Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ проблемы адекватного моделирования электроэнергетических систем с активно адаптивными сетями 36
1.1 Общая характеристика исследуемой проблемы 36
1.2 Определение, анализ и обоснование причин существования проблемы адекватности и оперативности моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями 37
1.3 Выводы 48
ГЛАВА 2 Концепция и структура средств адекватного моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями 49
2.1 Основные положения концепции моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями 50
2.2 Структуры средств реализации концепции моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями 53
2.3 Выводы 61
ГЛАВА 3 Специализированные процессоры мультипроцессорной моделирующей системы реального времени электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями 62
3.1 Принципы построения специализированных процессоров 62
3.2 Специализированный процессор моделирования синхронных и асинхронных электрических машин 67
3.2.1 Математическая модель гибридного сопроцессора синхронных и асинхронных электрических машин
3.2.2 Гибридный сопроцессор моделирования синхронных и асинхронных электрических машин 73
3.2.3 Математические модели систем возбуждения с автоматическими регуляторами возбуждения специализированного процессора машин 75
3.2.4 Математические модели первичных двигателей генераторов 83
3.2.4.1 Математическая модель паровых турбин 84
3.2.4.2 Математическая модель котлоагрегатов 88
3.2.4.3 Математическая модель гидравлических турбин 91
3.2.4.4 Математическая модель автоматических систем регулирования частоты и мощности турбин 93
3.2.4.5 Математическая модель ветровых турбин 97
3.3 Специализированные процессоры моделирования линий электропередачи 98
3.3.1 Математическая модель трехфазной линии электропередачи с сосредоточенными параметрами и перемещаемыми местами повреждений на линии 102
3.3.2 Гибридный сопроцессор моделирования трехфазных линий электропередачи с сосредоточенными параметрами и перемещаемыми местами повреждений на линии 104
3.3.3 Гибридный сопроцессор моделирования трехфазных линий электропередачи с распределенными параметрами 107
3.3.4 Гибридный сопроцессор моделирования одиночных коротких и эквивалентных трехфазных линий, обобщенных нагрузок, шунтирующих реакторов и конденсаторных батарей 111
3.4 Специализированный процессор моделирования трехфазных
трансформаторов и автотрансформаторов 113
3.4.1 Математическая модель трансформаторов и автотрансформаторов... 114
3.4.2 Гибридный сопроцессор моделирования трансформаторов и
автотрансформаторов 117
3.5 Специализированные процессоры моделирования устройств FACTS.. 118
3.5.1 Специализированный процессор моделирования статических синхронных компенсаторов 119
3.5.2 Математические модели силового оборудования СТАТКОМ 123
3.5.3 Гибридные сопроцессоры моделирования силового оборудования СТАТКОМ 125
3.5.4 Моделирование системы автоматического управления статическим преобразователем напряжения специализированного процессора моделирования СТАТКОМ 127
3.5.5 Исследование разработанных средств моделирования СТАТКОМ в компьютерной программе Multisim 11 133
3.6 Выводы 146
ГЛАВА 4 Специализированное программное обеспечение моделирующей системы электроэнергетических систем с активно адаптивными сетями 147
4.1 Структура программного обеспечения 148
4.2 Программное обеспечение микропроцессорных узлов специализированных процессоров 156
4.3 Программное обеспечение сервера 159
4.4 Программное обеспечение автоматизированного рабочего места Клиента 163
4.5 Программный редактор автоматизированного рабочего места Клиента 175
4.6 Выводы 178
ГЛАВА 5 Реализация и экспериментальные исследования концепции и средств адекватного моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями 179
5.1 Экспериментальные исследования автоматического управления режимами энергокластера посредством управляемого шунтирующего реактора и коммутируемых конденсаторных батарей 183
5.2 Экспериментальные исследования автоматического управления режимами энергокластера посредством СТАТКОМ 210
5.3 Общий анализ результатов экспериментальных исследований 232
5.4 Выводы 241
Заключение 242
Список литературы
- Определение, анализ и обоснование причин существования проблемы адекватности и оперативности моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями
- Структуры средств реализации концепции моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями
- Математическая модель гибридного сопроцессора синхронных и асинхронных электрических машин
- Программное обеспечение автоматизированного рабочего места Клиента
Введение к работе
Проблема и актуальность. Сложность, протяженность, разветвлен-ность электроэнергетических систем (ЭЭС) и единство, непрерывность, быстротечность протекающих в них процессов генерации, преобразования, передачи, распределения и потребления электроэнергии при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах работы составляют объективную совокупность факторов зависимости надежности и эффективности ЭЭС от уровня и качества их автоматизации. Поэтому одной из основных тенденций современного развития и совершенствования ЭЭС является радикальное повышение их целенаправленной автоматической управляемости. Причем, поскольку наименее автоматизированной в настоящее время остается электросетевая составляющая ЭЭС, акцентными в этой тенденции становятся электрические сети, а главными средствами ее реализации устройства и технологии FACTS (Flexible Alternative Current Transmission Systems - Гибкие системы передачи электроэнергии переменным током) на базе силовой полупроводниковой электроники, которые совместно с внедрением микропроцессорной автоматики и информационно-управляющих систем, использующих новейшие достижения IT-технологий, позволяют преобразовывать существующие преимущественно пассивные электрические сети в активно-адаптивные (ААС) и, в конечном счете, создать ЭЭС с ААС. Однако, достижение этой цели связано с решением комплекса сложных и нестандартных задач проектирования, исследования и последующей эксплуатации ЭЭС с ААС, в частности:
определение и обоснование наиболее эффективных состава и мест установки устройств FACTS;
разработка и исследование законов и алгоритмов целенаправленного и системного управления конкретными устройствами FACTS, обеспечивающими регулирование напряжений и потоков реактивной мощности, увеличение пропускной способности линий электропередачи и распределение потоков мощности, демпфирование колебаний, минимизацию потерь, ограничение токов коротких замыканий, компенсацию гармоник, объединение несинхронно работающих энергорайонов и энергосистем;
достаточно полный и достоверный бездекомпозиционный анализ условий работы и функционирования силового оборудования, включая устройства FACTS, все виды и типы релейной защиты и автоматики (РЗА), а также определение адаптированных и адаптируемых к конкретным условиям настроек этих средств;
разработка и исследование создаваемых структур информационно-управляющих систем ЭЭС с ААС;
обеспечение возможности достаточно полного и достоверного автоматизированного анализа, в том числе оперативного и в реальном времени, непрерывного спектра текущих, ретроспективных и др. процессов, протекающих в оборудовании при различных режимах их работы для оценок апе-
риодической, колебательной, динамической устойчивости ЭЭС с ААС и других целей, а также создание обладающих данными свойствами и возможностями средств обучения и тренажа специалистов для работы в ЭЭС с ААС.
Если в обозначенных задачах исключить аспекты, присущие ЭЭС с ААС, то и в интерпретации для обычных ЭЭС однозначно прослеживается очевидное условие их надежного и эффективного решения – наличие необходимой для этого возможности получения, в том числе в реальном времени, полной и достоверной информации о процессах во всем значимом оборудовании и ЭЭС в целом при всевозможных нормальных и анормальных режимах их функционирования. Такая возможность, по вполне понятным причинам, может быть реализована только путем моделирования ЭЭС, причем преимущественно математического.
Большой вклад в развитие этой области науки внесли Арзамасцев Д.А., Аюев Б.И., Баринов В.А., Бартоломей П.И., Бушуев В.В., Веников В.А., Воропай Н.И., Гамм А.З., Гольдштейн В.Г., Горелов В.П., Гусев А.С., Дьяков А.Ф., Ерохин П.М., Жданов П.С., Зильберман С.М., Кочкин В.И., Кощеев Л.А., Кучеров Ю.Н., Лизалек Н.Н., Лоханин Е.К., Масленников В.А., Моржин Ю.И., Манусов В.З., Мисриханов М.Ш., Паздерин А.В., Рабинович М.А., Смоловик С.В., Соколов Н.Н., Строев В.А., Фишов А.Г., Хрущев Ю.В., Чебан В.М., Шакарян Ю.Г., Acha E., Andersson G., Hingorani N., Retanz C., Stychinski Z., Zhang X.-P. и др.
Между тем, во всех используемых в настоящее время для подобных целей многочисленных программах расчета режимов и процессов в реальных ЭЭС постоянно применяются, несомненно в ущерб полноте и достоверности, нередко неприемлемые для сложных задач, известные по специализациям и характеристикам данных программ упрощения и ограничения для математических моделей ЭЭС и условий их решения. Главной причиной необходимости этих упрощений и ограничений является то, что достаточно полная и достоверная трехфазная математическая модель любой реальной ЭЭС, с учетом допустимого частичного эквивалентирования, всегда содержит очень жесткую и чрезвычайно высокого порядка нелинейную систему дифференциальных уравнений, плохо обусловленную, согласно теории методов дискретизации для дифференциальных уравнений, на ограничительных условиях применимости методов их численного интегрирования, неизбежно составляющих вычислительное ядро программ этого назначения. Поэтому ее удовлетворительное решение маловероятно, а для улучшения обусловленности необходимо снижать жесткость, дифференциальный порядок, нелинейность и ограничивать интервал решения, осуществимые только за счет декомпозиции режимов и процессов ЭЭС, упрощения математических моделей оборудования и ЭЭС в целом, а также сокращения интервала воспроизведения процессов. Кроме того, безотносительно к конкретным методам численного интегрирования дифференциальных уравнений, упрощениям и ограничениям, всегда неизвестной остается присущая им действи-
тельная методическая ошибка решения, которая может накапливаться, и ее определение в теории этих методов отнесено к разряду фундаментальных проблем.
В силу методического характера рассмотренной причины, определяемые ею указанные негативные следствия возникают при сугубо численном моделировании любых больших динамических систем, независимо от используемой компьютерной техники, и в рамках этого одностороннего подхода принципиально неустранимы. Единственной методологической альтернативой, позволяющей радикально решать проблему адекватного моделирования больших динамических систем, может служить комплексный подход, представляющий собой в широком смысле гибридное (аналоговое, цифровое и физическое) моделирование, открывающий возможность для каждого значимого аспекта сложной проблемы подбирать и создавать наиболее эффективные методы и средства, агрегированная совокупность которых обеспечивает требуемый уровень решения проблемы в целом.
Данный подход изучается и обсуждается во многих развитых странах. В 1998 году в США инициирован и ежегодно проводится в разных странах международный симпозиум «Hybrid Systems: Computation and Control» (HSCC) (Гибридные системы: вычисление и управление).
Известные результаты разработки на основе комплексного подхода средств гибридного моделирования традиционных ЭЭС подтверждают эффективность этой методологической альтернативы. Вместе с тем, максимально достигаемый в соответствии с этим направлением технико-экономический результат всегда зависит от концепции, ориентированной на решение конкретной проблемы и всех ее значимых аспектов, определяющей создаваемые и агрегируемые для ее реализации средства, что исключает их невостребованную избыточность и связанные с этим усложнение и удорожание. Поскольку состав оборудования, функционирование и задачи проектирования, исследования и эксплуатации обычных ЭЭС и ЭЭС с ААС, значительно различаются, указанные средства концептуально не ориентированы на решение проблемы адекватного моделирования ЭЭС с ААС. Значительность этого различия определяется, прежде всего, наличием в ЭЭС с ААС быстродействующих устройств FACTS на базе управляемых полупроводниковых силовых ключей, непрерывно функционирующих, в том числе междуфазно, при различных режимах работы ЭЭС с ААС: статических ти-ристорных компенсаторов (СТК), управляемых шунтирующих реакторов (УШР), статических синхронных компенсаторов (СТАТКОМ), объединенных регуляторов потоков мощности (ОРПМ), управляемых продольных компенсаторов (УПК), фазоповоротных устройств (ФПУ), ограничителей токов коротких замыканий (ОТКЗ), вставок несинхронных связей (ВНС) и др., которые существенно изменяют и усложняют процессы в оборудовании и ЭЭС в целом, соответственно режимы и условия их работы, в том числе РЗА. Отмеченная специфика ЭЭС с ААС, особенно связанная с малоисследованными новыми динамическими свойствами такого рода электрических
сетей и энергосистем, не только радикально усложняет собственно проблему адекватного моделирования ЭЭС, но и порождает взаимосвязанную с ней проблему аналогичного моделирования информационно-управляющих систем целенаправленного и системного автоматического регулирования режимов и процессов в ЭЭС с ААС с помощью устройств FACTS, от решения которых зависит наличие указанной ранее возможности получения, в том числе оперативного и в реальном времени, полной и достоверной информации о всевозможных процессах в оборудовании и ЭЭС с ААС в целом, необходимой для их надежного и эффективного проектирования, исследования и эксплуатации. Рассмотренная актуальность реализации этой возможности определяет цель данной работы.
Целью работы является создание средств моделирования, позволяющих надежно и эффективно решать задачи исследования, проектирования и эксплуатации ЭЭС с ААС.
Для достижения этой цели разработана и реализована концепция адекватного моделирования ЭЭС с ААС. При этом были поставлены и решены следующие задачи:
-
Исследование проблемы и актуальности адекватного моделирования ЭЭС с ААС.
-
Обоснование и разработка концепции непрерывного трехфазного моделирования в реальном времени ЭЭС с ААС при различных режимах их работы, исключающей необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей оборудования, ЭЭС с ААС в целом и условий их решения и реализации.
-
Разработка структуры и принципов построения средств реализации концепции непрерывного трехфазного моделирования в реальном времени ЭЭС с ААС, агрегируемых в специализированную мультипроцессорную программно-техническую систему гибридного типа, образующую мультипроцессорную моделирующую систему реального времени ЭЭС с ААС (далее Моделирующая система).
-
Обоснование и синтез полных и достоверных математических моделей значимого основного и вспомогательного оборудования ЭЭС с ААС: устройств FACTS, синхронных и асинхронных электрических машин, первичных двигателей и систем возбуждения, трансформаторов, линий электропередачи и других элементов ЭЭС с ААС.
-
Разработка специализированных процессоров для всех видов основного оборудования ЭЭС с ААС, адаптируемых для их возможных типов и обеспечивающих непрерывное и методически точное решение в реальном времени и на неограниченном интервале математических моделей соответствующих видов и типов этого трехфазного оборудования с адекватным учетом функционирования вспомогательного и сопутствующего оборудования, в том числе средств РЗА, и осуществление всевозможных полностью управляемых продольных и поперечных трехфазных, пофазных коммута-
ций, а также все формы представления информации и ее функциональное преобразование.
-
Разработка структуры и принципов реализации программного обеспечения Моделирующей системы, обеспечивающих все виды современных автоматизированных и автоматических информационно-управляющих возможностей, необходимых для решения задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС с ААС.
-
Практическая реализация разработанных концепции и средств ее осуществления на базе новейших достижений интегральной микроэлектроники, микропроцессорной техники и IT-технологий.
-
Экспериментальное исследование функциональных и эксплуатационно-технических свойств и возможностей созданной Моделирующей системы.
Методы исследования. Решение поставленных в диссертации задач обусловило необходимость применения широкого спектра теоретических и экспериментальных методов и способов исследования: теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, теории линейных и нелинейных электрических цепей с сосредоточенными и распределенными параметрами, теории автоматического управления, теории точности и чувствительности вычислительных устройств, непрерывного неявного методически точного интегрирования дифференциальных уравнений, схемотехники на интегральных микросхемах, IT-технологий, технологий FACTS и пр. Кроме этого, специфика, свойства и возможности разработанных средств непрерывного моделирования в реальном времени ЭЭС с ААС обусловили и позволили обосновать и применить специализированную экспериментальную методику оценки функциональных характеристик этих средств. Данная методика основана на указанных особо выделенных свойствах и возможностях: непрерывности и бездекомпозиционности, использовании для воспроизведения всего спектра нормальных и анормальных процессов одних и тех же методически точно решаемых достаточно полных и достоверных всережимных математических моделей оборудования и ЭЭС с ААС в целом, которые в совокупности обеспечивают возможность названной оценки для всего спектра процессов по результатам моделирования ква-зиустановившихся процессов основной частоты 50 Гц, надежно проверяемых с помощью реальных данных оперативно-информационных комплексов (ОИК), SCADA ЭЭС.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
-
Предложена концепция, позволяющая реализовать непрерывное бездекомпозиционное трехфазное моделирование в реальном времени электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями.
-
Разработаны принципы и структура построения средств трехфазного моделирования в реальном времени электроэнергетических систем с актив-
но-адаптивными сетями, образующие специализированную мультипроцессорную программно-техническую систему гибридного типа.
-
Впервые на основе гибридного моделирования разработаны модели устройств гибких электропередач, позволяющие достоверно воспроизводить процессы при различных режимах их работы.
-
Разработаны и усовершенствованы специализированные процессоры, обеспечивающие методически точное решение синтезированных математических моделей элементов электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями.
-
Предложена структура и принципы построения программного обеспечения, позволяющие реализовать гибкое управление мультипроцессорной системой моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями.
Научно-техническая новизна ряда выполненных значимых разработок подтверждена патентами РФ на изобретения № 2469393, 2469394, 2479025, 2494457, 2500028.
Практическая ценность. Разработанная концепция адекватного моделирования ЭЭС с ААС и образующие специализированную мультипроцессорную моделирующую систему реального времени гибридного типа программно-технические средства ее осуществления, в отличие от используемых в настоящее время средств сугубо численного моделирования ЭЭС, исключают необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений применяемых моделей ЭЭС с ААС и условий их реализации, что позволяет:
полностью отказаться от декомпозиции режимов и процессов в оборудовании и ЭЭС с ААС в целом, существенно снижающей адекватность их моделирования;
разрабатывать и применять для моделирования всех видов и типов оборудования ЭЭС с ААС, в том числе устройств FACTS, высокоадекватные динамические математические модели, полно и достоверно описывающие весь реальный непрерывный спектр значимых процессов в моделируемом оборудовании и ЭЭС с ААС в целом при различных режимах их работы;
выполнять непрерывное в реальном времени и на неограниченном интервале методически точное решение жесткой нелинейной системы дифференциальных уравнений высокого порядка адекватной математической модели трехфазной ЭЭС с ААС практически неограниченной размерности;
осуществлять интерактивный, программно-процедурный и комбинированные режимы управления параметрами, настройками и моделированием в целом, а также отображением, функциональными преобразованиями и представлением информации в различных ее формах и видах;
реализовывать информационное и физическое взаимодействие с внешними программными и техническими средствами, в том числе по компьютерным сетям, в частности с реальными оперативно-информационными
комплексами ЭЭС, устройствами РЗА, системами автоматического управления (САУ) FACTS, информационно-управляющими системами ЭЭС с ААС, с целью автоматизированного и автоматического установления и отслеживания моделируемых квазиустановившихся режимов ЭЭС с ААС по текущим или ретроспективным данным телесигналов и телеизмерений, а также разработки, исследования и тестирования настроек, алгоритмов и законов целенаправленной локальной и системной работы этих средств;
обеспечивать, в том числе в реальном времени, все потенциально необходимые и профессионально ориентированные автоматизированные и автоматические информационно-управляющие свойства и возможности, необходимые для надежного и эффективного решения сложных задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС с ААС, а также подготовки и переподготовки инженерных кадров для данных энергосистем.
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 с ААС в целом при различных режимах их работы и обеспечиваются все, включая потенциально востребованные, информационно-управляющие свойства, которые в совокупности с указанной возможностью образуют условия, необходимые для надежного и эффективного решения задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС с ААС.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы реализованы в полном объеме в ряде научно-исследовательских работ, выполненных при непосредственном участии автора диссертации и под его научным руководством:
-
В НИР «Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем» по государственному контракту № П537 от 17.05.2010 г. в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (ФЦП «Кадры») на 2009-2013 годы, (Министерство образования и науки РФ (МОН РФ)).
-
В НИР «Разработка методов и средств управления интеллектуальными энергосистемами на Всережимном моделирующем комплексе реального времени электроэнергетических систем» по государственному контракту № 16.513.11.3123 от 13.10.2011 г. в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» МОН РФ (ФЦП «Исследования»).
-
В НИР «Информационно-телекоммуникационная моделирующая система реального времени интеллектуальных энергосистем» по государственному контракту № 07.514.11.4075 от 01.10.2011 г. в рамках ФЦП «Исследования».
-
В НИР «Разработка и экспериментальные исследования программно-аппаратных элементов блока моделирования автоматизированной системы интеллектуального управления высоковольтного преобразовательного
комплекса на базе вставки постоянного тока» по государственному контракту № 14.B37.21.1506 от 03.10.2013 г. в рамках ФЦП «Кадры».
-
В НИР «Разработка и создание гибридной модели энергоблока электростанции» по государственному заданию № 7.2826.2011 от 01.01.2012 г. (МОН РФ).
-
В НИР для ОАО «НТЦ ФСК ЕЭС»: х/д № 7-584/10у от 01.10.2010 г. «Разработка технических предложений по применению Всережимного моделирующего комплекса реального времени электроэнергетических систем «Томск» в составе активно-адаптивной сети МЭС Сибири и разработка моделируемой схемы режимов работы электрической сети напряжением 220 кВ и выше объединенной энергосистемы Сибири».
-
В НИР для ЗАО «НОВИНТЕХ»: х/д № 2-496/2011у от 03.10.2011 г. «Разработка проекта всережимной трехфазной модели энергокластера Эль-гауголь и создание программно-технической базы для решения задач адаптивной автоматической системы оптимального управления и регулирования напряжения и реактивной мощности».
Практическая реализация представленных в диссертации разработок и Моделирующей системы в целом, а также их испытание, исследование и внедрение осуществлялась под руководством автора диссертации его аспирантами и коллективом научно-исследовательской лаборатории «Моделирование электроэнергетических систем» Национального исследовательского Томского политехнического университета.
Личный вклад автора. Диссертация является результатом личных исследований автора, которые проводились под его руководством или при непосредственном участии. Результаты, определяющие научную новизну и практическую значимость работы, получены соискателем лично. В опубликованных в соавторстве работах, автору принадлежит постановка задачи, научное обоснование предложенных технических решений, разработка математических моделей и структурных схем, обобщение и анализ результатов исследований.
Под руководством автора диссертации по темам, являющимся фрагментами решаемой в ней проблемы, подготовлены два кандидата технических наук и осуществляется обучение аспирантов.
Основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:
-
Результаты исследования проблемы адекватного моделирования ЭЭС с ААС.
-
Предложенный альтернативный комплексный подход к решению проблемы адекватного моделирования ЭЭС с ААС, обеспечивающий надежное и эффективное решение сложных и актуальных задач их проектирования, исследования и эксплуатации.
-
Сформулированная и обоснованная концепция непрерывного адекватного моделирования в реальном времени трехфазных ЭЭС с ААС практически неограниченной размерности.
4 Результаты разработки средств реализации предложенной концеп
ции радикального решения проблемы адекватного моделирования ЭЭС с
ААС:
структурная схема мультипроцессорной программно-технической системы гибридного типа для достаточно полного и достоверного моделирования в реальном времени ЭЭС с ААС практически неограниченной размерности при всевозможных нормальных, аварийных и послеаварийных режимах их функционирования, в которой для достижения поставленной цели агрегированы функционально и информационно адаптируемая совокупность необходимых для этого специализированных процессоров и программного обеспечения;
единые принципы построения и структурные схемы универсальных для каждого вида оборудования специализированных процессов, обеспечивающих непрерывное и методически точное решение в реальном времени и на неограниченном интервале жестких нелинейных систем дифференциальных уравнений полных трехфазных моделей всех видов и типов оборудования ЭЭС с ААС и адекватное моделирование всевозможных трехфазных и пофазных продольных и поперечных коммутаций, средств РЗА, САУ FACTS, все формы представления, преобразования информации, включая функциональные, а также автоматизированное и автоматическое управление всеми параметрами и настройками;
структура и принципы реализации специализированного программного обеспечения Моделирующей системы, ориентированные на применение современных IT-технологий и эффективное решение задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС с ААС;
-
Результаты практической реализации разработанных средств адекватного моделирования ЭЭС с ААС на базе новейших достижений интегральной микроэлектроники, микропроцессорной техники и IT-технологий;
-
Результаты экспериментальных исследований, подтверждающие свойства и возможности созданной Моделирующей системы, необходимые для решения задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС с ААС.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на международных, всероссийских, отраслевых и региональных симпозиумах, конференциях, выставках и конкурсах: The 7th International Forum on Strategic Technology IFOST’2012 (Tomsk, 2012); 5-ой международной конференции «Либерализация и модернизация электроэнергетических систем: Smart-технологии для совместных операций в электрических сетях» (Иркутск, 2012); международной научно-практической конференции и выставке «Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем России: Релавэкспо-2012» (г. Чебоксары, 2012); III международной научно-технической конференции «Энергетика глазами молодежи» (г. Екатеринбург, 2012); 4-ой научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования релейной защи-
ты и противоаварийной автоматики в ОЭС Сибири» (г. Кемерово, 2012); IEEE Innovative Smart Grid Technologies Europe (Copenhagen, Denmark, 2013); International Conference on Smart Grid and Clean Technologies – ICSGCE (Kuala Lumpur, Malaysia, 2013); 59-ом всемирном салоне инноваций, научных исследований и новых технологий «Брюссель – Инно-ва/Эврика 2010» (серебряная медаль) (г. Брюссель, Бельгия, 2010); выставках "Электрические сети России» 2011 и 2012 (г. Москва); X московском международном энергетическом форуме «ТЭК РОССИИ В XXI ВЕКЕ» (г. Москва, 2012); 41-ой международной выставке изобретений «INVENTIONS GENEVA» (золотая медаль) (г. Женева, Швейцария, 2013); международном электроэнергетическом форуме UPGrid «Электросетевой комплекс. Инновации. Развитие» (г. Москва, 2012).
Публикации. По результатам выполненных исследований, разработок и их применения, связанных с темой диссертационной работы, опубликовано 35 научных работ, в том числе 5 патентов РФ на изобретение и 15 статей в рецензируемых изданиях перечня ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Общий объем представленного диссертационного материала составляет 273 страницы и включает в себя: оглавление, введение, пять глав, заключение, приложение и список литературы из 200 наименований. Основной материал диссертационной работы содержит 268 страниц, 171 рисунок и 2 таблицы.
Определение, анализ и обоснование причин существования проблемы адекватности и оперативности моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями
В соответствии с положениями и концепцией в целом, учитывая опыт создания в разное время и в разных странах разнообразных гибридных систем различного назначения, в том числе для моделирования ЭЭС, а также современные технологические и информационные тенденции и перспективы, разработана структура средств реализации предложенной концепции, образующая специализированную мультипроцессорную систему гибридного типа для моделирования в реальном времени ЭЭС с ААС. Основу разработанной структуры составляют адаптируемая совокупность СП и многоуровневая информационно-управляющая система. Все СП строятся по единым принципам и специализированы по видам моделируемого оборудования: электрическая машина, трансформатор, линия электропередачи, статический синхронный компенсатор и т.д., в рамках которых обеспечивается полная универсальность для всех возможных типов, а также адекватный учет соответствующих первичных двигателей, систем возбуждения, приводимых механизмов, средств РЗА и пр. При этом в Моделирующей системе осуществляются всевозможные продольные и поперечные трехфазные, включая пофазные, коммутации данного вида оборудования.
Для автоматизированного и автоматического выполнения информационно-управляющих функций и моделирования функционирования различного вспомогательного оборудования каждый СП содержит микропроцессорный узел.
Соответствующие топологии моделируемой ЭЭС с ААС автоматизированные и автоматические функциональные взаимосвязи конкретной совокупности СП реализуются посредством коммутаторов трехфазных узлов. Любые информационно-управляющие взаимодействия осуществляются с помощью микропроцессорных узлов, объединенных между собой и с сервером локальной компьютерной сетью, которые в совокупности с ПО образуют многоуровневую информационно-управляющую систему Моделирующей системы. При этом многоуровневость определяется многообразием функций, задач и существенными различиями в требованиях и условиях их выполнения. Согласно рассмотренным в данной главе концепции и структуре средств адекватного моделирования ЭЭС с ААС главную функцию времени этой проблемы выполняют специализированные процессоры Моделирующей системы, результатам разработки которых посвящена следующая глава диссертации.
В третьей главе «Специализированные процессоры мультипроцессорной моделирующей системы реального времени электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями» на основе соответствующих положений предложенной концепции адекватного моделирования ЭЭС с ААС определены и обоснованы единые принципы построения всех видов специализированных процессоров Моделирующей системы. Единство принципов построения специализированных процессоров обусловлено общностью целей, достигаемых осуществлением этих положений концепции:
обеспечением универсальности математического моделирования в рамках каждого вида основного оборудования, позволяющего моделировать все его конкретные типы, а также различные виды дополнительного и вспомогательного оборудования: системы возбуждения, первичные двигатели, приводимые механизмы, средства РЗА, САУ устройств FACTS, различные информационно-управляющие системы и др.;
применением для моделирования всех без исключения основных элементов трехфазных ЭЭС с ААС: электрических машин, трансформаторов, линий электропередач, устройств FACTS и других математических моделей, достаточно полно и достоверно описывающих в них реальный непрерывный спектр процессов при всевозможных режимах работы;
обеспечением непрерывного и методически точного решения в реальном времени и на неограниченном интервале, с приемлемой для всех задач проектирования, исследования и эксплуатации ЭЭС с ААС, инструментальной погрешностью жестких, нелинейных систем дифференциальных уравнений высокого порядка математических моделей основных элементов трехфазных ЭЭС с ААС;
наличием всех потенциально необходимых автоматизированных и автоматических современных информационно-управляющих свойств и возможностей: управления параметрами и коэффициентами математических моделей, а также продольными и поперечными трехфазными и пофазными коммутациями; представления и отображения, экспорта и импорта информации;
обеспечением адекватного функционального и эффективного информационного взаимодействия всех СП в моделируемых трехфазных ЭЭС с ААС практически неограниченной размерности;
ориентацией в реализации разработок всех СП на новейшие и перспективные достижения интегральной микроэлектроники, микропроцессорной техники и информационных технологий.
Структуры средств реализации концепции моделирования электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями
Соблюдение п.п.1–3 приводит к образованию математической модели ЭЭС с ААС, неизбежно содержащей чрезвычайно жесткую, нелинейную систему дифференциальных уравнений чрезмерно высокой размерности, в частности соотношение постоянных времени инерции роторов электрических машин и времен переключения силовых полупроводниковых ключей могут определять жесткость , а дифференциальный порядок математической модели средней по размерам ЭЭС с ААС будет кратно превышать . Ориентируясь на эти данные и предельно идеализируя условия численного интегрирования дифференциальных уравнений: исключаем влияние коэффициента е1Л на значение пошаговой ошибки АД 0 е " =е =1; ограничиваем интервал решения (воспроизведения процессов) лишь десятью секундами tИ =10 [с]; назначаем более чем оптимистичное значение локальной (пошаговой) методической ошибки dt «10-10 [о.е.]; исключаем ошибку округления электронных цифровых вычислительных машин сг. = 0, полагая ее разрядность стремящейся к ; принимаем минимальный дифференциальный порядок при постоянном и нереализуемом в настоящее время шаге интегрирования, соответствующем времени переключения быстродействующего силового полупроводникового ключа ht = м = 10 6 [с]; с помощью формулы (1.8) оцениваем потенциальную возможность и приемлемость даже значительно ограниченного численного интегрирования подобных систем дифференциальных уравнений: и / 10 = YeXA(d.+a.)-100% = И-N-e0-d.-100% = —-103 -10"10 -100% = 100%. t1 At 10"6 Полученный результат является наглядным теоретическим обоснованием несоответствия минимально необходимых параметров математических моделей ЭЭС с ААС определяемым теорией методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений ограничительным условием применимости этих методов, который не менее убедительно подтверждается характеристиками всех используемых в настоящее время, в том числе ранее указанных, программных и программно-аппаратных средств сугубо численного расчета режимов и процессов в ЭЭС. В средствах, позволяющих использовать трехфазные динамические модели элементов значительно и неприемлемо для моделирования реальных ЭЭС с ААС, ограничивается их размерность. При этом раздельно рассчитываются установившиеся режимы и на ограниченном интервале переходные процессы с неопределяемой ошибкой решения дифференциальных уравнений.
Расчет режимов и процессов реальных ЭЭС во всех программах, позволяющих производить такие расчеты всегда осуществляется с использованием: декомпозиции режимов и процессов на симметричные и несимметричные, установившиеся и различные стадии переходных процессов; однолинейных расчетных схем и соответствующих им математических моделей; статических моделей сетевого оборудования и электрической сети в целом; различного упрощения динамических моделей генераторов и особенно систем возбуждения и первичных двигателей; различного упрощения, как правило, предельного, моделей РЗА, САУ и информационно-управляющих систем; ограничения интервала решений (воспроизведения процессов), также с неопределенной действительной ошибкой этих решений.
В частности самая распространенная в российской электроэнергетике данного типа и назначения промышленная программа Мустанг позволяет производить расчеты только симметричных установившихся режимов и электромеханических переходных процессов в ЭЭС. Численное интегрирование дифференциальных уравнений в этой программе выполняется методом Адамса 4-го порядка, в котором предусмотрено изменение порядка системы дифференциальных уравнений и величины шага [20, 36, 87]. Другая подобная программа Eurostag, вторая по распространенности в России и широко используемая в Европе, принципиально отличается от предыдущей лишь возможностью применения метода симметричных составляющих и выполнения аналогичных расчетов и для несимметричных режимов. Кроме этого, численное интегрирование дифференциальных уравнений в данной программе осуществляется методом Нордсика, который, по мнению автора [87], представляет собой тот же метод Адамса фиксированного порядка, благодаря чему исключается его влияние на оценочную ошибку шага интегрирования и она становится связанной в этом методе только с величиной шага. Последнее позволяет более эффективно варьировать им и, ориентируясь на изменение оценочной шаговой ошибки при воспроизведении монотонных процессов, характеризующихся малыми производными, а также их изменениями и оценочной ошибки, значительно увеличивать интервал решения и воспроизведения такого рода процессов. Результаты вышеизложенного анализа убедительно показывают принципиальную неразрешимость проблемы адекватного моделирования ЭЭС с ААС в рамках превалирующего в настоящее время одностороннего сугубо численного подхода к моделированию ЭЭС. Поскольку каких-либо идей радикального расширения рассмотренных ограничительных условий применимости методов численного интегрирования дифференциальных уравнений, соответственно их свойств и возможностей, нет и пока не предвидится [36] единственным путем решения данной проблемы может быть только альтернативный комплексный подход, представляющий собой в широком смысле гибридное моделирование ЭЭС с ААС, которому несомненно присущи несоизмеримо большие возможности в решении любой сложной проблемы, тем более, что данный подход, как было отмечено во введении, рассматривается в последние годы научным сообществом в качестве подобной альтернативы для решения аналогичной проблемы адекватного моделирования больших динамических систем и в других областях науки и техники. При этом, очевидно, что эффективность комплексного подхода в решении любой конкретной проблемы полностью зависит от обоснованности соответствующей концепции и ее осуществления, результатом разработки и реализации которых для радикального решения актуальной проблемы адекватного моделирования ЭЭС с ААС посвящены следующие главы данной диссертации.
Математическая модель гибридного сопроцессора синхронных и асинхронных электрических машин
С учетом возможностей изменения, регулирования, обнуления любых настроечных коэффициентов, параметров в рассмотренных моделях систем возбуждения и АРВ и введения нередко применяемых для синхронных двигателей зоны нечувствительности в канале регулирования по отклонению напряжения статора от задаваемого значения, определяемой обычно диапазоном регулирования напряжения силовых трансформаторов, а также каналов регулирования по отклонению ( ) косинуса угла нагрузки ( ) или от заданного значения и активной, реактивной мощности ( ), приведенная библиотека математических моделей позволяет достаточно полно и достоверно воспроизводить функционирование всех видов и типов эксплуатируемых в российских энергосистемах систем возбуждения и АРВ. При этом все независимые переменные для этих моделей формируются в результате непрерывного решения в реальном времени в специализированном гибридном сопроцессоре электрических машин математической модели СД, оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя, преобразуются к нужному виду и используются по назначению в микропроцессорном узле СПМ, а зависимая переменная , являющаяся результатом реализации в микропроцессорном узле СПМ модели системы возбуждения и АРВ, вводится посредством цифро-аналогового преобразователя в дифференциальное уравнение контура возбуждения математической модели СД специализированного гибридного сопроцессора электрической машины.
Вводимая в дифференциальное уравнение движения ротора генератора (3.1) математическая переменная механического момента (момента турбины) формируется, согласно ранее изложенным и обоснованным принципам построения специализированных процессоров Моделирующей системы и в том числе конкретизированным для СПМ, в результате реализации в микропроцессорном узле СПМ, также как систем возбуждения и АРВ, соответствующей математической модели первичного двигателя (ПД) генератора, которым обычно служат разнообразные паровые турбины с различными котлоагрегатами и автоматическими системами их регулирования, вспомогательным оборудованием или гидротурбины и иногда газовые, парогазовые турбины и ветродвигатели. Принимая во внимание отмеченные в предыдущем разделе возможности изменения, регулирования, включая обнуление, всех настроечных коэффициентов и параметров реализуемых в микропроцессорных узлах математических моделей, позволяющие различным образом адаптировать и видоизменить синтезированные модели, а также формировать с помощью указанной там же САПР любые нужные модели, целесообразной становится, также как и для рассмотренного ранее моделирования систем возбуждения и АРВ, библиотека математических моделей основных и подавляюще распространенных первичных двигателей, обеспечивающих адекватное воспроизведение функционирования всех видов и типов паровых турбин с различными котлоагрегатами, гидротурбин, автоматических систем их регулирования и обозначенную адаптацию этих моделей. При этом ввиду очевидного принципиального отличия функционирования ветродвигателей в эту библиотеку включена также математическая модель данного вида первичного двигателя. Представленная структурная схема математической модели паровых турбин составлена на основе анализа и синтеза опубликованных результатов исследований конструктивных особенностей, специфики режимов работы и моделирования различных типов турбин данного вида: конденсационных, в том числе с промежуточным пароперегревом; с противодавлением; с промышленными и теплофикационными отборами пара, и обеспечивает в совокупности с далее рассмотренными математическими моделями котлоагрегатов и автоматических систем первичного регулирования частоты и мощности полное и достоверное воспроизведение функционирования всех перечисленных типов паровых турбин [108–113].
Программное обеспечение автоматизированного рабочего места Клиента
Основная база данных, как уже было отмечено, разделена на две части – пользовательские (именованные и относительные) параметры и двоичные (машинные) параметры. Первая часть индексируется пользовательскими именами элементов моделируемой ЭЭС с ААС, а вторая часть – номерами СП Моделирующей системы.
Имя элемента является индексом, определяющим блок данных элемента. Структура имени параметра показана на рисунке 4.7. Полное имя параметра содержит имя параметра и имя элемента, соединенные символом @. Такая структура напоминает структуру e-mail адреса. Имя параметра может также содержать необязательный компонент – единицу измерения в том случае, если значение параметра доступно в нескольких единицах. Если единица измерения не указана, то используется единица измерения по умолчанию. Обычно, это относительная единица (о.е.). Внутри блока данных элемента отдельные параметры индексируются именем параметра (без учета единицы измерения).
Для доступа к значению параметра используется двоичная база данных. Двоичная база данных индексируется номером СП Моделирующей системы – каждый элемент в этой базе принадлежит только одному СП Моделирующей системы. ПО микропроцессорного узла СП параметра индексируется его кодом (адресом). Каждый параметр соответствует одному адресу. Машинное (двоичное) значение параметра представляется коротким 16-ти битовым целым числом. Исключение составляют некоторые параметры, такие как мощность, которые из-за большого диапазона изменения значения представляются длинным 32-х битным числом – такие параметры занимают в двоичной базе два обычных места и соответствуют двум обычным параметрам.
Каждый параметр в пользовательской части базы данных имеет собственный функционал, который позволяет переводить пользовательское значение в двоичное и, наоборот, с учетом единицы измерения. То есть, запись параметра в пользовательскую часть базы данных приводит к вызову соответствующей функции параметра и записи результирующего значения в двоичную часть базы. И наоборот, чтение параметра из пользовательской части базы приводит к выборке двоичного значения и применения к нему обратного функционала.
В ПО Сервера выполняется множество различных процессов параллельно: взаимодействия с ПО АРМ Клиентов, для каждого из которых создается собственный параллельный процесс, взаимодействия с ПО микропроцессорных узлов СП Моделирующей системы, выполнение сценариев квазистатики и динамики. Общая структура процессов ПО Сервера приведена на рисунке 4.19. При старте ПО Сервера сразу создается 4 процесса: процесс, ожидающий соединения с ПО АРМ Клиентов, процесс, ожидающий получения данных от ПО МПУ СП Моделирующей системы; процесс, реализующий внутренние сценарии взаимодействия с ПО МПУ СП Моделирующей системы ; процесс, отслеживающий возможные ошибки в ПО СП Моделирующей системы.
Получение ПО Сервера от ПО микропроцессорного узла СП Моделирующей системы данных квазистатики осуществляется согласно приведенному ниже сценарию.
Переход в режим динамики и возврат в ПО Сервера обеспечивается выполнением определенной программной процедуры:
Каждое сообщение ПО Сервера формируется в двоичном виде и упаковывается в один Ethernet-IP-UDP фрейм. Сообщения делятся на локальные (unicast) и широковещательные (broadcast). Локальные сообщения направляются конкретному ПО микропроцессорного узла СП, а широковещательные всем. Локальные сообщения всегда предполагают ответное сообщение, а широковещательные не предполагают ответа. системы данных квазистатики
Хотя сообщение (команду) от ПО Сервера получает только ПО центрального процессора СП, тем не менее при необходимости она транслируется соответствующим ПО периферийных процессоров СП по внутренней широковещательной шине CAN. Все широковещательные команды отправляются однократно. Локальные (индивидуальные) команды отправляются с контролем ответа. Если ответ не приходит за заданное время таймаута, то ПО Сервера повторяет команду несколько раз и при отсутствии ответа аварийно завершается – это означает, что связь с ПО микропроцессорного узла СП потеряна и дальнейшее продолжение моделирования в Моделирующей системе невозможно.
В общем случае клиентов Моделирующей системы может быть множество, так как клиентами являются любые программные средства, взаимодействующие по определенному протоколу с ПО Сервера, в том числе программные агенты связи с различными ПО ОИК, Scada, САУ и ЭЭС с ААС, программами расчета режимов и процессов в ЭЭС и др., взаимопреобразующие форматы данных этих программ и Моделирующей системы. При этом, собственно пользователем Моделирующей системы всегда является ПО АРМ Клиента, состоящее из четырех программных документов, образующих соответствующие подсистемы этого ПО: подсистему форм, подсистему осциллографирования квазиустановившихся и переходных процессов, подсистему сценариев установления нужных квазиустановившихся режимов, подсистему сценариев динамики, которое непосредственно взаимодействует по протоколу TCP/IP на основе XML-запросов (сообщений) с ПО Сервера Моделирующей системы.
Программный документ, образующий подсистему «Формы» ПО АРМ Клиента содержит разнообразные динамические панели отображения моделируемых схем оборудования, электрической сети, ЭЭС с ААС в целом и размещаемых на них различных цифровых и графических приборов, отображающих текущие значения режимных величин, а также цифровых приборов интерактивного задания конструктивных и настроечных параметров воспроизводимого оборудования и управления ими. Кроме этого, на формах помещаются различного назначения сервисные кнопки переходов к другим формам, в том числе согласованным между собой иерархически и по уровням детализации информационно-управляющих возможностей. На рисунках 4.22–4.32 представлены варианты динамических панелей наблюдения и интерактивного управления (ДПНУ) ряда основных элементов ЭЭС с ААС, которые, а также любые другие, пользователь может создавать по своему усмотрению с помощью редактора, предусмотренного в ПО АРМ Клиента.
Похожие диссертации на Мультипроцессорная моделирующая система реального времени электроэнергетических систем с активно-адаптивными сетями
