Wstęp do ćwiczeń komputerowych Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 1/10 Wstęp do ćwiczeń komputerowych Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Spis treści 1.Cel ćwiczenia...2 2.Wstęp...2 2.1.Obliczenia iteracyjne...2 3.Opis programu ESA...2 3.1.Panel - dane...3 3.1.1.Arkusz - węzły...3 3.1.2.Arkusz - gałęzie...3 3.1.3.Arkusz - transformatory trójuzwojeniowe...4 3.2.Panel - wyniki...5 3.2.1.Arkusz węzły...5 3.2.2. Arkusz gałęzie...5 3.2.3.Arkusz - transformatory trójuzwojeniowe...5 3.3.Panel - bilans...6 3.4.Opcje programu...6 3.4.1.Ustawienia...6 3.4.2.Opcje wyświetlania informacji i danych...7 4.Program i zakres ćwiczenia...10 4.1.Program ćwiczenia...10 4.2.Przebieg ćwiczenia...10 4.3.Wymagania dotyczące sprawozdania z ćwiczenia...10 5.Bibliografia...10

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 2/10 1.Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie programu komputerowego ESA [1]. Program ESA przeznaczony jest do obliczeń sieci elektroenergetycznych. Algorytm obliczeniowy programu pozwala na dokonywanie obliczeń rozpływowych, gdy dane są wszystkie moce odbierane i generowane, oraz na estymację stanu pracy sieci, gdy znane są inne wielkości aniżeli moce odbierane w węzłach sieci elektroenergetycznej. 2.Wstęp 2.1.Obliczenia iteracyjne Obliczenia w dużych sieciach elektroenergetycznych powodują liczne komplikacje [2] związane przede wszystkim z ilością informacji do przetworzenia oraz z powiązaniami pomiędzy tymi informacjami (w większości wielkościami elektrycznymi). Do szybkich i dokładnych obliczeń używa się programów komputerowych. Jednym z nich jest program ESA. Gdy znane są wszystkie moce węzłowe obliczenia prowadzone są w klasyczny sposób zgodnie z metodą Gaussa-Saidel'a. Metody obliczeniowe wyznaczania rozpływów mocy opisane są w [3] i [4] oraz w kolejnej część instrukcji do niniejszego ćwiczenia. 3.Opis programu ESA Okno główne programu składa się z trzech paneli: danych; wyników; bilansu mocy. Panele zawierające dane i wyniki dzielą się na trzy arkusze, każdy w formie tabeli. Przykładowy widok okna głównego programu pokazano na rys.1. rys.1. Główne okno programu ESA.

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 3/10 3.1.Panel - dane 3.1.1.Arkusz - węzły Pierwsza kolumna tabeli określa stan węzła. Węzeł może przybierać dwa stany: włączony lub wyłączony. Pozwala to na wyłączenie poszczególnych węzłów i nie uwzględnianie ich w obliczeniach. Węzeł jest wyłączony, jeśli w rubryce stan znajduje się wartość 0, oraz włączony, jeśli wartość ta wynosi 1. Określanie stanu węzła nie jest konieczne, gdyż każdy węzeł, dla którego stan nie jest podany domyślnie jest włączony. Wyłącznie węzła nie powoduje jednak, że jest on ignorowany, lecz tylko nie jest uwzględniany w obliczeniach. W dalszym ciągu sprawdzana jest poprawność danych dla tego węzła i gdy nie są one prawidłowe, program zgłasza błąd. Dany węzeł rozpatrywany jest przez program, jeśli w kolumnie zatytułowanej "", podana jest jego nazwa. W przeciwnym przypadku węzeł ten wraz ze wszystkimi jego danymi jest całkowicie ignorowany przez program. W kolejnych kolumnach podane są: typ węzła, oraz napięcie węzłowe. Wartości te nie są przyjmowane domyślnie i muszą być podane, w przeciwnym przepadku program zgłosi błąd. Typ węzła określany jest przez wartości liczbowe: 1 - PQ; 3 - PU; 4 - Uδ. Napięcie znajdujące się w kolejnej rubryce stanowi podstawę do wyznaczenia napięcia znamionowego węzła. Napięcie znamionowe węzła wyznaczane jest w oparciu o listę napięć znamionowych sieci, która jest zdefiniowana w programie i można ją edytować w ustawieniach parametrów głównych programu. Dodatkowo dla węzła typu PU, i Uδ podane napięcie przyjmowane jest jako napięcie zadane, jakie ma być utrzymywane w węźle. Wszystkie pozostałe wielkości znajdujące się w kolejnych rubrykach są przyjmowane domyślnie i mogą być pomijane. Są to: moc czynna i bierna węzłowa, minimalna i maksymalna moc bierna (dla węzła typu PU), oraz konduktancja i susceptancja włączona między węzeł i ziemię. Konduktancja i susceptancja węzła pozwala na zamodelowanie odbioru lub innego elementu w postaci admitancji włączonej między węzeł i ziemię [5]. 3.1.2.Arkusz - gałęzie Jako gałęzie traktowane są elementy sieci, które przedstawia się w postaci dwójników lub czwórników. Mogą to być linie napowietrzne lub kablowe, wyłączniki, transformatory dwuuzwojeniowe. Podobnie jak w przypadku arkusza zawierającego dane węzłowe, pierwsza kolumna tabeli określa stan gałęzi. Włączanie i wyłącznie gałęzi odbywa się w taki sam sposób jak to zostało opisane dla węzłów. W kolejnej kolumnie znajduje się nazwa gałęzi, która musi być podana. W przeciwnym wypadku gałąź zostanie zignorowana przez program.

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 4/10 W dalszej kolejności znajdują się pola, w których wpisuje się nazwę węzła początkowego i końcowego gałęzi. Pozycje te są obowiązkowe i nazwy węzłów muszą być podane. W przypadku, gdy węzeł o nazwie podanej jako nazwa węzła początkowego lub końcowego dla danej gałęzi, nie występuje w arkuszu zawierającym dane węzłowe, gałąź zostaje wyłączona i dalsze obliczenia prowadzone są, z pominięciem tej gałęzi. Gałąź ta w dalszym ciągu uwzględniana jest w wynikach obliczeń i sygnalizowane jest jej wyłączenie. Wszystkie pozostałe wielkości przyjmowane są domyślnie i ich podawanie nie jest konieczne. Modelowanie elementów: Wyłącznik - podaje się wyłącznie nazwę gałęzi oraz nazwę węzła początkowego i końcowego. Linia napowietrzna lub kablowa - należy podać dodatkowo rezystancję, reaktancję, konduktancję oraz susceptancję linii. Transformator - należy podać napięcie znamionowe transformatora po stronie węzła początkowego i końcowego. Jeśli podane są te napięcia gałąź traktowana jest jako transformator. Dodatkowo dla transformatora podaje się moc znamionową, napięcie zwarcia, straty mocy czynnej w uzwojeniach transformatora, prąd biegu jałowego, straty w żelazie oraz kąt przesunięcia fazowego między napięciem po stronie węzła początkowego i końcowego. Jeśli transformator posiada regulację przekładni należy podać dodatkowo liczbę zaczepów transformatora, oraz procentową zmianę przekładni przy zmianie o jeden zaczep. Gdy transformator wyposażony jest w regulację przekładni pod obciążeniem (regulacja płynna), jako liczbę zaczepów podaje się wartość 0, lub nie wprowadza się żadnej wartości. Wartość maksymalna i minimalna przekładni wyznaczona jest wtedy na podstawie przekładni znamionowej transformatora, oraz wartości znajdującej się w polu określającym procentową zmianę przekładni. 3.1.3.Arkusz - transformatory trójuzwojeniowe Włączenie i wyłączenie transformatora dokonywane jest analogicznie jak w przypadku węzłów i gałęzi. Również, gdy nazwa transformatora nie jest podana, jest on ignorowany w obliczeniach. Obowiązkowo dla transformatora trójuzwojeniowego należy podać: nazwę węzła po stronie górnego napięcia, nazwę węzła po stronie dolnego napięcia, nazwę węzła po stronie środkowego napięcia, oraz napięcia znamionowe transformatora po stronie napięcia górnego H, średniego T i dolnego L. Pozostałe parametry transformatora przyjmowane są domyślnie lub można je podać dla każdego z uzwojeń tak jak w przypadku transformatora dwuuzwojeniowego. W przypadku błędnych danych program wypisuje listę błędów oraz wskazuje błędy w odpowiednim polu arkusza. W czasie sprawdzania poprawności danych, elementy sieci zawierające błędne dane zostają wyłączone. Wyłączane są gałęzie oraz transformatory, dla których brakuje któregoś z węzłów lub nazwa węzła jest nieprawidłowa. Wyłączane są również wszystkie izolowane elementy sieci. Wszystko to sygnalizowane jest w arkuszach zawierających wyniki obliczeń.

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 5/10 3.2.Panel - wyniki 3.2.1.Arkusz węzły Jako wyniki dla węzłów podaje się: napowietrzna: w układzie trójkąta, płaskim, pionowym; stan określający połączenie węzła z siecią (zasilony lub izolowany), nazwę węzła, typ węzła, napięcie węzła w jednostkach względnych, napięcie węzła w jednostkach mianowanych, kąt przesunięcia fazowego napięcia względem węzła bilansującego, moce węzłowe (moc czynna, bierną i pozorną), moce wydzielone na admitancji włączonej miedzy węzeł i ziemię (moc czynna, bierna i pozorna). 3.2.2. Arkusz gałęzie Jako wyniki dla gałęzi podaje się: stan gałęzi (włączona lub wyłączona), nazwę gałęzi, nazwę węzła początkowego i końcowego, stan określający czy węzeł połączony jest z węzłem zasilającym, moduł prądu na początku gałęzi, moduł prądu na końcu gałęzi, moce na początku gałęzi (moc czynna, bierna i pozorna), moce na końcu gałęzi (moc czynna, bierna i pozorna), spadek napięcia na gałęzi, moce tracone w gałęzi (moc czynna, bierna i pozorna), przekładnię (dla transformatora), numer zaczepu (dla transformatora). 3.2.3.Arkusz - transformatory trójuzwojeniowe Jako wyniki dla transformatora trójuzwojeniowego podaje się: stan transformatora (włączony lub wyłączony), nazwę transformatora, nazwę węzłów górnego H, średniego T i dolnego L napięcia, stan określający połączenie transformatora do sieci (włączony lub wyłączony), prądy uzwojeń H, L i T, moc transformatora, moce uzwojeń H, L i T (moc czynna, bierna i pozorna), straty mocy w transformatorze (moc czynna, bierna i pozorna).

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 6/10 3.3.Panel - bilans Panel prezentuje sumę mocy odbieranych, generowanych i sumaryczne straty mocy. 3.4.Opcje programu 3.4.1.Ustawienia Możliwe jest definiowanie dodatkowych napięć znamionowych sieci, oraz wyboru "krotności" dla każdej wyświetlanej i wczytywanej wielkości z osobna. Krotności te wybiera się z przedziału 10 9 10 9 (rys.2). Obliczenia mogą być prowadzone z błędem ε z przedziału 1 0,1 1 10 15 błędem wyznaczanych poprawek napięć w jednostkach względnych., gdzie ε jest rys.2. Podstawowe opcje ustawień programu ESA Wyznaczenie (estymacja) stanu pracy sieci, gdy brak jest danych dotyczących mocy odbieranych, możliwe jest tylko dla fragmentów sieci pracujących w układzie otwartym. W celu wyznaczenia rozpływu mocy należy w takiej sytuacji dla węzła bilansującego podać, w arkuszu zawierającym węzły dodatkowe dane. Są to maksymalna moc czynna i bierna pobierana z GPZ, oraz rozpatrywany okres czasu. Dla pozostałych węzłów podaje się energie jak została pobrana w tym okresie czasu. Na podstawie tych danych wyznaczane zostają moce węzłowe, z uwzględnieniem czynnika losowego, oraz obliczony zostaje rozpływ mocy zgodnie z metodą wyznaczania rozpływu, gdy podane są wszystkie moce węzłowe. W czasie obliczeń dodatkowo określa się rozpływ energii oraz straty energii w sieci. Wyznaczenie rozpływu mocy możliwe jest także bez znajomości pobieranych energii, na podstawie mocy znamionowych transformatorów.

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 7/10 3.4.2.Opcje wyświetlania informacji i danych Tabela 1. Opcje wyświetlania danych dla węzłów określa czy węzeł jest włączony czy nie (jeśli nie, węzeł jest pomijany w obliczeniach) nazwa węzła Typ typ węzła (1, 3 lub 4) Napięcie węzła U/U n [V] Moc czynna węzłowa P[W] Moc bierna węzłowa Q[var] Maksymalna moc bierna węzłowa Qmin [var] Minimalna moc bierna węzłowa Qmax [var] susceptancja doziemna węzła Bo [S] konduktancja doziemna węzła Go[S] napięcia węzłowe zadana moc czynna węzła: generowana moc ze znakiem -, odbierana ze znakiem + zadana moc bierna węzła (generowana moc ze znakiem "-", odbierana ze znakiem "+") maksymalna moc bierna dla węzła typu PU minimalna moc bierna dla węzła typu PU Tabela 2. Opcje wyświetlania danych dla gałęzi węzła początkowego Węzeł P węzła końcowego Węzeł K Rezystancja gałęzi R [Ω] Reaktancja gałęzi X [Ω] Konduktancja zastępcza linii G [S] Susceptancja zastępcza linii B [S] Napięcie trafo po stronie węzła początkowego U np [V] Napięcie trafo po stronie węzła końcowego U nk [V] Straty mocy w uzwojeniach trafo. P cu [W] Napięcia zwarcia trafo. U k [%] Zadane napięcie regulacji U z [V] Prąd biegu jałowego trafo I 0 [%] Przesunięcie fazowe pomiędzy napięciami węzła p. i k. Delta [stopnie] Znamionowa moc trafo S [VA] Straty mocy magnesowania trafo P Fe [W] Liczba zaczepów trafo. L zaczepów Konduktancja doziemna pocz. gałęzi G p [S] Konduktancja doziemna konc. gałęzi G k [S] Susceptancja doziemna pocz. gałęzi B p [S] Susceptancja doziemna konc. gałęzi B k [S] określa czy gałąź jest włączona czy nie (czy jest brana pod uwagę w obliczeniach) nazwa gałęzi zadane napięcie transformatora kąt fazowy napięcia węzła końcowego względem początkowego

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 8/10 Tabela 3. Opcje wyświetlania danych dla transformatora trójuzwojeniowego Węzeł H Węzeł L Węzeł T UH [V] UL [V] UT [V] Delta HL [stopnie] Delta HT [stopnie] S n [VA] P Cu HL [W] P Cu HT [W] P Cu LT [W] U k HT [%] U k HL [%] U k LT [%] P Fe [W] I 0 [%] określa czy transformator jest włączony nazwa transformatora nazwa węzła górnego napięcia nazwa węzła dolnego napięcia nazwa węzła środkowego napięcia napięcie transformatora po stronie górnego napięcia napięcie transformatora po stronie dolnego napięcia napięcie transformatora po stronie środkowego napięcia kąt fazowy napięcia węzła L względem węzła H kąt fazowy napięcia węzła T względem węzła H znamionowa moc transformatora straty mocy uzwojenia pomiędzy górnym i dolnym napięciem straty mocy uzwojenia pomiędzy górnym i środkowym napięciem straty mocy uzwojenia pomiędzy dolnym i środkowym napięciem napięcie zwarcia pomiędzy uzwojeniami górnego i dolnego napięcia napięcie zwarcia pomiędzy uzwojeniami górnego i środkowego napięcia napięcie zwarcia pomiędzy uzwojeniami dolnego i środkowego napięcia straty mocy na magnesowanie rdzenia transformatora prąd biegu jałowego transformatora Tabela 4. Opcje wyświetlania wyników dla węzłów ; określa czy węzeł jest włączony nazwa węzła Typ typ węzła (1, 3 lub 4) Izolowany węzeł Zasil/Izol Napięcie węzła U [V] Napięcie względne węzła U pu Kąt fazowy węzła. Delta [stopnie] Moc węzła S [VA] Moc czynna węzłowa P [W] - Moc bierna węzłowa Q [var] - Moc elementu Y S Y [VA] Moc czynna elementu Y P Y [W] - Moc bierna elementu Y. Q Y [var] określa czy węzeł jest zasilony wyznaczony poziom napięcia węzła wyznaczone napięcie w jednostkach względnych przesunięcie fazowe napięcia węzłowego względem napięcia węzła bilansującego moc generowana/odbierana węzła moc czynna generowana/odbierana węzła moc bierna generowana/odbierana węzła moc pozorna na admitancji przyłączonej do węzła moc czynna generowana/odbierana admitancji przyłączonej do węzła moc bierna generowana/odbierana admitancji przyłączonej do węzła

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 9/10 Tabela 5. Opcje wyświetlania wyników dla gałęzi węzła początkowego Węzeł P węzła końcowego Węzeł K Izolowana gałąź Zasil/Izol Prąd początkowy gałęzi I p [A] Prąd końcowy gałęzi I k [A] Moc początkowa gałezi S p [VA] Moc końcowa gałezi S p [VA] Czynna moc początkowa gałezi P p [W] Bierna moc początkowa gałezi Q p [var] Czynna moc końcowa gałezi P p [W] Bierna moc końcowa gałezi Q p [var] Spadek npięcia U [V] Strata mocy ds [VA] Strata mocy czynnej dp [W] Strata mocy biernej dq [var] Numer zaczepu. Nr zaczepu Przekładnia transformatora T nazwa gałęzi określa czy gałąź jest zasilona czy nie wartość prądu w gałęzi przy węźle początkowym wartość prądu w gałęzi przy węźle końcowym wartość mocy w gałęzi przy węźle początkowym wartość mocy w gałęzi przy węźle końcowym wartość mocy czynnej w gałęzi przy węźle początkowym wartość mocy biernej w gałęzi przy węźle początkowym wartość mocy czynnej w gałęzi przy węźle końcowym wartość mocy biernej w gałęzi przy węźle końcowym wyznaczony spadek napięcia na gałęzi straty mocy w gałęzi straty mocy czynnej w gałęzi straty mocy biernej w gałęzi numer wyznaczonego zaczepu transformatora wyznaczona przekładnia transformatora w jednostkach względnych Tabela 6. Opcje wyświetlania wyników dla transformatora trójuzwojeniowego węzła H. Węzeł H węzła L. Węzeł L węzła T. Węzeł T Izolowany transformator Zasil/Izol Prąd uzwojenia H. IH [A] Prąd uzwojenia L. LH [A] Prąd uzwojenia T. IT [A] Moc uzwojenia H. SH [VA] Moc czynna uzwojenia H. PH [W] Moc bierna uzwojenia H. QH [var] Moc uzwojenia L. SL [VA] Moc czynna uzwojenia L. PL [W] Moc bierna uzwojenia L. QL [var] Moc uzwojenia T. ST [VA] Moc czynna uzwojenia T. PT [W] Moc bierna uzwojenia T. QT [var] nazwa transformatora nazwa węzła górnego napięcia nazwa węzła dolnego napięcia nazwa węzła środkowego napięcia określa czy transformator jest zasilony czy nie

Wstęp do ćwiczeń komputerowych - Metodologia obliczeń przy pomocy programu ESA Strona 10/10 Straty mocy ds [VA] Straty mocy czynnej dp [W] Straty mocy biernej dq [var] 4.Program i zakres ćwiczenia 4.1.Program ćwiczenia zapoznanie się z programem ESA; wybranie modelu sieci do obliczeń; zamodelowanie w programie zadanej przez prowadzącego sieci elektroenergetycznej; przeprowadzenie obliczeń. 4.2.Przebieg ćwiczenia Na wstępnie należy zapoznać się z opcjami i ustawieniami programu ESA. Następnie po dokonaniu wyboru, przez prowadzącego zajęcia, sieci do modelowania należy wpisać dane o sieci do programu komputerowego. Po obliczeniu rozpływu prądów w sieci należy skontrolować napięcia węzłowe, węzeł w którym jest najniższe napięcie, miejsce gdzie jest największy spadek napięcia, największe obciążenie i gałąź najbardziej obciążoną. 4.3.Wymagania dotyczące sprawozdania z ćwiczenia Sprawozdanie z ćwiczenia powinno być wstępem do sprawozdania z drugiej części ćwiczenia i należy je wykonać po wykonaniu wszystkich części tego ćwiczenia. W sprawozdaniu należy umieścić krótką charakterystykę programu ESA, a ponadto: rysunek zamodelowanej na zajęciach sieci elektroenergetycznej, przeprowadzane warianty jej analizy z wyszczególnieniem wprowadzanych danych (w tym przyjętych ustawień programu jak: liczba iteracji, dokładność itd.), wyniki obliczeń, wymagane charakterystyki, wnioski. 5.Bibliografia [1] Orzeł I., Ząbecki W.: "Modelowanie i estymacja stanu pracy elektroenergetycznych sieci rozdzielczych ŚN", Praca dyplomowa AGH, Kraków 2003 [2] Kulczycki J.: "Optymalizacja struktur sieci elektroenergetycznych. Wybrane zagadnienia.", AGH, Kraków 1990 [3] Kinsner K., Serwin A., Sobierajski M., Wilczyński A.: "Sieci elektroenergetyczne", Politechnika Wrocławska, Wrocław 1993 [4] Kremens Z., Sobierajski M.: "Analiza systemów elektroenergetycznych", WNT, Warszawa 1996 [5] Barzyński J.: "Obliczenia elektryczne", WNT, Warszawa 1998