Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Исследование проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС 39
1.1 Общая характеристика исследуемой проблемы 39
1.2 Определение, анализ и обоснование причин существования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС 40
Глава 2 Концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС 65
2.1 Общие и основные положения концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС 65
2.2 Структуры средств осуществления концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС 70
Глава 3 Специализированные гибридные процессоры 76
3.1 Общие принципы построения специализированных гибридных процессоров 76
3.2 Гибридный процессор энергоблока 78
3.2.1 Сопроцессор синхронного генератора. 80
3.2.2 Сопроцессор блочного трансформатора 94
3.2.3 Сопроцессор системы возбуждения .96
3.2.4 Сопроцессор первичного двигателя 116
3.3 Гибридный процессор синхронного двигателя ..134
3.3.1 Сопроцессор приводимого механизма. 135
3.3.2 Сопроцессор системы возбуждения синхронного двигателя 139
3.4 Гибридный процессор асинхронного двигателя 142
3.5 Гибридный процессор линии 142
3.5.1 Сопроцессор трехфазной линии 143
3.5.2 Сопроцессор электромагнитного взаимовлияния 160
3.6 Гибридный процессор трехфазного трансформатора 162
3.6.1 Сопроцессор трехфазного трансформатора 165
3.7 Гибридный процессор трехфазного реактора 170
3.8 Гибридный процессор многоцелевой 171
3.8.1 Сопроцессор многоцелевого назначения 172
3.9 Гибридный процессор обобщенной нагрузки 174
3.9.1 Сопроцессор обобщенной нагрузки 174
Глава 4 Информационно-управляющая система 180
4.1 Аппаратные средства монопроцессорной информационно-управляющей системы 181
4.1.1 Структура цифровых магистралей ИУС 184
4.1.2 Контроллер цифровой шины 186
4.1.3 Расширитель и усилитель цифровой магистрали 188
4.1.4 Интерфейс специализированного гибридного процессора 189
4.1.5 Аналого-цифровой преобразователь 191
4.2 Специализированное программное обеспечение ИУС 195
Глава 5 Реализация концепции и средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС 219
5.1 Общая характеристика задач реализации 219
5.2 Реализация концепции и средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС на примере реальной энергосистемы 225
5.3 Основные результаты опытной эксплуатации разработанных средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС 231
Заключение 259
Библиографический список использованной
Литературы 263
Приложение 286
- Определение, анализ и обоснование причин существования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС
- Структуры средств осуществления концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС
- Гибридный процессор синхронного двигателя
- Специализированное программное обеспечение ИУС
Введение к работе
Проблема и ее актуальность. В силу единства, непрерывности и параллельности генерации, распределения и потребления электроэнергии все участвующее в данном процессе оборудование: первичные двигатели, генераторы, трансформаторы, линии электропередачи и др. постоянно связано между собой в нормальных и аварийных режимах их работы.
Поскольку подавляющее большинство этого оборудования представляет собой динамические элементы, к тому же преимущественно нелинейные и с весьма значительным диапазоном постоянных времени (>10 ), любая современная электроэнергетическая система (ЭЭС) образует большую, многопараметрическую, жесткую (отношение наибольшей постоянной времени к наименьшей >10 ), нелинейную, динамическую систему. Проектирование, исследование и эксплуатация таких систем, в отличие от статических, объективно являются несоизмеримо более сложными задачами, в значительной мере из-за трудностей получения, в том числе своевременного, полной и достоверной информации о протекающих в них процессах.
Применительно к ЭЭС эти трудности усугубляются еще недопустимостью, за редкими исключениями, натурных экспериментов и невозможностью, из-за чрезмерной сложности, полноценного физического моделирования. В результате основным путем получения названной информации служит математическое моделирование, полноту, достоверность и оперативность которого определяют два очевидных фактора:
-
адекватность математических моделей всех значимых элементов, образующих совокупную модель ЭЭС;
-
способность средств решения совокупной математической модели ЭЭС обеспечивать его реализацию с необходимой точностью и оперативностью.
Что касается первого фактора, то достигнутый уровень физико-математического представления и описания процессов в различных звеньях, обору-
довании и ЭЭС уже давно позволяет синтезировать всережимные модели для всех элементов ЭЭС, достаточно полно и достоверно воспроизводящие в них реальный непрерывный спектр нормальных и анормальных процессов. Однако получающаяся при их использовании математическая модель ЭЭС, с учетом допустимого частичного эквивалентирования, неизбежно содержит очень жесткую, нелинейную систему дифференциальных уравнений чрезвычайно высокого порядка, решение которой существующими средствами оказывается невозможным. Поэтому, осуществляемое в настоящее время с помощью многочисленных компьютерных программ численное моделирование ЭЭС производится с применением, несомненно в ущерб полноте и достоверности, ряда, известных по специализациям и характеристикам данных программ, упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения.
Необходимость этих упрощений и ограничений длительное время связывалась, главным образом, с несовершенством ЭВМ, развитие которых должно было их устранить. Между тем, стремительный и колоссальный прогресс компьютерной техники позволил практически полностью снять эту необходимость лишь для статических задач и далеко не пропорционально повлиял на принципиально значимые упрощения и ограничения для динамических задач и на оперативность их решения. В результате актуальная для надежного и эффективного решения многих важнейших задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС проблема полноты, достоверности и оперативности моделирования ЭЭС продолжает в значительной мере сохраняться и перспектива ее решения оказывается неопределенной.
В связи с этим, наряду с совершенствованием доминирующего в настоящее время численного моделирования ЭЭС, становится целесообразным и актуальным исследование данной проблемы и разработка альтернативного пути ее решения. С учетом особенностей физико-математических свойств и характеристик ЭЭС, а также проявившихся трудностей решения сформулированной выше проблемы сугубо численным путем, эвристически очевидно,
что эффективной альтернативой может быть только комплексный подход, представляющий собой в широком смысле гибридное моделирование. Представленные в данной диссертации результаты исследования проблемы, обоснования и разработки концепции и средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС подтверждают этот эвристический прогноз.
Аналогичная ориентация в решении проблемы моделирования больших динамических систем происходит в последние годы во многих промышленно развитых странах. Данное направление решения проблемы становится в последнее время актуальной темой международных симпозиумов по теории и применению больших систем. Создание новых инструментов моделирования больших динамических систем, в частности ЭЭС, является в настоящее время постоянной темой научно-технических программ Евросоюза. Начиная с 1998г. университетами и научно-исследовательскими центрами США и стран Европы инициирован и ежегодно проводится специализированный международный симпозиум «Гибридные системы: вычисление и управление» (HSCC): в Беркли, Калифорния, США (HSCC 1998); в Нимегене, Нидерланды (HSCC 1999); в Питсбурге, Пенсильвания, США (HSCC 2000); в Риме, Италия (HSCC 2001); в Паоло Альто, Калифорния, США (HSCC 2002); в Праге, Чехия (HSCC 2003); в Филадельфии, Пенсильвания, США (HSCC 2004); в Цюрихе, Швейцария (HSCC 2005); в Санта Барбара, Калифорния, США (HSCC 2006); в Пизе, Италия (HSCC 2007); в Сент-Луисе, Миссури, США (HSCC 2008).
Цель работы. Главной целью диссертационной работы является создание средств моделирования ЭЭС, позволяющих решить актуальную для электроэнергетики проблему получения, в том числе своевременного, достаточно полной и достоверной информации о реальном непрерывном спектре процессов в оборудовании и ЭЭС при нормальных и аварийных режимах их работы.
Для достижения этой цели разработаны концепция и средства всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС. При выполнении данной работы были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС.
-
Обоснование и разработка концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, исключающей необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения.
-
Разработка структуры средств осуществления концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, образующих специализированную многопроцессорную программно-техническую систему реального времени гибридного типа, состоящую из адаптируемой совокупности специализированных гибридных процессоров (СГП) моделируемых элементов ЭЭС и информационно-управляющей системы (ИУС).
-
Синтез всережимных математических моделей основного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС: синхронных и асинхронных электрических машин, первичных двигателей и систем их регулирования, систем возбуждения, трансформаторов, линий электропередачи и др., адекватно воспроизводящих реальный непрерывный спектр нормальных и анормальных процессов.
-
Разработка СГП, универсальных для соответствующих видов элементов ЭЭС и обеспечивающих в реальном времени, на неограниченном интервале и с необходимой точностью решение всережимных математических моделей элементов ЭЭС, а также преобразования форм представления информации и всевозможные трехфазные продольные и поперечные коммутации.
-
Разработка ИУС, включающей специализированное программное обеспечение (СПО), интерфейсы, локальную компьютерную сеть и обеспечивающей все виды автоматизированного и автоматического управления моделированием, в том числе в реальном времени: интерактивное, программное, комбинированное, а также представления
функциональной обработки, отображения информации и информационного взаимодействия в компьютерных сетях, в частности, с оперативно-информационными комплексами (ОИК) ЭЭС. 7. Практическая реализация концепции и средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, полностью ориентированная на интегральную микроэлектронику, микропроцессорную технику, программно-информационные технологии. Исследование и испытание функциональных, метрологических и эксплуатационно-технических свойств и возможностей разработанных средств. Методы исследования. Сложная специфика разработанных средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС обусловила необходимость обоснования и применения рассмотренной в диссертации специализированной экспериментальной методики оценки метрологических характеристик этих средств. Данная методика основана на использовании свойств разработанных средств и позволяет надежно оцениваемые метрологические характеристики воспроизведения квазиустановившихся режимов для одного значения частоты распространять на весь рабочий частотный диапазон процессов в ЭЭС.
Для других решаемых в диссертации задач применяется широкий спектр теоретических и экспериментальных методов исследования: теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, теории автоматического регулирования и управления, теории нелинейных и линейных электрических цепей с распределенными и сосредоточенными параметрами и
др.
Научная новизна:
1. Предложена и обоснована концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, исключающая необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения.
-
Разработана структура средств осуществления предложенной концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, представляющая собой специализированную многопроцессорную программно-техническую систему реального времени гибридного типа, состоящую из адаптируемой совокупности СГП и ИУС.
-
Синтезированы всережимные математические модели, универсальные для соответствующих видов элементов ЭЭС: синхронных и асинхронных эл. машин вместе с их вспомогательным оборудованием, трансформаторов, линий электропередачи и др. и достаточно полно и достоверно описывающие в них реальный непрерывный спектр нормальных и анормальных процессов.
-
Разработаны СГП, универсальные для каждого вида элементов ЭЭС и обеспечивающие в реальном времени, на неограниченном интервале и с необходимой точностью решение всережимных математических моделей этих элементов, а также преобразование форм представления информации и моделирование всевозможных трехфазных продольных и поперечных коммутаций.
-
Разработана ИУС, включающая СПО, ориентированное на всережим-ное моделирование в реальном времени ЭЭС, в том числе с учетом релейной защиты и противоаварийной автоматики, и на полностью автоматизированное и автоматическое его осуществление.
Научно-техническая новизна наиболее значимых решений подтверждена патентом и рядом авторских свидетельств на изобретения.
Практическая ценность. Разработанные средства моделирования ЭЭС исключают необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения, что позволяет:
-
полностью отказаться от декомпозиции и ограничения интервала воспроизведения процессов;
-
использовать для всех элементов ЭЭС всережимные математические
модели с полноценным учетом основного и вспомогательного обору-
дования, адекватно воспроизводящие в них реальный непрерывный спектр всевозможных нормальных и анормальных процессов, включая трехфазные по мгновенным значениям; 3) осуществлять в реальном времени непрерывное всережимное моделирование ЭЭС, в том числе с учетом функционирования всевозможных средств релейной защиты, технологической и противоаварийной автоматики. При этом обеспечиваются все потенциально необходимые автоматизированные и автоматические информационно-управляющие возможности моделирования:
-
интерактивный, программный и комбинированные режимы управления моделированием и отображением, функциональной обработкой и представлением информации и т.д.
-
информационное взаимодействие с внешними программными средствами, в том числе в компьютерных сетях, в частности с ОИК ЭЭС с целью автоматического установления и отслеживания квазиустановив-шихся схемно-режимных состояний моделируемой ЭЭС по текущим или ретроспективным данным телесигналов (ТС) и телеизмерений (ТИ).
В результате достигается возможность получения, в том числе в реальном времени, достаточно полной и достоверной информации о непрерывном спектре нормальных и анормальных процессов в оборудовании и ЭЭС при всевозможных нормальных и аварийных режимах их работы, необходимой для надежного и эффективного решения многих важнейших задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС, в частности: а) расчета, настройки и проверки существующих устройств и систем релейной защиты, противоаварийной автоматики, автоматического регулирования возбуждения (АРВ), а также систем регулирования котлоагрегатов, турбин и т.д.; б) моделирования и разработки модернизированных и новых средств релейной защиты, технологической и противоаварийной автоматики; в) анализа аварий в
ЭЭС; г) исследования динамических свойств ЭЭС; д) анализа возможных условий работы оборудования; е) советчика диспетчера; ж) тренажа и обучения персонала.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы реализованы в полном объеме в ряде НИР, выполненных при непосредственном ведущем участии автора диссертации и под его научным руководством, в частности:
1. В договорных НИР ТПУ с ОАО «Тюменьэнерго»: №№9-31/89, 9-
24/98, 9-135/99, 9-27/01, 9-28/01, 9-175/02, связанных с разработкой, ис
следованием и изготовлением средств всережимного моделирования в
реальном времени Тюменской энергосистемы (ТЭ), названных гибрид
ным моделирующим комплексом (ГМК) ЭЭС и соответственно ГМК
ТЭ, а также с авторскими сопровождением его опытной эксплуатации и
с разработкой на базе ГМК ТЭ и ОИК ТЭ всережимного диспетчерско
го тренажера и советчика реального времени.
Использование представленных в диссертации результатов подтверждено соответствующим актом внедрения.
2. В договорной НИР ТПУ с ОАО «ФСК ЕЭС» № 9-105/04, связанной с
разработкой проекта модернизированных средств всережимного моде
лирования в реальном времени ЕНЭС, названных всережимным моде
лирующим комплексом реального времени (ВМК РВ) ЕЭС.
В рамках выполнения этого проекта для представителей «ФСК ЕЭС» проведена в «Тюменьэнерго» на ГМК ТЭ натурная демонстрация свойств и возможностей разработанных средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС.
3. В НИР, выполненной по заказу Электротехнического института ТПУ,
связанной с разработкой и изготовлением ВМК РВ ЭЭС в объеме экви
валентной схемы ЕНЭС Томской области для учебных и научно-
исследовательских целей.
Реализация подтверждена актом внедрения.
Кроме этого результаты диссертации использовались в договорных НИР ТПУ с ТЭЦ Сибирского химического комбината №9-93/01, с Томским нефтехимическим комбинатом №№9-93/01, 9-62/05, 7-55/06 и др., связанных со всережимным моделированием в реальном времени систем электроснабжения и исследованием условий работы АРВ турбогенераторов, мощных синхронных двигателей, с их оптимальной настройкой и модернизацией, а также с исследованием процессов пуска, выбега, самозапуска синхронных двигателей, функционирования средств релейной защиты и противоаварийной автоматики.
Результаты исследований и разработок, обобщенных в диссертации, послужили стимулом и основой для создания в ОАО «Тюменьэнерго» на период опытной эксплуатации ГМК ТЭ сектора моделирования, учебно-исследовательской лаборатории гибридного моделирования ЭЭС на кафедре «Электроэнергетические системы и высоковольтное оборудование» ТПУ, а также открытия в Электротехническом институте ТПУ научно-исследовательской лаборатории «Моделирование ЭЭС», научным руководителем которой является автор диссертации.
Личный вклад автора. Лично автором диссертации выполнено исследование проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС, предложена и обоснована рассмотренная в диссертации концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, разработана структура средств осуществления предложенной концепции в виде специализированной многопроцессорной программно-технической системы реального времени гибридного типа, состоящей из адаптируемой совокупности СГП и ИУС, синтезированы приведенные в диссертации всережимные математические модели основного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС, разработаны функциональные и структурные схемы всех СГП.
Разработка ИУС осуществлялась при непосредственном участии автора и под его научным руководством коллективом научно-исследовательской лаборатории. Аналогично осуществлялась практическая реализация представ-
ленных в диссертации разработок, включавшая: изготовление, испытание, исследование и внедрение разработанных средств.
Работы, опубликованные в соавторстве, являются плодом коллективного труда при определяющей роли автора диссертации.
При консультативной помощи автора диссертации по темам, являющимся фрагментами рассмотренной в ней проблемы, подготовлены три кандидата технических наук и осуществляется подготовка аспирантов.
Основные результаты, выносимые на защиту. К защите представляются следующие результаты диссертационной работы:
-
Результаты исследования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС.
-
Предложенная концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС и ее обоснование.
-
Результаты разработки средств осуществления предложенной концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, а именно:
структурная схема специализированной многопроцессорной программно-технической системы реального времени гибридного типа, состоящей из адаптируемой совокупности СГП и ИУС;
результаты синтеза всережимных математических моделей основного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС;
функциональные и структурные схемы СГП элементов ЭЭС;
структура ИУС и ее обоснование.
4. Результаты экспериментальных исследований функциональных, мет
рологических и эксплуатационно-технических свойств и возможно
стей практических реализаций разработанных средств всережимного
моделирования в реальном времени ЭЭС.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на следующих научных мероприятиях,
конкурсах и выставках:
-
Отраслевые научно-технические совещания «Разработка, изготовление и опытная эксплуатация ГМК ТЭ» (ОАО «Тюменьэнерго», г. Сургут, 1989-2003 гг.).
-
Всесоюзная научно-техническая конференция «Математическое моделирование в энергетике» (Институт проблем моделирования в энергетике АН УССР, г. Киев, 1990 г).
-
Областная научно-техническая конференция «Повышение эффективности работы энергосистем» (КирПи, г. Киров, 1990 г.).
-
X Всесоюзная научная конференция «Моделирование электроэнергетических систем» (ИФТПЭ, КТУ, г. Каунас, 1991 г.).
-
Сибирская научно-техническая конференция «Микропроцессорные системы контроля и управления» (г. Новосибирск, 1992 г.).
-
Всероссийская научная конференция «Токи короткого замыкания в энергосистемах» (РАО «ЕЭС России», г. Москва, 1995 г.).
-
Всероссийские научно-технические семинары «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (ТПУ, г. Томск, 1994, 1996, 1997 гг.)
-
Межрегиональное научно-техническое совещание «Результаты разработки и использования ГМК ЭЭС для Тюменской энергосистемы» (ТПУ, г. Томск, 1997 г.).
-
Межрегиональная научно-техническая выставка-конференция «Энергосбережение» (Технопарк, г. Томск, 2001 г.).
-
Всероссийская политехническая и международная промышленная выставка «Сибполитех-2003» (ЦМТ, г. Новосибирск, 2003 г., разработка гибридного моделирующего комплекса электроэнергетических систем отмечена малой золотой медалью).
-
Третья Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов» (АмГУ, г. Благовещенск, 2003 г.).
-
Отраслевое научно-техническое совещание «Разработка проекта все-режимного моделирующего комплекса реального времени ЕНЭС» (ОАО «ФСК ЕЭС», г. Москва, 2004 г.).
-
Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизации» (ТПУ, г. Томск, 2004 г.).
-
4-ая Международная научно-техническая конференция «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Казахстан, АИЭиС, г. Алматы, 2004 г.).
-
8-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology "KORUS 2004" (Russia, Tomsk, Tomsk Polytechnic University, 2004).
-
The 10-th IFAC/IFORS/IMACS/IFIP Symposium in Large Scale Systems: Theory and Applications (Japan, Osaka, Osaka International Convention Center, 2004).
-
9-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology "KORUS 2005" (Russia, Novosibirsk, Novosibirsk State Technical University, 2005).
-
Отраслевое научно-техническое совещание «Натурная демонстрация на ГМК ТЭ свойств и возможностей разработанных средств всере-жимного моделирования в реальном времени ЭЭС.» (ОАО «Тюмень-энерго», ОАО «ФСК ЕЭС», г. Сургут, 2005 г.).
-
Отраслевой научно-технический семинар «Автоматизированные системы технологического управления ФСК ЕЭС» («МЭС Северо-Запада», ОАО «ФСК ЕЭС», г. Санкт-Петербург, 2005 г.).
-
16-й Ежегодный международный конгресс «Новые высокие технологии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» (CITOGIC 2006 - Томск, ТНХК, 2006 г.).
-
Всероссийская научно-практическая конференция «Технологии управления режимами энергосистем XXI века» (НГТУ, г. Новосибирск, 2006 г.)
-
Конкурс научно-исследовательских работ ТПУ 2006 г. (ТПУ, г.Томск, 2006 г., разработка «Многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа для всережимного моделирования энергосистем» отмечена дипломом 1-й степени).
-
Международная выставка-конгресс «Высокие технологии, инновации, инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2006 г., разработка «Всере-жимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем» отмечена серебряной медалью).
-
VIII Московский международный салон инноваций и инвестиций (ВВЦ, г. Москва, 2008 г., разработка «Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем» отмечена золотой медалью).
Публикации. По результатам выполненных исследований, разработок и их применения, связанных с тематикой диссертационной работы, опубликовано 55 научных работ, в том числе патент и 12 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Общий объем представленного диссертационного материала составляет 315 страниц и включает в себя: оглавление, введение, пять глав, заключение, 2 приложения и библиографический список из 227 наименований. Основной материал диссертационной работы содержит 285 страниц, 85 рисунков и 5 таблиц.
Определение, анализ и обоснование причин существования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС
Объективная оценка свойств и возможностей численного моделирования ЭЭС вытекает из сравнения приведенных эталонных условий адекватности и оперативности моделирования ЭЭС с характеристиками известных и наиболее распространенных в разное время, включая настоящее, компьютерных программ расчета режимов и процессов в ЭЭС. Отвечающие цели исследования основные характеристики этих программ, составленные по данным вышеуказанных работ и по результатам тестирования отдельных программ, представлены в таблице 1.
Анализ характеристик этих программ и используемых в них математических моделей элементов ЭЭС, а также опубликованных сведений о их применении , 22-28, 74-77, 80, 81, 100, 104-107, 138, 139], дает основания для следующих выводов: 1. Несмотря на колоссальный прогресс в развитии методической и инструментальной основы численного моделирования, неизменно сохраняется искусственная специализация программных средств моделирования ЭЭС, обусловленная, главным образом, явно прослеживаемой и постоянно существующей необходимостью глубокой декомпозиции непрерывных, нелинейно взаи мосвязанных, трехфазных процессов в ЭЭС: - трехфазные схемы подменяются однофазными моделями; - условно выделяются и раздельно рассчитываются квазиустановившиеся процессы (установившиеся режимы) и переходные процессы (динамические режимы); - установившиеся и динамические режимы в свою очередь подразделяются на симметричные, несимметричные и также раздельно рассчитываются; - расчеты динамических режимов, особенно сложных ЭЭС, ограничиваются учетом переходных процессов только в электрических машинах и их системах регулирования, обычно весьма упрощенных, а остальные элементы ЭЭС учитываются лишь статическими моделями; - в динамических режимах условно выделяются и раздельно рассчитываются слабо и сильно возмущенные процессы; - слабо возмущенные процессы линеаризуются, с целью применения достаточно разработанного математического аппарата, и используются в основном для оценки статической колебательной устойчивости ЭЭС; - в сильно возмущенных динамических режимах тоже условно выделяются и раздельно рассчитываются электромагнитные, быстрые и длительные электромеханические переходные процессы; - динамические режимы рассчитываются на ограниченных временных интервалах, которые сильно взаимосвязаны с жесткостью и размерностью ди намической части используемых математических моделей ЭЭС. 2. Возможности и свойства разнообразных программ расчета и оптимизации установившихся режимов ЭЭС непосредственно связаны с достижениями в области численного анализа, вычислительной математики, компьютерной техники и развиваются параллельно с ними. В частности, уже в настоящее время сведены к минимуму ограничения на размерность систем уравнений статических задач моделирования ЭЭС. 3. Прогресс в развитии методической и инструментальной основы цифрового моделирования оказывает непосредственное и значительное влияние на характеристики статической части программ расчета переходных процессов ЭЭС, такие как размерность сетевой составляющей математической модели ЭЭС, представляемой обычно, как уже отмечалось, алгебраическими уравнениями. Вместе с тем, динамические возможности и свойства этих программ довольно слабо коррелируют с обозначенным прогрессом, так как главные их показатели: жесткость, дифференциальный порядок, масштаб времени и интервал решения остаются существенно ограниченными. 4. До настоящего времени не решена задача оперативного расчета переходных процессов в сложных ЭЭС. Хотя принципиально непреодолимых препятствий в ее решении нет и по мере развития методической и инструментальной основы цифрового моделирования машинное время, затрачиваемое на расчет, постоянно сокращается, тем не менее, даже при названных упрощениях и ограничениях, общепризнанный эталон оперативности-реальный масштаб времени, остается по-прежнему недостижимым для расчетов на ПЭВМ и может быть реализован только с помощью многопроцессорной супер-ЭВМ. 5. Отмеченные сложности и трудности расчета переходных процессов ЭЭС послужили основной причиной и стимулом для внедрения в теорию и практику цифрового моделирования ЭЭС алгебраических и частотных методов оценки динамических свойств энергосистем, главным образом статической ко лебательной устойчивости. Применение этих методов не дает полной инфор мации о протекании процессов, но позволяет с помощью эквивалентных ли неаризованных математических моделей ЭЭС оценивать динамическое состоя ние заданных режимов и влияние на них отдельных факторов.
Приведенные выводы характеризуют общее состояние и тенденции численного моделирования ЭЭС: 1. Численное моделирование, в силу объективно высокой адекватности своей методической и инструментальной основы статическим задачам, подобным расчетам установившихся режимов ЭЭС, обеспечивает их успешное и эффективное решение, а также перспективу дальнейшего совершенствования программных средств данной специализации параллельно с развитием средств численного моделирования. 2. В отличие от программных средств, предназначенных для решения задач статического типа, численное моделирование переходных процессов ЭЭС сопряжено с совершенно иной, принципиально противоположной ситуацией, порождающей необходимость глубокой декомпозиции процессов и упрощения математической модели ЭЭС, а также существенных ограничений жесткости, дифференциального порядка этих моделей и длительности воспроизводимых процессов. Причем, как показывает представленная хронология развития программных средств данной специализации, указанная ситуация весьма слабо зависит от существующего развития методической и инструментальной основы цифрового моделирования.
Структуры средств осуществления концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС
Согласно положениям концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, основу структур средств ее осуществления составляют устройства, обеспечивающие адекватное всережимное моделирование в реальном времени элементов ЭЭС. Указанные и охарактеризованные в положениях концепции функции, свойства и объединяемые для их реализации методические и инструментальные средства определяют эти устройства, как специализированные гибридные процессоры (СГП). Специализация распространяется на все типы и различные параметры элементов данного вида, например энергоблока, в пределах которого обеспечивается полная универсальность. Все СГП имеют функциональные трехфазные А, В, С входы-выходы, посредством которых с помощью коммутатора трехфазных узлов (КТУ) формируется топология моделируемой ЭЭС и осуществляется их естественное взаимодействие.
В соответствии с третьим положением концепции, все СГП, кроме функциональных А, В, С связей, взаимосвязаны информационно посредством соответствующих цифровых магистралей, интерфейсов, ЦЭЦВМ (ПЭВМ) и СПО.
В совокупности рассмотренная структура осуществления концепции все-режимного моделирования в реальном времени ЭЭС образует специализированную многопроцессорную программно-техническую систему реального времени гибридного типа, состоящую из адаптируемой совокупности СГП, коммутатора трехфазных узлов (КТУ) и информационно-управляющей системы (ИУС), включающей в себя цифровые магистрали, интерфейсы, ПЭВМ и СПО. Что касается КТУ, то для обеспечения возможности автоматизированного и автоматического формирования произвольной топологии ЭЭС, данное устройство должно представлять собой матрицу цифроуправляемых аналоговых ключей большой размерности, даже с учетом исключения заведомо нереальных связей, и такая коммуникационная матрица может быть реализована. Вместе с тем, рассматриваемая специализированная многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа по сравнению с сугубо программными средствами, несомненно, является значительно более сложной и дорогостоящей. Поэтому ее потенциальное применение представляется специализированным, ориентированным на конкретные ЭЭС. С учетом достаточно долговременной консервативности базовых топологий конкретных ЭЭС, произвольная топологическая универсальность оказывается практически невостребованной, а связанные с этим затраты и усложнения неоправданными. Принимая во внимание эти обстоятельства более целесообразным становится вариант КТУ в виде автоматизированно трассируемой с помощью САПР системной кросс-платы с изначально предусмотренной избыточностью СГП и функциональных цифроуправляемых перекоммутаций для потенциально возможных изменений и развития топологии моделируемой ЭЭС. При этом обеспечивается любая автоматизированная и автоматическая коммутация всех без исключения СГП и необходимость в смене кросс-платы КТУ может возникнуть только в случае радикальных изменений изначально предусмотренных потенциально возможных топологий ЭЭС. К тому же автоматизированная трассировка и сме на кросс-платы КТУ представляет собой достаточно простую и формализованную операцию, аналогичную созданию файла графики новой схемы ЭЭС.
В зависимости от уровня интеграции применяемых микроэлектронных компонентов, существенно влияющего на затраты, возможны два отвечающих положениям концепции варианта осуществления ИУС.
При использовании микроэлектронных компонентов невысокого уровня интеграции, исключающего применение микропроцессоров (МП) в СГП, информационная взаимосвязь всех СГП с сервером реализуется через локальные цифровые магистрали (ЛЦМ) и системную цифровую магистраль (СЦМ), адаптируемые соответственно усилителями ЛЦМ (УЛЦМ) и расширителями СЦМ (РСЦМ). Протокол взаимодействия СЦМ и цифровой шины (ЦШ) ПЭВМ (сервера) обеспечивается соответствующим контроллером ЦШ (КЦШ), а протоколы взаимодействия внутренней цифровой шины (ВЦШ) СГП с ЛЦМ осуществляются с помощью содержащегося в каждом СГП аппаратного интерфейса гибридного процессора (ИГП). В данном варианте все программные информационно-управляющие функции для всех СГП выполняет сервер.
В другом варианте ИУС у всех СГП вместо ИГП используется микропроцессор МП (в зависимости от возможностей конкретного типа МП, в общем случае, это может быть микропроцессорный узел), через который посредством локальной компьютерной сети (ЛКС), выполненной с помощью стандартных информационных приемо-передатчиков и сетевого кабеля, осуществляется взаимосвязь с сервером и между СГП. При этом все программные информационно-управляющие функции СГП, а при наличии в моделируемом элементе микропроцессорных РЗ, ПА, АРВ и других систем, и их функции выполняют МП соответствующих СГП.
Гибридный процессор синхронного двигателя
Принципиальное различие между синхронным двигателем (СД) и СГ заключается в исходно противоположном направлении электромагнитного и механического моментов, а также в иной физической сущности последнего, который для СД является моментом сопротивления Мс приводимого механизма (ИМ). Кроме этого, определенные различия и специфика присущи их СВ. Таким образом, если в рассмотренном ранее ГПЭ заменить СПИД на сопроцессор приводимого механизма (СППМ) и в СПСВ произвести замену универсальной математической модели СВ генератора на соответствующую модель СВ для СД, а также обеспечить указанное формирование моментов в уравнении движения ротора, то ГПЭ преобразуется в гибридный процессор двигателя синхронного (ГПДс).
Из вышеизложенного следует, что создание ГПДс на базе ГПЭ сводится к синтезу универсальных математических моделей ПМ, СВ для СД и разработке на их основе соответствующих структурных схем СППМ и СПСВ. С учетом обозначенных замен и изменений представленная на рисунке 3.1 функциональная схема становится ГПДс Согласно [23, 43, 65, 125], наиболее распространенной и апробированной математической моделью множества различных ПМ является уравнение мо-ментно-скоростной характеристики вида где: тнач - начальный статический момент сопротивления ПМ; тном номинальный момент сопротивления, развиваемый ПМ при номинальном вращающем моменте электродвигателя, соответствующем его номинальной активной мощности и синхронной номинальной частоте со0 = 314с ; со5 — фактическая частота вращения ротора электродвигателя; соан — номинальная частота вращения ротора электродвигателя, при которой момент сопротивления ПМ равен номинальному, получаемому при синхронной номинальной частоте вращения электромагнитного поля статора со0; р— показатель степени, зависящий от вида ПМ, принимаемый чаще всего равным р = 2 или р = 1.
Для базисного момента ms =тНОЛ1 /cosi?H, соответствующего полной номинальной мощности и базисной частоте ш0, а также произвольной загрузке ПМ электродвигателя, определяемой коэффициентом загрузки к3 - Р/Рном. и произвольной частотой сети сос со0, уравнение (3.123) в относительных единицах имеет вид а при использовании скольжения может быть представлено в виде
Обычно полагают, что для большинства ПМ составляющая Мш со имеет линейную или квадратичную зависимость от со. Однако, согласно [65], более достоверной чаще всего оказывается степенная аппроксимация этой зависимости с дробным показателем степени. С учетом данного обстоятельства, в качестве аппроксимирующего выражения частотной зависимости принято уравнение [216] обеспечивающее весь необходимый диапазон указанных степенных зависимостей. После очевидных преобразований уравнение (3.128) можно записать в виде где а - коэффициент, определяемый исходя из требуемой степенной зависимости: или расчетным путем, или по приведенному на рисунке 3.16 графи ку [216], на котором є- погрешность аппроксимации степенной зависимости. Уравнения (3.127) и (3.129) позволяют составить представленную на рисунке 3.17 функциональную схему СППМ.
Универсальность математической модели и соответственно СППМ обеспечивается автоматизированной и автоматической, в том числе программно-функциональной, управляемостью Мст, а также Мщ и р посредством коэффициента а.
Разработанная на базе функциональной схемы (рис.3.17), с учетом отмеченных обстоятельств, структурная СППМ приведена на рисунке 3.18.
Формируемый в данной схеме Мс подается наряду с Мт на один из входов того же сумматора. При этом выбор механического момента: Мт или Мс, который надлежит использовать в уравнении движения ротора, осуществляется посредством соответствующей программной инициализации ПАП (рис.3.13): - при моделировании генератора и Мст, Мш - при моделировании электродвигателя.
В случае моделирования генератора, в результате инициализации, в ЦАП: - записываются значения, определяемые базой данных, а в ПАП: Мст, Мш- записываются нулевые значения. Последнее обеспечивает М =0, что равносильно его отключению и выборуМ . В противоположность этому, выбору М соответствует инициализация, при которой в ПАП: Мст и Мш - записываются нужные значения, а все ЦАП, определяющие Мт, обнуляются: Км =0, Кнс=0, Кс=0, Ксд = 0, Квд=0, Кж = 0. Различные исключения в обоих случаях, если это нужно, может составлять инициализация ЦАП М0, обеспечивающая формирование, в общем случае программно-функционально, любого произвольного дополнительного вспомогательного момента ±МЛ.
Специализированное программное обеспечение ИУС
Монопроцессорность рассматриваемого варианта ИУС и непрерывный параллельный процесс решения в реальном времени всережимной математической модели трехфазной ЭЭС, обеспечиваемый СГПу, порождают весьма жесткие и неординарные требования не только к аппаратным средствам ИУС, но и к программному обеспечению ИУС (более жесткие чем в многопроцессорной ИУС). Данное обстоятельство, а также специфика динамического моделирования ЭЭС, по существу исключают возможность непосредственного конструирования этого программного обеспечения посредством известных программных оболочек и прикладных программ, и обусловливают необходимость разработки специализированного программного обеспечения (СПО).
В соответствии со структурой ИУС, главным и основным назначением СПО является выполнение информационно-управляющих функций и поэтому его вычислительные возможности существенного значения не имеют. По этой же причине свойства СПО практически не влияют на результаты собственно моделирования ЭЭС, но наряду с характеристиками аппаратных средств ИУС определяют адекватность их цифрового представления и уровень профессио нально-ориентированного информационного сервиса, в том числе автоматизированного и автоматического управления процессами моделирования.
Так как регистры: ЦАП, ЦУАК, АЦП и т.д. всех СГПу обеспечивают запись и хранение данных, которые обновляются лишь по мере необходимости, то ЦП значительную часть времени процессов моделирования оказывается свободным от функций управления и используется для обслуживания аналого-цифровых преобразований результатов моделирования, их представления, отображения и пр. Между тем, интервалы времени процедур управления, аналого-цифровых преобразований, функций представления и отображения, а также промежутки между ними, в общем случае, различны и разнообразны. Кроме того, при динамическом моделировании, к тому же в реальном времени, такой многоэлементной структуры как ЭЭС, неизбежно возникает текущая приоритетность операций, выполняемых ЦП. Все это в совокупности, несмотря на квазипараллельное выполнение операций в монопроцессорной ИУС, указывает на возможность и целесообразность оптимизации ее функционирования. Вместе с тем, осуществимость данной возможности связана с двумя условиями: - для реализации принципа текущей приоритетности, СПО должно обладать соответствующей структурой; - для применимости приоритетной ориентации ЦП, используемая для СПО базовая программная среда и соответственно операционная система должна быть многозадачной.
Условие наличия в СПО четко выраженной структуры отвечает естественному делению ЭЭС на элементы: генераторы, трансформаторы, линии и т. д., для которых в этом случае следует создать специальные программные объекты и добавить к ним другие нужные программные объекты. Таким образом, в результате выполнения обозначенного условия, СПО становится объектно-ориентированным [219], то есть предметом программирования в нем оказываются объекты, которые в конечном счете образуют базу объектов.
Если при рассмотрении второго условия иметь ввиду ориентацию реализуемой концепции на использование современных информационных технологий: - работа и взаимодействие средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС в компьютерных сетях; - организацию в компьютерных сетях специализированных АРМ на базе этих средств; - непосредственное применение распространенных текстовых и графических редакторов, различных прикладных программ, то анализ этих факторов приводит к выводу о целесообразности разработки СПО на базе универсальной многоязыковой программной среды dot Net Framework, с которой работают широко распространенные операционные системы: Windows Vista, Хр и другие версии. Созданное на этой основе базовое СПО обозначается на приводимых в дальнейшем иллюстрациях аббревиатурой "Гибридный моделирующий комплекс ЭЭС (ГМК ЭЭС) - ADMW". Для пользовательского программирования в среде СПО разработан специальный профессионально (электроэнергетически)-ориентированный язык высокого уровня - "ADMWL" [приложение 2]. Обобщенно, язык "ADMWL" представляет собой объектно-ориентированный, в соответствии с первым условием, традиционный текстовый редактор. Все объекты в ADMWL классифицированы по типам: константа, переменная, строковая переменная, процедура, функция, вариатор, макро, класс, элемент, субблок, выключатель, короткозамыкатель, регистры: ЦАП, ЦУАК, и т.д.
Элементам моделируемой ЭЭС: генераторам, трансформаторам, линиям и др. соответствуют программные объекты типа "Элемент". Модули СГП определены в ADMWL программными объектами типа "Субблок". Кроме этого "Субблок" может служить программным шаблоном для однородных элементов. При необходимости, элементы по каким-либо признакам могут быть объединены в программные объекты типа "Класс". К программным объектам типа "Процедура" отнесены все программные действия, включая образуемые ими последовательности, целью которых является задание значений или состояний, а программные действия, связанные с чтением значений, их преобразованием и отображением соответствуют программным объектам типа "Функция".
Программный объект "Вариатор", предназначенный для задания и отображения управляющих воздействий, представляет собой объединение "Процедуры" и "Функции". Сущность и назначение остальных программных объектов отражает их наименование.
