Управление и планирование энергопотреблением в энергосетях и использованием прикладных пакетов MATLAB и LabView

Содержание 
1 
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Федеральное государственное автономное 
образовательное  учреждение высшего образования 
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
Инженерно-технологическая академия 
 
 
Н. К. ПОЛУЯНОВИЧ 
О. В. КАЧЕЛАЕВ 
Д. В. БУРЬКОВ 
М. Н. ДУБЯГО 
А. Ю. БУДКО 
 
 
УПРАВЛЕНИЕ  И  ПЛАНИРОВАНИЕ                                         
ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ  В  ЭНЕРГОСЕТЯХ                                
С  ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ  ПРИКЛАДНЫХ  ПАКЕТОВ 
MATLAB  И  LABVIEW 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Ростов-на-Дону-Таганрог 
Издательство Южного федерального университета 
2024 
 
 

Содержание 
2 
УДК 62-83(075.8) 
ББК  34.43я73 
 П536 
Печатается по решению кафедры электротехники и мехатроники                   
института радиотехнических систем и управления                                          
Южного федерального университета (протокол № 4 от 22.11.24 г.) 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент кафедры электротехники                                 
и мехатроники института радиотехнических систем и управления,                     
Южного федерального университета В. А Костюков 
начальник отдела обучения научно-исследовательского центра супер-ЭВМ                      
и нейрокомпьютеров, кандидат технических наук, доцент М. Г Левина 
Полуянович Н.К. 
П536      Управление и планирование энергопотреблением в энергосетях и      
использованием прикладных пакетов MATLAB и LabView : учебное пособие / Н. К. Полуянович, О. В. Качелаев, Д. В. Бурьков, М. Н. Дубяго, 
А. Ю. Будко ; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону ; Таганрог : Издательство Южного федерального университета, 2024. – 146 с. 
ISBN 978-5-9275-4815-6 
В учебном пособии приводятся краткие теоретические основы методов управления автономно работающего генератора с включением синхронного генератора на параллельную работу по способу самосинхронизации, а 
также методы защиты электрооборудования, переходные процессы в электрических системах при различных режимах работы синхронного генератора. Основная цель работы состоит в том, чтобы научить студентов практическому приложению знаний и навыков по отдельным разделам курса 
"Системы управления энергоснабжением и электрооборудованием", приобретению самостоятельности при решении конкретных технических задач. 
Предназначено для использования в учебном процессе направления 13.04.02 
«Электроэнергетика и электротехника» по профилю «Интеллектуальные 
электроэнергетические системы и технологии». 
УДК 62-83(075.8) 
ББК 34.43я73 
ISBN 978-5-9275-4815-6 
© Южный федеральный университет, 2024 
© Полуянович Н. К., Качелаев О. В., Бурьков Д. В., 
    Дубяго М. Н., Будко А. Ю., 2024 
© Оформление. Макет. Издательство  
  Южного федерального университета, 2024
 
 

7.3. Указания по проведению эксперимента 
3 
СОДЕРЖАНИЕ 
ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ  И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ……………………………………. 
6 
ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………... 
12 
1. РУЧНОЕ/АВТОМАТИЧЕСКОЕ  УПРАВЛЕНИЕ  ВКЛЮЧЕНИЕМ                
СИНХРОННОГО  ГЕНЕРАТОРА  НА  ПАРАЛЛЕЛЬНУЮ  РАБОТУ                     
ПО  СПОСОБУ  САМОСИНХРОНИЗАЦИИ  (ПРОИЗВОДСТВО  ЭЭ) ………... 
15 
1.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
15 
1.2. Электрические схемы соединений …………………………………………… 
21 
1.3. Указания по проведению эксперимент ……………………………………… 
25 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 
32 
2. РУЧНОЕ/АВТОМАТИЧЕСКОЕ  УПРАВЛЕНИЕ  РЕЖИМОМ                       
АВТОНОМНО  РАБОТАЮЩЕГО  СИНХРОННОГО  ГЕНЕРАТОРА                   
(ПРОИЗВОДСТВО  ЭЭ) …………………………………………………………….. 
33 
2.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
33 
2.1.1. Внешняя характеристика генератора ……………………………………….. 
34 
2.1.2. Регулировочная характеристика генератора ……………………………… 
35 
2.1.3. Регулирование частоты вращения турбины ……………………………….. 
36 
2.2. Электрические схемы соединений …………………………………………… 
39 
2.3. Указания по проведению эксперимента ……………………………………... 
44 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 
49 
3. ПРОДОЛЬНАЯ  ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ  ЗАЩИТА  ЛИНИИ                     
ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ  (РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА) ………………………………… 
50 
3.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
50 
3.2. Электрическая схема соединений ……………………………………………. 
51 
3.3. Указания по проведению эксперимента ……………………………………... 
55 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 
59 
4. МАКСИМАЛЬНАЯ  ТОКОВАЯ  ЗАЩИТА  АСИНХРОННОГО                   
ДВИГАТЕЛЯ  (РЕЛЕЙНАЯ  ЗАЩИТА) …………………………………………... 
60 
4.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
60 
4.2. Электрические схемы соединения …………………………………………… 
64 
4.3. Описание электрической схемы соединений ……………………………….. 
68 
4.4. Указания по проведению эксперимента ……………………………………... 
68 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 
72 
5. ПЕРЕХОДНЫЙ  ПРОЦЕСС  В  ОДНОМАШИННОЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ 
СИСТЕМЕ  ПРИ  ПОДКЛЮЧЕНИИ  СИНХРОННОГО  ГЕНЕРАТОРА                 
К  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  СЕТИ  (ПЕРЕХОДНЫЕ  ПРОЦЕССЫ) ………………… 
73 
 

Содержание 
4 
5.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
73 
5.1.1. Особенности работы генератора на сеть …………………………………. 
73 
5.1.2. Включение генератора на параллельную работу с сетью ……………….. 
74 
5.2. Указания по проведению эксперимента …………………………………….. 
82 
5.2.1. Подключение генератора к сети методом точной синхронизации ……. 
84 
5.2.2. Подключение генератора к сети методом самосинхронизации ………... 
86 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 
88 
6. ПЕРЕХОДНЫЙ  ПРОЦЕСС  ПРИ  СИММЕТРИЧНОМ  КОРОТКОМ              
ЗАМЫКАНИИ  В  ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ  СЕТИ,  ПИТАЮЩЕЙСЯ                           
ОТ  СИНХРОННОГО  ГЕНЕРАТОРА  (ПЕРЕХОДНЫЕ  ПРОЦЕССЫ) ……….. 
89 
6.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
89 
6.1.1. Уравнения переходного процесса синхронной машины …………………… 
89 
6.2. Указания по проведению эксперимента ……………………………………... 
95 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 100 
7. ПУСК,  УПРАВЛЕНИЕ  И  РЕГИСТРАЦИЯ  ХАРАКТЕРИСТИК                  
ДВИГАТЕЛЯ  ПОСТОЯННОГО  ТОКА  НА  КОМПЬЮТЕРЕ                        
(УПРАВЛЕНИЕ  LABVIEW) ……………………………………………………….. 101 
7.1. Теоретический раздел ………………………………………………………… 
101 
7.2. Описание электрических схем соединений …………………………………. 
104 
7.3. Указания по проведению эксперимента ……………………………………... 105 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 111 
8. САР  И  САУ  ДЛЯ  СГ …………………………………………………………… 112 
8.1. Теоретическое обоснование ………………………………………………….. 
112 
8.1.1. Линейные законы управления …………………………………………………… 113 
8.1.2. Передаточные функции систем автоматического управления ………… 114 
8.1.3. Стандартные настройки систем автоматического управления ……… 115 
8.2. Настройка системы стабилизации частоты синхронного генератора 
(ССЧГ) на оптимум по модулю (Системы автоматизированного управления) .. 117 
8.2.1. Синтез РЧ для настройки ССЧСГ на ОМ …………………………………... 119 
8.2.2. Получение переходных характеристик в прикладном программном пакете Simulink ………………………………………………………………………………. 120 
8.2.3. Построение переходных характеристик в прикладном программном 
пакете Simulink …………………………………………………………………………… 
125 
8.2.4. Анализ переходных характеристик и оценка установившихся ошибок 
системы ……………………………………………………………………………………. 
125 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 131 
8.3. Настройка системы стабилизации частоты синхронного генератора на 
симметричный оптимум (Системы автоматизированного управления) ……….. 131 
8.3.1. Синтез РЧ для настройки ССЧСГ на СО …………………………………… 132 

Содержание 
 
8.3.2. Моделирование ССЧСГ с РЧ в системе Simulink ………………………….. 
134 
8.3.3. Анализ переходных характеристик и оценка установившихся ошибок 
системы ……………………………………………………………………………………. 
134 
Контрольные вопросы ……………………………………………………………... 138 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………… 
139 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ …………………………………………………………... 140 
ПРИЛОЖЕНИЕ ……………………………………………………………………… 141 
 
 
 
 
 

Содержание 
6 
ОСНОВНЫЕ                                                             
ПОНЯТИЯ  И  ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
1. Управляющее воздействие: задание на изменение режима работы 
или эксплуатационного состояния ЛЭП, оборудования объектов электроэнергетики и энергопринимающих установок потребителей электрической 
энергии, реализуемое по команде противоаварийной или режимной автоматики. Уставка: Значение параметра настройки устройства противоаварийной автоматики, определяющее условия его функционирования.
2. Устройство противоаварийной автоматики: отдельное или многофункциональное техническое устройство (аппарат, терминал), выполняющее фиксацию аварийного возмущения, обработку параметров электроэнергетического режима энергосистемы, выбор управляющих воздействий, 
прием и передачу аварийных сигналов и команд противоаварийной автоматики или реализацию управляющих воздействий и обслуживаемое (оперативно и технически) как единое целое. 
3. Устройства синхронизации: это аппараты и функции, которые реализованы в их составе, обеспечивают активацию выключателей с учетом 
синхронизма, включая синхронизирующие колонки. 
4. Электроэнергетическая система: совокупность электрических 
станций, электрических сетей и энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, связанных общностью режима в непрерывном 
процессе производства, передачи, распределения и потребления электрической энергии в условиях централизованного оперативно-диспетчерского 
управления в электроэнергетике. 
5. Переключающее устройство противоаварийной автоматики: 
это аппарат, применяемый для осуществления операций при выполнении 
переключений в цепях противоаварийной автоматизации. Этим аппаратом 
может быть, например, как ключ или переключатель, так и накладка, тестовый блок или же рубильник, кнопка, виртуальный ключ или накладка в видеокадре автоматизированного рабочего места. 
6. Противоаварийная автоматика: совокупность устройств, обеспечивающих измерение и обработку параметров электроэнергетического режима, передачу информации и команд управления и реализацию управляющих воздействий в соответствии с заданными алгоритмами и параметрами 
 

Основные понятия и определения 
7 
настройки для выявления, предотвращения развития и ликвидации аварийного электроэнергетического режима. 
7. Релейная защита: совокупность устройств, предназначенных для 
автоматического выявления коротких замыканий и других ненормальных 
режимов работы линий электропередачи и оборудования, которые могут 
привести к их повреждению и/или нарушению устойчивости энергосистемы, и действующих на отключение коммутационных аппаратов в целях 
отключения этих линий электропередачи и оборудования от энергосистемы 
и/или на формирование предупредительных сигналов.
8. Энергетической системой обозначается интеграция всех компонентов единой цепи преобразования, распределения и применения различных видов энергии. В состав энергетической системы входят: 
 элементы электрификации и теплоснабжения; 
 источники энергоресурсов, такие как угольные шахты, предприятия 
по добыче торфа, нефтяные и газовые месторождения, водохранилища и др. 
9. Отклонение частоты: отклонение ее действующего значения от 
номинального. Значение частоты напряжения электропитания в электрической сети равно 50 Гц. 
10. Уставка: значение параметра настройки устройства противоаварийной автоматики, определяющее условия его функционирования. 
11. Возмущающие воздействия – причины, по которым появляются 
возмущения, например, короткие замыкания (КЗ), обрывы проводов (ХХ), 
коммутационные переключения (ПП) в электрических сетях.  
12. Фликер: колебания напряжения питания осветительных приборов, яркость и спектральный состав которых изменяются во времени, что приводит 
к эффекту неустойчивости визуального восприятия 
13. Колебания напряжения: кратковременная доза фликера, измеренная в интервале времени 10 мин, и длительная доза фликера, измеренная в 
интервале времени 2 ч, в точке передачи электрической энергии. [1] 
14. Короткое замыкание – это любое замыкание между фазами, которое не предусмотрено стандартными условиями работы, а в системах с заземленными нейтралями также включает замыкание одной или нескольких 
фаз на землю. 
15. Асинхронный двигатель – это электрическая машина переменного 
тока, у которой частота вращения ротора ниже частоты вращения электро- 

Основные понятия и определения 
8 
магнитного поля статора (разница между этими частотами называется 
скольжением [1]: 
Асинхронные двигатели: 
 с короткозамкнутым ротором (беличье колесо); 
 с фазовым ротором. 
Режимы работы: 
 двигательный режим 0 < s < 1,  n < n1; 
 генераторный режим s < 0,  n > n1. 
Преимущества АД с короткозамкнутым ротором:  
 нетребовательны к тех. обслуживанию; 
 эксплуатация во взрывоопасной зоне (так как отсутствуют щётки, а 
следовательно – искрение); 
 высокий КПД и коэффициент мощности; 
 низкая стоимость. 
16. Синхронный двигатель – это электрическая машина переменного 
тока, у которой ротор вращается с той же частотой, что и электромагнитное 
поле статора. Он поддерживает постоянную скорость, которая не изменяется со временем при нормальных колебаниях нагрузки, а скольжение составляет 0 %. Однако такая машина имеет сложную конструкцию, что приводит к высокой стоимости [1]. 
17. Синхронный реактивный двигатель – это тип двигателя без обмотки возбуждения. В нем используются постоянные магниты. Двигатели 
такого типа отличаются относительно низкой стоимостью и большей 
надежностью чем синхронными двигателями. К недостаткам можно отнести невысокий КПД и мощности, а также значительную массу [1]. 
18. Синхронная скорость (п1) – частота вращения электромагнитного 
поля статора: 
𝑛1 = 𝑓1 ∙60
𝑝
  [𝑚𝑖𝑛−1] , 
где f1 – частота питающего напряжения; p – число пар полюсов двигателя. 
19. Скольжение (s) – отношение скольжения скорости к синхронной 
скорости: 
𝑆= 𝑛𝑆
𝑛1
= 𝑛1 −𝑛
𝑛1
 . 

Основные понятия и определения 
9 
20. Скорость вращения ротора: 
𝑛= 𝑛1 ∙(1 −𝑆) . 
21. Коэффициент мощности: 
cosφ = P / S, 
где P – активная мощность; S – полная мощность. 
22. Номинальный момент двигателя: 
𝑀𝑛[𝑁𝑚] = 𝑃𝑛[𝑘𝑊] ∙9550
𝑛𝑛[𝑟𝑝𝑚]
 , 
где Pn – номинальная мощность двигателя; nn – номинальные обороты 
двигателя. 
23. Полная мощность двигателя – мощность, которую двигатель потребляет из сети. Она определяется как геометрическая сумма активной и 
реактивной мощностей: 
𝑆= √𝑃2 + 𝑄2 = √3 ∙𝑈1 ∙𝐼1 , 
где U1 – номинальное напряжение, I1 – номинальный ток; P – активная мощность; Q – реактивная мощность. 
24. Активная мощность двигателя – мощность, связанная с преобразованием электроэнергии в механическую энергию: 
𝑃= 𝑈∙𝐼∙𝑐𝑜𝑠𝜑= 𝐼2 ∙𝑟= 𝑆∙𝑐𝑜𝑠𝜑 , 
где φ – угол сдвига между векторами напряжения и тока; U, I - действующие 
значения напряжения и тока. 
25. Реактивная мощность двигателя – мощность, связанная с созданием магнитных полей в обмотках двигателя и покрытием потерь на магнитные поля рассеяния: 
𝑄= 𝑈∙𝐼∙𝑠𝑖𝑛𝜑= 𝐼2 ∙𝑥1 , 
где xl – индуктивное сопротивление; φ – угол сдвига между векторами 
напряжения и тока; U, I – действующие значения напряжения и тока. 
26. КПД двигателя – отношение номинальной мощности двигателя к 
активной мощности: 

Основные понятия и определения 
10 
𝜂= 𝑃𝑛𝑃 [%]
⁄
, 
27. Переменные токи и напряжения: 
𝑓= 𝜔∙𝜌
2𝜋, 
Мгновенные значения тока и напряжения: - значения тока и напряжения, определяемые для произвольного момента времени t. 
i = Imsin(ωt+ φ i), A,
u = Umsin(ωt+ φ u), B, 
где Im,Um – амплитудные значения тока и напряжения; φ i, φ u – углы сдвига 
фаз тока и напряжения относительно начала координат. 
Действующие значения – это такие значения периодического тока, которые создают тот же тепловой эффект, что и эквивалентный постоянный 
ток той же величины. Эти значения представляют собой среднеквадратичные значения мгновенных значений тока [1]. 
𝐼= 𝐼𝑚
√2
= 0,707 𝐼𝑚, 𝐴; 
𝑈= 𝑈𝑚
√2
= 0,707 𝑈𝑚, 𝐵; 
где Im, Um – амплитудные значения тока и напряжения. 
28. Режимы работы двигателей: 
 продолжительный S1; 
 кратковременный S2; 
 прерывистый S3, S4, S5; 
 продолжительный с периодической нагрузкой S6. 
29. Пульт управления (оператор) – устройство для ввода параметров. 
Типы операторов: 
 цифровой; 
 интерфейс-оператор; 
 оператор с памятью (COMBICARD); 
 интерфейсы (CAN; LON; InterBus; PropfiBus; LWL; BUS). 
30. PLC – программируемый контроллер. 
31. Резольвер – sin-cos-датчик обратной связи для измерения скорости 
вращения ротора (аналог СКВТ).