автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Анализ электромеханических переходных процессов в автоматизированных электрических системах при вариациях параметров и больших возмущений

МОСКОВСКИЙ. ордена ЛШИЯА и ордена. ОКТЯБРЬСКОЙ РШШШИ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах< рукописи

джшхт. АСШ ЗАДЕНОШ.

АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В АВТОМАИШРОВАННЩ. ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ОРИ. ВАРИАЦИЯХ ПАРАМЕТРОВ И БОЛЬШИХ ЮЗМУШИН

Специальность 05.1'».02 - Электрические-станцкт (элеюгряпеслая часть)., caw, электроэнергетические: сясяямв и управление- имм

АВТОР® ЕР AI

/диссертации на соискание, ученой степени; tyf кандидата технических науа.

Москва. - 1992

Работа выполнена на кафедре "Электроэнергетические системы"' Московского ордена Ленина к ордена Октябрьской, Револвции. энергетического института.

Научная руководитель.

Официальные оппоненты

- кандидат технических, наук, доцент

Путятин Евгений. Валентинович

- доктор технических наук, профессор

Шакарян Юрий. Гевондович

кандидат технических.наук, доцент

Суханов Олег Алексеевич

Ведущая организация

- производственное энергетическое. управление "Армглав-энерго"

Защита состоится "12 ■ февраля 1993 г. в аудитории Г- 201 в 16 ч» мин. на заседании специализиро-

ванного Совета К 053.16.1? Московского ордена Ленина и ордена Октябрьсхой. Революции энергетического института.

Адреса 105835, ГСП, Москва, Е- 250, ул. Красноказарменная, д. 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке.1 МЭИ.

Автореферат разослан "_"_ 1993 г.

Учений, секретарь Специализированного Совета К 053.16.17 ^ С.А. Барабанов

ОБЩАЯ ХАРАКТШСШКА РАОДШ

Актуальность темы. Развитее современной! энергетики! идет. по пути создания объединенных энергетических систем-, для которых, особое значение приобретает задача анализа и управления нормальными, и переходным*, режимами энергосистем; а также повышения надежности: и бесперебойности электроснабжения потребителей.

Электромеханические п:;реходнич процессы (ЗМПП), при. больших ьозмуцсниях в современных сложных, автоматически, управляем!« электроэнергетических системах (ЭЭС) описываются нелинейными, дифференциальными; уравнениями', высокого порядка, для которых решение обычно получает численными, методами. Это затрудняет лрояеденна' качеатиокного анализа и осуществление быстрых прогнозов характеристик переходных* процессов, необходимых для операторного управления процесса«».

В этой связи, становится актуальной, задача разработки достаточно простых приближенных методов описания переходи!«, процессов, основанных', на уравнениях в вариациях, позволяющих получать, характеристики этих процессов в вида-функциональных, зависимостей от влияющих параметров, т.е. возникает необходимость в разработке метода, позволявшего получать, зависимость между варьируемым» параметрами и параметрами, опре»-доляощими протекание переходного процесса.Таким образом, для адокьатного описания и анализа ЭНПП в современных, элек-тричесхих. системах необходимо учитывать- изменения значений параметров режима и системы, вызванные неопределенностью и. неоднозначностью исходной информации, вероятностным характером возмушений. и параметров. Для эффективного управления ЗМПП. в ЗЭС необходимо располагать, достаточно: простыми методами» позволявшими осуществить быстрый, прогноз протекания ЭМПП при различных, значениях параметров и больших- возмущений» Цель работы заключается в дальнейшем развитии и: совершенствовании метода переменных- коэффициентов применяемого для анализа и управления ЗМПП б энергосистемах, оснашенних АРБ различного типа и. ЛРШ при вариациях параметров и- больштс возиуиений.

- л*. -

Методы и средства виполнения исследований. При, разработке алгоритмов разчета и исследовании переходных процессов в простых, и оложных ЭЗС на основе уравнении в вариациях различного порядка с учетом автоматического регулирования и управления использовались метода анализа устойчивости. ЭЭС, оделенные методы расчетов переходных- процессов в ЭЭС, теории электрически* систем, теория автоматического управлении. Исследования проводились с использованием ЭВМ.

Основные., положения, выносимые на защиту.

1. Алгоритм расчета ЭМПП. в электрических системах с учетом АРВ различного типа а использованием интегрального преобразования Двамеля.

2. Алгоритм расчета ЭМПП. в электрических системах с учетом АРЧВ прш вариациях параметров.

3. Алгоритм расчета ЭМПП при комплексном регулировании! АРВ и АРЧВ при. вариациях параметров и больших- возмущений.

Алгорити расчета ЭМПП в сложных автоматически, управляемых- системах при вариациях-- параметров.

Научная новизна работа заключается в следующем:

1. Разработан алгоритм расчета ЭМПП в ЭЭС, оснащенных. АРВ различного типа.

2. Разработан алгоритм расчета ЭМПП. в ЭЭС, оснащенных.

АРЧВ.

3. Разработан алгоритм аналитического определения множества характеристик ЭМПП, соответствующих: множеству варьш-руомых. параметров.

4. Разработан алгоритм расчета ЭМПП в сложных, автоматически! управляемых. ЭЭС, основанных, на уравнениях в вариациях.

Практическая ценность. Приближенное аналитическое описание ЭМПП в ЭЭС при: вариациях параметров и. больших возмущений, позволяет на основе однократного расчета опорного переходного, процесса оперативно получать, с. точностью, достаточной, для практических, целей, множество характеристик переходный процессов , соответствующих, различным сочетания* значений, параметров возмущений, а также; управляющих, воздействий, отличных* от опорных, обеспечивающих, устойчивость ЭЭС. Прогноз характеристик переходных процессов осуществляется

путем аналитического пересчета характеристик опорных: пра>-цессов а помощью заранее определенны» переменных коэффициентов. Такое прогнозирование в сочетании о. качественными', методами; анализа устойчивости дает возмоиюсть значительно сократить объем вычислений, существенно' сокращает время, необходимое для. дозировки управляющих воздействий, и значительно повышает, эффективность, управления, повышаеи оперативность определения, характеристик переходных процессов при. проектировании и эксплуатации. ЭЭС.

Предлагаемое ашиипическов'описание переходных процессов может бить положено в основу разработки, эффективных, алгоритмов адаптивного оптимального управления такили. процессами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной, работы докладывались* на научном семинаре: кафедры Электроэнергетических. систем Московского энергетического института (г.Москва, 1992)

Публикации;. По материалам диссертационной. работы опубликовано три. печатные работы.

Структура и.,объем диссертационной, работы.

Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заклЕчения, библиографического списка, вклвчаощего 77 наименований» Общий, объем диссертации составлйеЕТ 179 страниц машинописного текста, ¿9 рисунков, 4-х таблиц.

СОДЕРЖАНИЯ РАБОШ

Но- введении сформулирована цель работы, обоснована актуальность проблемы, кратко изложено содержание глав, сформулирована научная новизна получение результатов и их-практическая ценность»

Б первой, главе проведен обзор методов анализа ЭМПП на основз уравнений, в вариациях. Анализ работ показывает, что направлении развития математической; теории динамических; систем присуща тенденция замены поисков частных решений задач, изучение* семейства решений., который описывает поведение динамической, системы при. изменении', значений, ев' параметров. Это в полной, мере относится к ЭМПП. в электричес-

ких системах, для анализа которых был предложен аналитический. метод, основанный, на применении уравнений в вариациях СУА)-

Рассмотрены основные теоретические положения метода раонвта ЭМПП. в ЭЭС при: вариациях параметров. Основным положением для применения УВ является представление решения нелинейного; дифференциального; уравнения

в виде ряда Тейлора па степеням вариации; параметра

х глЬШ*/*- с 2 у

где.: < X 1) - реоенис уравнения С I ) при; опорном значению параметра уУ ~ ^ . Величины называются опорными'. Представлений решений, в вид® разложений С 2 X дает возможность проста пересчитывать характорис-тики: переходных процессов в нелинейных системах. Неизвестные, переменные; коэффициенты могут быть-определены в видев решений, уравнений п вариациях, получаемых: в результате дифференцирования по варъируешалу параметру уравнения

(1 ^ д1хЫ (з ^

Я/*1 //'</,>

Пусть 2> (- известное: опорнов рюшенж;

уравнения движения ротора генераторам.

? *п(* > '

полученное: прет опорном значении варьируемого параметра. -В35ШМНОЙ. проводимости! ^ у »

Вариация взаимной проводимости; может быть вызвана разданными- причинаии',. например, изменением места к.з. на линии. Для определения характеристик относительных1 движений ротора генератора, соответствующих различным значениям варьируемого параметра,, разложи» искомое решение & ("¿, 6) в ряд Тейлора по параметру в окрестности опорного движения

» >

(¿) -

Коэ^ициенты — Е ^ ^ определяются в вид® решении

УВ, полученных дифференцированием уравнении (4), по- варьируемому параметру б . Частные* производные от правой. части уравнения С 4. ). по -углу $ и. по. варьируемому параметру $ имевт вид:.

Зтй1 выражения при; опорном значении взаимной; проводимости1 зависят только от. времени £ „ Линейное1 дифференциальное уравнение

= о.Ю1,К) + 0 Гв (б).

названо, первым уравнением в вариация* и описывает изменение; во, времен», первого коэффициента ряда ( 2 ). Следующий! коэффициент ряда определяется решением второго УВ.

Метод переменных коэффициентов является приближенным. Погрешность получаемых результатов зависит, с одной, стороны, от количества учитываемых. членов разложения, с другой - от величины отклонения варьируемого параметра. Че» больше: ог-клонение^ тем большое, количество, членоа разложения необходимо учитывать во избегание увеличения погрешноста. Многочисленные; расчеты переходных, процессов, рассматриваемых в пределах, первого цикла качаний) роторов генераторов, покаэы-вавт, что в пределах, инженерное! точности; расчетов достаточно' учитывать не более трех, членов разложения, позволявших рассматривать практически? »се встречпюсаюея отклонении! парамет»-ров.

В диссертации исследованы юзможност», применения метода перевенных, коэффициентов для анализа ЭМПП в автонвтизиро»-панных. системах* Пусть, переходные процессы в простой, регулируемой. системе описывается системой нелинейных дифференциальных. уравнений.:

7ГГ ' ^ (8

%п - /¡* -P^ - Рчсъ ( g )

Te ^r= -J"* c 101

Уравнения С 9 )., ( Ю ). опиоаваит действие автоматического регулятора скорости вращения турбины, а С II ) описывает автоматический, регулятор возбуждения (АЕВ) в вида передатга-иоЛ функции, которая обычно задастся в операторной, форма- hi характер!3уат операции, проводимш с входная сигналон, jm свойства элементов, про ив вод яви* эта, операция!. Закон регулирования Ji параметра АРВ определяв!! изменение вынужденной составлявшей. а.д.с- синхронных машин:

Для отыскании реакции пассивной сиатекы прге гогдеЯ» етвшь то эму ценил, произвольна зависшего от времен», в тех случаях', когда известна реакция сисгеаи на касоо-либо. опро-доленнои- возмущение, применяется интагролькоа' преобразованием Двавеля: {

^ = его + /И({-г)м (r)d? с i2 j

о

Таким ойразом, характораатики. переходного процесса при: вариациях, взаимной, про водимо он в соответствии с излагаемым нэтодои' ггороиенньеь коэффициентов о продол юз то я по фор»-кула»:

№) = <Ш)> +U(t)*6 +£ Mg(t) s(t).<sd)>+ ls(t)*S+J-,

juji) = ±мл

т -- рт(Ю-> * А ^

Вторая глава посвящена проблеме управлени-я ЭМПП для обеспечения устой.чивой работы энергосистем. Существующие методы расчета переходных, процессов и определения управляющих. воздействий, обеспечиваисих. устойчивость ЗЭС прж вариациях. параметров и, больших, возмущений, требуют- многократного- проведения расчетов и. огромного, количества трудаанкик вычислений, что затрудняет успешное решение задач повыша*-нив эффективное™ автоматического управление этими, про неосами. Цель противоаварийного управления - понижение надежности-, энергоснабжения потребителей. Разработка и. совериеш-атвование противоаварийной. автоматики-, заключается на' только в создании, новых, средств и; способов управления, но и в развитии математических-, методов, положенных* в основу алгоритмов определения дозировок, воздействия. Эффективность управлении определяете* тем, насколыш быстро, систеиа возбужден»-я отрабатываем сигнал управлени-я, бветродейхггвиеи системы возбуждения и, максимально, возможны» значение* напряжения возбуждения (/¿.рог ► Пусть. <($(¿У>неко торий. известный опорный, процесс, протекающий: в соответствии а задана ныл значением опорного параметра < П> , Есл» параиотрв представляют собой, ей личины настроечных коэффициентов ю№ уставок регуляторов, то ( О ) позволяет быстро прогновиря»-вать переходные^ процессы прж вариадопх упраалявютх БОздеЯг-ствий. Любой. другоа переходный процшге» соотвагтствуюсога прокзволыюву значение параметр« /7г <П> + Д П моют быть приближенно, определен по> соотношение

с о)

Одна» из возможны*, путай определения функции управляющего воздействие кокет быть, использование методов оптижигвнога управления. В качеетвв; варьируемога параметра в данной работа: рассматривается Кои . Закон! управления Кви (0 определяется решением' аяедуювгай оптмниаациоиной. задач»:

дхя каждого момента времени! t С ¿н < £ < ¿л } найям; минимум функции:

Р - /Ы Ы0) - д;о)ЛсИ ( ю

о

пр». ограничении' Иоит^п ^ /^м (1) £ А'ои>'"ях ( 15 ) Эта задача решается & целыг нахождения некоторого управляющего. воздействии для исследования применимоскс уравнеь-ний в вариациях. Такие- образом, вводя соо.тветствушшг обозначения И', продифференцировав систему нелинейны» дифференциальных. уравнений., алисывающи» управляемый переходный процесс по. варьируемому параметру /^осг , записок систему первых УВ.

с//' /

V ж

гр. г//з / _ <?£% = /с

осг

+ Е*1гс 5$ I*

Решая эти; уравнения, можно, получить характеристики: множества переходных', процессов при вариации, коэффициента регулирования по. отклонения напряжения /{щг в виде:.

dit) -- <d(t)> - Л (t)A kv frU ■ • s(i) = <S(t)> + L Мл /fotr + £ Ms (t) * foi

£j(t)--<Ef'(t)> +¿6, +J?

С помощью вьнеиаложенного метода переменных: коэффициентов на основе' однократного расчета при известных законах, управления можно провести', быстрое прогнозирование переходных, прэ-цзссов при! варнаци1ях. управляли« воздействий.

Аналогичным образом' рассматривалась, возможность применения метода переменных', коэффициентов для анализа управляемы» переходных, процессов в система», оснащении* автоматическим» регуляторами1 скорости'. В качестве- варьируемого параметра рассматривалась, ,т«-е. вариацк-д исходного наложения сарьокотора. Характеристики, переходного'процесса при* гариа-Jiïe* определяются аналогичным образом.

Устройства автоматики, на каждом этапе развитая авария стрзмятся восстановить нормальные.- параметры режима, отхло-нианиеся вследствие, нарушение баланса активной и реактивной мощности. Короткие, замыкания - наиболее; опасны® возмущения, так как. он» сопровождаются резким снижением' напряжения и; дро.тоюание.ч больших, токов. Именно в этих условиях, встает острая проблема обеспечения устойчивой работы энергосистемы, которая на современном уровне реиается путегг регулирующего; воздейстигя как на систему возбуждения, так и: на момент турбины, агрегата. В диссертации: рассматривается возможность, применения метода переменных, коэффициентов к решению задачи! комплексного регулирования автоматическим возбуждение» генератора и, частотой, вращения турбина. Регулируемыми: параметрами являются мощность турбины Рг и э.д.с. £уе , а варьируемыми; параметра™. - Кеч и Jl/a* . Как показывают ре»-зультаты исследований, расчет ЭМПП методом переменных; коэффициента может бить вполне распространен на случай, вариации совокупности; параметров /7< , ¿ = Характеристика

переходных процессов при атом становится функцией, многих. Б&рьируемых. параметров, т»е* ( /к, ¿=/,¡71 ). Если-

известно опорное решение уравнения движения ротора генератора при. некоторых опорных значениях параметров < Пс> , ТО для определения решений, при некоторых отклонениях параметров от опорных значений /7/ - <Пс > г/7/ , разложи» в рад Тейлора неизвестное, решение в окрестности, опорного про^-дасса как функцию многих переменных :

6(1, П1,<5а, /7/, ¿=/,Ъ)> * П; -

VI /У дХд п* Г п п\

шщл п<

Таким образом, характеристики переходного процесса при. вариациях, управляющих воздействий, а именно. и

в соответствии, с излагаемым методом будут представлены в вид® следующего, ряда:.

ёи, =<да,

+ ± ¿Ж * //¿ + ± Ща/<Л+ А Я; ¿К™-*! дА* Я! дКы дКо

В каадо* случае оценивалась погрешность, путей сравнения результатов, полученных, а помоцьо уравнений, в триащщх. и-, полученных, обычным»« методами, численного решения исходных дифференциальных: уравнений. Эта. погрешность находилась в пределах-., допустимых, для инженерных! расчетов,

В третьей глава рассмотрены аробяекы управления ЭМШ1 в сложной, оиергосиатеие. Эта система имеет избыточную моа-насжь генераторов и., она авязаиа с объединенной анергосяв-темоИ двумя мексистемнимш связям», напряжением 330 кВ » 220 кВ. Пр№ аварийном отключению В1-330 кВ еслю своевременно не предпринять, протавоаварийныа мероприятия, происходи» отключение от АПАХ ш В1-220 кВ, в ревулвтато чего появляешься иаливек. еиетивной. мопноста-, что приводят к повы-венип частоты в энергосистема^ Для предотврапения повышения частоты в знергошстпие применяв тс я устройства протаво-

аварийной, автоматики; импульсноИ разгрузки' агрегатов одной ив, станций.

Аварийная импульсная разгрузка агрегатов с: целы) по- • вншения динамической устойчивости позволяет не отключать агрегат от сети и тем самим повивает надежность энергоснабжения по сравнению с отключением генератора. Через электро-гияравлический. преобразователь (ЗГИ), в систему регулирования подается форсированный, сигнал, в вид«® прямоугольного импульса, обеспечивавший, кратковременную глубокую разгрузку турбин ни с последующим' набором нагрузки в соответствии с трабсгва-ниотяе сохранения устойчивости! в послеоварийпож реживо. Глубина № скорость разгрузки, могут быт», ианенени путом вариадая величиной, и длительность!) импульса»

Необходимая величина длительности! импульса Трал опрг>-делпется а соответствии а величиной, разгружаемой иоиности при базисных, условиях. Длительность импульса получается пути № аппроксимации полннолом второго порядка зависимости тельиоет импульса и величин» разгружаемой мосшостиь Для опрэделешго величин» разгружаемой пощноспи по условия» динамической, устойкнеостн, используется нотод, осяовага!«а на пркдципе равенства площадей, ускорения ш тдряожекип. Возтчи»-на разгружаемой мосноата; опрзделлзтоя по форяула?:

Рр*> = Рп(с} -Рп ~Рог <13»)

•Ваетгсша разгружаедюй. мовдоост, получвяная по ( 15 ) гхрэ> образуетоя. в. рахнозиатлуа длительность ижпульса разгрузки, пути аппроксимации полилогам втарога порядка заЕисинэстт

ТроЛ«а0* а* Ры + ал Р^*

В качостве: созвусения рассматривало о ь двухфазное корот*-кооз заишсание на зеюп на линии 330 кВ вблягам от: шин 330 кВ е отвлечением поврожденноа линии на 0.16 сот. С далад обеспечения данакичсимА устайкивостга воспрзизтдилаеь аварийг-ная импульсная разгрузка турбины путе» подач» иипулвса разяоряоетьв 4 нВ на 0.32 секунда'длительность* 0.2 сек.

За опорное значение длительности, импульса разгрузки, принять. " 0.2 сск. Управляемый. ЗМ.ПЛ описывается сла-дуюадй, системой, нелинейных, дифференциальных уравнений.:

с/д'; с'

77 с/_ // р _

' ~ г1 бы

гда и - управляющей: воздействие, имеющее вид прямоугольного импульса длительностью 0.16 сек, поступающего) на вход автоматического, регулатора.;.

' 0 t < 0.16

и и у

итак о.гб ^ £ < V + олб о £ >о.1б + X

В соответствии: с; методом переменных, коэффициентов выбирается опорный, управляющий, импульс, т.е» опорная длительность, разгружаемого, импульса, равный. 0.2 сек.

О при1 Ь £ ОЛб <£/(П>" ^ щт 0.16 Ь 4 0.36

о яр» £ ^ о.зб

Характеристики! переходного процесса представлен и в

вида?

- с + //У *

а) - < м > - ¿и 7 4 ^

где,- А ~ - < 7^пл> - вариацжя длительности) управляющего импульса ¿/ .

Анализ, результатов показывает, что точность решения в значительной, степени зависит от характера переходного-процесса до одной, секунды, позволяя прогнозировать наруше>-ние устойчивости, переходных, процессов в первом цикле: кача-иия роторов генераторов. Таким образои, рассматривает^ подход решения дифференциальных уравнений, путем1 представления искомого процесса в видес суммы опорного процесса к отклонений, от него позволяет осуществлять, быстрый, анализ упраалиакы* переходных процессов в сложных, энергосистемах. На рисунках I и, 2 приведены характеристики переходных-, процессов при1 различных, значениях. Еаръируеных параметров.

Оснодныеи результаты диссертационной работы

I» Разработан алгоритм расчета ЭМЛП, в электроэнергетических системах«: с учетом- АРВ и АРЧВ при, нартциях. параметров и- бoльшиx^ возмущения» основанный на выделении опорных, значении параметров, соответствующих, установившемуся рекиму ж описания пероаенных коэффициентов, определяющих отклонений: процессов от опорного, линейными дифференциальны«» уравнением» в вартаци'лх, осуществляющий быстра, и; относительно простой, прогноз протекания процессов.

2.- Уравнениями: в вариациях могут быть-описани системы АРВ различного типа с использование]»- интегрального преобразования Дюамел я. На основа-таких уравнений могут быть построены алгоритмы оперативного аналитического определения характеристик перзходных. процессов в электрических системах при. различныхч значениях; паракотров и, возмущений.

3. Действие- систем АРЧВ при различных, значениях параметров может, быть- описано, с помощь» уравнений в вариациях различных порядков.

Аналититшо'.иа кояоды определения множества, характеристик переходных, процоссав, соответствующих множеству варьируергьи. параметров к возмущений, могут быт» положены в основу алгоритмов оперативного управления процессами; в текпе их. протекания.

Рис.1.

Характеристики пореходн^х процессов, полученные МПК и МПЛ (варьируемы.! плрчметр /!/<*).

J,2,5,4. расчете МЛН; У>2>J't V расчете МПИ.

5. Методы, расчета характеристик переходных; процессов в автоматаческш управляемых, электрических системах, осно-ваиныа на использовании уравнений, в вариациях наиболее; эффективны при проведении: анализа и. оперативного управлении в сложных. ЭЗС.

Основное: содержание диссертации, опубликовано в работах;:

I. Путятин К.В., Джавахян А.З. Анализ электромоханичяс-ких. переходных процессов в электрических, системах при, вариациях. параметров // Моделирование электроэнергетических- систем:. Тезисы докладов X. научно-технической, конференции.-Каунаа, 1991.-С.115-П6.

2.. Джавахян А.З. Методы т сродства управления электрическими системами, при больших, возмущениях.-М.,199 2.-Юс.-Депь в Информэнерго 4.12.92.)Шб1-эн92.

Э.. Джавахян А.З. Применение метода переменных^ ксэффиь циентов к расчету переходных процессов в сложных электрически». оистсшх.-К. ,199¿.-7с.-Доги в Инфоршэнорго. 4.12.92. *ЭЭб2-он92.

1лим к т

КС

и