Необходимость изучения сетей.
Системы постоянно развиваются в связи с ростом нагрузок, а следовательно, необходимостью изменений структуры. Поэтому следует периодически (или даже постоянно) исследовать сети для уточнения двух аспектов:
Определения потребностей в новом оборудовании, необходимом для обслуживания сети на уровне, отвечающем нуждам потребителей. Эти исследования относятся к долгосрочному планированию, которое связано с экономическими показателями.
При планировании точное определение параметров разрабатываемого объекта (изделия, устройства) вызывает необходимость выбора ограниченного числа решений; следует при этом рассчитать возможности новых транзитов (передачи) энергии в различных условиях, в том числе таких, когда опасность нарушения питания (отказа сети) достаточно вероятна.
Контроля эксплуатации существующего оборудования как в нормальном, так и в аварийном режимах; контроль обусловлен необходимостью предвидения будущих транзитов энергии в различных элементах сети для возможных ситуаций:
транзитов энергии в установившемся режиме — предмет непосредственных расчетов, называемых также расчетами распределения нагрузок, для которых можно принять необходимую аппроксимацию; эти расчеты в некоторых случаях одновременно являются и контролем схемы напряжения;
максимальных транзитов энергии, которую каждый элемент системы (сети) должен выдерживать (например, в случае короткого замыкания); расчет этих транзитов требует знания параметров системы, т. е. полных сопротивлений или проводимостей; тогда становится возможным заменить (для этого типа расчетов) часть системы (сети) одним или несколькими эквивалентными сопротивлениями;
переходных режимов и присущих им сверхтокам и перенапряжениям, появляющимся в аварийных режимах; сюда относятся расчеты динамической устойчивости, которые исследуют возможность выпадения из синхронизма генераторов, расчеты перенапряжений при переключениях в сетях.
Для радиальных сетей эти расчеты в общем случае довольно простые, однако при учете потерь мощности и падений напряжения они усложняются. Естественно, во втором случае стоимость расчета становится дороже.
Для разветвленных сетей сложность расчетов возрастает, если сеть содержит более пяти контуров; при этом появляется необходимость применения развитых математических методов и мощных вычислительных средств.
Развитие расчетных методов.
Расчеты, перечисленные выше, могут быть осуществлены вручную в тех случаях, когда сети очень просты и содержат, например, два или три контура.
Начиная с 1930 г. появилась потребность во вспомогательных средствах расчета. В то время ими были расчетные столы — модели сетей.
Для построения и использования упрощенных моделей условились, что активные сопротивления элементов сети малы по сравнению с их полными сопротивлениями. Полные сопротивления представлялись при этом активными сопротивлениями и модель получала питание от источника постоянного напряжения. Расчетные столы постоянного тока применяются еще и сейчас для приближенных расчетов.
Со временем сложность сетей возрастала и точность этих расчетных столов становилась недостаточной, а поэтому появились новые расчетные столы, в которых элементы сети представлены полными сопротивлениями.
Эти столы питались напряжением частотой от 50 до 500 Гц, что облегчало воспроизведение действительных и мнимых частей полных сопротивлений.
Расчетные столы переменного тока (называемые также «анализаторами сетей» от англ. «analiser») стали с 1946—1948 гг. заменяться цифровыми вычислительными машинами (ЦВМ).
Переход к расчету на ЦВМ потребовал некоторого периода «обкатки», поскольку необходимо было разработать различные методы, реализуемые с помощью совершенно новых средств. Прогресс в развитии ЦВМ расширил границы возможных исследований.
Различные модели применяются и сейчас в тех случаях, когда они могут конкурировать с численными методами, что служит последовательному усовершенствованию и тех, и других. Так, используются и в настоящее время анализаторы сетей:
физические (динамические) модели, имеющие в своем составе «уменьшенные» машины и модели трехфазных сетей, используемые для исследований динамических процессов и автоматического регулирования в электрических системах;
модели передачи постоянного тока — преобразовательные станции и связи на постоянном токе; они присоединяются главным образом к физическим моделям переменного тока, поскольку особенно важно изучение их параллельной работы;
анализаторы переходных процессов, предназначенные для исследования перенапряжений, вызываемых переключениями в сетях;
аналоговые и гибридные модели, способные воспроизводить системы дифференциальных уравнений и выдавать их решения в виде
кривых. Они используются для исследования переходных режимов сложных систем, куда сети входят в виде подсистем, отражающих воздействие механических и тепловых процессов (регулирование станций, включая котлы и т. д.).
Функционирование простых структур лучше всего понимается при изучении физических процессов. Поэтому полезно вспомнить некоторые вопросы из курса электротехники. При этом следует обратить внимание на свойственные энергетическим системам следующие особенности:
ветви, образующие контуры, являются четырехполюсниками; при аппроксимации их можно заменить простыми двухполюсниками (сопротивление которых равно продольному полному сопротивлению в П-образной схеме замещения). Однако при точных расчетах требуется принимать во внимание и поперечные сопротивления;
граничные условия заданы напряжениями и мощностями, обусловливающими нелинейные взаимозависимости параметров режима;
элементы систем — трехфазные; активные элементы (генераторы или двигатели) всегда включены таким образом, что можно исследовать схему, не содержащую электродвижущей силы, включенной последовательно с ветвями.
