Анализ и выбор параметров стабилизации устройств регулирования возбуждения с использованием методов идентификации Тащилин Валерий Александрович

Введение к работе

Актуальность и степень разработанности темы. Обеспечение устойчивой параллельной работы генераторов является одной из основных задач оперативно-диспетчерского и автоматического управления. Важнейшей системой автоматического управления, используемой в электроэнергетических системах (ЭЭС), является система автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных генераторов.

Система АРВ отвечает за обеспечение нормального уровня напряжения в точках Единой электроэнергетической системы (ЕЭС). Кроме того, действие системы АРВ обеспечивает устойчивость параллельной работы генераторов как в нормальных, так и в переходных режимах. В устройствах АРВ выделяют регулирующий канал управления, решающий задачу поддержания нормального уровня напряжения. Увеличение коэффициентов усиления в данном канале приводит к увеличению запасов по статической устойчивости, что повышает пропускную способность сети,но также усиливает колебательные свойства системы, приводя к увеличению времени затухания колебаний. Для возможности увеличениякоэф-фициентов усиления в регулирующем канале в устройства АРВ добавляется стабилизирующий канал, ответственный за демпфирование электромеханических колебаний. В этой связи в полной мере проявляется необходимость правильного выбора параметров стабилизации устройств АРВ. Неверно выбранные настройки могут привести как к снижению пределов передаваемой мощности по связям, так и вовсе стать причиной нарушения устойчивости в силу самораскачивания.

Другой существующей проблемой выбора настроек устройств АРВ является то, что поиск выполняетсяодновременно для целого ряда схемно-режимных ситуаций. Выбранные таким образом параметры могут быть достаточно далеки от оптимальных значений для текущей области отдельных режимов.

Проблема адаптации настроек АРВ под отдельные режимы работы связана с построением актуальной динамической модели, которая соответствовала бы текущему состоянию энергосистемы. В первую очередь это обусловлено техническими ограничениямипосборуиобработке информации.Атакже сложностью моделей, традиционно используемых для моделирования электромеханических переходных процессов в ЭЭС. Данные ограничения препятствовали развитию методов, основанных на адаптации параметров автоматических устройств, поскольку недостаток исходной информации может приводить к существенной погрешности в получаемых результатах. Стремление решить обозначенные проблемы привело к появлению системы мониторинга системных регуляторов (СМСР), которая находится в опытной эксплуатации. Назначение системы заключается в выявлении генераторов, являющихся источниками низкочастотных колебаний, по причине некорректной работы установленных устройств АРВ. Принцип действия данной системы основан на сравнении фаз колебаний реактивной мощности и изменения напряжения на зажимах генератора.

В середине 1960-х годов начала формироваться теория идентификации динамических систем, которая преследовала своей целью разработать такие

методы, которые бы позволяли на основе данных эксперимента строить унифицированные эквивалентные динамические модели реальных систем. Первые такие алгоритмы основывались на статистических методах обработки данных или формулировались как оптимизационные задачи.

В середине 1980-х годов в связи с развитием методов линейной алгебры и появлением новых форм матричных разложений стали появляться подпространственные методы идентификации, которые позволяли определять параметры эквивалентной модели за счет применения матричных преобразований без необходимости решения задачи поиска минимума сложной функции многих переменных. На сегодняшний день существует большое число различных подпространственных методов идентификации динамических систем. Приложение результатов теории идентификации в области электроэнергетики заключается в выявлении электромеханических колебаний на основе данных системы мониторинга переходных процессов (СМПР). Разрабатываются методы, позволяющие оценивать параметры схем замещения.

Работы по применению теории идентификации для определения параметров устройств автоматического регулирования возбуждения появились еще в начале 1990-х годов. Преимущество подхода заключается в том, что построенная таким образом эквивалентная модель, с точки зрения динамических свойств, позволяет оптимальным образом выбрать параметры устройства регулирования возбуждения применительно к актуальной области режимов. В результате открывается возможность адаптации параметров устройств АРВ под конкретные схемно-режимные ситуации. Это приводит к увеличению запасов по пропускной способности, улучшает качество демпфирования электромеханических колебаний, повышает устойчивость энергосистемы в целом.

Для построения эквивалентной модели энергосистемы в опубликованных работах использовался метод Прони, который изначально разрабатывался для выделения гармоник в периодическом сигнале. Результатом применения метода является представление сигнала в виде линейной комбинации экспонент с комплексными показателями. На основе данного представления строится передаточная функция системы. С момента появления работ было предложено значительное число специальных методов идентификации динамических систем, которые могут быть использованы не только для выбора настроек устройств регулирования возбуждения, но и их анализа.

Целью работы является разработка методов выбора и анализа настроек устройств автоматического регулирования возбуждения с точки зрения демпфирования электромеханических колебаний с помощьюпостроения эквивалентных моделей энергосистемы на основе измерений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих систем регулирования возбуждения генераторов и их математических моделей;

1. Выполнить обзор традиционно используемых методов определения настроек устройств автоматического регулирования возбуждения с точки зрения демпфирования электромеханических колебаний;

2. Определить условия применения методов идентификации для получения эквивалентной модели энергосистемы на основе доступных в ходе эксперимента данных;

3. Разработать метод использования алгоритма D-разбиения для анализа действующих настроек регуляторов возбуждения с различными структурными схемами;

4. Разработать алгоритмы выбора параметров регуляторов возбуждения с различными структурными схемами для улучшения демпфирования электромеханических колебаний.

Объектами исследования являются системы регулирования возбуждения синхронных генераторов в составе энергосистем, представленные математическими моделями, описывающие электромеханические переходные процессы.

Научная новизна:

1. Предложен способ построения эквивалентной модели энергосистемы, которая может использоваться для анализаивыбора настроек устройств регулирования возбуждения на основе подпространственного метода идентификации MOESP.

2. Предложена модификация классического метода D-разбиения для построения областей устойчивости, позволяющих выполнить оценку качества актуальных настроек устройств регулирования возбуждения различной структуры на основе измерений.

3. Предложены алгоритмы выбора настроек различных типов устройств регулирования возбуждения на основе измерений.

Теоретическая значимость заключается в описании способа применения методов идентификации для построения эквивалентной модели энергосистемы, которая может быть использована для анализа системы регулирования возбуждения с точки зрения качества демпфирования электромеханических колебаний.

Практическая значимость заключается в повышении надежности и устойчивости ЭЭС за счет улучшения демпфирования электромеханических колебаний путем адаптации параметров устройств регулирования возбуждения к актуальной области режимов. Адаптация параметров выполняется при помощи эквивалентных динамических моделей, для построения которых применяются данные от существующих систем сбора информации.

Mетодология и методы исследования. Поставленные задачи решались с применением методов численного моделирования. Для решения теоретических задач использовались методы теории идентификации, теории оптимального управления, методы решения некорректно поставленных задач. Численные эксперименты проводились с использованием программной среды Matlab/Simulink. Были использованы как компоненты стандартных библиотек, так и разработанные автором программы.

Основные положения, выносимые на защиту:

4. Способ построения эквивалентной динамической модели энергосистемы на основе измерений, которая отражает динамические свойства актуальной области режимов и позволяет проводить анализ и выбор параметров различных устройств регулирования возбуждения генератора с целью улучшения демпфирования электромеханических колебаний.

5. Метод анализа настроек различных устройств регулирования возбуждения генератора, основанный на методе D-разбиения с применением модели, построенной на основе данных эксперимента, с точки зрения качества демпфирования электромеханических колебаний.

6. Методы выбора параметров устройств регулирования возбуждения генератора, позволяющих адаптировать эти параметры к актуальной области режимов.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием математического аппарата, соответствием результатов теоретического анализа и вычислительных экспериментов, обсуждением положений и результатов работы с зарубежными и российскими специалистами в ходе стажировки, конференций и других научных мероприятий. Результаты не противоречат выводам, полученными другими авторами.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на семинарах кафедры «Автоматизированные электрические системы» УралЭНИН УрФУ, г. Екатеринбург в период с 2014 по 2017 года, часть работы обсуждалась в течение научной стажировки в Техническом Университете Варны (08.08 – 14.09.2014, г. Варна, Болгария), отдельные фрагменты были представлены на семинаре в Институте проблем управления имени Трапезникова РАН, а также на 14 конференциях:

– Международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика глазами молодежи» — Новочеркасск-2013, Томск-2014, Иваново-2015, Казань-2016, Самара-2017;

– Международный молодежный форум «Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2013;

– International Scientific Symposium «Electrical Power Engineering», Varna, Bulgaria, 2014;

– IEEE PES Innovative Smart Grid Technologies, Europe, Istanbul, Turkey, 2014;

– 15th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC)IEEE, Rome, Italy, 2015;

– 5-я международная научно-техническая конференция «Современные направления развития систем релейной защиты и автоматики энергосистем», 01–05 июня 2015, г. Сочи;

– IEEE International Energy Conference (ENERGYCON), Leuven, Belgium, 2016;

– IEEE International Conference on the Science of Electrical Engineering (ICSEE), Eilat, Israel, 2016;

– Международная научно-техническая конференция и выставка «Релейная защита и автоматика энергосистем 2017», 25–28 апреля 2017, г. Санкт-Петербург;

– IEEE PowerTech, Manchester, United Kingdom, 2017.

Личный вклад. Автором выполнено теоретическое исследование поставленных задач и проведены численные эксперименты, выполнена программная реализация разработанных методов и алгоритмов. Концептуальные аспекты и результаты работы обсуждались с научным руководителем.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в 16 печатных изданиях, 6изкоторых опубликованыв изданиях, входящихв перечень рекомендованных ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Полный объем диссертации составляет 139 страниц текста с 52 рисунками и 6 таблицами. Список литературы содержит 120 наименование.