автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Идентификация показателей качества электромагнитных переходных процессов на основе активно-пассивного эксперимента

На правах рукописи

Козлова Галина Николаевна

ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ АКТИВНО-ПАССИВНОГО

ЭКСПЕРИМЕНТА

Специальность 05 13 06 - «Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2007 г

003064927

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций (СПГУВК)

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Зубарев Юрий Яковлевич

Официальные оппоненты Доктор технических наук, профессор Сахаров Владимир Васильевич Кандидат технических наук Русинов Игорь Александрович

Ведущая организация ЗАО "Канонерский судоремонтный завод"

Защита диссертации состоится «28» мая 2007 г в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 223 009 03 при Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций по адресу 198035, Санкт-Петербург, у л Двинская, д 5/7

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГУВК Автореферат разослан «23» апреля 2007г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук,

доцент

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы исследования. Возрастающая сложность современных судовых электроэнергетических систем (ЭЭС) и ужесточение требований к качеству электрической энергии в этих системах выдвигает задачу тщательного исследования ЭЭС на различных этапах проектирования

Применение традиционных методов исследования качества процессов на основе сложного математического описания судовых ЭЭС существенно увеличивает сроки проектирования и его стоимость

Закономерной тенденцией отечественного и зарубежного судостроения является непрерывный рост мощности судовых ЭЭС Увеличение мощности судовых ЭЭС в свою очередь существенно усложняет процесс обеспечения заданного качества электроэнергии Действительно, уменьшение сверхпереходных индуктивных сопротивлений синхронных генераторов приводит к уменьшению основных нормируемых показателей качества электроэнергии, а именно, коэффициента искажения формы кривой напряжения, максимального провала напряжения, коэффициента небаланса напряжения Однако это ведет и к увеличению ударного тока короткого замыкания Таким образом, при увеличении мощности ЭЭС возникают противоречия между требованиями, предъявляемыми к ЭЭС, в нормальном и аварийном режимах

Все вышеперечисленные факты существенно усложняют процесс проектирования Наиболее эффективные меры по обеспечению заданного качества электроэнергии с учетом требований, предъявляемых к ЭЭС в аварийных режимах, необходимо принимать на предпроектной стадии исследования и на ранних стадиях проектирования На завершающих стадиях решение этой задачи менее эффективно, так как требует дополнительных затрат на установку специальных устройств, обеспечивающих заданное качество электроэнергии, а в отдельных случаях может привести к необходимости перекомпоновки судовой ЭЭС

В настоящее время разработаны методы моделирования электромагнитных процессов в ЭЭС Применение данных методов для исследования, оценки и обеспечения качества процессов в судовых ЭЭС встречает ряд существенных затруднений Совершенствование судовых ЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с научно-техническим прогрессом в области судовой электротехники и других смежных областях Поэтому при проектировании ЭЭС перспективных судов возникает ряд принципиально новых проблем обеспечения качества, определяемых существенным отличием указанных ЭЭС от ЭЭС традиционных судов

Исключение электромашинных преобразователей частоты из систем вторичного электропитания и обеспечение электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) непосредственно от общесудовой сети с частотой 50 Гц требует более тщательного рассмотрения показателей качества переходных процессов в ЭЭС, в частности максимального провала напряжения Электромашинные преобразователи играли демпфирующую роль и защищали РЭА, в первую очередь вычислительные комплексы, от резких колебаний напряжения в общесудовой сети

При решении задач исследования электромагнитных процессов в судовых ЭЭС широко используют моделирование, осуществляемое на основе вычислительных моделей В настоящее время не представляется возможным создание универсальных моделей судовых ЭЭС, всесторонне и адекватно отражающих их свойства в различных режимах функционирования Поэтому обычно рассматриваются специализированные математические модели, соответствующие отдельным процессам в ЭЭС

В большинстве случаев при исследовании электромагнитных процессов в судовой ЭЭС целесообразно рассматривать ее схему замещения с одним генератором Строгое решение такой задачи эквивалентирования, исходя из условий эквивалентности как электромагнитных, так и электромеханических процессов, вызывает существенные трудности Однако при ее решении в большинстве случаев можно ограничиться эквивалентностью электромагнитных процессов, считая их более быстротечными, чем электромеханические, и пренебречь качанием роторов генераторов Эквивалентирование асинхронных двигателей, как правило, также не встречает трудностей Таким образом, в основу вычислительных моделей положены схемы замещения ЭЭС, содержащие эквивалентные генераторы, асинхронные двигатели, эквивалентную активно-индуктивную нагрузку

При создании комплекса моделей ЭЭС целесообразно использовать концепции общей теории сложных систем, в частности теории планирования эксперимента Проведение вычислительного эксперимента, осуществляемого на основе специализированных вычислительных моделей, и обработка полученных результатов на основе метода наименьших квадратов (МНК) позволили получить комплекс согласованных моделей ЭЭС Данные модели представляют собой полиномиальные зависимости различных показателей качества электромагнитных процессов от расчетных параметров схем замещения ЭЭС

Вопросами планирования эксперимента посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов Большой вклад в развитие теории планирования эксперимента внесли В В Налимов, В В Федоров, Г К Круг, С М Ермаков, И Г.Зедгенидзе Однако большинство данных авторов в своих трудах уделяли внимание планированию регрессионного эксперимента, ориентированного на натурные исследования реальных систем Применение планов регрессионного эксперимента не позволяет получить полиномиальные модели процессов в ЭЭС, обеспечивающие необходимую точность расчетов для широкого диапазона изменения расчетных параметров

В работах Ю Я Зубарева и Г С Ясакова рассматриваются вопросы определения полиномиальных моделей показателей качества судовых автоматизированных систем и, в частности, судовых электроэнергетических систем Однако основное внимание в этих работах уделяется активному эксперименту, при планировании которого предполагается, что все исследуемые параметры могут меняться независимо друг от друга При исследовании переходных процессов в судовых ЭЭС следует учитывать, что такими свойствами обладают только параметры статической нагрузки Параметры генераторов и асинхронных двига-

телей, приведенные в расчетных формулярах и технических условиях, коррели-рованы между собой

Использование метода наименьших квадратов при обработке планов пассивного эксперимента, позволяет получить такие модели, у которых все коэффициенты взаимосвязаны, так как их информационная матрица не содержит нулевых элементов Расчеты, производимые на этих моделях, достигая достаточной точности определения показателя в точках спектра плана, как правило, не обеспечивают приемлемой точности в остальных точках допустимой области изменения параметров

Применение ортогональных планов эксперимента позволяет производить независимые оценки отдельным коэффициентам полиномиальных моделей, так как информационные матрицы ортогональных планов являются диагональными

Полиномиальные модели, построенные на основе ортогональных планов, обеспечивают достаточно высокую точность во всех точках области изменения параметров Однако, при наличии коррелированных параметров не возможно создание ортогональных планов пассивного эксперимента Отсюда возникает задача разработки сбалансированных квазиортогональных планов активно-пассивного эксперимента, у которых информационная матрица является блочно-диагональной Ненулевые подматрицы данной матрицы определяются тремя отдельными подвекторами вектора коэффициентов полиномиальной модели Эти подвектора соответствуют параметрам генераторов, параметрам нагрузки и их взаимодействиям Применение сбалансированных квазиортогональных планов активно-пассивного эксперимента, позволяет существенно повысить точность определения значений показателей качества электромагнитных переходных процессов во всех точках допустимой области изменения параметров

Кроме того, на основе специальных планов активно-пассивного эксперимента могут быть определены мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества электромагнитных переходных процессов С помощью указанных моделей могут осуществляться не только расчеты показателей качества данных процессов, но и их экспериментально-аналитическое прогнозирование Под экспериментально-аналитическим прогнозированием подразумевается определение показателей качества электромагнитных переходных процессов в прогнозируемом (расчетном) режиме на основе значений показателей этой же ЭЭС в некотором экспериментальном режиме

При этом предполагается, что экспериментальный режим работы ЭЭС реализовать легче, чем прогнозируемый В частности, в большинстве случаев экспериментальный режим представляет собой режим частичной (долевой) нагрузки, мощность которой значительно меньше мощности номинальной нагрузки, соответствующей прогнозируемому режиму

В связи с этим иелью исследования диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка основ построения полиномиальных моделей показателей качества переходных электромагнитных процессов в судовых ЭЭС на основе активно-пассивного эксперимента, позволяющих произ-

водить оперативную оценку значений показателей и их экспериментально-аналитическое прогнозирование

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи

1 Формализация задачи построения полиномиальных моделей показателей качества электромагнитных переходных процессов на основе активно-пассивного эксперимента

2 Определение полиномиальных моделей максимального отклонения (провала) напряжения при набросе статической и асинхронной нагрузок

3 Определение мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества электромагнитных переходных процессов при набросе статической нагрузки

4 Разработка оперативных методов расчета и экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных переходных процессов судовых ЭЭС

Предмет исследования диссертации представляет теоретические основы разработки и практическая реализация полиномиальных моделей показателей качества ЭЭС, основанных на обработке результатов расчетов в соответствии с планами активно-пассивного вычислительного эксперимента

Методы исследования Методической основой и общей формальной базой диссертационного исследования служат теория планирования эксперимента, методы активной идентификации и отдельные разделы линейной алгебры

Исследования опираются на материалы Федерального агентства морского и речного транспорта РФ, судостроительных НИИ, Санкт-Петербургского государственного университета водных коммуникаций, специальную математическую и техническую литературу

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем

1 Сформулирована и теоретически обоснована задача активно-пассивной идентификации показателей качества электромагнитных переходных процессов судовых ЭЭС с учетом взаимосвязи параметров генераторов

2 Разработаны сбалансированные квазиортогональные полноблочные планы активно-пассивного эксперимента, в основе которых лежит блоч-но-диагональная информационная матрица, что позволяет определить подвектора коэффициентов, соответствующие параметрам генераторов и нагрузки, а также их взаимодействиям независимо друг от друга

3 Разработаны сбалансированные неполноблочные и композиционные неполноблочные квазиортогональные планы активно-пассивного эксперимента, содержащие значительно меньшее число точек спектра, чем полноблочные планы

4 Определены полиномиальные и мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества электромагнитных переходных процессов, предназначенные для решения задач оперативной оценки и эксперимен-

тально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных переходных процессов

Практическая ценность В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования полиномиальных моделей для решения конкретных задач, возникающих при оперативной оценке определения значений показателей качества электромагнитных переходных процессов, и для сокращения объема швартовных испытаний

Полученные результаты могут быть использованы в конструкторских бюро, а также на судостроительных и судоремонтных предприятиях для сокращения объема швартовных испытаний генераторных агрегатов

Реализаиия работы. Основные результаты получены в рамках выполнения Программы Российской Академии транспорта «Транспорт России» и НИР «АСУ ВУЗ»

Разработанные в диссертации методические положения и полиномиальные модели внедрены в ЗАО «Канонерский судоремонтный завод»

Апуобаиия работы Материалы диссертации докладывались на международной научно-технической конференции «Транском-2004» и на международной конференции «Региональная Информатика-2006», научно-методических конференциях НМК-2004, 05, 06 (СПб, СПГУВК, 2004-2006гг), кафедральных семинарах «Контроль и диагностика транспортных систем» с 2004-2006гг, СПГУВК

Публикации. Основные положения работы рассмотрены в пяти публикациях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющемся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования РФ

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 4-х глав основного текста, заключения, списка литературы Общий объем работы составляет 131 страница, в том числе 3 рисунка, 8 таблиц и список использованных источников из 93 наименований

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

В первой главе формулируется задача исследования Проведенные исследования показали, что не представляется возможной разработка достаточно точных полиномиальных моделей электромагнитных переходных процессов в судовых ЭЭС, позволяющих определить зависимости фазовых координат от временного аргумента Применение для этой цели моделей, нелинейных относительно идентифицируемых параметров, приводит к существенному усложнению процесса идентификации, не обеспечивая при этом желательной точности Поэтому целесообразно производить идентификацию переходных процессов в судовых ЭЭС путем определения полиномиальных зависимостей координат характерных точек переходных процессов, в частности, точек пересечения кривой переходного процесса с координатными осями или с прямыми, параллельными этим осям, а также точек, соответствующих экстремальным значениям выходных переменных

Значения традиционных показателей качества переходных процессов (время переходного процесса, перерегулирования напряжения) либо соответствует значениям указанных координат характерных точек, либо могут быть получены косвенным путем на основе специальных выражений, в которые входят значения указанных координат

При разработке полиномиальных моделей процессов в судовых ЭЭС следует учитывать, что наличие определенной взаимосвязи между параметрами схем замещения ЭЭС в ряде случаев не позволяет использовать планы активного вычислительного эксперимента Указанное обстоятельство объясняется тем, что при активном эксперименте все параметры схем замещения ЭЭС предполагаются независимыми В тоже время между параметрами отдельных элементов ЭЭС, которые приводятся в расчетных формулярах и технических условиях, есть определенная функциональная взаимосвязь, вызванная тем, что указанные параметры зависят от одних и тех же конструктивных параметров этих элементов

В соответствии с функциональным подходом представим судовую ЭЭС в виде некоторой сложной схемы с входными (хл,х11,х1,х'11,х'^,х") и выходными (литах,ли„еререг,11,12л3) величинами (рис 1 1)

К входным величинам данной схемы относятся две группы параметров

- параметры системы (в частности, параметры синхронного генератора),

- параметры внешних воздействий, параметры нагрузки

Выходные величины (Л> Аиперегм,г, г,, /2, /3) являются показателями переходного процесса (провала напряжения), где - максимальный провал напряжения, Шперерег- максимальная величина перерегулирования напряжения,

- время наступления максимального провала напряжения, <2- время наступления максимального перерегулирования напряжения, /3 - время затухания переходного процесса (или время второго восстановления напряжения до номинального значения)

у COS ф

Рис 1 1 Вычислительная модель судовой ЭЭС

Для выяснения степени взаимосвязи между этими параметрами были рассчитаны корреляционные матрицы, соответствующие параметрам явнопо-люсных и неявнополюсных судовых синхронных генераторов Анализ данных матриц показал, что значения коэффициентов корреляции между этими параметрами достаточно велики Это в свою очередь не позволяет производить активный вычислительный эксперимент, так как значения являются зависимыми величинами

Вторая глава посвящена разработке квазиортогональных планов активно-пассивного эксперимента

Для повышения точности определения значений показателей качества электромагнитных переходных процессов во всех точках допустимой области изменения параметров, необходимо построить квазиортогональные планы, у которых информационная матрица является блочно-диагональной

При разработке планов активно-пассивного вычислительного эксперимента все исследуемые параметры схем замещения ЭЭС разбиваются на две группы контролируемые и управляемые

Контролируемые параметры соответствуют параметрам реальных элементов ЭЭС, например различным индуктивным сопротивлениям синхронных генераторов по продольной и поперечной осям Их значения в отдельных точках спектра плана берутся равными значениями расчетных параметров, соответствующих различным типам элементов ЭЭС, например различным типам судовых генераторов серий МСС, МСК, ГМС, ТК и ГМ Параметры являются контролируемыми и неуправляемыми, так как их значения считаются известными, но не могут меняться произвольным образом Будем считать, что при разработке планов активно-пассивного эксперимента контролируемые параметры центрируются

Управляемые параметры соответствующие параметрам нагрузки (у-полная проводимость, cos <р -коэффициент мощности), считаются независимыми и их значения в точках спектра плана выбираются согласно планам активного эксперимента

В основу планов активного эксперимента положены симметричные конфигурации, у которых нечетные моменты любого порядка, соответствующие независимым управляемым параметрам, равны нулю, а управляемые параметры представляют собой центрированные величины

Полиномиальную модель ЭЭС, полученную путем обработки результатов активно-пассивного имитационного эксперимента, можно представить следующим образом

U(x,y) = fTfx)Bt + f">f (у )В a +fT(x,y)Bm, (1)

где fT{x) = [xTt , хти , xTt] ] - подвектор базисных функций, соответствующий центрированным контролируемым параметрам, f0>T(y) - подвектор базисных функций, соответствующий управляемым параметрам,

/т(х,у) = [х,у,,х2у2, хгуг ,хП1уПг] - подвектор базисных функций, соответствующий взаимным произведениям контролируемых и управляемых параметров Матрицу наблюдений, соответствующую контролируемым параметрам, для Я. различных элементов (например, Л типов генераторов) можно представить следующим образом

Х =

(2)

При этом предполагается, что в Я параметров включаются как независимые, так и зависимые параметры, в частности их квадраты и взаимные произведения Будем также считать, что контролируемые параметры процентрирова-ны, т е суммы центрированных значений этих параметров в столбцах матрицы (2) равны нулю

Для каждого г-го элемента, согласно плану активного эксперимента, произведем N расчетов при различных сочетаниях управляемых параметров Эти расчеты могут соответствовать либо всему плану эксперимента, либо его части, называемой в дальнейшем конфигурацией В первом случае планы активно-пассивного эксперимента будем называть полноблочными планами, а во втором случае — неполноблочными

При полноблочном планировании любому элементу матрицы (2) будет соответствовать одна и та же матрица наблюдений управляемых параметров

У 01 Уп У 21 Ущ

У„ =

Уо, Уп

У он Уш

У 2г

У2Н

Уь„

Уы

(3)

Определим матрицу контролируемых параметров, соответствующих г-му элементу Она будет представлять собой N одинаковых строк, соответствующих г-й строке матрицы X

X.

(4)

Аналогичным образом можно определить матрицу наблюдений, соответствующую взаимодействиям между управляемыми и контролируемыми параметрами

у =

1 ГПг

Х1гУп

Х1гУп

Х1гУн

Х,гУш

Х,гУ], Х,гУ,2

X V

1ГУ п

ХщгУп21

хп,гУп22

ХП,ГУП

(5)

У =

(6)

где щ и п2-число независимых контролируемых и управляемых параметров

Тогда матрица наблюдений активно-пассивного эксперимента определяется блочной матрицей вида

Уп Ут\

X г Уп Ущ-. X г У и У,„ X н У и У и,

Результаты ЯхЫ экспериментов можно представить либо в виде вектор-столбца показателей

ит=[и„и2,

5

либо в виде матрицы показателей

Г и„ и„ и„

и--

и„

и,

и„

и.,

и„

и.,

(7)

Строки в матрице показателей соответствуют различным элементам ЭЭС, а столбцы - различным точкам плана

После соответствующих преобразований матрицу моментов можно представить матрицей вида

'ХТХ О О М= О КУ1У„ О

О

О

У У

1III1 III

где - У, У//гУ//

Г—1

Таким образом, из (8) видно, что матрица М - блочно-диагональная Коэффициенты в блоках матрицы (8) соответствуют

- в первом блоке - пассивным (контролируемым) параметрам (параметры генератора),

- во втором - активным (управляемым) параметрам (параметрам нагрузки),

- в третьем блоке - взаимодействиям пассивных и активных параметров Таким образом, построили квазиортогональный план

В результате получили, что подвектора коэффициентов определяются по следующим формулам

В, =(ХТХ)~1ХТи1,

В„ =(¥/¥„ Г'Уптип,

в ш =

14Е*2,

Г=1 1=1

1 В N

1-N-Ъ^гЪУ^п

Г=1 ¡=1

1 Я N

1 N X "V X У 41 ип ^ . ^ЩГ ^ 1 Уп21

. Г=1 1=1

(9)

(10)

где и1г - среднее значение показателя в г-н строке матрицы (7), определяемое

1 "

по формуле и„ Причем и, =

иш - среднее значение показателя в и-м столбце матрицы (6), причем

и и и„

и„

ип

Таким образом, подвектора коэффициентов, соответствующие контролируемым и управляемым параметрам, а также их взаимодействия, определяются независимо друг от друга и имеют достаточно простые аналитические выражения, основанные на операциях над матрицами (2), (3) и (5)

Определение полиномиальных моделей на основе полноблочных планов приводит к большому числу точек спектров этих планов Для сокращения числа точек были разработаны неполноблочные планы В этих планах любому элементу матрицы (2) соответствует не весь план активного эксперимента по управляемым параметрам, а только его отдельная конфигурация

Матрицу наблюдений неполноблочного активно-пассивного эксперимента можно представить в виде

Y =

х2

X„

r Yт Yim

(П)

Будем считать, что суммы квадратов значений каждого управляемого

N

параметра одинаковы для всех конфигураций, т е ^у2™ = const

W=1

Так как фиктивный параметр уд =1, то указанное ограничение означает, что число экспериментов в каждой конфигурации должно быть постоянным, те Nr= Л^для всех г = 1,2 R

Информационная матрица такого плана является блочно-диагональной матрицей

М-

rxtxr

О

О

Yyty

/ , Пг in

О

Хут у

(12)

Соответственно, план квазиортогональный

Подвектор В, контролируемых параметров, как и в случае полноблочных планов, определим с помощью выражения (9)

Для определения подвектора в„ получено выражение

(13)

У Г=1

что, однако, приводит к операциям над матрицами большой размерности

Если несколько конфигураций подматрицы наблюдений управляемых параметров составляют полноблочный план активного эксперимента и эту подматрицу можно представить в виде объединений матриц наблюдений Я0 полноблочных планов, то

л

У. ?„, Уцг ~ Но ^По ^По '

г=1 Я

где иПо - вектор-столбец усредненных значений показателей Тогда подвектор коэффициентов определяется по формуле

ВП=(Г1 Гц0)-Утп0ип0 (И)

где <2„а - подматрица наблюдений, соответствующая полноблочному плану активного эксперимента, 0Тп =[и,п, иИи, иШо] - вектор значений показателей, усредненных по параллельным опытам Подвектор коэффициентов вш определяется с помощью выражения (10)

Рассмотрим еще одну разновидность неполноблочных планов - композиционные неполноблочные планы Общее число точек спектров должно быть не менее чем удвоенное произведение числа управляемых факторов на число элементов Для сокращения числа точек были разработаны композиционные неполноблочные планы

Если производится центрирование, то в результате получим подматрицу наблюдений управляемых параметров, в которой все столбцы ортогональны к столбцу фиктивного параметра х0

Полученную матрицу наблюдений можно представить следующим образом

У =

Х'2

X'«

X

X „.

У

1111

у'

1112

У

о

У

11111

У

11112

У

1ПЖ

о

(15)

где x] х'к> ую ут - подматрицы контролируемых и управляемых параметров, полученные с учетом переноса фиктивного параметра у о

Информационная матрицам имеет вид

М--

(r + r,)x'tx о

О

О

Yyty

¿_l1IIr1 III

О

Еут у

1HIr1IIIr

Таким образом, получили блочно-диагональную информационную матрицу м Коэффициенты в блоках данной матрицы соответствуют контролируемым параметрам, управляемым параметрам и их взаимодействиям

Таким образом, применение квазиортогональных неполноблочных композиционных планов позволяет существенно уменьшить число точек спектров планов и учесть при определении зависимостей большое число элементов ЭЭС Для решения задач оценки качества процессов в судовых электроэнергетических системах предлагается новый тип моделей - мультипликативно-полиномиальные модели (МПМ) Применение мультипликативно-полиномиальных многофакторных моделей позволяет получать достаточно точные результаты, а разработка данных моделей в ряде случаев требует значительно меньших затрат на вычислительный эксперимент

Мультипликативно-полиномиальную модель можно представить следующим образом

U(x) = U0f[Ss{x(S)),

(17)

где S(x(s>)- полиномиальная или кусочно-полиномиальная зависимость от подвектора параметров Подробный анализ различных вариантов полиномиальных моделей, соответствующих максимальному провалу напряжения, показал, что в наибольшей степени требования точности, физической наглядности и универсальности удовлетворяет мультипликативно-полиномиальная зависимость вида

AUmax=AU'max(x'd,xd)Smia(y,cos<p), (18)

где AU'nlta(xd,x"d) - полиномиальные зависимости величин максимальных провалов напряжений от индуктивных сопротивлений генератора, соответствующие вышеуказанным типовым расчетным режимам, Smax(y,cos<p)- полиномиальные зависимости поправочных коэффициентов от параметров нагрузки Третья глава посвящена построению полиномиальных моделей (ПМ) переходных процессов При их определении в качестве вычислительных моделей были использованы модели «синхронный генератор (СГ) - статическая нагрузка (СН)» и «СГ - асинхронный двигатель (АД)» При этом рассматривались три типовых расчетных режима, соответствующих СН с коэффициентами мощности 0 8 и 0 4, а также пуску обобщенного АД

Для определения данных полиномиальных моделей воспользовались разработанными неполноблочными планами активно-пассивного эксперимента В качестве управляемых параметров в этих планах рассматривается полная проводимость нагрузки у и ее коэффициент мощности costp, в качестве контролируемых - переходное x'd и сверхпереходное xd индуктивные сопротивления генератора по продольной оси, наиболее сильно влияющие на значения показателей качества переходных процессов

Параметр х" не вводится в векторы базисных функций полиномиальных моделей, так как его влияние косвенно учитывается через параметр xd, с которым x"q достаточно сильно коррелирован

Были построены 3 полиномиальные зависимости провала напряжения для единого режима работы от 4 параметров, соответствующие 3 группам СГ Общий вид полученных ПМ

литах =f(x'd,x"d,y,cos(p) = b0 + b, x'd + Ъ2 x"d + Ъ, cos<р + Ь4 у +

+ 2>„ х'/ + Ъ,2 x'd xd++b13 х' cos<р + b,4 x'd y + b22 x"2 + + b23 x"d cos(p + b2i x"d у + +bn cos2 <p + b333 cos3 <p + + b334 cos2 (p y + b34 cos<p y + b44y2 +b443 y2 cosq> + b444 ys Полученные полиномиальные модели дают наиболее точные результаты расчета максимального провала напряжения для нетиповых или разрабатываемых генераторов При этом предполагается, что для данных генераторов не производились расчеты провала напряжения на вычислительных моделях в номинальных точках В других случаях, более точные результаты дают мультипликативно-полиномиальные модели

Для повышения точности расчетов было разработано 9 мультипликативно-полиномиальных моделей провала напряжения, соответствующих трем расчетным режимам и трем группам СГ, в частности, явнополюсным СГ малой мощности (S<350кВт), мощным явнополюсным СГ и неявнополюсным СГ Разработка МПМ провала напряжения осуществлялась на основе планов активного и активно-пассивного экспериментов Общий вид полученных МПМ приведен в формуле (18)

Анализ значений коэффициентов корреляции, представленных в таблицах 1 и 2 позволил сделать следующие выводы

- на время максимального провала напряжения наибольшее влияние оказывают значения индуктивных сопротивлений xd, постоянных времени обмотки возбуждения Т/ и сверхпереходной постоянной времени Td,

- на величину и время перерегулирования напряжения, а также на времена восстановления и установления напряжения сильно влияют значения синхронных сопротивлений по продольной и поперечной осям xd и xt, постоянной времени обмоток возбуждения Tf.

Таким образом, на значения показателей качества переходного процесса при включении статистической нагрузки влияют индуктивные сопротивления

генератора x"d,x"q,xd и xq, а также постоянные времени 7} и Td Указанные параметры сильно коррелированы

Для режима включение статической активно-индуктивной нагрузки были определены четыре мультипликативно-полиномиальные зависимости дополнительных характеристик переходного процесса

1 время наступления максимального провала напряжения ^

t, = tlH0M (x'd, Tt') 8, (увкл, cos <pm ), (20)

где tlHOM - время наступления максимального провала напряжения с параметрами увЮ1 =1, cos (рвкл =0 8 ,

- величина поправочного коэффициента,

2 максимальную величину перерегулирования напряжения ли

липеререг=ли

перерег ном

(xq,Tf) 8n{yem,cos<peK]l\ (21)

где Литререгнт1 - величина перерегулирования напряжения с параметрами

C0S?'«ra = 0 8

- величина поправочного коэффициента,

3 время наступления максимальной величины перерегулирования напряжения t2

l2 = t2HOM (хг,Тг) S2 {ymi, cos <рвш), (22)

гДе 12н<ш - время наступления максимального перерегулирования напряжения с параметрами уекд = 1, cos<pem = 0 8 ,

- величина поправочного коэффициента,

4 время затухания переходного процесса t3

*з=1з»о„(хг,Т/) 83{yem>cos(pem), (23)

где tb[OM - время затухания переходного процесса при включении нагрузки с параметрами уекя = 1, cos срекд = О 8, S3 - величина поправочного коэффициента

Четвертая глава посвящена разработке метода экспериментально-аналитического прогнозирования значений показателей качества электроэнергии

Разработанный в третьей главе комплекс полиномиальных моделей ЭЭС может быть использован для решения задач автоматизации процессов экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества ЭЭС Экспериментально-аналитическое прогнозирование заключается в определении значений показателей качества электромагнитных процессов конкретной ЭЭС в прогнозируемом (расчетном) режиме на основе значений показателей этой же ЭЭС в некотором экспериментальном режиме

Практическую реализацию методов экспериментально-аналитического прогнозирования целесообразно осуществлять при решении двух различных задач повышения качества электромагнитных процессов в ЭЭС

Первая задача заключается в сокращении объема швартовных испытаний генераторных агрегатов

Решение второй задачи связано с прогнозированием значений показателей качества процессов в различных эксплуатационных режимах Наличие специальной корабельной аппаратуры, обеспечивающей измерение значений показателей, а также бортовых вычислительных комплексов позволяет автоматизировать процесс прогнозирования, который может осуществляться оператором непосредственно в процессе эксплуатации

Для показателей качества электромагнитных переходных процессов выражение для мультипликативно-полиномиальных модели ЭЭС в общем случае может быть представлено в виде

и(х1 ,у,со5р)=и'(х,) ¿>(у,соб<р), (24)

где х, - вектор значений параметров генераторов, в частности, их индуктивных сопротивлений и постоянных времени,

8{у,со$<р) - поправочный коэффициент, характеризующий соотношение между значениями показателей в данном (экспериментальном) и типовом расчетном режимах

Тогда прогнозируемое значение показателя качества будет определяться следующим образом

ип=иэ 8{уп,созсрп)

где иэ - значение показателя качества, полученное в результате эксперимента, уп, соя <р„, уэ, соь <рэ - значения полных проводимостей и коэффициентов мощности в прогнозируемом и экспериментальном режимах

Для решения задачи сокращения объема швартовных испытаний могут быть использованы вторые сомножители мультипликативно-полиномиальных моделей, полученных в 3 главе диссертационной работы

Для проверки метода экспериментально-аналитического прогнозирования провала напряжения были использованы результаты швартовных испытаний, проводимых на кафедре «ЭАС» ЛЭТИ

В таблице 4 1 приведены результаты проверки точности для четырех генераторов МСК-1250 В данную таблицу внесены результаты испытаний при долевой статической нагрузке (столбец 4) и номинальной статической нагрузке (столбец 6) Значения максимальных провалов напряжения, приведенные в указанных столбцах, взяты из отчета по НИР В результате на основе полученной полиномиальной модели были определены значения Зтах(со$<р,у) при соя<р = 0 8, у=0 3 и у=0 5 Далее в соответствии с формулой (25) произведен расчет прогнозируемых значений максимального провала напряжения, приведенных в пятом столбце В седьмом столбце приведены значения максимального провала напряжения в расчетном режиме, а в восьмом и девятом столбцах - значения отклонений от экспериментального номинального режима

Таблица 4 1 Результаты проверю! точности метода экспериментально-аналитического прогнозирования провала

жения для четырех генераторов МСК-1250

напря-

№ генер Значение долевой нагрузки 5тйх(со$<р,у) Максимальный п ровал напряжения Отклонение по модулю Относит отклонение

Эксперим значение долевой нагрузки Прогноз значение при ном нагрузке Эксперим значение при ном нагрузке Расчетное значение по вычислит модели экс расч\

ди™ ли::

ли™ литх расч

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и

1 0,3 0,34 4,15 12,17 12,72 11,26 1,460 0,550 0,115 0,043

1 0,5 0,52 6,57 12,57 12,72 11,26 1,460 0,150 0,115 0,012

2 0,3 0,34 3,62 10,63 10,16 11,26 1,100 0,470 0,108 0,046

2 0,5 0,52 5,48 10,48 10,16 11,26 1,100 0,320 0,108 0,031

3 0,3 0,34 3,80 11,16 10,85 11,26 0,410 0,310 0,038 0,029

3 0,5 0,52 5,77 11,03 10,85 11,26 0,410 0,180 0,038 0,017

4 0,3 0,34 4,13 12,13 12,64 11,26 1,380 0,510 0,109 0,040

4 0,5 0,52 6,42 12,28 12,64 11,26 1,380 0,360 0,109 0,028

Как видно из последних двух столбцов таблицы, отклонение прогнозируемых значений от реальных значительно меньше, чем расчетные от экспериментальных Относительная ошибка прогнозирования не превышает 5 %

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты

1 Сформулирована и теоретически обоснована задача активно-пассивной идентификации показателей качества электромагнитных переходных процессов судовых ЭЭС с учетом взаимосвязи параметров генераторов

2 Разработаны сбалансированные квазиортогональные полноблочные планы активно-пассивного эксперимента, позволяющие определить подвектора коэффициентов, соответствующие параметрам генераторов и нагрузки, а также их взаимодействиям независимо друг от друга

3 Разработаны сбалансированные неполноблочные композиционные квазиортогональные планы активно-пассивного эксперимента, содержащие значительно меньшее число точек спектра, чем полноблочные планы

4 Получены корреляционные матрицы параметров генераторов, произведена оценка взаимосвязи между параметрами и осуществлен анализ их влияния на значения показателей качества электромагнитных переходных процессов

5 Определены полиномиальные модели максимального отклонения (провала) напряжения при набросе статической и асинхронной нагрузок

6 Получены мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества электромагнитных переходных процессов при набросе статической нагрузки

7 Сформулирована задача экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных процессов на основе мультипликативно-полиномиальных моделей, позволяющих осуществлять перерасчет значений показателей качества в экспериментальном режиме на значения показателей в прогнозируемом режиме

8 Предложен способ сокращения объема швартовных испытаний генераторных агрегатов, путем использования разработанных автором мультипликативно-полиномиальных моделей Указанный способ был внедрен в ЗАО "Канонерский судоремонтный завод"

IV. ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1) Зубарев Ю Я , Козлова Г Н Оптимизация показателей качества электромагнитных процессов в судовых энергетических системах /Межвуз сборник научных трудов «Технические средства судовождения и связи на морских и внутренних водных путях» Выпуск 6, СПб СПГУВК, 2005г ,с 86-90

2) Зубарев Ю Я, Козлова Г Н Функциональное прогнозирование качества электроэнергии судовых электроэнергетических систем / Межвуз сборник научных трудов «Информационные технологии и системы(управление, экономика, транспорт)» СПб ООО «Андреевский издательский дом»-2005г ,с 49-52

3) Зубарев Ю Я, Козлова Г Н Вероятностное прогнозирование показателей качества САС/ Межвуз сборник научных трудов «Информационные технологии и системы (управление, экономика, транспорт)» СПб ООО «Андреевский издательский дом»-2005г ,с 53-54

4) Зубарев Ю Я, Козлова Г Н Переходные процессы в судовых ЭЭС /Межвуз сборник научных трудов «Информационные технологии и системы» Выпуск 2, СПб ООО «Андреевский издательский дом»-2006г ,с 22-24

Статья опубликована в издании, имеющемся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования РФ

5) Козлова Г Н, Румянцев М А , Доай X А Идентификация показателей искажения в автономной ЭЭС с НПЧ на основе вычислительного эксперимента / Ежемесячный научно-технический и производственный журнал «Автоматизация в промышленности» №10, М Типография "Солист", 2006г , с 49-51

ВВЕДЕНИЕ.-4

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.-13

1.1 ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СУДОВОЙ ЭЭС.-13

1.2 ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.-19

1.3 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ НА ОСНОВЕ АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.-30

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ПЛАНОВ АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ ЭЭС.-442.1 ФОРМАЛИЗАЦИЯ ЗАДАЧИ ПОСТРОЕНИЯ ПЛАНОВ АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.- 44

2.2 КВАЗИОРТОГОНАЛЬНЫЕ ПОЛНОБЛОЧНЫЕ ПЛАНЫ АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.-46

2.3 КВАЗИОРТОГОНАЛЬНЫЕ НЕПОЛНОБЛОЧНЫЕ ПЛАНЫ АКТИВНО-ПАССИВНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА.-56

2.4 РАЗРАБОТКА ПЛАНОВ ЭКСПЕРИМЕНТА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МУЛЬТИПЛИКАТИВНО-ПОЖНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ.- 66

ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПЕРЕХОДНЫХ

ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ ЭЭС.- 71

3.1 ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СУДОВЫХ ЭЭС.-713.2 ПОЛИНОМИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ МАКСИМАЛЬНОГО ПРОВАЛА НАПРЯЖЕНИЯ.-81

-33.3 ПОЛИНОМИАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ.- 94

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКОЕ ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПЕРЕХОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.- 99

4.1 ВЛИЯНИЕ РАЗБРОСА ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.- 99

4.2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ.-105

4.3 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗНАЧЕНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ШВАРТОВНЫХ ИСПЫТАНИЙ.-107

4.4 ОПТИМАЛЬНАЯ НАСТРОЙКА ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ НАПРЯЖЕНИЯ И ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ ПОЛИНОМИАЛЬНЫХ МОДЕЛЕЙ.:.-113

Возрастающая сложность современных судовых электроэнергетических систем (ЭЭС) и ужесточению требований к качеству электрической энергии в этих системах выдвигает задачу детального исследования ЭЭС на различных этапах проектирования.

Применение традиционных методов исследования качества процессов на основе сложного математического описания автономных ЭЭС существенно увеличивает сроки проектирования и его стоимость.

Закономерной тенденцией отечественного и зарубежного судостроения является непрерывный рост мощности судовых ЭЭС. Указанное обстоятельство для данных систем вызвано следующими причинами:

- увеличение скорости и грузоподъемности судов. Это в свою очередь приводит к увеличению мощности энергетических установок и, как следствие, самих ЭЭС;

- возрастание сложности задач управления движением крупнотоннажных судов вызывает использование мощных электроприводов подруливающих устройств и успокоителей качки; применение мощных электроприводов погрузочно-разгрузочных устройств, необходимых для повышения интенсивности грузовых операций;

- оснащение современных судов специальным техническим оборудованием и различными системами, обеспечивающими требуемые условия работы и проживания членов экипажа.

Увеличение мощности судовых ЭЭС существенно усложняет процесс обеспечения заданного качества электроэнергии.

Действительно, уменьшение сверхпереходных индуктивных сопротивлений синхронных генераторов приводит к уменьшению основных нормируемых показателей качества электроэнергии, а именно, коэффициента искажения формы кривой напряжения, максимального провала напряжения, коэффициента небаланса напряжения, что в свою очередь ведет к увеличению ударного тока короткого замыкания. При этом возникают сложности в обеспечении электродинамической устойчивости. Увеличение мощности сети за счет параллельной работы генераторов приводит к улучшению качества электроэнергии при уменьшении соотношений между мощностями электроприводов генераторов, а также между мощностями выпрямителей и генераторов. Однако вышеуказанные требования к функционированию судовой ЭЭС в аварийных режимах являются препятствием на пути к увеличению числа параллельно работающих генераторов. Таким образом, при увеличении мощности ЭЭС возникают противоречия между требованиями, предъявляемыми к ЭЭС, в нормальном и аварийном режимах.

Все вышеперечисленные факты существенно усложняют процесс проектирования. Наиболее эффективные меры по обеспечению заданного 'качества электроэнергии с учетом требований, предъявляемых к ЭЭС в аварийных режимах, необходимо принимать на предпроектной стадии исследования и на ранних стадиях проектирования. На завершающих стадиях решение этой задачи менее эффективно, так как требует дополнительных затрат на установку специальных устройств, обеспечивающих заданное качество электроэнергии, а в отдельных случаях может привести к необходимости перекомпоновки судовой ЭЭС.

В настоящее время разработаны методы моделирования электромагнитных процессов в ЭЭС. Применение данных методов для исследования, оценки и обеспечения качества процессов в судовых ЭЭС встречает ряд существенных затруднений. Совершенствование судовых ЭЭС связано как с появлением новых задач, которые должны решать эти системы, так и с научно-техническим прогрессом в области судовой электротехники и других смежных областях. Поэтому при проектировании ЭЭС перспективных судов возникает ряд принципиально новых проблем обеспечения качества, определяемых существенным отличием указанных ЭЭС от ЭЭС традиционных судов.

Исключение электромашинных преобразователей частоты из систем вторичного электропитания и обеспечение электроэнергией радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) непосредственно от общесудовой сети с частотой 50 Гц требует более тщательного рассмотрения показателей качества переходных процессов в ЭЭС, в частности максимального провала напряжения. Электромашинные преобразователи играли демпфирующую роль и защищали РЭА, в первую очередь вычислительные комплексы, от резких колебаний напряжения в общесудовой сети.

При решении задач исследования электромагнитных процессов в судовых ЭЭС широко используют моделирование, осуществляемое на основе вычислительных моделей. Для повышения эффективности исследования и проектирования судовых ЭЭС необходимо создание комплекса согласованных и информационно совместимых математических моделей, которые могут быть использованы для расчета значений показателей.

В большинстве случаев при исследовании электромагнитных процессов в судовой ЭЭС целесообразно рассматривать ее схему замещения с одним генератором. Строгое решение такой задачи эквивалентирования, исходя из условий эквивалентности как электромагнитных, так и электромеханических процессов, вызывает существенные трудности. Однако при ее решении в большинстве случаев можно ограничиться эквивалентностью электромагнитных процессов, считая их более быстротечными, чем электромеханические, и пренебречь качанием роторов генераторов. Эквивалентирование асинхронных двигателей, как правило, также не встречает трудностей. Таким образом, в основу вычислительных моделей положены схемы замещения ЭЭС, содержащие эквивалентные генераторы, асинхронные двигатели, эквивалентную активно-индуктивную нагрузку.

При создании комплекса моделей ЭЭС целесообразно использовать концепции общей теории сложных систем, в частности теории планирования эксперимента. Проведение вычислительного эксперимента, осуществляемого на основе специализированных вычислительных моделей, и обработка полученных результатов на основе метода наименьших квадратов (МНК) позволили получить комплекс согласованных моделей ЭЭС. Данные модели представляют собой полиномиальные зависимости различных показателей качества электромагнитных процессов от расчетных параметров схем замещения ЭЭС.

Вопросами планирования эксперимента посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов. Большой вклад в развитие теории планирование эксперимента внесли В.В.Налимов [61-63], В.В.Федоров [86], Г.К.Круг [53], С.М.Ермаков [21], И.Г.Зедгенидзе [23]. Однако большинство данных авторов в своих трудах уделяли внимание планированию регрессионного эксперимента, ориентированного на натурные исследования реальных систем, а не их вычислительных моделей. Применение планов регрессионного эксперимента не позволяет получить полиномиальные модели процессов в ЭЭС, обеспечивающие необходимую точность расчетов для широкого диапазона изменения расчетных параметров.

В работах ЮЛ.Зубарева [25,26,36] и Г.СЛсакова [92,93] рассматриваются вопросы определения полиномиальных моделей показателей качества судовых автоматизированных и, в частности, судовых электроэнергетических систем. Однако основное внимание в этих работах уделяется активному эксперименту, при планировании которого предполагается, что все исследуемые параметры могут меняться независимо друг от друга. При исследовании переходных процессов в судовых ЭЭС следует учитывать, что такими свойствами обладают только параметры статической нагрузки. Параметры генераторов и асинхронных двигателей, которые приведенные в расчетных формулярах и технических условиях, коррелированы между собой.

Использование метода наименьших квадратов при обработке планов пассивного эксперимента, позволяет получить такие модели, у которых все коэффициенты взаимосвязаны, так как их информационная матрица не содержит нулевых элементов. Расчеты, производимые на этих моделях, достигая достаточной точности определения показателя в точках спектра плана, как правило, не обеспечивают приемлемой точности в остальных точках допустимой области изменения параметров.

Одним из возможных путей преодоления трудностей, возникающих при разработке полиномиальных моделей корреляционных параметров, является применение метода главных компонент, позволяющего получить линейно независимые комбинации параметров (главные компоненты), которые в дальнейшем интерпретируются как параметры полиномиальной модели. Этот метод достаточно универсален, легко формализуем и не связан с физической природой корреляционных параметров. Однако, как показали исследования, полиномиальные модели ЭЭС, полученные на основе указанного, подхода, не обеспечивают, более высокой точности получаемых результатов и существенно затрудняют анализ влияния отдельных параметров на значения показателей качества процессов в ЭЭС. Кроме того, применение метода главных компонент не позволяет получить такие планы активного эксперимента, у которых значения компонент в точках спектров планов соответствовали бы реальным сочетаниям расчетных параметров схем замещения ЭЭС.

Применение ортогональных планов эксперимента позволяет производить независимые оценки отдельным коэффициентам полиномиальных моделей, так как информационные матрицы ортогональных планов являются диагональными.

Полиномиальные модели, построенные на основе ортогональных планов, обеспечивают достаточно высокую точность во всех точках области изменения параметров. Однако, при наличии коррелированных параметров не возможно создание ортогональных планов пассивного эксперимента. Отсюда возникает задача разработки сбалансированных квазиортогональных планов активно-пассивного эксперимента, у которых информационная матрица является блочно-диагональной. Ненулевые подматрицы данной матрицы определяются тремя отдельными подвекторами вектора коэффициентов полиномиальной модели. Эти подвектора соответствуют параметрам генераторов, параметрам нагрузки и их взаимодействиям. Применение сбалансированных квазиортогональных планов активно-пассивного эксперимента позволяет существенно повысить точность определения значений показателей качества электромагнитных переходных процессов во всех точках допустимой области изменения параметров.

Кроме того, на основе специальных планов активно-пассивного эксперимента могут быть определены мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества электромагнитных переходных процессов. С помощью указанных моделей могут осуществляться не только расчеты показателей качества данных процессов, но и их экспериментально-аналитическое прогнозирование. Под экспериментально-аналитическим прогнозированием подразумевается определение показателей качества электромагнитных переходных процессов в прогнозируемом (расчетном) режиме на основе значений показателей этой же ЭЭС в некотором экспериментальном режиме.

При этом предполагается, что экспериментальный режим работы ЭЭС реализовать легче, чем прогнозируемый. В частности, в большинстве случаев экспериментальный режим представляет собой режим частичной (долевой) нагрузки, мощность которой значительно меньше мощности номинальной нагрузки, соответствующей прогнозируемому режиму.

В связи с этим целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка основ построения полиномиальных моделей показателей качества электромагнитных процессов в судовых ЭЭС на основе активно-пассивного эксперимента, позволяющих производить оперативную оценку значений показателей и их экспериментально-аналитическое прогнозирование.

В соответствии с указанной целью в работе сформулированы, обоснованы и решены следующие задачи:

-101. Формализация задачи построения полиномиальных моделей показателей качества электромагнитных переходных процессов на основе активно-пассивного эксперимента.

2. Определение полиномиальных моделей максимального отклонения (провала) напряжения при набросе статической и асинхронной нагрузок.

3. Определение мультипликативно-полиномиальных моделей показателей качества электромагнитных переходных процессов при набросе статической нагрузки.

4. Разработка метода экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных переходных процессов судовых ЭЭС для решения задач сокращения объема швартовных испытаний.

Предмет исследования диссертации представляют теоретические основы разработки и практическая реализация полиномиальных моделей показателей качества ЭЭС, основанных на обработке результатов расчетов в соответствии с планами активно-пассивного вычислительного эксперимента.

Методы исследования. Методической основой и общей формальной базой диссертационного исследования служат теория планирования эксперимента, методы активной идентификации и отдельные разделы линейной алгебры.

Исследования опираются на материалы Федерального агентства морского и речного транспорта, судостроительных НИИ, Санкт-Петербургского университета водных коммуникаций, специальную математическую и техническую литературу.

Научная новизна полученных в диссертации результатов состоит в следующем:

1. Сформулирована и теоретически обоснована задача активно-пассивной идентификации показателей качества электромагнитных переходных процессов судовых ЭЭС с учетом взаимосвязи параметров генераторов.

-112. Разработаны сбалансированные квазиортогональные полноблочные планы активно-пассивного эксперимента, в основе которых лежит блочно-диагональная информационная матрица, что позволяет определить подвектора коэффициентов, соответствующие параметрам генераторов и нагрузки, а также их взаимодействиям независимо друг от друга.

3. Разработаны сбалансированные неполноблочные квазиортогональные планы активно-пассивного эксперимента, содержащие значительно меньшее число точек спектра, чем полноблочные планы.

4. Определены полиномиальные и мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества электромагнитных переходных процессов, предназначенные для решения задач оперативной оценки и экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных переходных процессов.

Практическая ценность. В результате проведенных исследований доказана целесообразность и эффективность использования полиномиальных моделей для решения конкретных задач, возникающих при оперативной оценке определения значений показателей качества электромагнитных переходных процессов, и для сокращения объема швартовных испытаний. д

Полученные результаты были использованы в исследовательских разработках и для сокращения объема швартовных испытаний на судостроительных предприятиях.

Реализация работы. Основные результаты получены в рамках выполнения Программы Российской Академии транспорта "Транспорт России" и НИР "АСУ ВУЗ".

Разработанный в диссертации способ сокращения швартовных испытаний был внедрен на ЗАО "Канонерский судоремонтный завод".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на международной научно-технической конференции "Транском-2004" и на международной конференции "Региональная Информатика-2006", научно-методических конференциях НМК-2004, 05, 06 (СПб, СПГУВК, 2004-2006), кафедральных семинарах "Контроль и диагностика транспортных систем" с 2004-2006, СПГУВК.

Публикации. Основные положения работы рассмотрены в пяти публикациях, в том числе одна из статей опубликована в издании, имеющимся в перечне научных журналов ВАК Министерства образования РФ.

Основные результаты главы 4.

1. Разработан метод экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных переходных процессов.

-1192. Разработан способ сокращения объема швартовных испытаний на основе экспериментально-аналитического метода прогнозирования. 3. Показана возможность применения метода прогнозирования для оптимальной настройки параметров систем стабилизации напряжения и частоты на основе полиномиальных моделей.

-120 -ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Возникновение задач оперативной оценки и экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных переходных процессов в судовых ЭЭС обусловило необходимость научного обоснования и разработки полиномиальных моделей электромагнитных переходных процессов.

В диссертационной работе получены следующие основные результаты:

1. Сформулирована и теоретически обоснована задача активно-пассивной идентификации показателей качества электромагнитных переходных процессов судовых ЭЭС с учетом взаимосвязи параметров генераторов.

2. Разработаны сбалансированные квазиортогональные полноблочные планы активно-пассивного эксперимента, позволяющие определить подвектора коэффициентов, соответствующие параметрам генераторов и нагрузки, а также их взаимодействиям независимо друг от друга.

3. Разработаны сбалансированные неполноблочные композиционные квазиортогональные планы активно-пассивного эксперимента, содержащие значительно меньшее число точек спектра, чем полноблочные планы.

4. Получены корреляционные матрицы параметров генераторов, произведена оценка взаимосвязи между параметрами и осуществлен анализ их влияния на ' значения показателей качества электромагнитных переходных процессов.

5. Определены полиномиальные модели максимального отклонения (провала) напряжения при набросе статической и асинхронной нагрузок.

-1216. Получены мультипликативно-полиномиальные модели показателей качества электромагнитных переходных процессов при набросе статической нагрузки.

7. Сформулирована задача экспериментально-аналитического прогнозирования показателей качества электромагнитных процессов на основе мультипликативно-полиномиальных моделей, позволяющих осуществлять перерасчет значений показателей качества в экспериментальном режиме на значения показателей в прогнозируемом режиме.

8. Предложен способ сокращения объема швартовных испытаний генераторных агрегатов, путем использования разработанных автором мультипликативно-полиномиальных моделей. Указанный способ был использован в ЗАО "Канонерский судоремонтный завод".

1. Адлер, Ю.П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий./ Ю.П.Адлер, Е.В.Маркова, Ю.В.Грановский. М.: Наука, 1976.- 279с.

2. Асатурян, В.И. Теория планирования эксперимента./ В.И. Асатурян. М.: Радио и связь, 1983. -247с.

3. Ахиезер, Н.И. Лекции по теории аппроксимации./ Н.И. Ахиезер. -М.: Наука, 1971.-306с.

4. Бродский, В.З. Введение в факторное планирование эксперимента/ В.З.Бродский. М.: Наука, 1976.-225с.

5. Вентцель, Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. вузов/ Е.С.Вентцель.9-е изд.,стер.- М.: Изд.центр"Академия", 2003.-576 с.•ч

6. Веретенников, Л.П. Вопросы синтеза автономных электроэнергетических систем по условию качества переходного процесса.// Электричество. 1977. - №10. - С.7-12.

7. Веретенников, Л.П. Исследование процессов в судовых электроэнергетических системах. Теория и методы./ Л.П. Веретенников. Л.: "Судостроение", 1975.- 375с.

8. Веретенников, Л.П. Переходные процессы в электроэнергетических системах кораблей./ Л.П. Веретенников. Л.: ВМОЛА, 1982.-672с.

9. Вознесенский, В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях./ В.А. Вознесенский. -М.: Финансы и статистика 1981. 263с.

10. Вопросы исследования, создания и работы автономных ЭЭС// Сб. НТО им. Акад. А.И.Крылова, 1975.- вып.232.- с. 133

11. Воскобович, В. Ю. Моделирование судовых систем с вентильными преобразователями с использованием пакетов программ Р-САХ) и Р-Брше./ В.

12. Ю. Воскобович // Корабельные системы электрорадиотехники, управления и навигации. —СПб.: Изв. ГЭТУ, Вып.509,1997.

13. Воскобович, В.Ю. Электроэнергетические установки и силовая электроника транспортных средств./ В.Ю. Воскобович, Т.Н. Королева, В.А.Павлова (п/ред. Ю.А.Лукомского) //Учебное издание.-СПб.: «Элмор»,2001.

14. Гандин, Б.Д. Электропитание судовой радиоэлектронной радиоаппаратуры без промежуточного преобразования частоты./ Б.Д. Гандин,

15. B.В. Шейнихович. Л.: Судостроение, 1979.- с. 36-39.

16. Гаскаров, Д.В. Сетевые модели распределенных автоматизированных систем./ Д.В. Гаскаров, Е.П. Истомин, О.И. Кутузов. -СПб.: Энергоатомиздат. Санкт-Петербургское отделение. 1998. 353с.

17. Гилерович, Ю.М. Вопросы проектирования электроэнергетических систем надводных кораблей ВМС НАТО // Судостроение за рубежом. 1988. -№2.

18. Горский, В.Г. Планирование промышленных экспериментов (модели динамики)./ В.Г. Горский, Ю.П. Адлер, А.М. Талалай. М.: Металлургия, 1978.- 246с.

19. Горский, В.Г. Планирование промышленных экспериментов/ В.Г. Горский, Ю.П. Адлер. М.: Металлургия. 1974. - 264с.

20. Гребные электрические установки./ Е.Б.Айзенштадт и др. Л.: Судостроение, 1985.- 303с.

21. Гроп, Д. Методы идентификации систем./ Д. Гроп. М.: Мир, 1979.- 302с.

22. Гусейнов, Ф.Г. Упрощение электрических систем при расчетах./ Ф.Г. Гусейнов. М.: Энергия, 1978.-242с.

23. Зедгенидзе, И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем./ И.Г. Зедгенидзе. М.: Наука. 1976. - 390с.

24. Зубарев, Ю.Я. Автоматизация расчета показателей качества судовых ЭСС. // Вопросы автоматизации проектирования электрооборудования судов. JL: Судостроение, 1980.- С.71-75.

25. Зубарев, Ю.Я. Планирование эксперимента в научных исследованиях: учебное пособие. СПб: СПбГУВК, 2004.- 154с.

26. Зубарев, Ю.Я. Автоматизация процессов управления в судостроении. / Ю.Я. Зубарев. JL: Судостроение, 1978. - 261с.

27. Зубарев, Ю.Я. Косвенные методы идентификации показателей качества электроэнергии судовых генераторных агрегатов при швартовных испытаниях./ Ю.Я. Зубарев, В.М. Строгецкий., Л.Ф. Унывалова // Известия

28. ЛЭТИ. Науч.тр. Системы электроэнергии и управления движением судов. -Л.,1983.- Вып.334- с.67-71.

29. Зубарев, Ю.Я. Оптимальная настройка параметров судовых систем автоматической стабилизации напряжения и частоты. Управление и информационные технологии на транспорте./ Ю.Я. Зубарев, В.Ю. Зубарев, И.Д.Абашкин. С-Пб, 1997.

30. Зубарев, Ю.Я. Переходные процессы в судовых ЭЭС./ Ю.Я. Зубарев, Г.Н. Козлова // Межвуз. сборник научных трудов «Информационные технологии и системы», СПб.: ООО «Андреевский издательский дом», 2006г. -Выпуск 2.- с.22-24.

31. Зубарев, Ю.Я. Планирование вычислительного эксперимента в электроэнергетике/ Ю.Я. Зубарев и др.. СПб.: Энергоатомиздат, 2000. - 328с.

32. Зубарев, Ю.Я. Расчет кривой напряжения в автономной электроэнергетической системе с непосредственным преобразователем частотына основе полиномиальных зависимостей. /Ю.Я.Зубарев, Г.А Кобрин // Известия ВУЗов ССР. Электромеханика, 1985.- С.92-97.

33. Зубарев, Ю.Я. Расчет судовых автоматизированных систем методами активного эксперимента./ Ю.Я. Зубарев, А.Д. Собашников, В.А. Юхнович. Л.: Судостроение. 1976. - 95с.

34. Зубарев, Ю.Я. Унифицированный метод оптимизации расчетов показателей качества электроэнергии судовых ЭЭС. Актуальные вопросы современной судовой электротехники./ Ю.Я. Зубарев, В.А Зуев, В.В. Шейнихович. Л.: Судостроение, 1984.- С.56-63.

35. Зубарев, Ю.Я. Эффективность судовых автоматизированных систем./Ю.Я. Зубарев, Б.И. Норневский. Л.: Судостроение, 1975.- 307с.

36. Исследование и разработка научно-обоснованных программ испытании судовой ЭЭС: Отчет о НИР/ ЛЭТИ: Руководитель В.М.Сендюрев, отв.исполнитель Зубарев Ю.Я. №79018694. шифр ЭЛАК-9.-Л.:1979.-84с.

37. Исследование и разработка научно-обоснованных программ испытании судовой ЭЭС: Закл. отчет о НИР/ ЛЭТИ: Руководитель В.М.Сендюрев, отв.исполнитель Зубарев Ю.Я. №79018694.-Л.: 1981.-е. 143

38. Качество электрической энергии на судах/ В.В. Шейнихович и др. Л.: Судостроение, 1988. - 159с.

39. Кетнер, К.К. Алгоритмизация расчетов переходных процессов автономных электроэнергетических систем./ К.К. Кетнер, И.А. Козлова, В.М. Сендюрев. -М.: Знание, 1981.165с.

40. Клеймен, Д. Статистические методы в имитационном моделировании./ Д. Клеймен. М.: Статистика, 1978. - 335с.

41. Константинов, Б.А. Качество электроэнергии и электромагнитная совместимость// Электричество. 1977. - №3. - с. 1-8.

42. Корытный, Е.Б. Диалоговые процедуры построения эффективных планов эксперимента./ Е.Б.Корытный, В.М. Стасышин // В кн.: Применение ЭВМ в оптимальном планировании и проектировании.- Новосибирск, НЭТИ, 1981.-С.88-96.

43. Краснов, В.А. Основы теории и расчет электроэнергетических систем./ В.А. Краснов, П.А. Мещанинов, А.П. Мещанинов. Л.: Судостроение, 1989.

44. Красовский, Г.И. Планирование эксперимента./ Г.И. Красовский, Г.Ф. Филаретов. Минск: Изд-во БГУ, 1982. - 302с.

45. Круг, Г.К. Планирование эксперимента в задачах идентификации и экстраполяции./ Г.К. Круг, Ю.А. Сосулин, В.А. Фатуев. М: Наука. 1977. -207с.

46. Максимов, И.М. Эксплуатация судовых синхронных генераторов./ И.М. Максимов, A.M. Павлюченков. Изд.2-е. - М.: «Транспорт», 1976.-200с.

47. Математическая теория планирования эксперимента. М.: Наука. 1983 -385с.-12856. Математические методы планирования эксперимента. Новосибирск: Наука. 1981.-265с.

48. Михайлов, В.А. Автоматизированные электроэнергетические системы судов./ В.А. Михайлов JL: Судостроение, 1977. - 512с.

49. Михайлов, В.А. Планирование эксперимента в судостроение./ В.А. Михайлов, K.M. Федосов -Д.: Судостроение, 1978.

50. Мозгалевский, A.B. Диагностика судовой автоматики методами планирования эксперимента./ A.B. Мозгалевский, Д.В. Гаскаров. JL: Судостроение, 1977.- 94с.

51. Моисеев, Н.П. Математические задача системного анализа./ Н.П. Моисеев М.: Наука, 1981.-457с.

52. Налимов, В.В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов./ В.В. Налимов, И.А. Голикова. М.: Наука, 1965. 340с.

53. Налимов, В.В. Статистические методы планирования экстремальных экспериментов./ В.В. Налимов, И.А. Голикова. М.: Наука, 1985.- 340с.

54. Налимов, В.В. Теория эксперимента./ В.В. Налимов. М.: Наука. 1981.-207с.

55. Ост. 5. 6030-72. Системы электроэнергетические судовые. Обозначение основных величин.

56. Ост. 5. 6181-81. Судовые электроэнергетические системы. Методы расчета переходных процессов.

57. Панов, В.А. Современное состояние и перспективы применения систем электродвижения на судах различного назначения./ В.А. Панов, И.П. Фиясь // В кн.: Опыт создания электроэнергетических систем судов и буровых установок.- Л.:Судостроение, 1983.- с.73-78.

58. Перспективы развития судовой электроники / Китаенко Г.И. и др. -Л.: Судостроение, 1981.

59. Попов, A.A. Построение оптимальных планов измерений при оценивании параметров в моделях в форме систем .дифференциальных уравнений /А.А.Попов, В.М.Стасышин/ Применение ЭВМ в оптимальном планировании и проектировании. -Новосибирск. НЭТИ. 1982.- с.47-59

60. Применение методов планирования эксперимента в судовой электроэнергетике // Сб. НТО им. А.И. Крылова, 1975.-вып.224.-с.96

61. Применение методов планирования эксперимента в судовой электроэнергетике //Сб. НТО им. А.И. Крылова, 1976.-вып.235.-с.120.

62. Русин, Ю.С. Электропитание гидроакустической аппаратуры./ Ю.С. Русин. Л.: Судостроение, 1986.- 102с.

63. Сахаров, К.В. Энергетика плавучих буровых установок./ К.В. Сахаров, А.Ф. Кузовов Л.: Судостроение, 1975, №10. с.46-49

64. Справочник судового электротехника. Т.1. Судовые электроэнергетические системы, и устройства/Под ред. Г.И.Китаенко.-2-е изд., перераб. и доп.-Л.:Судостроение,1980.

65. Стасышин, В.М. Комплекс программ линейного регрессионного анализа // В кн.: Оптимальное проектирование, планирование экспериментов и моделирование многофакторных объектов- Новосибирск, НЭТИ, 1989.-е. 153158.

66. Таблицы планов эксперимента. М.: Металлургия. 1982.751с.

67. Терешонков, В.А. Особенности проектирования генераторов переменного тока для судовых установок./ В.А.Терешонков, А.Г. Эйбшиц // Вопр. Судостроения, сер. Судовая электротехника и связь.- 1983.- вып. 38.-c.ll-21.

68. Токарев, Л.Н. Математическое описание, расчет и моделирование физических процессов в судовых электростанциях/ Л.Н. Токарев. — Л.: Судостроение, 1980.

69. Ту Дж. Гонсалес Р. Принципы распознавания образов./ Ту Дж. Гонсалес Р. М.: Мир, 1978.-ЗЗЗс.

70. Федоров, В.В. Теория оптимального эксперимента./ В.В. Федоров. -М.: Наука. 1971.312с.

71. Чебраков, Ю.В. Системный анализ задачи о выборе наилучшей полиномиальной регрессии./ Ю.В. Чебраков // Изв. Вузов. Приборостроение, 1997.- т. 40.-№1.- с. 16-23.

72. Шейнихович, В.В. Качество электрической энергии на судах.ф

73. Справочник/В.В.Шейнихович и др.. JL: Судостроение, 1988.

74. Электрические системы. Математические задачи электроэнергетики. Учебник для вузов./ Под ред. Веникова В.А. М: Высш.школа, 1981. -288с.

75. Юсупов, P.M. Элементы теории идентификации технических объектов./P.M. Юсупов М.: Мир, 1974.-130с.

76. Ясаков, Г.С. Вопросы синтеза корабельных электроэнергетических систем по условию качества переходных процессов./ Г.С. Ясаков. Л.: BMOJIA, 1979. - 259с.

77. Ясаков, Г.С. Корабельные электроэнергетические системы./ Г.С. Ясаков. СПб.: ВМА, 1998. 596с.