автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Методика согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов электростанций

На правах рукописи

005020069

БУЛАТОВ ЮРИИ НИКОЛАЕВИЧ

МЕТОДИКА СОГЛАСОВАННОЙ НАСТРОЙКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДПР 2012

Иркутск-2012

005020069

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Братский государственный университет» (ФГБОУ ВПО БрГУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Бардушко Валерий Данилович - д.т.н.,

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет» (НИ ИрГТУ).

Защита диссертации состоится 18 апреля 2012 г. в 13-00 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 218.004.01 при ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А-803.

тел: (8-3952) 63-83-11, (8-3952) 38-76-07

факс: (8-3952) 38-76-72

e-mail: mail@irgups.ru

WWW: http://www.irgups.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения»

Автореферат разослан 15 марта 2012 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить в адрес диссертационного совета.

Игнатьев Игорь Владимирович

профессор, ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет путей сообщения» (ИрГУПС), заведующий кафедрой «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

Томин Никита Викторович - к.т.н., старший научный сотрудник, отдел Электроэнергетических систем, Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева СО РАН (ИСЭМ СО РАН)

Ученый секретарь диссертационного совета

Тихий Иван Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современных условиях развития электроэнергетических систем (ЭЭС) повышается вероятность их работы в предельных по устойчивости режимах. В связи с этим актуальной задачей остается повышение системной надёжности и живучести ЭЭС, что требует усовершенствования подходов к обеспечению системной стабилизации и демпфирования электромеханических колебаний в ЭЭС.

Основными средствами повышения запаса статической устойчивости и улучшения демпфирования электромеханических колебаний традиционно являются автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) синхронных генераторов. Оптимальная и устойчивая работа электростанций в ЭЭС зависит от множества факторов и в том числе от выбора настроек АРВ генераторов. Значительный вклад в решение данных проблем внесли советские и российские ученые: Горев A.A., Жданов П.С., Соколов Н.И., Веников В.А., Ботвинник М.М., Щербачев О.В., Герценберг Г.Р., Левинштейн МЛ., Совалов С.А., Бу-шуев В.В., Баринов В.А., Овчаренко Н.И., Юрганов A.A., Воропай Н.И., Ушаков Е.И., Груздев И.А., Зеккель A.C., Рагозин A.A., Дойников А.Н. и многие другие. Из зарубежных следует отметить работы ученых: Park R.H., Cron G., Anderson P.M., Fouad A.A., Kundur P., Concordia D., Pa¡ M.A., Klein M., Rogers G.J., Martins N. и др. Однако в настоящее время ещё не решены некоторые проблемы, связанные с настройкой систем АРВ с учётом работы других регуляторов, влияющих на статическую устойчивость ЭЭС. К таким устройствам в первую очередь нужно отнести первичные регуляторы скорости вращения турбины. До сих пор системы АРВ и автоматические регуляторы частоты вращения (АРЧВ) турбины рассматривались при их настройке как несвязанные. В то время как взаимное влияние АРВ и АРЧВ генераторов электростанций очевидно и требует пересмотра подходов к оптимальной настройке таких систем.

Актуальность исследований в этом направлении подтверждается положениями нового стандарта ОАО «СО ЕЭС» от 1.07.2010г., разработанного по результатам расследования причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, где отмечены существующие проблемы обеспечения согласованной работы и соответственно настройки систем автоматического регулирования частоты и перетоков мощности и автоматики управления агрегатами гидроэлектростанций.

Целью диссертационной работы является обеспечение системной надёжности электроэнергетических систем путём повышения статической устойчивости на основе согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов электростанций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) провести обзор существующих методов и средств повышения статической устойчивости ЭЭС;

2) провести анализ влияния на устойчивость ЭЭС взаимосвязанной работы систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций;

3) разработать модели систем регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов для исследования методов повышения статической устойчивости ЭЭС;

4) разработать адаптивный генетический алгоритм для оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ;

5) разработать методику пассивной непараметрической идентификации системы «турбина-генератор» в условиях эксплуатации с использованием выделенного шума регулятора при помощи технологии вейвлет-преобразования;

6) разработать методику согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ;

7) провести экспериментальные исследования по апробации разработанных алгоритмов и методов.

Объектом исследования являются генераторы электрических станций, работающие параллельно с электроэнергетической системой.

Предметом исследования являются процессы регулирования напряжения и частоты у генераторов электростанций и взаимное влияние на эти процессы систем АРВ и АРЧВ.

Методы исследования. Цри решении поставленных задач использованы методы теории автоматического управления, математического моделирования, цифровой обработки сигналов. При имитационном моделировании функционирования ЭЭС использовались различные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве инструмента дом реализации применяемого математического аппарата использовалась система компьютерной математики МАТЬАВ.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным применением апробированного математического аппарата, а также соответствием полученных результатов с данными натурных экспериментов.

Научную новизну составляют и на защиту выносятся следующие результаты:

• разработанные модели отечественных систем автоматического регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов, позволяющие детально изучать электромеханические переходные процессы при имитационном моделировании функционирования ЭЭС России;

• разработанная процедура адаптивного генетического алгоритма (ГА) для поиска оптимальных настроек систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций;

• новое структурно-аналитическое описание системы «АРЧВ-турбина-АРВ-генератор» на основе собственных и взаимных передаточных функций каналов регулирования АРВ и АРЧВ, обеспечивающее учёт связей отдельных подсистем;

• разработанная методика пассивной непараметрической идентификации системы «турбина-генератор» в условиях эксплуатации, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в диапазоне частот собственных колебаний, с применением технологии вейвлет-преобразования и методов цифровой обработки сигналов;

• разработанная методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ группы генераторов электростанции, отличающаяся от известных методик учётом их взаимосвязанности.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработанные методики и алгоритмы направлены на практическое решение задачи повышения статической устойчивости ЭЭС. Они могут использоваться в проектных и исследовательских организациях при моделировании электроэнергетических систем для исследования электромеханических переходных процессов, а также при разработке технических требов аний, правил и рекомендаций к функциям и настройкам современных регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов электростанций.

Основные результаты использованы на Братской ГЭС и в учебном процессе Братского государственного университета.

Теоретическая значимость. Разработанная методика является вкладом в развитие методов повышения статической устойчивости электроэнергетических систем.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на всероссийских научно-технических конференциях БрГУ (Братск, 2008, 2009,2010,2011 гг.), всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием ТПУ (Томск, 2009 г.), конференции-конкурсе научной молодежи «Системные исследования в энергетике» ИСЭМ СО РАН (Иркутск, 2009 г.), международной конференции «Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития)» НГТУ (Новосибирск, 2009 г.), международной научной конференции «Моделирование-2010» (Киев, 2010 г.), всероссийской научно-практической конференции «Братская ГЭС: история строительства, опыт эксплуатации, перспективы» (Братск, 2011 г.).

Личный вклад. Все результаты, включенные в диссертацию из совместных публикаций, являются неделимыми, из которых автору принадлежит от 70 до 80 %. Результаты диссертации, составляющие научную новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 22 научных статьях, 6 из них в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ. Получено 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 139 наименований. Основная часть работы изложена на 163 страницах, содержит 76 рисунков и 3 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цели и задачи исследования, указана научная новизна, раскрывается основное содержание диссертационной работы.

В первой главе дан краткий обзор наиболее используемых критериев анализа статической устойчивости ЭЭС. Приведён исторический обзор развития систем АРВ и АРЧВ, а также методов их настройки. На основании проведённого обзора отмечается, что задача настройки систем АРВ совместно с АРЧВ до сих пор не решена и является актуальной.

С развитием систем АРВ большое внимание уделялось разработке методов и алгоритмов их настройки. Начиная с середины 50-х годов XX в. велись разработки алгоритмов и программ для ЭВМ расчёта колебательной устойчивости, которые в основном базировались на частотных методах и реализовы-вали процедуру О-разбиения в плоскости двух настроечных коэффициентов. Метод В-разбиения долгое время широко использовался на практике. Однако к 80-м годам XX в. стали заметно проявляться качественные недостатки метода, ограничивающие его применение для сложных многомашинных ЭЭС как для анализа устойчивости, так и оптимизации настроек АРВ.

Среди определяющих факторов, которые влияют на надёжность, эффективность функционирования и устойчивость работы крупного объединения синхронно работающих электростанций в ЭЭС, а также на выбор оптимальных настроек систем АРВ, большое значение имеет необходимость постоянного поддержания номинальной частоты в энергосистеме, что осуществляется на электростанциях с помощью систем первичного регулирования частоты вращения турбин - АРЧВ. В связи с этим появляется необходимость в согласованном выборе настроек АРВ и АРЧВ.

Разработка математических моделей, методов и алгоритмов координации настроек регуляторов сложных ЭЭС прежде всего ориентирована на применение современных средств математики и вычислительной техники. В частности, огромными ресурсами для проведения виртуальных экспериментов

обладает программная среда разработки и моделирования МАТЬАВ. Так, в диссертационной работе приводится описание созданных в среде МАТЬАВ моделей различных ЭЭС, систем АРВ и АРЧВ дня исследования электромеханических переходных процессов при решении задачи обеспечения статической колебательной устойчивости.

Во второй главе разработан алгоритм оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций с использованием математического описания ЭЭС на основе экспериментально полученной информации (рис.1). В основе алгоритма лежит метод стандартных коэффициентов, суть

Рис.1. Алгоритм оитимальной настройки систем АРВ и АРЧВ

которого заключается в приближении коэффициентов характеристического полинома исследуемой системы к стандартным (желаемым) формам, априори обладающими требуемыми параметрами переходного процесса и необходимым запасом устойчивости. По результатам сравнительного анализа установлено, что в качестве желаемых наборов коэффициентов лучше всего подходят полиномы Батгерворта.

Для определения оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ и АРЧВ согласно приведённому алгоритму (рис.1) необходимо иметь математическое описание в виде характеристического полинома, отражающего динамические свойства исследуемой ЭЭС. В предлагаемом алгоритме используется метод непараметрической идентификации, согласно которому система рассматривается как «чёрный ящик» и на базе априорной информации о процессе определяются численные значения частотных характеристик (ЧХ) как отношение спектров входных и выходных сигналов объекта.

Получить спектральные характеристики объекта позволяет аппарат дискретного преобразования Фурье (ДПФ), с помощью которого можно определить комплексную передаточную функцию IV(]о) как отношение прямого ■преобразования Фурье выходного сигнала с объекта к прямому преобразованию входного сигнала:

(1)

У Оса)

где У(/ш) - спектр входного сигнала; Х(]а) - спектр выходного сигнала.

Регулируемую ЭЭС можно представить в виде структурной схемы замкнутой системы (рис.2), где передаточная функция регулятора 1Ур(]а>), как

правило, известна, а передаточная функция объекта И^О'и) определяется

экспериментально. Представив из-

вестную комплексную передаточную функцию регулятора в виде дроби

IV (на) = —и осуществив элемен-Рис.2. Структурное представление р C(j(й)

регулируемой ЭЭС тарные преобразования, получим ха-

рактеристический полином регулируемой ЭЭС в следующем виде:

0(М = ^ О) • В(М+СОю). (2)

Для определения рабочего диапазона частот исследуемой ЭЭС предлагается использовать метод, основанный на волновом подходе. Согласно этому методу, полоса пропускания ЭЭС определяется волновым числом различных мод свободного движения и зависит от жёсткости связей отдельного генератора с системой:

(3)

где сорі - парциальная частота (частота собственных колебаний ротора /-го генератора) [Гц]; ф, - волновое число (изменение фазы пространственной гармоники между двумя смежными узлами цепочечной схемы) [рад];

К, - коэффициент относительной жесткости связей г'-го генератора с системой [o.e.].

Так как волновое число может изменяться от 0 до я, то (3) определяет диапазон частот свободных колебаний [flmin, £2гаах], т.е. полосу пропускания системы.

Поскольку нарушение нормального процесса эксплуатации крайне нежелательно в ЭЭС, предлагаемая методика идентификации ориентируется на пассивный подход, при котором в качестве тестового воздействия на систему используется выделенный с помощью вейвлет-преобразования шум регулятора. Вейвлет-преобразование представляет собой амплитудно-временное масштабное преобразование сигнала:

W{s,х) = ~ ]/(/).v^jdf, (4)

-—- - базисный вейвлет; т - сдвиг; л - мас-s )

где /(0 - исходный сигнал; у/

штаб; г-время.

Процедура выделения шума регулятора для пассивной идентификации ЭЭС состоит в следующем:

1) выбирается вейвлет и уровень разложения N. Вычисляется вейвлет-разложение исходного сигнала /(/) до уровня А7;

2) для каждого уровня от 1 до ./V выбирается порог, и применяется пороговая обработка детализирующих коэффициентов;

3) производится вейвлет-реконструкция, основанная на первоначальных аппроксимирующих коэффициентах уровня N и модифицированных детализирующих коэффициентах уровней от 1 до ЛГ;

4) выделяется шумовая составляющая сигнала, используемая для идентификации: /,(<) = Д0-/„(0> где /„(;) - полезная составляющая сигнала, полученная с помощью вейвлет-преобразования; /„(0~ шумовая составляющая сигнала.

Построенные ЧХ по экспериментальной оценке (1), полученной с помощью выделенного шума регулятора, как правило, оказываются весьма «изрезанными». В связи с этим предлагается использовать методику сглаживания эмпирической оценки комплексной передаточной функции системы, основанную на применении весовых окон при последовательном усреднении каждого спектра дискретной выборки исследуемых сигналов системы:

|Х(<в)-|У(/4со)|г -^(/Ди) Я'ЬЪ) = 5-, (5)

£и>)-|Г(/Д<в)|2 1-1

где Щ/Ла) - экспериментальная комплексная передаточная функция системы (1), полученная при идентификации с помощью выделенного шума регулятора; Г(/Дш) - спектр входных сигналов идентифицируемой системы; И-'Дсо) -весовая функция или весовое окно.

Для анализа состоятельности модели, полученной в виде комплексной передаточной функции, используется функция спектра квадрата когерентности:

(6)

где 5г(ш), ^(ш) - функции плотности спектров мощности; 6^0'ш) - функция

плотности кросс-спектра.

Для идеальной линейной связи «вход-выход» во всем диапазоне частот выполняется равенство у^(ш) = 1. Используя у^(со), можно вычислить среднюю квадратичную случайную ошибку в определении модуля частотной характеристики системы:

еИ/<»)!]=#^> (7)

где е0 = -Л/7 - статистическая ошибка при определении частотных спектров, / - количество точек в частотном диапазоне.

В соответствии с представленным алгоритмом оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ (рис.1, пункт 5), необходимо иметь определённый критерий оптимизации, который позволит определить коэффициенты регулирования, обеспечивающие требуемые параметры переходного процесса и необходимый запас устойчивости. Для этого предлагается воспользоваться минимизацией следующего квадратичного критерия:

о

J = je2 (Jaldía min, (8)

о

где e(j(i¡) = Dx (ja) - D" (ja) - рассогласование между желаемым набором значений 0ж(уш) и модельным набором значений D"(ja) характеристических полиномов; ш - текущее значение частоты из диапазона полосы пропускания ЭЭС.

Функционал (8) представляет собой сложную функцию, имеющую множество локальных экстремумов, среди которых требуется найти единственный глобальный или близкий к нему, что трудно, а иногда невозможно достичь с помощью классических методов оптимизации. В связи с этим для решения поставленной задачи используется современный метод оптимизации - генетический алгоритм (ГА). Однако, как показали исследования, использование ГА с общепринятыми настройками при оптимизации сложных функций может приводить к неоднозначному решению и большим затратам компьютерного времени. Поэтому для решения задачи настройки систем АРВ и АРЧВ сложных ЭЭС был разработан адаптивный алгоритм, выявляющий оптимальные настройки ГА для данной целевой функции. Суть этого алгоритма заключается в двукратном выполнении ГА. На первом этапе для заданной целевой функции формируется диапазон поиска и начальная точка отсчёта вблизи глобального решения. Затем, используя полученные на первом этапе настройки и гибридную функцию, формируется глобальное решение. Адаптивный ГА позволяет:

Y»

1) значительно уменьшить затраты компьютерного времени при поиске глобального решения;

2) увеличить точность результата при использовании гибридной функции, которая начинает процесс оптимизации с некой наиболее подходящей точки, полученной после применения ГА;

3) автоматизировать процесс выбора оптимальных опций ГА для конкретной задачи.

Степень устойчивости ЭЭС в предлагаемом алгоритме оценивается по показателю скорости изменения фазы характеристического годографа (2), предложенного Бушуевым В.В.:

У(а>) =

'¿Фд(ю)Т

Оо ] '

(9)

где ф0(ш) - фазово-частотная характеристика (ФЧХ), определяемая по частотному годографу системы В (/со). При частоте тр, отражающей эквивалентную частоту собственных колебаний системы, характеристика (9) определяет действительную часть некоторого эквивалентного корня, по которой можно оценивать степень устойчивости системы. При этом оценка (9) при частоте, равной нулю, позволяет характеризовать удалённость системы от границы устойчивости и определять запас апериодической устойчивости ЭЭС.

иг® "АРВ Щэс

Шг

Рис.3. Структурная схема исследуемой ЭЭС

Рассмотрим эффективность работы предлагаемого алгоритма оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ на созданной в МАТЪАВ имитационной модели ЭЭС, представляющей собой одномашинную

№" - . " АРВ

(10)

систему, работающую на шины бесконечной мощности. Структурная схема исследуемой системы с АРВ-СДП представлена на рис.3. Здесь передаточная функция 1УЗХ содержит информацию о динамических свойствах ЭЭС, а также каналах регулирования АРВ по напряжению. Комплексная передаточная функция выделенного канала стабилизации имеет следующий вид: [-£„, (0.2 уш +1)(0.02 уса +1) - 0.4ЛГ,„/а]- 0.535/ш (0.037уса +1)(0.0047уа +1)(2.24уса+1)(0.2уса +1)(0.02уса +1) ' В результате идентификации была получена комплексная передаточная функция 1Гээси&), по которой были построены частотные характеристики (рис.4). Затем с учётом передаточной функции выделенного канала АРВ-СДП (10) был получен следующий характеристический полином: £>*Чу'ы) = у'0.0000016ю5 + 0.00046©4 + (у'0.00214- К^ • 1ГЭХ -у0.030104)а>3 + + (0.214-■ }УЭЭС + 0.1177- • -0.5996)©2 + (у2.5017-у0.535-,КОф -1Уэх)<а + 1, где ш - рабочий частотный диапазон системы.

Соответствующий полином Баттерворта имеет вид:

£>'(уш) = уса5 +3.2361са4 -у5.2361со' -5.23б1саг + у3.2361ю + 1.

В результате решения задачи оптимизации с помощью ГА с учётом ограничений К^ =0..Л и = 0...1 были найдены следующие значения коэффициентов стабилизации выделенного канала АРВ-СДП: К0а = 0.408, Л'ь = 0.

После подстановки полученных значений коэффициентов АРВ-СДП и проведения эксперимента по имитационному моделированию работы регулируемой ЭЭС в МАТЬАВ на момент подключения крупного потребителя наблюдалось приемлемое демпфирование колебаний напряжения генератора (рис. 5).

Кроме исследований на математической модели ЭЭС в МАТЬАВ были проведены соответствующие опыты с целью определения оптимальной настройки системы АРЧВ на физической модели, представляющей собой автономную электрическую систему, содержащую генератор (синхронная маши1-на), приводимый во вращение первичным двигателем - турбиной (машина постоянного тока), а также активную и индуктивную нагрузки. Сравнительный анализ настроек системы АРЧВ, полученных с помощью представленного алгоритма, и настроек, полученных классическим методом расширенных амплитудно-фазовых частотных характеристик (РАФЧХ), показывает повышение степени устойчивости исследуемой физической модели ЭЭС в 10 раз, а запаса апериодической устойчивости - в 1,9 раза.

Таким образом, как показали исследования на математических моделях ЭЭС в МАТЬАВ, а также на физической модели автономной электрической системы предложенный алгоритм оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций позволяет значительно повысить запас и степень устойчивости электроэнергетической системы.

В третьей главе разработана методика учёта взаимосвязанности систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций при их совместной настройке, позволяющая обеспечить более высокую степень устойчивости ЭЭС по сравнению с развязанной настройкой АРВ и АРЧВ. Предложено структурно-аналитическое описание и методика непараметрической идентификации системы «АРЧВ-турбина-АРВ-генератор».

При идентификации систему «турбина-генератор» в виде отдельного блока на электростанции необходимо представить как двухсвязную, имеющую два входных воздействия, поступающих от регуляторов, и в общем случае две регулируемые величины - частоту вращения ротора фг и напряжение генератора 11г (рис.6). На рисунке обозначены передаточные функции: турбины

Рис.4. Частотные характеристики

ЭЭС

напряжения генератора

> возбудителя !УВ, матричная передаточная функция генератора, состоя-

щая из основных каналов и перекрёстных связей IVг =

IV № "11 12

IV № 21 22

матричная

передаточная функция «общего регулятора», отражающего взаимосвязь си-

стем АРВ и АРЧВ IV =

Ш IV"

" АРЧВ ''АРВ

О

и "арв

, где 1Ум«т - передаточная функция

АРЧВ; передаточная функция канала АРВ по частоте; - пере-

даточная функция канала АРВ по напряжению.

Рис.6. Структурная схема регулируемой системы «турбина-генератор»

Для идентификации рассматриваемой системы в условиях эксплуатации предлагается снимать входные и выходные сигналы для нескольких режимов с целью получения необходимого количества уравнений, равного числу неизвестных.

Предположим, что передаточные функции АРВ, АРЧВ, турбины и возбудителя известны. Обозначим через уь у2 спектры выделенного шума входных сигналов, а через хи х2 - спектры выделенного шума выходных сигналов. На рис.6 показаны точки снятия сигналов (точки а, б, в, г), отношение спектральных характеристик выделенных шумов которых позволяет выявить необходимые комплексные передаточные функции основных каналов и перекрёстных связей. В частности, в рассматриваемой системе достаточно снять спектры входных и выходных сигналов для двух режимов работы системы и получить в итоге две системы уравнений:

+ 2режим:

Из этих четырёх уравнений определяются комплексные передаточные функции основных каналов IV,,, 1Г22 и перекрёстных связей IV,2, IV2, генератора.

Предлагаемая методика непараметрической идентификации была апробирована на созданной в среде МАТЪАВ двухсвязной системе. В результате установлено, что данная методика может быть использована для получения достоверной математической модели системы «турбина - генератор» с целью определения оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ и АРЧВ.

Алгоритм согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ можно представить так же, как и для отдельных подсистем регулирования частоты и напря-

1 режим:

жения генератора (рис.1) с той только разницей, что идентификация будет выполняться как для многосвязной системы по описанной выше методике. При этом характеристический полином можно получить, приравняв нулю определитель характеристической матрицы замкнутой системы:

01)

где Е - единичная матрица; ^(р) - матричная передаточная функция многосвязного объекта управления; 1¥р(р) - матричная передаточная функция многосвязного регулятора.

Для группы параллельно работающих генераторов электростанций идентификацию и согласованную настройку систем АРВ и АРЧВ предлагается проводить в два этапа (рис.7). Так как связь по частоте генераторов электростанции и различных частей ЭЭС очевидна, то целесообразно на первом этапе проводить оптимизацию настроек систем АРЧВ группы генераторов с учётом этих связей. В этом случае при идентификации целесообразно представлять всю систему так, чтобы были учтены связи агрегатов, работающих на общую системную нагрузку.

Необходимо отметить, что если рассматривается группа агрегатов, работающих на общие шины, то они, как правило,

Рис.7. Схема идентификации и согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ

являются однотипными и, следовательно, характеризуются близкими динамическими свойствами. При этом, как известно, для устойчивости однотипной связанной системь! необходимо и достаточно, чтобы были устойчивы все п однотипные подсистемы. Это обстоятельство позволяет перейти к рассмотрению такой системы, как эквивалентной, что даёт возможность существенно снизить порядок характеристического уравнения. Для этого предлагается выбрать один из параллельно работающих агрегатов, который принимается за «ведущий», представить всю эквивалентную систему так, как показано на

рис.8, и определить одинаковые настройки АРЧВ для всей системы.

Если же на электростанции имеется несколько систем шин, т.е. можно выделить несколько

^АРЧВ 1¥г Жг

Рис.8. Структурная схема эквивалентной системы группы параллельно работающих генераторов электростанции

групп параллельно работающих агрегатов, то для идентификации такой системы на первом эгапе её необходимо представить как многосвязную и использовать метод, основанный на получении уравнений для нескольких режимов, описание которого приведено выше.

После идентификации и получения характеристического полинома эквивалентной системы регулирования частоты группы параллельно работающих генераторов электростанции можно осуществлять настройку АРЧВ всех агрегатов. Затем в соответствии с представленным алгоритмом (рис.7) можно перейти ко второму этапу и определить оптимальные настройки АРВ и АРЧВ с учётом их взаимосвязанности. Для этого необходимо провести идентификацию отдельных подсистем «турбина-генератор» электростанции с настройками АРЧВ, полученными на первом этапе. После определения характеристических полиномов отдельных регулируемых подсистем можно проводить согласованную настройку систем АРВ и АРЧВ по алгоритму, описанному выше (рис.1).

Апробация предложенной методики непараметрической идентификации группы параллельно работающих генераторов электростанции и настройки взаимосвязанных систем АРВ и АР^В проводилась в интегрированной среде МАТЬАВ на созданных моделях ЭЭС, представляющих собой двух- и трёх-машинные системы, оаботающие на шины бесконечной мощности.

Используя предложенный подход, два агрегата, работающие на общие шины, были заменены одним эквивалентным, для которого были получены частотные характеристики чгурбины и генератора, после чего, согласно алгоритму (рис.7), были определены соответствующие коэффициенты регулирования АРЧВ: кр = -29.04, /с, = -0.05, /¡¿=-2.27. Затем на втором этапе после идентификации системы «турбина-генератор», результаты которой в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) показаны на рис.9, были определены оптимальные коэффициенты взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ: ^=-78.86, *, = 1.20, £¿=-2.18, к0и= 177.54, к,и = 5.97, к0ш= 1.07 и кіа - 0.72.

Анализ полученных настроек систем АРВ методом их согласования с настройками АРЧВ и без согласования показывает, что в первом случае, как видно из табл. 1, ЭЭС получила больший запас устойчивости. Кроме этого, улучшились демпферные свойства электромеханических колебании системы, что видно из фрагментов осциллограмм изменения частоты вращения ротора и напряжения синхронных генераторов после подключения дополнительной нагрузки (рис.10).

Таким образом, как показали исследования на моделях ЭЭС в МАТЬАВ, предложенная методика согласованной настройки взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ группы параллельно работающих генераторов электростанции

0.2 0 4 06 W12

м

Мії

34 С5 Гц

Рис.9. Полученные АЧХ системы «турбипа-гскератор»

позволяет повысить степень устойчивости и демпферные свойства электроэнергетической системы.

Таблица 1

Метод настройки АРВ Коэффициенты регулирования АРВ Запас апериодической устойчивости ЭЭС, У(0)

Без учёта влияния АРЧВ кои= 55, 5, кВа= 2.65, к]а= -0.88 0.13

Согласованная настройка с АРЧВ 177.54, к1и= 5.97, 1.07, 0.72 0.2

6)

Рис.10. Осциллограммы изменения частоты вращения ротора и напряжения генератора а) АРВ настроены без учёта влияния АРЧВ;

6) согласованная настройка АРВ и АРЧВ

Для исследования влияния на внутригрупповое движение генераторов многомашинной станции настроек АРВ и АРЧВ, полученных с помощью предлагаемой методики, была разработана модель электростанции, работающей параллельно с системой. Оптимальные настройки АР13 определялись с помощью разработанного алгоритма. Для этого эквивалентные агрегаты, работающие на разные шины, были представлены как двухсвязная система, для которой была получена комплексная передаточная функция частотного канала регулирования генератора П'г, показанная на рис.11 в виде АЧХ и ФЧХ.

Затем был составлен характеристический полином и соответствующий ему полином Баттерворта.

В результате работы генетического алгоритма были определены следующие коэффициенты регулирования системы АРЧВ: кр- 932.66, А, = -30.52, £¿=31.24. Используя полученные настройки АРЧВ, была проведена идентификации системы «турбина-генератор» шин 500 кВ, результаты которой в виде АЧХ показаны на рис.12. После этого был составлен характеристический полином системы и определены оптимальные коэффициенты регулиро-

15

вания аналоговых и микропроцессорных АРВ, например, для системы 500 кВ настройки АРВ-СДП составили: к0и = 1, к1и = 0.97, к0ш= 0.64 и к1ш = 0.17, а для АРВ-М -к0и = 50, к,и= 0.16, к0ф= 5.67 и к,а= 1.58.

0 0.2 0:4 0.6 о:в 1 1.2Гц ' р 02 0 У*12

І N

.........

Рис.11. Частотные характеристики генератора

С 02 04 06 03 1 12Гц 0 0-2 0 4 06 08 1 12Гц

Рис.12. Полученные АЧХ системы «турбина-генератор»

Анализ устойчивости рассматриваемой электростанции в рамках внутриг-руппового движения проводился путём наблюдения за изменением взаимных углов роторов генераторов А5.2 и напряжения на шинах станции при вносимых возмущениях в систему. Как видно по осциллограмм (рис.13, 14) внутренние качания в системе быстро затухают, что говорит об эффективности предлагаемой методики настройки систем АРВ.

146 147 148 149 150 151 152 153 1. 58С

0375 0.97 0.965

155 1. зес

Рис.13. Изменение взаимных углов Рис.14. Изменение напряжения на роторов генераторов шин 500 кВ шинах 500 кВ

Для определения влияния на пропускную способность электропередачи согласованной настройки АРВ и АРЧВ, полученной с помощью предлагаемой методики, в соответствие с методическими указаниями по устойчивости энергосистем СО 153-34.20.576-2003 осуществлялось утяжеление режима путём последовательного увеличения перетока мощности по линии 500 кВ. При этом использовался сбалансированный по мощности способ утяжеления режима, при котором частота оставалась практически неизменной, что позволило достичь границы области устойчивости и определить предел мощности электропередачи. По результатам исследований, которые в виде перетока мощности и частоты для различных способов настройки АРВ показаны на рис.15, был определён коэффициент запаса статической устойчивости по ак-

16

тивной мощности в сечении. При настройке АРЕ! без учёта влияния АРЧВ коэффициент запаса устойчивости составил 26%, а при согласованной настройке увеличился до 32%.

Рнс.15. Результаты определения предела передаваемой мощности по сечению: а) для несогласованной настройки АР1! и АРЧВ; б) для согласованной настройки АРВ и АРЧВ

Таким образом, предлагаемая методика согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ оказывает положительное влияние на внутригрупповые движения генераторов многомашинной станции и позволяет повысить запас статической устойчивости ЭЭС.

В четвертой главе в интегрированной среде МАТЬАВ разработан программный комплекс, позволяющий решать следующие задачи: идентификация системы турбина-генератор в условиях эксплуатации; построение частотных характеристик исследуемой ЭЭС; оценка адекватности математической модели ЭЭС; оптимизация коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций путём согласования их настроек; оценка запаса устойчивости ЭЭС.

Основные окна программного комплекса показаны на рис.16.

В диссертации приведены исследования по использованию предлагаемых методов идентификации ЭЭС и настройки систем АРВ и АРЧВ с применением разработанного программного комплекса. В качестве объекта исследования выступает автономная электрическая система, представляющая собой лабораторную установку. В состав физической модели, структурная схема которой показана на рис.17, входит генератор (синхронная машина), приводимый во вращение первичным двигателем (машина постоянного тока), источник питания машины постоянного тока, возбудитель синхронной машины, преобразователь угловых перемещений, а также активная и индуктивная нагрузки.

) <-СОЧ—I

а) б)

Рис.16. Основные окна программного комплекса: а) главное окно программного комплекса; б) результирующее окно

Рис.17. Структурная схема исследуемой физической модели

Плата сбора данных типа PCI 6025Е, встроенная в системный блок персонального компьютера, входящего в лабораторную установку, а также терминал, блок ввода-вывода цифровых сигналов и коннектор позволяют совместить данную физическую модель автономной электрической системы с программной средой разработки и моделирования MATLAB. Пакеты Simulink и Real-Time Windows Target позволяют обрабатывать сигналы системы и с помощью разработанных моделей АРВ и АРЧВ производить управление электрической установкой в реальном времени.

Настройка АРВ проводилась без учёта и с учётом влияния системы АРЧВ. При этом поиск коэффициентов регулирования осуществлялся только для канала стабилизации АРВ по частоте, а коэффициенты усиления канала по напряжению были приняты постоянными: kou=10, klu=5.

После того как были введены все исходные данные для настройки АРВ без учёта АРЧВ, была определена комплексная передаточная функция, учитывающая автономную электрическую систему и канал регулирования АРВ по напряжению. Полученные частотные характеристики показаны на рис.18. Далее, используя полученную модель, с помощью программного комплекса были определены соответствующие коэффициенты стабилизации АРВ по частоте ко«=0.151, k,w=0.172.

Рис.18. Частотные характеристики системы для настройки АРВ

о лая а Ч«<?»* 0:(3

ь

В соответствии с разработанной методикой оптимальная настройка АРВ проводилась с учётом влияния системы АРЧВ. Для этого были определены комплексные передаточные функции основных каналов и перекрёстных связей автономной электрической системы, которые в виде частотных характеристик показаны на рис.19. После ввода информации о структуре взаимосвязанных систем АРВ и АРЧВ были определены их оптимальные коэффициенты регулирования. Результаты работы программного комплекса показаны на рис. 20.

................. '»««ч ■ Ш

Рис.19. Частотные характеристики системы для согласованной настройки АРВ и АРЧВ

Рис.20. Результаты работы программного комплекса при согласованной настройке АРВ а Л?43

Как видно из табл. 2, коэффициенты стабилизации АРВ при согласованной настройке с АРЧВ значигельно изменились, и при этом степень устойчивости системы возросла в 2,8 раза.

Таблица 2

Метод настройки АРВ Коэффициенты настройки АРВ Степень устойчивости, У(сОр)

Без учёта влияния АРЧВ кои=Ю, к)и=5, ко«=0.151,к,„=0Л72 0.26

Согласованная настройка с АРЧВ кои=Ю, кы=5, 0.74

Проведённые исследования доказывают, что поиск оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ генераторов электростанций необходимо осуществлять, учитывая влияние систем АРЧВ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ На основе проведённых исследований решена актуальная задача повышения статической устойчивости ЭЭС за счёт согласований: настроек систем

АРВ и АРЧВ генераторов электростанций. При этом получены следующие результаты:

1. Установлено, что учёт взаимосвязанной работы систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанции при их настройке позволяет значительно повысить запас статической устойчивости ЭЭС.

2. Разработаны модели отечественных систем автоматического регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов, позволяющие детально изучать электромеханические переходные процессы при имитационном моделировании функционирования ЭЭС России.

3. Разработан алгоритм поиска оптимальных настроек параметров стабилизации АРВ и АРЧВ генераторов электростанций, основанный на использовании процедуры адаптивного генетического алгоритма. Проведённые исследования показывают эффективность разработанного алгоритма.

4. Предложено новое структурно-аналитическое описание системы «АРЧВ-турбина-АРВ-генератор» на основе собственных и взаимных передаточных функций каналов регулирования АРВ и АРЧВ, обеспечивающее учёт связей отдельных подсистем.

5. Разработана методика пассивной непараметрической идентификации системы «турбина-генератор» в условиях эксплуатации, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в диапазоне частот собственных колебаний с применением технологии вейвлет-преобразования и методов цифровой обработки сигналов.

6. Разработана методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ группы генераторов электростанции, отличающаяся от известных методик учётом их взаимосвязанности.

7. Разработан программный комплекс, позволяющий решать задачи идентификации энергосистем, оптимизации коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций и анализа устойчивости ЭЭС.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК

1. Булатов Ю.Н. Оптимизация коэффициентов регулирования системы АРЧМ с использованием генетического алгоритма / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. -2009.-№1(21).-С. 150-153.

2. Булатов Ю.Н. Разработка блока автонастройки АРЧМ на основе нечёткой логики / М.А. Приходько, Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии. -2010. -№2(6). - С.91-95.

3. Булатов Ю.Н. Программный комплекс для идентификации электроэнергетических систем и оптимизации коэффициентов стабилизации автоматических регуляторов возбуждения / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии. - 2010. -№4(8). - С. 106-113.

4. Булатов Ю.Н. Влияние согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций на устойчивость электроэнергетических систем / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В. // Системы. Методы. Технологии. - 2011. -№2(10).-С. 85-90.

5. Булатов Ю.Н. Методика выбора оптимальных настроек систем АРЧВ генераторов электростанций / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В., Поник В.А. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2011. -№1(29).-С. 192-198.

6. Булатов Ю.Н. Методика повышения запаса устойчивости межсистемных связей электроэнергетических систем / Булатов Ю.Н., Игнатьев И.В., Стародубцев А.А. // Системы. Методы. Технологии. - 2011. - № 3(11). - С. 101— 105.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ

7. Свидетельство об официальной регистрации в Реестре программ для ЭВМ №2010615862. Оптимизация коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций (ARE&ARRF v. 1.00) / И.В. Игнатьев, Ю.Н. Булатов // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2010.

8. Свидетельство об официальной регистрации в Реестре программ доя ЭВМ №2011615139. Нечёткая идентификация односвязных систем (FLI v. 1.00) / Ю.Н. Булатов, М.А. Приходько // Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товаррым знакам. - 2011.

В других журналах и изданиях

9. Булатов Ю.Н. Моделирование автоматических регуляторов возбуждения генераторов электрических станций в среде MATLAB / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ: межвуз. темат. сб. тр. Вып.14 / СПбГАСУ. - СПб., 2008. - С. 1824.

Ю.Булатов Ю.Н. Настройка АРВ-СД генератора методом стандартных коэффициентов с применением генетического алгоритма / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. -Братск: БрГУ, 2008. - С. 18-24.

П.Булатов Ю.Н. Методика определения оптимальной настройки многосвязных систем автоматического управления / Ю.Н. Булатов // Молодежь и современные информационные технологии. Сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных с международным участием «Молодёжь и современные информационные технологии». - Ч. 2. - Томск: Изд-во СПБ Графике, 2009. - С. 16-17.

12. Булатов Ю.Н. Разработка адаптивной системы автоматического регулирования возбуждения генераторов электростанций / Ю.Н. Булатов // Системные исследования в энергетике.-Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2009.-С.19-24.

13. Булатов Ю.Н. Методика согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ генератора / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т. 1. - Братск: БрГУ, 2009. - С. 3-7.

14. Булатов Ю.Н. Алгоритм непараметрической идентификации ЭЭС для получения оптимальных коэффициентов стабилизации АРВ генераторов / Ю.Н. Булатов, С.А. Дьяконица // Труды Братского государственного уни-

версигета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. - Братск: БрГУ, 2009. - С..7-11.

15. Булатов Ю.Н. Определение оптимальных коэффициентов стабилизации систем АРВ и АРЧВ по непараметрическим моделям турбогенераторов электростанций / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев.// Системы. Методы. Технологии. - 2009. - №3. - С.70-74.

16. Булатов Ю.Н. Непараметрическая идентификация системы турбина-генератор в условиях эксплуатации / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Сборник материалов конференции: Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития). - Новосибирск: изд-во «КАНТ», 2009. - С. 89-92.

17. Булатов Ю.Н. Моделирование гидротурбин и автоматических регуляторов частоты и активной мощности в среде MATLAB / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Системы. Методы. Технологии. - 2009. - №4. - С.67-70.

18. Булатов Ю.Н. Алгоритм сглаживания эмпирической оценки комплексной передаточной функции при идентификации электроэнергетических систем / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Информационные системы контроля и управления в промышленности р на транспорте: сб. науч. трудов / под ред. Ю.Ф. Мухопада. - Иркутск: ИрГУПС, 2010. -Вып. 17. - С. 18-23.

19. Булатов Ю.Н. Разработка модели АРВ-СДП в среде MATLAB и его настройка с помощью генетического алгоритма / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев, A.B. Аксеновский // Труды Братского государственного университета: Серия Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири. - В 2 т. - Т.1. - Братск: БрГУ, 2010. - С. 19-25.

20. Булатов Ю.Н. Модель электростанции в MATLAB для исследования внутригруппового движения / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Моделирование и информационные технологии. - Киев: HAH Украины, 2010. - Сборник научных трудов (специальный выпуск). - Т.1. - С. 194-202.

21. Булатов Ю.Н. Разработка модели микропроцессорного автоматического регулятора возбуждения в среде MATLAB и оптимизация его настроек / Ю.Н. Булатов, В.А. Попик И Труды Братского государственного университета: Сер.: Естественные и инженерные науки - развитию регионов Сибири: в 2 т. - Т.2. - Братск: Изд-во БрГУ, 2011. - С. 3-8.

22. Булатов IQ.H. Методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанции / Ю.Н. Булатов, И.В. Игнатьев // Сборник материалов конференции «Братская ГЭС: история строительства, опыт эксплуатации, перспективы». - Братск: Изд-во БрГУ, 2011. - С. 130-138.

Подписано в печать 12.03.2012 Формат 60 х 84 */16 Печать трафаретная. Уч.-изд. л. 1,5. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 150 экз. Заказ 32

Отпечатано в авторской редакции в издательстве ФГБОУ ВПО «БрГУ» 665709, Братск, ул. Макаренко, 40

61 12-5/2230

ФГБОУ ВПО "Братский государственный университет"

На правах рукописи

Булатов Юрий Николаевич

МЕТОДИКА СОГЛАСОВАННОЙ НАСТРОЙКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ И ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

к.т.н., доцент Игнатьев И.В.

Иркутск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................5

1. ОБЗОР МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ СТАТИЧЕСКОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ......................................................13

1Л. Статическая устойчивость электроэнергетических систем и обзор методов её анализа..............................................................................................13

1.2. Обзор систем автоматического регулирования возбуждения генераторов и методов их настройки................................................................20

1.3. Автоматические регуляторы частоты вращения турбин генераторов и их влияние на статическую колебательную устойчивость........................................................................................................27

1.4. Математическое моделирование элементов ЭЭС при решении задач обеспечения статической устойчивости.................................................32

1.5. Моделирование элементов ЭЭС и их регуляторов в МАТЕАВ для проведения исследовательских экспериментов...............................................35

1.6. Выводы..........................................................................................................47

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ И ОСНОВЫ МЕТОДИКИ НАСТРОЙКИ СИСТЕМ АРВ И АРЧВ............................................................48

2.1. Синтез систем автоматического управления методом стандартных коэффициентов....................................................................................................48

2.2. Решение задачи оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ с помощью генетического алгоритма..................................................................56

2.3. Экспериментальная непараметрическая оценка динамических свойств ЭЭС.........................................................................................................66

2.4. Исследование методики оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ на простейших физических и математических моделях ЭЭС............79

2.5. Разработка адаптивной системы АРВ генераторов электростанций

для повышения статической устойчивости ЭЭС.............................................87

2.6. Выводы..........................................................................................................89

3. УЧЁТ ВЗАИМОСВЯЗАННОСТИ СИСТЕМ АРВ И АРЧВ ГЕНЕРАТОРОВ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ПРИ ИХ ОПТИМАЛЬНОЙ НАСТРОЙКЕ.......................................................................................................91

3.1. Оптимизация настроек регуляторов многосвязных систем автоматического управления.............................................................................91

3.2. Разработка методики непараметрической идентификации системы турбина-генератор в условиях эксплуатации...................................................97

3.3. Методика учёта взаимосвязанности систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций при их оптимальной настройке.......................101

3.4. Апробация методики согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ на двух и трёхмашинной системе..........................................................109

3.5. Разработка модели электростанции в МАТЬАВ и исследование «внутренних» и «внешних» движений при согласованной настройке систем АРВ и АРЧВ............................................................................................120

3.6. Выводы..........................................................................................................128

4. ПРОГРАММНЫЙ КОМПЛЕКС ИДЕНТИФИКАЦИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ОПТИМАЛЬНОЙ НАСТРОЙКИ АВТОМАТИЧЕСКИХ РЕГУЛЯТОРОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ.................................................................................................130

4.1. Структура и описание программного комплекса.....................................130

4.2. Применение программного комплекса для настройки систем АРВ

и АРЧВ генераторов электростанций...............................................................137

4.3. Оценка результатов исследований и возможности практического применения программного комплекса..............................................................144

4.4. Выводы..........................................................................................................145

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................147

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................................................................149

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях развития электроэнергетических систем (ЭЭС), когда имеются предпосылки для создания мегаэнергообъединений, остаются актуальными вопросы регулирования напряжения и реактивной мощности, оптимального распределения нагрузки параллельно работающих генераторов электростанций с целью повышения системной надёжности и живучести систем электроснабжения потребителей. При этом требуется пересмотреть подходы к решению задачи обеспечения системной стабилизации и демпфирования электромеханических колебаний при маловозмущенных режимах ЭЭС.

Основными средствами повышения запасов статической устойчивости и улучшения демпфирования электромеханических колебаний традиционно являются автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) синхронных генераторов. Оптимальная и устойчивая работа электростанций ЭЭС зависит от множества факторов и, в том числе, от выбора настроек АРВ генераторов. Значительный вклад для решения данных проблем внесли советские и российские ученые: Горев A.A., Жданов П.С., Соколов Н.И., Веников В.А., Ботвинник М.М., Щербачев О.В., Герценберг Г.Р., Левинштейн М.Л., Совалов С.А., Бушуев В.В., Баринов В.А., Овчаренко Н.И., Юрганов A.A., Воропай Н.И., Ушаков Е.И., Груздев И.А., Зеккель A.C., Рагозин A.A., Дойников А.Н. и многие другие. Из зарубежных следует отметить работы ученых: Park R.H., Cron G., Anderson P.M., Fouad A.A., Kundur P., Concordia D., Pai M.A., Klein M., Rogers G.J., Martins N. и др. Однако, ещё не решены проблемы, связанные с настройкой систем АРВ совместно или с учётом других регуляторов, влияющих на статическую устойчивость сложных ЭЭС. К таким устройствам в первую очередь нужно отнести первичные регуляторы скорости вращения турбины. До сих пор системы АРВ и автоматические регуляторы частоты вращения (АРЧВ) турбины рассматривались при их настройке как не связанные. В то время как

взаимное влияние АРВ и АРЧВ генераторов электростанций очевидно и требует пересмотра подходов к оптимальной настройке таких систем.

При анализе вопросов взаимного влияния настроек систем АРВ и АРЧВ большое значение имеет достоверность математических моделей элементов ЭЭС. Для этой цели традиционно используется классическая модель, основанная на уравнениях Парка-Горева. Однако, этот математический аппарат является неэффективным и громоздким, особенно когда приходится учитывать группы параллельно работающих генераторов электростанций в сложной ЭЭС. В связи с этим, группой учёных было предложено использовать методы идентификации таких систем с целью получения экспериментальной математической модели, построенной на частотных характеристиках (ЧХ), используемых для настройки АРВ. Но идентификация проводилась без учёта связей отдельных частей ЭЭС в момент эксперимента. Поэтому в настоящее время проблема получения математического описания группы взаимосвязанных параллельно работающих генераторов электростанций сложных ЭЭС с целью оптимальной настройки АРВ и АРЧВ остаётся актуальной.

Актуальность исследований в этом направлении подтверждается утверждением нового стандарта ОАО «СО ЕЭС» от 1.07.2010г., разработанного по результатам расследования причин аварии на Саяно-Шушенской ГЭС, где отмечены существующие проблемы обеспечения согласованной работы и соответственно настройки систем автоматического регулирования частоты и перетоков мощности и автоматики управления агрегатами гидроэлектростанций.

Целью диссертационной работы является обеспечение системной надёжности электроэнергетических систем путем повышения статической устойчивости на основе согласованной настройки автоматических регуляторов возбуждения и частоты вращения генераторов электростанций.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1) проведён обзор существующих методов и средств повышения статической устойчивости ЭЭС;

2) проведён анализ влияния взаимосвязанной работы систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций на устойчивость ЭЭС;

3) разработаны модели систем регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов для исследования методов повышения статической устойчивости ЭЭС;

4) разработан адаптивный генетический алгоритм для оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ;

5) разработана методика пассивной непараметрической идентификации системы «турбина-генератор» в условиях эксплуатации с использованием выделенного шума регулятора при помощи технологии вейвлет-преобразования;

6) разработана методика согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ;

7) проведены экспериментальные исследования по апробации разработанных алгоритмов и методов.

При решении поставленных задач использованы методы теории автоматического управления, математического моделирования, цифровой обработки сигналов. При имитационном моделировании функционирования ЭЭС использовались различные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве инструмента для реализации применяемого математического аппарата использовалась система компьютерной математики МАТЬАВ.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем: • разработаны модели отечественных систем автоматического регулирования возбуждения, частоты и активной мощности синхронных генераторов, позволяющие детально изучать электромеханические переходные процессы при имитационном моделировании функционирования ЭЭС России;

• разработана процедура адаптивного генетического алгоритма (ГА) для поиска оптимальных настроек систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций.

• предложено новое структурно-аналитическое описание системы «АРЧВ-турбина-АРВ-генератор» на основе собственных и взаимных передаточных функций каналов регулирования АРВ и АРЧВ, обеспечивающее учёт связей отдельных подсистем;

• разработана методика пассивной непараметрической идентификации системы «турбина-генератор» в условиях эксплуатации, использующая в качестве входных тестовых сигналов шумы системы в диапазоне частот собственных колебаний, с применением технологии вейвлет-преобразования и методов цифровой обработки сигналов;

• разработана методика оптимизации настроек систем АРВ и АРЧВ группы генераторов электростанции, отличающаяся от известных методик учётом их взаимосвязанности.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, включающего 139 наименований. Основная часть работы изложена на 163 страницах, содержит 76 рисунков и 3 таблицы.

Во введении дано обоснование актуальности темы, сформулированы цели и задачи исследования, указана научная новизна, раскрывается основное содержание диссертационной работы.

В первой главе дан краткий обзор наиболее употребляемых критериев анализа статической устойчивости ЭЭС. Приведён исторический обзор развития систем АРВ и АРЧВ, а также методов их настройки. На основании проведённого обзора отмечается, что задача настройки систем АРВ совместно с АРЧВ до сих пор не решена и является актуальной. Представлены разработанные в МАТЬАВ модели АРВ, АРЧВ и ЭЭС для исследования электромеханических переходных процессов при решении задачи обеспечения статической колебательной устойчивости.

Развитие энергетики постоянно требовало решения комплекса теоретических и практических задач, среди которых важное место занимает проблема исследования и разработки средств повышения статической колебательной устойчивости. Её решением занимались многие научные и проектные организации, среди которых можно отметить следующие: ВЭИ, ВНИИЭ, НИИПТ, ИСЭМ СО РАН, ВНИИЭлектромаш, Энергосетьпроект, Гидропроект, МЭИ, СПбГПУ и многие другие.

Параллельно развитию систем АРВ и АРЧВ всё большее внимание уделялось разработке методов и алгоритмов их настройки с использованием различных способов получения математических моделей ЭЭС. Математическое моделирование является основным формализованным средством анализа функционирования и управления режимами сложных ЭЭС. Основу математического моделирования составляет взаимосвязанная совокупность отдельных математических моделей, адекватно отражающих конкретные исследуемые процессы в ЭЭС. При этом трудности связаны, в первую очередь, с тем, что решение задачи поиска оптимальных параметров регуляторов (АРВ, АРЧВ) требует значительного объема расчётов, что может быть решено путём использования экспериментальных математических моделей в виде ЧХ.

Решение проблемы создания математических моделей, методов и алгоритмов координации настроек регуляторов сложных ЭЭС, прежде всего, ориентировано на применение современных средств математики и вычислительной техники. В частности, огромными ресурсами для проведения виртуальных экспериментов обладает программная среда разработки и моделирования МАТЬАВ. Так, в диссертационной работе приводится подробное описание созданных в среде МАТЬАВ моделей различных ЭЭС, систем АРВ, АРЧВ и автоматического регулирования частоты и активной мощности (АРЧМ), широко используемых на электростанциях ЕЭС России.

Во второй главе разработан алгоритм оптимальной настройки систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций с использованием математического описания ЭЭС на основе экспериментально полученной информации. Для определения оптимальных коэффициентов регулирования систем АРВ и АРЧВ необходимо иметь математическое описание в виде характеристического полинома, отражающего динамические свойства исследуемой ЭЭС. В предлагаемом алгоритме используется метод непараметрической идентификации, согласно которому система рассматривается как «чёрный ящик» и на базе априорной информации о процессе определяются численные значения ЧХ, как отношение спектров входных и выходных сигналов объекта.

Поскольку нарушение нормального процесса эксплуатации крайне нежелательно в ЭЭС, предлагаемая методика идентификации ориентируется на пассивный подход, при котором в качестве тестового воздействия на систему используется выделенный с помощью вейвлет-преобразования шум регулятора.

На основании предложенных методов и алгоритмов разработана методика выбора оптимальных настроек параметров стабилизации АРВ и АРЧВ генераторов электростанций.

В третьей главе разработана методика учёта взаимосвязанности систем АРВ и АРЧВ генераторов электростанций при их оптимальной настройке, позволяющая обеспечить более высокую степень устойчивости ЭЭС по сравнению с развязанной настройкой АРВ и АРЧВ. Предложено структурно-аналитическое описание системы «АРЧВ-турбина-АРВ-генератор» на основе собственных и взаимных комплексных передаточных функций каналов регулирования АРВ и АРЧВ, обеспечивающее отображение динамических свойств и учёт связей отдельных подсистем.

Для группы параллельно работающих генераторов электростанций наличие взаимодействия подсистем регулирования частоты и напряжения проявляется в том, что энергосистема имеет составную структуру и

представляет собой объединение нескольких более простых подсистем, взаимосвязанных между собой. Учёт явлений взаимосвязанности и взаимовлияния процессов в энергоблоках становится принципиально необходимым и важным при согласованном управлении группой генераторов, входящих в состав энергоблоков электростанций. Разрозненное рассмотрение процессов в отдельных частях энергоблока может привести к заметному ухудшению работы и даже к потере устойчивости ЭЭС.

На основе предлагаемой методики идентификацию и согласованную настройку систем АРВ и АРЧВ группы параллельно работающих генераторов электростанции предлагается проводить в два этапа. В связи с тем, что связь по частоте генераторов электростанции и различных частей ЭЭС очевидна, то целесообразно на первом этапе проводить синтез систем АРЧВ группы генераторов с учётом этих связей. Затем можно переходить ко второму этапу и определять оптимальные настройки АРВ и АРЧВ с учётом их взаимосвязанности. Для этого необходимо провести идентификацию отдельных подсистем «турбина-генератор» электростанции с настройками АРЧВ, полученными на первом этапе.

Как показали исследования на моделях ЭЭС, предлагаемая методика согласованной настройки систем АРВ и АРЧВ оказывает положительное влияние на внутригрупповые движения генераторов многомашинной станции и позволяет повысить запас статической устойчивости для передачи большей мощности по межсистемным связям.

В четвертой главе приводится описание разработанного программного комплекса, позволяющего решать следующие задачи:

1) определение рабочего частотного диапазона и параметров математической модели ЭЭ�