автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированная система интеллектуальной поддержки принятия решений для управления фильтро-компенсирующими устройствами

На правах рукописи

ЖИЛЕНКОВ Антон Александрович

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПОДДЕРЖКИ ПРИНЯТИЯ РЕШЕНИЙ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ФИЛЬТРО-КОМПЕНСИРУЮЩИМИ УСТРОЙСТВАМИ

Специальность 05.13.06 - автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические науки)

Автореферат

диссертации на соискание научной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014 005558681

005558681

Работа выполнена в Керченском государственном морском технологическом университете (КГМТУ), на кафедре электрооборудования судов и автоматизации производства.

Научный руководитель: Черный Сергей Григорьевич,

кандидат технических наук, доцент

Гатчин Юрий Арменакович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой проектирования и безопасности компьютерных систем ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет

информационных технологий, механики и оптики»;

Михайлов Владимир Валентинович,

доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник лаборатории

информационных технологий в системном анализе и моделировании ФГБУН «Санкт-Петербургский институт информатики и автоматизации Российской академии наук»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Вологодский государственный университет»

Защита диссертации состоится 27 ноября 2014 года в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д.223.009.03 на базе ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова» по адресу: 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, д. 5/7, ауд. 235а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова», http://gumrf.ru/naudejat_dissov_zd22300903 .html

Автореферат разослан «24» октября 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Барщевский Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Аетуальность темы исследования. В настоящее время существует повышенный интерес к средствам и способам активного управления генерированием и потреблением неактивных потоков энергии по заданному закону для придания требуемых свойств автономным системам. При высокой степени автоматизации на судах мирового флота актуальной остаётся задача повышения эффективности автоматического управления качеством электроэнергии на них. Эта проблема возникла вследствие того, что в судовых автономных электроэнергетических системах (ЭЭС) получают все более широкое применение полупроводниковые преобразователи электроэнергии. Мощные полупроводниковые преобразователи используются в электродвижительных комплексах постоянного и переменного тока, винто-рулевых комплексах, лебедках. При всех достоинствах подобных систем, отличающихся высокой надежностью, низкой стоимостью и простотой алгоритмов управления, уже не одно десятилетие стоит проблема влияния мощных тиристорных и вообще полупроводниковых преобразователей электроэнергии на питающие их сети и на устройства, питающихся от данных сетей.

Специфика рассматриваемых автономных ЭЭС заключается в ограниченности их мощности и отсутствии нулевого провода - конфигурации автономной ЭЭС с изолированной нейтралью. Подобные сети характеризуются искажениями форм токов и напряжений в несколько раз превышающими значения, допускаемые нормативной документацией, что нарушает нормальную работу средств автоматики и вызывает потери в ЭЭС. Данные особенности делают малоэффективным, а порой и недопустимым использование на водном транспорте средств фильтрации, применяемых на береговых предприятиях. Малоэффективны как пассивные, так и активные средства компенсации искажений, такие как фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ). Последние, для эффективного применения в составе ЭЭС водного транспорта требуют адаптации их систем управления к особенностям судовых сетей. Это вызывает необходимость решения двух актуальных проблем автоматизации процесса управления качеством электроэнергии в автономных сетях. Перспективной в данном направлении является реализация непрерывного автоматического контроля качества электроэнергии на судне на основе интеллектуальных систем принятия решений.

Затронутым вопросам посвящен ряд работ отечественных и зарубежных авторов, работы которых указаны в литературном перечне.

Поставленные вопросы вызывают необходимость поиска новых решений по проблеме повышения эффективности и оптимизации систем управления средств повышения качества электроэнергии в автономных ЭЭС водного транспорта.

Цель диссертационного исследования состоит в решении актуальной научной задачи повышения эффективности управления параметрами электроэнергии в автономных электроэнергетических системах с нелинейной нагрузкой.

В соответствии с указанной целью в диссертации сформулированы, р-, обоснованы и решена главная задача исследования: многокритериальная оптимизация управления качеством электроэнергии в автономных ЭЭС водного <1 О

транспорта посредством ФКУ при наиболее эффективном использовании его установленной мощности.

Для выполнения поставленной цели также потребовалось решение следующих вспомогательных задач:

— реализация интеллектуальной системы принятия решений посредством адаптивной нейро-нечеткой системы вывода;

— реализация оптимального управления ФКУ на основе интеллектуальной системы принятия решений на расширенных множествах по векторному критерию;

— реализация устройства идентификации нестационарного гармонического состава несинусоидальных токов и напряжений в режиме реального времени на основе ПЛИС;

— разработка метода идентификации нестационарного гармонического состава несинусоидальных токов и напряжений в режиме реального времени;

— идентификация и контроль параметров системы оптимального управления ФКУ;

— описание способов регулирования показателей неактивной мощности в ЭЭС водного транспорта;

— формализация задачи оптимального управления ФКУ;

— оценка оптимального значения установленной мощности фильтро-компенсирующего устройства на основе экспериментальных данных и математического моделирования;

— определение обобщенного показателя качества электроэнергии в автономной ЭЭС;

— исследование вопроса качества электроэнергии в автономной ЭЭС водного транспорта с нелинейной нагрузкой;

— анализ электрических процессов в электроэнергетических системах ограниченной мощности с нелинейной нагрузкой.

Объектом исследования в работе являются автоматические системы управления качеством электроэнергии в автономных ЭЭС.

Предметом исследования — модели, методы и средства повышения эффективности автономных ЭЭС с мощной нелинейной нагрузкой.

Методы исследования: теории электрических цепей для анализа процессов преобразования электрической энергии в ЭЭС; теории автоматического регулирования; ряды Фурье; методы анализа систем с позиции «переменных состояния»; принципы многокритериальной оптимизации; методы прямых и косвенных экспериментальных измерений при анализе процессов протекающих в исследуемой системе; теория нечетких множеств и искусственных нейронных сетей.

Научная новизна диссертации заключается в том, что получены и выносятся на защиту следующие новые научные результаты:

1. Многокритериальная оптимизация процесса автоматического управления качеством электроэнергии в автономных ЭЭС с нелинейной нагрузкой на основе разработанной интеллектуальной системы принятия решений, которая по сравнению с известными системами позволяет: снизить необходимую

установленную мощность ФКУ и действуя по условию её полного использования обеспечивать максимальное значение обобщенного показателя качества при оптимизации всех регулируемых параметров электроэнергии; структура и алгоритм, использованные при синтезе системы принятия решений, позволяют отказаться от классических методов свертки к скалярному критерию и необходимости использовать генетические и другие «медленные» алгоритмы поиска оптимальных решений, что значительно увеличивает скорость работы разработанной системы.

2. Способ гармонической аппроксимации несинусоидальных сигналов в режиме реального времени на основе многомерной экстремальной системы, позволяющий: в отличие от методов, построенных на основе преобразования Фурье работать при нестационарных параметрах идентифицируемых гармоник, что особенно актуально при непостоянной частоте сетевого напряжения судовой ЭЭС; обеспечивает более высокие статические и динамические показатели по сравнению со способами, использующими расширенный и обычный фильтры Калмана; устойчив и обладает лучшей сходимостью по сравнению с градиентными методами; благодаря простому алгоритму позволяет производить аппроксимацию целого ряда гармоник посредством одной ПЛИС.

При этом получили дальнейшее развитие:

— методы построения адаптивных фильтров для автоматических систем управления силовых преобразователей, компенсаторов реактивной мощности и мощности искажений, а также систем автоматического регулирования параметров электроэнергии автономных ЭЭС;

— способы управления фильтро-компенсирующими устройствами;

— вычислительные алгоритмы работы системы управления качеством электроэнергии.

Усовершенствовано:

— способ управления автоматическими регуляторами дизель-генераторных агрегатов автономных ЭЭС в условиях несинусоидальности сетевых токов и напряжений;

— метод формирования опорных сигналов для систем управления источников и преобразователей электроэнергии в условиях искаженности токов и напряжений питающей сети.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

— разработанные методы и средства активной фильтрации напряжения на шинах электроснабжения, обеспечивающие совместную работу резкопеременных мощных нагрузок с чувствительными к искажению напряжения питания электроприёмниками, позволяют осуществить новые подходы к проектированию судовых и других автономных электроэнергетических систем;

— оригинальный способ построения систем управления устройств компенсации мощности искажения позволяет улучшить показатели фильтро-компенсирующих устройств, обеспечить эффективную работу известных компенсаторов реактивной мощности и систем управления полупроводниковых преобразователей, нормальная работа которых затруднена в условиях сильных искажений токов и напряжений сети;

- предложенные принципы максимально эффективного использования энергетических мощностей электрооборудования могут использоваться для устранения взаимного влияния со стороны питающей сети потребителей в автономной ЭЭС, а также повышения ресурса электрооборудования и снижения расхода горюче-смазочных материалов ЭЭС;

- предложенные в диссертации модели и методы могут быть использованы при анализе динамики работы систем преобразования электроэнергии в штатных и аварийных режимах работы, при проектировании и модернизации электрооборудования ЭЭС водного транспорта с нелинейной нагрузкой.

Для осуществления моделирования и обработки экспериментальных данных были использованы пакеты программ «МаШСас!», «МАТЬАВ».

Достоверность научных результатов подтверждается корректностью использования математического аппарата и компьютерного моделирования, демонстрирующих эффективность предложенных методов и алгоритмов в задачах управления параметрами качества электроэнергии в автономных ЭЭС водного транспорта.

Реализация и внедрение полученных результатов. Реализация научных результатов, предложений, выводов и рекомендаций подтверждается актами внедрения их практического использования в производственный процесс: автопарома «Ейск» государственной судоходной компании «Керченская паромная переправа»; Государственного предприятия «Керченский морской торговый порт»; Государственного предприятия «Керченский морской рыбный порт». Внедрение результатов в учебный и производственный процессы подтверждено соответствующими актами внедрения.

Тема диссертационной работы соответствует планам выполнения научно-исследовательских работ Государственного департамента рыбного хозяйства Украины и Керченского государственного морского технологического университета, в рамках которых выполнялись госбюджетные научно-исследовательские работы по теме: "Повышение надёжности, технической эффективности и экономичности электрооборудования и автоматики судов" (ГР №0104000У623, ГР №010911002102).

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации и её отдельные результаты были озвучены на международных конференциях: «Автоматизированный электропривод» (г. Мелитополь, 2006г); «Информационная техника и электромеханика» (г. Луганск, 2007г); «Электромеханические системы, методы моделирования и оптимизации» (г. Кременчуг, 2007г); «Современные проблемы судовой энергетики» (г. Одесса, 2007г); «Информационные технологии в образовании, науке и технике» (г. Черкассы, 2012г); «Проблемы энергосбережения и механизации в горнометаллургическом комплексе» (г. Кривой Рог, 2012г); «Современные информационные и инновационные технологии на транспорте М1ШТ-2013» (г. Херсон, 2013г); «Вычислительный интеллект (результаты, проблемы, перспективы» г. Черкассы, 2013г); «Управление проектами в развитии общества» (г. Киев, 2013г); «Морские технологии: проблемы и решения» (Керчь, 2006-2014г.г.).

Публикации. Основные положения диссертационных исследований опубликованы в 24 печатных работах автора, приведённых в библиографическом списке, в том числе 15 работ, опубликованные в изданиях, имеющихся в перечне научных журналов ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 166 наименований и приложения к диссертации. Общий объем работы составляет 206 страниц. Работа содержит 69 рисунков и 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении раскрывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задача исследования, обозначены научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе выполнен аналитический обзор проблемы обеспечения заданных параметров качества электроэнергии в автономных электроэнергетических системах (ЭЭС), работающих на мощную нагрузку нелинейного характера. Исследовано влияние нелинейной нагрузки на электрические процессы в судовой ЭЭС ограниченной мощности, а также на системы автоматического регулирования источников электроэнергии ЭЭС. Описаны негативные последствия снижения качества электроэнергии для судовой ЭЭС.

Работа преобразователей электроэнергии в составе судовой ЭЭС всегда вызывает значительное количество различного рода асимметрирующих и дестабилизирующих факторов, приводящих к возбуждению гармоник неканонических порядков. Это резко изменяет амплитудно-частотные спектры напряжений и токов на входе и выходе преобразователей по сравнению с идеальным режимом. В общем случае амплитуды гармоник тока, генерируемые в сеть, носят случайный характер. Следовательно, амплитуды и частоты гармоник будут случайными, как и фазы гармоник, которые определяются значениями углов управления и коммутации. Этот случайный характер возникающих гармоник токов и напряжений делает задачу построения системы управления параметрами качества электроэнергии в автономных ЭЭС намного труднее и предъявляет требования к средствам этого обеспечения намного более высокие, чем, к примеру, в береговых сетях.

Рассмотрены существующие средства повышения параметров качества электроэнергии в автономных ЭЭС и проанализированы принципы управления ими. Особое внимание уделено рассмотрению регулирования показателя реактивной мощности, а также мощности искажений. Показаны недостатки существующих систем управления подобными устройствами при их работе в характерных для ЭЭС условиях. Показано, что за счет применения адаптивных систем управления существует принципиальная возможность повышения эффективности систем управления преобразователей и компенсаторов.

Во второй главе произведена формализация задачи оптимального управления компенсационным устройством в электроэнергетических системах ограниченной

мощности с нелинейной нагрузкой. Приводятся результаты экспериментальных исследований причин понижения показателей качества электроэнергии в автономных ЭЭС с нелинейной нагрузкой. Анализируется влияние снижения качества электроэнергии питающей сети на системы автоматического управления оборудования, питающегося от этой сети.

Основой анализа стали натурные экспериментальные исследования и работы по диагностике системы электроснабжения автопарома «Ейск» государственной судоходной компании «Керченская паромная переправа».

Для системы электроснабжения исследуемого судна были выявлены следующие характерные проблемы: низкое значение коэффициента мощности; срабатывание устройств защиты генераторов электростанции по перегрузке; загрузка генераторов по активной мощности составляет всего 50%, что в случае дизель-генераторов приводит к росту расхода топлива и появлению нагара; повышенные акустические шумы частей тиристорного привода гребного электродвигателя (ГЭД) при определенных нагрузках.

Приведены результаты замеров среднеквадратичных и пиковых значений линейных и фазных токов и линейных напряжений, потребляемой активной и реактивной мощности, коэффициента мощности. Определены коэффициенты искажений формы тока и напряжения, значения гармоник тока и напряжения, суммарный коэффициент гармонических искажений, параметры дисбаланса системы. Измерения проводились в ходу теплохода при различных скоростях вращения гребных двигателей: 350 об/мин, 300 об/мин, 260 об/мин, 200 об/мин, 120 об/мин.

Таблица 1 содержит результаты измерений пик-факторов тока и напряжения для различных режимов работы судна и позволяет получить первоначальное впечатление о функционировании системы электроснабжения. Было выявлено, что в оптимальном ходу теплохода гармоники под номерами №5, №11, №15, №17, №19, №23, №25, №27,№29, №31, №33, №35, №37, №39 и №41 превышают допустимые значения. СГИ гармоник по току при номинальной нагрузке для различных точек подключения варьируется между 26,5% и 33,2%, превышая допустимое значение 30 %. СГИ по напряжению на выходе ДГУ при изменении нагрузки варьируется 6,4% - 12,2%, выходя при этом за пределы нормы при увеличении нагрузки. СГИ по току на выходе ДГУ при изменении нагрузки варьируется 26,5% — 38,9%, выходя за пределы нормы при понижении нагрузки.

Таблица 1 — Значения пик-факторов тока и линейного напряжения

Режим Пик-фактор напряжения идв Пик-фактор тока 1А

350об/мин (в работе ДГУ №1,2,3) 1,48 1,52

ЗООоб/мин (в работе ДГУ №1,2) 1,54 1,62

260об/мин (в работе ДГУ №1,2) 1,49 1,58

200об/мин (в работе ДГУ №1,2) 1,46 1,73

200об/мин (в работе ДГУ №2) 1,48 1,69

120об/мин (в работе ДГУ №1,2) 1,42 1,92

120об/мин (в работе ДГУ №2) 1,43 1,86

Проанализировано влияние алгоритма работы автоматического регулятора напряжения (АРН) синхронного генератора (СГ) на показатель мощности искажения судовой ЭЭС. Показано, что в отсутствии ФКУ, целесообразно исследовать способы повышения обозначенных показателей качества электроэнергии судовой ЭЭС путем реализации управления АРН по основной гармонике напряжения сети.

Дано определение обобщенного показателя качества электроэнергии в автономной ЭЭС, вводимого, как критерий оценки качества функционирования ФКУ. В исследуемой сети уровень СГИ напряжения превышает допустимый, т.е. их необходимо учитывать и в результате обобщенный показатель качества электроэнергии может быть представлен выражением:

Х = Х**<р= , (1)

гтз гта

Были построены графики зависимостей показателей качества электроэнергии судовой сети от режима работы системы электродвижения. Это интерполированные зависимости соБср, РЬ\ показателя % и показателя X от скорости вращения Лг гребных электродвигателей (ГЭД).

На основании экспериментальных данных и результатов математического моделирования была произведена оценка оптимального значения установленной мощности ФКУ. В качестве последнего было предложено комплексное устройство, в котором объединены компенсатор реактивной мощности (КРМ) и активный фильтр (АФ), использующие единое звено цепи постоянного тока, что позволило предать ФКУ ряд дополнительных положительных качеств, в том числе, получить структуру, наиболее эффективно реализующую разработанный в настоящей работе алгоритм управления.

В работе доказано, что при определении установленной мощности ФКУ, наилучший показатель может быть достигнут с применением системы интеллектуальной поддержки принятия решений по регулированию параметров электроэнергии. Показано, что предложенный вариант реализации ФКУ с поддержкой принятия решений стремится обеспечить максимально полное использование ресурсов ЭЭС и ФКУ при поддержании заданных показателей качества электроэнергии. Так, если для полной компенсации неактивной мощности на автопароме «Ейск» мощность ФКУ должна составлять 0,458тах=720кВА (где Бтах - суммарная мощность источников ЭЭС в режиме), что практически равно мощности СГ парома, то, согласно результатам моделирования (рис.1), применение в ФКУ системы интеллектуальной поддержки принятия решений по регулированию параметров электроэнергии позволяет обеспечивать значение обобщенного показателя качества в заданных пределах при номинальной загрузке ФКУ и при максимальной полной мощности ФКУ не более 0,428тах=336кВА, что является минимальным значением из всех рассматривавшихся вариантов.

Рисунок 1. Экспериментальные зависимости показателей качества электроэнергии от режима ГЭД.

При этом обеспечивается возможность работы на малых и средних скоростях от меньшего числа генераторов (в рассматриваемом случае от одного, т.е. 5тах=800кВА), что уменьшает или вовсе снимает проблемы, возникающие в многогенераторных системах, к которым относятся обменные колебания мощности, возникновение обратной мощности и т.д.

Исходя из предположения, что существует алгоритм управления ФКУ, при котором достигаются заданные параметры обобщенного показателя качества при наименьшей (или оптимальной) установленной мощности ФКУ, была произведена формализация задачи оптимального управления ФКУ.

Для этого был введен вектор гармоник тока преобразователя в сети: I = [/,,...,;',,.

где г, — ¡-я гармоника тока; N- количество учитываемых гармоник.

Аналогично введен вектор гармоник напряжения:

и = [«,, рч

Введен вектор неактивной мощности ФКУ:

Полная установочная мощность ФКУ

задаётся параметром а текущая, генерируемая ФКУ, выражается параметром

Вектора I и и - внешние параметры задачи управления, а Бор, - прямое ограничение. Обобщенный показатель качества X и & — выходные параметры задачи оптимального управления.

Введены вектора Н - верхних и Ь - нижних границ вектора X, так что для /-го элемента векторов справедливо:

/,. <х,<к, (5)

Будем считать, что известны зависимости

* = /(х) {6)

(7)

Требуется обеспечить максимизацию X и оптимизацию при ограничениях:

хти</(х)<хтах ^

ь<х<н

(9)

(10)

где Хт'т, Хтах — соответственно, минимальное и максимальное значение обобщенного показателя качества.

То есть, (8) - функциональное ограничение на выходные параметры задачи управления, а выражение (10) — функциональное ограничение на внутренние управляемые параметры. Физический смысл ограничения (10) состоит в том, что независимо от текущего распределения мощности ФКУ затрачиваемой на компенсацию уровня той или иной гармоники и реактивной мощности, текущая суммарная мощность ФКУ должна оставаться равной установленной мощности

ФКУ.

Система параметров, уравнений и неравенств (2) - (10) образует формальную математическую постановку задачи оптимального управления ФКУ.

Вектор X ; удовлетворяющий условиям (5) — (9), называется оптимальной точкой, а соответствующие значения х' = /(х") и ^=/,(х*) — оптимальными значениями целевых функций. Оптимальная точка X*, оптимальное значение

целевой функции X* и оптимальное значение целевой функции х образуют оптимальное решение задачи, которое может быть локальным и глобальным. Локальное решение представляет собой наименьшее значение целевой функции в ограниченной окрестности точки X, в то время как глобальное решение даёт наименьшее значение целевой функции. Алгоритм решения задачи оптимального управления ФКУ показан на рисунке 2.

Рисунок 2. Алгоритм решения задачи оптимального управления ФКУ.

В третьей главе осуществляется разработка способов идентификации, контроля и регулирования параметров системы оптимального управления качеством электроэнергии в автономных ЭЭС.

Нормативной документацией в явном виде нормируются параметры СГИ

напряжения, допустимых уровней отдельных гармоник напряжения и коэффициент реактивной мощности cos <р. То есть, граничные значения заданы для элементов векторов I, U и функций от них (СГИ, cos (/>). Таким образом, работа системы управления ФКУ по алгоритму оптимального управления требует наличия информации о гармоническом составе токов и напряжений сети, которая заносится в вектора I и U. В качестве входных сигналов система управления имеет мгновенные значения фазных токов и линейных напряжений сети. В блоке внешних параметров необходимо решить задачу идентификации векторов I и U по измеренным токам и напряжениям сети. Точность определения элементов векторов I и U напрямую влияет на качество выходных параметров системы ФКУ.

Разработан метод идентификации внешних параметров системы оптимального управления ФКУ. В дискретной форме метод может быть описан системой уравнений (11).

Результатом работы аппроксиматора является набор данных о гармоническом составе токов и напряжений сети. То есть значения амплитуд гармоник их фазы и текущая частота напряжения сети.

®[' + Ч = <а['] + «,„®['М' + l]cos((y[;]), цг[i +1] = уф] + rai/] + га^гиМггМсскСуф']), o[i + l] = a[j] + raa4i]sin(ty[;]), 4'ЬЯ'ЬЙ'], Я'] = 4']sin((/[/]). (11)

Для оценки не только гармонического состава, но и степени возможной асимметрии (небаланса) и прочих негативных характеристик, рациональным является определение недоступных для измерения напряжений СГ относительно недоступной нулевой точки. Т.е. восстановление фазных напряжений СГ, через измеряемые линейные напряжения сети по схеме, приведенной на рисунке 3.

Рисунок 3. Структурная схема аппроксиматора фазных напряжений сети

Для регулирования амплитуды определенной гармоники напряжения необходимо знать зависимость 11=^(1), которая изменяется в зависимости от конфигурации ЭЭС, которая в свою очередь, определяется составом и характером источников питания, потребителей и линий связи между ними.

Из мгновенньгх линейных напряжений и фазньгх токов сети определяются N элементов векторов, так, что каждый элемент равен

Л «■<«<+е.)

ик(t) = Uk sin(kcot + 5k)

h(t) = IkS™(kcot + 9k) '

Блок контроля параметров системы оптимального управления ФКУ вычисляет мощность S', которую должно генерировать ФКУ для подавления к-й гармоники

в ^к раз и мощность Sr, требуемую для компенсации угла сдвига в 5 раз.

Таким образом, блок контроля параметров системы оптимального управления ФКУ совместно с блоком идентификации гармонического состава токов и напряжений сети позволяет реализовать алгоритм оптимального управления (рис.2).

В четвертой главе разработан алгоритм работы системы интеллектуальной поддержки принятия решений при оптимальном управлений ФКУ. С использованием теории нейро-нечетких сетей разработана система, решающая задачу оптимизации на расширенных множествах по векторному критерию. Разработанная система принятия решений позволяет повысить эффективность использования установленной мощности ФКУ при поддержании оптимальных в некотором диапазоне значений показателей качества электроэнергии в автономной ЭЭС.

В нашем случае задача оптимизации, поставленная перед системой управления, выполняется в результате совместного функционирования нескольких подсистем ФКУ. Эффективность каждой из них, а также их совокупности оценивается своим критерием. Приведение каждого из показателей качества к желаемому значению требует определенных затрат мощности ФКУ, что учитывается функциональным ограничением на внутренние управляемые параметры и также является критерием оптимальности управления ФКУ.

Исходя из оптимальных значений мощностей S%pt КРМ и S%Pt АФ, заложенных при проектировании, общая мощность ФКУ составит

<?z - Vх +

°opt ~ Jopt т uopt

Предлагаемая в настоящей работе система реализует следующий алгоритм:

1). С помощью блока контроля параметров системы оптимального управления ФКУ определяется текущее значение показателей мощности искажения х и сдвига cos (р (в дальнейшем просто <р).

2). С помощью блока контроля параметров системы оптимального управления ФКУ определяются мощности sx и sT, необходимые для приведения текущих

значений / иркединице.

3). С помощью блока контроля параметров системы оптимального управления ФКУ вычисляются мощности sz' и s*', необходимые для приведения текущих

значений % и <р к некоторым предварительно заданным х = Х„Р, и (Р = <Рор,,

соответственно.

4). Если s*' = s,fp, и s"' = , то вычисляются к'- и о и ФКУ производит компенсацию искажений до X ~ Xopt и V = 4>opt.

5). Если Бг' < .N'4, (или Л"' < ) при +5"' < , то целесообразно увеличить

значение х"'" (или ф'"") так, что бы снова выполнялось условие (12). То есть увеличить ток АФ (или КРМ) ФКУ до уровня = Л'*, и Л4*' = . При этом диапазон изменения показателей определяется нормативной документацией и лежит в пределах хтт ^ Хо,„ ^ /та* и < 9ор, < <рт1а.

6). При > л;5;>< (или Л'4'1" > 5',®,) происходят процессы обратные описанным в пункте 5. То есть система принятия решений занижает оптимальное значение соответствующего показателя и тем самым снижает мощность, требуемую для его обеспечения.

Так как в предлагаемом варианте построения ФКУ накопители энергии КРМ и АФ связаны между собой, при понижении мощности требуемой для максимизации одного из показателей, соответствующая емкость может быть использована вторым блоком ФКУ для максимизации соответствующего показателя мощности.

Алгоритм реализуется с помощью ННС. Функции принадлежности нечётких множеств задаются для показателя мощности искажения мощности сдвига соя<р, а также мощностей Б* и Б9 , которые необходимо затратить ФКУ (а именно степень их принадлежности к и соответственно). Так как в первом приближении качество электроэнергии в исследуемой системе определяется переменными сову, то принятие решений должно основываться на суждениях по обоим этим показателям, а заключения касаться инструкций по их регулированию.

В настоящей работе используется гибридный метод обучения на основе достижения условия (12).

В пятом слое сети выполняется агрегирование результата, полученного по различным правилам. Этот слой содержит единственный нейрон, который вычисляет выходное значение ННС. Для случая двух критериев х1 и х2

= -= X (Р'х 1 + +г,)

I

Приравняв г к Бор,, что равносильно выносу суммарного значения Г/ за скобки, получим

= +Ч'Х2-8ор1)

(13)

где рх/ и цх2 - в физическом смысле - соответственно мощность, затрачиваемая на компенсацию искажений % и сдвига со.ч<р.

То

есть параметр г, равен во всех комбинациях генерируемых ННС.

В качестве х, и х2 принимаются мощности, которые необходимо затратить на приведение х и со.чр к единице. Тогда, для каждой /-ой линейной функции ННС, р, и <7, - это весовые коэффициенты, показывающие какую часть мощности необходимо использовать для выполнения условия (13). Далее, из

извлекается значение Iх, а из значение 3, модулирующие

компенсационные токи ФКУ.

Обучение ННС гибридное и осуществляется без привлечения экспертной базы знаний.

Результаты моделирования подтверждают результаты второго раздела работы и показывают, что разработанная система интеллектуальной поддержки принятия решений позволяет снизить установленную мощность ФКУ при более эффективном её использовании во всех режимах работы автономной ЭЭС. Обучение ННС происходит в среднем за 3-9 итераций. Мощность потребляемая от ФКУ равна оптимальной, с колебаниями не превышающими 8% в переходных режимах. При этом параметры показателей мощности приводятся к максимально возможным для доступной мощности ФКУ.

В приложениях А - Е приводятся результаты натурных испытаний, вычислительных экспериментов, математические модели и результаты моделирования для разработанных систем.

В приложении Ж приводятся документы по внедрению результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Повышение эффективности процессов управления параметрами качества электроэнергии в автономных ЭЭС является одним из путей решения задач согласования параметров вырабатываемой и потребляемой электроэнергии и обеспечения надежного функционирования системы в различных режимах работы ЭЭС. Эта задача осуществима за счет использования адаптивных систем управления на основе микропроцессорной техники.

Основные научные и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Обоснована необходимость построения адаптивной системы управления процессом повышения качества электроэнергии. Показано, что, при определении установленной мощности ФКУ, наилучший показатель может быть достигнут с применением в системе управления ФКУ интеллектуальной поддержки принятия решений по регулированию параметров электроэнергии.

2. Произведена формализация задачи оптимального управления ФКУ в автономной ЭЭС.

3. Решена задача идентификации и контроля внешних параметров системы оптимального управления ФКУ. Предложен новый способ определения неактивных составляющих полной мощности посредством адаптивной гармонической аппроксимации несинусоидальных токов и недоступных для прямого измерения фазных напряжений в режиме реального времени.

4. С использованием теории нейро-нечетких сетей разработана система интеллектуальной поддержки принятия решений при оптимальном управлений ФКУ, решающая задачу оптимизации на расширенных множествах по векторному критерию.

5. Методом математического моделирования подтверждена эффективность

применения разработанных способов и средств управления параметрами качества электроэнергии в автономных ЭЭС.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, предусмотренных «Перечнем изданий ВАК»:

1. Жиленков, А. А. Математическая модель системы синхронный генератор -выпрямитель - двигатель постоянного тока при соизмеримости мощностей генератора и двигателя / А. А. Жиленков // Вестник Восточноукраинского национального университета имени В. Даля. - 2008. -№1 (119). - С. 80-83.

2. Жиленков, А. А. Анализ влияния полупроводниковых выпрямителей электродвижительного комплекса судна на электроэнергетическую систему / А. А. Жиленков, И. А. Седаков // Вестник национального технического университета «ХПИ»: сборник научных трудов. - 2012. - №50(956) - С. 116-119.

3. Жиленков, А. А. Влияния мощных тиристорных выпрямителей на питающую их автономную электростанцию // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - № 5/8(59). - С. 14-19.

4. Жиленков, А. А. Анализ работы тиристорного привода постоянного тока, работающего в автономной сети. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий.-2012. -№6/8(60). - С. 12-14.

5. Жиленков, А. А. Моделирование системы оптимального управления процессом преобразования электрической энергии в автономных энергетических системах / А. А. Жиленков // Вестник Житомирского государственного технологического университета" Серия: Технические науки. - 2013. - № 2(65). -С. 59-66.

6. Жиленков, А. А. Моделирование адаптивного управления в сложных распределенных системах с идентификацией параметров / А. А. Жиленков, С. Г. Чёрный // Вестник Хмельницкого национального университета. - 2013. - №6. - С. 253-260.

7. Жиленков, А. А. Адаптивная система управления активного фильтра с модульной топологией / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Вестник Черниговского государственного технологического университета. Серия "Технические науки". -2013. -№ 2(65). - С. 230-235.

8. Жиленков, А. А. Элементы структурной модели устройства аппроксимации для задач идентификации и контроля параметров объектов управления / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Проблемы машиностроения. - 2013. -Т. 16, №4.-С. 62-65.

9. Жиленков А. А. Адаптивная фильтрация опорных сигналов систем управления полупроводниковых преобразователей работающих в составе электроэнергетической системы ограниченной мощности / А. А. Жиленков // Вестник Херсонского национального технического университета. - 2013. -№1(46).-С. 384-387.

10. Жиленков, А. А. Решение нелинейных дифференциальных уравнений и их систем для описания полупроводниковых преобразователей в среде МАТНСАО / А. А. Жиленков // Водный транспорт: сборник научных работ. - 2013. - №3(18). -

С. 191-195.

11. Жиленков, A.A. Идентификация и контроль параметров в автоматизированных системах управления судовых электроэнергетических систем / А. А. Жиленков, С. Г. Черный // Системы управления, навигации и связи. -2013. - №3(27). - С. 63-69.

12. Жиленков, А. А. Интеллектуальная поддержка принятия решений при оптимальном управлении фильтро-компенсирующими устройствами / А. А. Жиленков // Водный транспорт: сборник научных работ. — 2014. - №1(19) - С. 216-220.

13. Жиленков, А. А. Применение нейронечёткого моделирования для задач идентификации многокритериальное™ в транспортной отрасли / Жиленков А. А., Черный С. Г. // Вестник самарского государственного университета путей и сообщений.-2014.-№ 1(23).-С. 104-110.

14. Черный, С. Г. Идентификация внешних параметров сигналов для экспертных подсистем в составе устройств судовых электроэнергетических систем / С. Г. Черный, А. А. Жиленков // НТВ СПбГПУ. Информатика. Телекоммуникации. Управление. - 2014. - № 3(198). - С. 28-36.

15. Жиленков, А. А. Применение информационных технологий при анализе и восстановлении нестационарных гармонических составляющих искаженного сигнала / А. А. Жиленков // Энергобезопасность и энергосбережение. - 2014. -№ 4. - С. 37-39.

В других изданиях

16. Жиленков, А. А. Экспериментальные исследования переходных процессов в тиристорном выпрямителе при наличии помех в питающей трехфазной сети / А. А. Жиленков, В. Н. Дворак // Сборник научных трудов Керченского Морского Государственного Университета «Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий». - 2010. - № 11.-С. 20-22

17. Жиленков, А. А. Новый принцип амплитудно-кодовой модуляции / А. А. Жиленков // Сборник научных трудов Керченского Морского Государственного Университета «Механизация производственных процессов рыбного хозяйства, промышленных и аграрных предприятий». —2011. -№6. - С.69-71.

18. Жиленков, А. А. Использование наблюдающих устройств для повышения устойчивости работы полупроводниковых преобразовательных устройств в сетях ограниченной мощности / А. А. Жиленков // Международная научно-техническая конференция «Информационные технологии в образовании, науке и технике» (ITOHT-2012).-Черкассы, 2012,-Том 1.-С. 145-146.

19. Жиленков, А. А. Применение адаптивного фильтра в системе управления полупроводникового преобразовательного устройства, работающего в сети ограниченной мощности / А. А. Жиленков // Проблемы энергосбережения и механизации в горно-металлургическом комплексе: материалы VIII международной научно-технической конференции. Кривой Рог, - 2012. - С. 95-99.

20. Жиленков, А. А. Использование наблюдающих устройств для повышения устойчивости работы полупроводниковых преобразовательных устройств в сетях ограниченной мощности / А. А. Жиленков // Современные информационные и

инновационные технологии на транспорте MINTT-2012.: материалы IV международной научно-практической конференции. - Херсон, 2012. - Том 2. - С. 68-69.

21. Жиленков, А. А. Определение критериев оценки устойчивости работы управляемого выпрямителя в сети ограниченной мощности / А. А. Жиленков // Современные и формационные и инновационные технологии на транспорте MINTT-2013.: материалы V международной научно-практической конференции. -Херсон, 2013.-Том 2.-С. 108-109.

22. Жиленков, А. А. Оценка устойчивости управляемого выпрямителя в сети ограниченной мощности / А. А. Жиленков // Вычислительный интеллект (результаты, проблемы, перспективы): материалы II международной научно-практической конференции. - Черкассы, 2013. - С. 358-359.

23. Жиленков, А. А. Адаптивная фильтрация в автономных электроэнергетических системах / А. А. Жиленков // Управление проектами и программами в условиях глобализации мировой экономики: материалы X международной конференции «Управление проектами в развитии общества». -Киев, 2013.-С. 79-81.

24. Zhilenkov, A. "Adaptive control in complex distributed systems with the identification of parameters that can't be measured" / A. Zhilenkov, S. Cherney // Pressing issues and priorities in development of the scientific and technological complex: research articles, B&M Publishing. - San Francisco, California. 2013. - p. 1720.

Подписано в печать с оригинал-макета автора 26.09.14 Сдано в производство 26.09.14 Формат 60x84 1/16 Усл.-печ. л. 1,04. Уч.-изд. л. 0,9.

_Тираж 100 экз._Заказ № 88_

Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

Отпечатано в типографии ФГБОУ ВО ГУМРФ имени адмирала С.О. Макарова 198035, Санкт-Петербург, Межевой канал, 2