Компьютерная поддержка автоматизированных испытаний систем автоматического управления газотурбинных электростанций на основе математической модели электроэнергетической системы

Сокращение государственного финансирования крупных энергоисточников, высокие тарифы региональных и федеральных компаний по производству электрической энергии, неуклонное и неизбежное повышение цен на энергоносители вынуждают предприятия самых разных отраслей промышленности всерьез рассматривать целесообразность сооружения собственных энергосистем с использованием газотурбинных электростанций (ГТЭС) сравнительно невысокой мощности. Подобные энергосистемы могут обеспечить электропитание технологического оборудования предприятия, повысить его надежность, выступая в качестве основного или дополнительного1 источника электроэнергии [1]., Именно такие электроэнергетические системы (ЭЭС) как нельзя лучше подходят под понятие «малая» энергетика, к настоящему времени уже прочно укрепившееся какв, среде специалистов-энергетиков,.так и у потребителя.

Перечислим' основные признаки, характеризующие электроэнергетические системыисточниками электроэнергии в которых являются газотурбинные электростанции:

1. В качестве приводного двигателяисточников электроэнергии^ (генераторов) применяются, газотурбинные установки (ЕТУ), соизмеримые с ними по мощности и< обладающие значительно меньшим моментом инерции газовой турбины по сравнению с паровой [2].

2. Мощность электростанции сравнительно невелика и соизмерима или равна мощности потребителей. Вследствие этого возмущения в электрических сетях оказывают существенное влияние на статическую и динамическую устойчивость турбоагрегатов ГТЭС.

3. ЭЭС свойственна жесткая зависимость мгновенной мощности турбоагрегатов от графика электрической нагрузки. Кроме того, возможны скачкообразные изменения мощности, связанные с вводом и выводом нагрузки, запуском и остановом двигателей высокой мощности, характерных для промышленных предприятий.

4. В ГТЭС допускаются переключения, связанные с вводом или. выводом отдельных энергоблоков — в периоды выходных или праздничных днейв ночные смены, при снижении нагрузки менее 25%- от номинальной, мощности, при проведении регламентных или профилактических работ.

Газотурбинная" электростанция^ является сложнымобъектом, состоящим из одного или более энергоблока: Каждый энергоблок, в общем случаесостоит из силовош установки, называемой, газотурбинной установкой, и синхронного5 генератора с системой возбуждения. Основным элементом ГТУ, от которого зависит мощность энергоблока и его КПДявляется приводной* газотурбинный двигатель.

Газотурбинные двигатели, первоначально применявшиеся благодаря своим высоким удельным характеристикам, только Bv авиации, получили" широкое распространениев качестве силового привода*, в газотурбинных электростанциях. Создание специальных двигателей для-наземного применения* требует длительного. временили больших затрат на освоение его’в производстве-, поэтому у предприятий, производящих авиационные двигатели есть возможность изготавливать-наземные двигатели доработкой1 авиационных, что позволяет: .:. .

— сократить время на разработку;

— использовать. узлы авиационных двигателей бывших в" эксплуатациитак как они имеют достаточный остаточный ресурс, а повреждаемость двигателей наземного применения от эксплуатационных режимов^ в десятки раз меньше чем в авиации;

— получить двигатели наземного применения с достаточно невысокой-массой и габаритами [3].

Однако для достижения требуемых статических и динамических характеристик газотурбинные авиационные двигатели претерпевают значительные модификации при их применении в качестве привода для электрогенераторов. Кроме того, существенно изменяются условия их функционирования, связанные с тем, что наземные двигатели работают в режимах отличающихся от полетных. Таким образомпри использовании авиационных двигателей в наземных условиях требуется решение задачи разработки и настройки новых систем автоматического, управления (САУ) ГТЭС применительно к требованиям обеспечения показателей качества-вырабатываемой электроэнергии.

По своей структуре САУ ГТЭС является иерархической, распределенной функциональнои в «пространствесистемой, объединяющей в своем составе следующие уровни и подсистемы:

— САУ верхнего уровня;

— Устройства управления газотурбинных установок (УУ ГТУ);

— Устройства управления синхронных генераторов (УУ СГ).

Наиболее важные задачи, решаемые САУ ГТЭС:

— управление режимами" запусканормального* и аварийного" останова энергоблоков;

— регулирование заданных значений' напряжения? и частоты генераторов в зависимости от режима ГТЭС;

— групповое регулирование активной и реактивной мощности с ограничением, при необходимости выдачи-мощности в сеть.

Рассмотрим основные, этапы развития отечественных устройств управления ГТУ [4]. Изначально функции УУ ГТУ выполняли устройства на базе гидромеханических элементов, (например, центробежный регулятор). Такие устройства отличались высокой' надежностью, но были дороги в производстве, ограничены в возможностях по* коррекции свойств системы-управления, сложны в настройке. Структура таких устройств управления была неизменяемой. Значительно повысить качество регулирования-параметров ГТУ удалось с внедрением электронной аппаратуры. Электроника позволила существенно уменьшить габариты, массу и стоимость устройств управления. С внедрением электроники стала возможной реализация УУ ГТУ высокой степени сложности. В электронной автоматике роль информационных сигналов стали выполнять ток и напряжение, величина которых пропорциональна уровню сигнала (аналоговая электроника). Несмотря на целый ряд преимуществ, аналоговая электроника не обладала гибкостью и универсальностью, по сравнению пришедшей ей насмену цифровой-электроникой. Расширить круг решаемых задач управления двигателем позволили УУ ГТУ на базе" цифровой' электроники с применением микропроцессоров, поскольку такое устройство стало программируемым и перепрограммируемым и стало, способным выполнять сложные расчеты. Таким образом, все элементы, микропроцессорных УУ ГТУ стали наземными элементами, за исключением алгоритмов программы, загруженной в ОЗУ микроконтроллера. Анализ литературы [4] показал, что на всех этапах развития УУ ГТУ, как правило, менялась элементная база устройств управления, а основные принципы" управления, наземным газотурбинным двигателем, несмотря: на изменение-его рабочих режимов, остались неизменными как, дляавиационного прототипа.

Одним из’важнейших этапов" жизненного цикла, вновь разрабатываемых САУ ГТЭС, является этап испытаний-. Следует признатьнедостаточно эффективными испытания^ САУ ГТЭС, проводимые непосредственно на натурных стендах, изначально изготовленных для. испытаний САУ авиационных двигателей и существенно-ограничивающих режимы, в которых испытываются САУ ГТЭС. В отличие от полетных, режимы наземных ГТУ в значительной мере определяются режимами энергопотребления и зависят от конфигурации и состава элементов электроэнергетической-системы.

Высокая сложность задач, которые решает САУ ГТЭС, а. также связанная с этим необходимость учета различных режимов работы электростанций на широкий диапазон нагрузок, .обуславливает необходимость использования методов математического моделирования для испытаний САУ ГТЭС. При создании и испытаниях систем автоматического управления авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и ее элементов широко применяют математические модели авиационного двигателя, САУ и ее элементов. Это позволяет ускорить процессы разработки и доводки УУ ГТУ [5]. Однако существующие математические модели ЭЭС и входящих в ее состав^ ГТЭС являются структурно и функционально упрощенными, а также ограниченными для модификаций, что затрудняет моделирование процессов параллельной работы энергоблоков ГТЭС в автономном режиме и при работе на мощную сеть.

На текущий момент на этапах испытаний САУ ГТЭС имеет место низкая эффективность труда, обусловленная' чрезвычайной трудоемкостью анализа множества конкурентоспособных настроек САУ и их оптимизации с учетом многорежимности, иерархичности и обилия степенейсвободы объекта управления (электроэнергетической системы). Кроме этого, нередко испытания и настройка САУ с учетом специфики ЭЭС проводится на этапе пусконаладочных работ, в условиях ограниченного времени, в. таком5 случае, как правило, принимается не лучшее, а первое найденное допустимое решениеКак результат снижаются эксплуатационные характеристики газотурбинных электростанций.

В ¦ связи с вышеизложенным, испытания САУ ГТЭС, применительно' к показателям качества вырабатываемой' электроэнергии, целесообразно проводить с применением человеко-машинной^ системы компьютерной, поддержки процессов испытанию САУ. Система^ компьютерной поддержки испытаний САУ, предоставляя методы использования моделей, данных и вычислительных алгоритмов, позволяет разработчику и (или) экспериментатору решать задачи испытаний САУ ГТЭС в режимах, недоступных испытаниям на натурных стендах с учетом^ специфики объекта управления.

В силу указанных причин актуальной является задача компьютерной поддержки испытаний САУ ГТЭС средствами интерактивной автоматизированной человеко-машинной системы, которая позволит методами компьютерного моделирования! осуществить оценку качества вырабатываемой газотурбинной электростанцией электроэнергии на соответствие требованиям государственных стандартов.

Объектом исследования являются автоматизированные испытания САУ гтэс.

Предмет исследования? — математическоеалгоритмическое: и программное обеспечение компьютерной" поддержкиавтоматизированных испытанийСАУ газотурбинных электростанций:

Цель, диссертационной работы? — разработка, системы компьютерною поддержки: автоматизированных испытанийСАУ газотурбинных электростанций^ применительно5 кпоказателям, качествавырабатываемой электроэнергии?- на основе математическоймодели газотурбинной? электростанции, электрическойнагрузки иэлектрической сети.

Система, компьютерной поддержки автоматизированных испытаний" САУ, путем: проведения*1 -вычислительных экспериментовобеспечивает выполнениефункцийанализаииспытанийСАУ ГТЭСврежимахнедоступных. испытаниям: на физических стендах. Система компьютерной" поддержки испытаний! САУ призвана? упростить/ задачу испытаний, предоставив? разработчику САУ набор? средств. для оценкикачества вырабатываемой ГТЭС электроэнергии по отклику модели объекта управления науправляющий вектор САУ под действием возмущающих, и задающих воздействий. Пршэтоммодель, объекта управления является динамической и позволяет рассчитать показатели качества: электроэнергии по переходной характеристике. Оценка заданных показателей качества вырабатываемой? электроэнергии-1 производится) путем-сравнения^ рассчитанных при моделированиипоказателей^ качествам с показателями, заданными экспериментатором.

Анализ литературы [6] показал, что почти все существующие методы расчета переходных процессовв* электроэнергетических системах, сводятся к какому-либо частному случаю расчета переходных процессов в одном элементе при определенных начальных условиях. Такие подходы применимы в основном для решения задач синтеза САУ. С развитием микропроцессорной техники: мы можем перейти от исследования поведения отдельногоэлемента энергосистемы в динамике, к рассмотрению всей ЭЭС в, целом, с применением методов математического моделирования, реализуемых в виде программно-моделирующих комплексов.

Структурный и параметрический синтез САУ ГТЭС затрудняется сложностью, нелинейностью* и многорежимностью объекта управления которым является" как сама ГТЭС, так и связанная с ней электроэнергетическая система, и проводится на максимально упрощенных математических моделях. Однако, на этапе испытаний, с применением системы компьютерной поддержки учитываются не только основные свойства отдельного структурного элемента ЭЭС, но и свойства, вызванные влиянием возмущений-различного характера от других элементов ЭЭС, проявляющихся как в рабочих, так и в аварийных режимах. В диссертационной работе применен системный подход поддержки^ испытаний САУ, заключающийся в рассмотрении' ГТЭС, САУ ГТЭС и электрической нагрузки как единой" целостной системы, описываемой? единой математической моделью.

Для достижения цели диссертационной работы ставится и решается следующая научная задача" — разработка методики и алгоритмов компьютерной^ поддержки автоматизированных испытаний, САУ ГТЭС на основе комплексной математической’модели-ЭЭС.

Для решения научной. задачи^ ставятся. ирешаются. следующие частные задачи:

1. Разработать математическую модель ЭЭС на основе структурной и функциональной декомпозиции ЭЭС и входящих в ее состав газотурбинных электростанций.

2. Разработать методику компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС, основанную на математическом моделировании статических и динамических процессов в ЭЭС и входящих в ее состав ГТЭС.

3. Осуществить алгоритмизацию и программную реализацию разработанных модели и методики в форме программно-моделирующего комплекса для поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС.

4. Провести исследования разработанного программно-моделирующего комплекса методом математического моделирования.

Цель и задачи работы обусловили выбор следующих методов исследования: методы теории автоматического управления, электрических машин, теоретических основ электротехники и электроснабжения, математического моделирования, численного анализалинейной алгебры, натурного и вычислительного эксперимента.

Теоретической и методологической основой исследований являются работы Д. А. Арзамасцева, В. А. Веникова, Л. П. Веретенникова, В. Л. Волкова, A.A. Горева, В. В. Жукова, К. К. Кетнера, И. В. Копылова, A.A. Самарского, С. А. Ульянова и др., исследования также опираются на работы, посвященные практическому внедрению систем автоматизации испытаний, таких авторов как A.A. Шевяков, H.H. Матушкин, В. П. Казанцев, А. И. Полулях и др., диссертация продолжает исследованиявыполненные представителями* научной школы профессора' В. М. Винокура: И. А. Шмидтом, А. В. Ромодиным,.

А.Б. Петроченковым, Л. А. Мыльниковом и др.

Научная новизна:

1. Разработана новая математическая модель ЭЭС, позволяющая' моделировать переходные и установившиеся электромагнитные и электромеханические процессы, возникающие под влиянием возмущающих воздействий в автономном. и. параллельном, режимах работы энергоблоков ГТЭС, при работе ГТЭС на мощную^ сеть, а также при электрической коммутации.

2. Впервые разработана методика компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС, обеспечивающая оценку качества вырабатываемой электроэнергии методом математического моделирования динамических и статических процессов в ЭЭС.

3. На основе разработанной методики и математической модели создана оригинальная функциональная структура программно-моделирующего комплекса, основош которой являются открытые для чтения: и модификации алгоритмическая база, база знаний и база экспериментов.

На защиту выносятся:

— модель ЭЭ&euro-, впервые включающая: математические модели структурных, элементов и модель взаимодействия! элементов для статического! и динамического моделированияЭЭС ш входящих в ее состав ГТЭС в режимах автономной, параллельной работы и работы на мощную сеть;

— методика? компьютерной поддержки! испытаний? САУ ГТЭС методами математического моделирования-: функциональная структура программно-моделирующего комплекса для компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС;

— принципы: программной, реализации разработанных алгоритмов и математической модели ЭЭС, результаты, исследований разработанного программно-моделирующего-комплекса;

Практическая? ценность работы. Система компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ ГТЭС позволяет методами вычислительного экспериментам автоматизировать^ предварительные и комплексные: испытаниям существующих и: вновь, разрабатываемых система автоматического управления. ГТЭС путем:

— автоматизации процесса испытаний САУ ГТЭС на соответствие качества^ вырабатываемой электроэнергии требованиям государственных стандартов;

— автоматизации процесса обработки результатов моделирования.

Применение программно-моделирующего комплекса для компьютерной поддержки испытаний САУ позволяет повысить эффективность испытаний за счет сокращения трудозатрат на испытания САУ на этапах разработки, пусконаладки и эксплуатации ГТЭС.

Структура и объем? диссертации. Диссертация состоит извведения, 4 глав, заключения, списка5 литературы, включающего 62 наименования, и приложения: Основная часть работы содержит 136 страниц, включающих 3 таблицы и 24 рисунка.

Основные результаты работы заключаются в следующем:

1. Разработана математическая^ модель электроэнергетической системы, позволяющая моделировать, переходные и установившиеся процессы, возникающие под влиянием задающих и возмущающих воздействий как в автономном режиме работы газотурбинной электростанции, так и при работе на мощную сеть.

2. Разработана методика компьютерной поддержки автоматизированных испытаний САУ газотурбинных электростанций.

3. Выполнена алгоритмизация* и программная^ реализация разработанной модели электроэнергетической системы и разработанной методики в форме программно-моделирующего комплекса.

4. Проведены, практические исследования программно-моделирующего* комплексаподтвердившие^ адекватность разработанной математической модели электроэнергетической-системы.

5. Разработанная? система компьютерной поддержки" испытаний САУ газотурбинных электростанций позволяет сократитьтрудозатраты на испытания-, как уже существующих, так и вновь разрабатываемых САУ газотурбинных электростанций в 2 раза и более.

Следует отметить, что разработанный программно-моделирующий комплексреализуя проблемно-ориентированную компьютерную поддержку автоматизированных испытаний САУ ГТЭС на основе математического моделирования ЭЭС сложной! структуры, обеспечивает гибкую модификацию условий численного эксперимента и обработки его результатов для всех основных характерных и критических режимов эксплуатации ГТЭС.

Открытая архитектура и применение методов структурного моделирования предоставляют возможность использования разработанного программно-моделирующего комплекса для систематизации и сопоставления по результатам комплексных компьютерных испытаний различных вариантов структур САУ ГТЭС и поиска новых проектных решений.

Разработанный на основе проведенных исследований программно-моделирующий комплекс принят в эксплуатацию на предприятии ОАО «Авиадвигатель», г. Пермь (см. приложение П. З). Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе кафедры микропроцессорных средств автоматизации Пермского государственного технического университета, (см. приложение П.4).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПО РАБОТЕ.