Режим работы электрической системы непрерывно изменяются в режиме реального времени, но эти изменения, происходящие около некоторого среднего значения, могут быть настолько малыми, что режим работы электрической системы практически не изменяется. Режим работы электрической системы, при котором параметры режима (напряжение, токи, мощности, частота) остаются практически неизменными, называют установившимся режимом работы. Перед выполнением расчета установившегося режима работы электрической системы необходимо составить схему замещения электрической системы.
Схема замещения электрической системы представляет собой электрическую схему, в которой все реальные элементы заменены максимально близкими по функциональности цепями из идеальных элементов. Схема замещения электрической системы является связанным графом и состоит из ветвей и узлов.
В состав типовой ветви расчетной схемы замещения входит активное, индуктивное и емкостное сопротивление. В зависимости от моделируемого элемента ветвь расчетной схемы представляется как продольными, так и поперечными элементами электрической цепи. На способах моделирования элементов электрической системы (воздушных и кабельных линий, трансформаторного и реакторного оборудования) останавливаться не будем, так как они были рассмотрены в предыдущих статьях.
В данной статье остановимся на способах представления генерирующего оборудования и электроустановок потребителя при расчете установившегося режима работы сети. Узлы расчетной схемы замещения представляют собой:
- точки соединения нескольких ветвей;
- нагрузочные узлы;
- генерирующие узлы.
В зависимости от способа задания нагрузок и генераторов уравнения установившегося режима линейны и нелинейны. Способы представления генерирующих узлов при выполнении расчетов установившихся режимов работы зависят от вида сети и целей расчета.
1.1. Генерирующий узел задается постоянным источником тока.
В рассматриваемом способе генерирующий узел представляется постоянным источником тока, который может быть задан значением тока по модулю и фазе или действующей и мнимой составляющей тока (
).
Независимыми параметрами в данном случае являются модуль и угол напряжения в узле (
, 
).
Такая форма представления генераторов и нагрузки потребителей в расчетной схеме в виде постоянного источника тока позволяет установившийся режим работы описать системой линейных алгебраических уравнений, что в свою очередь упрощает выполнение аналитических расчетов. Таким образом, данная форма представления генерирующих узлов может использоваться при всех расчетах распределительных сетей низкого напряжения до 1 кВ.
1.2. Генерирующий узел задается постоянной по величине мощностью (PQ-модель генератора).
В рассматриваемом способе генерирующий узел представляется постоянной по величине значением активной и реактивной мощностью (
,
).
Независимыми параметрами в данном случае являются модуль и угол напряжения в узле (, ).
При таком способе задания генерирующего узла реактивная мощность генератора не зависит от напряжения в узле, поэтому такой генератор называют нерегулируемым. Соответственно поведение PQ-модели генератора не соответствует поведению реального генератора при изменении режима работы сети.
› Представление генератора постоянной по величине активной мощности соответствует реальным условиям работы генераторов в электрической системе; она может поддерживаться за счет регулирования частоты на генераторах.
› Представление генератора постоянной по величине реактивной мощности не соответствует реальной модели генератора в электрической системе, так как изменение напряжение в узле приводит к изменению выработки или потреблению реактивной мощности генератора за счет действия автоматического регулятора возбуждения (АРВ).
Такой способ представления генерирующего узла может использоваться при расчетах установившихся или оптимальных режимов, например в тех случаях, когда необходимо принять предельное допустимое значение реактивной мощности генератора или в качестве показательной (характерной) модели генератора при обучении с теоретическим расчетом установившихся режимов работы.
1.3. Генераторный узел задается постоянной по величине активной мощностью и модулем напряжения на шинах станции (PU-модель генератора).
В рассматриваемом способе генерирующий узел представляется постоянной по величине значением активной мощности и модулем напряжения в узле (; 
).
Независимыми параметрами в данном случае являются значение реактивной мощности угол напряжения в узле (
; ).
При таком способе задания генерирующего узла реактивная мощность вырабатываемая/потребляемая генератором зависит от напряжения в узле, поэтому такой генератор называют регулируемым. Соответственно поведение PU-модели генератора соответствует поведению реального генератора при изменении режима работы сети, так как изменение напряжение в узле приводит к изменению выработки или потреблению реактивной мощности генератора за счет действия автоматического регулятора возбуждения (АРВ). Величина реактивной мощности генератора меняется в заданном диапазоне: 
. В зависимости от вырабатываемой активной мощности генератора изменяется возможный диапазон регулирования по реактивной мощности . Зависимость изменения диапазона реактивной мощности от активной мощности представлено в теме диаграмма мощности синхронной машины.
Рис.1. Диаграмма мощности турбогенератора
В случае достижения граничного значения по выработки/потребления реактивной мощности в узле, то генераторный узел превращается в PQ-модель генератора. Другими словами в генерирующем узле осуществляется фиксация граничного значения реактивной мощности и независимыми (свободными) параметрами электроэнергетического режима становятся модуль и угол напряжения.
Следует отметить, что PU-модели генераторов участвуют в сведении баланса реактивной мощности в схеме. Такие узлы называют балансирующими по реактивной мощности. Задание постоянного модуля напряжения соответствует реальным условиям работы генераторов с установленными регуляторами напряжения.
1.4. Генераторный узел задается постоянной по величине активной мощностью и модулем напряжения на выводах генератора (PEq-модель генератора)
Более совершенным способом задания генераторов, как для расчета установившегося режима, так и для определения предельного перетока мощности является использование PEq-модель генератора, которая позволяет учитывать ограничения по току возбуждения, что соответствует физическим условиям работы генератора. В данной модели генератор представляется в виде ЭДС Eq за продольным реактивным сопротивлением Хd (для турбогенератора) или ЭДС EQ за поперечным реактивным сопротивлением Хq (для генераторов с явновыраженными полюсами).
Рис.2. Схема замещения PEq-модели генератора
Следует отметить, что PU-модель генераторного узла правильно отражает свойства реального генератора только до тех пор, пока не наступают ограничения по реактивной мощности. В случае достижения граничного значения по выработки/потребления реактивной мощности в узле, то PU-модель генераторного узла превращается в PQ-модель генератора. В свою очередь РQ-модель не отражает свойства реального объекта, так как фактически режим ограничивается не реактивной мощностью, а Eq на уровне Eq min и Eq max . Реальный генератор при этом в отличие от РQ-модели продолжает участвовать в балансировании реактивной мощности. В частности, реактивная мощность генератора будет изменяться, например, при изменении напряжения в сети.
В рассматриваемом способе генерирующий узел представляется постоянной по величине значением активной мощности и модулем напряжения в узле (
; 
).
Независимыми параметрами в данном случае являются значение реактивной мощности угол напряжения в узле (
; ).
Дополнительно для этого типа генератора задаются синхронные индуктивные сопротивления по продольной оси (d) и поперечной оси (q). При изменении режима сети изменяются возбуждение генератора (модуль синхронной ЭДС Eq) в пределах регулировочного диапазона 
до 
таким образом, чтобы получить заданные значения активной мощности и модуля напряжения.
; 
При выходе на ограничения или модуль синхронной ЭДС 
фиксируется, при этом дополнительным свободным параметром режима становится модуль напряжения в узле (
).
Следует подчеркнуть, что при регулировании PEq-генератора, в отличие от PU- генератора, учитывается взаимосвязь процессов регулирования активной и реактивной мощности, изменение модуля вектора синхронной ЭДС влияет на угол нагрузки генератора (угол между вектором Eq и вектором U) и наоборот.
В заключении следует отметить, что довольно редко в программных комплексах по расчету установившихся режимах работы используется PEq-модель генератора.
Способ задания базисно-балансирующего узла при расчете установившихся режимов работы
Базисно-балансирующий узел представляется постоянным по величине значением модуля напряжения и углом напряжения в узле (
; 
).
Независимыми параметрами в данном случае являются значение активной мощности и реактивной мощности в узле (
; 
).
Следует отметить, что:
- узел называется базисным в случае, если в данном узле задается значение модуля напряжения и его угол.
- узел называется балансирующим в случае, если значение активной и реактивной мощности нагрузки/генерации, которые расположены в данном узле, не участвуют в записи уравнений, описывающих установившийся режим работы расчетной схемы. Величина мощности в таких узлах определяется при сведении баланса мощности в расчетной схеме.
В расчетах установившихся режимов, а также при их оптимизации возможно задание нескольких базисно-балансирующих узлов. Каждый из них соответствует станции, участвующей в регулировании частоты - принимающей на себя небалансы активной мощности и поддерживающей при этом постоянную частоту в системе. Введение одного или нескольких базисно-балансирующих узлов соответствует предположению о том, что частота в электрической системе постоянна.
