Выбор настроек АРВ генераторов сложной энергосистемы на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа

В настоящее время в энергосистеме РФ происходит активная модернизация систем возбуждения генераторов. Модернизация обусловлена как физическим износом, так и моральным старением оборудования систем возбуждения. Современные тенденции в модернизации систем возбуждения заключаются в замене медленнодействующих электромашинных и высокочастотных (ВЧ) систем возбуждения на быстродействующие статические тиристорные системы параллельного самовозбуждения. В качестве альтернативного варианта в случае ВЧ систем возбуждения предлагается модернизация систем возбуждения без полной их замены. Модернизация систем возбуждения позволяет повысить их быстродействие и привести технические характеристики системы в соответствие с ГОСТ 21 558–2000 «Системы возбуждения турбогенераторов, гидрогенераторов и синхронных компенсаторов» [17]. Модернизация систем возбуждения генераторов обычно сопровождается заменой входящих в их состав автоматических регуляторов возбуждения предыдущих поколений на современные цифровые регуляторы возбуждения на базе микропроцессорной техники. К регуляторам возбуждения предыдущих поколений в настоящее время можно отнести аналоговые регуляторы возбуждения (панели ЭПА— 120, ЭПА-325 В, ЭПА-305 и ЭПА-500, регуляторы АРВ-СДП, АРВ-СДП1, АРВ-СДП1М, РАЦИС, АРВ-СДБ и др.). Данные типы регуляторов возбуждения генераторов до сих пор широко распространены на территории РФ. К современным регуляторам возбуждения относятся, например, цифровые регуляторы возбуждения АРВ-М и его модификации АРВ-2М и АРВ-ЗМ (ОАО «Силовые машины» — филиал «Электросила»), АРВ-РЭМ (ЗАО «НПП „Русэлпром-Электромаш“»), КОСУР-Ц (ОАО «НИИэлектромаш»), АРВ-НЛ (НПО «Элсиб» ОАО), AVR2 (ЗАО «Энергокомплект»), DECS-400 («Basler Electric», США), UNITROL-6000 («ABB», Швейцария), ЕХ2100 («General Electric», США) и др.

В связи с тем, что в результате модернизации увеличивается быстродействие систем возбуждения и регуляторы возбуждения предыдущих поколений заменяются современными цифровыми регуляторами возбуждения на базе микропроцессорной техники, ставится задача выбора новых настроек регуляторов возбуждения, обеспечивающих эффективное демпфирование электромеханических колебаний. Настройки АРВ должны обеспечивать демпфирование электромеханических колебаний, возникающих при различных эксплуатационных режимах и аварийных возмущениях. Однако в ряде случаев схемно-режимные условия работы генератора, система возбуждения которого модернизируется, со времени предыдущей настройки его регулятора возбуждения изменились, что также обуславливает необходимость перенастройки АРВ. Стоит заметить, что по сравнению с регуляторами возбуждения предыдущих поколений большинство современных цифровых регуляторов возбуждения позволяет (непосредственно с панели управления АРВ) производить коррекцию не только коэффициентов усиления в каналах регулирования и стабилизации, но и любых постоянных времени динамических звеньев, входящих в структуру регулятора. Координация большего количества настроечных параметров АРВ в ряде случаев позволяет добиться значительно лучшего качества демпфирования электромеханических колебаний. Таким образом, в общем случае задача настройки регуляторов возбуждения генераторов является задачей многопараметрической оптимизации в сложной динамической системе.

Традиционно применяемая для выбора настроек регуляторов возбуждения методика последовательной оптимизации параметров АРВ имеет ряд известных недостатков. Данная методика заключается в последовательном выборе значений коэффициентов усиления в каналах регулирования и стабилизации АРВ при «типовых» значениях постоянных времени каналов по условию улучшения демпфирования электромеханических колебаний на каждом этапе выбора параметров. При этом выбранная таким методом настройка АРВ может не обеспечить возможного более эффективного демпфирования электромеханических колебаний. Снижение эффективности демпфирования колебаний в свою очередь может привести (например, при увеличении нагрузки генератора) к нарушению колебательной устойчивости и развитию незатухающих синхронных колебаний. Следует отметить, что с увеличением количества оптимизируемых параметров эффективность применения метода последовательной оптимизации уменьшается, т.к. возрастает вероятность выбора последовательности оптимизируемых параметров, приводящая к неоптимальному1 решению. В связи с этим, при практических исследованиях настройка АРВ генераторов ограничивается выбором коэффициентов усиления каналов регулирования и стабилизации, а также в ряде случаев постоянной времени интегрального канала регулятора.

При применении методов многопараметрической оптимизации при выборе настроек АРВ генераторов за счет координации настроек АРВ возможно значительное улучшение качества демпфирования электромеханических колебаний и уровней колебательной устойчивости. Однако применение классических методов многопараметрической оптимизации динамических систем (например, градиентных методов) также сопряжено с рядом существенных недостатков, затрудняющих их практическое применение для решения задач выбора и координации настроек АРВ:

1. наличие требований к виду и свойствам применяемой целевой функции (например, необходимость обеспечения неразрывности и дифференцируемости целевой функции на всем диапазоне изменения ее параметров),.

1 В смысле глобального оптимума.

2. нарушение сходимости методов при овражных свойствах целевых функций,.

3. трудности выхода в процессе работы оптимизационной процедуры из точек локального экстремума и др.

Задачу многопараметрической оптимизации настроек регулятора возбуждения на основе применения чувствительности собственных чисел к изменению параметров регулятора возбуждения позволяет решать разработанный в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете программно-вычислительный комплекс «ПОИСК». Однако трудности в эксплуатации данного программно-вычислительного комплекса не позволили ему получить широкое распространение.

В настоящей диссертации разработана методика выбора настроек регуляторов возбуждения на основе применения генетического алгоритма, позволяющая осуществлять координацию произвольного количества параметров АРВ в сложной схеме энергосистемы. Предложенная методика реализована в разработанном на языке МАТЬАВ программном обеспечении (ПО) «Модальный анализ».

Дополнительные задачи по настройке регуляторов возбуждения и исследованию возможностей координации их параметров ставит наметившаяся в последнее время тенденция применения в ЕЭС РФ регуляторов возбуждения зарубежного производства. В настоящее время на российский рынок зарубежными производителями поставляются в основном регуляторы возбуждения, имеющие в своем составе системный стабилизатор типа Р8Б2 В и регулятор напряжения типа 8Т4 В (в соответствии с классификацией стандарта.

1ЕЕЕ Std 421.5−2005 [79]), что обуславливает актуальность рассмотрения методик настройки системных стабилизаторов и.

21ЕЕЕ (англ. Institute of Electrical and Electronics Engineers) — Ассоциация инженеров по электротехнике и электронике регуляторов напряжения именно данных типов. Характерными особенностями регуляторов возбуждения зарубежного производства являются:

• их структура, принципиально отличающаяся от структуры регуляторов возбуждения отечественного производства,.

• режимные параметры, используемые в качестве входных сигналов в каналах системного стабилизатора.

Так, согласно стандарту IEEE Std 421.5−2005 [79] системный стабилизатор типа PSS2B реализует принцип действия, основанный на концепции «ускоряющей мощности», имеет два входных сигнала, в качестве которых применяется отклонение активной мощности генератора, отклонение частоты напряжения на шинах генератора или отклонение частоты вращения вала генератора. Регулятор напряжения типа ST4B реализует в свою очередь пропорционально-интегрально-дифференциальный (ПИД) закон регулирования напряжения. При этом выходной сигнал системного стабилизатора является одним из входных сигналов регулятора напряжения типа ST4B. В отличие от АРВ зарубежного производства в АРВ отечественного производства выходные сигналы системного стабилизатора и регулятора напряжения подаются на общий сумматор. При этом традиционным входным сигналом для системного стабилизатора, входящего в состав АРВ отечественного производства, является частота напряжения на шинах генератора (и, соответственно, ее производная). Данные особенности отразились и в методах настройки АРВ зарубежного производства, отличных от методов настройки АРВ отечественного производства. Традиционной при настройке АРВ зарубежного производства является методика, заключающаяся в последовательной настройке регулятора напряжения, а затем системного стабилизатора регулятора возбуждения. Настройка системного стабилизатора АРВ зарубежного производства основана на компенсации фазового сдвига управляющего сигнала и дальнейшем выборе коэффициента усиления в канале стабилизации, обеспечивающем необходимое качество демпфирования электромеханических колебаний [87]. Следует отметить, что процедура настройки зарубежных регуляторов возбуждения недостаточно отражена в отечественных публикациях.

В настоящее время в ЕЭС РФ не применяется общепринятой методики выбора мест установки автоматических регуляторов возбуждения сильного действия (АРВ-СД). В связи с этим, наряду с задачей координации настроек регуляторов возбуждения (т.е. одновременного выбора как коэффициентов усиления, так и постоянных времени каналов стабилизации и регулирования), актуальна задача выбора мест установки АРВ-СД в энергосистеме, обеспечивающих наиболее эффективное демпфирование электромеханических колебаний при минимальном количестве применяемых АРВ-СД. Решение данной задачи позволяет выявить группу приоритетных генераторов в энергосистеме, для которых в первую очередь необходима установка регуляторов возбуждения сильного действия (системных стабилизаторов) по условиям обеспечения наиболее эффективного демпфирования электромеханических колебаний и минимизации количества применяемых АРВ-СД. Разработанный в настоящей диссертационной работе алгоритм, реализующий решение поставленной задачи, может быть использован также для определения порядка последовательного ввода в эксплуатацию АРВ-СД (системных стабилизаторов) генераторов с целью достижения необходимого качества демпфирования электромеханических колебаний в рассматриваемых энергоузлах.

Выбор настроек АРВ и разработка рекомендаций по местам установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) в цифровых моделях энергосистем возможны только при использовании достоверных цифровых моделей энергосистем, адекватно отображающих переходные процессы в.

3 В общем случае, генераторов, системы возбуждения которых требуют модернизации энергосистеме. Поэтому наряду с рассмотрением вопросов настройки регуляторов возбуждения и выбора мест их установки в настоящей диссертации рассматривается вопрос верификации применяемых цифровых моделей АРВ и цифровых моделей энергосистем в целом.

Значительный вклад в решение поставленных задач в разные годы внесли И. А. Груздев, A.C. Зеккель, В. А. Строев, С. М. Устинов, A.A. Юрганов, А. Х. Есипович, A.C. Герасимов, В. А. Кожевников, В. Г. Любарский, В. А. Масленников, И. Ф. Перельман, A.B. Фадеев и др., а также зарубежные ученые F. Р. de Mello, P. Kundur, N. Martins, I. J. Perez-Arriage, E. V. Larsen, B. Marinescu, R. Kutzner, A. Murdoch, M. J. Basler, К. Kiyong и др.

Цель настоящей диссертационной работы заключается в разработке комплексной методики выбора мест и настроек АРВ (как отечественного, так и зарубежного производства) генераторов на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа, а также реализация предложенной методики в программном обеспечении для персонального компьютера.

5.7. Выводы по главе.

1. Выбор настроек АРВ как отечественного, так и зарубежного производства на основе применения генетического алгоритма и квадратичных интегральных целевых функций позволил обеспечить эффективное демпфирование электромеханических колебаний при стабилизации эксплуатационных режимов энергосистемы и при аварийном возмущении.

2. Применение настроек АРВ зарубежного производства, полученных на основе применения генетического алгоритма и интегральных целевых функций, обеспечило улучшение качества демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с применением настроек, выбранных традиционным методом.

3. Настройки АРВ, выбранные на основе применения генетического алгоритма и корневой целевой функции, обеспечили демпфирование электромеханических колебаний. Однако, несмотря на достигнутую минимизацию корневой целевой функции, применение полученных в результате оптимизации настроек АРВ не привело к улучшению качества демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с применением настроек АРВ, полученных традиционным методом.

4. В процессе исследований подтвердилось, что наилучшее качество демпфирования электромеханических колебаний обеспечило применение настроек АРВ, полученных на основе применения генетического алгоритма и квадратичной интегральной целевой функции 13, характеризующей не только отклонение выбранного режимного параметра, но и скорость изменения этого отклонения.

5. Методами модального анализа было установлено (см. гл. 5.3), что частоты наиболее плохо демпфируемых компонент движения как в нормальном (0,77 Гц), так и в послеаварийном режиме работы энергосистемы (0,6 Гц) относятся к межсистемным. В связи с этим, возможно дальнейшее улучшение качества демпфирования межсистемных колебаний путем последовательного выбора с помощью предложенных методик мест установки АРВ-СД (системного стабилизатора) и их настроек.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Разработана методика выбора мест установки АРВ-СД (системных стабилизаторов) на основе применения методов модального анализа.

2. Разработана методика идентификации групп когерентных генераторов с учетом топологии схемы энергосистемы. Показана необходимость учета топологии схемы энергосистемы для корректной идентификации групп когерентных генераторов.

3. Разработана методика выбора настроек АРВ генераторов на основе применения генетического алгоритма и методов модального анализа.

4. Выбор настроек АРВ отечественного и зарубежного производства на основе применения генетического алгоритма и интегральных целевых функций позволил обеспечить улучшение качества демпфирования электромеханических колебаний при стабилизации эксплуатационных режимов энергосистемы и аварийных возмущениях по сравнению с настройками АРВ, выбранными традиционными методами.

5. Настройки АРВ выбранные на основе генетического алгоритма и корневой целевой функции не обеспечили улучшения качества демпфирования электромеханических колебаний по сравнению с настройками, выбранными традиционным методом.

6. Разработано программное обеспечение «Модальный анализ» на языке МАТЪАВ, реализующее представленные в диссертационной работе методики и алгоритмы.

7. Рассмотрены особенности структуры и методов настройки АРВ как отечественного, так и зарубежного производства.

8. Разработаны цифровые модели автоматических регуляторов возбуждения АРВ-М (ОАО «Силовые машины» — филиал.

Электросила") и DECS-400 («Basler Electric», США) в программно-вычислительном комплексе EUROSTAG, достоверность которых подтверждена путем верификации данных моделей по соответствующим натурным частотным характеристикам.

9. В процессе диссертационных исследований разработана достоверная цифровая модель энергосистемы Республики Коми и Архангельской области в программно-вычислительном комплексе EUROSTAG. На основе применения данной цифровой модели энергосистемы подтверждена эффективность разработанных в настоящей диссертации методик и алгоритмов.