автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Синтез математической модели многосвязной динамической системы по данным экспериментальных наблюдений

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР МЕТОДОВ СИНТЕЗА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МНОГОМЕРНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Моделирование многосвязных динамических систем.

1.2. Экспериментальные подходы, модели и методы при исследовании статической устойчивости ЭЭС.

1.3. Управления динамическими свойствами ЭЭС. Частотная характеристика как модель системы

1.4. Выводы.

2. МЕТОДИКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ЭКВИВАЛЕНТИРОВАНИЯ МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ ПРИ УПРАВЛЕНИИ ИХ ДИНАМИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ.

2.1. Обобщенный структурно-аналитический подход к моделированию многосвязных систем на основе собственных и взаимных передаточных функций параметров стабилизации.

2.2. Использование свойств управляемости и наблюдаемости при эквивалентировании электроэнергетической системы.

2.3. Выводы.

3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКОЙ

СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОСВЯЗНЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ.

3.1. Методика синтеза эквивалентной модели ЭЭС в виде многопараметрического характеристического полинома.

3.2. Методика формирования модели электроэнергетической системы для адаптивного регулирования возбуждения генераторов по экспериментальным данным.

3.3. Общие операторно-матричные соотношения связи частотных характеристик замкнутой и разомкнутой по каналам стабилизации ЭЭС.

3.4. Выводы.

4. ПРОГРАММНО-АППАРАТНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОСВЯЗНЫХ СИСТЕМ.

4.1. Синтеза адаптивной модели по данным численного эксперимента и ее применения для обеспечении устойчивости тестового многомашинного объекта.

4.2. Выводы.

Современные задачи управления широко связаны с проблемой коррекции динамических свойств сложных систем. Примером такого управления служит задача обеспечения устойчивости многосвязной электроэнергетической системы (ЭЭС), охватывающей значительную территорию, и имеющей множество контуров регулирования.

Существующие методы исследования статической и динамической устойчивости ЭЭС проводятся либо с использованием хорошо зарекомендовавших себя программных средств, таких как ПОИСК (СПГТУ, Россия), SIMPOW (фирма ABB, Швеция), MASS и PEALS (Канада), Бразильские разработки, SMAS3 (Испания), EUROSTAG (Бельгия-Франция), DYNSPACK (Австралия) и т.п., основанных на высокоэффективных вычислительных методах, и, имеющих в своем составе крупные библиотеки моделей элементов ЭЭС, либо на электродинамических моделях. Традиционные математические модели, входящие в состав современных программных разработок, позволяют выявить закономерности связей между искомыми параметрами системы и регулирующими воздействиями. Однако осуществлять оперативное управление многомерными системами по таким моделям затруднительно, т.к. они часто не соответствуют изменяющейся текущей ситуации. С другой стороны, модели, построенные на экспериментальном материале, и, следовательно, соответствующие текущему состоянию системы, имеют в большинстве случаев простую одноконтурную структуру и не приспособлены для поиска системного вектора управления.

Можно отметить также, что используемые подходы для синтеза экспериментальных моделей не всегда учитывают особенностей идентификации функционирующих объектов, замкнутых по каналам стабилизации [15, 16, 26]. Если ЭЭС идентифицируется по частям, то не учитывается взаимосвязь подсистем в момент эксперимента [25].

Рядом ученых накоплен значительный опыт исследования динамических свойств сложных электроэнергетических систем при использовании известного математического описания установившихся и переходных режимов в виде нелинейных и линеаризованных дифференциальных уравнений высоких порядков. Выявлен ряд общих закономерностей связи стабилизируемых параметров с настроечными параметрами регулирующих устройств, разработаны процедуры координации настроек регуляторов для многомерной стабилизации параметров в системе и повышения степени устойчивости последней. Предложены и обоснованы методы практической настройки АРВ-СД, ориентированные на локальные составляющие движения и слабую взаимосвязь эквивалентных станций. Результаты этих теоретических исследований позволили выдвинуть основные требования к эквивалентной математической модели многосвязной системы - пониженный порядок и адекватность исходному описанию по динамическим свойствам с учетом ограничений по наблюдаемости и управляемости относительно "активных точек" регулирования в системе. Исследование моделей с указанными свойствами закладывает методические основы для обобщенного структурно-аналитического представления многосвязных распределенных систем. В качестве составляющих элементов такого описания предлагается использовать системные собственные и взаимные передаточные характеристики параметров стабилизации в нескольких точках регулирования. Эти передаточные характеристики могут быть получены как расчетным путем по общему математическому описанию, так и экспериментально, путем цифровой обработки реальных сигналов без размыкания каналов регулирования, что открывает возможность практической реализации процедуры стабилизации системы с учетом ее многосвязности.

Таким образом, цель данной работы состоит в разработке и теоретическом обосновании методики синтеза модели многосвязной системы, позволяющей управлять запасом статической устойчивости с помощью многомерного вектора регулирующих воздействий, и реализация этой методики в виде программно-аппаратного комплекса.

В соответствии со сформулированной целью в работе были поставлены и решены следующие группы задач:

- обзор методов синтеза математических моделей многомерных систем с целью определения области исследования; разработка обобщенного структурно-аналитического подхода к математическому описанию ЭЭС, обеспечивающего адекватность отображения существенных динамических свойств. Выявление ограничений модели по наблюдаемости и управляемости с учетом количества выделенных контуров регулирования для оперативного управления устойчивостью;

- синтез соотношений, обеспечивающих математическую связь характеристик системы типа «вход-выход» с элементами многопараметрической эквивалентной модели;

- разработка программно-аппаратного комплекса для повышения запасов статической устойчивости многосвязных систем.

На защиту выносятся следующие научные результаты, разработан обобщенный структурно-аналитический подход к математическому описанию многосвязной динамической системы произвольного порядка, обеспечивающий адекватность отображения существенных для целей управления динамических свойств, и основанный на структурном представлении ее в виде искусственного графа прохождения сигналов;

- синтезированы соотношения, обеспечивающие математическую связь характеристик системы типа «вход-выход» с элементами многопараметрической эквивалентной модели; создан программно-аппаратный комплекс для задач практической стабилизации многосвязных систем в основу которого положен синтез математической модели многосвязной динамической системы по данным экспериментальных наблюдений.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 93 наименования, трех приложений, включая материалы об использовании результатов.

4.2. Выводы

1. Разработана методика синтеза модели для адаптивного управления динамическими свойствами ЭЭС, базирующаяся на экспериментальных ЧХ замкнутой системы. Найдены общие операторно-матричные соотношения связи ЧХ нестабилизированной и замкнутой по всем каналам АРВ системы В основе новых соотношений лежит использование ряда искусственных операторных алгебраических дополнений, формируемых по экспериментальным собственным и взаимным частотным характеристикам замкнутой системы.

2. Для целей формирования многопараметрического характеристического годографа общего вида по экспериментальным ЧХ замкнутой системы разработан и программно реализован алгоритм, включающий контур самопроверки и оценки достоверности результатов моделирования.

3. Приведены результаты эксперимента по синтезу предложенной адаптивной модели и анализу динамических свойств тестовой 12-ти машинной схемы. Результаты подтвердили корректность разработанных методик, моделей и алгоритмов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе изучения существующих методов построения математических моделей систем управления выявлены их недостатки и достоинства. Разработана и теоретически обоснована методика синтеза модели многосвязной системы по характеристикам «вход-выход», позволяющая управлять статической устойчивостью с помощью многомерного вектора регулирующих воздействий.

К новым полученным результатам относятся следующие положения:

1. Разработан обобщенный структурно-аналитический подход к математическому описанию ЭЭС, обеспечивающий адекватность отображения существенных динамических свойств, и основанный на структурном представлении ее в виде искусственного графа прохождения сигналов.

2. Выявлены ограничения модели по наблюдаемости и управляемости с учетом количества выделенных контуров регулирования для оперативного управления устойчивостью.

3. Получены соотношения, обеспечивающих математическую связь характеристик системы типа «вход-выход» с элементами многопараметрической эквивалентной модели.

4. Синтезированы соотношения, позволяющие по совокупности известных частотных характеристик замкнутой системы произвольной сложности вычислить соответствующие им собственные и взаимные характеристики разомкнутой по выделенным контурам системы.

5. Создан программно-аппаратный комплекс для задач практической стабилизации многосвязных систем в основу которого положен синтез математической модели многосвязной динамической системы по данным экспериментальных наблюдений.

6. Произведен синтез многопараметрического годографа ЭЭС на примере электродинамической модели, включающей три модельных генератора, в ФГУП «НИИЭлектромаш».

Таким образом, предложен новый подход к математическому описанию сложных многоконтурных систем, позволяющий при известных частотных характеристиках параметра стабилизации сформировать многопараметрический характеристический годограф, который обращается в комплексный нуль при тех же значениях настроечных параметров, что и характеристический годограф системы. Следовательно, что при управлении устойчивостью всех контуров регулирования одновременно могут быть использованы характеристики, найденные по экспериментальным данным.

1. Горев A.A. Введение в теорию устойчивости параллельной работы электрических станций. -41. -Л.: 1936. -196с.

2. Горев A.A. Переходные процессы синхронной машины. -М.: ГЭИ, 1950.552 с.

3. Горев A.A. Избранные труды по вопросам устойчивости электрических систем. -М. -Л.: Госэнергоиздат, 1960. -260с.

4. Лебедев С.А., Жданов П.С, Городской Д.А., Кантор P.M. Устойчивость электрических систем. -М.: ГЭИ, 1940.-304 с.

5. Жданов П.С. Устойчивость электрических систем. -М.: ГЭИ, 1948.-399 с.

6. Жданов П.С. Вопросы устойчивости электрических систем. -М.: Энергия, 1979. -455с.

7. Сильное регулирование в электрических системах. / В.А.Веников, Г.Р.Герценберг, М.П.Костенко, Л.Р.Нейман, С.А.Совалов, Н.И.Соколов. -// Электрические станции, -1960. -№6. -С.43-49.

8. Сильное регулирование возбуждения / В.А.Веников, Г.Р.Герценберг, С.А.Совалов, Н.И.Соколов. -М.: Энергия, 1963.-152 с.

9. Михневич Г.В. Синтез структуры системы автоматического регулирования возбуждения синхронных машин. -М.: Наука, 1964.-232 с.

10. Г.Р.Герценберг. Автоматический регулятор возбуждения для гидрогенераторов с ионной системой возбуждения Волжской ГЭС им. В.И. Ленина // Вестник электропромышленности. -1961. -№6. -С. 11-16.

11. Лукашов Э.С. Уравнения малых колебаний дальних электропередач и исследования их на устойчивость .-Новосибирск: Наука, 1966. -220 с.

12. Матюхин В.M. О статической устойчивости электропередачи в связи с наличием нескольких генераторов на передающей станции // Изв.АН СССР. ОТН. -1957. -№7. -С.3-7.

13. Юрганов A.A., Кожевников В. А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. С.Петербург.: Наука. 1996. -138с.

14. Юрганов A.A. Динамические свойства и устойчивость мощных турбогенераторов АЭС с сильным регулированием возбуждения / Автореф. дисс. Докт. Техн. Наук. -Л.: 1990.

15. Рагозин A.A. Обобщенный анализ динамических свойств энергообъединений на основе структурного подхода / Автореф. дисс. Докт. Техн. Наук. -С-Петербург.: 1998.

16. Porter В., Grossley R. Modal control. Theory and applications. -London: Taylor and Fransis, 1972. -p.233.

17. Баринов В. А., Совалов С. А. Модальное управление режимами энергетических систем // Электричество. -1986. -№8. -С. 1-7.

18. Устинов С.М., Шевяков В.В. Синтез режимного параметра стабилизации для избирательного управления демпферными свойствами энергосистем // Изв. вузов. Энергетика. -1990. -№2. -С.8-13.

19. Undrill J.M., Turner A.E. Construction of power system electromechanical equivalents by modal analysis // IEEE Trans, on PAS. 1971. N6. Vol. PAS 90., pp.2049-2059.

20. Под ред. А.С.Зеккеля. Системные вопросы регулирования возбуждения генераторов в сложных энергообъединениях. -Кишинев. «Штиинца», 1989.-118с.

21. Горский Ю.М, Вайнер B.C. Динамические частотные характеристики и возможности их использования для оперативной оценки динамических свойств электрических систем // Изв. АН СССР: Энергетика и транспорт. -1971. -№5. -С.36-45.

22. Дойников А.Н. Анализ основных процедур адаптивного регулирования возбуждения генераторов / Тр. ЛПИ. 1982. -№385. - С.28-32.

23. Екимова М.М., Игнатьев И.В., Дойников А.Н. Использование режимной частотной характеристики для идентификации электроэнергетической системы с целью улучшения ее демпферных свойств / Деп. в ВИНИТИ 6 июля 1983. №122ЭН-Д83.

24. Груздев И.А., Екимова М.М., Дойников А.Н. Идентификация сложных электроэнергетических систем по режимным частотным характеристикам для целей адаптивного регулирования возбуждения генераторов / В кн.:

25. Тез.докл1Х Всесоюз. совещ. по проблемам управления (Ереван, 1983). -М.: 1983.-135с.

26. Екимова М.М., Дойников А.Н., Игнатьев И.В. Методика синтеза математической модели энергосистем для координации эксплуатационных настроек АРВ-СД нескольких станций / Ленингр. полетехн. ин-т. Л. -Рукопись деп. в Информэнерго. №1735. - ЭН-Д85. -23 с.

27. Юрганов A.A. Методы и средства автоматического регулирования возбуждения турбо- и гидрогенераторов / Творческое наследие академика М.П. Костенко и его значение для современного и перспективного электромашиностроения. СПб.: Наука, 1992. -С. 132-158.

28. A.c. 661680 (СССР). Устройство для определения степени устойчивости системы регулирования электрического объекта / Авт. изобрет. В.В. Бушуев, H.A. Дарколв, В.Г. Тихобаев. Опубл. В Б.И. 1979. -№17.

29. Литкенс И.В., Горский Ю.М. К вопросу об использовании принципов адаптации в АРВ синхронных машин // Изв. АН АССР: Энергетика и транспорт. 1974. - №4- С.45-55.

30. A.c. 331470 (СССР). Способ определения запаса статической устойчивости синхронной машины / Авт.изобрет. В.А. Файбисович, Э.З. Гуревич. Опубл. в Б.И.,1972. -№9.

31. Веников В.А.,Суханов О.А.Дихановский П.Н. Применение принципов адаптации при регулировании возбуждения синхронных машин / Тр.МЭИ,1972. -Вып. 133. -С.51-56.

32. Y.V.Makarov Rigidity concept for stabilizing transient processes in power systems. Paper BPT99-343-12, Proc. IEEE Budapest Power Tech-99 Cjnference, August 29-September 2, 1999.

33. Эйкхофф.П.и др. Современные методы идентификации систем.-М.: Мир, 1983.-400 с.

34. Рабинер Л.,Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. -М.: Мир, 1978. -848 с.

35. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов: прогноз и управление.: -М.: Мир, 1974.-200 с.

36. Научные разработки ВНИИэлектромаш / Системы возбуждения и регулирования мощных генераторов и двигателей. СПб.: ВНИИэлектромаш, 1994.-С. 140-167.

37. Чаки Ф. Современная теория управления. -М.: Мир, 1975. -424с.

38. Дойников А.Н., Дедюхин А.А. Методика определения передаточных характеристик распределенных динамических систем по экспериментальным данным / Тр. БрГТУ. -Братск: БрГТУ, 2000. -С. 150-152.

39. Дойников А.Н. Использование выборок реальных сигналов для синтеза моделей многосвязных систем управления / Информационные технологии контроля и управления транспортными системами. -Иркутск: ИрИИТ, 2000. -Вып.6. -С. 54-65.

40. Gandert Hans Jachim. Erregungssysteme fuz grobe Generatoren.-BBC-Hackr, 1980,62,№ 10,pp 380-387.

41. Hargrove A. A multimachine power system digital controller that is insensitive tothe initale state.-Proc.Southeastcon 77 Reg.3 Conf.:I magin Eng.through.Educ.Exp.Williamsburg, Va, 1977. '.y. 1977.pp. 159-162.

42. Sheirah M.A.H.Malik.O.P.,Hope G.S. A self-tuning automatic voltage regulator.-Elec.Power.System.Rec.,1979,2,№3, pp. 199-213.

43. Malik O.P.Hope G.S.,E1.-Chandakly A.A.M.On-line adaptive control of synchronous machine excitation.-IEEE Conf.Proc.Power Ind.Comput.Apple.Conf.-PICA-77,Toronto. 1977. -№.y.1977, pp.59-67.

44. Doi A.,I wamoto S.,Tamura Y.Controller disign less subiect tu excursion of power system state-with monlinear characteristics taken into accont.

45. Proc.Cth.Power.Syst.Comput.Conf.Darmstadt,1978.Vol.2.-Guildford, 1978, pp.902-909.59.1blez Z.Programoc az energiarendszed megibizhat osaganok elorebesbesere.-KGST-VA6 Korl,1978.(1979),45, pp.55-59.

46. A.Roth, "Identification der Leitungsreaktanz zur Realisierung der adaptiven Schlupfstabiliesierung", Brown Boveri Mitt. 9/10, 1983, pp. 360 364.

47. D.J.Trudnowski, D.A.Pierre, J.R.Smith, and R.Adapa, "Coordination of Multiple Adaptive PSS Units Using a Decentralized Control Scheme", IEEE Trans, on Power Systems, vol. 7, no. 1, February 1992, pp. 294-300.

48. A.A.Ghandakly, and J.J.Dai, "An Adaptive synchronous generator stabilizer design by generalized multivariable pole shifting (GMPS) technique", IEEE Trans, on Power Systems, vol. 7, no. 3, August 1992, pp. 1239-1244.

49. D.Ostojic, and B.Kovacevic, "On the Eigenvalue Control of Electromechanical Oscillations by Adaptive Power System Stabilizer", IEEE Trans, on Power Systems, vol. 5, no. 4, November 1990, pp. 1118-1126.

50. Груздев И.А., Дойников A.H., Екимова M.M., Труспекова Г.Х. Разработка системы автоматической коррекции параметров АРВ генераторов / Отчет ЛПИ о НИР. Л.: 1982. -Ч. 1,2. -№203006. -ГР № 0.2824033599.

51. Груздев H.A., Дойников А.Н., Екимова М.М., Игнатьев И.В. Исследование процедур, разработка алгоритмов и программ адаптивного регулирования возбуждения генераторов / Отчет ЛПИ о НИР. Л.: 1984. -№ 203302. -ГР №02840010243.

52. Дойников А.Н., Екимова М.М. Исследование алгоритмов адаптивного регулирования возбуждения синхронных генераторов // Электромеханические и электромагнитные элементы систем управления. -Уфа: изд. УАИ, 1983. -№1 -С.78-82.

53. Дойников А.Н., Игнатьев И.В. Алгоритм оперативного выбора настроек АРВ сильного действия / Тр. ЛПИ .-Л.: 1984. -№399. -С.27-31.

54. Груздев И.А., Дойников А.Н., Екимова М.М., Игнатьев И.В. Методика координации настроек АРВ-СД в энергосистемах на основе экспериментальных данных / Тр. ЛПИ -Л.: 1988. -№427. -С.55-62.

55. Дойников А.Н., Екимова М.М., Игнатьев И.В. , О.Б. Кукар. Исследование взаимозависимости настроек АРВ-СД генераторов отдельных станций сложных энергосистем // Изв. вузов: Энергетика. -1989. -№12. -С.6-11.

56. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. Л.: Энергия, 1975. -416 с.

57. Дойников А.Н. Моделирование и расчет электромагнитных переходных процессов в электрических системах. -Братск: БрГТУ, 1999. —130 с.

58. Переходные процессы. Апериодическая устойчивость простейших электрических систем / Уч. пособие. А.Н.Дойников. -Братск: БрИИ, 1998. -56с.

59. Афифи А., Эйзен С. Статистический анализ. Подход с использованием ЭВМ. -М.: Мир, 1982. -488 с.

60. Дойников А.Н., Екимова М.М. Использование выборок реальных сигналов для синтеза моделей многосвязных систем управления. / Научно-технические ведомости СПбГТУ. №4,2000, с.55-61.

61. Любарский В.Г. Динамические характеристики АРВ сильного действия и вопросы методики их настройки / Автоматические регулирование и управление в энергосистемах: Тр. ВЭИ. -М.: Энергия, 1978. -Вып. 78. -С.37-60.

62. D.G.Hart, W.Peterson, D.Uy, J.Schneider, D.Novosel, R. Wright Tapping protective relays for power quality information // IEEE. Computer applications in power, v. 13. n. 1. 2000. pp.45-49.

63. Z.Wang, Y.Liu, P.J.Griffin Neural net and expert system diagnose transformer faults // IEEE. Computer applications in power, v.13. n.l. 2000. pp.50-55.

64. К a T к о в н и к Я. К., П о л у э к т о в Р. А. Многомерные дискретные системы управления.-М.: Наука, 1966.

65. Автоматизация настройки систем управления / Ротач В.Я., Кузищин В.Ф., Клюев A.C. и др.; Под ред. Ротач В.Я. М.: Энергоатомиздат, 1984. -С.272.

66. Беляев А.Н., Кабанов И.А., Смоловик C.B., Шхати Х.В. Сравнение современных подходов к моделированию электроэнергетических систем. // Материалы Всероссийской научно-технической конференции ВятГТУ. -Киров, 2001.

67. Беляев А.Н., Смоловик C.B. Программирование на примере электротехнических и электроэнергетических задач: Учеб. пособие. СПб: СПбГТУ, 2000. 74 с.

68. Кашин И.В., Смоловик C.B. Устойчивость работы протяженных электропередач переменного тока с регулируемыми устройствами поперечной компенсации // Электричество. 2001. N 2. с. 8-15.

69. Кабанов И., Смоловик C.B. Сопоставление эффективности технических средств обеспечения статической устойчивости ЭЭС // Фундаментальные исследования в технических университетах: Материалы научно-технической конференции. Санкт-Петербург, 1999. - с. 126.

70. Navarro I.R., Larsson M., Olsson G. Object-Oriented Modeling and Simulation of Power Systems using Modélica // Power Engineering Society Winter Meeting, 2000. Vol. 1. pp. 790 -795.

71. Ю.Б. Колесов, Ю.Б. Сениченков. Имитационное моделирование сложных динамических систем. // http://www.exponenta.ru/soft/Others/mvs/dssim.asp.

72. Дойников А.Н. Тренажер задач идентификации, моделирования и исследования динамических свойств линейных САУ / Материалы международной науч.-техн. конф. -Пенза: Изд-во Пенз. ун-та, 1999. -С.39-42.