Применение IT-технологий в электроэнергетике: Mathcad, Matlab (Simulink), NI Multisim

Применение IT-технологий в электроэнергетике…

1

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерно-технологическая академия

Д. В. БУРЬКОВ

Н. К. ПОЛУЯНОВИЧ

ПРИМЕНЕНИЕ IT-ТЕХНОЛОГИЙ В 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ: 

MATHCAD, MATLAB (SIMULINK), NI MULTISIM

Учебное пособие

Ростов-на-Дону – Таганрог

Издательство Южного федерального университета

2018

 

 

УДК 681.3(075)
ББК 004.4(075.8)

Б918

Печатается по решению кафедры электротехники и мехатроники 

Института радиотехнических систем и управления Южного 

федерального университета (протокол № 7 от 14 февраля 2018 г.)

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент каф. механики 

Южного федерального университета Р. Г. Шаповалов

кандидат физико-математических наук, доцент каф. математики 
Таганрогского института им. А. П. Чехова (филиал Ростовского 

государственного экономического университета (РИНХ)) А. А. Редин

Бурьков, Д. В. 

Б918
Применение IT-технологий в электроэнергетике: Mathcad, Matlab

(Simulink), NI Multisim : учебное пособие / Д. В. Бурьков, Н. К. Полуянович ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ;
Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2018.
– 126 с. 

ISBN 978-5-9275-3086-1
В пособии приведены эффективные приемы работы с распространен
ными программными средствами компьютерной математики. Данное учебное пособие предназначено для студентов и учащихся, изучающих информационные технологии в рамках направления 13.03.02 «Электроэнергетика 
и электротехника».

УДК 681.3(075)

ББК 004.4(075.8)

ISBN 978-5-9275-3086-1

© Южный федеральный университет, 2018
© Бурьков Д. В., Полуянович Н. К., 2018
© Оформление. Макет. Издательство 

Южного федерального университета, 2018

 

 

Направления и задачи использования средств ЭВМ энергетическими службами…

3

ВВЕДЕНИЕ

Энергетика представляет собой сферу деятельности человека и об
щества, которая включает в себя как подсистему окружающей среды, так и 
отрасли народного хозяйства. 

Электротехника в свою очередь является наукой об использовании 

электричества и магнетизма в человеческой деятельности, и одновременно 
она занимается вопросами, связанными с производством, передачей, распределением и использованием электрической энергии.

Центральным объектом внимания электротехники является ток и его 

характеристики. Помимо этого электротехника рассматривает электромагнитные поля, их свойства и практическое применение в электромеханических системах и в энергетических устройствах.

Электрическая энергия получается с помощью гальванических 

батарей и аккумуляторов, солнечных батарей, электромашинных генераторов, путем преобразования химической, лучевой, тепловой, механической, 
ядерной энергии.

Широкое использование электрической энергии объясняется:

1. Возможностью получать ее из многих других видов энергии.
2. Передачей ее на большие расстояния и практически мгновенно (со 

скоростью света) с малыми потерями.

3. Легкостью распределения по многочисленным потребителям.
4. Возможностью преобразования в нужный вид энергии (механи
ческую, тепловую, световую, химическую и пр.), т. е. использовать на 
практике.

В современные системы электроснабжения входят такие элементы,

как мощные трехфазные генераторы, построенные на основе синхронных 
электрических машин, воздушные и кабельные линии передачи электроэнергии, повышающие и понижающие трансформаторные подстанции, 
распределительные устройства.

Обширный ассортимент разработанных и используемых в системе 

электроснабжения низковольтных и высоковольтных электрических аппаратов позволяет решать задачи коммутации электрических сетей, защиты 
их от влияния токовых перегрузок при возникновении аварийных ситуаций, осуществлять непрерывный мониторинг режимов работы [1].

 

НАПРАВЛЕНИЯ И ЗАДАЧИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СРЕДСТВ 

ЭВМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ СЛУЖБАМИ 

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

В настоящее время системы электроснабжения СЭС представляют 

собой сложный механизм. Длительность производственных процессов 
меняется в большом диапазоне от наносекунд при волновых переходных 
процессах до нескольких часов при постепенном изменении нагрузки.

Для управления подобной системой оптимальным является исполь
зование средств ЭВМ. Различают четыре уровня применения средств ЭВМ:

1. диагностика и контроль технологических параметров осуществля
ется с помощью специализированных датчиков, которые поставляются 
комплектно со средствами защиты и учёта (к основным параметрам относятся ток, напряжение, частота, активная мощность);

2. автоматизированные системы управления технологическими про
цессами АСУТП;

3. система автоматизированного проектирования САПР;
4. автоматизированная система обработки информации АСОИ.

Отличие 4-го уровня в том, что воздействие направлено не на техно
логический процесс, а на информационные потоки, т.е. на систему учёта и 
документооборота.

Для всех видов использования ЭВМ (кроме 1-го) необходимо исполь
зование персональных ЭВМ и, как следствие программного, обеспечения.

Различают следующие направления использования средств вычис
лительной техники:

1. Использование многовариантного проектирования представляет 

собой проектирование на основе сравнения различных вариантов с выбором оптимального по какому-либо критерию. 

Критерием как правило является минимум приведённых затрат:

З=Ен·К+И+У,

где З – приведённые затраты, представляют собой затраты по данному варианту, приведённые к единице времени; Ен  нормативный коэффициент 
эффективности капиталовложений; Ен=1/Ток – срок окупаемости (размер
 

Направления и задачи использования средств ЭВМ энергетическими службами…

5

ность времени); К – капиталовложения определяются в основном стоимостью электрооборудования; И – эксплуатационный издержки, включают в 
себя стоимость потерь электроэнергии и амортизационные отчисления;  
У – математическое ожидание ущерба, вызванного недоотпуском электроэнергии из-за отказов и аварий.

2. Совершенствование проектирования на основе принципиально 

новых математических моделей и алгоритмов. Можно выделить 2 момента:

а) использование ЭВМ позволяет просмотреть значительно больше 

объёмов информации; 

б) возможность построения модели системы более строго (с боль
шей точностью).

3. Использование ЭВМ позволяет совершенствовать проектную до
кументацию на основе единых алгоритмов.

4. Создание единых баз данных, которые позволяют для конкретнго 

оборудования определять его параметры.

5. Подготовка и переподготовка специалистов представляет собой 

дистанционное обучение, в ходе которого существует возможность получения второго образования.

Использование ЭВМ позволяет уменьшить трудоёмкость при проек
тировании и эксплуатации систем электроснабжения, а также качественно 
улучшить эти процессы.

Применение ЭВМ основано на средствах промышленных подраз
делений и проектных организаций совместно с различными средствами 
автоматизации. Эти средства можно квалифицировать по следующим 
направлениям:

1. Методическое: входят нормативные документы и должностные 

инструкции отражающие необходимый состав средства ЭВМ и порядок их 
использования.

2. Математическое: алгоритмы и модели, позволяющие создавать 

образ электрохозяйства промышленного предприятия.

3. Лингвистическое: языки программирования и тексты программ, а 

также используемые понятия и термины.

4. Техническое: все аппаратные средства автоматизации. Набор техни
ческих средств определяется квалификацией персонала и решаемой задачей.

5. Программное: всё используемое программное обеспечение [2].

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРИКЛАДНЫХ ПРОГРАММ

Для формирования представления классификационной картины 

программного обеспечения рассмотрим несколько основных понятий и 
определений:

Программное обеспечение (ПО) – программа или совокупность про
грамм и данных, предназначенных для управления потоками данных, обработки данных, обеспечения взаимодействия пользователя и вычислительной техники. 

Программа – последовательный набор формализованных инструк
ций, задающий порядок действий по заранее обусловленному алгоритму 
поиска решения какой-либо задачи и имеющая целью вывод решений или 
управляющих воздействий соответствующими механизмами вычислительной машины.

Системное программное обеспечение – комплекс программ, кото
рые обеспечивают управление компонентами и ресурсами компьютерной 
вычислительной системы, решают задачи общего управления и поддержания работоспособности системы в целом. В задачи системного ПО также 
входит обеспечение работы других программ, предоставление им сервисных функций.

Инструментальное программное обеспечение преимущественно 

представлено в качестве средств разработки прикладного и системного 
программного обеспечения. Также может быть предназначено для проектирования или же сопровождения уже готовых приложений. 

Прикладное программное обеспечение – программа или совокуп
ность программ и данных, предназначенных для выполнения определённых задач в различных сферах деятельности человека и рассчитанная на 
непосредственное взаимодействие с пользователем.

Прикладное программное обеспечение в общем случае может состо
ять из следующих модулей:

 отдельных программ, носящих прикладной характер;
 комплексов прикладных программ, именуемых пакетами или ППП 

(пакеты прикладных программ);

 

Классификация прикладных программ

7

 автоматизированных систем обработки данных, представляющих 

собой комплексы ППП.

Пакет прикладных программ (ППП) представляет собой набор вза
имосвязанных отдельных программ, предназначенных для решения проблем конкретного класса из специализированной области человеческой деятельности. Особенности ППП, рассмотренные ниже, имеют ключевое значение при анализе релевантности такого программного обеспечения:

 сосредоточиться на решении класса задач, в том числе конкретных, 

из узкой предметной области;

 специализированные инструменты языка, входящие в состав ППП, 

обеспечивают удобный пользовательский интерфейс с пакетом, позволяют 
расширить количество задач, которые необходимо решить, и установить 
межпрограммную интеграцию для передачи данных; 

 инструменты языка ППП можно применять для приведения исход
ной проблемы к формальному виду, описания пути решения и изначально 
известных данных, а также предоставления доступа к внешним источникам 
данных.

Среди разнообразия ППП важную роль занимают системы CAE 

(Computer Aided Engineering) – для решения различных инженерных задач: 
расчеты, анализ и моделирование физических процессов в различных видах человеческой деятельности. 

Этот подкласс ППП относится к системам автоматизированного 

проектирования, без которых сегодня серьезное конструирование уже не 
может обойтись. А составной (и немалой) частью мира CAE-систем являются математические моделирующие и пакеты такие, как MathCad, Multisim, Simulink и MatLab. 

Понятно, что спектр задач, решаемых такими системами, очень ши
рок. Остановимся на наиболее распространенных и в то же время основных 
областях работы этих программных пакетов, имеющих отношение к системам энергоснабжения:

 проведение математических исследований;
 разработка и анализ алгоритмов поведения моделей систем и под
систем;

Применение IT-технологий в электроэнергетике…

8

 математическое моделирование и компьютерный эксперимент;
 анализ и обработка экспериментальных данных;
 имитационное моделирование.
Так как системы ППП математического и имитационного моделиро
вания содержат операторы базовых вычислений, возможна реализация программы вычислений почти любой сложности [3].

 

ИЭС ААС (интеллектуальная электроэнергетическая система…)

9

ИЭС ААС (ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНАЯ 

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА С                 

АКТИВНО-АДАПТИВНОЙ СЕТЬЮ)

Одними из главных проблем электроэнергетики являются дефицит 

или переизбыток мощности, перебои в поставке электричества из-за устаревших технологий и изношенной инфраструктуры, пробелы в регулировании и управлении системой энергоснабжения. К тому же массированное 
внедрение ВИЭ (возобновляемых источников электроэнергии) ведет к увеличению нерегулярной выработки в энергобалансе, децентрализации генерации ЭЭ. Добавим к этому все возрастающую потребность в более гибкой 
(эластичной) и надежной электросети.

Концепция решения, которое поможет избежать или снять эти про
блемы, уже найдена – это смарт-грид (smart grid – умная энергосеть). Базовым технологическим элементом, фундаментом «умной» или цифровой,
сети является интеллектуальная система учета электроэнергии, предназначенная для оперативного формирования достоверного объема услуг, многотарифного учета, мониторинга качества электроэнергии и других функций. Источниками первичной информации в такой сети служат интеллектуальные счетчики и датчики, объединенные в сеть, по сути представляющую так называемый Интернет вещей (об этом чуть ниже) [4].

«Смарт-грид» – термин, пришедший в нашу речь из западной Ев
ропы и США. Его отечественным аналогом является «Интеллектуальная 
электроэнергетическая система с активно-адаптивной сетью» (ИЭС ААС, 
далее просто ИЭС)» – это энергосистема нового поколения, основанная на 
многофакторном управлении функционированием и развитием системы генерации, распределения и потребления электрической энергии. В ее задачи 
помимо указанного входит обеспечение максимально эффективного использования различных видов ресурсов в целях обеспечения надежности и 
качества энергоснабжения. Это может быть достигнуто также и за счет гибкого взаимодействия субъектов ИЭС между собой, построенного на основе 
современных технологических средств и единой интеллектуальной системы управления [5].