Том 337 № 5 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/5/5562
Расчет статической устойчивости с применением теории планирования эксперимента сложной системы электроснабжения газового месторождения
Актуальность исследования обусловлена необходимостью оценки статической устойчивости системы электроснабжения с источниками распределенной генерации при проектировании газовых месторождений. На ранних стадиях проектирования, когда необходимо определить концепцию системы электроснабжения, выполняется разработка и анализ различных вариантов схем электроснабжения. Большой объем и сложность вычислений статической устойчивости сложных систем требуют значительного количества трудозатрат и времени на расчет каждого варианта концептуальной схемы. Цель: разработка математической модели сложной системы электроснабжения газового месторождения для расчета статической устойчивости с применением теории планирования эксперимента и повышения эффективности разработки электротехнической части проектной документации. Объект: магистральная схема электроснабжения «одна сквозная магистраль». Методы: математическое моделирование, статистический анализ, теория планирования эксперимента, имитационное моделирование с использованием программного пакета Matlab. Результаты и выводы. В результате проведенного анализа существующих методов расчета статической устойчивости сложных систем определены технические параметры оптимизации. Установлены наиболее значимые влияющие факторы и диапазоны их варьирования. Представлены полученные уравнения регрессии для определения предельной передаваемой мощности и коэффициента запаса статической устойчивости. Выполнен расчет статической устойчивости для газового месторождения с магистральной схемой «одна сквозная магистраль» с двумя источниками распределенной генерации согласно существующим методикам расчета. В соответствии с классической теорией устойчивости синхронных машин, которая лежит в основе традиционной методики расчета статической устойчивости, в программном пакете Matlab построена имитационная модель и определена статическая устойчивость системы. Выполнен расчет статической устойчивости с применением полученных уравнений регрессии. Выполнено сравнение полученных по трем методикам результатов. Погрешность расчетов коэффициента запаса статической устойчивости с применением уравнения регрессии относительно классической методики расчета не превысила 10 %. Также было проведено сравнение временных затрат на выполнение расчетов по каждой из трех методик. Расчет с применением уравнений регрессии показал значительное преимущество по времени. Таким образом, результаты исследования свидетельствуют о возможности применения математической модели, полученной с использованием теории планирования эксперимента, на этапе концептуального проектирования газовых месторождений для повышения эффективности разработки электротехнической части проектной документации.
Батурин Н.С., Богачков И.М., Хамитов Р.Н., Жеребцов С.Н. Расчет статической устойчивости с применением теории планирования эксперимента сложной системы электроснабжения газового месторождения. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2026, Т. 337, № 5, С. 144-159. https://doi.org/10.18799/24131830/2026/5/5562
Ключевые слова:
статическая устойчивость, теория планирования эксперимента, распределенная генерация, газовое месторождение, синхронный генератор, уравнение регрессии
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Косарев Б.А., Федоров В.К., Хамитов Р.Н. Моделирование включения активного потребителя на параллельную работу с системой электроснабжения нефтегазодобывающего предприятия. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2020, Т. 331, № 8, С. 144–153. DOI: 10.18799/24131830/2020/8/2776
2. Косарев Б.А., Кощук Г.А., Федоров В.К., Полынцев Л.Г. Динамическое перераспределение источников питания в электротехнической системе с распределенной генерацией. Омский научный вестник, 2019, № 2 (164), С. 50–55. DOI: 10.25206/1813-8225-2019-164-50-55.
3. ГОСТ 20375-2014. Установки электрогенераторные с двигателями внутреннего сгорания. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2015. 12 с.
4. Глазырин А.С., Боловин Е.В., Архипова О.В., Ковалев В.З., Хамитов Р.Н., Кладиев С.Н., Филипас А.А., Тимошкин В.В., Копырин В.А. Адаптивное краткосрочное прогнозирование потребления электроэнергии автономными энергосистемами малых северных поселений на основе методов ретроспективного регрессионного анализа. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2023, Т. 334, № 4, С. 231–248. DOI: 10.18799/24131830/2023/4/4213.
5. Hossain A., Negnevitsky M., Wang X., Franklin E., Hassan W., Hossein M.A., Gray E., Hosseinabadi P.A. Control system design challenges in renewable energy based offshore DC microgrids. International Marine Energy Journal, 2026, Vol. 8, P. 459–464. DOI: 10.36688/imej.8.459-464.
6. ГОСТ Р 51238-2025. Возобновляемая энергетика. Гидроэнергетика малая. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2026. 16 с.
7. Sikiru A., Shu'aibu Y., Amoo A., Sadiq A., Yisah Y. Potential of renewable energy sources for distributed generations: an overview. International Journal of Scientific Advances, 2023, Vol. 4, P. 107–117. DOI: 10.51542/ijscia.v4i1.21.
8. Илюшин П.В. Интеграция электростанций на основе возобновляемых источников энергии в Единой энергетической системе России: обзор проблемных вопросов и подходов к их решению. Вестник Московского энергетического института. Вестник МЭИ, 2022, № 4, С. 98–107. DOI: 10.24160/1993-6982-2022-4-98-107.
9. Fose N., Singh A.R., Krishnamurthy S., Ratshitanga M., Moodley P. Empowering distribution system operators: a review of distributed energy resource forecasting techniques. Heliyon, 2024, Vol. 10 (15), P. 1–27. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e34800.
10. Gu S., Lu Y., Gu H. Comparative study on static voltage stability indices of new energy power station grid-connected system. Journal of Engineering Research and Reports, 2025, Vol. 27, P. 524–532. DOI: 10.9734/jerr/2025/v27i3144.
11. Arechkik A., Loudiyi K., Aggour M. Steady state and dynamic analysis of renewable energy integration into the grid using PSS/E software. Energy Procedia, 2017. Vol. 141. P. 119–125. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.11.023.
12. Веников А.В. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М.: Высшая школа, 1985. 536 с.
13. Куликов Ю.А. Переходные процессы в электрических системах. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2006. 278 с.
14. Гуревич Ю.Е., Либова Л.Е., Окин А.А. Расчеты устойчивости и противоаварийной автоматики в энергосистемах. М.: Энергоатомиздат, 1990. 392 с.
15. Хемминг Р.В. Численные методы для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1972. 400 с.
16. Пирумов У. Г. Численные методы. М.: Юрайт, 2026. 421 с.
17. Shi J., Cai Y., Hong X. Early-stage power system planning for remote industrial facilities. IEEE Transactions on Power Delivery, 2020, Vol. 35, P. 892–902. DOI: 10.1093/ietfec/e91-a.12.3443.
18. Hu J. Stability analysis and optimization of power grids with high penetration of renewable energy: a comprehensive review. Applied and Computational Engineering, 2025, Vol. 147, P. 232–237. DOI: 10.54254/2755-2721/2025.22914.
19. Гуревич Ю.Е., Илюшин П.В. Особенности расчетов режимов в энергорайонах с распределенной генерацией: монография. Нижний Новгород: НИУ РАНХиГС, 2018. 280 с.
20. Сопов В.И., Щуров Н.И. Электроснабжение нефтегазовых комплексов и производств. Новосибирск: НГТУ, 2017. 168 с.
21. Milano F. An open source power system analysis toolbox. IEEE Transactions on Power Systems, 2005, Vol. 20, P. 1199–1206. DOI: 10.1109/TPWRS.2005.851911.
22. Pierobon L., Iyengar K., Breuhaus P., Kandepu R., Haglind F., Hana M. Dynamic stability analysis of offshore oil and gas platform power systems. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, Vol. 55, P. 3782–3792. DOI: 10.1115/GT2014-25497.
23. Веников А.В. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976. 479 с.
24. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. М.: Наука, 1976. 279 с.
25. СО 153-34.20.576-2003. Методические указания по устойчивости энергосистем. М.: НЦ ЭНАС, 2004. 18 с.
26. Eid A., Alsafrani M. Multi-criteria assessment of optimization methods for controlling renewable energy sources in distribution systems. Scientific Reports, 2025, Vol. 15, P. 1–9. DOI: 10.1038/s41598-025-20339-5.
27. СТО Газпром 2-6.2-1028-2015. Категорийность электроприемников промышленных объектов ПАО «Газпром». М.: Газпром, 2015. 65 с.
28. Батурин Н.С., Богачков И.М., Хамитов Р.Н. Размещение распределительного пункта на генплане сборного пункта с учетом всего жизненного цикла газового месторождения. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2024, Т. 336, № 5, С. 195–206. DOI: 10.18799/24131830/2025/5/4903.
29. Батурин Н.С., Хамитов Р.Н., Шлык Ю.К., Литвинова Н.А., Степанов О.А. Оценка экономической эффективности применения систем накопления электрической энергии на кустах газовых скважин. Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2025, № 4, С. 309–324. DOI: 10.24412/2071-6168-2025-4-309-310.
30. Глазырин А.С., Исаев Ю.Н., Кладиев С.Н., Леонов А.П., Раков И.В., Колесников С.В., Ланграф С.В., Филипас А.А., Копырин В.А., Хамитов Р.Н., Ковалев В.З. Оптимизация порядка редуцированной динамической модели ненагруженного нефтепогружного кабеля на основе аппроксимации амплитудно-частотной характеристики. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2021, Т. 332, № 9, С. 154–167. DOI: 10.18799/24131830/2021/9/3365.
31. Боловин Е.В., Глазырин А.С. Метод идентификации параметров погружных асинхронных электродвигателей установок электроприводных центробежных насосов для добычи нефти. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2017, Т. 328, № 1, С. 123–131.
32. Xu C., He S., Wang L., Yu H. Difference analysis method of grid connection influence between CRE and DRE based on bus state trajectory. Frontiers in Energy Research, 2023, Vol. 11, P. 1–9. DOI: 10.3389/fenrg.2023.1266252.
33. Isong U., Okpura N., Oritsetimeyin Tim P. The IEEE 33 bus distribution system load flow analysis using newton Raphson method. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology, 2023, Vol. 10, P. 16039–16047.
34. Khan H., Hanif A., Anwar N. Rotor angle and voltage stability analysis with fault location identification on the IEEE 9 bus system. Engineering, Technology & Applied Science Research, 2025, Vol. 10, P. 5259–5264. DOI: 10.48084/etasr.3175.
35. Öztürk S., Çifci, A. Investigating transient responses of IEEE 6 bus power system to various fault types using PowerWorld simulator. International Scientific and Vocational Studies Journal, 2024, Vol. 8, P. 137–151. DOI: 10.47897/bilmes.1565442.
36. Vaithilingam C., Alsakati A., Alnasseir J. Transient stability analysis of IEEE 9-bus system integrated with DFIG and SCIG based wind turbines. Journal of Physics: Conference Series, 2021, Vol. 2120, P. 1–15. DOI: 10.1088/1742-6596/2120/1/012023.
37. Глазырин А.С., Исаев Ю.Н., Копырин В.А., Тимошкин В.В., Кладиев С.Н., Хамитов Р.Н., Ковалев В.З., Лосев Ф.А., Леонов А.П., Попов Е.И. Переходные процессы в электротехническом комплексе добывающей скважины с внутрискважинным компенсатором реактивной мощности. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2023, Т. 334, № 5, С. 168–180. DOI: 10.18799/24131830/2023/5/4255.
38. Лосев Ф.А., Сушков В.В. Поликритериальный подход к анализу мероприятий по повышению устойчивости узлов электродвигательной нагрузки нефтедобывающих предприятий. Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов, 2019, Т. 330, № 8, С. 55–64. DOI: 10.18799/24131830/2019/8/2212.
REFERENCES
1. Kosarev B.A., Fedorov V.K., Khamitov R.N. Modeling the connection of a prosumer inparallel operation with the power supply system of an oil and gas production enterprise. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2020, vol. 331, no. 8, pp. 144–153. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2020/8/2776.
2. Kosarev B.A., Koshchuk G.A., Fedorov V.K., Polyntsev L.G. Dynamic redistribution of power sources in an electrical system with distributed generation. Omsk Scientific Bulletin, 2019, vol. 2 (164), pp. 50–55. (In Russ.) DOI: 10.25206/1813-8225-2019-164-50-55.
3. SS 20375-2014. Electrogenerator sets with internal combustion engines. Terms and definitions. Moscow, Standartinform Publ., 2015. 12 p. (In Russ.)
4. Glazyrin A.S., Bolovin E.V., Arkhipova O.V., Kovalev V.Z., Khamitov R.N., Kladiev S.N., Filipas A.A., Timoshkin V.V., Kopyrin V.A. Adaptive short-term forecasting of electricity consumption by autonomous power systems of small northern settlements based on retrospective regression analysis methods. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334, no. 4, pp. 231–248. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/4/4213.
5. Hossain A., Negnevitsky M., Wang X., Franklin E., Hassan W., Hossein M.A., Gray E., Hosseinabadi P.A. Control System Design Challenges in Renewable Energy based Offshore DC Microgrids. International Marine Energy Journal, 2026, vol. 8, pp. 459–464. DOI: 10.36688/imej.8.459-464.
6. SS 51238-2025. Renewable energy. Small hydropower. Terms and definitions. Moscow, Standartinform Publ., 2026. 16 p. (In Russ.)
7. Sikiru A., Shu'aibu Y., Amoo A., Sadiq A., Yisah Y. Potential of renewable energy sources for distributed generations: an overview. International Journal of Scientific Advances, 2023, vol. 4. pp. 107–117. DOI: 10.51542/ijscia.v4i1.21.
8. Ilyushin P.V. Integration of power plants based on renewable energy sources in the Unified Energy System of Russia: review of problematic issues and approaches to their solution. Bulletin of the Moscow Power Engineering Institute. Bulletin of the MEI, 2022, no. 4, pp. 98–107. (In Russ.) DOI: 10.24160/1993-6982-2022-4-98-107.
9. Fose N., Singh A.R., Krishnamurthy S., Ratshitanga M. P.Moodley Empowering distribution system operators: a review of distributed energy resource forecasting techniques. Heliyon, 2024. vol. 10 (15), pp. 1–27. DOI: 10.1016/j.heliyon.2024.e34800.
10. Gu S., Lu Y., Gu H. Comparative study on static voltage stability indices of new energy power station grid-connected system. Journal of Engineering Research and Reports, 2025, vol. 27, pp. 524–532. DOI: 10.9734/jerr/2025/v27i3144.
11. Arechkik A., Loudiyi K., Aggour M. Steady state and dynamic analysis of renewable energy integration into the grid using PSS/E software. Energy Procedia, 2017, vol. 141, pp. 119–125. DOI: 10.1016/j.egypro.2017.11.023.
12. Venikov A.V. Transient electromechanical processes in electrical systems. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1985. 536 p. (In Russ.)
13. Kulikov Yu.A. Transient processes in electrical systems. Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University Publ., 2006. 278 p. (In Russ.)
14. Gurevich Yu.E., Libova L.E., Okin A.A. Calculations of stability and emergency automation in power systems. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1990. 392 p. (In Russ.)
15. Hemming R.V. Numerical methods for scientists and engineers. Moscow, Nauka Publ., 1972. 400 p. (In Russ.)
16. Pirumov U.G. Numerical methods. Moscow, Yurayt Publ., 2026. 421 p. (In Russ.)
17. Shi J., Cai Y., Hong X. Early-stage power system planning for remote industrial facilities. IEEE Transactions on Power Delivery, 2020, vol. 35, pp. 892–902. DOI:10.1093/ietfec/e91-a.12.3443.
18. Hu J. Stability analysis and optimization of power grids with high penetration of renewable energy: a comprehensive review. Applied and Computational Engineering, 2025, vol. 147, pp. 232–237. DOI:10.54254/2755-2721/2025.22914.
19. Gurevich Yu.E., Ilyushin P.V. Features of regime calculations in energy districts with distributed generation. Monograph. Nizhny Novgorod, RANEPA Publ., 2018. 280 p. (In Russ.)
20. Sopov V.I., Shchurov N.I. Power supply of oil and gas complexes and production facilities. Novosibirsk, NSTU Publ., 2017. 168 p. (In Russ.)
21. Milano F. An open source power system analysis toolbox. IEEE Transactions on Power Systems, 2005, vol. 20, pp. 1199–1206. DOI: 10.1109/TPWRS.2005.851911.
22. Pierobon L., Iyengar K., Breuhaus P., Kandepu R., Haglind F., Hana M. Dynamic stability analysis of offshore oil and gas platform power systems. IEEE Transactions on Industry Applications, 2019, vol. 55, pp. 3782–3792. DOI: 10.1115/GT2014-25497.
23. Venikov A.V. Theory of similarity and modeling. Moscow, Vysshaya shkola Publ., 1976. 479 p. (In Russ.)
24. Adler Yu.P., Markova E.V., Granovsky Yu.V. Experiment planning in the search for optimal conditions. Moscow, Nauka Publ., 1976. 279 p. (In Russ.)
25. SO 153-34.20.576-2003. Methodological guidelines on power system stability. Moscow, NTC ENAS Publ., 2004. 18 p. (In Russ.)
26. Eid A., Alsafrani M. Multi-criteria assessment of optimization methods for controlling renewable energy sources in distribution systems. Scientific Reports, 2025, vol. 15, pp. 1–9. DOI: 10.1038/s41598-025-20339-5.
27. STO Gazprom 2-6.2-1028-2015. Power receiver categorization of industrial facilities of PJSC Gazprom. Moscow, Gazprom Publ., 2015. 65 p. (In Russ.)
28. Baturin N.S., Bogachkov I.M., Khamitov R.N. A distribution point placement on the general plan of the assembly point, taking into account the entire life cycle of a gas field. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2024, vol. 336, no. 5, pp. 195–206. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2025/5/4903.
29. Baturin N.S., Khamitov R.N., Shlyk Yu.K., Litvinova N.A., Stepanov O.A. Assessment of the economic efficiency of using electric energy storage systems in gas well bushes. Bulletin of the Tula State University. Technical sciences, 2025, no. 4, pp. 309–324. (In Russ.) DOI: 10.24412/2071-6168-2025-4-309-310.
30. Glazyrin A.S., Isaev Yu.N., Kladiev S.N., Leonov A.P., Rakov I.V., Kolesnikov A.V., Langraf S.V., Filipas A.A., Kopyrin V.A., Khamitov R.N., Kovalev V.Z. Unloaded oil-submersible cable reduced dynamic model order optimization based on the frequency response approximation. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2021, vol. 332, no. 9, pp. 154–167. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2021/9/3365.
31. Bolovin E.V., Glazyrin A. S. Method for identifying parameters of submersible induction motors of electrical submersible pump units for oil production Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2017, vol. 328, no. 1, pp. 123–131. (In Russ.)
32. Xu C., He S., Wang L., Yu H. Difference analysis method of grid connection influence between CRE and DRE based on bus state trajectory. Frontiers in Energy Research, 2023, vol. 11, pp. 1–9. DOI: 10.3389/fenrg.2023.1266252.
33. Isong U., Okpura N., Oritsetimeyin Tim P. The IEEE 33 bus distribution system load flow analysis using newton Raphson method. Journal of Multidisciplinary Engineering Science and Technology, 2023, vol. 10, pp. 16039–16047.
34. Khan H., Hanif A., Anwar N. Rotor angle and voltage stability analysis with fault location identification on the IEEE 9 bus system. Engineering, Technology & Applied Science Research, 2025, vol. 10, pp. 5259–5264. DOI: 10.48084/etasr.3175.
35. Öztürk S., Çifci A. Investigating transient responses of IEEE 6 bus power system to various fault types using PowerWorld simulator. International Scientific and Vocational Studies Journal, 2024, vol. 8, pp. 137–151. DOI: 10.47897/bilmes.1565442.
36. Vaithilingam C., Alsakati A., Alnasseir J. Transient stability analysis of IEEE 9-bus system integrated with DFIG and SCIG based wind turbines. Journal of Physics: Conference Series, 2021, vol. 2120, pp. 1–15. DOI: 10.1088/1742-6596/2120/1/012023.
37. Glazyrin A.S., Isaev Yu.N., Kopyrin V.A., Timoshkin V.V., Kladiev S.N., Khamitov R.N., Kovalev V.Z., Losev F.A., Leonov A.P., Popov E.I. Transient processes in electricalcomplex of production well with downhole compensator of reactive power. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2023, vol. 334. no. 5. pp. 168–180. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2023/5/4255.
38. Losev F.A., Sushkov V.V. Polycriterial approach to the analysis of measures to improve the stability of electric motor load units of oil producing enterprises. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Аssets Engineering, 2019, vol. 330, no. 8, pp. 55–64. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2019/8/2212.
