженной электромагнитной волны) [6].

Определение целей системного анализа на протяжении исследования менялось и дополнялось. Первоначально рассматривался однородный участок линии. Далее произошел переход к расчету неоднородной ЛЭП, состоящей из нескольких неоднородных участков.

Для расчета реальной ЛЭП, состоящей из однородных участков использовалась цепная схема (рис. 1). При этом рассматривались данные на входе и выходе. Для этого каждый k-й однородный участок трехфазной трехпроводной ЛЭП рассматривался как 8-полюсник с 3-мя входами, 3-мя выходами и взаимной связью с землей [7].

Рис. 1. Вариант представления трехфазной трехпроводной ЛЭП

в виде цепной схемы

Авторами разработан свой уникальный метод. При этом ЛЭП обоснованно рассматривалась как линия с распределенными параметрами [1], учитывался волновой характер компонентов системы – передачи электрической энергии пониженного качества. Для решения задач математического моделирования применялся мощный аппарат системы «Matlab». Это позволило выполнить операции с комплексными числами, т.к. первичные и вторичные параметры линии представлены в виде векторных величин.

Литература

1. Большанин, Г.А. Распределение электрической энергии пониженного качества по участкам электроэнергетических систем. В 2-х кн. – Братск: БрГУ, 2006. – 807 с.

2. Большанин, Г.А. Распределение электрической энергии пониженного качества по однородному трехфазному трехпроводному участку воздушной ЛЭП. // Научный вестник НГТУ. – 2009. – №4(37). – С. 135-144.

3. Большанин, Г. А. Расчет параметров трехфазной трехпроводной линии электропередачи (LEP3 v. 1.00) (Программа для ЭВМ). / Л. Ю. Большанина. – № 2010611988 от 16.03.2010.

4. Большанина, Л. Ю. Расчет параметров трехфазной четырехпроводной линии электропередачи (FOUR-WIRE v. 1.00) (Программа для ЭВМ). / Л. Ю. Большанина, Г. А. Большанин, Е.Г. Марьясова – № 2010615863 от .09.2010.

5. Большанин, Г.А. Характеристическое уравнение однородного участка трехфазной трехпроводной ЛЭП. / Е. Г. Марьясова. // Системы, методы, технологии. – 2009. – №2. – С. 60-62.

6. Большанин, Г. А. Статическая устойчивость математической модели распределения электрической энергии по однородным участкам ЭЭС четырехпроводного исполнения. / Л. Ю. Большанина. // Вестник ИрГТУ. – 2008. – №4. – С. 264-271.

7. Большанина, Л. Ю. Расчет параметров неоднородной трехфазной трехпроводной линии электропередачи (Non-uniform v. 1.00) (Программа для ЭВМ). / Г. А. Большанин, Е.Г. Марьясова – № 2010615868 от 8.09.2010.