Использование информационных технологий в электроэнергетике и электротехнике. Современные программные продукты.

В настоящее время развитие и эффективность бизнеса во всех отраслях напрямую зависит от использования информационных технологий. Энергетическая сфера не стала исключением.

Сегодня информационные технологии стали неотъемлемой частью большинства компаний. Их использование дает конкурентные преимущества, повышая эффективность и прозрачность бизнеса. В энергетической отрасли в связи с реорганизацией РАО «ЕЭС России» и появлением в регионах генерирующих, сетевых и сбытовых компаний вместе с изменением структуры энергокомплекса изменились и функционирующие ИТ-системы. Практически все компании после реструктуризации сталкиваются с ситуацией, когда от совокупности разнородных систем вошедших в нее структурных подразделений надо перейти в состояние единой информационной среды, основанной на системе планирования и ресурсного управления (ERP). С учетом того, что энергетические компании имеют, как правило, территориально распределенную структуру, возникают задачи оптимизации документооборота и контроля поручений. Ну и, конечно же, традиционной задачей для энергетического комплекса является автоматизация основной технологической деятельности.

Основными средствами решения подобных задач являются автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) и автоматизированная информационно-измерительная система коммерческого учета электроэнергии (АИИС КУЭ). На новых предприятиях эти системы закладываются еще на этапе проектирования. Кроме того, предприятия оборудуются современными системами связи и видеонаблюдения. Это позволяет видеть всю технологическую картину сети и управлять ею непосредственно из Центра управления сетями (ЦУС).

Комплексы, применяемые в процессе моделирования электроэнергетических объектов, можно условно разделить на три типа:

− специализированные математические комплексы для научных и инженерно-технических расчетов (Mathcad, MatLab, Maple, MuPAD, GNU Octave, Scilab, Maxima и др.);

− программы для инженерного моделирования электромагнитных, тепловых и механических полей методом конечных элементов (ANSYS, ELCUT, Femlab, FEMM, FlexPDE и др.);

− программы для моделирования процессов в электрических цепях и сетях (NI Multisim, Simulink, EMTP-RV, ATP-EMTP, MicroTran, RTDS Simulator, PSCAD-EMTDC и др.).

Наиболее известные пакеты прикладных программ, используемые в настоящее время при инженерных расчетах, – это Mathcad, Matlab, Derive, Maple V, Mathematica, VisSim известных зарубежных фирм и пакеты российских производителей СПО Динамика и CLASSIC (разработка СПГЭТУ).

При исследовании систем автоматического регулирования, вычислительных математических задач наиболее эффективно использование программной системы Matlab с обширными предметно-ориентированными библиотеками (toolbox) и инструментом визуального моделирования Simulink. Для визуального моделирования и моделирования совместно с реальной аппаратурой наиболее удобен VisSim. Для анализа и синтеза линейных систем управления наиболее удобен CLASSIC.

Аналитические преобразования позволяют выполнять многие пакеты программ, например Mathcad, Matlab, Mathematica, но наиболее мощным средством для автоматизации аналитических расчетов считается пакет Maple V. Более простым специализированным пакетом для аналитических преобразований является Derive.

В программу Mathcad встроен мощный символьный процессор, который позволяет во многих случаях получить решение задач в аналитическом (символьном) виде в результате выполнения символьных преобразований исходных соотношений.

Вычислительные возможности программы Mathcad основаны на наиболее известных и проверенных практикой численных методах. Пользователь при решении конкретной задачи может во многих случаях не интересоваться тем, какой численный метод реализован в той или иной функции программы Mathcad, если решение задачи получено и не вызывает сомнений.

Однако многообразие практических задач, их сложность могут привести к желанию или необходимости применения нетипичных, более эффективных для данного класса задач или новых численных методов. В ряде случаев оказывается необходимым прослеживать ход решения, что не всегда удается при использовании «замкнутых» функций программы Mathcad.

Библиотека встроенных в Mathcad функций постоянно расширяется, что обеспечивается возможностями программирования в Mathcad, добавлением новых функций в библиотеку, в том числе в виде модулей, написанных на известных языках программирования.

С методической точки зрения программу Mathcad можно эффективно использовать для знакомства с существом и особенностями различных численных методов и проведения численных экспериментов. Представления о численных методах необходимо иметь для понимания методов и средств решения различных инженерных задач на основе современных информационных технологий.

Для исследования электромагнитных и тепловых полей необходимо применение специализированных математических пакетов, основанных на методе конечных элементов. Очень широко в образовательных целях на кафедре используется отечественный конечноэлементный пакет Elcut, разработанный ООО ТОР (г. Санкт-Петербург).

Elcut позволяет решать следующие типы задач (определять следующие типы полей):

1. Магнитостатика (в этой задаче рассчитывается магнитное поле постоянных магнитов, а также проводников с постоянным током в среде с заданными магнитными свойствами);

2. Электростатика (в этой задаче рассчитывается электрическое поле зарядов, заданных значений потенциала в среде с заданными электрическими свойствами);

3. Растекание токов (в этой задаче рассчитывается распределение электрического потенциала и тока в системах проводников);

4. Магнитное поле переменных токов (расчёт электрического и магнитного поля, возбуждённого приложенными переменными синусоидальными токами или внешним магнитным переменным полем);

5. Температурное поле (расчёт температурного поля в среде с заданной теплопроводностью и граничными условиями первого-четвёртого рода в статике;

6. Нестационарная теплопередача (расчёт динамики тепловых процессов);

7. Задачи теории упругости.

Программа Elcut позволяет также производить связанные расчёты, т.е.

вычисленные параметры в одной задаче передать в другую задачу в качестве исходных данных.

Расчёты производятся в двумерной плоской или осесимметричной постановке задач. В плоской постановке задачи геометрическая модель представляет собой сечение бесконечно протяжённой в плоскость чертежа системы, в осесимметричной – половину осевого сечения тела вращения. При этом ось симметрии располагается на линии с координатами r = 0.

При использовании Elcut производится работа с разными типами документов: задачи, геометрические модели, библиотеки свойств материалов и др. Каждый документ открывается в своем окне внутри главного окна Elcut.

Одновременно можно открыть любое количество любых окон. Переходя из окна в окно, производим переключение с одного документа на другой. Только одно окно в каждый момент времени является активным. Можно изменять содержание активного документа, используя позиции меню, расположенного в меню главного окна Elcut. Содержание меню различно для документов различных типов.

Последовательность выполнения расчётов в общем виде выглядит следующим образом:

1. создание файлов задачи, свойств и геометрии с помощью мастера;

2. создание модели;

3. создание меток блоков, рёбер и вершин геометрической модели;

4. построение конечно-элементной сетки;

5. решение задачи и анализ результатов решения.

Результаты расчета представляются в достаточно понятной и полной форме для определенного типа задач. На рис. 1 представлен результат одного из расчета электромагнитного поля в индукционной тигельной печи с проводящим тиглем.

Очень важной задачей на сегодняшний день является проблема расчета поля скоростей в расплавах металла в области действия электромагнитных полей. Такие расчеты позволяет проводить более совершенный пакет COMSOL Multiphysics Femlab. Программа COMSOL Multiphysics Femlab основана на системе дифференциальных уравнений в частных производных. Существует три математических способа задания таких систем:

Рис. 1. Картина поля в пакете Elcut

• Коэффициентная форма, предназначенная для линейных и близких к линейным моделей.

• Генеральная форма, для нелинейных моделей.

• Слабая форма (Weak form), для моделей с PDE (partial differential equation – дифференциальное уравнение в частных производных) на границах, ребрах или для моделей, использующих условия со смешанными и производными по времени.

• Используя эти способы, можно изменять типы анализа, включая:

• Стационарный и переходный анализ.

• Линейный и нелинейный анализ.

• Модальный анализ и анализ собственных частот.

Для решения PDE, COMSOL Multiphysics использует метод конечных элементов (FEM). Программное обеспечение запускает конечноэлементный анализ вместе с сеткой, учитывающей геометрическую конфигурацию тел, и контролем ошибок с использованием разнообразных численных решателей. Так как многие физические законы выражаются в форме PDE, становится возможным моделировать широкий спектр научных и инженерных явлений из многих областей физики, таких как: акустика, химические реакции, диффузия, электромагнетизм, гидродинамика, фильтрование, тепломассоперенос, оптика, квантовая механика, полупроводниковые устройства, сопромат и многих других.

Кроме выше перечисленного программа позволяет с помощью переменных связи соединять модели в разных геометриях и связывать между собой модели разных размерностей.

Для создания и расчета задачи рекомендуется следующая последовательность действий.

1. Выбираем размерность модели, определяем физический раздел в Навигаторе моделей (каждому разделу соответствует определенное дифференциальное уравнение) и определяем стационарный или нестационарный анализ температурного поля.

2. Определяем рабочую область и задаем геометрию.

3. Задаём исходные данные, зависимости переменных от координат и времени.

4. Указываем теплофизические свойства и начальные условия.

5. Указываем граничные условия.

6. Задаём параметры и строим сетку.

7. Определяем параметры решающего устройства и запускаем расчет.

8. Настраиваем режим отображения.

9. Получаем результаты

На рис. 2 представлены результаты расчетов в пакете Femlab той же задачи, которая была решена в пакете Elcut. Как видно, результаты расчета магнитного поля практически совпадают, но при использовании второго пакета открывается возможность исследовать и рационально формировать поле скоростей в загрузке плавильной печи. Следует также отметить широкие возможности пакетов по визуализации результатов исследования, что облегчает понимание студентами сложных физических процессов, происходящих в современных электротехнологических установках.

ANSYS – один из первых пакетов конечно-элементного анализа. Пакет ANSYS обладает наибольшим числом достоинств. Это единственный пакет среди перечисленных, позволяющий моделировать переход материала из твердого состояния в жидкое и наоборот (фазовый переход). Однако сложность интерфейса программы, большое число параметров ее настройки и почти полное отсутствие учебников по программе на русском языке затрудняют ее использование. Основные отличия пакетов представлены в табл. 1.

Рис. 2. Результаты расчета в пакете Femlab. а - электромагнитный расчет, б - расчет поля скоростей

Ниже внимание будет уделено программным комплексам, предназначенным для моделирования процессов в электрических сетях, таким как PSCAD-EMTDC, EMTP-RV и ATPDesigner.

При исследовании работы существующих электрических сетей, а также проектировании новых возникает ряд задач, связанных с проведением расчетов процессов и режимов эксплуатации как отдельных компонентов сети, так и энергетической системы в целом. Наиболее традиционными являются следующие задачи:

− анализ режимов короткого замыкания в сети;

− расчет потоков энергии и нагрузок;

− анализ устойчивости;

− анализ электромагнитных переходных процессов.

Наиболее сложным и в то же время наиболее общим является вопрос расчета переходных процессов в электроэнергетической системе вообще и в отдельных электрических сетях и их компонентах в частности. При анализе эксплуатационных или аварийных режимов сети необходимо учитывать различного рода коммутации, возмущения и временные возмущения параметров электрооборудования и связанные с этим изменения токов и напряжений, в общем случае носящие нелинейный характер. При моделировании разветвленных электрических цепей практически единственным методом расчета является компьютерный, с использованием вычислительной техники.

Проведение этих расчетов удобно осуществлять с помощью программ, снабженных графическим интерфейсом и поставляемых в комплекте с библиотеками стандартных компонентов электрических сетей. В настоящее время во всем мире широко используется исследователями-электроэнергетиками программа расчета электромагнитных переходных процессов EMTP (ElectroMagnetic Transient Program) и ее некоммерческая версия ATP (Alternative Transient Program). Существует ряд других достаточно популярных программ, например PSCAD и ATPDesigner (является графическим приложением программы ATP).

Программа ATP активно используется в процессе подготовки специалистов во многих университетах мира, однако сами студенты не могут стать авторизированными пользователями программы. Каждый студент получает от преподавателя, являющегося лицензированным пользователем ATP, временную лицензию.

В свою очередь, такие программы, как EMTP-RV и PSCAD, имеют достаточно высокую стоимость, поэтому данные комплексы используются для моделирования на больших промышленных предприятиях.

Все данные программные комплексы схожи в том, что преследуют одинаковую цель – моделирование и анализ процессов в электрической сети, но, с другой стороны, имеют ряд принципиальных различий.

Каждая из перечисленных программ является удобным и достаточно мощным инструментом для анализа явлений в электрических сетях любой степени сложности.