Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Научно-технические проблемы регулирования напряжения в электротехнических комплексах 11
1.1 Характеристика объекта исследования 11
1.2 Причины возникновения отклонений напряжения от рационального уровня 18
1.3 Влияние отклонения напряжения от рационального уровня на работу элементов электротехнического комплекса 20
1.3.1 Асинхронные двигатели 20
1.3.2 Синхронные двигатели 22
1.3.3 Силовые трансформаторы 22
1.3.4 Сети освещения 23
1.4 Способы регулирования напряжения 25
1.4.1 Групповое регулирование 26
1.5 Выводы к главе 1 28
Глава 2 Технические средства регулирования напряжения 30
2.1 Устройство продольно-емкостной компенсации 31
2.2 Вольтодобавочный трансформатор 33
2.3 Автоматический регулятор напряжения на базе автотрансформатора 35
2.4 Устройство регулирования напряжения под нагрузкой силовых трансформаторов 39
2.5 Статические компенсаторы реактивной мощности 48
2.6 Динамический компенсатор искажений напряжения 50
2.7 Параллельный активный фильтр 52
2.8 Выводы к главе 2 55
Глава 3 Методы расчетов и оптимизации режимов электрических систем. Применение методов нечеткой логики в задаче регулирования напряжения 56
3.1 Методы расчетов и оптимизации режимов электрических систем 56
3.2 Задача рационализации режима напряжения при использовании теории нечетких множеств 58
3.3 Формирование нечетких множеств в задаче регулирования напряжения 60
3.4 Формирование базы правил и приведение к нечеткости 65
3.5 Нечеткий вывод 68
3.6 Процедура композиции 70
3.7 Приведение к четкости 72
3.7.1 Агрегация локальных выводов 72
3.7.2 Дефаззификация 72
3.8 Формы представления нечетких множеств для вычислительной техники 73
3.8.1 Функциональное представление нечетких множеств 73
3.8.2 Парное представление нечетких множеств при микропроцессорном решении задачи регулирования 74
3.9 Применение нечеткой логики в задачах микропроцессорного управления 75
3.10 Выводы к главе 3 76
Глава 4 Алгоритм и устройство регулирования напряжения с применением методов нечеткой логики. Экспериментальные исследования 77
4.1 Задачи регулирования 77
4.2 Структура нечеткого управления при регулировании напряжения 81
4.3 Алгоритм регулирования напряжения по определяющему присоединению 83
4.4 Компьютерное моделирование устройства регулирования напряжения 87
4.5 Эмулирование микроконтроллера в среде PROTEUS 98
4.6 Экспериментальный комплекс регулирования напряжения под нагрузкой 104
4.7 Устройство управления электрической нагрузкой 108
4.8 Устройство динамического управления электрической нагрузкой с применением нечеткой логики 114
4.9 Выводы к главе 4 120
Заключение 122
Список литературы 124
- Влияние отклонения напряжения от рационального уровня на работу элементов электротехнического комплекса
- Статические компенсаторы реактивной мощности
- Функциональное представление нечетких множеств
- Компьютерное моделирование устройства регулирования напряжения
Введение к работе
Актуальность работы. На современном этапе развития сложных электроэнергетических систем и комплексов, особенно актуальным является решение задач, связанных с разработкой и внедрением энергоэффективных технологий. Критерием эффективности, в данном случае, является минимизация потерь электрической энергии при условии соблюдения норм ее качества как в удаленных точках электросети, так и на шинах главных понизительных подстанций.
Одним из наиболее эффективных способов минимизации потерь электроэнергии является групповое регулирование напряжения, осуществляемое за счет изменения коэффициента трансформации силовых трансформаторов под нагрузкой. При этом, для реализации эффективного управления режимом напряжения в сети необходимо учитывать протяженность отходящих линий, мощность потребителей, распределение нагрузки и режимы ее работы в электрической сети, регулирующие эффекты по напряжению, наличие и состав локальных устройств регулирования и компенсации отклонения напряжения.
В условиях ограниченного объема средств измерения и передачи данных об электропотреблении отдельных потребителей, а также стохастического характера изменения указанных выше параметров, удобным инструментом для решения поставленной задачи являются лингвистические методы обработки данных на основе теории нечетких множеств. Данный подход позволяет определить рациональный уровень напряжения в системе электроснабжения промышленных предприятий в реальном режиме времени, за счет чего становится возможным минимизировать потери электрической энергии в распределительных сетях и снизить электроэнергетическую составляющую себестоимости конечного продукта промышленных предприятий.
Степень разработанности.
Проблемой эффективности группового регулирования напряжения занимались Абрамович Б.Н., Полищук В.В., Тарасов Д.М., Kundur P., Wood A.J., Wellberg B.F. и др. Теория регулирования напряжения в распределительных сетях с применением интеллектуаль-
ных систем управления разрабатывалась Манусовым В.З., Жмаком Е.И., Мятежом А.В., Kasztenny B. и др.
В работах Жмака Е.И., Мятежа А.В., Kasztenny B. обосновано применение интеллектуальных систем на основе нечеткой логики в задачах регулирования напряжения и доказана их высокая эффективность по сравнению с классическими алгоритмами управления при встречном регулировании напряжения. Однако не учтены особенности электротехнических комплексов промышленных предприятий, характеризуемых наличием рассредоточенных и удаленных от центров питания электропотребителей, большим удельным весом нелинейных нагрузок, несбалансированными, а зачастую «прерывистыми» режимами питания технологических и вспомогательных электроустановок.
В работе Тарасова Д.М. составлена целевая функция, позволяющая определить оптимальный уровень напряжения в центрах питания при групповом регулировании. Показано, что на величину целевой функции наибольшее влияние оказывают регулирующие эффекты узлов нагрузки по напряжению, протяженность присоединения, мощность нагрузки отдельных узлов и их распределение вдоль линии. Однако, в работе не учитывается наличие локальных средств регулирования и компенсации отклонения напряжения.
В настоящее время не решен ряд вопросов, касающихся выявления числа независимых параметров, характеризующих режим напряжения, также предела их вариаций, позволяющих реализовать рациональное управление режимом напряжения с использованием методов нечеткой логики, при котором обеспечивается минимум затрат на потребление электроэнергии в условиях территориально рассредоточенной нагрузки и ограниченного объема средств сбора и передачи данных.
Цель работы заключается в повышении эффективности группового регулирования напряжения в центрах питания предприятий промышленного комплекса в условиях территориально рассредото-
ченной нагрузки и ограниченного объема средств измерения и передачи данных о состоянии энергопотребления.
Идея работы. Поставленная цель достигается путем группового регулирования напряжения, при котором уровень напряжения на главной понизительной подстанции (ГПП) устанавливается в соответствии с оценкой информации о параметрах отходящих присоединений на основании нечеткого логического вывода, включая мощность потребителей, протяженность и распределение нагрузки вдоль линий, регулирующие эффекты активной мощности, наличие локальных устройств регулирования в системе.
Задачи исследования:
анализ научно-технических проблем и средств группового управления режимом напряжения в распределительных сетях промышленных предприятий, а также способов их реализации;
обоснование метода нахождения рационального уровня напряжения в условиях неопределенности входной информации о состоянии и электропотреблении в участках радиально-магистральных распределительных сетей электротехнического комплекса;
разработка структуры и алгоритмов управления, обеспечивающих определение, формирование и поддержание на рациональном уровне напряжения на шинах ГПП промышленных предприятий, при котором обеспечивается минимизация потерь электроэнергии;
разработка устройства регулирования напряжения, способного реализовать лингвистическую обработку данных, осуществлять автоматический выбор определяющей линии в реальном режиме времени, с учетом разнородности и разновременности нагрузки, регулирующих эффектов и ее распределения вдоль питающей линии.
Научная новизна работы заключается в обосновании метода группового регулирования напряжения в центрах электроснабжения промышленных предприятий, позволяющего с помощью теоретиче-
ских положений нечеткой логики выявить характеристики определяющего присоединения в условиях вариации параметров режима электропотребления в распределительной сети, при которых обеспечивается минимизация потерь электроэнергии при заданных параметрах режима напряжения.
Практическая значимость работы заключается в том, что предложенные технические решения позволяют повысить эффективность используемых алгоритмов управления режимами энергосистем, что приведет к улучшению технико-экономических показателей электротехнического комплекса, снижению технологического расхода электроэнергии, связанного с ее передачей, улучшению качества электроснабжения потребителей, снижению отказов работы устройств регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) трансформаторов.
На предлагаемые устройства регулирования напряжения с использованием методов нечеткой логики получены Патент №2416855 и Патент №2467447.
Предложенные технические решения приняты ООО «КИНЕФ» к применению при проектировании новых систем электроснабжения, а также при модернизации и реконструкции существующих.
Методы исследований. В работе использовались методы теории электрических цепей, теории систем электроснабжения, численные методы решения уравнений, математическое, физическое и компьютерное моделирование, теория нечетких множеств, методы теоретического и экспериментального определения параметров и характеристик электротехнических комплексов. Положения, выносимые на защиту: 1. Выявленные зависимости и диапазоны вариации лингвистических параметров, характеризующих состояние электротехнического комплекса в произвольный момент времени в условиях территориально рассредоточенных электропотребителей и минимального объема средств сбора и передачи данных, позволяют определить рациональный уровень напряжения в системе
электроснабжения, при соблюдении требований, предъявляемых к качеству электроэнергии. 2. Разработанные алгоритмическое обеспечение и структура электротехнического комплекса регулирования напряжения под нагрузкой позволяют осуществить групповое управление режимом напряжения в соответствие с рациональным уровнем напряжения путем изменения коэффициента трансформации силового трансформатора при использовании устройства регулирования под нагрузкой, оснащенного фаззи-логической системой управления.
Степень достоверности научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается использованием известных положений теории электрических цепей, математической статистики и теории вероятностей, методов математического моделирования и теории оптимизации, а также достаточной сходимостью теоретических и экспериментальных исследований.
Апробация. Основные положения и научные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на II Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых «Электротехнологии, электропривод и электрооборудование предприятий» (Уфа, УГНТУ, 2009), Всероссийской конференции студентов выпускного курса (Санкт-Петербург, СПГГУ, 2011г), Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, СПГГУ, 2011г), Научно-практической конференции с международным участием «НЕДЕЛЯ НАУКИ СПбГПУ» (Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2012), Международном форум-конкурсе молодых ученых «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», 2013г), 10-ой Международной научной школе молодых ученых и специалистов «Проблемы освоения недр в XXI веке глазами молодых» (Москва, ИПКОН РАН, 2013).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 3 - в изданиях, рекомендованных ВАК, получено 2 патента Российской Федерации.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения, изложенных на 135 страницах. Содержит 44 рисунка, 6 таблиц, список литературы из 71 наименования.
Влияние отклонения напряжения от рационального уровня на работу элементов электротехнического комплекса
Работа каждого электроприемника электротехнического комплекса промышленных предприятий характеризуется определенными техническими показателями, которые влияют на экономичность и надежность работы как самого электроприемника, так и связанных с ним механизмов. Отклонение напряжения от рационального уровня в промысловых сетях предприятий нефтедобычи непосредственно влияет на данные технические показатели и ведет к изменению результатов работы всех технологических и вспомогательных систем. [65]
Наиболее распространенными токоприемниками в промысловых сетях нефтедобывающего и перерабатывающего комплекса являются асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором. Асинхронные электродвигатели зачастую выполняют все основные операции технологического процесса.
Влияние изменений напряжения на электромеханические характеристики асинхронного двигателя
На рисунке 1.2 представлена зависимость между электромагнитным моментом Мэл и скольжением s при f = const, U = Uном. Здесь же приведена зависимость вращающего момента рабочего механизма Ммех от его скорости вращения. Точка 1 соответствует работе двигателя с номинальной нагрузкой, при этом скольжение двигателя соответствует номинальному скольжению - SHOM. При длительном понижении напряжения, подводимого к зажимам электродвигателя механическая характеристика двигателя изменится и может быть представлена зависимостью момента от скольжения M3Jll=f(s). Характеристика Ммех остается прежней. При режиме работы электродвигателя в точке 2, скольжение двигателя увеличится, т.е. s2 SHOM, а Ммех2 Мнот т.е. производительность механизма, приводимого во вращение этим электродвигателем падает. При дальнейшем длительном снижении напряжения происходит дальнейшее ухудшение технических характеристик приводимого им во вращение механизма. Запуск двигателя при пониженном напряжении (/?), когда его скольжение s —» 1, невозможен, так как Мэл2 Ммех. [52]
Расчеты показывают, что при снижении напряжения на зажимах двигателя на 15 % от UHOM его электромагнитный момент Мэл снижается до 72 % от Мном и снижается коэффициент запаса устойчивости, характеризуемый отношением максимального вращающего момента к номинальному, который регламентируется стандартами на конкретные виды асинхронных электродвигателей. При провалах напряжения ниже допустимого уровня двигатель опрокинется. [48]
В случае снижения напряжения на зажимах электродвигателя при той же потребляемой мощности увеличивается ток, потребляемый из сети. При этом происходит более интенсивный нагрев обмоток двигателя и соответственно снижается срок его службы. Например, если длительное время двигатель работает при напряжении, равном 0,9 UHOM срок его службы сокращается примерно вдвое. Устойчивая работа приводного асинхронного двигателя технологического оборудования при широком диапазоне изменения момента сопротивления определяется величиной напряжения при пуске, частотой и продолжительностью пуска, а также способом питания электродвигателя. [1]
Повышение напряжения на зажимах электродвигателя приводит к увеличению потребляемой им реактивной мощности. В среднем на каждый процент повышения напряжения потребляемая реактивная мощность увеличивается на 3 % и более (в основном за счет увеличения тока холостого хода) для электродвигателей серии А мощностью (20 - 100) кВт, а для двигателей меньшей мощности на (5 - 7) %. [1]
Повышение напряжения на зажимах СД приводит к значительному снижению его располагаемой мощности вследствие увеличения реактивной составляющей холостого хода двигателя. [2]
Располагаемая реактивная мощность Qpc и потери активной мощности АР являются функциями коэффициента m загрузки статора синхронного двигателя (СД) и напряжения на его зажимах: где т = Р/Рн - относительная величина потребляемой СД активной мощности; [//= Q/QH - относительная величина генерируемой или потребляемой реактивной мощности; U — относительная величина напряжения на зажимах двигателя. Практически значения т могут изменяться от 0,5 (режим, близкий к холостому ходу СД) до 1,1 и ц/ от - 0,6 (режим потребления реактивной мощности) до ц/рс (относительная величина располагаемой СД реактивной мощности при рассматриваемых значениях [/и т). [8]
Снижение напряжения у трансформаторов при неизменной мощности приводит к увеличению тока в обмотках. Во многих случаях это не представляет опасности для трансформаторов, т.к. их номинальная мощность SHOM часто превышает нагрузку, и конструкция трансформаторов позволяет допускать некоторую перегрузку. Однако при оценке возможности перегрузки необходимо правильно определять ожидаемый максимальный ток, на величину которого может оказать влияние снижение напряжения на зажимах трансформатора. [26]
Более опасным для трансформатора может оказаться повышение подводимого к нему напряжения. Связано это с существенным увеличением намагничивающего тока, которое у трансформаторов более заметно вследствие резкого увеличения реактивного сопротивления намагничивания. Это характерно при превышении номинального напряжения регулировочного ответвления обмотки. Значительный рост тока намагничивания при увеличении напряжения на ответвлении объясняется работой трансформаторов в области нелинейной характеристики намагничивания, а это приводит к искажению кривой тока намагничивания и появлению высших гармоник, которые обуславливают увеличение потерь активной мощности в магнитопроводе и его дополнительный нагрев. [26]
Высшие гармонические составляющие вызывают в трансформаторах дополнительные потери в обмотках, увеличение потерь, связанных с вихревыми токами и гистерезисом. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы магнитопровода. Указанные явления, в конечном счете, приводят к сокращению срока службы трансформатора. [27]
Снижение уровня напряжения является причиной уменьшения светового потока ламп накаливания и их к.п.д. При снижении напряжения на 5% световой поток уменьшается на 18%, при падении напряжения до 10% происходит уменьшение потока уже более чем на 30%, что приводит к значительному уменьшению освещенности. [26]
При увеличении напряжения световой поток ламп накаливания заметно повышается, но значительно уменьшается срок службы ламп. Так, при повышении напряжения на 10% световой поток ламп накаливания увеличивается приблизительно на 30%, при этом срок службы ламп сокращается почти в 3 раза. [26]
Люминесцентные лампы менее чувствительны к отклонениям напряжения. При повышении уровня напряжения потребляемая мощность и световой поток таких ламп увеличиваются, а при снижении – уменьшаются, но не в такой степени как у ламп накаливания. При пониженном напряжении условия зажигания люминесцентных ламп ухудшаются, поэтому срок их службы, определяемый распылением оксидного покрытия электродов, сокращается как при отрицательных, так и при положительных отклонениях напряжения. [26,63]
При отклонениях напряжения на ±10 % срок службы люминесцентных ламп в среднем снижается на 20–25 %. Существенным недостатком люминесцентных ламп является потребление ими реактивной мощности, которая растет с увеличением подводимого к ним напряжения. [26,63]
Статические компенсаторы реактивной мощности
С учетом бурного развития силовой электроники, основными перспективными устройствами компенсации провалов и искажений напряжения в настоящее время являются устройства статической и динамической компенсации отклонения напряжения.
На рисунке 2.15 приведена схема устройства статической компенсации реактивной мощности. Схема включает двухуровневый преобразователь напряжения (ПН), выполненный на основе IGBT транзисторов и параллельно включенных диодов, и работающий в режиме ШИМ, конденсаторную батарею Cd на стороне постоянного напряжения Ed, фазный реактор Lp и широкополосный пассивный фильтр Cф, Lф, Rф, настроенный на подавление гармоник. [47] Предполагая, что реактивная мощность устройства, которую оно может генерировать или потреблять, равна QСТ, то тогда реактивная мощность узла нагрузки Qн может изменяться в пределах от Qmax=Qн+QСТ до Qmin=Qн-QСТ. Для гарантированного поддержания заданного коэффициента мощности нагрузки QСТ должна быть несколько больше Qн. При существенном снижении напряжения в узле нагрузки компенсатор становится источником тока Ip и поэтому выдаваемая им реактивная мощность не уменьшается. [39]
Для управления устройством СТАТКОМ используется генератор напряжения с ШИМ, создающий три синусоидальных модулирующих напряжения, образующих трехфазную систему. Управление транзисторами IGBT каждой фазы осуществляется независимо – путем наложения напряжения несущей частоты соответствующей синусоиды модулирующего напряжения. При этом в любой момент должен быть включен лишь один из двух транзисторов каждой фазы. В момент пересечения синусоидальных напряжений сети ua,b,c с пилообразным напряжением треугольной формы uШИМ (частота fШИМ 1 кГц) происходит формирование импульсов управления силовыми ключами. [64]
Непременным условием нормальной работы преобразователя напряжения является поддержание постоянным напряжения Ed на конденсаторной батарее Cd.
Основными функциями таких компенсаторов, влияющих на отклонение напряжения в сети, являются:
- подавление колебаний напряжения в узле нагрузки за счет компенсации резкопеременной реактивной мощности Qн;
- регулирование напряжения в узле нагрузки путем изменения потоков реактивной мощности;
- устранение несимметрии напряжения, вызванной неравномерным распределением реактивной мощности по фазам;
- повышение устойчивости узла нагрузки благодаря тому, что при отклонении напряжения устройство работает в режиме источника тока независимо от напряжения в узле нагрузки. [33]
Преимущество устройств данного типа перед синхронными компенсаторами заключается в более высокой эксплуатационной надежности. При сравнении с тиристорно-реакторными устройствами компенсации, статический компенсатор снижает вероятность возникновения резонансных явлений, обусловленных наличием конденсаторных установок. Однако основным недостатком рассмотренного устройства статической компенсации реактивной мощности и отклонения напряжения является реакция только на реактивную составляющую тока нагрузки в процессе компенсации указанных параметров. 2.6 Динамический компенсатор искажений напряжения
Одной из наиболее современных разработок в области компенсации отклонения напряжений является устройство динамической компенсации искажений напряжения (ДКИН), функциональная и структурная схемы которого представлены на рисунках 2.16 и 2.17 соответственно. [24]
На рисунке 2.16 показаны: 1 – входной трансформатор; 2 – тиристорный управляемый выпрямитель; 3 –аккумулирующие конденсаторы; 4 – управляемый инвертор на базе ПУВ; 5 - вольтодобавочный трансформатор; 6 – фильтр высших гармонических составляющих напряжения; 7 – выключатели; 8 – защитное устройство ДКИН; 9 – байпасный выключатель; Uс – напряжение энергосистемы; Uн – напряжение на нагрузке; UDр – положительное напряжение постоянного тока; UDm – отрицательное напряжение постоянного тока; dUВ – напряжение компенсации отклонения. Динамический компенсатор представляет собой преобразователь напряжения с пофазным управлением на базе полностью управляемых выпрямителей, который подключен к сети питания потребителя и через вольтодобавочный трансформатор перераспределяет мощности таким образом, чтобы добавка напряжения на вторичной обмотке полностью компенсировала отклонение напряжения. [24]
Динамические компенсаторы искажения напряжения позволяют обеспечить синусоидальную форму выходного напряжения, компенсируя гармонические составляющие сети, при этом обладают высокой надежностью в виду отсутствия подвижных частей и механизмов, что обуславливает малые эксплуатационные затраты по сравнению с аналогичным оборудованием для компенсации искажений кривой напряжения на базе автотрансформаторов и устройств регулирования под нагрузкой. Время реакции на кратковременные нарушение электроснабжения у таких устройств составляет 1-2 мс. [24,25,41]
Однако данному типу устройств присущ ряд недостатков:
- отсутствие блока синхронизации напряжения добавки с напряжением сети;
- отсутствие возможности компенсации провалов на протяженных линиях. С учетом указанных недостатков, применение данного типа устройств в
условиях предприятий нефтедобывающего комплекса должно быть обосновано и производиться в комплексе с другими техническими средствами регулирования уровня напряжения в системе.[19,20]
Функциональное представление нечетких множеств
При компьютерной реализации управляющей системы база правил формировалась в виде данных о структурах и операциях над ними. Нечеткие множества представлялись в двух формах: функциональном и парном представлении.
Функциональный тип представления классифицировался как непрерывный, и характеризовался функциональной зависимостью/х/
При описании функционального представления дискретным способом использовался вариант векторного представления, который является дискретной аппроксимацией непрерывной области в виде парного представления с равноточной дискретной областью. Название такого вида представления связано с тем, что значения принадлежности в памяти компьютера запоминаются как вектор. [55]
Следует отметить, что при функциональном представлении возникают затруднения осуществления операций с нечеткими множествами других типов, например, с дискретными. При функциональном представлении удобно работать с компьютером, оперирующим с символьными переменными. Но во многих случаях результат не может быть представлен в символьной форме в виде функциональной зависимости. Таким образом, при микропроцессорном решении практических задач необходима дискретизация непрерывной области. [55] 3.8.2 Парное представление нечетких множеств при микропроцессорном решении задачи регулирования
При компьютерной реализации парное представление определялось в виде нечетких пар, совокупностью представляющих область определения функции принадлежности: где X; - дискретные значения аргумента; /ij - дискретные значения фукции.
Таким представлением описывались дискретные нечеткие множества. На практике данный способ реализовался точечным способом. При этом шаг дискретизации не обязательно мог представляться эквидистантным. Промежуточные значения получались методом линейной интерполяции. Данный способ представления имеет преимущество перед векторным представлением, так как отсутствуют ограничения, связанные с эквидистантной дискретизацией. Точечный способ решения задач часто используется в программном обеспечении компьютера, так как позволяет решать задачи с использованием нечеткого управления. Так, например, треугольная функция принадлежности задавалась тремя точками, а все остальные получались путем интерполяции. [49]
Практика показала, что при компьютерной реализации чаще всего используется именно парное представление, а функциональное - лишь для компьютеров, имеющих символьную форму операций, что требует, соответственно, большего времени на вычисления. [49] 3.9 Применение нечеткой логики в задачах микропроцессорного управления
В настоящее время актуальным является вопрос быстродействия вычислительной техники в задачах управления режимами напряжения, так как формализация таких задач сопряжена с решением систем интегрально-дифференциальных уравнений. Как уже было сказано, существует подход к использованию человеческого опыта или послеопытной достоверной информации к управлению объектами, что реализуется при помощи нечеткой логики в структуре управления объектом. В настоящее время, аппарат нечеткого логического управления может поддерживаться системой как программно, так и аппаратно. [30]
В общем случае, информация проходит три стадии обработки:
- преобразование входной физической переменной в нечеткое множество процедура фаззификация;
- логическая обработка нечетких переменных (композиция, импликация) базы правил контроллера, получение локального и общего вывода из базы правил в виде нечеткого множества;
- преобразование нечеткого множества в физическую переменную -процедура дефаззификации.
Поэтому, блочную схему нечёткого регулятора можно представить состоящей из трёх основных блоков, что проиллюстрировано на рисунке 3.5.
В третьей главе диссертационной работы рассмотрены вопросы применения методов теории нечеткой логики при решении задач по оптимизации режимов напряжения. На основании приведенных в данной главе теоретических сведений можно сделать следующие выводы:
1. Обосновано применение методов нечеткой логики для выявления определяющего присоединения в системе электроснабжения с учетом стохастического характера изменения параметров, характеризующих состояние электротехнического комплекса.
2. Сформированы лингвистические переменные, характеризующие отходящие присоединения в системе электроснабжения и позволяющие учесть состав нагрузки, ее распределение вдоль питающих линий, протяженность отходящих присоединений, регулирующие эффекты по напряжению и наличие локальных устройств регулирования напряжения. Для каждой лингвистической переменной задан набор термов и определены функции принадлежности.
3. Разработана процедура нечеткого логического вывода в соответствии с алгоритмом Мамдани, для которой определены способы вывода, композиции, агрегации и дефаззификации, с учетом специфики задачи регулирования напряжения в электротехнических комплексах.
4. Составлена база правил, характеризующая отношения лингвистических переменных по каждому присоединению к выходной переменной на основе экспертной оценки состояния электротехнического комплекса в произвольный момент времени.
5. Определен способ формализации нечетких множеств на основе парного представления для реализации компьютерной модели и физической экспериментальной установки, оснащенной микропроцессорной системой управления.
Компьютерное моделирование устройства регулирования напряжения
В случае регулирования напряжения на шинах потребителя в качестве нечёткого алгоритма был выбран алгоритм Мамдани. Это объясняется несколькими факторами:
- Простота реализации при программировании.
- Алгоритм Мамдани позволяет составить меньшее количество правил, нежели требуется при других способах создания базы правил.
Данный алгоритм является наиболее часто применяемым на практике, т.к. очень хорошо себя зарекомендовал в ряде задач управления в режиме реального времени. Математически он может быть описан следующей последовательностью шагов [43]:
- нечеткость: находятся степени истинности для предпосылок каждого правила;
- нечеткий вывод: находятся уровни «отсечения» для предпосылок каждого из правил (с использованием операции min), затем находятся усеченные функции принадлежности;
- композиция: с использованием операции max (обозначаемой как «V») производится объединение найденных усеченных функций, что приводит к получению итогового нечеткого подмножества для переменной выхода с функцией принадлежности;
- дефаззификация: проводится методом центра тяжести.
При компьютерном моделировании использовалась среда Matlab. Первоначальным этапом стало описание функций принадлежности и создание базы правил в пакете расширения Fuzzy Logic Toolbox. Для отработки алгоритма регулирования использовалось шесть параметров, описывающих режим отходящего присоединения: мощность нагрузки S, длину линии L, распределение нагрузки вдоль линии R(L) и регулирующий эффект по напряжению P(U), категория ущерба (К), наличие локальных устройств регулирования (С), которые, в свою очередь, описывались соответствующими термами.
Редактор Функций Принадлежности в пакете расширения Fuzzy Logic Toolbox представлен на рисунке 4.2. Шесть лингвистических параметров, характеризующих присоединение, так же термы, описывающее режим напряжения, задавались с помощью треугольной формы отображения терм-множеств на интервале [0, 1]. Интервалы и количество термов, характеризующих каждый лингвистический параметр, задавались в соответствии с описанием, приведенным в главе 3.
Настройка алгоритма нечеткого логического вывода системы осуществляется в Редакторе Нечеткого Вывода (Fuzzy Interface System), показанном на рисунке 4.3. В данном пользовательском интерфейсе производится выбор алгоритма Мамдани, для осуществления нечеткого вывода, задается тип и количество лингвистических параметров, которыми будет оперировать система. В редакторе производится настройка методов композиции, импликации и агрегации локальных состояний системы, а также определение метода дефаззификации. [62] В данном случае операция «И» и импликация осуществляется с помощью оператора min, операция «ИЛИ» и агрегация осуществляется с помощью оператора max. В качестве метода дефаззификации используется метод центра тяжести.
Следующим этапом настройки нечеткой системы является создание базы знаний с помощью редактора правил (Rule Editor), который представлен на рисунке 4.4. База правил, описывающая возможные комбинации термов по каждому лингвистическому параметру, состоит из 516-ти выражений в форме ЕСЛИ-ТО. Пример базы правил, составленный для описания режима напряжения представлен в приложении А.
Для отладки системы и проверки ее работоспособности используется редактор просмотра правил (Rule Viewer), который представлен на рисунке 4.5. Данный редактор позволяет оценить базу правил на непрерывность, непротиворечивость и полноту экспертного анализа.
Результатом разработки системы нечеткого логического вывода является fis-файл, содержащий информацию по лингвистическим переменным и характеризующим их термам, базе правил и методе нечеткого вывода. Данный файл указывается в качестве исполнительного при настройке блока Fuzzy Logic Controller в среде Simulink.
В качестве объекта исследования в среде Simulink была создана компьютерная модель подстанции 35/6 кВ, к шинам которой подключена нелинейная динамическая нагрузка. Принципиальная однолинейная схема моделируемой подстанции и поопорная схема линий электропередач и расположения оборудования представлены в приложении Б.
Структурная схема моделируемой системы представлена на рисунке 4.6, где Source 35kV – блок, описывающий питающую систему 35кВ; Transformer – блок, описывающий модель трехфазного трансформатора напряжения 35/6кВ; Line – блоки, задающие параметры длинной линии; V-I measurement – блок измерения действующих значений тока и напряжения; Dynamic load – блоки, моделирующие трехфазную динамическую нагрузку; Power demand – блоки задания изменения потребляемой мощности для блоков динамической нагрузки; Fuzzy-logic controller - блок нечеткого контроллера; On-load regulator – блоки регулирования напряжения под нагрузкой.
Значения потребляемой мощности отходящих присоединений преобразуются от входных сигналов по току и напряжению в блоке S. Информация, характеризующая лингвистические параметры по каждому присоединению хранится в соответствующих блоках S, L, R(L), P(U), K, C и поступает на вход нечеткого котроллера. Выходом нечеткого котроллера является значение вольтодобавки, поступаемое на вход блока On-load regulator, который представляет из себя три регулируемых источника напряжения, сдвинутых относительно друг друга по фазе на 120 градусов.
