Frontier Materials & Technologies. 2014; : 40-47
РАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХ
Аннотация
Разработана модель и алгоритм расчета функционирования электроэнергетической системы любой конфигурации и сложности при геомагнитных бурях различной интенсивности и длительности. Расчеты реализованы в математической системе MATLAB в пакете Simulink. При создании модели электроэнергетической системы использованы как стандартные блоки Simulink и SimPowerSystems, так и блоки, разработанные авторами. Особенностями разработанной расчетной модели электроэнергетической системы являются: привязка объектов к географическим координатам местности; моделирование силовых трансформаторов на основе применения Т-образной схемы замещения с нелинейной взаимной индуктивностью ветви намагничивания, которая является функцией от величины геоиндуцированного тока; введение источника гармонических составляющих намагничивающих токов силовых трансформаторов; расчет действующих значений активной, реактивной, полной мощностей во всех элементах с учетом вклада гармонических составляющих тока и напряжения. Приведены результаты моделирования воздействия геомагнитной бури различной интенсивности с направлением вектора напряженности геоэлектрического поля запад-восток для электроэнергетической системы Самарского региона.
Список литературы
1. Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Critical National Infrastructures, 2008. URL: http://www.empcommission.org/docs/A2473-EMP_Commission-7MB.pdf (дата обращения: 29.01.2014)
2. Boteler, D.H. Assessment of geomagnetic hazard to power systems in Canada / D.H. Boteler // Natural Hazards 23. – 2001. - Volume 23, Issue 2-3 – p. 101 – 120.
3. Watermann, J. The magnetic environment – GIC and other ground effect / J. Watermann // Space weather. – 2007. - Volume 344. – p. 269 – 275.
4. Kappenman, J. Geomagnetic Storms and Their Impact on the U.S. Power Grid., 2010. URL: http://web.ornl.gov/sci/ees/etsd/pes/pubs/ferc_Meta-R-319.pdf (дата обращения: 29.01.2014)
5. Kappenman, J. A Perfect Storm of Planetary Proportions / J. Kappenman // IEEE Spectrum. – 2012. – Volume 49, Issue 2. – p. 26 – 31.
6. Pulkkinen, A. Geomagnetic Induction During Highly Disturbed Space Weather Conditions: Studies of Ground Effects. Academic Dissertation. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences., 2003 // http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/mat/fysik/vk/pulkkinen/geomagne.pdf (дата обращения: 29.01.2014)
7. Pirjola, R. Review on the calculation of surface electric and magnetic fields and of geomagnetically induced currents in ground-based technological systems. Surveys in geophysics. – 2002. – Volume 23, Issue 1, pp. 71-90. URL: http://www.ingentaconnect.com/content/klu/geop/2002/00000023/00000001/00394486 (дата обращения: 29.01.2014)
8. Girgis, R. Effects of GIC on power transformers and power systems / R. Girgis, K. Vedante, K. Gramm // Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D), 2012 IEEE PES. – 2012. - p. 1-8.
9. Barnes, P.R. Electromagnetic pulse research on electric power systems: Program Summary and recommendations. 1993 / P.R. Barnes, B.W. McConnell, J.W. Van Dyke // http://www.survivalring.org/classics/ElectromagneticPulseResearchOnElectricPowerSystems-ProgramSummaryAndRecommendations-ORNL6708.pdf (дата обращения: 29.01.2014)
10. Walling, R.A. Characteristics of transformer exciting – current during geomagnetic disturbances / R.A. Walling, A.N. Kahn // IEEE Transactions on Power Delivery. – 1991. - Volume 6, Issue 4. - p. 1707 – 1714.
11. Pirjola, R. Geomagnetically induced currents in the Finnish 400 kV power transmission system / R. Pirjola // Physics of the Earth and Planetary Interiors. – 1989. – Volume 53, Issue 3-4. – p. 214 – 220.
12. Абдурахманов, А.Я. Влияние геомагнитных индуктированных токов на работу силовых и измерительных трансформаторов / А.Я. Абдурахманов, Р.С. Ишан-Ходжаев, З.М. Мухаметшина // Вопросы регулирования напряжения в электропередачах сверхвысокого напряжения. – М., 1988. – С. 63 – 70.
13. Гершенгорн, А.И. Воздействия геомагнитных токов на электрооборудование энергосистем / А.И. Гершенгорн // Электрические станции. – 1993. – № 6. – С. 54 – 63.
14. Kappenman, J.G. Space weather and vulnerability of electric power grids / J.G. Kappenman // Effect of space weather on technology infrastructure, 2004. – p. 257 – 286.
15. Lonngren, K.E. Fundamentals of Electromagnetics with MATLAB / K.E. Lonngren, S.V. Savov. – Scitech. - 2005. – p. 574.
16. Дьяконов, В.П. MATLAB и Simulink в электроэнергетике: справочник / В.П. Дьяконов, А.А. Пеньков. – М. : Горячая линия – Телеком. - 2009. – 816 с.
17. SimPowerSystems™ User’s Guide (Second Generation). - 2013 // URL: http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf (дата обращения: 29.01.2014)
18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611506. Модель системы электроснабжения города / В.В. Вахнина, В.Д. Селемир, В.И. Карелин, В.А. Шаповалов, В.В. Горохов. – Заявка № 2008610550; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.03.2008.
19. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611832. Модель линии электропередач / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Кузнецов. – Заявка № 2012661752; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.
20. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611833. Модель ветви намагничивания силового трансформатора / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, Д.А. Кретов. – Заявка № 2012661751; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.
21. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615269. Модель силового трансформатора с учетом нелинейности ветви намагничивания/ В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов – Заявка № 2013613712; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 30.04.2013.
22. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660528. Модель двигательной нагрузки системы электроснабжения / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев. – Заявка № 2012616731; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.11.2012.
23. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611831. Модель высоковольтного выключателя / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Шаповалов. – Заявка № 2012661759; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.
24. Вахнина, В.В. Расчет геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук. – 2012. – Т.14. – № 6. – С. 244 – 246.
25. Вахнина, В.В. Снижение рисков развития аварий в системах электроснабжения при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, А.А. Кувшинов, В.А. Кузнецов // Гелиофизические исследования. – 2013. – Выпуск 5. – С. 115 – 123. – URL: http://vestnik.geospace.ru/index.php?id=191.pdf (дата обращения: 29.01.2014).
26. Chan, J.H. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation / J.H. Chan, A. Vladimirescu, X.-C. Gao, P. Liebmann, J. Valainis // IEER Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. – 1991. – Volume:10 , Issue: 4. – № 4. – p. 476 – 482.
27. Barnes, P.R. Mitigation of magnetohydrodynamic electromagnetic pulse (MHD-EMP) effects from commercial electric power systems. 1992 / P.R. Barnes, F.M. Tesche, E.F. Vance // URL: http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a249577.pdf (дата обращения: 29.01.2014).
28. Elovaara, J. Finnish experience with grid effect of gic's / J. Elovaara // Space Weather. Astrophysics and Space Science Library. - 2007. - Volume 344 – p. 311 – 326.
29. Pulkkinen, A. Large geomagnetically induced currents in the Finnish high-voltage power system / A. Pulkkinen, A. Viljanen, R. Pirjola // Finnish Meteorological Institute, Helsinki. - 2000. – p. 99.
30. McKay, A.J. Geoelectric Fields and Geomagnetically Induced Currents in the United Kington //University of Edinburgh. - 2003. – p. 260.
Frontier Materials & Technologies. 2014; : 40-47
DEVELOPMENT OF THE CALCULATION MODEL OF FUNCTIONING OF POWER ELECTRIC GRID DURING THE GEOMAGNETIC STORM
Abstract
The model and algorithm for calculation of functioning of an electric power grid of any configuration and complexity during geomagnetic storms of various intensity and duration was developed. The calculations were performed in MATLAB mathematical system and in Simulink package. Both standard blocks of Simulink and SimPowerSystems and blocks designed by the authors were used to develop the electric power grid model. Special features of the developed calculated model of the electric power grid are binding of objects to geographical coordinates of a territory; modeling the power transformers are designed on the basis of T-shaped equivalent circuit with a nonlinear mutual inductance magnetization branch which is a function of the value of geomagnetically induced current; by introduction of the source of harmonic components of magnetizing currents; calculation of RMS values of active, reactive and total power in all elements is done with regard to the impact of harmonic components of current and voltage. The results of modeling of the impact of a geomagnetic storm of various intensity with the west-east direction of the geoelectric field voltage vector for Samara region electric power grid.
References
1. Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Critical National Infrastructures, 2008. URL: http://www.empcommission.org/docs/A2473-EMP_Commission-7MB.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014)
2. Boteler, D.H. Assessment of geomagnetic hazard to power systems in Canada / D.H. Boteler // Natural Hazards 23. – 2001. - Volume 23, Issue 2-3 – p. 101 – 120.
3. Watermann, J. The magnetic environment – GIC and other ground effect / J. Watermann // Space weather. – 2007. - Volume 344. – p. 269 – 275.
4. Kappenman, J. Geomagnetic Storms and Their Impact on the U.S. Power Grid., 2010. URL: http://web.ornl.gov/sci/ees/etsd/pes/pubs/ferc_Meta-R-319.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014)
5. Kappenman, J. A Perfect Storm of Planetary Proportions / J. Kappenman // IEEE Spectrum. – 2012. – Volume 49, Issue 2. – p. 26 – 31.
6. Pulkkinen, A. Geomagnetic Induction During Highly Disturbed Space Weather Conditions: Studies of Ground Effects. Academic Dissertation. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences., 2003 // http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/mat/fysik/vk/pulkkinen/geomagne.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014)
7. Pirjola, R. Review on the calculation of surface electric and magnetic fields and of geomagnetically induced currents in ground-based technological systems. Surveys in geophysics. – 2002. – Volume 23, Issue 1, pp. 71-90. URL: http://www.ingentaconnect.com/content/klu/geop/2002/00000023/00000001/00394486 (data obrashcheniya: 29.01.2014)
8. Girgis, R. Effects of GIC on power transformers and power systems / R. Girgis, K. Vedante, K. Gramm // Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D), 2012 IEEE PES. – 2012. - p. 1-8.
9. Barnes, P.R. Electromagnetic pulse research on electric power systems: Program Summary and recommendations. 1993 / P.R. Barnes, B.W. McConnell, J.W. Van Dyke // http://www.survivalring.org/classics/ElectromagneticPulseResearchOnElectricPowerSystems-ProgramSummaryAndRecommendations-ORNL6708.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014)
10. Walling, R.A. Characteristics of transformer exciting – current during geomagnetic disturbances / R.A. Walling, A.N. Kahn // IEEE Transactions on Power Delivery. – 1991. - Volume 6, Issue 4. - p. 1707 – 1714.
11. Pirjola, R. Geomagnetically induced currents in the Finnish 400 kV power transmission system / R. Pirjola // Physics of the Earth and Planetary Interiors. – 1989. – Volume 53, Issue 3-4. – p. 214 – 220.
12. Abdurakhmanov, A.Ya. Vliyanie geomagnitnykh induktirovannykh tokov na rabotu silovykh i izmeritel'nykh transformatorov / A.Ya. Abdurakhmanov, R.S. Ishan-Khodzhaev, Z.M. Mukhametshina // Voprosy regulirovaniya napryazheniya v elektroperedachakh sverkhvysokogo napryazheniya. – M., 1988. – S. 63 – 70.
13. Gershengorn, A.I. Vozdeistviya geomagnitnykh tokov na elektrooborudovanie energosistem / A.I. Gershengorn // Elektricheskie stantsii. – 1993. – № 6. – S. 54 – 63.
14. Kappenman, J.G. Space weather and vulnerability of electric power grids / J.G. Kappenman // Effect of space weather on technology infrastructure, 2004. – p. 257 – 286.
15. Lonngren, K.E. Fundamentals of Electromagnetics with MATLAB / K.E. Lonngren, S.V. Savov. – Scitech. - 2005. – p. 574.
16. D'yakonov, V.P. MATLAB i Simulink v elektroenergetike: spravochnik / V.P. D'yakonov, A.A. Pen'kov. – M. : Goryachaya liniya – Telekom. - 2009. – 816 s.
17. SimPowerSystems™ User’s Guide (Second Generation). - 2013 // URL: http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014)
18. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2008611506. Model' sistemy elektrosnabzheniya goroda / V.V. Vakhnina, V.D. Selemir, V.I. Karelin, V.A. Shapovalov, V.V. Gorokhov. – Zayavka № 2008610550; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 25.03.2008.
19. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2013611832. Model' linii elektroperedach / V.V. Vakhnina, A.N. Chernenko, M.S. Makeev, V.A. Kuznetsov. – Zayavka № 2012661752; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 06.02.2013.
20. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2013611833. Model' vetvi namagnichivaniya silovogo transformatora / V.V. Vakhnina, A.N. Chernenko, M.S. Makeev, D.A. Kretov. – Zayavka № 2012661751; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 06.02.2013.
21. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2013615269. Model' silovogo transformatora s uchetom nelineinosti vetvi namagnichivaniya/ V.V. Vakhnina, A.N. Chernenko, D.A. Kretov, V.A. Kuznetsov – Zayavka № 2013613712; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 30.04.2013.
22. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2012660528. Model' dvigatel'noi nagruzki sistemy elektrosnabzheniya / V.V. Vakhnina, A.N. Chernenko, M.S. Makeev. – Zayavka № 2012616731; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 22.11.2012.
23. Svidetel'stvo o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2013611831. Model' vysokovol'tnogo vyklyuchatelya / V.V. Vakhnina, A.N. Chernenko, M.S. Makeev, V.A. Shapovalov. – Zayavka № 2012661759; zaregistrirovano v Reestre programm dlya EVM 06.02.2013.
24. Vakhnina, V.V. Raschet geoindutsirovannykh tokov v vysokovol'tnykh liniyakh elektroperedach sistem elektrosnabzheniya pri geomagnitnykh buryakh / V.V. Vakhnina, D.A. Kretov, V.A. Kuznetsov // Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra Rossiiskoi Akademii nauk. – 2012. – T.14. – № 6. – S. 244 – 246.
25. Vakhnina, V.V. Snizhenie riskov razvitiya avarii v sistemakh elektrosnabzheniya pri geomagnitnykh buryakh / V.V. Vakhnina, A.A. Kuvshinov, V.A. Kuznetsov // Geliofizicheskie issledovaniya. – 2013. – Vypusk 5. – S. 115 – 123. – URL: http://vestnik.geospace.ru/index.php?id=191.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014).
26. Chan, J.H. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation / J.H. Chan, A. Vladimirescu, X.-C. Gao, P. Liebmann, J. Valainis // IEER Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. – 1991. – Volume:10 , Issue: 4. – № 4. – p. 476 – 482.
27. Barnes, P.R. Mitigation of magnetohydrodynamic electromagnetic pulse (MHD-EMP) effects from commercial electric power systems. 1992 / P.R. Barnes, F.M. Tesche, E.F. Vance // URL: http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a249577.pdf (data obrashcheniya: 29.01.2014).
28. Elovaara, J. Finnish experience with grid effect of gic's / J. Elovaara // Space Weather. Astrophysics and Space Science Library. - 2007. - Volume 344 – p. 311 – 326.
29. Pulkkinen, A. Large geomagnetically induced currents in the Finnish high-voltage power system / A. Pulkkinen, A. Viljanen, R. Pirjola // Finnish Meteorological Institute, Helsinki. - 2000. – p. 99.
30. McKay, A.J. Geoelectric Fields and Geomagnetically Induced Currents in the United Kington //University of Edinburgh. - 2003. – p. 260.
