автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка алгоритмов автоматизированного цифроаналогового стенда для испытаний систем возбуждения электротехнических комплексов

На правах рукописи

ТИМОЩЕНКО Константин Павлович

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ЦИФРОАНАЛОГОВОГО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ ВОЗБУЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и

системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ш —

005555596

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет

«Горный».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Юрганов Алексей Анатольевич

Официальные оппоненты:

Попков Евгений Николаевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет», кафедра «Электрические системы и сети», заведующий кафедрой

Бурмистров Александр Александрович кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)», кафедра «Систем автоматического управления», доцент

Ведущая организация - ОАО «Научно-технический центр единой энергосистемы»

Защита состоится 15 октября 2014 г. в 12 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.224.07 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, г. Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 7212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru

Автореферат разослан «11» июля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ .-¿¿Р'' Фокин диссертационного совета Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Надежность работы электротехнических комплексов, содержащих мощные генераторы, и качество вырабатываемой ими электроэнергии в большой степени зависят от надежности функционирования систем возбуждения и их автоматических регуляторов.

В настоящее время идет массовый перевод средств управления и регулирования с аналоговой на цифровую аппаратную базу. Это относится и к системам возбуждения генераторов электротехнических комплексов.

Для проведения оценки эффективности систем управления возбуждением и обеспечиваемого ими качества регулирования производят ее тестирование в конкретных условиях будущей работы оборудования. Математическое описание регуляторов возбуждения представляется в виде передаточных функций, состоящих из стандартных звеньев в 5 - форме. Практика показала, что работа реальных цифровых устройств, представленных таким образом, зачастую отличается от работы математических моделей. Стенда для проведения такого вида проверок не существует. Ввиду сложности постановки экспериментов на электродинамической модели, полнофункциональная проверка систем возбуждения не проводится. Зафиксированные в энергосистемах России качания генераторов и даже системные аварии, как правило, обусловлены отсутствием методики полнофункциональной проверки систем возбуждения. Таким образом, разработка и внедрение новых решений, алгоритмов и программ, позволяющих повысить эффективность проведения проверок и снизить трудозатраты на их выполнение, являются весьма актуальными.

Степень разработанности. Проверке соответствия характеристик реальной аппаратуры и выбору её настройки всегда уделялось большое внимание. Исследование этих проблем поначалу проводилось на чисто эмпирической основе в виде натурных испытаний. Затем были созданы физические модели энергосистем (М.П.Костенко и В.А.Веников, Н.Н.Щедрин). С

развитием вычислительной техники появились аналоговые и аналого-физические испытательные стенды (Я.Н.Лугинский и Г.Н.Рощин). Многочисленные исследования в этом направлении были выполнены рядом организаций (ВЭИ, НИИПТ, ВНИИЭлектромаш, ЦПКТБКЭМ и др.) под руководством Г. Р. Герценберга, С. А. Совалова, И. А. Глебова. Однако, созданные на их основе устройства (из-за больших габаритов, сложности обслуживания и высокой цены) не нашли широкого практического применения.

Автоматизированных стендов, позволяющих обеспечить необходимую глубину проверок систем возбуждения, на сегодняшний день не существует и, соответственно, обеспечение эффективного и безопасного функционирования

электротехнических комплексов в широком диапазоне внешних дестабилизирующих воздействий электрических факторов остается пока проблематичным.

Цель диссертационной работы. Научное обоснование структур и параметров математических моделей энергосистем, позволяющих автоматизировать проверку и испытание систем возбуждения электротехнических комплексов на автоматизированном цифроаналоговом стенде и, как следствие, обеспечение повышения надежности комплексов генерирования электрической энергии.

Идея работы. Математическое моделирование энергосистем позволяет сократить как временные, так и материальные затраты на проведение экспериментальных и наладочных работ при сохранении их качества.

Задачи исследования:

• разработать концепцию повышения надежности работы электротехнических комплексов;

• обосновать и определить структуры и параметры математических моделей электротехнических комплексов, синтезированные с учетом критерия минимального использования вычислительных мощностей для решения систем дифференциальных уравнений, описывающих работу

электротехнических комплексов с учетом и без учета внутригруппового движения;

• разработать алгоритмы и программное обеспечение, позволяющее моделировать режимы работы систем генерирования электрической энергии электротехнических комплексов;

• разработать алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного цифроаналогового стенда для испытаний систем возбуждения электротехнических комплексов, позволяющую реализовать синтезированные математические модели;

• исследовать причины несоответствия заявленных передаточных функций в я-плоскости полученным в процессе валидации цифровых регуляторов возбуждения. По результатам исследования сформировать требования к аппаратной и программной части цифровых регуляторов возбуждения.

Научная новизна. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие повысить точность воспроизведения заданных характеристик оборудования систем возбуждения при уменьшении трудозатрат на выполнение экспериментальных работ. Разработаны требования к программной и аппаратной части регуляторов возбуждения, позволяющие обеспечить заявленную степень достоверности результатов преобразования аналоговой формы представления передаточных функций регуляторов возбуждения при их цифровой реализации.

Практическая ценность работы.

1. По результатам моделирования энергосистем с «трехмашинной» и «одномашинной» схемой создан автоматизированный цифроаналоговый стенд, позволяющий повысить качество проверок систем возбуждения при сокращении затраченного на их проведение времени. Тем самым обеспечивается более эффективное и безопасное функционирование этих систем в широком диапазоне внешних воздействий (отключение/подключение генерируемой или потребляемой мощности, короткие замыкания).

2. Разработанные требования к программной и аппаратной части цифровых регуляторов возбуждения позволят дополнить

нормативно-технические документы, регламентирующие разработку систем управления возбуждением.

Методы исследований. В работе использовались методы теории электрических машин, теории автоматического управления в системах электроснабжения, численные методы решения дифференциальных уравнений, методы математического, физического и компьютерного моделирования систем генерирования электрической энергии и электроснабжения.

Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций, изложенных в диссертации, подтверждена результатами расчетов, выполненных с помощью персонального компьютера, сходимостью результатов математического моделирования, экспериментов на физических моделях и испытаний на реальных электротехнических комплексах.

Реализация результатов работы. На основе проведенных исследований, разработанных алгоритмов и программного обеспечения математических моделей электротехнических комплексов, реализующих обоснованные структуры электротехнических комплексов, создан автоматизированный стенд, внедренный на предприятии, производящем системы возбуждения и в энергогенерирующих компаниях. Он используется на всех стадиях жизненного цикла оборудования (при производстве, при пусконаладочных и межремонтных испытаниях систем возбуждения генераторов на ряде тепловых, гидравлических, атомных электростанций, а также систем возбуждения двигателей на предприятиях). Это подтверждается актами внедрения.

Личный вклад автора. Определение и постановка задачи повышения надежности работы электротехнических комплексов. Определение и обоснование структуры схем электроснабжения для проведения испытаний регуляторов возбуждения. Исследование переходных процессов в синтезированных схемах электроснабжения и сравнение их результатов с результатами экспериментов на физической модели и натуре (валидация). Разработка алгоритмов программ моделирования систем возбуждения различных типов, алгоритма функционирования и конструкции наладочного стенда.

По итогам сравнения математические модели «одномашинной схемы электроснабжения» и «трехмашинной схемы электроснабжения» были реализованы в автоматизированном стенде. Показана эффективность использования

автоматизированного стенда и методики проверки систем возбуждения при проведении плановоиредупредительных работ на гидрогенерирующих и атомных станциях.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы апробированы на Международных научно-технических конференциях «Современные системы возбуждения вращающихся электрических машин и устойчивость электроэнергетических систем» (Санкт-Петербург, 2007 и 2010 гг.), на Международном симпозиуме «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (Москва, 2012 г.), на научных семинарах научно-производственного предприятия ЗАО «НПП «Русэлпром-Электромаш» (Санкт-Петербург, 2007 и 2013 гг.). Получено Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ. Четыре издания, в которых автор имеет публикации, рекомендованы ВАК Минобрнауки России. Получено свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011612532 от 28.03.2011.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы из 98 наименований. Общий объем работы составляет 141 страницу, включая 45 рисунков и 24 таблицы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, охарактеризована научная новизна и практическая ценность полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе произведен анализ путей повышения качества работы электротехнических комплексов. Разработана концепция повышения их качества. Приведен обзор оборудования, применяемого для проверки систем возбуждения в мировой практике, сформированы цели и задачи исследования.

Во второй главе определены и обоснованы структуры и параметры математических моделей электротехнических комплексов, необходимые для осуществления достаточной глубины проверок систем управления возбуждением.

Определен подход к постановке эквивалентных опытов с использованием двух моделей, «трехмашинной» и «одномашинной»; определена методика и критерии сравнения моделей.

В третьей главе приведено сравнение результатов экспериментальной работы в соответствии с методикой, рассмотренной во второй главе. Определена область применимости модели, произведена валидация.

В четвертой главе проведен анализ процесса перевода регуляторов возбуждения на цифровую базу. Рассмотрены основные аспекты проблем, возникающих при построении цифровых регуляторов возбуждения, проведен анализ и определены основные требования к аппаратной и программной части реализации регуляторов возбуждения.

В пятой главе сформированы основные требования к аппаратной и программной части. Разработана концепция и программное обеспечение автоматизированного стенда для проверки систем возбуждения.

В шестой главе разработана методика проверки систем управления возбуждением с использованием автоматизированного стенда для проверки систем возбуждения, позволяющая производить необходимый набор проверок.

В заключении отражены выводы и рекомендации по результатам исследований в соответствии с целью и решаемыми задачами.

ЗАЩИЩАЕМЫЕ НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1 Разработана концепция повышения надежности работы энергосистем, основанная на анализе системных аварий в исследуемых энергообъединениях, включающая обоснование схем с тяжелыми режимами работы генераторов и построение автоматизированного стенда, и, как следствие, повышение точности воспроизведения заданных характеристик оборудования систем возбуждения.

Проведенный анализ системных аварий показал, что современные методы проверки не обеспечивают необходимой глубины анализа работы оборудования систем возбуждения. Отмечены случаи, когда при сравнении заявленных производителем характеристик с регламентируемыми выяснялось несоответствие заявленных характеристик существующей нормативной документации. Зачастую эти регуляторы не реализуют ряда функций, обязательных по российским стандартам. Появилась необходимость разработать концепцию построения и автоматизированный стенд для проверки систем возбуждения электротехнических комплексов, включающий в себя математические модели, позволяющие проводить проверки достаточной глубины и детальности.

Разработанная концепция включает в себя полнофункциональную проверку систем возбуждения электротехнических комплексов, направленную на упреждение возможности развития аварийных процессов в системные аварии.

Применение автоматизированного стенда, заменяющего реальный электротехнический комплекс или его физическую модель, позволит произвести тщательную проверку систем управления возбуждением как в процессе производства, так и во время планово-предупредительных ремонтов. Это позволит исключить случаи ввода в работу некачественного оборудования и приведет к существенной экономии условного топлива во время пусковых испытаний электротехнических комплексов.

Структурная схема системы автоматического регулирования возбуждения (САРВ) (Рисунок 1) включает в себя:

- синхронную машину (генератор), работающую в энергосистеме;

- силовой элемент (возбудитель с системой управления);

- автоматический регулятор возбуждения, включающий в себя систему регулирования, стабилизаторы и ограничители режима.

Рисунок 1 - Структурная схема системы управления возбуждением

синхронной машины

Первоначально основными задачами САРВ были поддержание напряжения в точке регулирования и обеспечение высоких уровней динамической устойчивости. Однако по мере их развития и совершенствования аппаратной базы объём задач, выполняемых САРВ, существенно вырос. В результате она представляет собой достаточно сложный измерительно-вычислительно-силовой управляющий комплекс, обеспечивающий выполнение большого количества функций, которые можно условно разбить на системные, технологические, защитные, сервисные и функции самоконтроля и диагностики.

Разрабатываемый переносный стенд должен обеспечить возможность полной проверки всех системных, технологических и защитных функций.

Определено, что минимальной структурой модели электротехнического комплекса, в которой можно провести проверки работоспособности системы управления возбуждением, является «одномашинная» схема энергосистемы. Для проведения проверок, учитывающих внутрисистемные «качания», необходимо располагать минимум «трехмашинной» моделью энергосистемы.

Разработанный подход к построению моделей является универсальным. Объединяя разработанные модели, получаем модель электротехнического комплекса любой сложности. Это будет определять требования к вычислительной мощности автоматизированного комплекса.

В качестве прототипа использована схема модели, принятая Системным Оператором РФ для испытания оборудования систем возбуждения (СВ). Были рассмотрены два варианта эквивалентного построения схем для реализации в испытательном комплексе:

«одномашинная» схема, реализующая только основную частоту колебаний системы, но предъявляющая минимальные требования к программному обеспечению и вычислительной мощности;

- «трёхмашинная» схема, позволяющая воспроизводить более

сложные процессы в системе электроснабжения.

Схема «трёхмашинной» модели приведена на рисунке 2. Модель реализована в координатах машины (1 и 4. Синхронная машина описывается системой уравнений Парка-Горева. Модель турбины представлена моделью системы «золотник-сервомотор-обратная связь» для паровых турбин без промежуточного перегрева пара. При моделировании линии электропередач использована П-образная схема замещения без учета активной проводимости на землю. Модель трансформатора аналогична модели линии, где учитывается только реактивная проводимость. Модель нагрузки строится по уравнениям эквивалентных синхронного и асинхронного двигателей.

Отключаемая нагрузка обозначена как Н21, отключаемый генератор обозначен как Г2, отключаемая линия обозначена как Л1122.

Модель «машина-шины бесконечной мощности».

Структурная схема модели приведена на рисунке 3.

Модель представляет собой систему уравнений Парка-Горева в осях с! и ц для модели «машина - линия - шины бесконечной мощности».

Сравнение характера поведения электрических величин при проведении эквивалентных опытов производилось в статических и в динамических режимах.

В динамических режимах проводились следующие опыты: сброс активной мощности в приемной стороне; отключение генератора в приемной стороне; отключении линии электропередачи;

короткое замыкание за трансформатором исследуемого генератора.

Исследуемым генератором является генератор Г1.

«Трехмашинная» схема проверена по балансу активных и реактивных мощностей в доаварийном и послеаварийном режимах для всех опытов, в которых происходило изменение баланса мощностей.

Сравнение динамических режимов проводились по двум критериям:

• величина перерегулирования напряжения генератора иг;

• длительность переходного процесса.

В результате сравнения были сделаны следующие выводы:

• расхождение параметров установившихся режимов моделей не превышает 1%;

• величины перерегулирования и длительности переходных процессов отличаются не более, чем на 20%;

• частота энергосистемы в «трехмашинной» модели отличается в доаварийном и послеаварийном режимах в опытах, приводящих к нарушению баланса мощностей (отключение активной нагрузки и отключение генератора в приемной стороне).

Определено, что модель «машина-линия-шины бесконечной мощности» может быть использована для проверок систем управления возбуждением, в которых нет необходимости учитывать изменение частоты при новом балансе мощностей.

Осциллограммы опыта отключения генератора в приемной стороне, полученные на двух математических моделях и электродинамической модели, приведены на рисунках 4-6.

Рисунок 2 -Схема «трёхмашинной» энергосистемы Г1,2,3 - генераторы (синхронные машины); Т 1,2,3 - турбины;Н1,20,21,3 - нагрузки; АРВ - автоматический регулятор возбуждения; РТ - регулятор турбины.

Рисунок 3 - Компьютерная модель «машина-линия-шины бесконечной мощности»

, я*-» П ,,—

- X -V, — V. — ■—- . ^ - -'—

t

/

!г

--

Рисунок 4 -График изменения напряжения и частоты генератора при отключении генератора Г2 в «трехмашинной» схеме

\ --------------- --------------

/ \

/ \

1 ]г ................... ....................Г

....................................... ....................................... ..................................

.....................................

-у .-,1 -^ 6 г 1 1

Рисунок 5 -График изменения напряжения и частоты генератора при отключении генератора в схеме «машина-линия-шины бесконечной мощности»

и Р

кВ МВт Гц

220 2200 0.55

200 2000 0.5

180 1800 0.45

160 1600 0.4

140 1400 0.35

120 1200 0.3

100 1000 0.25

80 800 0.2

60 600 0.15

40 400 0.1

20 200 0.05

0 0 0

-20 -200 -0.05

-40 -400 -0.1

-60 -600 -0.15

-80 -800 -0.2

-100 -1000 -0.25

-120 -1200 -0.3

-140 -1400 -0.35

-160 -1600 -0.4

-180 -1800 -0.45

-200 -2000 -0.5

Рисунок 6 - График изменения напряжения и частоты и мощности, снятый на электродинамической модели

Таблица 1- Сравнение динамических режимов моделей

№ опыта трехмаши нная схема схема машина-шины разница в показателях, %

величина перерегулиров ания, ое время переходного процесса, с величина перерегулиров ания, ое _ 1 время переходного процесса, с величина перерегулиров ания, ое время переходного процесса, с

Г ±0.011 5.1 ±0.01 5.3 <10 <10

2" -0.072 5.1 -0.073 5.2 <10 <10

+0.022 5.2 +0.021 5.3 <10 <10

4"" -0.6+0.013 5.2 -0.6 +0.015 5.2 <15 <10

■ опыт отключения нагрузки Н21 ** опыт отключения генератора Г2 *** опыт отключения линии Л1122 **** опыт короткого замыкания К31

По результатам моделирования энергосистем с использованием различных подходов к моделированию определены области применения рассматриваемых моделей и сформированы требования к программно-аппаратному комплексу, реализующему эти модели.

Разработана концепция построения аппаратной и программной части автоматизированного стенда, которая была реализована в виде законченного изделия.

Разработаны алгоритмы работы цифроаналогового стенда для проверки систем возбуждения электротехнических комплексов, позволяющие реализовать работу математических моделей «трехмашинной» и «одномашинной» энергосистем.

Реализованы оригинальные модели систем возбуждения

• электромашинной,

• высокочастотной,

• бесщеточной,

• статической тиристорной,

которые при пониженном порядке дифференциальных уравнений правильно отражают динамику поведения моделируемых систем. Подключение к проверяемой системе возбуждения осуществляется по вторичным цепям напряжений и токов, что дополнительно позволяет проверить входные аналоговые тракты.

На рисунке 7 приведен внешний вид стенда.

| V

Рисунок 7 - Внешний вид автоматизированного стенда

Разработан и проверен на физической модели энергосистем и на ряде действующих предприятий и энергогенерирующих компаний (ТГК1, Курская АЭС) метод проверки систем возбуждения с использованием программно-аппаратного комплекса.

Осуществленные проверки позволили выявить ошибки электротехнического персонала как в процессе сборки и наладки, так и в процессе наладочных и планово-предупредительных работ.

Теоретическое исследование, компьютерное и физическое моделирование, применение полученных решений на реальных объектах подтвердили высокую эффективность применения испытательного комплекса.

Осуществление плановых проверок оборудования, функций и настроек регуляторов возбуждения, в соответствии с методикой, включающей в себя проверки функций, приводивших к появлению аварийных ситуаций, позволяет выявить основные проблемы, возникающие на всех стадиях жизненного цикла оборудования.

2 Разработанные на основе анализа причин несоответствия заявленных характеристик передаточных функций я-плоскости полученным при испытаниях регуляторов возбуждения требования к их программной и аппаратной части позволяют обеспечить заданную степень достоверности результатов преобразования аналоговой формы представления регуляторов возбуждения при их цифровой реализации.

Анализ результатов испытаний и мер, принятых производителями для коррекции алгоритмов, показал, что существует большая опасность внесения ошибок при переводе алгоритмов регулирования из формульной формы в бинарный код, выполняемый микропроцессором. Проведенное исследование, направленное на выявление основных причин различия свойств реальных дискретных устройств и их аналоговых моделей, принятых за основу при проектировании аппаратуры, позволило сформировать ряд требований, которые необходимо учитывать при проектировании цифровых систем управления.

Рассматривались факторы, влияющие на работу цифровых систем возбуждения на всех этапах преобразования входных сигналов в управляющее воздействие:

• первичная обработка сигналов, их нормализация и фильтрация;

• аналогово-цифровое преобразование, особенности аппаратной и программной реализации;

• подготовка оцифрованного сигнала перед подачей его в автоматический регулятор;

• формирование управляющего воздействия регулятором возбуждения, описываемого цифровым представлением передаточной функции в 2-плоскости.

Обосновано применение антиалиасных фильтров, передискретизации и дополнительной фильтрации сигналов.

Произведен сравнительный анализ программных реализаций интегральных звеньев, рассмотрен эффект интегрального насыщения и определены методы борьбы с ним. Самым широко

распространенным методом борьбы с этим эффектом можно признать условный запрет интегрирования. Применение (вместо выделенного интегрирующего) звена с передаточной функцией

W=K( 1+sTi)/(1+ST2) (1)

позволяет исключить появление эффекта интегрального насыщения и ограничить сверхнизкочастотные колебания электрических сетей.

Произведен анализ программных реализаций дифференцирующих звеньев.

Идеальный цифровой дифференциатор имеет в рабочей полосе частот характеристику:

.оЯ я Ú1R

H(.eJ(D) = jk(Oe1^=kCúe 2 * =A(a>)eJ«"\ (2)

В дифференцирующем звене с ростом частоты входного сигнала растет амплитуда сигнала на выходе. В системах возбуждения работа регулятора лежит в области сверхнизких частот (0.01 - 5 Гц), поэтому частоту выше 5 Гц мы можем отфильтровать. АЧХ регулятора имеет рабочий диапазон до 5 Гц.

Произведен анализ программных селекторов регулирующих звеньев.

В регуляторах возникают режимы, когда их параметры могут изменяться скачком (изменение параметров регулятора, смена переменной слежения, отключение - включение звеньев регулятора). Все эти манипуляции без дополнительных мер защиты приводят к нежелательным выбросам управляющего сигнала. Отсюда вытекает задача безударного перехода между режимами регулятора при изменении его параметров. Основную проблему вносят интегральные звенья.

Произведен анализ методов преобразования передаточной функции из аналоговой s-плоскости в цифровую z-плоскость и применения программно-аппаратных модулей для выявления переменных состояния объекта (в частности отклонения частоты и её первой производной по времени).

С точки зрения обеспечения максимальной устойчивости и наилучшего качества регулирования целесообразно использование метода инвариантности частотных характеристик. Здесь можно

использовать преобразование Эйлера и билинейное преобразование (Tustin's method transformation). С точки зрения сохранения частотных характеристик (особенно фазовых) метод билинейного преобразования является предпочтительным.

Анализ проблем, связанных с переходом от аналоговых регуляторов к цифровым, позволил сформулировать требования к программной части регулятора возбуждения:

• частота дискретизации должна быть много больше, чем рабочая частота, - это позволит избежать проблем при дальнейшей работе;

• применение антиалиасного фильтра является обязательным;

• шум АЦП необходимо компенсировать;

• эффект интегрального насыщения является источником проблем при работе регуляторов;

• сигнал перед дифференциатором необходимо сглаживать (например, с помощью фильтров высоких частот);

• неправильное местоположение постоянных времени интегрирующих звеньев приводит к выбросам выхода регулятора при изменении величины самих постоянных времени;

• селектор, управляющий вводом - выводом звеньев регулятора, требует особого внимания при программировании;

• крайне желательно использовать микропроцессор той разрядности, в которой производятся математические вычисления;

• при преобразовании передаточной функции линейной системы из непрерывной Wa(s) в дискретную функцию WJz) необходимо внимательно выбирать метод преобразования.

Учитывая вышесказанное, сформулированы требования к процессорной части регуляторов СВ:

• необходимо использовать процессор с плавающей запятой;

• разрядность оцифровки входных значений должна быть не хуже 10 разрядов, т.е. разрядность АЦП не ниже 12bit;

• частота оцифровки должна быть не менее 20 кГц (оптимально 40 кГц). Требование диктуется точностью вычисления

параметров входного сигнала (при частоте 100 Гц - 100 точек на период);

• разрядность счетчика частоты не меньше 16 бит. (Желательно 32 бит. Связано с точностью измерения частоты в диапазоне до 100 Гц).

Выполнение разработанных требований к реализации программной и аппаратной части регуляторов возбуждения позволяет получить регуляторы возбуждения с предсказуемыми характеристиками реализуемых передаточных функций, что подтверждено натурными испытаниями.

Использование разработанных требований при проектировании регуляторов возбуждения показало свою эффективность, подтвержденную результатами испытаний регуляторов возбуждения на электродинамической модели.

ВЫВОДЫ

1 Разработана концепция повышения надежности работы электротехнических комплексов, включающая в себя определение мероприятий, направленных на выявление несоответствий заявленных функций систем управления возбуждения полученным.

2 Обоснована необходимость разработки автоматизированного цифроаналогового стенда для проверки систем возбуждения электротехнических комплексов, выполняющего функции проверки как физических трактов, так и алгоритмического обеспечения.

3 Определены и обоснованы структуры и параметры математических моделей электротехнических комплексов, синтезированные с учетом критерия минимального использования вычислительных мощностей для решения систем дифференциальных уравнений, описывающих работу электротехнических комплексов с учетом и без учета внутригуппового движения.

4 Показано, что результаты симуляции четырех разных аварийных процессов с использованием "одномашинной" модели электротехнического комплекса отличаются не более, чем на 20% от

"трехмашинной" модели, при использовании прямых оценок качества переходных процессов.

5 По результатам проведенной валидации результатов симуляции аварийных процессов на математической модели с результатами испытаний на электродинамической модели сделан вывод о возможности применения математических моделей для проведения проверок систем возбуждения электротехнических комплексов.

6 Разработаны алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие производить математическое моделирование режимов работы систем генерирования электрической энергии в схеме "машина-линия-шины бесконечной мощности" и "трехмашинной энергосистеме".

7 Разработаны требования к автоматизированному цифроаналоговому стенду для проведения испытаний систем управления возбуждением электротехнических комплексов.

8 Разработана концепция построения автоматизированного цифроаналогового стенда для испытаний систем возбуждения электротехнических комплексов генерирования электрической энергии, позволяющая реализовывать модели "одномашинной", "трехмашинной" энергосистем.

9 Внедрение автоматизированного цифроаналогового стенда для проведения испытаний систем возбуждения показало сокращение времени проведения испытаний систем в 2 раза, увеличение глубины и детальности проводимых проверок, позволивших выявить некорректные настройки регулятора при проведении испытаний систем возбуждения электротехнических комплексов.

10 По результатам проведенного исследования причины несоответствия заявленных передаточных функций в «-плоскости полученным в процессе валидации цифровых регуляторов возбуждения сформированы требования к программной и аппаратной части регуляторов возбуждения. Использование разработанных требований при проектировании регуляторов возбуждения доказало их эффективность при прохождении

испытаний регуляторов возбуждения на электродинамической модели.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бенисович, И.С. Диагностический наладочный комплекс Диана. / И.С. Бенисович, К.П., Тимощенко, В.В. Кичаев, A.A. Юрганов // Электротехника. - 2008. - № 4. С. 33-38.

2. Бенисович, И.С. Диагностический наладочный комплекс Диана. / И.С. Бенисович, В.В. Кичаев, К.П. Тимощенко, A.A. Юрганов // Энергетик. - 2008. - № 5. С. 46.

3. Тимощенко, К.П. Ключевые особенности проектирования систем управления возбуждением синхронных машин. / К.П. Тимощенко, A.A. Юрганов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. - 2014. - № (1)190. - С. 75-81.

4. Тимощенко, К.П. Математическая модель энергосистемы для проверки функции блокировки системного стабилизатора регулятора возбуждения. / К.П. Тимощенко // Естественные и технические науки. - 2014. - №2. - С. 193-196.

5. Зайцев, A.B. Выбор отключаемых генераторов при аварийном выделении станции на изолированную нагрузку / A.B. Зайцев, В.Н. Костин, К.П. Тимощенко // Свидетельство о государственной регистрации программ для ЭВМ №2011612532 от 28.03.2011.

РИЦ Горного университета. 09.06.2014. 3.558. Т.100 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2