Все авторефераты докторских диссертаций

Методологические и теоретические основы автоматизации испытаний систем управления электроэнергетическими газотурбинными установками с учетом динамики электроэнергетической системы

Автореферат докторской диссертации

На правах рукописи

Кавалеров Борис Владимирович

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ И ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ

АВТОМАТИЗАЦИИ ИСПЫТАНИЙ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ ГАЗОТУРБИННЫМИ

УСТАНОВКАМИ С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в промышленности)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Пермь-2012

Работа выполнена на кафедре Микропроцессорные средства автоматизации ФГБОУ ВПО Пермский национальный исследовательский политехнический университет.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор

Винокур Вадим Мотельич________

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сарапулов Федор Никитич (Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина)

доктор технических наук, профессор Ефимов Игорь Григорьевич (Санкт-Петербургский политехнический университет)

доктор технических наук, профессор Трефилов Виктор Александрович (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

Защита состоится 16 мая 2012 года в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.188.04 при Пермском национальном исследовательском политехническом университете по адресу 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, 29, ауд. 345.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Пермского национального исследовательского политехнического университета.

Автореферат разослан

2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

А.А. Южаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время в Российской Федерации в силу растущих потребностей рынка малой энергетики разрабатывается и эксплуатируется порядка 20 типоразмеров газотурбинных установок (ГТУ) мощностью от 1 до 25 МВт. Конвертированные ГТУ для выработки электроэнергии создаются на основе серийных авиационных двигателей, что позволяет сохранить в среднем 70-75 % узлов базовых ГТУ. Вместе с тем особенности конструкции, новые условия эксплуатации, высокие требования к показателям качества вырабатываемой электроэнергии выдвигают задачу совершенствования систем автоматического управления (САУ) электроэнергетическими ГТУ.

Существующие методы разработки и испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ во многом наследуют принципы создания и испытаний САУ для авиационных прототипов и в недостаточной степени учитывают особенности эксплуатации ГТУ в качестве энергоприводов наземных многоагрегатных газотурбинных электростанций (ГТЭС). Во время проведения модельных и полунатурных испытаний САУ широко применяется компьютерное моделирование ГТУ, однако поведение электроэнергетической системы (ЭЭС) в должной мере не учитывается и не моделируется. В свою очередь, при натурных испытаниях ГТЭС используются стенды с ограниченной функциональностью по электрической нагрузке. Вместе с тем известно, что характеристики САУ ГТУ существенным образом зависят от особенностей режимов ЭЭС, обусловленных составом, поведением и значением электрической нагрузки, непрерывными изменениями в режимах работы ГТЭС и в конфигурации ЭЭС. В результате, из-за недостаточной полноты и, завершенности испытаний, значительно увеличиваются объемы работ по настройке и подстройке САУ ГТУ во время пусконаладочных операций, непосредственно предшествующих вводу ГТЭС в эксплуатацию, что сопряжено с повышенной трудоемкостью, энергоемкостью, низким качеством настройки и, как следствие, проблемами обеспечения требуемых показателей качества вырабатываемой электроэнергии.

Исходя из изложенного, актуальность работы определяется очевидным противоречием между высоким потенциалом развития малой энергетики и сохраняющимся отставанием испытательной базы САУ ГТУ, что существенно увеличивает трудоемкость и энергоемкость испытаний, ухудшает характеристики систем управления и, как следствие, снижает показатели качества вырабатываемой электроэнергии.

К настоящему времени усилия исследователей по совершенствованию систем автоматизации испытаний САУ ГТУ сосредоточились в основном в области построения управляющих и моделирующих алгоритмов на основе концепции моделирующих динамических стендов. Это направление нашло отражение в работах В.Г. Августиновича, В.М. Боднера, В.М. Винокура, В.Т. Дедеша и др. Исследования, касающиеся развития информационно-управляющих систем автоматизации испытаний, представлены в работах Д.А. Ахмедзянова,а Ю.В. Кожевникова,а B.C. Моисеева,а А.Х. Хайруллина,

Ф.А. Шаймарданова и др. Решению комплексных проблем развития систем автоматизации испытаний (САИ), как основы испытательной базы САУ ГТУ, уделяли значительное внимание центральные научные и проектные организации, существенный вклад в развитие методов испытаний САУ ГТУ внесли научные коллективы ведущих вузов Российской Федерации. Вместе с тем сложившаяся практика построения управляющих и моделирующих алгоритмов САИ ориентирована на испытания САУ авиационными ГТУ и в недостаточной степени учитывает специфику установок, конвертированных для нужд электроэнергетики. Кроме того, современные натурные испытания САУ не обеспечивают проведения исследований с воспроизведением характерных режимов работы ЭЭС. В связи с этим актуальным направлением автоматизации испытаний является формирование единого комплекса методов, моделей и алгоритмов САИ, обеспечивающего проведение испытаний САУ ГТУ с использованием компьютерной имитации ЭЭС.

Однако обеспечение взаимодействия ГТУ и ЭЭС при автоматизированных испытаниях САУ ГТУ является сложной проблемой. Требования гибкости по отношению к различным этапам и изменяющимся программам испытаний САУ ГТУ с учетом разнообразных структурных и параметрических характеристик ЭЭС делают необходимым придание САИ свойств настраиваемоеЩ при соблюдении условий быстрорешаемости применительно к моделям ЭЭС.

Возникает и ряд сопутствующих проблем: в настоящее время отсутствует общая концепция автоматизации испытаний САУ ГТУ с использованием компьютерного моделирования ЭЭС; не решена в полной мере задача моделирования взаимовлияния ГТУ и ЭЭС с изменяемой конфигурацией; недостаточно проработаны методы математического моделирования, идентификации и алгоритмизации применительно к задаче построения быстрорешаемых моделей ЭЭС для снижения трудоемкости испытаний САУ ГТУ; не сформирована методика структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ при компьютерных и полунатурных испытаниях; не разработаны принципы программной реализации указанных методов, моделей и алгоритмов.

Объект исследования - системы автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.

Предмет исследования - методы, модели и алгоритмы автоматизации испытаний САУ ГТУ с учетом взаимовлияния ГТУ и ЭЭС.

Целью диссертационной работы является решение важной научной проблемы разработки методологических и теоретических основ автоматизации испытаний САУ ГТУ, обеспечивающих снижение трудоемкости и энергоемкости испытаний, повышение эффективности САУ и улучшение показателей качества вырабатываемой электроэнергии за счет учета взаимовлияния ГТУ и ЭЭС методами математического моделирования.

Сформулированная цель определяет следующие задачи исследований:

1. Предложить концепцию построения систем автоматизации испытаний САУа электроэнергетическимиа ГТУа са использованиема совместного

математического моделирования ГТУ и ЭЭС при учете множества режимов работы и множества вариантов структурной организации ЭЭС на основе единых методологических принципов построения и функционирования САИ.

Разработать теоретические основы, методы и алгоритмы построения нелинейной динамической модели ЭЭС, состоящей из моделей структурных элементов, моделей взаимодействия структурных элементов и учитывающей зависимости между режимными и структурно-топологическими параметрами ЭЭС.
Разработать методику построения быстрорешаемых моделей ЭЭС на основе результатов компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной нелинейной модели ЭЭС для проведения компьютерных и полунатурных испытаний САУ ГТУ.
Разработать методику структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ с использованием полученных первичных нелинейных и быстрорешаемых моделей ЭЭС для снижения трудоемкости и энергоемкости испытаний, улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Выполнить программную реализацию полученных моделей и алгоритмов в составе математического, программного и информационного обеспечений иерархических САИ.

Методы исследований основаны на использовании результатов общей теории систем, теории автоматического управления, теоретических основ электротехники, теории оптимизации, методов идентификации, методов математической статистики, математического и имитационного моделирования сложных систем с применением вычислительных средств, теории графов, комбинаторной топологии и др.

Исследования проводились с использованием математических моделей, стендовых испытаний и в реальных условиях эксплуатации САУ ГТУ в составе ГТЭС.

Научная новизна.

Новизна предложенной концепции построения САИ заключается в том, что она получена на основе единых методологических принципов построения многоуровневых САИ САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием разработанной структурной модели подсистемы моделирования ЭЭС, что обеспечивает за счет предлагаемой интеграции повышение эффективности проведения испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.
Новизна теоретических основ, методов и алгоритмов построения нелинейной структурно сложной математической модели ЭЭС заключается в разработке нового принципа формирования комплексной универсальной модели структурного элемента; в доказательстве утверждений о формах уравнений связи для моделирования взаимодействия структурных элементов на основе введенной в рассмотрение матрицы структуры ЭЭС; в разработке новых алгоритмов для моделирования структурных элементов и взаимодействия структурных элементов с учетом режимов работы структурно и параметрически модифицируемых ЭЭС.

Новизна методики формирования быстрорешаемых моделей ЭЭС заключается в новом подходе к построению моделей по результатам компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной модели ЭЭС; в обосновании иерархии моделей: первичная модель -быстрорешаемая модель; в разработанных алгоритмах структурной и параметрической идентификации для построения быстрорешаемых моделей; в формировании открытого множества быстрорешаемых моделей для проведения компьютерных и полунатурных испытаний САУ ГТУ.
Новизна методики структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ заключается в использовании при настройке и оптимизации первичных нелинейных и быстрорешаемых моделей ЭЭС модифицируемой конфигурации; в разработке алгоритмов автоматической настройки и оптимизации САУ ГТУ с использованием системы контрольных показателей и парето-оптимальных решений для снижения трудоемкости и энергоемкости испытаний, улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.
Новизна способов программной реализации полученных моделей и алгоритмов САИ заключается в оригинальных структурных решениях построения программных комплексов подсистем моделирования ЭЭС САИ на основе разработанной алгоритмической базы, адаптивной к произвольным структурам и составу ЭЭС.

Основные положения, выносимые на защиту включают:

-а концепцию построения системы автоматизации испытаний САУ ГТУ с

использованием математического моделирования ЭЭС модифицируемой

структуры в рамках разработанных методологических основ автоматизации

испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ;

-теоретические основы, методы и алгоритмы построения структурно и параметрически настраиваемой динамической математической модели для воспроизведения множества режимов работы и множества вариантов структурной организации ЭЭС;

методику построения быстрорешаемых моделей ЭЭС по результатам компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной динамической модели ЭЭС;
методику структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ на основе применения первичных нелинейных и быстрорешаемых компьютерных моделей ЭЭС;
программный комплекс моделей и алгоритмов для автоматизации испытаний САУ ГТУ, обеспечивающий гибкость по отношению к изменяющимся последовательностям испытаний и характеристикам ЭЭС.

Достоверность приводимых в работе результатов и выводов

обеспечивается принятыми за основу объективно существующими

физическими законами и закономерностями термодинамики и

электромеханики, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов,

полученных теоретическим путем, хорошим совпадением результатов

компьютерногоа моделированияа са экспериментальнымиаа данными.

Достоверность основных положений диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработанных моделей и алгоритмов в промышленности.

Практическая значимость работы.

Совокупность предложенных в работе идей, теоретических и прикладных результатов составляет новое направление в области автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.

Разработаны методики и алгоритмы моделирования, идентификации и испытаний, реализованные в составе математического, программного, информационного и методического обеспечений САИ промышленных предприятий. Автоматизация испытаний обеспечила существенное (в два раза и более) сокращение затрат времени на проведение испытаний как уже существующих, так и вновь разрабатываемых САУ; сокращение времени на выявление причин возникновения сбойных и аварийных ситуаций при проведении испытаний (на 20-30 %); повышение оперативности в получении, обработке и использовании информации о характеристиках САУ; повышение уровня интеллектуализации испытаний и универсальности САИ ГТУ; улучшение характеристик САУ и повышение качества вырабатываемой ГТЭС электроэнергии на 15-20 %, что подтверждается документами о внедрении.

Результаты диссертации патентно защищены и внедрены на предприятиях: ОАО Авиадвигатель, ОАО Протон-ПМ, ООО Лукойл-Пермнефтеоргсинтез, ООО Пермнефтегазпереработка, в Научно-образовательном центре энергосбережения (НОЦЭС) при ПНИПУ.

Научные аспекты исследований нашли отражение в лекционных курсах, читаемых автором студентам Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), в публикациях и выступлениях на всероссийских и международных научно-технических конференциях и семинарах.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V, VI, VII, Международных научно-практических конференциях Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения (Пермь, 2002, 2003, 2004 гг.), Международной научно-практической конференции САКС-2002 (Красноярск, 2002 г.), Всероссийской (с международным участием) конференции Информация, инновации, инвестиции (Пермь, 2004 г.), Международном научно-практическом семинаре Современные программные средства для расчетов надежности и оценивания состояния режимов электроэнергетических систем (Иркутск, 2004 г.), Международной научно-практической конференции Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективноеаа использование. Собственныеаа источникиаа энергииаа (Пермь,

г.), Всероссийском электротехническом конгрессе ВЭЛК-2005 (Москва,
г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием Мехатроника, автоматизация, управление (Уфа, 2005 г.), Международном конгрессе по механике, электроэнергетике и судостроению (Варна, Болгария, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции

Управление инновациями: теория, инструменты, кадры (С.-Петербург, 2009 г.), Всероссийской научно-технической конференции Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике (Пермь, 2008, 2009 гг.), Всероссийской научно-технической конференции Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики (Казань, 2009 г.), Международной конференции Авиация и космонавтика - 2009 (Москва, 2009 г.), Международной научной конференции Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях (Москва, 2010 г.), Международной научно-технической конференции Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы (Екатеринбург, 2011 г.), Научно-техническом семинаре ФГУП ЦИАМ им. П.И. Баранова (Москва, 2012 г.).

Дальнейшим направлением использования разработанных методик является поиск путей решения проблемных ситуаций на этапах разработки, модернизации и эксплуатации ГТЭС на организационном и технологическом уровнях с учетом экономической целесообразности принимаемых решений.

Связь исследований с научными программами. Исследования выполнялись в соответствии с НТП Инновационная деятельность высшей школы 2002-2003 гг.; при выполнении госбюджетной НИР Разработка теоретических основ математического моделирования и оптимизации мини-энергосистем 2004-2005 гг.; в рамках договора 13.G25.31.0009 между ОАО Протон-ПМ и Минобрнауки РФ от 07.09.2010 об условиях предоставления и использования субсидии на реализацию комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства, выполняемого с участием российского высшего учебного заведения.

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 64 научных работах (из них 19 в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК), в том числе одна монография.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, списка литературы, включающего 298 наименований и приложений. Основная часть работы содержит 372 страницы, 18 таблиц и 95 рисунков. Приложение содержит примеры расчетов характеристик, результаты компьютерных и натурных экспериментов, документы о внедрении результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность, определены границы предметной области, сформулированы цель, научная новизна, практическая значимость работы и основные положения, выносимые на защиту. Подчеркнуто, что научно-технические достижения последних лет создают объективные возможности решения проблемы совершенствования испытательной базы САУ электроэнергетическими ГТУ, но для реализации этих предпосылок необходимо проведение теоретических и практических исследований по перспективным прикладным направлениям, представленным в диссертации.

Первая глава посвящена анализу современного состояния автоматизации испытаний САУ конвертированными авиационными ГТУ для привода электрогенераторов электростанций малой мощности (мини-электростанций).

Такжеа ва состава САУа ГТУа входят программно реализованныеа алгоритмы

управления и контроля. Нагрузкой ГТУ является синхронный генератор (СГ).

Отдельные ГТУ многоагрегатных ГТЭС даже при отсутствии согласованного

управления испытывают взаимовлияние, поскольку их синхронные генераторы

взаимодействуют через общую ЭЭС.

Если ранее при разработке гидромеханических устройств управления разработчик был в значительной мере ограничен в модификации алгоритмов управления, то в настоящее время эти возможности существенно расширились за счет гибкости программного обеспечения при отнесении технических средств к неизменяемой части системы. Таким образом, центральными задачами совершенствования характеристик САУ ГТУ являются задачи разработки, программной реализации и настройки алгоритмов управления.

Испытания САУ ГТУ относятся к наиболее сложным и ответственным этапам разработки, производства и эксплуатации САУ электроэнергетическими ГТУ. Показано, что существенной особенностью этих испытаний является проверка показателей качества вырабатываемой электроэнергии в различных режимах работы многоагрегатных ГТЭС, для изучения которых необходимо математическое моделирование динамики электроэнергетических систем. Сделан вывод, что недостаточный учет поведения ЭЭС приводит к повышению трудоемкости испытаний и снижению эффективности САУ ГТУ, что проявляется в ухудшении эксплуатационных свойств ГТЭС и, как следствие, в снижении качества вырабатываемой электроэнергии. Снижается и общий ресурс ГТЭС из-за аварийных отключений ГТЭС при значительных набросах и сбросах электрической нагрузки, при изменении режимов работы ГТЭС, в силу взаимного влияния САУ ГТУ и САУ СГ.

Поэтому необходимо начиная с самых ранних этапов научно-исследовательских испытаний рассматривать САУ ГТУ и ЭЭС как единую взаимосвязанную динамическую систему. Однако электроэнергетические объекты ввиду сложности и ответственности назначения, как правило, не допускают проведения полного набора натурных экспериментов, необходимых для испытания управляющих систем. Ограниченные же натурные эксперименты не позволяют с нужной достоверностью оценить работу САУ и к тому же весьма трудоемки. В связи с этим одним из основных способов испытания систем управления энергообъектами является использование математического моделирования ЭЭС.

Известно, что при проектировании, испытаниях, диагностике и настройке

САУ авиационными двигателями широко применяются математические модели

ГТУ в составе математического обеспечения САИ. Исследования

В.Г. Августиновича, Ф.Д. Гольберга, О.С. Гуревича, Т.С. Мартьяновой,

Ю.Н. Нечаева,аа Г.Г. Ольховского,аа А.Л. Палагина,аа А.А. Шевякова,

СМ. Шляхтенко и других авторов создают необходимые предпосылки для успешного развития этого направления применительно к электроэнергетическим ГТУ для ГТЭС.

Наряду с этим при проектировании и исследованиях ЭЭС обоснованно применяется математическое моделирование в составе разнообразных компьютерных систем моделирования и поддержки автоматизированных испытаний. Однако вопросам совместного исследования конвертированных авиационных ГТУ и ЭЭС методами математического моделирования уделено недостаточно внимания. Исследования в этой области в основном ограничиваются судовыми системами (Л.П. Веретенников, В.А. Целемецкий, В.П.Яковлев и др.), бортовыми авиационными системами (Д.А.Аветисян, S. Graham, С. Lucas, P. Lamm и др.) или нацелены на изучение отдельных вопросов эксплуатации ГТЭС, например проблем автоматического управления многоагрегатными автономными ГТЭС (В.Т. Морозовский, Ю.Н. Хижняков, А.А. Южаков, А.А. Юрганов и др.).

В связи с этим рассмотрены различные способы математического моделирования ГТУ и ЭЭС для автоматизации испытаний САУ ГТУ. Сделан вывод о необходимости разработки математических моделей ЭЭС с настраиваемыми структурой и составом элементов для имитации поведения ЭЭС при испытаниях САУ. Выявлена необходимость создания методики упрощения математических моделей ЭЭС и методики настройки САУ.

На основании проведенного анализа показана актуальность проблемы совершенствования испытательной базы САУ ГТУ, сформулирована цель диссертации, определен перечень решаемых в диссертации задач.

Вторая глава посвящена концепции построения систем автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ на основе единых методологических принципов автоматизации испытаний САУ ГТУ при совместном математическом моделировании ГТУ и ЭЭС с учетом множества режимов работы и множества вариантов структурной организации ЭЭС.

По результатам проведенного анализа предложено дополнить существующую технологию разработки и испытаний САУ, использующую моделирование ГТУ, математическим моделирование ЭЭС (показано штриховыми линиями на рис. 2).

Результаты натурных экспериментов				Техническое задание		. Моделированиеаа б Iа ЭЭСаа i
1				*
Идентификация нелинейной модели ГТУ				Выбор электронных модулей		'аа Первичная модельа , 1 ЭЭС ' \| 1\|а 1 ж бi--------- г------------ lб \|____________ б_______ \|
1				+
Идентификация линеаризованной модели ГТУ				Разработка алгоритмов САУ ГТУ
i				i
Расчет передаточных функций ГТУ				Расчет контуров управления		11 Быстро решаемая ' 1 Х4 -М 'аа модель ЭЭСаа ' 1 \|1а ж 1 \|1_______________________ 1\| 1_________________________ 1

1				+
Кодирование модели ГТУ в машинный код				Кодирование алгоритмов в машинный код
						------------ -т---------------------
			Испытания САУ ГТУ 1		Г
			Компьютерные испытания САУ ГТУ				4-1
			1		Г
			Полунатурные испытания САУ ГТУ				4-л
	1	г	т		Г		*
	Натурные испытания САУ ГТУ в составе ГТЭС

Рис. 2. Этапы разработки и испытаний САУ ГТУ

На рис. 3, а выделена часть ЭЭС, которая моделируется предложенной математической моделью. Модель ЭЭС моделирует генераторы электростанций, их устройства управления, устройства управления электростанции на уровне автоматизированной системы управления (АСУ) ГТЭС и внешнюю по отношению к электростанции ЭЭС. При этом модель ЭЭС не моделирует ГТУ и устройства управления ГТУ. Таким образом, взаимодействие моделей ГТУ и ЭЭС при испытаниях САУ ГТУ происходит так, как показано на рис. 3, б.

Ряд этапов, представленных на рис. 2, в настоящее время автоматизирован в недостаточной степени. Например, САПР программного обеспечения автоматизирует выбор электронных модулей и программирование контроллеров, но не обеспечивает поддержку испытаний, автоматизированную настройку САУ по результатам испытаний, подготовку и настройку моделей ГТУ и ЭЭС. Для выполнения этих функций приходится привлекать различные неунифицированные пакеты прикладных программ. В существующей технологии слабо задействованы обратные связи между различными этапами работ, различные виды испытаний оснащаются собственными системами автоматизации, поэтому использование математических моделей сталкивается с проблемой совместимости программного обеспечения, с необходимостью разработки специальных комплексов моделирующих программ для отдельных стендов, существуют сложности с взаимообменом информацией.

Поэтому на основании системного анализа проблематики автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ необходимо разработать методологические основы автоматизации испытаний САУ с использованием математического моделирования ЭЭС, что требует развития математического, программного, информационного и методического обеспечений САИ.

Показано, что среди главных методологических принципов проектирования и функционирования САИ должны присутствовать принципы системности, полиморфизма, декомпозиции, интеграции, совместимости, соответствия, реализуемости, единства системы и среды, контринтуитивного проектирования, способности к развитию. Установлены соответствия между видами испытаний САУ, стадиями жизненного цикла САУ и применяемыми способами настройкой САУ. Выполнена математическая постановка задачи испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ, для этого на основе анализа существующих требований разработана унифицированная система показателей качества вырабатываемой электроэнергии в динамике и статике по напряжению и частоте, которая определяет множество показателей качества, ограниченных допустимыми значениями

0Гп={чиЧ2,...,Чп}.

Формируется множество ограничений САУ

G*on={gl,g2,...,gw} Множество экспериментов представлено в виде

илоп= {иии2, ...,wД}, где количество состояний каждой последовательности uб определяет количество переходных процессов, которые имитируются на математической модели ЭЭС. Множество типов (структур) САУ задается множеством

R = {R\,R.2, ... ,Rn} Элементами этогоа аамножеств в свою очередь выступаютаа множества параметрических настроек для каждой структуры САУ

Ri= {r\,r2, ... ,гп). При проведении испытаний требуется найти вектор R допустимых настроечных параметров для фиксированной структуры САУ.

Вначале на основании априорных данных о вариантах исполнения и режимах работы ГТЭС формируется математическая модель ЭЭС. Затем производится проверка выбранного типа САУ и вариантов ее параметрических настроек на соответствие множеству G на множестве U. Тем самым решается первая - локальная задача испытания САУ. При удовлетворении всему комплексу требований вариант фиксируется как возможный и записывается в базу данных. В случае нарушения каких-либо ограничений Q и G вариант настроек отвергается. Так происходит до тех пор, пока не будут испытаны в соответствии с планом эксперимента все выбранные варианты САУ, составляющие множество R. Вслед за первой локальной задачей возможно решение второй - экстремальной задачи выбора наилучшей настройки R относительно рассматриваемого множества показателей качества Q, множества экспериментов U и множества ограничений G

F (R, Q, G, LO -> min.

В случае исследования работы многоагрегатных электростанций в составе нескольких энергоблоков (на практике от 1 до 8) необходимо учитывать взаимовлияние отдельных САУ. При этом множество экспериментов учитывает конфигурацию электростанций и количество энергоблоков.

Для испытаний и настройки САУ ГТУ определены характерные переходные процессы для режимов автономной и параллельной работы энергоагрегатов.

Предложена структурная модель процессов подсистемы моделирования ЭЭС, предусматривающая стратификацию основных задач подсистемы по четырем функциональным слоям: моделирование, идентификация, настройка и оптимизация, полунатурные испытания (рис. 4). Между слоями существуют прямые и обратные связи, формирующие различные последовательности операций по подготовке испытаний, собственно испытаниям и обработке результатов испытаний. Тем самым осуществляется адаптация САИ к конкретным видам и циклам испытаний. Внутри каждого функционального слоя взаимодействуют алгоритмические модули, которые выполняют операции

подготовки, проведения экспериментов и принятия решений после оценки их результатов.

Анализ состава и содержания функций, выполняемых САИ систем управления электроэнергетическими ГТУ, позволяет отнести такую САИ к классу сложных многоуровневых человеко-машинных динамических систем, проектирование которых со всей очевидностью является непростой задачей.

Рассмотрена системная модель проектирования САИ, представленная в виде последовательности взаимосвязанных этапов, объединяющая их в единую систему. В соответствии с этой моделью на основе рассмотренных общесистемных методологических принципов построения и функционирования САИ, с учетом множества функций и множества реализующих эти функции подсистем предложена концептуальная модель построения САИ, обеспечивающая проведение компьютерных, полунатурных и натурных испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием математического моделирования ГТУ и ЭЭС в рамках многоуровневой иерархической САИ предприятия.

Обсуждается функциональное наполнение уровней иерархии САИ.

Первый (нижний) уровень системы обеспечивает взаимодействие с модулями устройств связи с объектом (УСО) и выдачу непосредственных управляющих сигналов через выходные модули УСО.

Второй уровень обеспечивает непосредственное проведение испытаний на стенде и первичную обработку поступившей с нижнего уровня информации.

Третий (верхний) уровень получает информацию от среднего и является общим для различных испытательных стендов предприятия и видов испытаний.

Таким образом, концептуальная модель построения САИ имеет трехуровневую иерархическую структуру с размещением на верхнем уровне подсистемы моделирования ЭЭС, реализованной в виде комплекса программных модулей и технических средств. Новая САИ в соответствии с принципами совместимости и интеграции обеспечивает связь собственно испытаний САУ со структурно-параметрическим синтезом САУ и предоставляет совместимые инструменты моделирования ЭЭС, идентификации моделей, настройки и оптимизации САУ ГТУ. Отмечается, что основной проблемой при реализации таких САИ является разработка моделей и алгоритмов подсистемы моделирования ЭЭС.

Рассмотренные методологические принципы автоматизации испытаний позволили выделить главные особенности испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ, выполнить математическую постановку задачи испытаний, сформулировать с единых методологических позиций задачи моделирования, идентификации, настройки и оптимизации при проведении испытаний САУ, предложить концепцию построения САИ с использованием математического моделирования ЭЭС.

Третья глава содержит разработку теоретических основ, методов и алгоритмов построения нелинейной динамической модели ЭЭС, состоящей из моделей структурных элементов, моделей взаимодействия структурных элементов и учитывающей зависимости между режимными и структурно-

топологическими параметрами ЭЭС. Сформулированы требования к математическому моделированию ЭЭС. Разработаны алгоритмы математического моделирования ЭЭС модифицируемой структуры с возможностями автоматизированной сборки и настройки математической модели. Показано, что модель ЭЭС должна состоять из моделей отдельных элементов ЭЭС и модели взаимодействия элементов ЭЭС, то есть являться структурно сложной моделью. Обоснован выбор способа моделирования взаимодействия элементов с использованием решения уравнений связи, при этом в силу более высокой универсальности сделан выбор в пользу раздельного решения и явного интегрирования дифференциальных уравнений элементов ЭЭС. Благодаря такому подходу математические модели отдельных структурных элементов становятся модельно-независимыми. Произведено разделение всех структурных элементов ЭЭС по способу взаимодействия между собой на четыре категории: электрически взаимодействующие элементы (кабельные линии, статическая нагрузка, трансформаторы и др.), механически взаимодействующие элементы (ГТУ, различная механическая нагрузка), элементы, взаимодействующие как электрически, так и механически (электрические машины), элементы управления (регуляторы возбуждения, частоты вращения и др.). При этом показано, что основным системообразующим взаимодействием в ЭЭС является взаимодействие посредством электрических переменных: токов и напряжений.

Исследования выявили, что математическая модель электрически взаимодействующего элемента ЭЭС может рассматриваться как двухуровневая. Первый уровень - это система дифференциальных и алгебраических уравнений, полностью описывающая поведение элемента, его внешние и внутренние электромагнитные и электромеханические процессы. Второй уровень - это дифференциальные уравнения для связи с другими структурными элементами. В результате обоснована универсальная математическая модель структурного элемента, которая включает две составляющие:

внутренняя модель - уравнения динамики элемента (для расчета переменных элемента ЭЭС на каждом шаге расчета);
внешняя модель - уравнения связи элемента (для связи данного элемента с другими элементами ЭЭС на каждом шаге расчета).

Структура комплексной универсальной математической модели элемента ЭЭС показана на рис. 6.

Поставлена и решена задача получения внешних моделей электрически взаимодействующих элементов в единой обобщенной векторно-матричной форме записи относительно внешних переменных:

pls=-Al3-Bl-H,

где I, pis - вектор токов и вектор производных статорных токов элемента; U -вектор напряжений, приложенных между внешними зажимами элемента; А, В -матрицы, размерность которых зависит от системы координат, в которых моделируется структурный элемент, а также от того, полные это уравнения или упрощенные; Н - вектор, определяющий внешнее воздействие на элемент, например со стороны средств регулирования электрических параметров.

В силу модельной независимости внутренней модели (см. рис. 6) становится возможным использовать модели элементов разной степени сложности. Сделан вывод о целесообразности рассмотрения обобщенной формы записи моделей в двух вариантах: во вращающейся системе координат d, q, как получившей наибольшее распространение, и в системе координат а, Ь, с, как более перспективной при использовании современной компьютерной техники для учета несимметричных режимов.

Показано, что матрица структуры М является обобщением матрицы инцидентности. В случае скалярного представления переменных и отсутствия преобразования координат эти понятия тождественны. Матрица G -квазидиагональная. При ее умножении слева и справа на матрицу структуры получается расширенная матрица узловых проводимостей, размерность которой определяется не числом ветвей, а числом узлов. Матрица узловых проводимостей обращается на каждом шаге расчета.

Разработаны алгоритмы расчета установившихся и переходных режимов, алгоритмы повышения устойчивости расчета, среди которых наиболее важен алгоритм уравнительной стабилизации, и ряд других вспомогательных алгоритмов, в том числе: расчет начальных условий, расчет параметров структурных элементов, учет насыщения синхронных и асинхронных машин, учет несимметричных режимов работы, сопряжение механической и электрической частей ЭЭС, моделирования коммутации. Получены необходимые и достаточные условия решения уравнений связи.

Учет насыщения синхронных машин реализуется известными алгоритмами по характеристике холостого хода, для учета насыщения асинхронных двигателей разработан метод, использующий минимизацию квадрата ошибки

Ja=e(V,<ь,xm)2 =[1(У,<и)-1м(У,<и,хт)]2, гдеаа U - заданное напряжение; I - ток асинхронной машины, измеренный во время эксперимента; I (хт) - ток асинхронной машины, зависящий от значения параметра хт; е(хт) - ошибка как функция параметра хт; со - угловая скорость асинхронного двигателя.

Использование описания элементов в координатах а, Ь, с обеспечивает расчет несимметрии в нагрузке, например несимметричные короткие замыкания (рис. 7).

Ua,UZ>,Uc

15000

Разработана алгоритм

автоматизированного

формированияаа матрицы

структуры ЭЭС с целью сборки

и перенастройки математической

модели ЭЭС. Для этого в состав

математического обеспечения

включенаа формирователь

0,0001

0,06

0,02

0,04

Рис. 7. Пример моделирования однофазного короткого замыкания

структуры, который формирует матрицу М в соответствии с внешними или внутренними событиями. Внешние события -это воздействия со стороны

оператора или со стороны программы, управляющей экспериментом, внутренние события - это воздействия, не предусмотренные управляющей программой, например срабатывание защиты и отключение линии электропередачи. Время наступления внутреннего события заранее может быть неизвестно.

Формирователь структуры состоит из двух главных элементов: выявителя и построителя (рис. 8). Выявитель распознает событие, он описывается системой логических уравнений.

Внешнее событие	Формирователь структуры

	Выявитель события	Построитель М	Матрица М

Внутреннее событие

Рис. 8. Формирование матрицы структуры М

Построитель в соответствии с распознанным событием инициирует и совершает последовательность действий по формированию новой модели ЭЭС, тем самым реализуется построение структурно сложной математической модели требуемой конфигурации и заданного состава структурных элементов. Для подтверждения адекватности моделей использовались эталонные модели, экспериментальные данные стендовых испытаний и эксплуатационных режимов.

Четвертая глава рассматривает разработку методики построения быстрорешаемых моделей ЭЭС.

Методологические основы автоматизации испытаний предусматривают разработку алгоритмов идентификации по результатам компьютерного эксперимента на первичной модели с целью получения быстрорешаемых моделей, предназначенных для испытаний САУ и структурно-параметрической настройки алгоритмов управления.

По причине недостаточного быстродействия непосредственное использование первичной модели ЭЭС в задачах испытания, настройки и оптимизации САУ в большинстве случаев затруднительно. Например, характерный переходный процесс реальной продолжительностью одна секунда для системы из 6 параллельных энергоагрегатов и распределенной комплексной электрической нагрузки рассчитывается с помощью одноточечного метода Рунге - Кутты четвертого порядка за время 14,6 мин на базе Pentium IV, 3 GHz персонального компьютера. Разработанная методика позволяет решить данную проблему методами идентификации с тем, чтобы получить компактные редуцированные модели ЭЭС с нормированной погрешностью.

Общая задача идентификации решается как задача структурной и параметрической идентификации. Структурная идентификация производится по выбранным типам моделей. Алгоритм структурной идентификации для каждого типа модели находит наилучшую в смысле выбранной меры адекватности структуру быстрорешаемой модели. При выборе типа модели предложено ориентироваться на последующую задачу синтеза и расчета алгоритмов управления. Этими же задачами определяется одна из двух групп моделей: модели собственно нагрузки и модели ГТЭС.

В частности, модели нагрузки используются при подготовке и сопровождении натурных экспериментов, а модели ГТЭС - при коррекции и предварительной компьютерной настройке алгоритмов управления. Общий алгоритм идентификации представлен на рис. 10.

Выбор типа быстрорешаемой модели определяет используемый алгоритм идентификации. Разработано пять основных алгоритмов идентификации для пяти типов моделей нагрузки: 1 - модель в пространстве состояний непрерывная (прямой алгоритм); 2 - модель в пространстве состояний дискретизированная (алгоритм F); 3 - квазидинамическая модель (алгоритм А);

- модель с ограничениями (с оптимизацией на основе множителей Лагранжа);
- нелинейная модель. Для моделирования ГТЭС разработаны алгоритмы, идентифицирующие следующие модели: 1 - модель в пространстве состояний непрерывная; 2 - модель в пространстве состояний дискретизированная; 3 -модель в пространстве состояний с ограничениями; 4 - модель в виде передаточных функций; 5 - группа алгоритмов для нелинейных моделей. Кроме того, разработан алгоритм идентификации нагрузки для стендовых испытаний.

Показано, что для быстрорешаемых моделей необходимо производить проверку: а) мер адекватности; б) допустимого диапазона изменения переменных; в) обусловленности матриц; г) собственных чисел матриц. Для обеспечения заданного уровня адекватности быстрорешаемых моделей используются среднеквадратичные оценки и коэффициенты несовпадения Тейла. Для оценки обусловленности используется число обусловленности Тьюринга.

Для восстановления матриц коэффициентов быстрорешаемых моделей по идентифицированным матрицам перехода используется матричное логарифмирование. В рассмотренных примерах показаны области адекватности разработанных алгоритмов, представлены численные значения мер адекватности для разработанных быстрорешаемых моделей.

Быстрорешаемые модели обеспечивают значительную экономию времени расчета, что открывает возможность их применения при компьютерной настройке САУ и в полунатурных системах испытаний САУ. При моделировании нестационарных и нелинейных режимов необходимо использовать априорную информацию об идентифицируемом процессе. Эта информация получается и накапливается при экспериментах с первичной нелинейной моделью ЭЭС, рассматриваемой в третьей главе.

Вторая экстремальная задача выбора оптимальной структуры и параметров САУ является задачей многокритериальной оптимизации с нелинейными ограничениями.

Целевая функция J = J (R, v) зависит от ^-мерного вектора v переменных состояния системы, она минимизируется путем варьирования вектора настроечных параметров САУ R, лежащего в заданной области Reji^} при

ограничениях, в которые входят дифференциальные уравнения динамической системы (динамические ограничения). Известно, что сложность решения задачи нелинейного программирования в основном определяется видом ограничений. Кроме того, решение задачи оптимизации для систем высокого порядка приводит к весьма большим затратам машинного времени. Для каждого сочетания варьируемых структур и параметров (частного значения вектора R) необходимо численно интегрировать систему дифференциальных уравнений, входящих в динамические ограничения. Разработанная методика позволяет получить результат при непосредственном использовании быстрорешаемых моделей ЭЭС в контуре настройки (см. рис. 11).

Сложность настройки САУ также обусловлена многокритериальностью задачи параметрической оптимизации САУ. Очевидно, что эффективность САУ может быть повышена за счет совместного учета всех полезных критериев. В связи с этим в работе используется система контрольных показателей для сведения оптимизационной задачи к однокритериальной.

Также для сокращения области допустимых настроек регуляторов САУ предложеноа использоватьа компромиссыа Парето.а Множествоа парето-оптимальных решений формируется многократным решением экстремальной задачи, являющейся сверткой нормированных показателей качества (k1Nql(R) + k2Nq2(R) + ... + knNqn(R))

качества из множества Q = {qМ9 q2, ...а , qn), Nqi - нормированные значения

где ??, ?2,..., ??- положительные числа (?? + ?2

?? = 1), % - показатели

показателей качества, R - вектор настроечных параметров САУ, Ri - множество параметрических настроек. Многократное решение экстремальной задачи обеспечивается варьированием коэффициентов ??5 ?2,..., ?Д в интервале 0...1 при условии ?? + ?2 +... + ?Д = 1. В качестве примера на рис. 12 представлена область парето-оптимальных решений, полученная при оценке регулятора частоты вращения свободной турбины САУ электроэнергетической ГТУ в пространстве нормированных показателей качества: Nqм - первый максимум отклонения частоты, Nq2 - быстродействие, ?? - среднеквадратичная ошибка.

Разработанные алгоритмы обеспечивают настройку по быстрорешаемой модели не только регуляторов САУ ГТУ, но и регуляторов САУ синхронным генератором (СГ), что необходимо при исследовании взаимного влияния САУ ГТУ и САУ СГ на качество вырабатываемой электроэнергии. Исследованы возможности использования этого взаимовлияния для компенсации неправильной настройки САУ СГ.

Nq3 340-
320-
300-	'аа \ ?
280-	Х"'iа j
260-
240-
220-
Nqlа 150

При проведении настройки

предварительноа выбираются

параметры в окрестности номинальной

частоты вращения свободной турбины

саа использованиема какой-либо

методики (например, Зиглера -

Никольса, CHR и др.) При наличии

априорной информации о структуре и

параметрах объектаа может

использоваться аналитический метод

расчет начальногоа значения

коэффициентов регулятора. Поиск

настройкиаа осуществляется с

Рис. 12. Область парето-оптимальных настроек

использованиема поисковыхаа и

градиентных методов, извлекаемых из базы алгоритмов. Для оценки структурыаа иаа параметроваа САУ

используется ранее разработанная унифицированная система показателей качества.

Разработанные алгоритмы позволяют выполнять структурно-параметрическую настройку САУ ГТУ в условиях разнообразия режимов ЭЭС. Среди дополнительно решаемых задач - выбор оптимальной структуры ГТЭС и ЭЭС, выбор оптимального состава структурных элементов ЭЭС, выбор аварийной защиты ЭЭС, анализ статической и динамической устойчивости ЭЭС.

В заключительной главе нашли отражение вопросы, связанные с программной реализацией разработанных моделей и алгоритмов для автоматизации испытаний САУ ГТУ в рамках рассматриваемых САП.

Предложенная концепция построения САИ предусматривает автоматизацию испытаний на основе компьютерной имитации ЭЭС. Верхний уровеньаа САИаа обеспечивает:аа хранениеаа данныхаа оаа ходеаа испытанийаа иаа их

результатов в единой базе данных; математическую постэкспериментальную обработку, анализ результатов испытаний в соответствии с заданной программой; статистическую обработку результатов; преобразование результатов испытаний в формат, запрошенный заказчиком; формирование и выдачу итоговых документов; хранение всей информации по ходу испытаний с возможностью выполнения гибких запросов по любым параметрам, включая поиск результатов испытаний по сложным критериям; сравнение результатов испытаний. В составе верхнего уровня САИ размещается подсистема моделирования ЭЭС. Рис. 13 иллюстрирует использование разработанных методов, моделей и алгоритмов в составе программного моделирующего комплекса (ПМК) ЭЭС верхнего уровня САИ.

?	уровень САИ
				Анализ результатов испытаний Вычисление параметров Построение дроссельных характеристик Формирование протоколов Извлечение результатов испытаний по запросам Просмотр и печать результатов
	Отслеживание ЖЦ	4


ПМК ЭЭС Разработка и отладка ПО Моделирование Идентификация Настройка Оптимизация Подготовка испытаний			^а ь
			ча ?
					i		к
			1
				'		^-"~~а 1	г ~~~~Ч^
			Разработка программы испытаний
						Данные испытаний
	Модель ЭЭС
	tаа i
	Модель ГТУ					^-^^^_______ ____^



1				'			'
Второй уровень САИаа \

Рис. 13. Структура верхнего уровня САИ (ПО - программное

обеспечение)

Интерфейс и ядро программного обеспечения ПМК строится на основе современных инструментальных средств ускоренной разработки программ. При программировании применяется объектный подход. Разработан алгоритм сопряжения программных сред, обеспечивающий использование программных модулей ГТУ и ЭЭС, созданных с помощью различных языков программирования.

Показана функциональная структура ПМК, реализующего разработанные алгоритмы моделирования, идентификации, структурно-параметрической настройки и оптимизации. Рассмотрены основные программные компоненты,

их назначение, требования и особенности их построения. Представлены особенности ПМК, построенных по заданию различных предприятий.

Показано, как трехуровневая архитектура САП с ПМК ЭЭС позволяет формировать различные структуры испытательных комплексов в зависимости от вида испытаний.

Анализ результатов экспериментов подтвердил, что лучшее качество регулирования в локальных контурах управления достигается при использовании разработанных математических моделей ЭЭС в составе предложенной структуры САИ. К настоящему времени по каналу управления частотой вращения ГТУ достигнуто улучшение показателей качества электроэнергии в среднем на 15-20 % при одновременном соблюдении заданных показателей качества по каналу напряжения. Согласно оценкам результатов экспериментов разработанная САИ позволит в перспективе еще более значительно улучшить показатели качества по частоте вращения и напряжению.

Достигнута экономия времени на подготовку и проведение испытаний в два раза и более, на 20-30% снижены затраты времени на выявления причин возникновения сбойных и аварийных ситуаций.

Абсолютное значение стоимостной оценки результатов после внедрения САИ зависит от степени снижения числа экспериментов на заключительном дорогостоящем этапе натурных испытаний, сокращения сроков пуско-наладочных и ремонтных работ за счет повышения эффективности испытаний. Подсчитано, что экономия только по заработной плате при внедрении одного ПМК составляет не менее 0,5 млн руб. в год.

Экспериментальные исследования подтвердили возможность практической реализации результатов работы и реальную эффективность теоретических положений.

В заключении подчеркивается, что проблема разработки методологических и теоретических основ автоматизации испытаний САУ ГТУ с использованием моделирования ЭЭС имеет принципиальное значение, а ее решение определяет дальнейший прогресс в теоретических исследованиях и практической реализации перспективных САИ систем управления электроэнергетическими ГТУ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В результате исследований разработаны методологические и теоретические основы автоматизации испытаний САУ ГТУ для ГТЭС, что позволяет утверждать, что цель диссертации достигнута. Научные и технические решения доведены до алгоритмов и комплексов программ, внедрение которых позволяет увеличить эффективность испытаний в условиях роста требований к показателям качества вырабатываемой электроэнергии.

1. Выполнена постановка проблемы совершенствования

автоматизированных испытаний САУ ГТУ за счет использования математического моделирования для исследования взаимодействия ГТУ и ЭЭС в целях сокращения времени на подготовку и проведение испытаний, снижения

энергоемкости испытаний, расширения функциональности испытаний и повышения эффективности настройки САУ для улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.

На основе единых методологических принципов автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ предложена концепция построения системы автоматизации испытаний, обеспечивающей совместное рассмотрение процессов в ГТУ и ЭЭС методами математического моделирования, получена структурная модель процессов подсистемы моделирования ЭЭС, предусматривающая реализацию множества взаимосвязанных процедур моделирования, идентификации, структурно-параметрической настройки и оптимизации при проведении испытаний.
Разработаны теоретические основы, методы и алгоритмы построения математической модели ЭЭС с настраиваемой структурой и модельно-независимыми компонентами, обеспечивающей имитацию основных режимов работы многоагрегатных ГТЭС. Предложена и обоснована комплексная универсальная модель структурного элемента. Доказаны утверждения о форме уравнений связи для моделирования взаимодействия структурных элементов в составе структурно сложной модели ЭЭС. Введено понятие матрицы структуры модели ЭЭС. Получен комплекс алгоритмов для расчета начальных условий эксперимента, расчета параметров структурных элементов, учета насыщения синхронных и асинхронных машин, учета несимметричных режимов работы, для сопряжения механической и электрической частей ЭЭС, для моделирования коммутации структурных элементов, для повышения устойчивости расчета динамических режимов, для автоматизированного формирования матрицы структуры ЭЭС и ряд других алгоритмов. Выполнены программная реализация разработанных алгоритмов и их апробация в составе программных комплексов, внедренных на производстве. Установлена адекватность математических моделей.
Разработана методика построения быстрорешаемых моделей по результатам компьютерного эксперимента на первичной нелинейной модели ЭЭС. Показана необходимость введения иерархии моделей: первичная модель -быстрорешаемая модель. На основе разработанной классификации определены типовые структуры быстрорешаемых моделей, произведено обоснование метода идентификации. Получен алгоритм общей методики структурно-параметрической идентификации, обеспечивающий поддержку открытого множества структур быстрорешаемых моделей, предусматривающий построение двух групп моделей: для электрической нагрузки и для ГТЭС совместно с ЭЭС. На основе разработанной методики получены и программно реализованы различные по сложности проблемно ориентированные быстрорешаемые модели для поддержки испытаний и структурно-параметрической настройки САУ ГТУ.
Разработана методика структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ при испытаниях с использованием первичной нелинейной модели и быстроршаемых моделей ЭЭС. На основе разработанной системыаа унифицированныхаа показателейаа качеств вырабатываемой

электроэнергии созданы алгоритмы структурной и параметрической настройки САУ ГТУ с желаемыми динамическими характеристиками при совместном использовании быстрорешаемых и первичных моделей ЭЭС. Разработаны алгоритмы оптимизации характеристик САУ ГТУ с использованием полученных моделей для воспроизведения динамических режимов ЭЭС. Разработан алгоритм построения области парето-оптимальных решений. Испытания программно реализованных алгоритмов подтвердили целесообразность использования первичных и быстрорешаемых моделей ЭЭС для настройки САУ ГТУ при проведении испытаний.

6. Предложенная концепция и сформированная алгоритмическая база позволили создать подсистемы моделирования ЭЭС для различных систем автоматизации испытаний. В соответствии с предложенной концепцией разработаны и внедрены модели и алгоритмы САИ в интересах промышленных предприятий. Экспериментальные исследования и опытная эксплуатация подтвердили эффективность практической реализации разработанного методологического аппарата и основные теоретические положения настоящей диссертации. Достигнуто снижение затрат времени на подготовку и проведение испытаний в два раза и более, на 20-30 % снижены затраты времени на выявления причин возникновения аварийных ситуаций, достигнуто улучшение показателей качества электроэнергии в среднем на 15-20 %, экономия по заработной плате при внедрении одного ПМК составляет не менее 0,5 млн руб. в год.

Разработанные в диссертации теоретические положения и методологический аппарат использованы при создании подсистем САИ САУ электроэнергетическими ГТУ на базе авиационных двигателей Д-30 и ПС-90 для ОАО Авиадвигатель, при разработке интеллектуализированного комплексного испытательного стенда для ОАО Протон-ПМ, разработанные модели и методики использованы при создании систем компьютерной поддержки оптимизации энергопотребления для ООО Лукойл-Пермнефтеоргсинтез и ООО Пермнефтегазпереработка.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

Винокур В.М., Кавалеров Б.В., Петроченков А.Б. Программный комплекс для математического моделирования автономных мини-электростанций // Электричество. - 2007. - № 3. - С. 2-7.
Шигапов А.А., Кавалеров Б.В. Применение матричного подхода для расчета переходных процессов в электроэнергетических системах произвольной конфигурации // Системы управления и информационные технологии. - 2007. - №4 (30). - С. 21-27.

З.Шмидт И.А., Кавалеров Б.В., Один К.А., Шигапов А.А. Сопряжение

программных сред в задачах моделирования и тестирования систем управления

энергетическимиа газотурбинными установками // Информационно-

управляющие системы. - 2009. - № 5 (42). - С. 25-31.

Кавалеров Б.В., Кузнецов М.И., Шигапов А.А. Математическое моделирование автономных систем электроснабжения с учетом насыщения электрических машин // Электротехника. - 2009. - №11. - С. 13-18.
Шигапов А.А., Петроченков А.Б., Кавалеров Б.В. Структурная схема математической модели системы электроснабжения для испытания алгоритмов управления // Электротехника. - 2010. - №6. - С. 55-61.
Кавалеров Б.В., Петроченков А.Б. Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем // ЭЛЕКТРО Электротехника. Электроэнергетика. Электротехническая промышленность. -2010.-№6.- С. 19-23.
Кавалеров Б.В. Последовательный способ моделирования взаимодействия элементов в электроэнергетической системе // Системы управления и информационные технологии. - 2010. - №4.1(42). - С. 158-163.
Кавалеров Б.В., Полулях А.И., Шигапов А.А., Лисовин И.Г. Программный моделирующий комплекс для испытания и настройки САУ ГТУ наземных электростанций // Вестник Московского авиационного института.-2010.-Т. 17, №5.- С. 200-211.
Кавалеров Б.В. Парето-оптимальные решения в задачах испытания САУ энергетических ГТУ // Вестник Ижевского государственного технического университета.-2010.- №4(48).- С. 120-123.

Кавалеров Б.В. Идентификационная модель электрической нагрузки для испытания систем управления газотурбинных мини-электростанций // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т.7, №1. - С. 85-91.
Кавалеров Б.В. Математическое моделирование в задачах автоматизации испытаний систем управления энергетических газотурбинных установок // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2011. -№1.- С.74-83.
Кавалеров Б.В. Автоматизация испытаний САУ ГТУ газотурбинных мини-электростанций при проектировании и настройке // Автоматизация в промышленности.-2011.-№1. - С. 12-17.
Кавалеров Б.В., Казанцев В.П. Математическое моделирование электрической системы в задачах испытания и настройки средств управления газотурбинных энергетических установок//Электротехнические комплексы и системы управления. - 2011. - №1. - С. 2-8.
Полулях А.И., Лисовин И.Г., Кавалеров Б.В., Шигапов А.А. Автоматизация настройки регуляторов газотурбинных мини-электростанций при компьютерных испытаниях // Автоматизация в промышленности. - 2011. -№6.-С. 14-17.
Кавалеров Б.В., Казанцев В.П., Шмидт И.А. Компьютерные и полунатурные испытания средств управления энергетических газотурбинных установок // Информационно-управляющие системы. - 2011. - № 4. - С.34-41.
Кавалеров Б.В., Казанцев В.П. Математическая модель электроэнергетическойаа системыаа дляаа оптимальнойаа настройкиаа регуляторов

газотурбинных мини-электростанций // Вестник Ижевского государственного технического университета. - 2011. - № 2(50). - С. 21-24.

Кавалеров Б.В., Петроченков А.Б. Моделирование электрической нагрузки для настройки систем управления конвертированными газотурбинными установками // Электротехника. - 2011. - №11. - С. 11-16.
Кавалеров Б.В., Ромодин А.В. Мини-электростанции на базе конвертированных авиационных двигателей: проблемы управления и испытания САУ ГТУ // Вестник Северо-Восточного федерального университета имени М.К. Амосова. - 2011. - Т. 8, №3. - С. 42-49.
Полулях А.И., Лисовин И.Г., Кавалеров Б.В., Шигапов А.А. Исследование взаимовлияния систем управления газотурбинной установкой и электрогенератором при автоматизированной настройке регуляторов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2011. - Т. 7, №11.1.- С. 129-132.

Основные публикации в других изданиях

Винокур В.М., Кавалеров Б.В., Ромодин А.В. Математическое моделирование взаимодействия структурных элементов в системе электроснабжения // Годишник на техническия университет във Варна/ Технически университет. - Варна, 2001. - С. 506-511.
Винокур В.М., Кавалеров Б.В. Математическое моделирование газотурбинных электростанций на базе конвертированных авиационных двигателей // САКС - 2002: Тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. / СибГАУ. - Красноярск, 2002. - С. 150-151.
Винокур В.М., Кавалеров Б.В., Петроченков А.Б., Ромодин А.В. Создание программного комплекса для моделирования и оптимизации мини-энергосистем на базе автономных электростанций // Научные разработки и изобретения Пермского государственного технического университета. Реферативный сборник ПГТУ. - Пермь, 2003. - С. 201-202.
Винокур В.М., Кавалеров Б.В., Полулях А.И. Принципы построения программного комплекса для расчета динамических режимов работы автономной электростанции // Annual Proceedings of Technical University in Varna, 2004. - С 333-337.
Boris Kavalerov Algorithms of structural simulation for electric power supply systems // Acta Universitatis Pontica Euxinus // International Scientific Journal: Technical University of Varna, Ovidius University of Constanta, Perm State Technical University. - 2005. - Vol. 4, No. 1. - Pp. 64-67.
Винокур B.M., Кавалеров Б.В. Программныйаа комплексаа для математического моделирования автономных мини-электростанций// Всероссийский электротехнический конгресс ВЭЛК-2005: материалы конгресса. - М.: РАН, 2005. - С. 91-93.
Винокур В.М., Кавалеров Б.В. Математическое моделирование автономных электростанций // Мехатроника, автоматизация, управление: 2-я Всеросс. науч.-техн. конф. с междунар. участием: сб. трудов / УГАТУ. - Уфа, 2005.-Т. 2.-С. 229-233.

Vinokur V., Kavalerov B. Mathematical simulation of autonomous mini-power stations // Proceedings of Second International Congress on Mechanical and Electrical Engineering and Marine Industry, 7-9 October 2005, Varna, Bulgaria. -Varna, 2005.-Vol. IV.-Pp. 112-115.
Кавалеров Б.В. Математическое моделирование электроэнергетических систем для совершенствования САУ ГТУ // Авиация и космонавтика - 2009: тез. докл. 8-й междунар. конф. - М.: МАИ-ПРИНТ, 2009. - С. 180-181.
Математическое моделирование газотурбинных мини-электростанций и мини-энергосистем:аа монография / В.М. Винокур,аа Б.В. Кавалеров, А.Б. Петроченков, М.Л. Сапунков. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010.-299 с.
Кавалеров Б.В. Математическое моделирование при испытаниях систем управления конвертированных газотурбинных установок для электроэнергетики // Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях: сб. трудов междунар. науч. конф. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. - С. 15-19.

Кавалеров Б.В. Компьютерная поддержка автоматизированных испытаний средств управления газотурбинных электростанций на основе математического моделирования электроэнергетической системы // Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы: сб. трудов IV Междунар. науч.-техн. конф. - Екатеринбург: УрФУ, 2011. - С. 252-255.
Стенд для испытания системы автоматического управления конвертированной авиационной газотурбинной установки для привода электрогенератора: пат. № 103914 Российская Федерация / Б.В. Кавалеров. №2010144055; дата регистрации 27.04.2011.
Программный комплекс Комплекс математических моделей электрогенератора и электросети КМЭС: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011611839 РФ / Б.В. Кавалеров [и др.]. Дата регистрации 28.02.2011.
Система управления базой данных Energy Data Ware (СУБД Energy Data Ware): свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011615037 РФ / Б.В. Кавалеров [и др.]. Дата регистрации 28.06.2011.
База данных Energy Data Ware (БД Energy Data Ware): свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2011620475 РФ /Б.В. Кавалеров [и др.]. Дата регистрации 28.06.2011.

Подписано в печать 9.02.2012.

Усл. печ. л. 2,0.

Заказ 26/2012.

Все авторефераты докторских диссертаций

Blog