Наукова діяльність кафедри електричних систем та мереж (ЕСМ)


Кафедра електричних систем та мереж (до 2003 р. — кафедра електричних мереж та систем) причетна до вирішення сучасних проблем електроенергетики через підготовку фахівців на рівні вимог сьогодення та виконання наукових досліджень, що стосуються вироблення, пересилання й розподілення електроенергії та інформаційно-комп’ютерного забезпечення цих процесів.

Фундаторами наукових напрямів і шкіл, що розвиваються нині на кафедрі були член-кореспондент АН України, доктор технічних наук, професор Г.Денисенко та лауреат Державної премії України, доктор технічних наук, професор В.Перхач.

Ще у 50-і роки минулого століття Г.Денисенко очолив розроблення та дослідження запропонованого ним та М.Максимовичем способу пересилання електроенергії одночасно змінним і постійним струмами спільною лінією — електропересильнею пульсуючого струму. Принципова новизна цієї ідеї, відсутність аналогів у світовій практиці стали передумовою формування міжкафедрального науково-виробничого колективу, який оволодів грунтовними знаннями і набув практичного досвіду як в галузі традиційної техніки змінного струму, так і в галузі перетворювальної техніки та пересилання електроенергії постійним струмом. На підставі результатів теоретичних і фізичних досліджень в лабораторіях Львівської політехніки та Науково-дослідного інституту постійного струму («НИИПТ» — Ленінград, тепер Санкт-Петербург) у 1961 р. на базі реальної трифазної мережі 10 кВ була створена перша у світі електропересильня пульсуючого струму Новий Яр — Судова Вишня у Львівській області. Подальші натурні дослідження і випробування, проведені у 1963 р. на електропересильні змінної напруги 110 кВ Кашира — Москва з додатковим накладанням на лінію змінної напруги 100 кВ, підтвердили раніше одержані результати. Це дозволило: розробити й виготовити у 1964-1965 рр. перший в Україні комплектний перетворювальний пристрій для зовнішньої установки (1,6 МВт; 13,8 кВ), який був необхідний для переведення ліній змінної напруги 6-35 кВ на пульсуючу; обгрунтувати технічну можливість і економічну доцільність конденсаторного відбору потужності від ліній пульсуючого струму; спорудити у 1971 р. більш досконалу електропересильню пульсуючого струму між підстанціями Борщів — Більче Золоте у Тернопільській області.Визнанням науково-практичної значимості цієї задачі стали успішні захисти дисертацій на здобуття наукових ступенів доктора технічних наук (Г.Денисенко) та кандидата технічних наук (всього 16 дисертацій, з них на кафедрі ЕСМ — Г.Гловацький, Н.Букович, В.Сидоров, Л.Никонець, Ю.Кенс, А.Маліновський, Б.Кінаш, В.Стряпан), тобто була сформована Львівська наукова електроенергетична школа. Однак надалі, через відсутність надійної і дешевої перетворювальної техніки електропересильні пульсуючого струму більше не споруджувалися. Зараз створюються сприятливі умови для повернення до цієї плідної ідеї та використання раніше одержаних результатів, що підтверджується інтересом до цієї ідеї провідних зарубіжних електротехнічних фірм, на замовлення однієї з яких Львівською політехнікою у 2008 р. були виконані відповідні пошуково-аналітичні дослідження.

Одним з піонерів адаптації методів і засобів обчислювальної техніки до розв’язання задач електроенергетики був В.Перхач. Пройшовши у 50-60-х роках вишкіл в електротехнічній та електроенергетичній школах Львівської політехніки і "НИИПТу«,В. Перхач визначив свій науковий напрям — «Математичне моделювання процесів й оптимізація електроенергетичних систем з вентильними пристроями». Засадничі досягнення В.Перхача в царині стратегії наукових досліджень, удосконалення й узагальнення традиційних і розроблення нових математичних методів, алгоритмів і моделей для розв’язання задач електроенергетики стали потужною основою, на якій у Львівській політехніці сформувалася сучасна науково-освітня школа математичного моделювання в електроенергетиці та в середовищі якої виконувались і виконуються більшість досліджень, кандидатських і докторських дисертацій.

У 70-их роках В.Перхач започаткував роботи із створення автоматизованих систем навчання (АСН), вкрай необхідних для підвищення кваліфікації та зменшення помилкових діянь оперативного персоналу електростанцій з керування електричною частиною енергоблоків і, тим самим, підвищення надійності їх функціонування. Спеціалізовані АСН на базі персональних комп’ютерів, розроблені під керівництвом В.Кідиби за участю Г.Гловацького, Я.Пришляк (Дембіцької), П.Барана були впроваджені в ряді електроенергосистем України, Росії та Казахстану, у тому числі на Ладижинській, Трипільській, Добротвірській, Екібастузькій, Березовській ТЕС та Мінській і Єлабузькій ТЕЦ. Ці АСН забезпечували відображення на моніторі реальних панелей щитів управління конкретними енергоблоками, відтворення у реальному масштабі часу всіх основних і характерних аварійних режимів та навчання й тренінг оперативного персоналу у варіантах демонстрації, контролю знань — з обмеженнями в часі і контролем допущених помилок та самонавчання — без жорсткого обмеження в часі.

Значна кількість наукових розробок кафедри була спрямована на створення і впровадження статичних тиристорних компенсаторів (СТК) реактивної потужності для оптимізації режимів електричних мереж. Започатковані В.Єніним теоретичні й експериментальні дослідження, у яких брали участь О.Скрипник, А.Журахівський, Т.Шелепетень, Ю.Варецький, дозволили у 1981 р. впровадити першу в колишньому СРСР промислову уставу СТК напругою 10 кВ і потужністю 7,2 Мвар на Рахівській підстанції в Закарпатті. В подальшому подібні СТК були впроваджені на ряді підстанцій Міненерго України. Дослідження за цим напрямом дозволили створити оригінальні схеми статичних компенсаторів на базі здвоєних реакторів (З.Бахор, Ю.Варецький, О.Данилюк, А.Журахівський, Г.Лисяк), впровадити СТК у промислові електричні мережі (Ю.Кенс, Ю.Варецький, В.Гапанович, О.Равлик), розробити схеми та пристрої ефективної діагностики й захисту конденсаторних батарей (Г.Г.Гловацький, В.Г.Садовський, Ю.А.Кенс, А.В.Журахівський, В.Г.Гапанович, О.Л.Сторчун).

Спектр наукових інтересів кафедри завжди був широким і характеризується участю її працівників у вирішенні таких задач: статистичний вибір ізоляції ліній електропересилання високих напруг; розвиток теорії і створення моделей надійності об’єктів електроенергосистем за дискретних багатофакторних діянь; дослідження перехідних відновних напруг на контактах вимикачів 220 кВ ВЕО «Львівобленерго»; цифрове моделювання електромагнітних процесів гідроагрегатів Волзької ГЕС, яка працює на електропересильню постійного струму; дослідження режимів під час топлення ожеледі пульсуючим струмом на проводах ізольовано розщеплених фаз повітряних ліній; дослідження вставок і електропересилень постійного струму; дослідження комутаційних перенапруг ліній 750 кВ; розроблення перетворювачів, що живлять лазерні установки та електрофізичні системи для покращення екологічної ситуації; розроблення математичних моделей і програм для розрахунку складних видів пошкоджень автотрансформаторів 750 кВ з поздовжньо-поперечним регулюванням напруги; дослідження процесів самозапуску двигунів власних потреб електростанцій; створення математичного і програмного забезпечення для дослідження і проектування електромагнітних пристроїв; розроблення ємнісного подільника з узгоджуючим операційним посилювачем для заміни індукційних трансформаторів напруги; дослідження коронуючих ліній і створення математичного та програмного забезпечення відображення їх режимів за даними ОІК з врахуванням погодних умов; математичне моделювання автономних електроенергосистем з вентильними перетворювачами; математичне моделювання та дослідження електропересильні 1150 кВ з СТК; дослідження якості електроенергії на межі електроенергосистема — електроспоживач, визначення збитків від її погіршення та розроблення способів і засобів її покращення; дослідження електромагнітної сумісності дугових сталетопильних печей; моделювання й дослідження електроенергосистем з асинхронним генератором і вентильним перетворювачем.

Відомо, що за певних умов в електричних мережах виникають ферорезонансні процеси (ФРП), які у більшості випадків призводять до пошкодження традиційних електромагнітних вимірних трансформаторів напруги (ТН) з подальшим розвитком аварійного режиму. Такі ситуації виникають достатньо часто, а їх наслідками є недовідпуск електроенергії споживачам і значні збитки для електроенергетичних систем і енергопостачальних компаній. Під керівництвом А.Журахівського за участю Ю.Кенса, Р.Мединського, П.Батенька, Н.Засідковича, А.Яцейка проведені всесторонні наукові дослідження і натурні експерименти на діючих об’єктах з аналізу ФРП в електричних мережах 6-500 кВ та розроблено комплекс нових технічних засобів для погашення ФРП або унеможливлення їх виникнення. Пристрої захисту типу ПЗФ, які призначені для виявлення виникнення й зриву ФРП в електромережах 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю, характеризуються простотою, надійністю й ефективністю. Перші взірці успішно експлуатуються з 1997 р. в електричних мережах енергопостачальних компаній «Львівобленерго», «Закарпаттяобленерго», «Прикарпаттяобленерго» та Західної електроенергетичної системи ДП НЕК «Укренерго». Впроваджено понад 45 комплектів ПЗФ. Остання модифікація ПЗФ-5 виготовлена на мікропроцесорній основі, зручна в налагодженні й експлуатації. Пристрої захисту типу ЗФР, які призначені для недопущення виникнення ФРП в електромережах 110-750 кВ, використовують принципово новий підхід, розроблені на базі швидкодійних комутаційних елементів і не мають аналогів у світі. Пристрої ЗФР впроваджені й успішно виконують захисні функції на підстанціях «Калуш» — 220 кВ і «Західноукраїнська» — 330 кВ Західної електроенергетичної системи. У разі спорудження нових підстанцій 6-35 кВ чи заміни ТН на діючих підстанціях доцільно встановлювати нерезонуючі трансформатори напруги (НТН), розроблені на нових засадах в комплексі з мікропроцесорними вимірювачами напруги (ВН). Ці НТН принципово унеможливлюють виникнення ФРП, а пристрої ВН дозволяють вимірювати діючі значення фазних і лінійних напруг, сигналізувати про появу замикання фази на землю та пересилати інформацію в будь-яку мікропроцесорну систему. Цей комплекс немає аналогів у світі, а в Україні впроваджено понад 50 НТН. Актуальність досліджень, очолюваних А.Журахівським, підтверджується роботами, виконаними у 2008 р. за замовленням однієї з провідних зарубіжних електротехнічних фірм.

Під керівництвом О.Скрипника за участю П.Барана, В.Коновала, Л.Сторчуна, Т.Гречина (каф. ЕПМС) та Л.Романова і О.Скрипника (ВЕО «Львівобленерго») розроблений діалоговий автоматизований комплекс аналізу режимів (ДАКАР) електроенергетичних систем, який забезпечує диспетчерським службам і службам режимів усіх ієрархічних рівнів оперативного керування цими системами розв’язування більшості електротехнічних задач — від розрахунку струмів коротких замикань й аналізу усталених режимів з постійною і змінною частотою до аналізу довготривалих перехідних електромеханічних процесів з врахуванням реакції теплоенергетичного устаткування електростанцій. Подібні комплекси в Україні відсутні, а в порівнянні з прототипами деяких розробок Росії він є конкурентноздатним. ДАКАР вже багато років використовується у ряді електроенергосистем України і країн СНД, а його впровадження, особливо в електроенергосистеми Росії, триває.

На основі запропонованого Г.Лисяком методу узагальнених незалежних змінних (УЗН) були розроблені спільно з О.Данилюком математична і цифрова моделі електричних систем змінно-постійного струму для ефективного аналізу довільних усталених режимів з врахуванням дії пристроїв керування елементів підсистеми постійного струму. Ці моделі не мали рівноцінних аналогів як в Україні так і в країнах СНД. Метод УНЗ й надалі використовується в ряді інших наукових досліджень і практичних розробок. Для чисельного розв’язання рівнянь перехідних процесів Г.Лисяком розроблений багатокроковий неявний метод формул інтегрування назад (ФІН), який забезпечує на порядок вищу точність розрахунків порівняно з відомим методом формул диференціювання назад (ФДН), а також запропонований разом з О.Равликом і Я.Пазиною спосіб оцінювання локальної похибки під час чисельного розв’язання диференційних рівнянь явними однокроковими методами.

Результатом спільних наукових пошуків Г.Лисяка та А.Маліновського і Л.Никонця (каф. ЕПМС) стали нові схемно-технічні вирішення з підвищення надійності роботи електричних станцій і підстанцій, у тому числі: системи електропостачання власних потреб енергоблоків електростанцій, у яких застосування додаткового робочого трансформатора власних потреб забезпечує підтримання бажаного рівня напруги на електроприймачах власних потреб під час зовнішніх коротких замикань; трансформаторні агрегати, у яких відсутні надструми під час виникнення виткових і міжкотушкових замикань їх обмоток; схеми електричної частини енергоблоків електростанцій на базі трифазних незв’язаних шестипровідних систем змінного струму, у яких, порівняно з традиційними, значно нижчий рівень перенапруг під час однофазних замикань на землю та відсутні надструми під час міжфазних коротких замикань. У дослідженні режимних властивостей таких схем активну участь брали О.Пастух і В.Коновал.

Під керівництвом В.П.Кідиби за участю П.М.Барана, а також В.М.Шмагали (випускник кафедри, тепер провідний інженер ВАТ «Західенергоавтоматика», м. Львів), розроблена цифрова система тестування, призначена для налагодження та перевірки пристроїв релейного захисту та автоматики (РЗА) як вітчизняного, так і зарубіжного виробництва, виконаних як на електромеханічній так і на цифровій основі. Система має дворівневу ієрархічну структуру. Верхній рівень створений на основі персонального комп’ютера. На нижньому рівні знаходиться спеціальний випробувальний пристрій, до якого безпосередньо під’єднується об’єкт перевірки. Спеціальне програмне забезпечення GRAN Test System призначене для керування цифровою системою тестування та формування цифрограм для перевірки пристроїв РЗА. Це забезпечення має зручний та простий інтерфейс користувача. За допомогою програмного забезпечення реалізуються такі задачі: формування параметрів перевірки пристроїв РЗА; формування різних видів цифрограм перевірки; автоматичний аналіз результатів перевірки; формування результатів перевірки (протоколи); формування бібліотеки тестів для перевірки та налагодження типових пристроїв РЗА; підтримання конфігурації цифрових терміналів у міжнародному форматі RIO.

За результатами наукових досліджень з розв’язання задач аналізу й оптимізації режимів на базі нейромережевих технологій, якими керує О.Данилюк, створено новий метод оперативного моделювання режимів електричних мереж енергопостачальних компаній в умовах невизначеності, який носить назву методу нейроматематичного моделювання, цілий ряд спеціалізованих математичних моделей, а також програмні комплекси, які впроваджені в АСДК енергопостачальних компаній, у тому числі: АРЕМ — «Аналіз режимів електричних мереж»; АСТОР — «Автоматизована система технічного обслуговування ремонтів силового обладнання електричних мереж»; ЗОДІАК — «Задачі оперативно-диспетчерського інформаційно-аналітичного комплексу». В цих роботах брали участь З.Бахор, Н.Дьяченко, С.Дьяченко, А.Козовий, Б.Дурняк, а також випускники кафедри Р.Саєвич, М.Швець, Я.Міркевич, В.Рибак.

Широкі можливості дослідження електротехнічних і електроенергетичних систем, їх пристроїв релейного захисту, автоматики, регулювання й керування в природніх координатах режиму забезпечує створений під керівництвом О.Равлика за участю Т.Гречина (каф. ЕПМС) і Н.Равлика (випускник каф. ЕСМ, тепер викладач каф. ЕС) автоматизований програмний комплекс. Цей, практично універсальний, комплекс призначений для експлуатації на персональних комп’ютерах типу ІВМ РС в середовищі Win 32 (Windows NT, Windows 95) і дозволяє вирішувати такі задачі: аналіз електромагнітних та електромеханічних процесів в лінійних і нелінійних колах довільної конфігурації, що містять електричні лінії, електромагнітні й комутаційні апарати, вентильні пристрої, синхронні й асинхронні машини та їх пристрої РЗА, регулювання й керування; визначення оптимальних параметрів для настроювання систем автоматичного регулювання, підбір алгоритмів і постійних часу регулювання для отримання бажаної якості процесів; візуальне програмування алгоритмів роботи пристроїв РЗА й керування і транслювання цих алгоритмів у машинні коди відповідних мікропроцесорних систем, параметричну й структурну оптимізацію проектованих пристроїв шляхом багатоваріантних розрахунків на основі підбору параметрів і схем з’єднання елементів цих пристроїв; створення автоматизованих систем навчання тощо. Перша версія цього комплексу (RE), яка була створена О.Равликом і Т.Гречином за наукових консультацій В.Стряпана і Г.Лисяка в кінці 80-х років, вже тоді за оцінками користувачів з «НИИПТу», Всесоюзного електротехнічного інституту (Москва) та ВЕО «Львівенерго» була однією з кращих в колишньому Союзі. Слід зазаначити, що практично всі дослідження електромагнітних процесів проводилися в останні роки працівниками кафедр електроенергетичного спрямування саме з використанням різних версій цього програмного комплексу.

Наукові дослідження, які проводяться під керівництвом Ю.Варецького, пов’язані з проблемами якості електричної енергії, її впливом на режими та експлуатацію електричних мереж. В результаті здійснених робіт розвинуто й узагальнено теоретичні основи побудови засобів компенсації реактивної потужності для систем електропостачання неконвенційних навантажень, які є джерелом погіршення якості електроенергії в електричних мережах. В рамках цих досліджень опрацьовано методологію аналізу режимів електричних мереж та систем електропостачання неконвенційних навантажень зі статичними тиристорними компенсаторами, котра має важливе значення для електроенергетики і спрямована на створення системного підходу до їх проектування. Вона охоплює принципи побудови систем регулювання, методи вибору та розрахунку параметрів обладнання, оцінки ефективності застосування статичних тиристорних компенсаторів, методологію. Розвинуто методологію дослідження процесів, що супроводжують замикання на землю та комутаційні операції в мережах, що містять конденсаторні батареї, силові фільтри вищих гармонік, статичні тиристорні компенсатори. Встановлено характеристики та розроблено інженерні методи оцінки рівнів перенапруг на обладнанні цих пристроїв під час повторно-нестійких замикань на землю в приєднаній мережі. Пояснено причини, встановлено умови існування та згасання субгармонічного резонансу, що викликається короткочасними замиканнями на землю у мережах з ізольованою нейтраллю, та запропоновано інженерний метод оцінки умов існування субгармонічного резонансу. Враховуючи зростаюче насичення електричних мереж споживачами з нелінійними характеристиками і потребу їх контролю з боку електропостачальних компаній, під керівництвом Ю.Варецького розроблено інтелектуальну систему неперервного спостереження за якістю електроенергії у мережі та постійного контролю впливу компенсувальних пристроїв на рівень гармонік. Ця система побудована на технології штучних нейронних мереж і не потребує встановлення дорогих аналізаторів якості електроенергії у вузлах електричної мережі. Результати досліджень впроваджено в експлуатацію електричних мереж та практику їх проектування.

Дослідженнями з вирішення проблем захисту приєднань секцій шин підстанцій 6-35 кВ і діагностування стану ізоляції кабельних ліній на базі впровадження мікропроцесорних пристроїв керує І.Сабадаш (одним з ініціаторів цих робіт був Т.Шелепетень). У наукових дослідженнях, математичних, фізичних і натурних експериментах брали участь М.Базилевич, П.Баран, В.Кідиба, О.Равлик. На підставі одержаних результатів розроблено ряд мікропроцесорних пристроїв і систем, у тому числі: «Альтра» — призначений для діагностування стану ізоляції кабельних ліній та забезпечення селективного захисту приєднань секцій шин підстанцій електричних мереж 6-35 кВ; «Міні-«Альтра» — використовуються в сукупності з пристроєм «Альтра» для виявлення в розгалужених кабельних електричних мережах ділянок з ослабленою ізоляцією, що дозволяє своєчасно вибраковувати кабелі і уберегти від дії тривалих перенапруг електрично зв’язану мережу в цілому; «Альтра-1» — забезпечує реєстрацію аналогових і дискретних сигналів під час нормальних і аварійних режимів, що дозволяє здійснювати аналіз процесів і контролювати правильність роботи пристроїв РЗА; «Альтра-2» — забезпечує можливість діагностування стану контактів пристроїв РПН трансформаторів і автотрансформаторів шляхом осцилографування процесу їх перемикання без необхідності прямого доступу до цих контактів. Окремі з розроблених пристроїв не мають аналогів у світовій практиці.

Нині наукові дослідження викладачів кафедри в межах їх робочого часу зосереджені на виконанні таких тем:
  1. Методи та засоби нормалізації якості електроенергії в електричних мережах (керівник — д.т.н., проф. Ю.Варецький; № 0107U010244).
  2. Інтелектуальні системи підтримки прийняття рішення в процесі оперативного керування режимами електроенергетичних систем та енергопостачальних компаній (керівник — д.т.н., проф. О.Данилюк; № 0107U010254).
  3. Ферорезонансні та комутаційні процеси в електромережах, умови роботи електроустаткування, діагностика ізоляції електрообладнання (керівник — д.т.н., проф. А.Журахівський; № 0107U009531)
  4. Моделювання, аналіз, оптимізація й синтез електроенергетичних об’єктів і активних електричних мереж, їх систем керування, автоматики, захисту й діагностики станів та створення тренінгових систем (керівник — к.т.н., доц. Г.Лисяк; № 0107U008816).
З 1961 року працівниками кафедри виконано понад 100 науково-дослідних робіт за госпдоговорами і держбюджетними темами та понад 30 робіт на засадах творчої співпраці з науково-дослідними, проектними і виробничими електроенергетичними організаціями України і зарубіжних країн. Основні результати досліджень і практичних розробок впроваджуються у навчальний процес та використовуються для покращення якості підготовки фахівців-електроенергетиків.
  • Козовий Андрій Богданович — к.т.н., асистент каф. ЕСМ;
  • Базилевич Микола Володимирович — асистент каф. ЕСМ;
  • Дурняк Богдан Іванович — асистент каф. ЕСМ;
  • Пазина Ярослав Степанович — асистент, зав. лаб. каф. ЕСМ.