Бытие определяет сознание: Иркутская энергосистема интересна не только уникальным набором генерирующих мощностей, в котором доминируют гидроэлектростанции, но и алюминиевыми заводами в качестве основных потребителей электричества. По данным действующей схемы и программы развития электроэнергетики региона, из тех 52,82 млрд кВт-ч, которые ушли на нужды населения и юридических лиц в 2014 году, почти 23,87 млрд кВт-ч, то есть 45,2%, израсходовали предприятия цветной металлургии – Иркутский и Братский (крупнейший в мире) алюминиевые заводы. Это вынуждает местных учёных постоянно искать пути увеличения качества электроэнергии. «Специфика работы алюминиевых заводов заключается в том, что они являются нелинейной нагрузкой», – констатирует доцент кафедры электрических станций, сетей и систем Иркутского национального исследовательского технического университета Денис Федосов. 

Чтобы разъяснить значение этой фразы, начнём с азов физики. Каждый, несомненно, помнит определение из школьного курса: «Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц». Переменный ток, на котором работают и бытовые приборы, и – в большинстве случаев – промышленное оборудование, с течением времени меняет величину и направление. Заряженные электроны, двигаясь в проводнике то в одну, то в другую сторону, создают колебания тока, происходящие с определённой частотой. 

В России, как и в большинстве стран мира, частота составляет 50 Гц – смена направления тока от одного к другому происходит 50 раз в секунду. При этом сохраняется неизменным закон изменения тока во времени. Если изобразить колебания тока в виде графика – получим синусоиду.  

«Если на обычную линейную нагрузку подать синусоидальное напряжение, получится такой же синусо­идальный ток, и форма кривой напряжения не исказится, – продолжает собеседник «Сибирского энергетика». – В случае с нелинейной нагрузкой даже при подаче идеального напряжения форма кривой тока, который она потребляет, станет несинусоидальной, а в сети появятся искажения напряжения». Возникающие при этом частоты выше 50 Гц называются гармониками. Появление в сети высших гармоник может, к примеру, вызвать необоснованное срабатывание релейной защиты, дополнительные потери в трансформаторах, перегрев проводников, износ изоляции или выход из строя оборудования у потребителей. Эти проблемы обычно возникают в тех случаях, когда доля нелинейных нагрузок превышает четверть потребляемой в сети мощности.

«Лабораторная» работа

Над снижением степени воздействия таких искажений на работу энергосистемы в Иркутской области работают не первый год и даже не первое десятилетие. В ход идут специальное оборудование – фильтры высших гармоник – и особые схемы включения нелинейной нагрузки. Риск значительного ухудшения качества электроэнергии они снижают, но не исключают пол­-

н­остью. Так что студент, а ныне выпускник Института энергетики ИрНИТУ Илья Тарасов и его дипломный руководитель, которым был Денис Федосов, подошли к решению проблемы с иной стороны. «При ведении режима сети подробно просчитываются отдельные режимы на основной частоте, исходя из которых определяют балансы мощностей генерации, нагрузки и тому подобное, – говорит последний. – А режим на высших гармониках фактически никак не оценивается, для этого нет программных средств. Мы сделали попытку создать программный продукт, который позволил бы выполнять экспресс-оценку возможных перенапряжений при переключениях в сети, своего рода советчик диспетчера». 

В основу этой работы легла высшая математика – матричные уравнения. «Сначала продумали математическую модель: каким образом и с какой степенью детализации будем представлять элементы электрической сети, – рассказывает Федосов. – Следующим этапом было освоение языка программирования». Выбор пал на MATLAB – идеальное средство для работы с большими массивами данных и системами матричных уравнений, название которого (Matrix Laboratory, то есть «Матричная лаборатория») говорит само за себя. Необходимые для совершенствования работы программы скрипты и функции обнаружились на форумах разработчиков – благо, те не стесняются делиться профессиональными секретами. С учётом графического интерфейса программный код потянул на 600–700 строк. Затраченные усилия того стоили: когда конечный продукт испытали на модели Иркутской энергосистемы в той же среде MATLAB, он доказал свою полную работоспособность: когда были выполнены переключения, необходимые по условиям задачи, программа показала те узлы, в которых высшие гармоники превышают нормативные значения. В реальной жизни диспетчер, увидев результаты расчёта, мог бы принять решение о том, как избежать воздействия гармоник на потребителей, скорректировав схему работы сети, например, за счёт включения или отключения той или иной линии электропередачи, батареи конденсаторов и т.д. 

Версия 2.0

Разработка принесла Тарасову второе место во Всероссийском конкурсе квалификационных работ бакалавров по электроэнергетике, итоги которого подвели в октябре. Более того, её значимость и актуальность отметили в ПАО «Россети». Но для того, чтобы готовое решение начали использовать те, кто следит за режимом работы энергосистем, необходимо предпринять ещё несколько шагов. «Во-первых, остался нерешённым вопрос о регистрации программы для ЭВМ, чем я в ближайшее время планирую заняться – подчёркивает доцент кафедры электрических станций, сетей и систем. – Во-вторых, её надо привести в более совершенный вид, чтобы это был самостоятельный продукт, который можно использовать на любой рабочей станции без привязки к MATLAB. Будем работать над удобством представления результатов». 

Когда речь идёт о программном обеспечении, простор для улучшений есть всегда. Наиболее очевидная идея – более дружелюбный, как говорят разработчики, интерфейс для пользователя: пока данные для анализа приходится загружать в виде отдельной таблицы Excel, проще было бы сделать это штатными средствами программы, оставив возможность импорта из Excel. Не лишним выглядит и создание базы данных электрооборудования со всеми параметрами, чтобы можно было использовать готовые модели. Кто возьмётся за разработку «исправленной и дополненной» версии программы – вопрос открытый. Сам Илья Тарасов, известный читателям «Сибирского энергетика» ещё и в качестве капитана команды-победителя регионального этапа Международного инженерного чемпионата «Case-in» в марте 2016 года (другие достижения – вроде участия в профильных олимпиадах – остались вне поля зрения газеты), в настоящее время учится в магистратуре Сколковского института науки и технологий. «В этом году, к сожалению, нет студентов, которые занимались бы исследованиями качества электроэнергии под моим руководством, – заключает Федосов. – Но, думаю, эту разработку мы начнём доводить либо с кем-то из магистрантов, либо в следующем году с одним из старшекурсников».