В каждом доме, в каждой компании наступает момент, когда приходится звать мастера-электрика. Он приходит, бывалый, пожилой, с отвёрткой в кармане и по нагреву, по звуку, по внешнему виду безошибочно определяет место опасной поломки.
Если же серьёзно, электрические сети могут оказаться настолько сложными, что никакому «мастеру» не угадать. Найти неисправности, а также распределять электричество, управлять режимами работы электрических станций и подстанций помогает наука, в том числе программные разработки и математические модели, созданные студентами и преподавателями кафедры «Электрические станции, сети и системы электроснабжения» (ЭССиСЭ) Южно-Уральского государственного университета под руководством первого проректора-проректора по научной работе ЮУрГУ, профессора Антона Коржова. Об этом рассказывает доцент кафедры ЭССиСЭ Константин Горшков.
Электричество — это не только физика, но и математика
Каждый, кто связал свою профессиональную деятельность с электричеством, знает, что физика играет большую роль в электроэнергетике и как наука, и как предмет, изучаемый будущими электроэнергетиками – студентами. Поэтому большое внимание традиционно уделяется изучению физики процессов, происходящих в электроэнергетической системе.
Не менее важна и математика, ведь с её помощью создаются математические модели, решаются задачи, разрабатываются алгоритмы и программы. Это понимают и на кафедре ЭССиСЭ. Преподаватели кафедры не только сами занимаются разработкой прикладных программ и различных математических моделей, но и активно привлекают к этому студентов.
Управляемая сеть «заправок» электромобилей
Не так давно студенты и преподаватели кафедры ЭССиСЭ разработали модель сети электроснабжения для зарядных станций электромобилей.
Вдоль автомобильных дорог расположены «заправки», точнее зарядные станции для электромобилей – транспорта будущего. На каждой имеется несколько зарядных устройств, подключенных к внешней сети, а также солнечные панели. Станция способна работать в трёх режимах. Если заряжается несколько электромобилей, то она берёт энергию из сети, выступая потребителем. Если энергии от солнечной батареи достаточно для зарядки, она может работать в автономном режиме. Наконец, если энергии избыток, она начинает отдавать её в сеть другим потребителям, тем же заправкам, где наблюдается дефицит энергии.
Как использовать возможности такой сети по максимуму, организовав оптимальное управление ею? Мы знаем, что заправки в сети связаны между собой, а сеть заправок, в свою очередь, связана с внешней энергосистемой. Допустим, что в сети установлены автоматические коммутационные аппараты с дистанционным управлением. Обеспечить оптимальную работу сети, управляя коммутационными аппаратами – задача очень нетривиальная. Но такая задача была поставлена дипломнику, работавшему над магистерской диссертацией, и ему удалось собрать модель электросети в пакете LabView и с её помощью разработать и реализовать алгоритмы управления сетью. Задачу можно совершенствовать, и к тому времени, когда «заправки» для электромобилей войдут в нашу повседневность, можно будет применить её на реальной сети.
Цифровой двойник трансформатора
Ещё одна разработка кафедры – виртуальная модель силового трансформатора, точнее «цифровой двойник» реального, с помощью которой можно оценить текущее состояние и, например, составить прогноз срока его службы. Система непрерывно собирает данные от измерительных приборов, внешних по отношению к трансформатору: датчиков тока, напряжения, температуры, влажности, вибрации, анализирует их и пытается понять, что же происходит внутри устройства, в каких условиях работают его элементы.
Как определить температуру нагрева внутри электрического элемента? Часто оказывается, что экспериментально – никак: датчик внутри не поставишь, этому препятствует высокое напряжение. Приходится применять математику, моделировать и делать выводы из общей картины. С этим вопросом Константин Горшков сталкивается не первый раз, его кандидатская диссертация посвящена проблеме оценки тепловых режимов полупроводниковых преобразователей, где источниками нагрева были полупроводниковые ключи – тиристоры.
Старшекурсник, имеющий дело с физикой, вспомнит об уравнении теплопроводности. Чтобы получить точный результат, необходимо иметь дело с его аналитическим решением. Но и в этом случае многое зависит от точности и достоверности подставляемых коэффициентов – исходных данных. Конечно же, данные есть в справочниках, однако, насколько они точны применительно к конкретному рассматриваемому устройству? Тот же трансформатор в процессе эксплуатации стареет и изнашивается, а вместе с ним меняются и его электрические и тепловые параметры. В созданной модели тепловые параметры определяются с помощью кривых динамического теплового сопротивления, они могут быть получены в ходе простейших опытов. Математические методы позволяют получить из этих кривых параметры тепловой схемы замещения устройства, которые при классическом подходе хорошо не замерить.
Лаборатория энтузиастов
Коллектив преподавателей и студентов кафедры ЭССиСЭ объединились под названием «Лаборатория математического моделирования и разработки программных средств» для того, чтобы создавать программные продукты, позволяющие решать научные и прикладные задачи физики электричества.
Лаборатория «виртуальна» в том смысле, что не является структурным подразделением университета, зато у неё есть собственный сайт. Там программы можно скачать и попробовать в использовании, а если понравится – договориться с авторами о внедрении в производство.
Название проекту дала одна из первых разработок – программа «ToKo-KZ», созданная для расчета величин токов короткого замыкания в электрических сетях. Затем появилась программа «NetWorks», которой можно пользоваться как для расчета установившихся режимов распределительных электросетей, так и в учебных целях – студентам. Сейчас идёт работа над запуском её онлайн-версии.
Другой проект, инициатором которого выступил первый проректор-проректор по научной работе ЮУрГУ Антон Коржов, – комплекс для удаленного мониторинга «RigolVisaMonitor».
«Университет выиграл в 2022 году грант РНФ «Исследование перенапряжений, возникающих в распределительных кабельных сетях, разработка методов их прогнозирования и способов ограничения для повышения надежности работы электрических сетей» под руководством Антона Коржова. Одной из задач гранта является определение характеристик перенапряжений в кабельных линиях, формы импульсов, длительности, энергетической ёмкости. В связи с этим с «Челябинскими городскими электрическими сетями» была достигнута договоренность о мониторинге напряжений в городской кабельной сети 10 кВ с целью выявления перенапряжений и разработки рекомендаций по снижению их влияния, – рассказывает Константин Горшков. – Для выполнения исследований нам потребовалось собрать измерительный комплекс, состоящий из высоковольтных ёмкостных делителей напряжения, цифровых многоканальных осциллографов и ноутбука с выходом в Интернет. Он и должен мониторить напряжение в сети, фиксировать перенапряжения. А для этого потребовалось написать программу, управляющую осциллографами и выполняющую удаленный сбор данных, что нами и было сделано. Весной этого года измерительный комплекс был установлен на одном из распределительных пунктов городской кабельной электросети, и по сегодняшний день мы получаем с него и накапливаем данные о перенапряжениях, возникающих в сети при коммутациях и дуговых замыканиях. После накопления достаточного количества информации мы приступим к анализу и разработке мероприятий по повышению эксплуатационной надежности электросети».
Отметим, что это не единственный случай разработки участниками лаборатории собственных приложений для управления внешними устройствами. В их «копилке» уже есть программа для управления прецизионным измерителем, а также программа для работы с устройствами через последовательный коммуникационный порт (COM-порт).