автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Выбор настроек АРВ генераторов сложной энергосистемы на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа

На правах рукописи

/У

Г-

Сорокин Дмитрий Владимирович

ВЫБОР НАСТРОЕК АРВ ГЕНЕРАТОРОВ СЛОЖНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЫ НА ОСНОВЕ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА И МЕТОДОВ МОДАЛЬНОГО АНАЛИЗА

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Автореферат 2 6 НОЯ 2009

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2009

003484888

Работа выполнена на кафедре «Электрические системы и сети» Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Смоловик Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Юрганов Алексей Анатольевич

кандидат технических наук, ст. научный сотрудник Богачков Михаил Лазаревич

Ведущая организация: ОАО «Силовые машины» - филиал

«Электросила»

Защита состоится «Ц» 01М£1СРс( 2009 г. в ю часов на заседании диссертационного совета^Д 2li.229.ll при ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет» по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29. Главное здание, ауд. 325.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный политехнический университет»

Автореферат разослан « » кЮЯОШ 2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 212.229.11

кандидат технических наук, доцент __-> Попов М.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время в энергосистеме РФ происходит активная модернизация систем возбуждения генераторов. Модернизация может быть обусловлена как физическим износом, так и моральным старением оборудования систем возбуждения. Современные тенденции в модернизации систем возбуждения заключаются в замене медленнодействующих электромашинных и высокочастотных (ВЧ) систем возбуждения на быстродействующие статические тиристорные системы параллельного самовозбуждения. В качестве альтернативного варианта модернизации системы возбуждения без полной ее замены предлагается также модернизация ВЧ системы возбуждения. Модернизация систем возбуждения позволяет повысить быстродействие системы возбуждения и привести технические характеристики системы в соответствие с ГОСТ 21558-2000 «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов». Модернизация систем возбуждения генераторов обычно сопровождается заменой входящих в их состав автоматических регуляторов возбуждения предыдущих поколений на современные цифровые регуляторы возбуждения на базе микропроцессорной техники. К регуляторам возбуждения предыдущих поколений в настоящее время можно отнести регуляторы возбуждения на базе магнитных усилителей (панели ЭПА-120, ЭПА-325В, ЭПА-305 и ЭПА-500), аналоговые (АРВ-СДП, АРВ-СДП1, АРВ-СДП1М, РАЦИС, АРВ-СДБ) и цифро-аналоговые регуляторы возбуждения (АРВ-СДС). Данные типы регуляторов возбуждения генераторов до сих пор широко распространены на территории РФ. К современным регуляторам возбуждения относятся, например, цифровые регуляторы возбуждения АРВ-М и его модификации АРВ-2М и АРВ-ЗМ (ОАО «Силовые машины» - филиал «Электросила»), АРВ-РЭМ (ЗАО «НПП «Русэлпром-Электромаш»»), КОСУР-Ц (ОАО «НИИэлектромаш»), АРВ-НЛ (НПО «Элсиб» ОАО), AVR2 (ЗАО «Энергокомплект»), DECS-400 («Basler Electric», США), UNITROL-6000 («ABB», Швейцария), ЕХ2100 («General Electric», США) и др.

В настоящее время в ЕЭС РФ не применяется общепринятой методики выбора мест установки АРВ-СД. При этом модернизация систем возбуждения по условиям физического износа и (или) морального старения оборудования систем возбуждения может не обеспечить требуемых уровней колебательной устойчивости. В связи с этим, в настоящей диссертации разработана методика выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) по условию обеспечения требуемых уровней колебательной устойчивости при минимизации количества АРВ-СД. Предложенная методика может быть

использована также для определения порядка последовательного ввода в эксплуатацию АРВ-СД (системных стабилизаторов) генераторов.

В связи с тем, что в результате модернизации увеличивается быстродействие систем возбуждения, и регуляторы возбуждения предыдущих поколений заменяются современными цифровыми регуляторами возбуждения на базе микропроцессорной техники, ставится задача выбора новых настроек регуляторов возбуждения, обеспечивающих эффективное демпфирование электромеханических колебаний. Применяемые в настоящее время методики выбора настроек АРВ имеют ряд известных недостатков. Например, выбор настроек АРВ на основе применения методов, при которых последовательно определяются настройки каналов АРВ по условию обеспечения эффективного демпфирования колебаний, может не обеспечить того качества демпфирования электромеханических колебаний и уровня колебательной устойчивости, которые могут быть достигнуты при координации настроек АРВ. Традиционные методы настройки АРВ на основе применения £)-разбиения и построения областей колебательной устойчивости позволяют производить одновременную координацию только двух параметров АРВ. Градиентные методы оптимизации позволяют производить многопараметрическую координацию настроек АРВ, однако при их применении накладывается ряд ограничений на вид и свойства целевой функции (обеспечение дифференцируемое™ целевой функции, ее неразрывности, а также отсутствия у целевой функции овражных свойств). Также в результате применения градиентных методов возможно получение в качестве решения локального оптимума, который может быть далек от глобального оптимума, что для задачи выбора настроек АРВ соответствует получению неэффективной настройки. Для преодоления указанных недостатков в настоящей диссертации разработана методика выбора настроек АРВ генераторов на основе применения генетического алгоритма.

В настоящее время существует тенденция появления на российском рынке систем возбуждения зарубежных производителей (компаний «ABB», «ALSTOM», «SIEMENS», «Basler Electric» и др.). В связи с этим, наблюдается рост числа генераторов на территории РФ, оснащенных системами возбуждения, в состав которых входят АРВ зарубежного производства. Таким образом, необходимость учета влияния АРВ зарубежного производства при анализе статической и динамической устойчивости энергосистем ЕЭС РФ, особенности структуры АРВ зарубежного производства по сравнению с АРВ отечественного производства, а также недостаточное описание АРВ зарубежного производства в отечественной литературе обуславливают

необходимость подробного описания структуры и методов настройки АРВ зарубежного производства в настоящей диссертации.

Корректный выбор настроек АРВ и выдача рекомендации по местам установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) при применении цифровых моделей энергосистем возможны только при использовании достоверных цифровых моделей энергосистем, адекватно отображающих динамические свойства энергосистемы. В связи с этим, наряду с рассмотрением вопросов выбора мест установки и настройки регуляторов возбуждения рассматривается вопрос верификации используемых цифровых моделей АРВ и цифровых моделей энергосистем в целом.

Значительный вклад в решение поставленных задач в разные годы внесли И.А. Груздев, A.C. Зеккель, В.А. Строев, С.М. Устинов, A.A. Юрганов, А.Х. Есипович, A.C. Герасимов, В.А. Кожевников, В.Г. Любарский, В.А. Масленников, И.Ф. Перельман, A.B. Фадеев и др., а также зарубежные ученые F. Р. de Mello, P. Kundur, N. Martins, I. J. Perez-Arriage, E. V. Larsen, B. Marinescu, R. Kutzner, A. Murdoch, M. J. Basler, К. Kiyong и др.

Цели работы состоят в разработке комплексной методики выбора мест установки и настройки АРВ-СД (системных стабилизаторов) генераторов в цифровых моделях сложных энергосистем на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа по условию обеспечения эффективного демпфирования

электромеханических колебаний, а также реализация разработанных методик и алгоритмов в программном обеспечении.

На защиту выносятся следующие основные методические и прикладные результаты исследования:

1. Методика выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) генераторов на основе применения методов модального анализа.

2. Методика идентификации групп когерентных генераторов с учетом топологии схемы энергосистемы.

3. Методика выбора настроек АРВ отечественного и зарубежного производства на основе применения генетического алгоритма.

4. Положение о том, что применение корневой целевой функции в оптимизационной процедуре при выборе настроек АРВ генераторов менее эффективно по сравнению с применением в качестве оптимизируемого функционала интегральных квадратичных критериев качества.

5. Реализация предлагаемых методик и алгоритмов в разработанном автором программно-вычислительном комплексе.

Методология исследований, представленных в диссертационной работе, базируется на аппарате линейной алгебры, методах модального анализа динамической системы, теории эволюционных алгоритмов и нечетких множеств, методах частотного синтеза регуляторов, теории линейных операторов, использовании прикладной теории графов, теории моделирования и оптимизации, а также математических моделях энергосистем. Приведенные в настоящей диссертационной работе модальные характеристики рассчитаны в разработанном в процессе исследований программном обеспечении «Модальный анализ», написанном на языке программирования MATLAB («The Mathworks», США). Цифровая модель энергосистемы разработана в программно-вычислительном комплексе (ПВК) EUROSTAG («Tractebel», Бельгия).

Научная новизна диссертационной работы состоит:

• в разработке методики выбора места установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) по условию улучшения качества демпфирования электромеханических колебаний при минимизации количества АРВ-СД,

• в разработке методики выбора настроек АРВ генераторов на основе применения генетического алгоритма,

• в разработке программного обеспечения «Модальный анализ», реализующего представленные в диссертационной работе методики и алгоритмы.

Практическая ценность и реализация результатов работы

1. В процессе диссертационных исследований разработано программное обеспечение «Модальный анализ», реализующее представленную в настоящей работе комплексную методику выбора мест установки и настроек АРВ-СД (системных стабилизаторов). ПО «Модальный анализ» применяется в настоящее время в ОАО «НИИПТ» для анализа возникновения низкочастотных колебаний в энергосистемах и выработки рекомендаций по их предотвращению.

2. Разработаны цифровые модели энергосистем Республики Коми и Архангельской области в ПВК EUROSTAG. Использованные в процессе исследования модели автоматических регуляторов возбуждения генераторов верифицированы по частотным характеристикам натурных регуляторов. Параметры генераторного оборудования уточнены по формулярам, полученным от заводов-изготовителей. Достоверность разработанной цифровой модели энергосистемы подтверждена путем воспроизведения в ней технологического нарушения, имевшего место в

энергосистеме Республики Коми, и сравнения осциллограмм переходных процессов при технологическом нарушении и при его моделировании.

3. Проведен анализ колебательной устойчивости энергосистем Республики Коми и Архангельской области и даны рекомендации по предотвращению возникновения низкочастотных колебаний. На основе применения разработанных в настоящей диссертации методик, а также программного обеспечения, реализующего представленные методики, выбраны место установки и настройки АРВ-СД (системного стабилизатора) генератора Республики Коми (генератор №6 ТЭЦ СЛПК). Полученные настройки регуляторов обеспечивают эффективное демпфирование электромеханических колебаний.

Апробация работы и публикации

Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах кафедры «Электрические системы и сети» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, на Международной научно-технической конференции

«ЭНЕРГОСИСТЕМА: Исследование свойств, Управление, Автоматизация» (г. Новосибирск), а также на Ш-м Всероссийском конкурсе молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики (г. Геленджик). Положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах ОАО «НИИПТ». По теме диссертации опубликовано четыре печатных работы, среди которых имеется единоличная публикация. Два издания, в которых автор имеет публикации, принадлежат перечню рецензируемых ВАК научных журналов и изданий.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений и списка литературы из 97 наименований. Основная часть работы изложена на 168 страницах машинописного текста и включает 65 рисунков и 15 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены основные этапы развития автоматических регуляторов возбуждения - от регуляторов на магнитных усилителях до современных цифровых регуляторов возбуждения на основе микропроцессорной техники. Сделан обзор существующих методов настройки автоматических регуляторов возбуждения (системных стабилизаторов) и указаны их недостатки. В заключительном разделе главы обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель и основные задачи.

В первой главе на примере регулятора возбуждения АРВ-М (ОАО «Силовые машины» - филиал «Электросила») рассмотрены особенности структуры и методов настройки АРВ отечественного производства. Описана методика разработки цифровых моделей АРВ генераторов в современных программных комплексах расчета электромеханических переходных процессов. Отмечено, что разработка и верификация цифровых моделей различных АРВ возможна в настоящее время только в зарубежных программных комплексах расчета электромеханических переходных процессов (ПВК Е1ЖОБТАО, РБ8/Е), содержащих в отличие от аналогичных отечественных программ (Мустанг, АНАРЭС, ДАКАР и др.) средства создания пользовательских моделей устройств регулирования и автоматики.

Разработана цифровая модель регулятора возбуждения АРВ-М в ПВК Е1Ж08ТАС. Достоверность разработанной модели регулятора возбуждения подтверждена ее верификацией. Верификация регулятора АРВ-М произведена путем сравнения амплитудно-частотной и фазочастотной характеристик каждого канала натурного регулятора с соответствующей частотной характеристикой его цифровой модели. Структурная схема регулятора возбуждения АРВ-М представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема АРВ-М (ОАО «Силовые машины» - филиал «Электросила», Россия)

Далее в главе описана традиционно применяемая методика выбора настроек АРВ отечественного производства. Данная методика заключается в последовательном выборе значений коэффициентов

усиления в каналах регулятора. Значения коэффициентов усиления в каналах регулирования по отклонению напряжения и производной напряжения выбираются по условию обеспечения эффективной стабилизации напряжения на шинах генератора (или необходимого статизма по напряжению для ПД-закона регулирования напряжения). Значения коэффициента усиления в канале стабилизации по отклонению производной тока ротора выбирается по условию возможности работы генератора в режимах недовозбуждения. Настройка системного стабилизатора АРВ традиционно проводится путем построения областей колебательной устойчивости (на основе применения D-разбиения) в координатах коэффициентов усиления каналов стабилизации по отклонению частоты напряжения аг,„, и ее производной К.,. Значения коэффициентов Kw и К]г определяются по условию обеспечения наилучшего качества демпфирования электромеханических колебаний. Следует отметить, что при практической настройке АРВ постоянные времени каналов регулирования и стабилизации регулятора в большинстве случаев не корректируются и принимаются «типовыми».

Совокупность параметров АРВ, полученная на основе применения традиционной методики настройки регулятора, не гарантирует достижения того качества демпфирования электромеханических колебаний, которое могло бы обеспечить применение оптимизационной процедуры настройки АРВ, при которой достигается координация всей совокупности выбранных настроек (как коэффициентов усиления, так и постоянных времени каналов АРВ).

В заключительной части главы рассмотрены особенности и функциональные возможности программных комплексов для настройки автоматических регуляторов возбуждения: программы «ПОИСК», разработанной в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете, и программы «Область», разработанной в ОАО «НИИПТ». Описаны методы настройки регуляторов возбуждения, реализованные в данных программах.

Во второй главе рассмотрены особенности структуры и методов настройки АРВ зарубежного производства. В настоящее время на российском рынке наиболее распространены регуляторы возбуждения, имеющие в своем составе системный стабилизатор типа PSS2B и регулятор напряжения типа ST4B. Данную структуру имеет, например, регулятор возбуждения DECS-400 («Basler Electric», США). Цифровая модель регулятора возбуждения DECS-400 («Basler Electric», США) разработана в ПВК EUROSTAG. Проведена верификация модели регулятора по частотным характеристикам натурного регулятора. Выявлены особенности верификации регуляторов возбуждения

9

зарубежного производства по сравнению с регуляторами отечественного производства. Структурные схемы системного стабилизатора и регулятора напряжения регулятора возбуждения ИЕСБ-400 представлены на рис. 2 и 3.

Р т„ Р Г„ 1

1 *р тг1 ч-р г„ 1+Р-Г,

рТ„

ltf-7 1 tpTu,

Рис. 2. Структурная схема системного стабилизатора типа PSS2B («Basler Electric», США)

<84

v,,ä

ка

l + p-VV, к

V,H4 г

г

J

Рис. 3. Структурная схема регулятора напряжения типа ST4B («Basler Electric», США)

Как видно из сравнения рисунков 1, 2 и 3, АРВ зарубежного производства имеет принципиально другую структуру по сравнению с АРВ отечественного производства. Например, для АРВ зарубежного производства характерно последовательное соединение системного стабилизатора и регулятора напряжения, для АРВ отечественного производства - параллельное. Отличия касаются также и традиционно применяемых входных сигналов системных стабилизаторов. Согласно стандарту IEEE1 Std 421.5 в системном стабилизаторе типа PSS2B АРВ зарубежного производства в качестве входных сигналов могут применяться отклонение активной мощности генератора, отклонение

' IEEE (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Ассоциация инженеров по электротехнике и электронике

частоты напряжения на шинах генератора или отклонение частоты вращения вала генератора. В качестве входных сигналов системного стабилизатора АРВ отечественного производства традиционно применяются отклонение частоты напряжения на шинах генератора и ее производная. Характерным отличием АРВ отечественного производства является также наличие канала «внутренней стабилизации» (канала стабилизации по отклонению производной тока ротора), отсутствующего в АРВ зарубежного производства.

Далее в главе рассмотрены основные типы системных стабилизаторов, применяемых в настоящее время в составе АРВ зарубежного производства. Подробно рассмотрена структура системного стабилизатор типа Р882В. Следует отметить, что принцип действия системного стабилизатора типа РБ82В основан на концепции «ускоряющей мощности», что делает невозможным для системных стабилизаторов данного типа применение традиционных методов настройки АРВ отечественного производства. В диссертационной работе рассмотрена традиционная методика настройки системных стабилизаторов, основанная на компенсации фазового сдвига управляющего сигнала и дальнейшем выборе значения коэффициента усиления к и по условию обеспечения необходимого качества демпфирования электромеханических колебаний. Наряду с рассмотрением традиционной методики настройки системного стабилизатора, приведена традиционная методика настройки регулятора напряжения АРВ зарубежного производства.

Следует подчеркнуть, что традиционная методика настройки АРВ зарубежного производства в настоящее время недостаточно описана в отечественной литературе. В связи с этим, в большинстве случаев настройку АРВ зарубежного производства, устанавливаемых в ЕЭС РФ, выполняет разработчик регулятора на цифровой модели энергосистемы в простейшей схеме «синхронный генератор - линия электропередач -шины бесконечной мощности». Настройка АРВ, полученная разработчиком, проверяется в процессе пуско-наладочных работ при вводе АРВ в эксплуатацию и при необходимости корректируется.

В третьей главе приведено описание и теоретическое обоснование методов модального анализа в применении к электроэнергетическим системам. К методам модального анализа относят математические методы исследования динамических систем, основанные на вычислении собственных чисел и собственных векторов системы.

Электроэнергетическая система описывается в общем случае системой нелинейных дифференциальных уравнений вида:

х = Дх,и), У = 8(х,ч),

(1)

вектор выходных

где х - вектор переменных состояния, у переменных, и - вектор входных переменных.

С помощью процедуры линеаризации в рассматриваемой точке (дго, ио) система нелинейных дифференциальных уравнений (1) приводится к системе линейных дифференциальных уравнений:

Ах = л-дл + в-дн, д>' = с • дх + £> • Аи,

где

(2)

Я" К

8х, дх„ ди1 диг

Л = В =

V. §к

ах, дх„ дн1 диг

дё

8х1 дх, 8и1 8иг

с = £> =

бх. 6х 8и, 8иг

(3)

п - количество переменных состояния,

т - количество выходных переменных,

г - количество входных переменных,

Ах = х-х„ - вектор приращений переменных состояния, А)' = У~У» ~ вектор приращений выходных переменных, дн = н-н„ - вектор приращений входных переменных, А - матрица состояния, В - матрица управляющих воздействий, С - матрица выходных сигналов,

В - матрица прямых связей между входными и выходными переменными.

Из теории линейных систем известно, что малое отклонение переменной состояния, т.е. решение системы (2), может быть записано в виде:

Я, =а, + / - ох - /'-ое собственное число системы,

Ф/-[Фч Фи ••• Ф,«]' ~ правый собственный вектор, соответствующий собственному числу Я,,

1//,=[у/, цгг ... у/1п] - левый собственный вектор, соответствующий собственному числу Я;,

Дт(0) - вектор начальных условий,

с, = у/: • Дл(0) - скалярное произведение левого собственного вектора I//, и вектора начальных условий Ал-(О).

Как видно из рассмотрения (4), поведение динамической системы при малых отклонениях переменных состояний в основном определяется такими модальными характеристиками системы, как ее собственные числа и собственные вектора.

Согласно теории линейных систем правый и левый собственные вектора определяются следующим образом:

А-ф, = Я. •</>,.,

, 3 (5)

у, ■ А = А, •!//■,..

Соответствующие элементы правого собственного вектора ф,

характеризуют отклонения скоростей вращения роторов генераторов энергосистемы при малом возмущении в энергосистеме и определяют, таким образом, группы когерентных генераторов.

Степень колебательности компоненты движения, соответствующая /-му собственному числу, характеризует показатель демпфирования :

Одной из основных модальных характеристик динамической системы является коэффициент участия ¡>п /-ой переменной состояния в относительном движении на /-ой частоте, определяемый следующим образом:

дг,.(0 = фпс,е

(4)

где

(6)

Коэффициент участия является удобным количественным критерием при определении приоритетных генераторов для установки автоматических регуляторов сильного действия (системных стабилизаторов).

Далее в главе разработан алгоритм идентификации групп когерентных генераторов для определения мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) с учетом топологии электрической схемы энергосистемы. Подтверждена необходимость учета топологии электрической схемы энергосистемы для корректной идентификации групп когерентных генераторов. Под когерентными генераторами на рассматриваемой частоте понимаются группы генераторов, в отклонении скорости вращения роторов которых присутствуют компоненты движения данной частоты и с одинаковой (или близкой) фазой движения. На основе применения разработанного алгоритма возможно определение типа колебаний, соответствующих компонентам движения определенной частоты (межсистемные, внутри- или межстанционные и локальные колебания). Определение типа колебаний необходимо для определения возможности улучшения качества демпфирования электромеханических колебаний путем установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) на генераторы одной группы когерентности.

Алгоритм идентификации групп когерентных генераторов состоит из двух этапов. На первом этапе производится предварительная оценка состава и количества групп когерентных генераторов на основе вычисления правых собственных векторов системы для доминирующих частот. В связи с тем, что количество групп когерентных генераторов в общем случае заранее неизвестно, то для его оценки применяется блок нечеткой кластеризации, что позволяет избежать необходимости задания количества групп когерентных генераторов непосредственно и увеличивает степень автоматизации расчетов. На втором этапе работы алгоритма производится уточнение состава и количества групп когерентных генераторов с учетом топологии электрической схемы энергосистемы. Необходимость учета топологии схемы обусловлена тем, что сходство фаз компонент движения роторов генераторов является необходимым, но не достаточным условием включения данных генераторов в группу когерентности. Для уточнения состава и количества групп когерентных генераторов применяются методы теории графов (в частности, алгоритм определения кратчайших расстояний между узлами графа Флойда - Уоршелла).

Достоверность результатов работы алгоритма идентификации групп когерентных генераторов подтверждена путем моделирования в цифровой модели энергосистемы тестового импульса и сравнения

результатов работы алгоритма с результатами разложения в ряд Фурье сигналов изменения частоты вращения роторов генераторов энергосистемы. Алгоритм разработанной в настоящей диссертации методики представлен в виде блок-схемы, изображенной на рис. 4.

_^ на^чо ^_

X

X

-.(0111 рев ».мастеров Ф«о грлт».х (ь^чны» ни» г орт» о маюги>ло»а>»и*м и «учетного субтроктиЕюгс алгоритма Нгера-Фклввз

Клаисифгка меюдо*

я фаз грзиы* СООойчнныл въхь «чыком (.ГЛСГЙрИЗАЦИИ МНЮДС-»

Прьлалршйяыюя оцомкл количе«;н>а и сосгэва ¡¡чу ил

-.-. - - - - -.:.-----:--..--.■- ^ -;

К.:; РожЧчм«» !,;.[(•■ г

п •• »ЬЛИЧФСЮО генераторов

» уГрйюенжЖ) фЛфЛ .'^Лс'ХГрУ «еской

Схемы

1

Нахождение' агрицы М *ра павших пут г/и между

/УАШ И Г€»«>рй осинами узлами Алгоритм Ф,- юида -

Уоршолла]

>«рпто)>н!>1и у.»«и

О — фулпа. к К1Т<.>[.\ч: 01Н<Х;*и'М 1-п'М лрчррэюр. С> - группа. к кагором опн'ли;ей гет\-(**1

37

Ог|>**йепй»<и^ кратчайшего луг* мв»ду 1-ым ¿1 }-ым генератор ми ид мзтрии^ м

Е

' гвнвра юрнь»х узпяя на полученном пути, не покиаялйяати* текущей группе С ['равной С,)_

,_I _„__,

} 1-й и «жара торы разньцГ I оачои грушу»' |

Сформировав» группы Iонерагерои

^ КО>и>ц ^

Рнс. 4. Алгоритм идентификации групп когерентных генераторов с учетом топологии схемы энергосистемы

На основе применения разработанного алгоритма идентификации когерентных генераторов и ряда модальных характеристик разработана методика выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) по условию обеспечения эффективного демпфирования электромеханических колебаний при минимизации количества АРВ-СД. Основные этапы разработанной методики представлены на рис. 5. Установку АРВ-СД (системного стабилизатора) целесообразно производить на генератор, имеющий наибольший коэффициент участия для частоты наиболее плохо демпфируемой компоненты движения и участвующий при возможности в наибольшем количестве групп когерентности для доминирующих частот. Следует отметить, что высокий коэффициент участия может также свидетельствовать о возможности перенастройки имеющегося регулятора без необходимости модернизации. Таким образом, модернизация системы возбуждения генератора с установкой АРВ-СД (системного стабилизатора) выполняется в случае нецелесообразности перенастройки имеющегося регулятора возбуждения (например, в случае физического старения оборудования системы возбуждения) или недостижения в результате перенастройки необходимого качества демпфирования колебаний. В случае выявленных плохо демпфируемых межсистемных колебаний целесообразно рассмотреть установку АРВ-СД на ряде генераторов соответствующей группы когерентности в соответствии с предложенной методикой.

Рис. 5. Алгоритм, реализующий методику выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов)

В процессе диссертационных исследований разработано программное обеспечение (ПО) «Модальный анализ», реализующее на персональном компьютере представленные в настоящей работе алгоритмы и методы. Программное обеспечение написано в среде программно-вычислительного комплекса МАТЪАВ, имеет модульную структуру и удобный графический пользовательский интерфейс. Функциональные возможности разработанного программного обеспечения представлены на рис. 6. ПО «Модальный анализ» обеспечивает импорт линеаризованной модели энергосистемы в среду МАТЬАВ и в зависимости от запускаемого модуля реализует ту или иную его функциональную возможность. Импортируемая с помощью ПО «Модальный анализ» линеаризованная модель энергосистемы может быть представлена как в классической форме (2), так и в виде системы алгебро-дифференциальных уравнений. Возможность импорта линеаризованных моделей в различных форматах обеспечивает универсальность разработанного ПО и позволяет импортировать линеаризованные модели, созданные не только в ПВК Е1Ж08ТА0, но и другими программными продуктами (например, БШиЬШК, Е)уто1а и др.).

ПО «Модальный анализ»

1 Линеаризация системы J Выбор мест установки АРВ генераторов

Вычисление собственных значений Идентификация когерентных генераторов с учетом топологии

Расчет собственных векторов Настройка АРВ (генетический алгоритм)

Расчет коэффициентов участия Частотный анализ энергосистемы

Выявление доминирующих частот Модуль автоматизации расчетов в ПВКЕ1Ж05ТАа

Построение диаграммы движения корней Взаимодействие с программой [^ЫАУт

Рис. 6. Функциональные возможности разработанного программного обеспечения «Модальный анализ»

В четвертой главе разработана методика настройки регуляторов возбуждения на основе применения генетических алгоритмов (ГА). Генетические алгоритмы - это алгоритмы оптимизации, основанные на естественных законах эволюции. Впервые генетический алгоритм описал и исследовал J. Holland в 1975 году. Применение ГА для

решения оптимизационных задач имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными методами оптимизации (переборными и градиентными), позволяющих эффективно применять ГА при выборе настроек АРВ генераторов:

1. Важным достоинством генетических алгоритмов является то, что при их применении не накладывается каких-либо ограничений на вид и свойства оптимизируемого функционала (отсутствие овражных свойств, диффсренцирусмость, неразрывность и т.д.). Таким образом, выбор вида оптимизируемого функционала при применении ГА обусловлен только практической целесообразностью данного функционала при решении поставленной задачи, а не требованиями обеспечения необходимых свойств целевой функции.

2. Генетические алгоритмы объединяют как вероятностные, так и детерминированные правила для перехода от одних точек анализа к другим, что позволяет оптимизационной процедуре, использующей генетический алгоритм, организовывать поиск решения в направлении глобального, а не локального оптимума.

3. Характерной особенностью генетических алгоритмов является быстрая генерация достаточно «хороших» (в смысле оптимальности) решений.

В то же время недостатком применения генетического алгоритма является длительное время поиска точного значения глобального оптимума (в случае неудачного задания начального приближения решения).

В настоящей диссертации рассмотрено применение оптимизируемых функционалов (целевых функций) различных типов: корневых и интегральных. Под корневыми целевыми функциями понимаются функции, значения которых вычисляются на основе выполнения операций с собственными числами системы. Так, в качестве корневой целевой функции при выборе настроек АРВ на основе применения генетического алгоритма в настоящей диссертационной работе рассмотрен функционал следующего вида:

^ = (8)

I /

где /' такое, что £ < ; ] такое, что > а„;

Я,=а, + /а> - /-ый корень соответствующего характеристического уравнения;

= —, а' - показатель демпфирования, соответствующий д/«/ + О),

собственному числу А,.

Применение функционала вида (8) при выборе настроек АРВ генераторов в оптимизационной процедуре позволяет обеспечить смещение собственных чисел системы в область на комплексной плоскости, ограниченную параметрами а„ и £„.

В процессе диссертационных исследований выявлена неэффективность применения корневой целевой функции в оптимизационной процедуре при выборе настроек АРВ как отечественного, так и зарубежного производства. В связи с этим, предложено применение в качестве оптимизируемого функционала интегральных квадратичных критериев качества переходных процессов. Под интегральными целевыми функциями понимаются функции, являющимися интегральными критериями качества переходных процессов:

J2 = [^y-(t)dt, (9)

О

= |дг +Г2-

где г - параметр функционала,

Аг(0 ~ ошибка динамической системы.

Показано, что одним из оптимальных режимных параметров, пригодных для применения в качестве переменной функции ошибки динамической системы, является отклонение скорости вращения ротора:

Аг(0 = (11)

где ш - скорость вращения ротора, рад/с;

сопш - установившееся значение скорости вращения ротора в исходном режиме, рад/с.

Применение интегральных квадратичных критериев качества переходного процесса и ./, позволило улучшить качество

демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с настройками, полученными традиционным методом.

Пятая глава включает результаты практического применения рассмотренных в диссертационной работе методов на примере тестовой схемы. В качестве тестовой схемы использована схема энергосистемы

19

Л

(10)

Республики Коми и Архангельской области. Цифровая модель тестовой схемы энергосистемы разработана в ПВК ИЛШЗТАС и верифицирована путем воспроизведения в ней технологического нарушения в Республике Коми 07.12.2006 г. На основе применения разработанного программного обеспечения «Модальный анализ» вычислены доминирующие собственные числа и, соответственно, доминирующие частоты в энергосистеме, соответствующие наиболее плохо демпфируемым компонентам движения в энергосистеме. Полученные на основе применения ПО «Модальный анализ» группы когерентных генераторов на основных доминирующих частотах приведены на рис. 7. Из рассмотрения данного рисунка видно, что роторы генераторов ТЭЦ СЛПК участвуют в движении на всех основных доминирующих частотах. Из этого следует, что генераторы ТЭЦ СЛПК являются наилучшими претендентами для установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) по условию обеспечения эффективного демпфирования электромеханических колебаний на основных доминирующих частотах. Вычисление коэффициента участия генераторов для основной доминирующей частоты показало, что за наиболее плохо демпфируемую компоненту движения в наибольшей степени «ответственен» генератор №6 ТЭЦ СЛПК. Исследования показали, что высокий коэффициент участия генератора №6 ТЭЦ СЛПК получен также и для других доминирующих частот. На рис. 8. приведена диаграмма коэффициентов участия для основной доминирующей частоты энергосистемы. Таким образом, на основе применения разработанной методики выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) получено, что наиболее эффективное демпфирование электромеханических колебаний на всех основных доминирующих частотах обеспечивается при установке АРВ-СД на генератор2 №6 ТЭЦ СЛПК (Республика Коми).

Далее в главе рассмотрены варианты установки АРВ отечественного производства (АРВ-М) и АРВ зарубежного производства (ЭЕС8-400) на генератор №6 ТЭЦ СЛПК. Рассмотрен выбор настроек АРВ на основе применения генетического алгоритма и различных целевых функций. Показано, что оптимизация настроек регуляторов возбуждения на основе применения генетического алгоритма и интегральных целевых функций позволяет улучшить качество демпфирования колебаний по сравнению с применением традиционных методик настройки АРВ как отечественного, так и зарубежного производства. На рис. 9 показано изменение активной

г При условии, что будут обеспечены эксплуатационные режимы, при которых генератор №6 ТЭЦ СЛПК находится е работе

мощности генератора №6 ТЭЦ СЛПК при тестовом импульсе и установленном на генераторе регулятора возбуждения АРВ-М. На рис. 10 показано изменение напряжения на шинах генератора при воспроизведении в цифровой модели энергосистемы технологического нарушения 07.12.2006 г. и установленном на генераторе регулятора возбуждения ВЕС8-400.

Сев. тэц1-!......_„

© \ — оэс ■Экв. оэс ............

Центра'-..

пгр?

ТЭЦКЦБ^..... ( ©1 .....................

.- "•-...;;•.......';■•............;;>•' Сосн. тэц-

ОЭС Центра „. ".'........................................

I - ТЭЦ СЛПК

ОЭС Урала

Рис. 7. Диаграмма когерентности

I I I

генератор №6 ТЭЦ СЛПК . ТЭЦСЛПК

ТЭЦ к ЦБК

Вор гэц

1...1 1 11. 1. 1. 111 .1 1, ||

50 100 150 200 250 300 350 400

Номер переменной состояния

Рис. 8. Диаграмма коэффициентов участия для основной доминирующей частоты/=0,77 Гц

3 Цифрой около электростанций на диаграмме обозначено количество групп когерентности, в которых участвуют генераторы данной электростанции

Рис. 9. Изменение активной мощности генератора при тестовом импульсе (АРВ-М)

Рис. 10. Изменение напряжения на шинах генератора при аварийном возмущении (ОЕС8-4(Ю)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика выбора мест установки АРВ-СД генераторов по условию обеспечения эффективного демпфирования электромеханических колебаний при минимизации количества АРВ-СД. Ввод в эксплуатацию АРВ-СД в соответствии с разработанной методикой позволит на каждом этапе ввода обеспечить наибольший возможный уровень колебательной устойчивости и реализовать максимальный диапазон возможных схемно-режимных условий работы энергосистемы.

2. Разработана методика идентификации групп когерентных генераторов с учетом топологии схемы энергосистемы. Показано, что учет топологии является необходимым условием для корректной идентификации групп когерентных генераторов в сложных схемах энергосистемы.

3. Разработана методика выбора настроек АРВ отечественного и зарубежного производства на основе применения генетического алгоритма.

4. Выявлена неэффективность применения корневой целевой функции в оптимизационной процедуре при выборе настроек АРВ генераторов.

5. Показано, что применение вместо корневой целевой функции интегральных квадратичных критериев качества переходного процесса позволяет улучшить качество демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с настройками, выбранными традиционным способом.

6. Рассмотрены особенности структуры и методов настройки АРВ зарубежного производства.

7. Разработаны цифровые модели автоматических регуляторов возбуждения АРВ-М (ОАО «Силовые машины» - филиал «Электросила») и DECS-400 («Basler Electric», США) в программно-вычислительном комплексе EUROSTAG, достоверность которых подтверждена путем верификации данных моделей по частотным характеристикам соответствующих натурных регуляторов возбуждения.

8. Разработана цифровая модель энергосистемы Республики Коми и Архангельской области в программно-вычислительном комплексе EUROSTAG. Достоверность разработанной цифровой модели энергосистемы подтверждена воспроизведением в ней технологического нарушения, имевшего место в Республике Коми.

9. Разработано программное обеспечение "Модальный анализ" на языке MATLAB, реализующее представленные в диссертационной работе методики и алгоритмы.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Сорокин, Д.В. Координация настроек автоматических регуляторов возбуждения генераторов на основе применения генетического алгоритма / Д.В. Сорокин // Научно-технические ведомости СПБГПУ. - 2009. -№1. - С. 18-25.

2. Смирнов, А.Н. Настройка автоматических регуляторов возбуждения с использованием достоверных цифровых моделей энергосистемы / А.Н. Смирнов, Д.В. Сорокин // III Всероссийский Конкурс молодых специалистов инжинирингового профиля в области электроэнергетики: Сборник докладов. - М.: НП «ВТИ», 2009. - С. 184196.

3. Герасимов, A.C. Разработка цифровых моделей отечественных и зарубежных АРВ и методика их верификации / А.Х. Есипович, А.Н. Смирнов, Д.В. Сорокин, Й. Штефка // Известия НИИ постоянного тока. -2008.-№68.-С. 31-43.

4. Левандовскнй, A.B. Опыт использования достоверных цифровых моделей энергосистем для анализа устойчивости и обеспечения системной надежности / A.C. Герасимов, А.Х. Есипович, А.Н. Смирнов, Д.В. Сорокин // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. - 2009. - №1. - С. 49-53.

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 22.10.2009. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 5068Ь.

Отпечатано с готового орнгинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.: (812) 550-40-14 Тел./факс: (812)297-57-76

ВВЕДЕНИЕ.

1. Автоматические регуляторы возбуждения отечественного производства.

1.1. Моделирование АРВ генераторов.

1.2. Разработка цифровой модели регулятора возбуждения АРВ-М и ее верификация.

1.3. Обзор методов настройки АРВ отечественного производства.

1.4. Выбор настроек АРВ на основе применения программы «Область»

1.5. Выбор настроек АРВ на основе применения программы «ПОИСК»

2. Автоматические регуляторы возбуждения зарубежного производства и методы их настройки.

2.1. Структура АРВ зарубежного производства и его особенности.

2.2. Разработка цифровой модели БЕС8-400 и ее верификация .33 '

2.3. Типы системных стабилизаторов зарубежного производства.

2.4. Традиционная настройка регулятора напряжения.

2.5. Концепция настройки системного стабилизатора.

2.6. Традиционная методика настройки системного стабилизатора.

3. Применение модальных методов для анализа свойств энергосистем.

3.1. Модальные характеристики.

3.2. Методика определения мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов).

3.3. Алгоритм идентификации группы когерентных генераторов.

3.3.1. Подтверждение достоверности результатов работы алгоритма идентификации когерентных генераторов.

3.4. Применение методов модального анализа в цифровых моделях больших и сверхбольших энергосистем.

3.5. Разработка программно-вычислительного комплекса «Модальный анализ».

4. Оптимизация настроек АРВ генераторов на основе применения генетических алгоритмов.

4.1. Сравнение генетических алгоритмов и традиционных методов оптимизации.

4.2. Структура классического генетического алгоритма.

4.3. Кодирование параметров задачи в генетическом алгоритме.

4.4. Координация настроек автоматических регуляторов возбуждения генераторов на основе применения генетического алгоритма.

4.4.1. Применение целевой функции на основе вычисления собственных чисел системы

4.4.2. Применение целевой функции на основе интегральных значений качества переходных процессов.

5. Практическое применение генетического алгоритма и методов модального анализа для повышения уровней колебательной устойчивости энергообъединений.

5.1. Разработка тестовой цифровой модели энергообъединения.

5.2. Линеаризация и импорт модели энергосистемы в среду ПО «Модальный анализ», определение доминирующих частот энергообъединения.

5.3. Идентификация когерентных генераторов и вычисление коэффициентов участия для доминирующих частот.

5.4. Определение мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов)

5.5. Сценарий №1. Установка АРВ отечественного производства.

5.5.1. Выбор настроек регулятора АРВ-М традиционным методом.

5.5.2. Выбор настроек регулятора АРВ-М на основе применения генетического алгоритма и корневой целевой функции.

5.5.3. Выбор настроек регулятора АРВ-М на основе применения генетического алгоритма и интегральных целевых функций.

5.6. Сценарий №2. Установка АРВ зарубежного производства.

5.6.1. Выбор настроек регулятора DECS-400 традиционным методом.

5.6.2. Выбор настроек регулятора DECS-400 на основе применения генетического алгоритма.

5.7. Выводы по главе.

В настоящее время в энергосистеме РФ происходит активная модернизация систем возбуждения генераторов. Модернизация обусловлена как физическим износом, так и моральным старением оборудования систем возбуждения. Современные тенденции в модернизации систем возбуждения заключаются в замене медленнодействующих электромашинных и высокочастотных (ВЧ) систем возбуждения на быстродействующие статические тиристорные системы параллельного самовозбуждения. В качестве альтернативного варианта в случае ВЧ систем возбуждения предлагается модернизация систем возбуждения без полной их замены. Модернизация систем возбуждения позволяет повысить их быстродействие и привести технические характеристики системы в соответствие с ГОСТ 21558-2000 «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов» [17]. Модернизация систем возбуждения генераторов обычно сопровождается заменой входящих в их состав автоматических регуляторов возбуждения предыдущих поколений на современные цифровые регуляторы возбуждения на базе микропроцессорной техники. К регуляторам возбуждения предыдущих поколений в настоящее время можно отнести аналоговые регуляторы возбуждения (панели ЭПА— 120, ЭПА-325В, ЭПА-305 и ЭПА-500, регуляторы АРВ-СДП, АРВ-СДП1, АРВ-СДП1М, РАЦИС, АРВ-СДБ и др.). Данные типы регуляторов возбуждения генераторов до сих пор широко распространены на территории РФ. К современным регуляторам возбуждения относятся, например, цифровые регуляторы возбуждения АРВ-М и его модификации АРВ-2М и АРВ-ЗМ (ОАО «Силовые машины» - филиал «Электросила»), АРВ-РЭМ (ЗАО «НПП «Русэлпром-Электромаш»»), КОСУР-Ц (ОАО «НИИэлектромаш»), АРВ-НЛ (НПО «Элсиб» ОАО), AVR2 (ЗАО «Энергокомплект»), DECS-400 («Basler Electric», США), UNITROL-6000 («ABB», Швейцария), ЕХ2100 («General Electric», США) и др.

В связи с тем, что в результате модернизации увеличивается быстродействие систем возбуждения и регуляторы возбуждения предыдущих поколений заменяются современными цифровыми регуляторами возбуждения на базе микропроцессорной техники, ставится задача выбора новых настроек регуляторов возбуждения, обеспечивающих эффективное демпфирование электромеханических колебаний. Настройки АРВ должны обеспечивать демпфирование электромеханических колебаний, возникающих при различных эксплуатационных режимах и аварийных возмущениях. Однако в ряде случаев схемно-режимные условия работы генератора, система возбуждения которого модернизируется, со времени предыдущей настройки его регулятора возбуждения изменились, что также обуславливает необходимость перенастройки АРВ. Стоит заметить, что по сравнению с регуляторами возбуждения предыдущих поколений большинство современных цифровых регуляторов возбуждения позволяет (непосредственно с панели управления АРВ) производить коррекцию не только коэффициентов усиления в каналах регулирования и стабилизации, но и любых постоянных времени динамических звеньев, входящих в структуру регулятора. Координация большего количества настроечных параметров АРВ в ряде случаев позволяет добиться значительно лучшего качества демпфирования электромеханических колебаний. Таким образом, в общем случае задача настройки регуляторов возбуждения генераторов является задачей многопараметрической оптимизации в сложной динамической системе.

Традиционно применяемая для выбора настроек регуляторов возбуждения методика последовательной оптимизации параметров АРВ имеет ряд известных недостатков. Данная методика заключается в последовательном выборе значений коэффициентов усиления в каналах регулирования и стабилизации АРВ при «типовых» значениях постоянных времени каналов по условию улучшения демпфирования электромеханических колебаний на каждом этапе выбора параметров. При этом выбранная таким методом настройка АРВ может не обеспечить возможного более эффективного демпфирования электромеханических колебаний. Снижение эффективности демпфирования колебаний в свою очередь может привести (например, при увеличении нагрузки генератора) к нарушению колебательной устойчивости и развитию незатухающих синхронных колебаний. Следует отметить, что с увеличением количества оптимизируемых параметров эффективность применения метода последовательной оптимизации уменьшается, т.к. возрастает вероятность выбора последовательности оптимизируемых параметров, приводящая к неоптимальному1 решению. В связи с этим, при практических исследованиях настройка АРВ генераторов ограничивается выбором коэффициентов усиления каналов регулирования и стабилизации, а также в ряде случаев постоянной времени интегрального канала регулятора.

При применении методов многопараметрической оптимизации при выборе настроек АРВ генераторов за счет координации настроек АРВ возможно значительное улучшение качества демпфирования электромеханических колебаний и уровней колебательной устойчивости. Однако применение классических методов многопараметрической оптимизации динамических систем (например, градиентных методов) также сопряжено с рядом существенных недостатков, затрудняющих их практическое применение для решения задач выбора и координации настроек АРВ:

1. наличие требований к виду и свойствам применяемой целевой функции (например, необходимость обеспечения неразрывности и дифференцируемости целевой функции на всем диапазоне изменения ее параметров),

1 В смысле глобального оптимума

2. нарушение сходимости методов при овражных свойствах целевых функций,

3. трудности выхода в процессе работы оптимизационной процедуры из точек локального экстремума и др.

Задачу многопараметрической оптимизации настроек регулятора возбуждения на основе применения чувствительности собственных чисел к изменению параметров регулятора возбуждения позволяет решать разработанный в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете программно-вычислительный комплекс «ПОИСК». Однако трудности в эксплуатации данного программно-вычислительного комплекса не позволили ему получить широкое распространение.

В настоящей диссертации разработана методика выбора настроек регуляторов возбуждения на основе применения генетического алгоритма, позволяющая осуществлять координацию произвольного количества параметров АРВ в сложной схеме энергосистемы. Предложенная методика реализована в разработанном на языке МАТЬАВ программном обеспечении (ПО) «Модальный анализ».

Дополнительные задачи по настройке регуляторов возбуждения и исследованию возможностей координации их параметров ставит наметившаяся в последнее время тенденция применения в ЕЭС РФ регуляторов возбуждения зарубежного производства. В настоящее время на российский рынок зарубежными производителями поставляются в основном регуляторы возбуждения, имеющие в своем составе системный стабилизатор типа Р8Б2В и регулятор напряжения типа 8Т4В (в соответствии с классификацией стандарта

1ЕЕЕ Std 421.5-2005 [79]), что обуславливает актуальность рассмотрения методик настройки системных стабилизаторов и

21ЕЕЕ (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) — Ассоциация инженеров по электротехнике и электронике регуляторов напряжения именно данных типов. Характерными особенностями регуляторов возбуждения зарубежного производства являются:

• их структура, принципиально отличающаяся от структуры регуляторов возбуждения отечественного производства,

• режимные параметры, используемые в качестве входных сигналов в каналах системного стабилизатора.

Так, согласно стандарту IEEE Std 421.5-2005 [79] системный стабилизатор типа PSS2B реализует принцип действия, основанный на концепции «ускоряющей мощности», имеет два входных сигнала, в качестве которых применяется отклонение активной мощности генератора, отклонение частоты напряжения на шинах генератора или отклонение частоты вращения вала генератора. Регулятор напряжения типа ST4B реализует в свою очередь пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования напряжения. При этом выходной сигнал системного стабилизатора является одним из входных сигналов регулятора напряжения типа ST4B. В отличие от АРВ зарубежного производства в АРВ отечественного производства выходные сигналы системного стабилизатора и регулятора напряжения подаются на общий сумматор. При этом традиционным входным сигналом для системного стабилизатора, входящего в состав АРВ отечественного производства, является частота напряжения на шинах генератора (и, соответственно, ее производная). Данные особенности отразились и в методах настройки АРВ зарубежного производства, отличных от методов настройки АРВ отечественного производства. Традиционной при настройке АРВ зарубежного производства является методика, заключающаяся в последовательной настройке регулятора напряжения, а затем системного стабилизатора регулятора возбуждения. Настройка системного стабилизатора АРВ зарубежного производства основана на компенсации фазового сдвига управляющего сигнала и дальнейшем выборе коэффициента усиления в канале стабилизации, обеспечивающем необходимое качество демпфирования электромеханических колебаний [87]. Следует отметить, что процедура настройки зарубежных регуляторов возбуждения недостаточно отражена в отечественных публикациях.

В настоящее время в ЕЭС РФ не применяется общепринятой методики выбора мест установки автоматических регуляторов возбуждения сильного действия (АРВ-СД). В связи с этим, наряду с задачей координации настроек регуляторов возбуждения (т.е. одновременного выбора как коэффициентов усиления, так и постоянных времени каналов стабилизации и регулирования), актуальна задача выбора мест установки АРВ-СД в энергосистеме, обеспечивающих наиболее эффективное демпфирование электромеханических колебаний при минимальном количестве применяемых АРВ-СД. Решение данной задачи позволяет выявить группу приоритетных генераторов в энергосистеме, для которых в первую очередь необходима установка регуляторов возбуждения сильного действия (системных стабилизаторов) по условиям обеспечения наиболее эффективного демпфирования электромеханических колебаний и минимизации количества применяемых АРВ-СД. Разработанный в настоящей диссертационной работе алгоритм, реализующий решение поставленной задачи, может быть использован также для определения порядка последовательного ввода в эксплуатацию АРВ-СД (системных стабилизаторов) генераторов с целью достижения необходимого качества демпфирования электромеханических колебаний в рассматриваемых энергоузлах.

Выбор настроек АРВ и разработка рекомендаций по местам установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) в цифровых моделях энергосистем возможны только при использовании достоверных цифровых моделей энергосистем, адекватно отображающих переходные процессы в

3 В общем случае, генераторов, системы возбуждения которых требуют модернизации энергосистеме. Поэтому наряду с рассмотрением вопросов настройки регуляторов возбуждения и выбора мест их установки в настоящей диссертации рассматривается вопрос верификации применяемых цифровых моделей АРВ и цифровых моделей энергосистем в целом.

Значительный вклад в решение поставленных задач в разные годы внесли И.А. Груздев, A.C. Зеккель, В.А. Строев, С.М. Устинов, A.A. Юрганов, А.Х. Есипович, A.C. Герасимов, В.А. Кожевников, В.Г. Любарский, В.А. Масленников, И.Ф. Перельман, A.B. Фадеев и др., а также зарубежные ученые F. Р. de Mello, P. Kundur, N. Martins, I. J. Perez-Arriage, E. V. Larsen, B. Marinescu, R. Kutzner, A. Murdoch, M. J. Basler, К. Kiyong и др.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке комплексной методики выбора мест и настроек АРВ (как отечественного, так и зарубежного производства) генераторов на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа, а также реализация предложенной методики в программном обеспечении для персонального компьютера.

5.7. Выводы по главе

1. Выбор настроек АРВ как отечественного, так и зарубежного производства на основе применения генетического алгоритма и квадратичных интегральных целевых функций позволил обеспечить эффективное демпфирование электромеханических колебаний при стабилизации эксплуатационных режимов энергосистемы и при аварийном возмущении.

2. Применение настроек АРВ зарубежного производства, полученных на основе применения генетического алгоритма и интегральных целевых функций, обеспечило улучшение качества демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с применением настроек, выбранных традиционным методом.

3. Настройки АРВ, выбранные на основе применения генетического алгоритма и корневой целевой функции, обеспечили демпфирование электромеханических колебаний. Однако, несмотря на достигнутую минимизацию корневой целевой функции, применение полученных в результате оптимизации настроек АРВ не привело к улучшению качества демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с применением настроек АРВ, полученных традиционным методом.

4. В процессе исследований подтвердилось, что наилучшее качество демпфирования электромеханических колебаний обеспечило применение настроек АРВ, полученных на основе применения генетического алгоритма и квадратичной интегральной целевой функции 13, характеризующей не только отклонение выбранного режимного параметра, но и скорость изменения этого отклонения.

5. Методами модального анализа было установлено (см. гл. 5.3), что частоты наиболее плохо демпфируемых компонент движения как в нормальном (0,77 Гц), так и в послеаварийном режиме работы энергосистемы (0,6 Гц) относятся к межсистемным. В связи с этим, возможно дальнейшее улучшение качества демпфирования межсистемных колебаний путем последовательного выбора с помощью предложенных методик мест установки АРВ-СД (системного стабилизатора) и их настроек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Разработана методика выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) на основе применения методов модального анализа.

2. Разработана методика идентификации групп когерентных генераторов с учетом топологии схемы энергосистемы. Показана необходимость учета топологии схемы энергосистемы для корректной идентификации групп когерентных генераторов.

3. Разработана методика выбора настроек АРВ генераторов на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа.

4. Выбор настроек АРВ отечественного и зарубежного производства на основе применения генетического алгоритма и интегральных целевых функций позволил обеспечить улучшение качества демпфирования электромеханических колебаний при стабилизации эксплуатационных режимов энергосистемы и аварийных возмущениях по сравнению с настройками АРВ, выбранными традиционными методами.

5. Настройки АРВ выбранные на основе генетического алгоритма и корневой целевой функции не обеспечили улучшения качества демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с настройками, выбранными традиционным методом.

6. Разработано программное обеспечение «Модальный анализ» на языке МАТЪАВ, реализующее представленные в диссертационной работе методики и алгоритмы.

7. Рассмотрены особенности структуры и методов настройки АРВ как отечественного, так и зарубежного производства.

8. Разработаны цифровые модели автоматических регуляторов возбуждения АРВ-М (ОАО «Силовые машины» - филиал

Электросила») и DECS-400 («Basler Electric», США) в программно-вычислительном комплексе EUROSTAG, достоверность которых подтверждена путем верификации данных моделей по соответствующим натурным частотным характеристикам.

9. В процессе диссертационных исследований разработана достоверная цифровая модель энергосистемы Республики Коми и Архангельской области в программно-вычислительном комплексе EUROSTAG. На основе применения данной цифровой модели энергосистемы подтверждена эффективность разработанных в настоящей диссертации методик и алгоритмов.

1. Алексеев Е.Р., Чеснокова O.B. MATLAB 7. Самоучитель. М.: НТ Пресс, 2006. 352 с.

2. Андерсон П., Фуад А. Управление энергосистемами и устойчивость: Пер. с англ. / Под ред. Я. Н. Лугинского. М.: Энергия, 1980. 568 с.

3. Ануфриев И.Е., Смирнов А.Б., Смирнова E.H. MATLAB 7.0. В подлиннике. СПб.: БХВ-Петербург, 2005. 1104 с.

4. Аюев Б.И., Герасимов A.C., Есипович А.Х., Куликов Ю.А. Верификация цифровых моделей ЕЭС/ОЭС. Электричество, 2008. №5. С. 1-8.

5. Баринов В.А., Совалов С.А. Анализ статической устойчивости электроэнергетических систем по собственным значениям матриц. //Электричество. 1983. № 2. С. 8-15.

6. Баринов В.А., Совалов С.А. Режимы систем: методы анализа и управления. М.: Энергоатомиздат, 1990. 440 с.

7. Берж К. Теория графов и ее применения. М.: Иностранная литература, 1962. 319 с.

8. Бурков В.Н., Горгидзе И.А., Ловецкий С.Е. Прикладные задачи теории графов. Тбилиси: Мецниереба, 1974. 234 с.

9. Бурков В.Н., Заложнев А.Ю., Новиков Д.А. Теория графов в управлении организационными системами. М.: Синтег, 2001. 124 с.

10. Важнов А. И. Переходные процессы в машинах переменного тока. М.: Энергия, 1980. 256 с.

11. Веников В. А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах: Учебник для электроэнергетических специальностей вузов. М.: Высшая школа, 1985. 536 с.

12. Герасимов A.C., Есипович А.Х., Зеккель A.C. и др. Оптимизация настройки регуляторов возбуждения генераторов Северо-Западной ТЭЦ для обеспечения ее параллельной работы с энергосистемой NORDEL. Электрические станции, 2004. №4. С. 15-25.

13. Герасимов A.C., Есигтович А.Х., Смирнов А.Н., Сорокин Д.В., Штефка Й. Разработка цифровых моделей отечественных и зарубежных АРВ и методика их верификации. Известия НИИ постоянного тока. 2008. №68. С. 31-37.

14. Герасимов A.C., Дмитриев М.В., Есипович А.Х. Уточнение математических моделей современных АРВ для повышения достоверности анализа устойчивости сложных энергосистем. Известия НИИ постоянного тока. 2006. №65. С. 19-25.

15. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. — М.: Мир, 1985. 509 с.

16. Гладков JI.A., Курейчик В.В., Курейчик В.М. Генетические алгоритмы/ Под ред. В.М. Курейчика. М.: ФИЗМАТ ЛИТ, 2006. 320 с.

17. Горев А. А. Переходные процессы синхронной машины. Л.: Наука, 1985. 502 с.

18. ГОСТ 21558-2000. Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов.

19. Груздев И. А., Шахаева О. М. Системы автоматического регулирования возбуждения синхронных генераторов. Л.: ЛИИ, 1978. 79 с.

20. Груздев И.А., Терешко Л.А., Шахаева О.М. Частотные характеристики электроэнергетических систем и их использование в задачах устойчивости и эквивалентирования. Учебное пособие. Л.: ЛПИ, 1982. 70 с.

21. Груздев И.А., Торопцев Б.Л., Устинов СМ. Исследование эффективности расчета корней характеристических уравнений высоких порядков при решении задач устойчивости // Энергетика (Изв. высш. учеб. заведений), 1986, № 4. С. 7-10.

22. Дарвин Ч. О происхождении видов путём естественного отбора или сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь/ Ч. Дарвин. — М.: АН СССР, 1939. Т.З.

23. Джордж А. Численное решение больших разреженных систем уравнений. М.: Мир, 1984. 265 с.

24. Дьяконов В.П. Matlab 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6 в математике и моделировании. М.: Солон-Пресс, 2005. 576 с.

25. Дьяконов В.П. Matlab 6.5 SP 1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. М.: Солон-Пресс, 2005. 800 с.

26. Дьяконов В.П. MATLAB 6/6.1/6.5 + Simulink 4/5. Основы применения. Полное руководство пользователя. М.: Солон-Пресс, 2002. 560 с.

27. Евдокунин Г. А. Электрические системы и сети: Учебное пособие для студентов электроэнергетических специальностей вузов. СПб.: Издательство Сизова М. П., 2001. 304 с.

28. Есипович А.Х., Зеккель A.C. Программный комплекс расчета колебательной устойчивости и выбора настройки регуляторов возбуждения. Электрические станции №12, 1995. С. 34-42.

29. Жданов П. С. Вопросы устойчивости электрических систем / Под ред. Л. А. Жукова. М.: Энергия, 1979. 456 с.

30. Жданов П.С., Лебедев С.А. Устойчивость параллельной работы электрических систем. — М.; Л.: Госэнергоиздат, 1934. 397 с.

31. Курбатова Е.А. MATLAB 7. Самоучитель. М.: Вильяме, 2006. 256 с.

32. Левинштейн М.Л. Установившиеся режимы, устойчивость и перенапряжения в электрических системах. — Л., Энергия, 1968. 202 с.

33. Левинштейн М.Л., Щербачев О.В. Статическая устойчивость электрических систем. Учебное пособие, СПб.: СПбГТУ, 1994. 264 с.

34. Лившиц Д.Е. Методы параметрической оптимизации управления в больших динамических системах: Дис. канд. техн. наук: 05.13.18 / Д.Е. Лившиц; СПбГТУ; Науч.рук. С.М. Устинов.— Санкт-Петербург, 2001. 154 с.

35. Литкенс И.В., Пуго В:И. Колебательные свойства электрических систем. -М.: Энергоатомиздат, 1988. 216 с.

36. Логинов А.Г., Фадеев А.В. Микропроцессорный автоматический регулятор типа АРВ-М для систем возбуждения АО «Электросила». Электротехника, №9, 2001. С. 54-57.

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

38. Масленников В.А. Управление собственными динамическими свойствами крупных энергообъединений и дальних электропередач: дис. д-ра техн. наук: 05.14.02 / В. А. Масленников; СПбГТУ, Электромеханический факультет.— СПб., 1998 . 284 с.

39. Методические указания по наладке тиристорной системы возбуждения турбогенераторов серии ТВВ мощностью 165—800 МВт. МУ 34-70-02482. М.: Союзтехэнерго, 1982. 115 с.

40. Методические указания по наладке тиристорных систем возбуждения с АРВ сильного действия турбогенераторов ТГВ-300 и ТГВ-200. М.: ОРГРЭС, 1976. 171 с.

41. Методические указания по расчетам устойчивости по самораскачиванию. М.-СПб., ОАО «НИИПТ», 1993. 167 с.

42. Методические указания по устойчивости энергосистем, утвержденные приказом Минэнерго России 30.06.2003 № 277.

43. Методы оптимизации режимов энергосистем. /Под ред. В.М. Горнштейна. М.: Энергоиздат, 1981. 270 с.

44. Неуймин В.Г. Программный комплекс расчета и анализа режимов работы электрических сетей «RASTR».— Екатеринбург: Вестник УГТУ-УГТИ № 2 (10). 2000. С. 187-189.

45. Ope О. Теория графов. М.: Наука, 1968. 352 с.

46. Попов Е.П. Теория нелинейных систем автоматического регулирования и управления / Е.П. Попов;- М.: Наука, 1988. 255 с.

47. Потемкин В.Г. МАТЬАВ 6: Среда проектирования инженерных приложений. М.: Диалог-МИФИ, 2003. 448 с.

48. Потемкин В.Г. Вычисления в среде МАТЬАВ. М.: Диалог-МИФИ, 2004. 720 с.

49. Ротач В.Я. Расчет динамики промышленных автоматических систем регулирования / В.Я. Ротач;- М.: Энергия,1973. 440 с.

50. Рудницкий М.П. Статическая устойчивость сложных электроэнергетических систем. — Свердловск: Изд-во Урал, политехи, ин-та, 1981. 81 с.

51. Рудницкий М.П. Элементы теории устойчивости и управления режимами энергосистем. Свердловск: Изд-во Урал, политехи, ин-та, 1984. 86 с.

52. СО 34.45.629-2002. Методические указания по техническому обслуживанию микропроцессорных АРВ и систем управления силовых преобразователей систем возбуждения генераторов. РАО «ЕЭС России», Департамент научно-технической политики и развития, 2003.

53. Сорокин Д.В. Координация настроек автоматических регуляторов возбуждения генераторов на основе применения генетического алгоритма. Научно-технические ведомости СПБГПУ, 2009. №1. С. 1825.

54. Фельдбаум А.А. Методы теории автоматического регулирования / А.А. Фельдбаум, А.Г. Бутковский ; М.: Наука, 1971. 744 с.

55. Цыпкин Я.З. Основы теории автоматических систем / Я.3. Цыпкин;- М.: Энергия.1977. 470 с.

56. Шаргин Ю.М. Методическое и модельно-программное обеспечение расчетов установившихся режимов и электромеханических переходных процессов в электрических системах: Учебное пособие для дистанционного обучения. СПб.: СЗФ АО «ГВЦ Энергетики», 2004. 34 с.

57. Юрганов А.А., Кожевников В.А. Регулирование возбуждения синхронных генераторов. СПб.: Наука, 1996. 138 с.

58. De Mello P.P., Concordia С. Concepts of Synchronous Machine Stability as Affected by Excitation Control. IEEE Transaction on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-88, № 4. April 1969. pp. 189-202.

59. Fogel D. B. Evolutionary computation: towards a new philosophy of machine intelligence/D. B. Fogel. Piscatway: IEEE Press, 2000. 257 c.

60. Gibbard MJ. Coordinated design of multimachine power system stabilisersbased on damping torque concepts. Proc IEE, Pt.C, 1988. Vol.135. C. 276284.

61. Gibbard M.J., Martins N., Sanchez-Gasca J.J., Uchida N., Vittal V., Wang L. Recent Applications in Linear Analysis Techniques, IEEE Transactions on Power Systems, 2001. Vol. 16, no. 1. C. 154-162.

62. Gibbard M.J.,Vowles D.J. Reconciliation of methods of compensation for PSSs in multimachine systems, IEEE Transactions on Power Systems, 2004. Vol. 19, no. l.C. 463-472.

63. Goldberg D. Genetic Algorithms in Search, Optimization, and Machine Learning/D. Goldberg. — Massachusetts: Addison-Wesley, 1989. 189 c.

64. Gu W., Bollinger K.E. A Self-Tuning Power System Stabilizer for Wide Range Synchronous Generation II IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 4, №3, August 1989. C. 1191-1199.

65. Hartmann A.K., Rieger H. Optimization Algorithms in Physics. — Berlin: Wiley-VCH, 2002. 383 c.

66. Holland J. H. Adaptation in Natural and Artificial Systems: An Introductory Analysis With Applications to Biology, Control, and Artificial Intelligence /J. H. Holland. — The MIT Press, Cambridge, 1992. 162 c.

67. IEEE guide for identification, testing, and evaluation of the dynamic performance of excitation control systems // IEEE Std 421.2. 1990. 44 c.

68. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies // IEEE Std 421.5. 1992. 56 c.

69. IEEE Recommended Practice for Excitation System Models for Power System Stability Studies // IEEE Std 421.5. 2005. 84 c.

70. IEEE Standard Definitions for Excitation Systems for Synchronous Machines //IEEE Std421.1.2007. 22 c.

71. Klein M., Rogers G.J., Moorty S., Kundur P. Analytical Investigation of Factors Influencing Power System Stabilizers Performance, IEEE T-EC, 1992. Vol. 7, No. 3. C. 382-390.

72. Koza J. R. Genetic Programming/ J. R. Koza. — Cambridge: The MIT Press,1998. 609 c.

73. Kundur P. Analytical investigation of factors influencing PSS performance. IEEE Trans, on EC, 1992. Vol. 7 , No 3. C. 382-390.

74. Kundur P. Power System Stability and Control, McGraw-Hill, 1994. 1167 c.

75. Larsen E.V., Miller N., Nilsson S., Lindgren S. Benefits of GTO-based Compensation for Electric Utility Applications, IEEE T-PWRD, 1981. Vol. 7, No. 4. C. 2056-2064.

76. Larsen E.V., Sanchez-Gasca J.J., Chow J.H. Concepts for Design of FACTS Controllers to Damp Power Swings, IEEE T-PWRS, 1981. Vol. 10, No. 2. C. 948-956.

77. Larsen E.V., Swann D.A. Applying Power System Stabilizers, Parts I-III, IEEE T-PAS, 1981. Vol. 100, No. 6. C. 3017-3046.

78. Meyer B., Stubbe M. EUROSTAG A Single Tool for Power System Simulation. Transmission & Distribution International, 1992. C. 34-37.

79. Michalewicz Z. Genetic algorithms + Data Structures = Evolution Programs/ Z. Michalewicz. —New York: Springer-Verlag, 1996. 387 c.

80. Mitchell M. An Introduction to Genetic Algorithms/M. Mitchell. — Cambridge: MIT Press, 1999. 158 c.

81. Paserba J. Analysis and control of power system oscillation. CIGRE Special Publication 38.01.07, Technical Brochure 111, 1966. 230 c.

82. Soman S.A., Khararde S.A., Pandit S. Computational Methods for Large Sparse Power Systems Analysis. An Object Oriented Approach. Kluwer academics publishers. Second print. 2001. 335 .

83. Stubbe M., Bihain A., Deuse J., Baader J.C. STAG A New Unified Software Program for the Study of the Dynamic Behaviour of Electrical Power Systems. IEEE Transactions on Power Systems, 1989. Vol. 4, №1. C. 129138.

84. Tait I.C., Lynch C.A. PSS/E's advanced analytical and graphical techniques in systemoperation and planning. IEEE Transactions on Power Systems, 1992. Vol. 1, №5. c. 1-5.

85. Проект синхронного объединения энергосистем IPS/UPS и UCTE, http://www.ucte-ipsups.org

86. Zadeh, Lotfi A., «Fuzzy Logic, Neural Networks, and Soft Computing». Communications of the ACM, 1994. Vol. 37, No. 3. C. 77-84.

87. Зеккель А. С. Исследование переходных процессов в энергосистеме при асинхронных режимах крупных гидрогенераторов : дис. канд. техн. наук / А. С. Зеккель; Ленинградский политехнический институт им. М.И.Калинина. Л., 1964. 226 с.