Введение к работе
Актуальность проблемы. Неравномерность территориального распределения крупных энергоузлов России и других стран с обширной территорией создает условия для длительного сохранения остроты проблем обеспечения статической и динамической устойчивости (ДУ) электроэнергетических систем (ЭЭС). Научные и прикладные задачи этих проблем представлены в работах отечественных и зарубежных исследователей. Некоторые из актуальных задач, связанных, в основном, с проблемой обеспечения ДУ ЭЭС, обсуждаются и решаются в представленной работе. При этом наибольшее внимание уделено:
разработке нового, более эффективного подхода к решению задач управления динамическими переходами ЭЭС;
разработке новых средств моделирования переходных режимов и алгоритмов расчета управляющих воздействий (УВ) по условиям обеспечения ДУ ЭЭС;
созданию эффективных специализированных средств и систем обеспечения ДУЭЭС;
- повышению эффективности использования многофункциональных средств
противоаварийного управления для целей обеспечения ДУ ЭЭС.
Необходимость рассмотрения перечисленных задач обусловлена влиянием совокупности взаимосвязанных методических и технических аспектов.
Наиболее важным из методических аспектов является отсутствие регулярного общего подхода к расчетам и формированию УВ, обеспечивающих динамическую устойчивость ЭЭС. Вследствие сложности и трудоемкости оптимизационных методов в практических приложениях задача выбора УВ решается вне связи с какими-либо критериями оптимальности. При настройке алгоритмов автоматической дозировки выбор УВ производится, как правило, простым или целенаправленным перебором для серии схемно-режимных состояний ЭЭС. Трудности применения этого метода для построения сложных управлений хорошо известны, однако из-за отсутствия других конкурирующих регулярных методов именно подбор остается доминирующим по настоящее время при решении задачи выбора УВ.
Из технических аспектов, определяющих необходимость решения отмечен-
ных задач, выделяется, с одной стороны, недостаточное развитие специализированных средств воздействия на параметры переходных режимов ЭЭС и, с другой стороны, быстроразвивающаяся тенденция к широкому практическому применению безынерционных многофункциональных средств плавного и дискретного управления.
К наиболее эффективным специализированным средствам управления динамическими переходами ЭЭС обосновано относят электрическое торможение (ЭТ) генераторов. Это средство по своим техническим показателям может использоваться на тепловых и гидравлических электростанциях в схемах простых и сложных структур. Однако опыт проведения проектных разработок, выполнения экспериментальных работ и промышленной эксплуатации ограничивается единичными случаями применения ЭТ для обеспечения динамической устойчивости удаленных гидроэлектростанций. Обоснование применимости этого средства для мощных тепловых электростанций, действующих в схемах простых и сложных структур, требует проведения глубоких теоретических и прикладных исследований эффективности, законов управления и реализуемости ЭТ.
Размещение и параметры многофункциональных средств плавного и дискретного управления определяются, как правило, условиями установившихся режимов и статической устойчивости ЭЭС. Возможности использования этих средств для управления динамическими переходами ЭЭС на практике не реализованы, поскольку не разработаны соответствующие законы и системы автоматического управления. Непосредственное применение сложившихся способов формирования и реализации УВ релейного типа для безынерционных средств плавного управления является проблематичным вследствие принципиально отличающихся условий их работы. Применение этих средств в системах управления релейного типа будет приводить к недоиспользованию их возможностей для повышения качества динамических процессов управляемых ЭЭС. Для решения этой задачи необходимы более гибкие законы и системы управления.
Конструктивный подход к решению задач управления динамическими переходами ЭЭС может быть основан на общем принципе построения систем управления программным движением (СУПД) технических объектов. Суть этого принципа заключается в разделении задачи синтеза систем управления на подзадачу по-
строения программных траекторий движения (ПТД) объектов и подзадачу формирования обеспечивающих эти траектории управлений. Перспективность этого под-кода к решению задач динамики ЭЭС подтверждена результатами теоретических и прикладных исследований.
Работа выполнялась по координационным планам комплексных программ важнейших работ Минвуза РСФСР "Энергетика" (приказ MB и ССО РСФСР № 385 от 01.07.81, задание 5.2.4 "Усовершенствовать методы, алгоритмы и программы расчета переходных режимов, устойчивости и надежности применительно к АСДУ объединенных энергосистем) и Минвуза СССР "Экономия электроэнергии" (приказ МВиССОСССР№ 101 от09.0187, задание 01.51 "Разработать методы и технические средства для автоматического управления переходными режимами энергосистем").
Цель работы. Общей целью научного направления, в котором выполнена забота, является создание эффективных систем автоматического управления, предназначенных для обеспечения высоких уровней ДУ ЭЭС. Целью диссертации является разработка теоретических основ построения адаптивных систем управления, методов расчета управлений и управляющих воздействий, средств моделирования і средств управления, предназначенных для повышения эффективности дейст-зующих и создания новых, более совершенных систем автоматического управле-іия динамическими переходами ЭЭС.
Для достижения цели производится:
обоснование применимости методов построения адаптивных СУПД к реше-іию задач управления динамическими переходами ЭЭС;
разработка и алгоритмизация методов расчета ПТД, управлений и УВ по усло-іиям обеспечения ДУ ЭЭС;
разработка эквивалентов подсистем и методики эквивалентнрования для гиб->идных моделирующих комплексов (ГМК) ЭЭС, удовлетворяющих условиям моде-іирования процессов и алгоритмов управления на основе адаптивных СУПД ЭЭС;
разработка оптимизационного метода расчета основных параметров ЭТ с ти-(исторным управлением, как элемента адаптивных СУПД ЭЭС;
- разработка измерительных и исполнительных элементов для адаптивных
-УПД ЭЭС и обоснование эффективности их применения в действующих системах
автоматического управления динамическими переходами ЭЭС.
Методы исследования. Научную основу предложенного подхода к решению задач управления динамическими переходами ЭЭС составляют принципиальные положения теории построения адаптивных СУПД технических систем.
Поставленные задачи решены на основе вероятностно-статистических методов анализа, математических методов оптимизации и методов решения систем алгебраических и дифференциальных уравнений.
Моделирование режимов работы управляемых разработанными способами ЭЭС проводилось с помощью ЦВМ. При конструировании и отладке внутренних функциональных связей отдельных элементов системы управления ЭЭС выполнялись их физические аналоги-макеты и экспериментальные образцы.
Научная новизна. 1. Сформулирован новый подход к синтезу автоматических систем управления динамическими переходами ЭЭС, основанный на принципах построения адаптивных СУПД технических объектов. Разработаны теоретические основы формирования законов управления движением ЭЭС на основе этого подхода.
-
Разработаны, алгоритмизированы и численными экспериментами обоснованы несколько способов построения ПТД, управлений и УВ для управляемых объектов в составе сложных ЭЭС.
-
На примере ГМК Тюменской энергосистемы (ТЭ) обоснована применимость и готовность ГМК ЭЭС модульной структуры для моделирования алгоритмов работы адаптивных СУПД и соответствующих управляемых процессов в сложных ЭЭС.
-
Разработаны малоразмерные эквиваленты подсистем и методика оптимизационного расчета их параметров по совокупности режимов для ГМК ЭЭС.
-
Разработана методика оптимизационного расчета основных (установочных) параметров плавно управляемых устройств электрического торможения (УЭТ), как возможных исполнительных элементов адаптивных СУПД ЭЭС.
-
Разработаны, выполнены и экспериментально проверены новые устройства измерения приращений углов и скольжений роторов генераторов, как элементы информационно-измерительных подсистем адаптивных СУПД ЭЭС.
-
Обоснованы реализуемость, техническая эффективность и экономическая
выгодность применения ЭТ, как средства обеспечения динамической устойчивости крупных турбогенераторов электростанций, работающих в составе сложных ЭЭС.
Практическая значимость. Представленное в диссертационной работе обоснование применимости принципов построения адаптивных СУПД технических объектов к задачам обеспечения ДУ ЭЭС доставляет надежную методологическую основу для разработки эффективных методов и технических систем управления переходными режимами энергосистем при выполнении научно-исследовательских разработок и решении проектных и эксплуатационных задач. Разработанные на этой основе методики расчета ПТД, плавных управлений, УВ релейного типа и основных параметров УЭТ могут рассматриваться в качестве примеров решения подобных задач.
Принятая концепция построения многофункциональных ГМК ЭЭС, реализованная в ГМК ТЭ, соответствует условиям моделирования законов управления движением энергосистем по ПТД. При этом в силу высокой точности математических моделей элементов ГМК и воспроизведения моделируемых симметричных и несимметричных режимов в реальном времени созданы близкие к натурным условия для решения задач, связанных с анализом и синтезом различных систем управления, в том числе и адаптивных СУДД ЭЭС. Модульное построение модельных элементов позволяет компоновать ГМК ЭЭС произвольной структуры.
Оптимизационный метод режимного эквивалентирования ЭЭС позволяет решать задачу построения малоразмерных эквивалентов подсистем ЭЭС для аналоговых или физических частей ГМК. На основе этого метода обоснованы структура и установочные параметры модельных элементов эквивалентов подсистем для ГМК ТЭ. Реализованный в программном комплексе метод используется для настройки модельных элементов эквивалентов подсистем ГМК ТЭ в соответствии с условиями решаемых задач.
Методика оптимизационного расчета основных параметров УЭТ может быть полезной при решении практических задач построения адаптивных и программных систем управления динамическими переходами ЭЭС.
Результаты технико-экономического обоснования ЭТ турбогенераторов реальной сложной ЭЭС, обоснование совместимости работы УЭТ с электроустанов-
ками действующей электростанции, разработки систем управления и релейной защиты УЭТ могут использоваться как прототипы в предпроектных исследованиях, связанных с подключением нетиповых устройств противоаварийного управления в энергоузлах действующих энергосистем.
Реализация работы. Практические результаты диссертационной работы переданы заинтересованным организациям в форме научно-технических отчетов, опытных образцов разработанных устройств, технических заданий на проектирование средств противоаварийного управления, рекомендаций, программных комплексов (ПК) и модельных элементов в составе ГМК ЭЭС. Эти материалы и устройства получены в соответствии с условиями выполнения госбюджетных тем, хозяйственных договоров, договоров о научно-техническом сотрудничестве и соглашений с Минэнерго и ОДУ Казахстана, РЭУ "Павлодарэнерго", Казахстанским отделением института "Энергосетьпроект", Ростовским отделением института "Теплоэлектропроект", опытным производственно-техническим предприятием "Энерготехпром", ОДУ Сибири, АООТ "Тюменьэнерго", отраслевой научно-исследовательской лабораторией гибридного моделирования при Томском политехническом университете.
Документально оформленную передачу заинтересованным организациям представляют следующие результаты работы:
разработка конструкции УЭТ и системы программного управления ЭТ; доказательство технической осуществимости ЭТ на генераторном напряжении действующей тепловой станции; обоснование эффективности ЭТ турбогенераторов, работающих в условиях сложных систем;
предложения в части обоснования места приложения и типа УВ системы про-тивоаварийной автоматики (ПА) и реализации ЭТ в ОЭС Казахстана;
способ ступенчатого ЭТ генераторов и устройство для его реализации; устройство для измерения динамических изменений угла вылета ротора и скольжения синхронного генератора; структурные схемы систем автоматического управления и релейной защиты УЭТ на Ермаковской ГРЭС; техническое задание на выполнение УЭТ генераторов Ермаковской ГРЭС; проектные разработки схем автоматического
управления и релейной защиты УЭТ;
метод управления по траекториям для формирования устойчивых динамических переходов в энергосистемах; программа расчета УВ в динамических переходах энергосистем на основе фиксированных (программных) траекторий движения генераторов управляющих станций;
новые подход и методика выбора параметров ЭТ генераторов, разработанные на основе оптимизации законов управления процессом торможения и приведенных затрат на создание и эксплуатацию УЭТ; новые подход и метод автоматического управления динамическими переходами энергосистем, разработанные на основе теории автоматического адаптивного управления программным движением технических систем;
новая методика эквивалентирования энергосистем и практические результаты ее применения, включающие: алгоритмы формирования и рекомендации по выбору целевых функций для определения оптимальных параметров эквивалентных подсистем; алгоритмы расчета оптимальных параметров эквивалентных подсистем по целевым функциям; программный комплекс «СТАРТ», реализующий методику оптимизационного режимного эквивалентирования энергосистем в целом.
Личный вклад автора в работы, опубликованные в соавторстве, выполненные коллективами в виде натурных объектов или реализованные в форме программных продуктов, заключается в постановке задач исследований, определении тутей их решения, участии в разработке проектов, методик, математических моде-іей и алгоритмов. Под научным руководством и при консультативной помощи ав-гора по тематике диссертационной работы подготовлены четыре кандидата техни-іеских наук.
Основные результаты, выносимые на защиту. К защите представляются ледующие обоснования, методы, методики, алгоритмы и объекты:
обоснование применимости и эффективности использования принципов потроєння адаптивных СУПД технических объектов в качестве концептуальной ос-ювы для разработки новых методов решения задач обеспечения ДУ простых и ложных ЭЭС;
методы и алгоритмы построения ПТД управляемых генераторов, плавных правлений и ступенчатых УВ, обеспечивающих устойчивость динамических пе-
реходов сложных ЭЭС;
обоснование применимости и готовности многофункциональных ГМК ЭЭС модульной структуры для моделирования адаптивных СУПД ЭЭС;
оптимизационный метод и алгоритмы расчета параметров эквивалентов подсистем по расчетным условиям моделирования режимов на ГМК ЭЭС;
методика оптимизационного расчета установочных параметров плавно управляемых УЭТ, как элементов адаптивных СУПД ЭЭС;
совокупность устройств измерения скольжений и динамических приращений углов вылета роторов генераторов, как элементов адаптивных СУПД ЭЭС;
обоснование эффективности и реализуемости выполнения ЭТ на генераторном напряжении крупных тепловых электростанций сложных ЭЭС.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях, семинарах и совещаниях:
Всесоюзная конференция "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов" (Барнаул, 1982); Всесоюзная конференция "Робототехника и автоматизация производственных процессов" (Барнаул, 1983); Всесоюзное совещание "Вопросы устойчивости и надежности энергосистем СССР' (Ташкент, 1984); 11-ая сессия Всесоюзного семинара "Кибернетика электрическю систем" (Абакан, 1989); Всесоюзная конференция "Повышение эффективносп электроснабжения на промышленных предприятиях" (Москва 1990); 8-ая Всесоюз ная конференция "Перспективы развития и применения средств вычислительно! техники для моделирования и автоматизированного исследования" (Москва, 1991) 10-ая Всесоюзная конференция "Моделирование электроэнергетических систем' (Каунас, 1991); Всероссийская конференция "Токи короткого замыкания в энерго системах" (Москва, 1995), Всероссийские семинары и конференция "Энергетика экология, надежность, безопасность" (Томск, 1994, 1996, 1997, 1998, 1999); Рее публиканское совещание "Пути повышения надежности ОЭС Северного Казахста на" (Целиноград, 1979); Республиканское совещание "Повышение надежност энергосистем Казахстана" (Караганда, 1983); 2-ая Республиканская конференци "Диагностика неисправностей устройств релейной защиты и автоматики электри ческих систем" (Жданов, 1982); Вузовская конференция "Электротехника и энергс
ика" (Барнаул, 1974); Краевой семинар "Актуальные проблемы энергетики и элек-рификации народного хозяйства" (Барнаул 1980); 18-ая областная конференция по опросам повышения эффективности и качества систем и средств управления Пермь, 1982); Отраслевые совещания "Проблемы и перспективы развития произ-одственного объединения "Томский нефтехимический комбинат" (Томск, 1988, 989, 1990, 1991).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 58 аучных статей, получено 7 авторских свидетельств на изобретения, выпущено 7 арегистрированных в ВНТИ Центре научно-технических отчетов.
Структура и объем работы. Материалы диссертации изложены на 364 границах и структурно представлены введением, шестью разделами, заключени-м, 11 приложениями и библиографическим списком из 307 наименований. Работа одержит 280 страниц основного текста, 73 рисунка и 11 таблиц.
