Содержание к диссертации
стр.
ВВЕДЕНИЕ 5
1. ОБЗОР РАСЧЁТНЫХ МОДЕЛЕЙ И МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ
СТАТИЧЕСКОЙ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ УСТОЙЧИВОСТИ
ЭНЕРГОСИСТЕМ 17
Обзор расчётных методов и программных средств анализа собственных динамических свойств ЭЭС 17
Состояние проблемы адаптации регуляторов возбуждения. 27
Выводы 36
2. ИССЛЕДОВАНИЕ СХЕМНО-РЕЖИМНЫХ СИТУАЦИЙ,
ВЛИЯЮЩИХ НА КОЛЕБАТЕЛЬНУЮ УСТОЙЧИВОСТЬ
ЭНЕРГОСИСТЕМ 38
Введение 38
Описание тестовой схемы и исходного режима 39
Влияние схемно-режимных параметров на колебательную устойчивость энергосистем 42
2.3.1 Влияние исходного режима и стандартных
настроечных коэффициентов АРВ-СД на
устойчивость энергосистем 42
2.3.2 Влияние усиления связи между линиями ЭП разного
класса на устойчивость энергосистем 45
2.3.3 Влияние усиления связи между ЛЭП разного класса
и особого вектора настроек АРВ-СД на
устойчивость энергосистем 4о
2.3.4 Влияние особого вектора настроечных коэффициентов АРВ-СД на устойчивость
энергосистем 50
2.4 Выводы 53
3. АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЭЭС
ЧАСТОТНЫМИ МЕТОДАМИ 55
3.1 Введение 55
3.2 Расширение функций эталонного программного
обеспечения по исследованию статической
устойчивости ЭЭС путём использования транзитных
данных для построения и анализа частотных
характеристик 56
3.3 Разработка и теоретическое обоснование практического
системного критерия оценки динамических свойств
ЭЭС 64
Оценка достоверности предложенного практического системного критерия качества 73
Использование ЧХ при синтезе вектора рациональных настроек АРВ-СД 77
3.6 Выводы 82
4. МЕТОДИКА АДАПТАЦИИ НАСТРОЕК АРВ-СД ДЛЯ ЦЕЛЕЙ
ПРАКТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ МНОГОСВЯЗНОЙ ЭЭС... 85
4.1 Введение 85
4.2 Принципы построения моделей при адаптивном
регулировании возбуждения генераторов 86
4.3 Принципы и алгоритмы применения практического
системного критерия и разработанной математической
модели многосвязной ЭЭС при адаптивном
регулировании настроек АРВ-СД 92
4.4 Выводы 102
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА
ЭФФЕКТИВНОСТИ НОВОГО ПРАКТИЧЕСКОГО
КРИТЕРИЯ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
МНОГОСВЯЗНОЙ ЭЭС ПРИ АДАПТИВНОЙ НАСТРОЙКЕ
КОЭФФИЦИЕНТОВ АРВ-СД 104
6. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ 117
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 119
ПРИЛОЖЕНИЕ
Введение к работе
В электроэнергетических системах (ЭЭС) добиться высокого качества стабилизации маловозмущённых переходных процессов в условиях изменения режима можно только при согласовании настроек Автоматических Регуляторов Возбуждения Сильного Действия (АРВ-СД) параллельно работающих электрических станций. На эти устройства возложены функции обеспечения колебательной статической устойчивости ЭЭС за счёт реализации сильного закона регулирования. В то же время при необоснованной настройке каналов стабилизации регуляторов данная эффективная мера воздействия на устойчивость и демпфирование маловозмущённых переходных процессов в системе может, однако, быть причиной самораскачивания. Современные экономические тенденции развития электроэнергетики и существующее многообразие схемно-режимных ситуаций ЭЭС являются определяющими факторами, указывающими на возрастающую необходимость разработки методов адаптивного регулирования возбуждения генераторов, обеспечивающих оптимальные настройки для конкретного режима или группы близких режимов.
Для управления собственными динамическими свойствами ЭЭС необходимо создание адекватных математических моделей, методов и алгоритмов, ориентированных на применение современных средств информационной и вычислительной техники. Синтезированные при этом модели должны обеспечивать не только обоснованный выбор стабилизирующих воздействий регуляторов в темпе изменения схемно-режимной ситуации в ЭЭС, но и глубину исследований эффективности сильного регулирования в сложных системах.
Одним из перспективных направлений повышения адекватности математической базы, используемой при реализации сильного регулирования,
является развитие методов адаптации АРВ, предполагающих для выдачи управляющего воздействия использование оперативной информации о контролируемых режимных параметров системы. При этом появляется возможность после компьютерной обработки полученных данных своевременно согласовывать требуемые уставки АРВ-СД с текущими схемно-режимными условиями работы энергосистемы.
Существующие на сегодняшний день эквивалентные математические модели сложных ЭЭС, предназначенные для оперативного выбора настроек, обладают определёнными недостатками:
- ориентированы на управление только локальной составляющей
динамического движения;
- не пригодны для задач системного анализа и синтеза динамических
свойств;
- часто требуют нарушения процесса нормальной эксплуатации системы.
Один из возможных путей исключения перечисленных ограничений
заключается в изучении свойств сильного регулирования, особенностей показателя качества переходных процессов и моделирования связи функционала с варьируемыми параметрами автоматических регуляторов возбуждения сильного действия.
С середины 30-х годов ведутся исследования, положившие начало разработке методов расчета статической устойчивости электрических систем, а также средств её повышения. Фундаментальные результаты в этом направлении были получены А.А. Горевым, С.А. Лебедевым, П.С. Ждановым
[1,2,3].
По мере оснащения генераторов крупных станций АРВ сильного действия все большее внимание уделялось вопросам разработки моделей и алгоритмов для исследования и обеспечения статической устойчивости ЭЭС с помощью ЭВМ. Первые попытки на основе алгоритмизации записи
дифференциальных уравнений возмущенного движения электрической системы проанализировать статическую устойчивость сделаны в [4].
Разработки алгоритмов и программ для ЭВМ расчетов колебательной устойчивости ведутся с середины 50-х годов. При разработке теоретических основ и программных реализаций следует отметить вклад учёных МЭИ (В.А. Веникова, И.В. Литкенс, В.А. Строева, Е.Д. Карасёва), ЛПИ (О.В. Щербачёва, Ю.П. Горюнова) и СибНИИЭ (Э.С. Лукашова, В.В. Бушуева). Указанные программные разработки в основном базируются на частотных методах и реализуют процедуру Д-разбиения в плоскости двух параметров [5,6,7].
С развитием протяжённых энергосистем сильное регулирование возбуждения генераторов становится преобладающим. Важное значение приобрела задача координации настроек АРВ-СД параллельно работающих станций и, в первую очередь, в исследовательском аспекте. Дальнейшее усовершенствование алгоритмов связано с рационализацией представления исходных уравнений [8,9]. Поочередно для каждой станции производился расчёт кривых равной степени устойчивости при p = -a±ja> (а*0). Представленная задача легко реализуется в программах Д-разбиения.
Большое внимание в работах уделяется методам оценки динамических свойств ЭЭС для различных схемно-режимных условий. Так в случае расчёта колебательной устойчивости при использовании упомянутого выше метода Д-разбиения, для количественной оценки уровня демпфирования переходных процессов используется степень устойчивости системы ат, которая
определяется модулем вещественной части, ближайшей к мнимой оси пары сопряженных комплексных корней характеристического уравнения. Стимулом поддержки данного критерия явилось его свойство системности и большое количество быстродействующих вычислительных процедур, обеспечивающих указанные методы.
При попытках централизованного управления динамическими свойствами сложных систем возникли непреодолимые трудности в использовании степени устойчивости ат. Это связано с прогрессирующей нелинейностью ат и определяется противоречивым движением корней на комплексной плоскости. Последнее свойство заставило многих исследователей перейти к использованию системных функционалов, связанных с оценкой длительности переходного процесса [10]. К достоинствам этих критериев можно отнести эффективность при исследовании системных свойств.
С другой стороны, перечисленные критерии обладают существенным недостатком, ограничивающим их применение на практике. Они могут быть эффективно использованы только при расчётно-аналитических исследованиях. Перейти от характеристик, формируемых на базе экспериментальных данных, к аналитическим выражениям, адекватно отражающим запас устойчивости системы, проблематично.
Для оценки качества маловозмущенных переходных процессов группой учёных были выдвинуты показатели, характеризующие локальные динамические свойства системы. К числу таких критериев можно отнести величину резонансного пика Апах амплитудно-частотной характеристики (АЧХ)
параметра стабилизации или время переходного процесса Тт [11]. Недооценка
последствий "несистемности" функционала является недостатком указанных методов.
Частотные и интегральные критерии качества переходных процессов применимы лишь для простейших систем [12,13]. Корневые показатели также малопригодны, поскольку расчет всех корней характеристического уравнения для сложной системы представляет чрезвычайно трудоемкую задачу. С этих позиций более предпочтительными являются частотные методы. Анализ характеристического годографа системы D{j(o), проведённый в ограниченном
диапазоне частот, определяемом полосой пропускания, позволяет судить о степени устойчивости системы.
Таким образом, общими недостатками существующих показателей оценки стабилизирующих свойств ЭЭС являются:
ориентация на локальные составляющие динамического движения ЭЭС;
эффективность только при расчётно-аналитических исследованиях;
невозможность практической реализации;
отсутствие связи с корневыми свойствами системы.
В соответствии с указанными недостатками, разработка практических системных критериев оценки динамических свойств является важным этапом в исследовании задачи контроля и повышения колебательной устойчивости электроэнергетических систем.
Наряду с частотными методами для анализа статической устойчивости все более широкое применение находят математические методы. В их основе лежит определение собственных значений матрицы коэффициентов линеаризованных дифференциальных уравнений [14,15,16]. Основное направление упомянутых работ связано так же с разработкой методов как централизованного, так и децентрализованного управления колебательной устойчивостью ЭЭС.
Несколько отличаются подходы к решению задач обеспечения статической устойчивости ЭЭС за рубежом. Наибольшее распространение получили матричные методы. Расчёт собственных чисел характеристической матрицы ЭЭС малой и средней размерности (с числом переменных состояния до 500) в большинстве случаев производится с помощью ^-алгоритма [17].
Актуальность проблемы обеспечения необходимых демпферных свойств ЭЭС привела к разработке соответствующего программного обеспечения. К числу таких работ можно отнести программные комплексы MASS и PEALS (Канада) [18], SIMPOW (фирма ABB, Швеция) [19], бразильские разработки
[20,21], SMAS3 (Испания) [22], EUROSTAG (Бельгия-Франция) [23], DYNSPACK (Австралия) и др. С одной стороны эти программные реализации являются мощным инструментом анализа динамических свойств ЭЭС. В тоже время они обладают общим недостатком, а именно, в них не реализованы процедуры, предназначенные для координации настроечных параметров регуляторов для обеспечения и повышения необходимых демпферных свойств.
Большая размерность ЭЭС и сложность протекающих в них переходных процессов делают расчёт собственных чисел характеристического уравнения уже недостаточным. С целью повышения обозримости и физического восприятия результатов исследований получило распространение выявление динамических свойств ЭЭС в виде распределения амплитуд и фаз переменных в частотном спектре [24,25]. Использование режимных частотных характеристик (РЧХ) параметра стабилизации в качестве эквивалентных математических моделей ЭЭС стало применяться для построения и анализа областей устойчивости в координатах коэффициентов АРВ выбранной станции [10,25,26]. Такой подход предполагает использование математического описания ЭЭС в виде линеаризованных дифференциальных уравнений, получаемых по уравнениям Парка-Горева для синхронных машин, уравнениям мощностей, записанных при помощи собственных и взаимных сопротивлений сети и уравнениям для АРВ [1-3,28,29,30].
Использование данных методов и моделей может быть целесообразным при оценке эффективности сильного регулирования в отдельных и сложных системах. В то же время, для обоснованного выбора настроек АРВ-СД применение этих методов затруднительно. При решении задачи синтеза оптимальных параметров регуляторов огромный объём расчетов создаёт дополнительные трудности. Кроме этого, неопределенность исходных на момент моделирования данных, таких, например, как состав нагрузок в энергосистеме [31,32], препятствует применению традиционных моделей в
контуре регулирования. Также корректировка математического описания по изменениям схемно-режимных ситуаций системы представляет собой трудоёмкую задачу.
А.А. Рагозиным для исследования динамических свойств энергосистем предложен структурный подход [30]. Для большинства штатных схемно-режимных ситуаций в ЭЭС этот метод обосновывает выбор настроек регуляторов сильного действия в узком диапазоне. Алгоритмы реализации сильного регулирования опираются на особенности структуры ЭЭС, в которых инерционные постоянные времени роторов генераторов оказывают доминирующее влияние на устойчивость. Основная же функция предложенного алгоритма заключается в том, чтобы не ухудшить текущие динамические характеристики энергосистемы. Следует, однако, отметить, что в силу сложности решаемых задач эти разработки не смогли найти широкого практического применения.
Методы математического моделирования имеют определяющее значение при решении задач управления собственными динамическими свойствами ЭЭС при ограниченных возможностях экспериментальных исследований. Однако, все они обладают общим недостатком, а именно: всё их многообразие направлено на изучение общих закономерностей связей динамических свойств с управляющими параметрами системы (коэффициенты усиления АРВ, мощность генерации и нагрузок). Выявленные в этом случае закономерности позволяют сформулировать лишь обобщенные требования к ограничениям на управляющие воздействия, обеспечивающим необходимые демпферные свойства ЭЭС. В то же время, неопределенность текущей схемно-режимной ситуации делает выбор стабилизирующих воздействий весьма проблематичным.
В этой связи всё большую популярность приобретают исследования, направленные на разработку методов, использующих модели, формируемые на
базе экспериментальных данных [33,10,11,34,35-59]. Адаптивные контуры стабилизации в такой системе призваны решать две задачи: идентификации (восстановления модели) и определения комбинации коэффициентов, приводящих к улучшению динамических свойств ЭЭС для данных условий эксплуатации. При вариации настроечных параметров регуляторов к модели предъявляются следующие требования: относительная простота и адекватное отражение основных динамических свойств энергосистемы.
Общими недостатками, свойственными всем математическим эквивалентам ЭЭС, идентифицируемых по известным методикам являются:
- ориентация на управление только локальной составляющей
динамического движения и отсутствие преемственности по отношению к
традиционным математическим моделям сложных ЭЭС;
- не учёт особенностей идентификации функционирующих объектов,
замкнутых по каналам стабилизации [33,10,35,48]. Если ЭЭС
идентифицируется по частям, то не учитывается взаимосвязь подсистем в
момент эксперимента [26,27];
- отсутствие практических критериев оценки динамических свойств ЭЭС.
Последнее немаловажно для решения задачи контроля колебательной
устойчивости ЭЭС и централизованного регулирования возбуждением
генераторов многомашинной системы;
Перечисленные недостатки лишают экспериментальное направление исследований эффективности сильного регулирования всех преимуществ расчетных исследований по координации стабилизирующих воздействий в ЭЭС.
Резюмируя краткий исторический анализ проблемы, можно отметить, что рядом учёных накоплен значительный опыт исследования динамических свойств сложных электроэнергетических систем при использовании известного математического описания установившихся и переходных режимов в виде
нелинейных и линеаризованных дифференциальных уравнений высоких порядков. Выявлен ряд общих закономерностей, характеризующих связь стабилизуруемых параметров с настроечными параметрами автоматических устройств регулирования. Разработаны методы оценки динамических свойств ЭЭС для различных схемно-режимных ситуаций. Для повышения степени устойчивости системы разработаны процедуры координации коэффициентов регуляторов. Предложены и обоснованы методы практической настройки АРВ-СД, ориентированные на управление колебательной устойчивостью относительно локальных точек регулирования и слабую взаимосвязь эквивалентных станций.
Результаты этих теоретических исследований позволили выдвинуть основные требования к эквивалентной математической модели многосвязной системы - пониженный порядок и адекватность исходному описанию по динамическим свойствам. Методические основы для обобщенного графоаналитического представления многосвязных распределенных систем закладывает исследование моделей с указанными свойствами. Системные собственные и взаимные передаточные функции параметров стабилизации в нескольких точках регулирования предлагается использовать в качестве составляющих элементов такого описания. Имеют место два пути получения этих передаточных характеристик:
расчетный путь, по общему математическому описанию;
экспериментальный, путем цифровой обработки реальных сигналов без размыкания каналов регулирования.
Последний способ получения открывает возможность практической реализации процедуры стабилизации системы с учётом её многосвязности.
Таким образом, цель работы состоит в обосновании необходимости перехода к адаптивным принципам регулирования возбуждения генераторов в многосвязной системе, разработке и теоретическом обосновании
практического системного критерия оценки динамических свойств ЭЭС, а также в создании комплекса методик и программно-аппаратного обеспечения адаптивной настройки уставок АРВ-СД для практической стабилизации многосвязной ЭЭС по экспериментальным данным.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решались следующие задачи:
критический анализ классических и современных методов математического моделирования при решении задачи обеспечения и повышения статической устойчивости энергосистем. Исследование преобладающих подходов к построению и функционированию адаптивных систем регулирования возбуждения генераторов, выявление их недостатков;
обоснование целесообразности перехода к адаптивным принципам регулирования возбуждения генераторов, использующим модели, формируемые на базе экспериментальных данных;
создание инструментария, позволяющего имитировать исходные режимные частотные характеристики при использовании кривых Д-разбиения эталонного программного обеспечения;
разработка и теоретическое обоснование практического критерия качества переходных процессов в ЭЭС, полученного на основе экспериментальных данных, связанного с корневыми свойствами системы и пригодного для отражения запасов устойчивости;
синтез математической модели многосвязной ЭЭС, позволяющей прогнозировать поведение системы с улучшенными демпферными свойствами, обеспеченными новыми настройками АРВ-СД без размыкания каналов стабилизации;
разработка методики адаптивной настройки вектора коэффициентов усиления АРВ-СД генераторов многосвязной системы с целью обеспечения и повышения статической устойчивости ЭЭС;
разработка программно-аппаратного комплекса, реализующего основные процедуры цикла адаптации уставок АРВ сильного действия, начиная с получения РЧХ и заканчивая нахождением оптимальных по предложенному критерию статической устойчивости настроечных коэффициентов регуляторов.
Решение этих задач отражено в главах диссертационной работы следующим образом.
В первой главе проведён обзор методов и программных средств исследования динамических свойств ЭЭС и проанализировано состояние проблемы адаптации регулирования возбуждения генераторов.
Во второй главе сделан подробный анализ факторов, оказывающих влияние на колебательную устойчивость ЭЭС и определяющих необходимость перехода к адаптивным принципам коррекции настроек АРВ-СД.
В третьей главе предложена методика использования эталонного программного обеспечения (ПО) для выявления динамических свойств ЭЭС в виде распределения амплитуд и фаз переменных в частотном спектре. Также здесь показана возможность использования частотных характеристик в качестве моделей системы, предложен практический системный критерий оценки запаса колебательной устойчивости ЭЭС и проведена оценка его достоверности по тестовому ПО.
В четвёртой главе разработаны принципы построения моделей, основных процедур и применения предложенного практического критерия при адаптивном регулировании возбуждения генераторов. Предложена математическая модель многосвязной ЭЭС, позволяющая прогнозировать динамические свойства системы без размыкания каналов стабилизации. Основу аналитической модели составляет совокупность собственных передаточных функций (ПФ) многоконтурной ЭЭС и полученная с их помощью взаимная фиктивная ПФ.
В пятой главе показана эффективность применения нового практического системного критерия, разработанных процедур и аналитической модели многосвязной ЭЭС для обеспечения и повышения статической устойчивости сложной энергосистемы. С этой целью проведена имитация натурного эксперимента по адаптивной настройке коэффициентов АРВ-СД нескольких станций при переходе от исходного режима к более тяжёлому по передаваемой мощности.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов работы, списка литературы и одного приложения. Объём диссертации составляют 143 страницы, 34 рисунка, 13 таблиц. Список литературы содержит 145 наименований.
