Промышленность потребляет около двух третей всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии. Возрастают мощности, потребляемые предприятиями и отдельными электроприемниками. В связи с этим усложняются задачи рационального построения схем распределения электроэнергии. Повышаются требования к надежности, экономичности, к удобству и безопасности эксплуатации и к качеству электроэнергии [1-4].
Система электроснабжения производственного объекта состоит из питающих, распределительных, трансформаторных и преобразовательных подстанций и связывающих их кабельных и воздушных сетей и токопроводов высокого и низкого напряжения. Система электроснабжения строится таким образом, чтобы она была надежна, удобна и безопасна в обслуживании и обеспечивала необходимое качество энергии и бесперебойность электроснабжения в нормальном и послеаварийном режимах. В то же время система электроснабжения должна быть экономичной по затратам, ежегодным расходам, потерям энергии и расходу дефицитных материалов и оборудования. Экономичность и надежность системы электроснабжения достигается путем применения взаимного резервирования сетей предприятий и объединения питания промышленных, коммунальных и сельских потребителей. При сооружении на предприятиях собственных электростанций, главных понизительных подстанций и других источников питания учитываются близлежащие внезаводские потребители электроэнергии. Особенно это необходимо в районах, недостаточно охваченных энергосистемами [5-8].
Очень серьезные дополнительные требования к электроснабжению предъявляют электроприемники с резкопеременной циклически повторяющейся ударной нагрузкой и потребители, требующие особой бесперебойности питания при всех режимах системы электроснабжения [9]. В отношении требуемой надежности электроснабжения электроприемники делятся на три категории.
К 1-й категории относятся лишь те электроприемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса. Эти электроприемники должны обеспечиваться питанием от двух независимых источников, и перерыв их электроснабжения допускается лишь на время автоматического включения резерва. Примерами электрических нагрузок 1-й категории могут служить доменные цехи, котельные производственного пара, ответственные насосные, приводы вагранок, разливочные краны, водоотливные и подъемные установки горнорудных предприятий и др.
Ко 2-й категории (наиболее многочисленной) относятся электроприемники, которые также очень важны, но перерыв их питания связан только с массовым недоотпуском продукции, простоем людей, механизмов и промышленного транспорта. Требования к резервированию их питания менее строгие, чем к электроприемникам 1-й категории. Допускаются перерывы электроснабжения на время, необходимое для ручного включения резерва дежурным персоналом и даже выездной бригадой, если подстанция не имеет постоянного дежурства. Некоторые группы электроприемников 2-й категории по предъявляемым ими требованиям к питанию ближе к 1-й категории, а другие, наоборот, ближе к 3-й категории. Поэтому к вопросам питания нагрузок этой категории нужно относиться очень осторожно и, безусловно, не применять огульное их резервирование в той степени, как это необходимо для нагрузок 1-й категории. Это обстоятельство нашло отражение и в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ), которые при определенных условиях допускают не предусматривать специального резервирования электроприемников 2-й категории.
К 3-й категории относятся все прочие электроприемники, например, во вспомогательных цехах, цехах несерийного производства, на неответственных складах и т. п. Они допускают перерыв питания на время ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, но продолжительностью не более одних суток.
Для правильного решения вопросов надежности электроснабжения и степени резервирования необходимо четко определить режимы, возникающие во время аварии и в периоды, непосредственно следующие после аварии. Под аварийным режимом подразумевается кратковременный переходный режим, вызванный нарушением нормального режима работы системы электроснабжения или ее отдельных звеньев и продолжающийся до отключения поврежденного звена или элемента. Продолжительность аварийного режима определяется в основном временем действия релейной защиты, автоматики и телеуправления. Под послеаварийным режимом следует понимать режим, возникающий после отключения упомянутых поврежденных элементов системы электроснабжения, т. е. после ликвидации аварийного режима. Он гораздо более длителен, чем аварийный режим, и продолжается до восстановления нормальных условий работы, т. е. нормального режима.
Систему электроснабжения в целом нужно строить таким образом, чтобы она при послеаварийном режиме обеспечивала функционирование основных цехов предприятия после необходимых переключений и пересоединений. При этом используются все дополнительные источники и возможности резервирования, в том числе и те, которые в нормальном режиме нерентабельны (различные перемычки, связи на вторичных напряжениях и др.). При послеаварийном режиме допустимо частичное ограничение подаваемой мощности, возможны кратковременные перерывы питания электроприемников 3-й и частично 2-й категорий на время вышеупомянутых переключений и пересоединений, а также позволены отступления от нормальных уровней отклонений и колебаний напряжения и частоты в пределах установленных допусков. Если же невозможно полное сохранение в работе всех основных производств в течение послеаварийного периода, то нужно обеспечить хотя бы сокращенную работу предприятия с ограничением мощности или в крайнем случае поддержание производства в состоянии горячего резерва с тем, чтобы после восстановления нормального электроснабжения предприятие могло быстро возобновить свою работу по заданной производственной программе. В период послеаварийного режима элементы сети могут быть перегружены в пределах, допускаемых нормативными документами.
Надежность электроснабжения предприятий, как правило, следует повышать при приближении к источникам питания (ТЭЦ, ГПП и т. д.) и по мере увеличения мощности соответствующих звеньев системы, так как аварий в мощных звеньях приводят к более тяжелым последствиям, чем в мелких, и охватывают большую зону предприятия. Требования, предъявляемые к электроснабжению предприятий, зависят также от потребляемой ими мощности.
Электроснабжение такого крупного объекта как обогатительная фабрика является очень важной и сложной частью, так как на обогатительной фабрике много высокомощных электроустановок. Моделирование режимов работы системы электроснабжения обогатительной фабрики является эффективным методом для определения энергопотребления в разных режимах работы. Моделирование позволяет испытать систему электроснабжения до реализации проекта, что позволяет детально рассмотреть, как будет себя вести система при разных нагрузках. Моделирование производят в основном в программной среде MatLab Simulink. Simulink – это графическая среда имитационного моделирования, позволяющая при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов, строить динамические модели, включая дискретные, непрерывные и гибридные, нелинейные и разрывные системы.
В последнее десятилетие, в связи с бурным развитием и внедрением информационных технологий, все более широкое применение находят методы расчета и моделирования режимов работы систем электроснабжения на ЭВМ. При этом важнейшим фактором, обеспечивающим эффективное решение и достоверность результатов при достижении поставленных инженерных задач, помимо производительности ЭВМ, является и применяемое при исследованиях программное обеспечение. Для имитационного моделирования электротехнических устройств и систем наиболее оптимально подходит прикладная программа Simulink и библиотека блоков SimPowerSystem из ядра пакета MatLab [10-12]. Выбор данного программного продукта обусловлен наличием современных методов визуально-ориентированного программирования, развитого математического аппарата, библиотеки моделей пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередач и т.п.
Система пакета MatLab позволяет пользователю осуществлять вывод информации в любой удобной для него форме: графики, диаграммы, таблицы и т.п. Кроме того, интерфейс MatLab допускает возможность получать и передавать информацию при связи с редактором электронных таблиц Microsoft Excel. Используя возможности Simulink и SimPowerSystem можно не только моделировать, но и анализировать работу различных устройств. Библиотека блоков SimPowerSystem охватывает достаточно широкий спектр энергетического, измерительного и вспомогательного оборудования. В то же время, если в стандартной библиотеке нет блока, моделирующего необходимое оборудование или алгоритм, то пользователь имеет возможность создать свой собственный блок. Реализовать возможности Simulink по созданию подсистем можно как с помощью уже имеющихся в базе блоков, так и на основе моделей основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напряжения. Бурное развитие MatLab получил в учебной и научной деятельности [13-17].
Проведем моделирование трехфазной системы электроснабжения реально существующей обогатительной фабрики №3 Мирнинского горно-обогатительного комбината Акционерной компании «АЛРОСА» (ПАО), где источником питания является каскад гидроэлектростанции на реке Вилюй, где установлено восемь генераторов типа СВ 1160/180-72 и восемь трансформаторов типа ТДЦ 125/220/13,8. Энергия, трансформируясь на напряжение 220 кВ, передается по линиям к потребителям. Двухцепная линия протяженностью 98 км идет на нагрузку «М», а трёхцепная линия длиною 358 км идет на подстанцию «А», далее тянется двухцепная линия длиною 76 км, которая питает подстанцию «У», где на низкой стороне 6 кВ и находится нагрузка «Ф». На средней стороне 110 кВ питается «г.У». Для этого мы использовали модели блоков SimPowerSystems и Simulink.
Ниже приводится описание основных блоков, используемых для создания реального электроснабжения объектов, по исследованию переходных процессов, как в простых электрических цепях, так и в сложных электроэнергетических устройствах, включая воздушные линии связи с распределенными параметрами, трансформаторы и электрические двигатели постоянного и переменного тока:
Рис. 1. Математическая модель системы внутреннего электроснабжения фабрики
1. Трехфазный программируемый источник напряжения;
2. Двухобмоточный трехфазный трансформатор;
3. Трехцепная линия;
4. Трехфазная нагрузка;
5. Трехфазный выключатель переменного тока;
6. Трехфазный короткозамыкатель;
7. Устройство короткозамыкателя;
8. Осциллографы.
Подробное описание блоков, построение моделей и проведение моделирования различных электромеханических и энергетических систем представлено в [18-37].
Перейдем к результатам моделирования.
Рис. 2. Диаграмма активной и реактивной мощностей при включении компенсации на ГПП.
Из данного графика видно, что при включении компенсатора реактивная мощность снижается более чем в 2 раза, тем самым увеличивается активная мощность более чем на 15%. В свою очередь полная мощность незначительно снижается, что не повлияет на общую работоспособность системы (рис. 3).
На графике тока короткого замыкания (рис. 4) видно, что при включении блока короткозамыкателя происходит бросок тока, в результате чего ударный ток достигает 30 кА, а ток короткого замыкания составляет 23 кА.
Рис. 3. Диаграмма полной мощности на ГПП при компенсации
Рис. 4. Диаграмма тока короткого замыкания на низкой стороне
В результате проделанного моделирования обогатительной фабрики можно получить сведения о величине электрических величин при различных режимах работы системы электроснабжения. Это позволит более точно производить выбор коммутационной и защитной аппаратуры, типов и систем электроприводов на предприятиях, типов проводников для воздушных и кабельных линий, устройств релейной защиты и автоматизации [38-40].