Frontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & TechnologiesFrontier Materials & Technologies2782-40392782-6074Togliatti State University748Technical SciencesТехнические наукиDEVELOPMENT OF THE CALCULATION MODEL OF FUNCTIONING OF POWER ELECTRIC GRID DURING THE GEOMAGNETIC STORMРАЗРАБОТКА РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ГЕОМАГНИТНЫХ БУРЯХVahninaVera VasilevnaВахнинаВера Васильевна
Russian Federation

candidate of technical sciences, professor, head of the chair «Department of electricity supply and Electrotechnology»

кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение и электротехника»

VVVahnina@yandex.ruKuvshinovAleksey AlekseevichКувшиновАлексей Алексеевич
Russian Federation

doctor of the technical sciences, professor «Department of electricity supply and Electrotechnology»

доктор технических наук, профессор кафедры «Электроснабжение и электротехника»

ShapovalovVladimir AndreevichШаповаловВладимир Андреевич
Russian Federation

candidate of technical sciences, docent, deputy rector, director of the Institute of Energy and Electrical Engineering

кандидат технических наук, доцент, заместитель ректора - директор института энергетики и электротехники

ChernenkoAleksey NikolaevichЧерненкоАлексей Николаевич
Russian Federation

candidate of technical sciences, docent of the «Department of electricity supply and Electrotechnology»

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение и электротехника»

KretovDmitry AlekseevichКретовДмитрий Алексеевич
Russian Federation

candidate of technical sciences, docent of the «Department of electricity supply and Electrotechnology»

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение и электротехника»

KuznetsovVitaly AleksandrovichКузнецовВиталий Александрович
Russian Federation

older lecturer of the «Department of electricity supply and Electrotechnology»

старший преподаватель кафедры «Электроснабжение и электротехника»

RybalkoTatyana AleksandrovnaРыбалкоТатьяна Александровна
Russian Federation

assistant of the «Department of electricity supply and Electrotechnology»

ассистент кафедры  «Электроснабжение и электротехника»

Togliatti State University, TogliattiТольяттинский государственный университет, ТольяттиTogliatti State University, Togliatti31032014140471612202216122022https://vektornaukitech.ru/jour/article/view/748

The model and algorithm for calculation of functioning of an electric power grid of any configuration and complexity during geomagnetic storms of various intensity and duration was developed. The calculations were performed in MATLAB mathematical system and in Simulink package. Both standard blocks of Simulink and SimPowerSystems and blocks designed by the authors were used to develop the electric power grid model. Special features of the developed calculated model of the electric power grid are binding of objects to geographical coordinates of a territory; modeling the power transformers are designed on the basis of T-shaped equivalent circuit with a nonlinear mutual inductance magnetization branch which is a function of the value of geomagnetically induced current; by introduction of the source of harmonic components of magnetizing currents; calculation of  RMS values of active, reactive  and total power in all elements is done with regard to the impact of harmonic components of current and voltage. The results of modeling of the impact of a geomagnetic storm of various intensity with the west-east direction of the geoelectric field voltage vector for Samara region electric power grid.

Разработана модель и алгоритм расчета функционирования электроэнергетической системы любой конфигурации и сложности при геомагнитных бурях различной интенсивности и длительности. Расчеты реализованы в математической системе MATLAB в пакете Simulink. При создании модели электроэнергетической системы использованы как стандартные блоки Simulink и SimPowerSystems, так и блоки, разработанные авторами. Особенностями разработанной расчетной модели электроэнергетической системы являются: привязка объектов к географическим координатам местности; моделирование силовых трансформаторов на основе применения Т-образной схемы замещения с нелинейной взаимной индуктивностью ветви намагничивания, которая является функцией от величины геоиндуцированного тока; введение источника гармонических составляющих намагничивающих токов силовых трансформаторов; расчет действующих значений активной, реактивной, полной мощностей во всех элементах с учетом вклада гармонических составляющих тока и напряжения. Приведены результаты моделирования воздействия геомагнитной бури различной интенсивности с направлением вектора напряженности геоэлектрического поля запад-восток для электроэнергетической системы Самарского региона.

electric power gridEPGmodelmodelinggeomagnetic stormGMSgeomagnatically induced currentGICэлектроэнергетическая системаЭЭСмодельмоделированиегеомагнитные буриГМБгеоиндуцированный токГИТ1. Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Critical National Infrastructures, 2008. URL: http://www.empcommission.org/docs/A2473-EMP_Commission-7MB.pdf (дата обращения: 29.01.2014)Report of the Commission to Assess the Threat to the United States from Electromagnetic Pulse (EMP) Attack. Critical National Infrastructures, 2008. URL: http://www.empcommission.org/docs/A2473-EMP_Commission-7MB.pdf (дата обращения: 29.01.2014)2. Boteler, D.H. Assessment of geomagnetic hazard to power systems in Canada / D.H. Boteler // Natural Hazards 23. – 2001. - Volume 23, Issue 2-3 – p. 101 – 120.Boteler, D.H. Assessment of geomagnetic hazard to power systems in Canada / D.H. Boteler // Natural Hazards 23. – 2001. - Volume 23, Issue 2-3 – p. 101 – 120.3. Watermann, J. The magnetic environment – GIC and other ground effect / J. Watermann // Space weather. – 2007. - Volume 344. – p. 269 – 275.Watermann, J. The magnetic environment – GIC and other ground effect / J. Watermann // Space weather. – 2007. - Volume 344. – p. 269 – 275.4. Kappenman, J. Geomagnetic Storms and Their Impact on the U.S. Power Grid., 2010. URL: http://web.ornl.gov/sci/ees/etsd/pes/pubs/ferc_Meta-R-319.pdf (дата обращения: 29.01.2014)Kappenman, J. Geomagnetic Storms and Their Impact on the U.S. Power Grid., 2010. URL: http://web.ornl.gov/sci/ees/etsd/pes/pubs/ferc_Meta-R-319.pdf (дата обращения: 29.01.2014)5. Kappenman, J. A Perfect Storm of Planetary Proportions / J. Kappenman // IEEE Spectrum. – 2012. – Volume 49, Issue 2. – p. 26 – 31.Kappenman, J. A Perfect Storm of Planetary Proportions / J. Kappenman // IEEE Spectrum. – 2012. – Volume 49, Issue 2. – p. 26 – 31.6. Pulkkinen, A. Geomagnetic Induction During Highly Disturbed Space Weather Conditions: Studies of Ground Effects. Academic Dissertation. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences., 2003 // http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/mat/fysik/vk/pulkkinen/geomagne.pdf (дата обращения: 29.01.2014)Pulkkinen, A. Geomagnetic Induction During Highly Disturbed Space Weather Conditions: Studies of Ground Effects. Academic Dissertation. University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physical Sciences., 2003 // http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/mat/fysik/vk/pulkkinen/geomagne.pdf (дата обращения: 29.01.2014)7. Pirjola, R. Review on the calculation of surface electric and magnetic fields and of geomagnetically induced currents in ground-based technological systems. Surveys in geophysics. – 2002. – Volume 23, Issue 1, pp. 71-90. URL: http://www.ingentaconnect.com/content/klu/geop/2002/00000023/00000001/00394486 (дата обращения: 29.01.2014)Pirjola, R. Review on the calculation of surface electric and magnetic fields and of geomagnetically induced currents in ground-based technological systems. Surveys in geophysics. – 2002. – Volume 23, Issue 1, pp. 71-90. URL: http://www.ingentaconnect.com/content/klu/geop/2002/00000023/00000001/00394486 (дата обращения: 29.01.2014)8. Girgis, R. Effects of GIC on power transformers and power systems / R. Girgis, K. Vedante, K. Gramm // Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D), 2012 IEEE PES. – 2012. - p. 1-8.Girgis, R. Effects of GIC on power transformers and power systems / R. Girgis, K. Vedante, K. Gramm // Transmission and Distribution Conference and Exposition (T&D), 2012 IEEE PES. – 2012. - p. 1-8.9. Barnes, P.R. Electromagnetic pulse research on electric power systems: Program Summary and recommendations. 1993 / P.R. Barnes, B.W. McConnell, J.W. Van Dyke // http://www.survivalring.org/classics/ElectromagneticPulseResearchOnElectricPowerSystems-ProgramSummaryAndRecommendations-ORNL6708.pdf (дата обращения: 29.01.2014)Barnes, P.R. Electromagnetic pulse research on electric power systems: Program Summary and recommendations. 1993 / P.R. Barnes, B.W. McConnell, J.W. Van Dyke // http://www.survivalring.org/classics/ElectromagneticPulseResearchOnElectricPowerSystems-ProgramSummaryAndRecommendations-ORNL6708.pdf (дата обращения: 29.01.2014)10. Walling, R.A. Characteristics of transformer exciting – current during geomagnetic disturbances / R.A. Walling, A.N. Kahn // IEEE Transactions on Power Delivery. – 1991. - Volume 6, Issue 4. - p. 1707 – 1714.Walling, R.A. Characteristics of transformer exciting – current during geomagnetic disturbances / R.A. Walling, A.N. Kahn // IEEE Transactions on Power Delivery. – 1991. - Volume 6, Issue 4. - p. 1707 – 1714.11. Pirjola, R. Geomagnetically induced currents in the Finnish 400 kV power transmission system / R. Pirjola // Physics of the Earth and Planetary Interiors. – 1989. – Volume 53, Issue 3-4. – p. 214 – 220.Pirjola, R. Geomagnetically induced currents in the Finnish 400 kV power transmission system / R. Pirjola // Physics of the Earth and Planetary Interiors. – 1989. – Volume 53, Issue 3-4. – p. 214 – 220.12. Абдурахманов, А.Я. Влияние геомагнитных индуктированных токов на работу силовых и измерительных трансформаторов / А.Я. Абдурахманов, Р.С. Ишан-Ходжаев, З.М. Мухаметшина // Вопросы регулирования напряжения в электропередачах сверхвысокого напряжения. – М., 1988. – С. 63 – 70.Абдурахманов, А.Я. Влияние геомагнитных индуктированных токов на работу силовых и измерительных трансформаторов / А.Я. Абдурахманов, Р.С. Ишан-Ходжаев, З.М. Мухаметшина // Вопросы регулирования напряжения в электропередачах сверхвысокого напряжения. – М., 1988. – С. 63 – 70.13. Гершенгорн, А.И. Воздействия геомагнитных токов на электрооборудование энергосистем / А.И. Гершенгорн // Электрические станции. – 1993. – № 6. – С. 54 – 63.Гершенгорн, А.И. Воздействия геомагнитных токов на электрооборудование энергосистем / А.И. Гершенгорн // Электрические станции. – 1993. – № 6. – С. 54 – 63.14. Kappenman, J.G. Space weather and vulnerability of electric power grids / J.G. Kappenman // Effect of space weather on technology infrastructure, 2004. – p. 257 – 286.Kappenman, J.G. Space weather and vulnerability of electric power grids / J.G. Kappenman // Effect of space weather on technology infrastructure, 2004. – p. 257 – 286.15. Lonngren, K.E. Fundamentals of Electromagnetics with MATLAB / K.E. Lonngren, S.V. Savov. – Scitech. - 2005. – p. 574.Lonngren, K.E. Fundamentals of Electromagnetics with MATLAB / K.E. Lonngren, S.V. Savov. – Scitech. - 2005. – p. 574.16. Дьяконов, В.П. MATLAB и Simulink в электроэнергетике: справочник / В.П. Дьяконов, А.А. Пеньков. – М. : Горячая линия – Телеком. - 2009. – 816 с.Дьяконов, В.П. MATLAB и Simulink в электроэнергетике: справочник / В.П. Дьяконов, А.А. Пеньков. – М. : Горячая линия – Телеком. - 2009. – 816 с.17. SimPowerSystems™ User’s Guide (Second Generation). - 2013 // URL: http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf (дата обращения: 29.01.2014)SimPowerSystems™ User’s Guide (Second Generation). - 2013 // URL: http://www.mathworks.com/help/pdf_doc/physmod/powersys/powersys.pdf (дата обращения: 29.01.2014)18. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611506. Модель системы электроснабжения города / В.В. Вахнина, В.Д. Селемир, В.И. Карелин, В.А. Шаповалов, В.В. Горохов. – Заявка № 2008610550; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.03.2008.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2008611506. Модель системы электроснабжения города / В.В. Вахнина, В.Д. Селемир, В.И. Карелин, В.А. Шаповалов, В.В. Горохов. – Заявка № 2008610550; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 25.03.2008.19.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611832. Модель линии электропередач / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Кузнецов. – Заявка № 2012661752; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611832. Модель линии электропередач / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Кузнецов. – Заявка № 2012661752; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.20.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611833. Модель ветви намагничивания силового трансформатора / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, Д.А. Кретов. – Заявка № 2012661751; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611833. Модель ветви намагничивания силового трансформатора / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, Д.А. Кретов. – Заявка № 2012661751; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.21.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615269. Модель силового трансформатора с учетом нелинейности ветви намагничивания/ В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов – Заявка № 2013613712; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 30.04.2013.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013615269. Модель силового трансформатора с учетом нелинейности ветви намагничивания/ В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов – Заявка № 2013613712; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 30.04.2013.22.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660528. Модель двигательной нагрузки системы электроснабжения / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев. – Заявка № 2012616731; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.11.2012.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012660528. Модель двигательной нагрузки системы электроснабжения / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев. – Заявка № 2012616731; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 22.11.2012.23.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611831. Модель высоковольтного выключателя / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Шаповалов. – Заявка № 2012661759; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2013611831. Модель высоковольтного выключателя / В.В. Вахнина, А.Н. Черненко, М.С. Макеев, В.А. Шаповалов. – Заявка № 2012661759; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 06.02.2013.24. Вахнина, В.В. Расчет геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук. – 2012. – Т.14. – № 6. – С. 244 – 246.Вахнина, В.В. Расчет геоиндуцированных токов в высоковольтных линиях электропередач систем электроснабжения при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, Д.А. Кретов, В.А. Кузнецов // Известия Самарского научного центра Российской Академии наук. – 2012. – Т.14. – № 6. – С. 244 – 246.25. Вахнина, В.В. Снижение рисков развития аварий в системах электроснабжения при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, А.А. Кувшинов, В.А. Кузнецов // Гелиофизические исследования. – 2013. – Выпуск 5. – С. 115 – 123. – URL: http://vestnik.geospace.ru/index.php?id=191.pdf (дата обращения: 29.01.2014).Вахнина, В.В. Снижение рисков развития аварий в системах электроснабжения при геомагнитных бурях / В.В. Вахнина, А.А. Кувшинов, В.А. Кузнецов // Гелиофизические исследования. – 2013. – Выпуск 5. – С. 115 – 123. – URL: http://vestnik.geospace.ru/index.php?id=191.pdf (дата обращения: 29.01.2014).26. Chan, J.H. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation / J.H. Chan, A. Vladimirescu, X.-C. Gao, P. Liebmann, J. Valainis // IEER Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. – 1991. – Volume:10 , Issue: 4. – № 4. – p. 476 – 482.Chan, J.H. Nonlinear Transformer Model for Circuit Simulation / J.H. Chan, A. Vladimirescu, X.-C. Gao, P. Liebmann, J. Valainis // IEER Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. – 1991. – Volume:10 , Issue: 4. – № 4. – p. 476 – 482.27. Barnes, P.R. Mitigation of magnetohydrodynamic electromagnetic pulse (MHD-EMP) effects from commercial electric power systems. 1992 / P.R. Barnes, F.M. Tesche, E.F. Vance // URL: http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a249577.pdf (дата обращения: 29.01.2014).Barnes, P.R. Mitigation of magnetohydrodynamic electromagnetic pulse (MHD-EMP) effects from commercial electric power systems. 1992 / P.R. Barnes, F.M. Tesche, E.F. Vance // URL: http://www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a249577.pdf (дата обращения: 29.01.2014).28. Elovaara, J. Finnish experience with grid effect of gic's / J. Elovaara // Space Weather. Astrophysics and Space Science Library. - 2007. - Volume 344 – p. 311 – 326.Elovaara, J. Finnish experience with grid effect of gic's / J. Elovaara // Space Weather. Astrophysics and Space Science Library. - 2007. - Volume 344 – p. 311 – 326.29. Pulkkinen, A. Large geomagnetically induced currents in the Finnish high-voltage power system / A. Pulkkinen, A. Viljanen, R. Pirjola // Finnish Meteorological Institute, Helsinki. - 2000. – p. 99.Pulkkinen, A. Large geomagnetically induced currents in the Finnish high-voltage power system / A. Pulkkinen, A. Viljanen, R. Pirjola // Finnish Meteorological Institute, Helsinki. - 2000. – p. 99.30. McKay, A.J. Geoelectric Fields and Geomagnetically Induced Currents in the United Kington //University of Edinburgh. - 2003. – p. 260.McKay, A.J. Geoelectric Fields and Geomagnetically Induced Currents in the United Kington //University of Edinburgh. - 2003. – p. 260.