Сергеевич концепция и средства всережимного моделирования в рельном времени электроэнергетических систем
На правах рукописи
_ Гусев Александр Сергеевич КОНЦЕПЦИЯ И СРЕДСТВА ВСЕРЕЖИМНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ В РЕЛЬНОМ ВРЕМЕНИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМ Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Томск – 2008
Работа выполнена в Томском политехническом университете
Научный консультант: Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Ушаков Василий Яковлевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Баринов Валентин Александрович доктор технических наук, профессор Горелов Валерий Павлович доктор технических наук, профессор Литвак Валерий Владимирович
Ведущая организация: ОАО «Федеральная сетевая компания Единой энергетической системы» (ОАО «ФСК ЕЭС»)
Защита состоится 16 декабря 2008 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269.10 при Томском политехническом университете (ТПУ) по адресу:
634050 г. Томск, пр. Ленина 30, Томский политехнический университет.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.
Автореферат разослан «_» ноября 2008 г.
Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д212.269. доктор технических наук, профессор А.В.Кабышев Общая характеристика диссертационной работы Проблема и ее актуальность. В силу единства, непрерывности и парал лельности генерации, распределения и потребления электроэнергии все уча ствующее в данном процессе оборудование: первичные двигатели, генерато ры, трансформаторы, линии электропередачи и др. постоянно связано между собой в нормальных и аварийных режимах их работы.
Поскольку подавляющее большинство этого оборудования представляет собой динамические элементы, к тому же преимущественно нелинейные и с весьма значительным диапазоном постоянных времени (103), любая совре менная электроэнергетическая система (ЭЭС) образует большую, многопа раметрическую, жесткую (отношение наибольшей постоянной времени к наименьшей 101), нелинейную, динамическую систему. Проектирование, исследование и эксплуатация таких систем, в отличие от статических, объек тивно являются несоизмеримо более сложными задачами, в значительной мере из-за трудностей получения, в том числе своевременного, полной и дос товерной информации о протекающих в них процессах.
Применительно к ЭЭС эти трудности усугубляются еще недопустимо стью, за редкими исключениями, натурных экспериментов и невозможно стью, из-за чрезмерной сложности, полноценного физического моделирова ния. В результате основным путем получения названной информации служит математическое моделирование, полноту, достоверность и оперативность ко торого определяют два очевидных фактора:
1) адекватность математических моделей всех значимых элементов, обра зующих совокупную модель ЭЭС;
2) способность средств решения совокупной математической модели ЭЭС обеспечивать его реализацию с необходимой точностью и оперативно стью.
Что касается первого фактора, то достигнутый уровень физико-матема тического представления и описания процессов в различных звеньях, обору довании и ЭЭС уже давно позволяет синтезировать всережимные модели для всех элементов ЭЭС, достаточно полно и достоверно воспроизводящие в них реальный непрерывный спектр нормальных и анормальных процессов. Одна ко получающаяся при их использовании математическая модель ЭЭС, с уче том допустимого частичного эквивалентирования, неизбежно содержит очень жесткую, нелинейную систему дифференциальных уравнений чрезвы чайно высокого порядка, решение которой существующими средствами ока зывается невозможным. Поэтому, осуществляемое в настоящее время с по мощью многочисленных компьютерных программ численное моделирование ЭЭС производится с применением, несомненно в ущерб полноте и достовер ности, ряда, известных по специализациям и характеристикам данных про грамм, упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения.
Необходимость этих упрощений и ограничений длительное время связы валась, главным образом, с несовершенством ЭВМ, развитие которых долж но было их устранить. Между тем, стремительный и колоссальный прогресс компьютерной техники позволил практически полностью снять эту необхо димость лишь для статических задач и далеко не пропорционально повлиял на принципиально значимые упрощения и ограничения для динамических задач и на оперативность их решения. В результате актуальная для надежно го и эффективного решения многих важнейших задач проектирования, ис следования и эксплуатации ЭЭС проблема полноты, достоверности и опера тивности моделирования ЭЭС продолжает в значительной мере сохраняться и перспектива ее решения оказывается неопределенной.
В связи с этим, наряду с совершенствованием доминирующего в настоя щее время численного моделирования ЭЭС, становится целесообразным и актуальным исследование данной проблемы и разработка альтернативного пути ее решения. С учетом особенностей физико-математических свойств и характеристик ЭЭС, а также проявившихся трудностей решения сформули рованной выше проблемы сугубо численным путем, эвристически очевидно, что эффективной альтернативой может быть только комплексный подход, представляющий собой в широком смысле гибридное моделирование. Пред ставленные в данной диссертации результаты исследования проблемы, обос нования и разработки концепции и средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС подтверждают этот эвристический прогноз.
Аналогичная ориентация в решении проблемы моделирования больших динамических систем происходит в последние годы во многих промышленно развитых странах. Данное направление решения проблемы становится в по следнее время актуальной темой международных симпозиумов по теории и применению больших систем. Создание новых инструментов моделирования больших динамических систем, в частности ЭЭС, является в настоящее вре мя постоянной темой научно-технических программ Евросоюза. Начиная с 1998г. университетами и научно-исследовательскими центрами США и стран Европы инициирован и ежегодно проводится специализированный междуна родный симпозиум «Гибридные системы: вычисление и управление» (HSCC): в Беркли, Калифорния, США (HSCC 1998);
в Нимегене, Нидерланды (HSCC 1999);
в Питсбурге, Пенсильвания, США (HSCC 2000);
в Риме, Ита лия (HSCC 2001);
в Паоло Альто, Калифорния, США (HSCC 2002);
в Праге, Чехия (HSCC 2003);
в Филадельфии, Пенсильвания, США (HSCC 2004);
в Цюрихе, Швейцария (HSCC 2005);
в Санта Барбара, Калифорния, США (HSCC 2006);
в Пизе, Италия (HSCC 2007);
в Сент-Луисе, Миссури, США (HSCC 2008).
Цель работы. Главной целью диссертационной работы является создание средств моделирования ЭЭС, позволяющих решить актуальную для электро энергетики проблему получения, в том числе своевременного, достаточно полной и достоверной информации о реальном непрерывном спектре процес сов в оборудовании и ЭЭС при нормальных и аварийных режимах их работы.
Для достижения этой цели разработаны концепция и средства всережим ного моделирования в реальном времени ЭЭС. При выполнении данной ра боты были поставлены и решены следующие задачи:
1. Исследование проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС.
2. Обоснование и разработка концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, исключающей необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения.
3. Разработка структуры средств осуществления концепции всережимно го моделирования в реальном времени ЭЭС, образующих специализи рованную многопроцессорную программно-техническую систему ре ального времени гибридного типа, состоящую из адаптируемой сово купности специализированных гибридных процессоров (СГП) модели руемых элементов ЭЭС и информационно-управляющей системы (ИУС).
4. Синтез всережимных математических моделей основного и вспомога тельного оборудования элементов ЭЭС: синхронных и асинхронных электрических машин, первичных двигателей и систем их регулирова ния, систем возбуждения, трансформаторов, линий электропередачи и др., адекватно воспроизводящих реальный непрерывный спектр нор мальных и анормальных процессов.
5. Разработка СГП, универсальных для соответствующих видов элемен тов ЭЭС и обеспечивающих в реальном времени, на неограниченном интервале и с необходимой точностью решение всережимных матема тических моделей элементов ЭЭС, а также преобразования форм пред ставления информации и всевозможные трехфазные продольные и по перечные коммутации.
6. Разработка ИУС, включающей специализированное программное обеспечение (СПО), интерфейсы, локальную компьютерную сеть и обеспечивающей все виды автоматизированного и автоматического управления моделированием, в том числе в реальном времени: инте рактивное, программное, комбинированное, а также представления функциональной обработки, отображения информации и информаци онного взаимодействия в компьютерных сетях, в частности, с опера тивно-информационными комплексами (ОИК) ЭЭС.
7. Практическая реализация концепции и средств всережимного модели рования в реальном времени ЭЭС, полностью ориентированная на ин тегральную микроэлектронику, микропроцессорную технику, про граммно-информационные технологии. Исследование и испытание функциональных, метрологических и эксплуатационно-технических свойств и возможностей разработанных средств.
Методы исследования. Сложная специфика разработанных средств все режимного моделирования в реальном времени ЭЭС обусловила необходи мость обоснования и применения рассмотренной в диссертации специализи рованной экспериментальной методики оценки метрологических характери стик этих средств. Данная методика основана на использовании свойств раз работанных средств и позволяет надежно оцениваемые метрологические ха рактеристики воспроизведения квазиустановившихся режимов для одного значения частоты распространять на весь рабочий частотный диапазон про цессов в ЭЭС.
Для других решаемых в диссертации задач применяется широкий спектр теоретических и экспериментальных методов исследования: теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, теории ав томатического регулирования и управления, теории нелинейных и линейных электрических цепей с распределенными и сосредоточенными параметрами и др.
Научная новизна:
1. Предложена и обоснована концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, исключающая необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей и условий их решения.
2. Разработана структура средств осуществления предложенной концеп ции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, представ ляющая собой специализированную многопроцессорную программно техническую систему реального времени гибридного типа, состоящую из адаптируемой совокупности СГП и ИУС.
3. Синтезированы всережимные математические модели, универсальные для соответствующих видов элементов ЭЭС: синхронных и асинхрон ных эл. машин вместе с их вспомогательным оборудованием, транс форматоров, линий электропередачи и др. и достаточно полно и досто верно описывающие в них реальный непрерывный спектр нормальных и анормальных процессов.
4. Разработаны СГП, универсальные для каждого вида элементов ЭЭС и обеспечивающие в реальном времени, на неограниченном интервале и с необходимой точностью решение всережимных математических мо делей этих элементов, а также преобразование форм представления информации и моделирование всевозможных трехфазных продольных и поперечных коммутаций.
5. Разработана ИУС, включающая СПО, ориентированное на всережим ное моделирование в реальном времени ЭЭС, в том числе с учетом ре лейной защиты и противоаварийной автоматики, и на полностью авто матизированное и автоматическое его осуществление.
Научно-техническая новизна наиболее значимых решений подтверждена патентом и рядом авторских свидетельств на изобретения.
Практическая ценность. Разработанные средства моделирования ЭЭС исключают необходимость принципиально значимых упрощений и ограни чений для математических моделей и условий их решения, что позволяет:
1) полностью отказаться от декомпозиции и ограничения интервала вос произведения процессов;
2) использовать для всех элементов ЭЭС всережимные математические модели с полноценным учетом основного и вспомогательного обору дования, адекватно воспроизводящие в них реальный непрерывный спектр всевозможных нормальных и анормальных процессов, включая трехфазные по мгновенным значениям;
3) осуществлять в реальном времени непрерывное всережимное модели рование ЭЭС, в том числе с учетом функционирования всевозможных средств релейной защиты, технологической и противоаварийной авто матики.
При этом обеспечиваются все потенциально необходимые автоматизиро ванные и автоматические информационно-управляющие возможности моде лирования:
1) интерактивный, программный и комбинированные режимы управления моделированием и отображением, функциональной обработкой и пред ставлением информации и т.д.
2) информационное взаимодействие с внешними программными средст вами, в том числе в компьютерных сетях, в частности с ОИК ЭЭС с це лью автоматического установления и отслеживания квазиустановив шихся схемно-режимных состояний моделируемой ЭЭС по текущим или ретроспективным данным телесигналов (ТС) и телеизмерений (ТИ).
В результате достигается возможность получения, в том числе в реальном времени, достаточно полной и достоверной информации о непрерывном спектре нормальных и анормальных процессов в оборудовании и ЭЭС при всевозможных нормальных и аварийных режимах их работы, необходимой для надежного и эффективного решения многих важнейших задач проекти рования, исследования и эксплуатации ЭЭС, в частности: а) расчета, на стройки и проверки существующих устройств и систем релейной защиты, противоаварийной автоматики, автоматического регулирования возбуждения (АРВ), а также систем регулирования котлоагрегатов, турбин и т.д.;
б) моде лирования и разработки модернизированных и новых средств релейной за щиты, технологической и противоаварийной автоматики;
в) анализа аварий в ЭЭС;
г) исследования динамических свойств ЭЭС;
д) анализа возможных ус ловий работы оборудования;
е) советчика диспетчера;
ж) тренажа и обучения персонала.
Реализация работы. Результаты диссертационной работы реализованы в полном объеме в ряде НИР, выполненных при непосредственном ведущем участии автора диссертации и под его научным руководством, в частности:
1. В договорных НИР ТПУ с ОАО «Тюменьэнерго»: №№9-31/89, 9 24/98, 9-135/99, 9-27/01, 9-28/01, 9-175/02, связанных с разработкой, ис следованием и изготовлением средств всережимного моделирования в реальном времени Тюменской энергосистемы (ТЭ), названных гибрид ным моделирующим комплексом (ГМК) ЭЭС и соответственно ГМК ТЭ, а также с авторскими сопровождением его опытной эксплуатации и с разработкой на базе ГМК ТЭ и ОИК ТЭ всережимного диспетчерско го тренажера и советчика реального времени.
Использование представленных в диссертации результатов подтвер ждено соответствующим актом внедрения.
2. В договорной НИР ТПУ с ОАО «ФСК ЕЭС» № 9-105/04, связанной с разработкой проекта модернизированных средств всережимного моде лирования в реальном времени ЕНЭС, названных всережимным моде лирующим комплексом реального времени (ВМК РВ) ЕЭС.
В рамках выполнения этого проекта для представителей «ФСК ЕЭС» проведена в «Тюменьэнерго» на ГМК ТЭ натурная демонстрация свойств и возможностей разработанных средств всережимного модели рования в реальном времени ЭЭС.
3. В НИР, выполненной по заказу Электротехнического института ТПУ, связанной с разработкой и изготовлением ВМК РВ ЭЭС в объеме экви валентной схемы ЕНЭС Томской области для учебных и научно исследовательских целей.
Реализация подтверждена актом внедрения.
Кроме этого результаты диссертации использовались в договорных НИР ТПУ с ТЭЦ Сибирского химического комбината №9-93/01, с Томским неф техимическим комбинатом №№9-93/01, 9-62/05, 7-55/06 и др., связанных со всережимным моделированием в реальном времени систем электроснабже ния и исследованием условий работы АРВ турбогенераторов, мощных син хронных двигателей, с их оптимальной настройкой и модернизацией, а также с исследованием процессов пуска, выбега, самозапуска синхронных двигате лей, функционирования средств релейной защиты и противоаварийной авто матики.
Результаты исследований и разработок, обобщенных в диссертации, по служили стимулом и основой для создания в ОАО «Тюменьэнерго» на пери од опытной эксплуатации ГМК ТЭ сектора моделирования, учебно исследовательской лаборатории гибридного моделирования ЭЭС на кафедре «Электроэнергетические системы и высоковольтное оборудование» ТПУ, а также открытия в Электротехническом институте ТПУ научно-исследова тельской лаборатории «Моделирование ЭЭС», научным руководителем ко торой является автор диссертации.
Личный вклад автора. Лично автором диссертации выполнено исследо вание проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС, пред ложена и обоснована рассмотренная в диссертации концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, разработана структура средств осуществления предложенной концепции в виде специализированной много процессорной программно-технической системы реального времени гибрид ного типа, состоящей из адаптируемой совокупности СГП и ИУС, синтези рованы приведенные в диссертации всережимные математические модели основного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС, разработаны функциональные и структурные схемы всех СГП.
Разработка ИУС осуществлялась при непосредственном участии автора и под его научным руководством коллективом научно-исследовательской ла боратории. Аналогично осуществлялась практическая реализация представ ленных в диссертации разработок, включавшая: изготовление, испытание, исследование и внедрение разработанных средств.
Работы, опубликованные в соавторстве, являются плодом коллективного труда при определяющей роли автора диссертации.
При консультативной помощи автора диссертации по темам, являющимся фрагментами рассмотренной в ней проблемы, подготовлены три кандидата технических наук и осуществляется подготовка аспирантов.
Основные результаты, выносимые на защиту. К защите представляют ся следующие результаты диссертационной работы:
1. Результаты исследования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС.
2. Предложенная концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС и ее обоснование.
3. Результаты разработки средств осуществления предложенной кон цепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, а именно:
- структурная схема специализированной многопроцессорной про граммно-технической системы реального времени гибридного типа, состоящей из адаптируемой совокупности СГП и ИУС;
- результаты синтеза всережимных математических моделей основ ного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС;
- функциональные и структурные схемы СГП элементов ЭЭС;
- структура ИУС и ее обоснование.
4. Результаты экспериментальных исследований функциональных, мет рологических и эксплуатационно-технических свойств и возможно стей практических реализаций разработанных средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и демонстрировались на следующих научных мероприятиях, конкурсах и выставках:
1. Отраслевые научно-технические совещания «Разработка, изготовле ние и опытная эксплуатация ГМК ТЭ» (ОАО «Тюменьэнерго», г.
Сургут, 1989-2003 гг.).
2. Всесоюзная научно-техническая конференция «Математическое мо делирование в энергетике» (Институт проблем моделирования в энер гетике АН УССР, г. Киев, 1990 г).
3. Областная научно-техническая конференция «Повышение эффектив ности работы энергосистем» (КирПи, г. Киров, 1990 г.).
4. Х Всесоюзная научная конференция «Моделирование электроэнерге тических систем» (ИФТПЭ, КТУ, г. Каунас, 1991 г.).
5. Сибирская научно-техническая конференция «Микропроцессорные системы контроля и управления» (г. Новосибирск, 1992 г.).
6. Всероссийская научная конференция «Токи короткого замыкания в энергосистемах» (РАО «ЕЭС России», г. Москва, 1995 г.).
7. Всероссийские научно-технические семинары «Энергетика: экология, надежность, безопасность» (ТПУ, г. Томск, 1994, 1996, 1997 гг.) 8. Межрегиональное научно-техническое совещание «Результаты разра ботки и использования ГМК ЭЭС для Тюменской энергосистемы» (ТПУ, г. Томск, 1997 г.).
9. Межрегиональная научно-техническая выставка-конференция «Энер госбережение» (Технопарк, г. Томск, 2001 г.).
10. Всероссийская политехническая и международная промышленная выставка «Сибполитех-2003» (ЦМТ, г. Новосибирск, 2003 г., разра ботка гибридного моделирующего комплекса электроэнергетических систем отмечена малой золотой медалью).
11. Третья Всероссийская научно-техническая конференция с междуна родным участием «Энергетика: управление, качество и эффектив ность использования энергоресурсов» (АмГУ, г. Благовещенск, г.).
12. Отраслевое научно-техническое совещание «Разработка проекта все режимного моделирующего комплекса реального времени ЕНЭС» (ОАО «ФСК ЕЭС», г. Москва, 2004 г.).
13. Международная научно-техническая конференция «Электроэнергия и будущее цивилизации» (ТПУ, г. Томск, 2004 г.).
14. 4-ая Международная научно-техническая конференция «Энергетика, телекоммуникации и высшее образование в современных условиях» (Казахстан, АИЭиС, г. Алматы, 2004 г.).
15. 8-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology “KORUS 2004” (Russia, Tomsk, Tomsk Polytechnic University, 2004).
16. The 10-th IFAC/IFORS/IMACS/IFIP Symposium in Large Scale Systems:
Theory and Applications (Japan, Osaka, Osaka International Convention Center, 2004).
17. 9-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technology “KORUS 2005” (Russia, Novosibirsk, Novosibirsk State Technical Uni versity, 2005).
18. Отраслевое научно-техническое совещание «Натурная демонстрация на ГМК ТЭ свойств и возможностей разработанных средств всере жимного моделирования в реальном времени ЭЭС.» (ОАО «Тюмень энерго», ОАО «ФСК ЕЭС», г. Сургут, 2005 г.).
19. Отраслевой научно-технический семинар «Автоматизированные сис темы технологического управления ФСК ЕЭС» («МЭС Северо Запада», ОАО «ФСК ЕЭС», г. Санкт-Петербург, 2005 г.).
20. 16-й Ежегодный международный конгресс «Новые высокие техноло гии газовой, нефтяной промышленности, энергетики и связи» (CITOGIC 2006 – Томск, ТНХК, 2006 г.).
21. Всероссийская научно-практическая конференция «Технологии управления режимами энергосистем XXI века» (НГТУ, г. Новоси бирск, 2006 г.) 22. Конкурс научно-исследовательских работ ТПУ 2006 г. (ТПУ, г.Томск, 2006 г., разработка «Многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа для всережимного моде лирования энергосистем» отмечена дипломом 1-й степени).
23. Международная выставка-конгресс «Высокие технологии, иннова ции, инвестиции» (г. Санкт-Петербург, 2006 г., разработка «Всере жимный моделирующий комплекс реального времени электроэнерге тических систем» отмечена серебряной медалью).
24. VIII Московский международный салон инноваций и инвестиций (ВВЦ, г. Москва, 2008 г., разработка «Всережимный моделирующий комплекс реального времени электроэнергетических систем» отмече на золотой медалью).
Публикации. По результатам выполненных исследований, разработок и их применения, связанных с тематикой диссертационной работы, опублико вано 55 научных работ, в том числе патент и 12 авторских свидетельств на изобретения.
Структура и объем диссертации. Общий объем представленного диссер тационного материала составляет 315 страниц и включает в себя: оглавление, введение, пять глав, заключение, 2 приложения и библиографический список из 227 наименований. Основной материал диссертационной работы содержит 285 страниц, 85 рисунков и 5 таблиц.
Основное содержание работы
Во введении кратко изложены суть и актуальность решаемой проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС. Отмечены подходы, ми ровые тенденции в решении данной проблемы и большой вклад в разработку различных ее аспектов отечественных ученых и специалистов. Сформулиро вана цель работы, заключающаяся в обеспечении возможности получения в реальном времени достаточно полной и достоверной информации о действи тельном непрерывном спектре процессов в оборудовании и ЭЭС при всевоз можных нормальных и аварийных режимах их работы. Обозначен рассмат риваемый в диссертации путь достижения поставленной цели, посредством необходимых для этого концепции и средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС. Показана научная новизна выполненных исследова ний, разработок и их практическая ценность. Приведены сведения о реализа ции и внедрении результатов диссертационной работы, а также об апробации и публикации материалов диссертации.
Указаны результаты, выносимые на защиту. Представлены структура и объем диссертации.
В первой главе «Исследование проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС» исследованы и проанализированы причины возникно вения и существования данной проблемы, перспективы ее решения.
В соответствии с указанными во введении факторами адекватности и опе ративности моделирования ЭЭС определены и сформулированы два условия, выполнение которых позволяет успешно решить исследуемую проблему:
1) использование для всех моделируемых элементов ЭЭС всережимных математических моделей с полноценным учетом основного и вспомо гательного оборудования, полно и достоверно воспроизводящих реаль ный непрерывный спектр процессов в этом оборудовании при всевоз можных нормальных и аварийных режимах его работы;
2) осуществление в реальном времени с необходимой точностью решения совокупной всережимной математической модели ЭЭС в течении про текания всевозможных процессов в оборудовании и ЭЭС, которое ап риори следует считать неограниченным.
По-существу, эти условия представляют собой своего рода эталоны, необ ходимые для выявления и анализа причин, препятствующих решению про блемы, и для сравнения различных подходов к моделированию ЭЭС.
Методологически, при решении любой задачи, возможны два принципи ально альтернативных подхода:
1. Первичными являются средства решения и соответственно их свойства и возможности.
Если параметры и характеристики решаемой задачи (в данном случае ма тематической модели ЭЭС и условий ее решения) удовлетворяют свойствам и возможностям используемых средств, или, как трактуется в математике, хорошо обусловлены, то задача успешно решается с помощью этих средств.
В противном случае неизбежна подгонка параметров и характеристик задачи под свойства и возможности средств решения, то есть необходимыми стано вятся упрощения и ограничения для математической модели и условий ее решения.
2. Первичной является решаемая задача и соответственно ее параметры и характеристики, а средства для ее успешного решения или подбирают ся среди известных, или создаются заново (возможны комбинации).
Данный подход исключает необходимость принципиально значимых уп рощений и ограничений для математической модели и условий ее решения, но его осуществление, в случае создания новых средств, определяется нали чием соответствующих возможностей.
Доминирующее в настоящее время численное моделирование ЭЭС, безус ловно, является классическим примером первого подхода и потому наследует все его свойства и возможности, соответственно отмеченную проблему ре шения плохо обусловленных задач, к которым относится охарактеризованная в эталонных условиях всережимная математическая модель ЭЭС и условия ее решения. Последнее следует из сравнения параметров и характеристик этой задачи с условиями применимости теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, объединяющей методы чис ленного интегрирования дифференциальных уравнений, неизбежно исполь зуемые во всех компьютерных программах данного назначения.
Определяющее большинство этих методов объединяется общим разност ным уравнением:
k [ai ~n + i h bi F (tn + i, ~n + i, h )] = 0, (1) y y i = где: k порядок метода численного интегрирования, указывающий число на чальных условий в виде значений предыдущих решений, необходимых для однозначного решения данного разностного уравнения;
ai, bi, F – коэффици енты и функция, определяемые аппроксимирующим многочленом конкрет ного метода, причем если ai 0, bi 0, то метод неявный, если ai 0, bi = 0, то метод явный;
h – шаг дискретизации (интегрирования);
tn = t0 + nh, (n = 0, 1, …) – точки дискретизации, а t0 – точка начала интервала интегрирования;
~ дискретное значение решения в точке t.
y n +i n +i Многочисленные исследования методов численного интегрирования дифференциальных уравнений подтверждают эвристический прогноз невоз можности удовлетворительного численного решения дифференциальных уравнений в общем случае и его возможности при определенных идеализи рованных и ограничительных условиях:
1. Решения дифференциального уравнения должны удовлетворять ус f (t, y n ) f ( t, y j ) L y n y j, ловию Липшица: (2) где yn, y j любая пара значений из области решения дифференциально го уравнения dy / dt = f (t, y ), а L константа Липшица.
2. Решения дифференциального уравнения должны быть разложимыми в ряд Тейлора в окрестности каждой точки дискретизации:
y p (t n ) n y (t ) = (t tn ) p + rn (t ), (3) p!
p = где y p (tn ) = d p y / dt p t = t, а rn (t ) остаточный член ряда Тейлора при его усече n нии до члена степени p.
3. Методы дискретизации для дифференциальных уравнений должны () d = max ~ (t n ) y (tn ) O h p, при h 0, быть согласованными: (4) y где: d локальная ошибка аппроксимации;
p степень согласованности;
() O h p ошибка за счет отбрасывания членов ряда Тейлора при его усечении.
4. Решения разностного уравнения (1) должны быть ограничены, как минимум, условием нульустойчивости, необходимым для сходимости дис кретных методов при h 0. Согласно этому условию на коэффициенты уравнения (1) налагаются ограничительные условия, в соответствии с кото k ( ) = ai i рыми корни i его характеристического полинома (5) i = должны удовлетворять требованиям: для всех корней i 1 ;
корни i = должны быть обязательно простыми.
5. Решения разностного уравнения (1), ограниченные условием п.4, ограничиваются также длиной интервала решения по условию теоремы Далквиста Ght t p G b ~ (t ) y (t ) 1 + h k M d + n + Kh e n, yn n ak ak h b 1 h k M ak где: G, M, K – постоянные, определяемые только конкретными коэффициен тами формулы и решаемого дифференциального уравнения;
= max n ошибка округления ЭЦВМ, которая при ее учете добавляется аддитивным членом в формулу.
6. Для обеспечения более сильной (теоретически абсолютной) устойчи вости методов дискретизации для дифференциальных уравнений, область решений разностного уравнения ограничивается еще более значительно, чем в п.4, а именно: главный корень характеристического полинома (5) должен быть простым и иметь значение 1 = 1, а все остальные корни должны удов летворять условию i 1;
метод дискретизации должен быть только неяв ным: ai 0, bi 0 ;
порядок обычно используемых многошаговых методов дискретизации ограничивается значениями k 2.
Каждое из этих условий, подробно рассмотренное в данной главе в кон тексте с соответствующими параметрами и характеристиками всережимной математической модели ЭЭС и условиями ее решения, указывает на их чрез вычайно плохую обусловленность и следовательно на невозможность полу чения удовлетворительного решения. Единственным путем улучшения обу словленности является снижение жесткости, дифференциального порядка математической модели и ограничение интервала решения, то есть необхо димы принципиально значимые для полноты и достоверности моделирова ния упрощения и ограничения для математической модели ЭЭС и условий ее решения. Однако даже при этом всегда неизвестной оказывается еще и дей ствительная ошибка собственно решения, принципиально присущая числен ному интегрированию дифференциальных уравнений. В теории методов дис кретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений проблема оп ределения действительной ошибки численного интегрирования дифференци альных уравнений отнесена к разряду фундаментальных. Поэтому для ориен тировочной оценки ошибки численного решения и соответственно приемле мости обусловленности математической модели и результатов ее численного решения применяются полуэмпирические формулы. Такого рода обоснован ная, проверенная на практике и рекомендованная для использования формула приведена, в частности, в [Веников В.А. Переходные электромеханические процессы в электрических системах. М: Высш. шк. 1985.-536с.]:
m = en h n (d n + n ), где: h n - значение n-го шага численного интегрирова n = ния;
n - коэффициент чувствительности к ошибке на n-ом шаге интегриро вания, определяемый матрицей Якоби решаемой системы уравнений;
d n ошибка аппроксимации на n-ом шаге интегрирования;
n - ошибка округле ния, определяемая разрядной сеткой используемого компьютера;
m – общее число шагов (с учетом дифференциального порядка) на интервале решения.
Данная формула позволяет также наглядно проиллюстрировать обоснован ность всех предыдущих выводов и заключений о причинах возникновения и существования проблемы адекватности моделирования ЭЭС. Для большей убедительности примера можно задать практически идеальные условия чис ленного решения всережимной математической модели средней региональ ной ЭЭС, оценочный дифференциальный порядок которой составляет N5·103, на ограниченном интервале tn=20 [с]: h n = const = 105 [с], n = (нежесткая система), d n = const = 1010 100%, n = 0 (бесконечно большая разрядная сетка компьютера). Подставляя эти данные в формулу определе ния оценочного значения ошибки численного решения, получаем:
tn N d n 5 5 103 1010 100% 100%.
= hn Из приведенного примера видно, что, даже без учета снижения полноты и достоверности моделирования в результате необходимых для улучшения обусловленности упрощений и ограничений для математической модели ЭЭС и условий ее решения, совершенно неприемлемой оказывается ошибка собственно численного решения, для уменьшения которой нужны дальней шие упрощения и ограничения для математической модели ЭЭС и условий ее решения, ведущие к еще большему снижению адекватности моделирования ЭЭС.
Анализ отмеченных в данной главе многочисленных работ, посвященных численному моделированию ЭЭС и численному интегрированию обыкно венных дифференциальных уравнений, включая известные распространен ные компьютерные программы, показывает, что достигаемые по разным на правлениям и для различных целей результаты в целом по-прежнему остают ся в рамках существующей теории методов дискретизации для обыкновен ных дифференциальных уравнений и перспектива принципиальных положи тельных деформаций и изменений этих рамок не просматривается.
Что касается проблемы оперативности моделирования ЭЭС, эталоном ко торой служит реальное время, то в отличие от рассмотренной проблемы аде кватности, для осуществления численного решения достаточно обусловлен ной математической модели ЭЭС в реальном времени непреодолимых пре пятствий нет. Анализ характеристик современных программно-технических средств показывает, что такое моделирование в настоящее время и в обозри мой перспективе возможно с помощью многопроцессорной супер-ЭВМ.
Вместе с тем, учитывая очень высокую стоимость и большое энергопо требление таких компьютеров, а также рассмотренную проблему адекватно сти численного моделирования ЭЭС, создание подобной программно технической системы вряд ли является целесообразным.
Принимая во внимание рассмотренные результаты исследования пробле мы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС, в качестве наиболее целесообразного и перспективного пути ее решения выбран сформулирован ный выше альтернативный методологический подход.
Во второй главе «Концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС» сформулированы и обоснованы общие и основные положения предложенной концепции, непосредственно определившие структуру средств ее осуществления и совокупность требований к ним.
В соответствии с целью работы и результатами исследования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС, главными исходными условиями для разработки концепции служили:
1) первичность решаемой задачи, обозначенной в цели работы и конкре тизированной в эталонных условиях решения проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС;
2) современное (с учетом перспективы) технологическое и информацион ное решение задачи, обеспечивающее вместе с тем достижение постав ленной цели.
Данный методологический подход, как было отмечено в первой главе, в отличие от доминирующего в настоящее время, исключает необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математической модели ЭЭС и условий ее решения путем объединения необходимых для достижения цели свойств и возможностей различных средств, включая соз дание новых, представляющего собой в широком смысле гибридное модели рование.
Очевидно, что рамки этого направления позволяют создавать множество разнообразных гибридных систем, в том числе для моделирования ЭЭС.
Анализ известных, созданных в разное время и в разных странах, многочис ленных гибридных систем для моделирования ЭЭС показал отсутствие, по ряду отмеченных в диссертации причин, единой обоснованной концепции, ориентированной на всережимное моделирование в реальном времени боль ших ЭЭС. Предложенная концепция, по мнению автора, восполняет этот пробел.
Концентрированным результатом рассмотренной концепции и ее основ ных положений, непосредственно определивших структуру средств ее осу ществления и совокупность требований к ним, является приведенная на ри сунке 1 специализированная многопроцессорная программно-техническая система реального времени гибридного типа.
Рис.1. Структурная схема многопроцессорной программ но-технической системы гиб ридного типа для всережимного моделирования в реальном вре мени ЭЭС.
Разработанная структура со стоит из адаптируемой совокуп ности функционально и инфор мационно взаимосвязанных спе циализированных гибридных процессоров (СГП) моделируемых элементов ЭЭС, в которой функциональная трехфазная (ABC) взаимосвязь осуществля ется, согласно топологии моделируемой ЭЭС, коммутатором трехфазных уз лов (КТУ), а информационная взаимосвязь, обеспечивающая в реальном вре мени все необходимые автоматизированные и автоматические информаци онно-управляющие свойства и возможности, осуществляется посредством локальной компьютерной сети (ЛКС) и специализированного программного обеспечения (СПО) сервера. Последние в совокупности с микропроцессора ми (МП) или интерфейсами СГП (ИГП) образуют информационно управляющую систему (ИУС). Под адаптируемостью СГП имеется ввиду их универсальность для соответствующих видов элементов ЭЭС: энергоблоков, эл. двигателей, трансформаторов, линий электропередачи и других элемен тов, позволяющая моделировать различные типы и параметры основного и вспомогательного оборудования элементов данного вида.
Назначением всех СГП является осуществление в реальном времени, на неограниченном интервале и с необходимой точностью решения адекватных всережимных математических моделей основного и вспомогательного обо рудования моделируемых элементов ЭЭС, в том числе с учетом всевозмож ных средств релейной защиты, технологической и противоаварийной автома тики, а также преобразования форм представления информации и моделиро вания всевозможных трехфазных продольных и поперечных коммутаций.
Для обеспечения представленной структурой всей совокупности указан ных свойств и возможностей, необходимых для достижения поставленной цели, потребовалось следующее объединение средств:
1) для методически точного решения в реальном времени и на неограни ченном интервале адаптируемых всережимных математических моде лей элементов ЭЭС применяется неявное непрерывное интегрирование дифференциальных уравнений и цифро-аналоговое управление пара метрами моделей;
2) все, непосредственно не связанные с основным решением всережим ных математических моделей, алгебраические, трансцендентные и ло гические операции выполняются цифровым способом, в том числе с необходимыми цифро-аналоговыми и аналого-цифровыми преобразо ваниями форм представления информации;
3) для адекватного моделирования всевозможных трехфазных продоль ных и поперечных коммутаций и физической адекватности входов выходов моделируемых элементов и узлов ЭЭС, выходные-входные фазные непрерывные математические переменные моделируемых эле ментов преобразуются в соответствующие им модельные токи, напря жения и все коммутации осуществляются на физическом уровне анало го-цифровым способом;
4) все автоматизированные и автоматические информационно управляющие возможности реализуются программно-цифровым спо собом с использованием цифро-аналоговых и аналого-цифровых пре образований форм представления информации;
5) необходимая инструментальная точность решения обеспечивается применением для всех схемотехнических решений интегральных циф ровых, аналоговых, цифро-аналоговых и аналого-цифровых микросхем и микропроцессоров соответствующей прецизионности;
6) современные, с учетом перспективы, технологические и информацион ные свойства и возможности обеспечиваются применением новейших и перспективных технологий в схемотехнике и программно информационных технологий.
Состав и содержание этого объединения являются, по-существу, исход ными условиями для разработки СГП и ИУС рассмотренной в данной главе структуры осуществления концепции всережимного моделирования в реаль ном времени ЭЭС. Первый экспериментальный образец этих средств назван «Гибридный моделирующий комплекс ЭЭС» (ГМК ЭЭС), а модернизиро ванный - «Всережимный моделирующий комплекс реального времени ЭЭС» (ВМК РВ ЭЭС).
В третьей главе «Специализированные гибридные процессоры» в соот ветствии с рассмотренной концепцией и ее положениями сформулированы общие для всех видов СГП принципы их построения:
1. Основу каждого СГПij составляет сопроцессор, соответствующий виду моделируемых элементов ЭЭС и представляющий собой параллельную цифро-аналоговую структуру, предназначенную для непрерывного и методи чески точного решения в реальном времени и на неограниченном интервале универсальной всережимной математической модели данного вида элемен тов ЭЭС и обеспечивающую автоматизированное управление всеми коэффи циентами и параметрами этой модели, включая интерактивный, программ ный и комбинированный режимы управления.
В зависимости от функциональной сложности элементов конкретного вида, например энергоблока, указанный сопроцессор может быть составным и состоять из нескольких функционально взаимосвязанных сопроцессоров подобного рода. Например, сопроцессор СГП энергоблока целесообразно подразделять на функционально взаимосвязанные сопроцессоры первичного двигателя с учетом систем регулирования, генератора и системы возбужде ния, а в общем случае и блочного трансформатора.
2. Для достижения наибольшей адекватности и внешнего физического подобия СГП моделируемому виду элементов ЭЭС, обеспечивающих их ес тественное взаимодействие между собой и возможность осуществления спектра продольных и поперечных коммутаций на физическом уровне, а также для естественного формирования узлов схем воспроизводимых ЭЭС и их наращивания, подключения, если нужно, разнообразных модельных фи зических элементов и различной аппаратуры, сопроцессор дополняется пре образователями напряжение-ток (u/i). Последние преобразуют входные выходные непрерывные математические переменные в соответствующие им трехфазные модельные физические токи и напряжения.
3. Для обеспечения возможности осуществления полного спектра про дольных и поперечных коммутаций, с учетом сопротивлений шунтов выклю чателей ( rш ) и переходных сопротивлений замыканий ( rП ), трехфазные мо дельные физические входы-выходы сопроцессора оснащаются цифроуправ ляемыми аналоговыми ключами и цифроуправляемыми сопротивлениями:
ЦУАКВ, ЦУС rш и ЦУАКЗ, ЦУС rП, соответственно.
4. Для осуществления информационно-управляющего взаимодействия между СГП и сервером, каждый СГП ij содержит соответствующую аппарат ную часть ИУС, которая, кроме цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) сопроцессоров, включает в себя многоканальный аналого-цифровой преобра зователь (АЦП) и интерфейс гибридного процессора (ИГП) или микропро цессор (МП). С помощью ЦАП обеспечиваются все указанные ранее режимы автоматизированного управления коэффициентами и параметрами математи ческих моделей, а АЦП позволяет преобразовать непрерывные математиче ские переменные в цифровую форму представления этой информации. По средством ИГП или МП осуществляется согласование локальных цифровых магистралей (ЛЦМ) СГП с цифровой магистралью ИУС (ЛКС) и адресное информационно-управляющее взаимодействие в структуре ВМК РВ ЭЭС. В модификации с МП данный узел обеспечивает также моделирование релей ной защиты и противоаварийной автоматики (РЗиПА) и др, различную функ циональную обработку информации, а в случае наличия в моделируемом элементе микропроцессорных систем регулирования, то и моделирование этих систем.
5. Схемотехнические решения всех СГП ориентированны на приме нение исключительно интегральной микроэлектронной элементной базы и возможность их дальнейшей более глубокой интеграции.
На основе этих принципов и всестороннего анализа различных типов ос новного и вспомогательного оборудования для каждого вида элементов ЭЭС:
энергоблоков, трансформаторов (автотрансформаторов), синхронных и асин хронных двигателей, линий электропередачи, реакторов, обобщенной на грузки разработаны функциональные блок-схемы соответствующих видов СГП. На рисунках 1 и 2 приведены примеры функциональных блок-схем СГП энергоблока (ГПЭ) и линии электропередачи (ГПЛ).
Рис.2. Функциональная блок-схема Рис.3. Функциональная блок-схема СГП энергоблока: СППД - сопроцес- СГП линии электропередачи: СПТЛ – сор первичного двигателя;
СПСВ – сопроцессор трехфазной линии;
сопроцессор системы возбуждения;
СПЭВ – сопроцессор междуцепного СПГ – сопроцессор генератора;
электромагнитного взаимовлияния;
СПБТ – сопроцессор блочного трансформатора;
Для всех сопроцессоров каждого вида СГП синтезированы универсальные всережимные математические модели, позволяющие достаточно полно и достоверно воспроизводить в этом оборудовании и соответственно в элемен тах ЭЭС присущие им непрерывные спектры процессов при всевозможных нормальных и аварийных режимах работы. Модели составлены на основе де тального и всестороннего анализа математических описаний процессов в об мотках и магнитопроводах электрических машин, трансформаторов (авто трансформаторов), реакторов, в возбудителях и автоматических регуляторах различных систем возбуждения, в прямоточных и барабанных котлоагрега тах, трактах топливоподачи и автоматических регуляторах, в различных ти пах паровых и гидравлических турбин, паропроводах, гидропроводах и сис темах автоматического регулирования, в разнообразных приводимых элек тродвигателями механизмах, в линиях электропередачи с распределенными и сосредоточенными параметрами с учетом междуфазного и междуцепного электромагнитного взаимовлияния, а также анализа и сопоставления опубли кованных результатов математического моделирования основного и вспомо гательного оборудования элементов ЭЭС.
Согласно указанным принципам построения СГП и полученным всере жимным математическим моделям основного и вспомогательного оборудо вания элементов ЭЭС, разработаны приведенные в данной главе структурные схемы всех сопроцессоров и СГП в целом, а также последующие их схемо технические реализации.
В четвертой главе «Информационно-управляющая система» рассмотре ны разработанные в соответствии с положениями концепции всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС и с учетом принципов построения СГП структура ИУС и ее аппаратные и программные составляющие. Отве чающая этим условиям ИУС может быть осуществлена в двух вариантах, со гласно приведенной на рисунке 4 общей функциональной схеме ВМК РВ ЭЭС.
Рис. 4. Общая функциональная схема ВМК РВ ЭЭС По одному из вариантов все СГП ВМК РВ ЭЭС связаны с сервером по средством ЛКС через свои аппаратные ИГП, выполняющие только интер фейсные функции, а все программные информационно-управляющие функ ции, включая моделирование РЗиА, функциональную обработку информации и т.п. для всех СГП выполняет сервер. При этом ЛКС может представлять собой параллельную физическую цифровую шину с адаптерами, а внешний порт приема-передачи серверного компьютера оснащается в этом случае специализированным контроллером.
В другом варианте у всех СГП вместо ИГП используются МП, через кото рые, посредством ЛКС, выполненной с помощью стандартных приемо передатчиков и сетевого кабеля, осуществляется взаимосвязь с сервером и между СГП. При этом все вышеупомянутые программные информационно управляющие функции СГП выполняют их МП.
Необходимые для практики информационно-управляющие возможности ВМК РВ ЭЭС обеспечивают оба варианта, но учитывая тенденции в инфор мационных технологиях, второй вариант является более перспективным.
Кроме того, отмеченные различия между этими вариантами не оказывают существенного влияния на основную составляющую ИУС – специализиро ванное программное обеспечение (СПО) сервера ВМК РВ ЭЭС (СПО клиен тов представляет собой, по-существу, ограничиваемую правами доступа пользователей копию СПО сервера).
Поскольку решение всережимной математической модели ЭЭС в ВМК РВ осуществляется с помощью СГП, вычислительные возможности СПО серве ра существенного значения не имеют. По этой же причине СПО сервера практически не оказывает влияния на результаты собственно моделирования ЭЭС.
Вместе с тем, метрологическая и временная адекватность программных информационно-управляющих свойств и возможностей ВМК РВ ЭЭС, а так же уровень профессионально-ориентированного информационного сервиса, в том числе автоматизированного и автоматического, определяется в основном СПО сервера. Поэтому, с учетом реального масштаба времени и большого объема информации, главным образом из-за огромных массивов мгновенных значений трехфазных процессов, требования к СПО сервера оказываются не ординарными и весьма жесткими. Данное обстоятельство, а также специфика ВМК РВ ЭЭС и динамического моделирования больших систем в целом, ис ключают конструирование подобного программного обеспечения путем не посредственного использования известных программных оболочек и при кладных программ.
В связи с этим в СПО сервера не используются промышленные реляцион ные базы данных и в возможностях разработки оно полностью инкапсулиро вано. Последнее, также как и при разработке концепции всережимного моде лирования в реальном времени ЭЭС, позволяет при создании СПО сервера первичными считать указанные в положениях концепции информационно управляющие возможности ВМК РВ ЭЭС и для достижения данной цели объединять и создавать необходимые для этого программные средства.
Единственным принципиально компромиссным условием при этом является выбранная для СПО сервера базовая программная среда, которая может быть любой, но ее свойства и возможности являются дополнительными исходны ми условиями. Для СПО сервера выбрана универсальная многоязыковая про граммная среда dot Net Framework, с которой работают широко распростра ненные операционные системы: Windows XP, Vista и др.
Структурно СПО сервера состоит из системного и прикладного ПО. Сис темное ПО является средой для прикладного, которое в свою очередь под разделяется на машинно-ориентированное ПО и профессионально ориентированное ПО, соответственно содержит объектную базу данных и ба зу знаний.
Машинно-ориентированное ПО структурировано в соответствии со струк турой ВМК РВ ЭЭС, отражающей естественное деление ЭЭС на элементы.
Поэтому основу этого ПО составляет база программных объектов заместителей всех СГП, обеспечивающая информационно-управляющее взаимодействие со всеми СГП ВМК РВ ЭЭС, а также перевод машинных пе ременных в профессионально-ориентированные единицы измерения: относи тельные и соответствующие им именованные.
Профессионально-ориентированное ПО содержит базу знаний, объеди няющую многочисленный и разнообразный программный инструментарий, необходимый для автоматизированного и автоматического осуществления всевозможных режимов моделирования: интерактивного, программного и комбинированного, а также различного представления, функционального отображения управлений и результатов моделирования в виде динамических схем, осциллограмм, диаграмм, графиков, таблиц, показаний цифровых и аналоговых приборов и т.д. Взаимодействие между профессионально ориентированным и машинно-ориентированным ПО осуществляется в среде системного ПО.
Взаимодействие СПО сервера с внешними программными средствами СПО клиент, ОИК ЭЭС и др. - осуществляется с помощью соответствующих интерфейсных программ. Число аналогичных редактируемых профессио нально-ориентированных баз знаний и соответственно клиентов не ограни чено.
Для программирования различных процедур моделирования ПО содержит профессионально-ориентированный язык программирования высокого уров ня, а также разнообразные программные трафареты диалогов, в частности для упрощенного программирования различных процедур динамики.
Для интерактивного режима моделирования одним из наиболее удобных инструментов профессионально-ориентированного ПО являются разрабо танные для этих целей разнообразные динамические панели наблюдения и управления (ДПНУ), на которых размещаются, в том числе самим пользова телем, схемы и разнообразные динамические информационно-управляющие программные приборы. Примеры ДПНУ приведены на рисунке 5.
Визуально невоспринимаемые быстротекущие процессы буферизуются и записываются на жесткий диск сервера. Для их просмотра и анализа преду смотрена специальная ДПНУ «Визуализатор динамики», представляющий собой многолучевой и многофункциональный программный осциллограф анализатор (рис. 6).
Рис. 5. ДПНУ одного из районов моделируемой ЭЭС и энергоблока.
Admw95. ГМК ЭЭС Рис.6. Форма "Визуализатор динамики" Для информационного взаимодействия по компьютерным сетям с ОИК ЭЭС с целью автоматизированного и автоматического установления и от слеживания на ВМК РВ ЭЭС, в качестве исходных, текущих или ретроспек тивных квазиустановившихся схемно-режимных состояний моделируемой ЭЭС по данным телесигналов(ТС) выключателей, анцапф трансформаторов и телеизмерений (ТИ) загрузки генераторов, напряжений на шинах электро станций, а также напряжений и потоков мощностей в нагрузочных узлах, для базы знаний разработаны соответствующие алгоритмы и программные про цедуры, активизируемые по необходимости пользователем.
В пятой главе «Реализация концепции и средств всережимного модели рования в реальном времени ЭЭС» представлены результаты практического осуществления предложенной концепции в виде разработанных на ее основе средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС. Рассмотре ны и проанализированы результаты исследований, испытаний и опытной экс плуатации в Тюменской энергосистеме (ТЭ) гибридного моделирующего комплекса ЭЭС (ГМК ТЭ), в лаборатории кафедры «Электроэнергетические системы и высоковольтное оборудование» Томского политехнического уни верситета его учебно-исследовательской модификации, а также результаты экспериментальной проверки проектных решений модернизированного все режимного моделирующего комплекса реального времени ЕНЭС для «ФСК ЕЭС» (ВМК РВ ЕЭС).
Всесторонне рассмотрены и проанализированы следующие свойства, воз можности и характеристики этих комплексов:
1. Практическая способность разработанных средств осуществлять в ре альном времени и на неограниченном интервале всережимное моделиро вание большой ЭЭС.
Многочисленные и долговременные лабораторные испытания ГМК ТЭ в режиме непрерывного воспроизведения в реальном времени квазиуста новившихся режимов ЭЭС, моделирования при этом различных возмуще ний и аналогичные условия его опытной эксплуатации являются нагляд ной и убедительной натурной демонстрацией способности разработанных средств осуществлять в реальном времени и на неограниченном интервале всережимное моделирование большой реальной ЭЭС.
Для анализа этой способности использовались данные разнообразных динамических программных приборов профессионально-ориентированно го ПО ИУС ГМК ТЭ.
2. Метрологические характеристики.
Ввиду отсутствия методической ошибки решения всережимных мате матических моделей элементов и ЭЭС в целом, метрологию разработан ных средств определяет только инструментальная погрешность СГП и серверного компьютера.
Пренебрегая компьютерной ошибкой округления, получаем, что точ ность решения всережимной математической модели ЭЭС полностью за висит от инструментальной погрешности СГП. Рассмотренная в данной главе, в соответствии с теорией точности и чувствительности вычисли тельных устройств, методика расчета этой погрешности показывает обос нованность ее применения при разработке СГП. Вместе с тем, с учетом ряда отмеченных обстоятельств, более надежной и достоверной оценкой инструментальной точности СГП и, безусловно, столь сложной многопро цессорной программно-технической гибридной системы реального време ни, как ВМК РВ ЭЭС, являются экспериментальные данные в диапазоне всевозможных нормальных и аварийных режимов работы моделируемого оборудования и ЭЭС. Согласно опубликованным данным и эксперимен там на ГМК ТЭ, весь непрерывный спектр всевозможных нормальных и анормальных процессов в оборудовании и ЭЭС, включая коммутацион ные перенапряжения, составляет 0800 Гц, который с учетом некоторого запаса может быть принят 01000 Гц. Этот спектр частот считается ос новным рабочим диапазоном для разработанных средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС.
Можно также обоснованно считать, что более высокочастотные про цессы, связанные с грозовыми перенапряжениями и ударами молний, ме нее точно, но тоже могут воспроизводиться. Однако, такого рода исследо ваний не проводилось и эта часть спектра исключена из обозначенного рабочего диапазона процессов, воспроизводимых на ВМК РВ ЭЭС.
С учетом вышеизложенного рассмотрена и проанализирована экспери ментальная точность воспроизведения различных квазиустановившихся схемно-режимных состояний ЭЭС на примере ТЭ;
процессов при всевоз можных к.з., в том числе с учетом РЗ и ПА;
синхронных качаний и асин хронных режимов;
самовозбуждения генераторов, автономно включаемых на длинные ненагруженные линии электропередачи;
процессов возникно вения колебательной неустойчивости;
процессов противоаварийной раз грузки турбин;
выбега и самозапуска синхронных и асинхронных двигате лей;
различных коммутационных перенапряжений.
Для основного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС и для элементов в целом можно получить расчетным путем достаточно надеж ные данные, которые могут служить эталонами для проверки достоверно сти экспериментальных результатов. Кроме того, такие расчетные и на турные данные, результаты физического моделирования и натурных экс периментов для подавляющего большинства оборудования ЭЭС известны и опубликованы. Поэтому проверка точности каждого из разработанных СГП затруднений не составляет и подобные эксперименты для всех СГП были проведены. Их результаты полностью подтвердили всережимную адекватность СГП в масштабе реального времени.
Что касается экспериментальной оценки точности всережимного моде лирования в реальном времени ЭЭС, то, ввиду очевидного отсутствия не обходимых для этого эталонных данных для указанного рабочего спектра всевозможных нормальных и анормальных процессов, эта задача, в общем случае, оказывается весьма сложной. Однако, важное свойство разрабо танных средств, полностью исключившее необходимость декомпозиции режимов и процессов в ЭЭС, позволяет успешно решить эту задачу.
Поскольку в ВМК РВ ЭЭС весь непрерывный спектр всевозможных нормальных и анормальных процессов в оборудовании и ЭЭС, независи мо от какого-либо конкретного нормального или аварийного режима, обеспечивается в результате непрерывного решения в реальном времени и на неограниченном интервале всегда одной и той же всережимной модели ЭЭС, то и любой воспроизводимый квазиустановившийся режим (трак туемый обычно как установившийся), являющийся результатом решения этой модели, представляет собой одну из составляющих данного спектра процессов, в частности при f 50 Гц. Поэтому, если частотные характери стики используемой в ВМК РВ ЭЭС интегральной микроэлектронной элементной базы не оказывают своего ощутимого влияния в рабочем диа пазоне частот 01000 Гц, то можно обоснованно распространять экспери ментальную точность воспроизведения квазиустановившихся режимов, например при f 50 Гц, на весь указанный диапазон. Так как параметры и характеристики применяемой в разработанных средствах элементной базы с запасом перекрывают этот диапазон, для экспериментальной оценки точности решения всережимной математической модели ЭЭС, в частности ТЭ, использовалась главным образом рассмотренная методика.
При этом, экспериментальные данные сравнивались и с результатами расчетов таких же установившихся режимов, выполненных с помощью различных компьютерных программ (Растр, ДАКАР и др.), а также с ТИ ОИК ТЭ в режиме автоматизированного и автоматического установления и отслеживания квазиустановившихся режимов на ГМК ТЭ по данным ОИК ТЭ. Примеры некоторых табличных ДПНУ, иллюстрирующих дан ные этих экспериментов приведены на рисунке 7.
Рис. 7. Табличные формы ДПНУ напряжений и перетоков мощностей через трансформаторы по данным ГМК ТЭ и ОИК ТЭ Для большей надежности оценок остальной части частотного диапазо на произведено сравнение результатов воспроизведения имевших место в ТЭ и фрагментарно записанных аварийными регистраторами процессов различных к.з., противоаварийной разгрузки энергоблоков и др.
Примеры воспроизведения некоторых из этих процессов на ГМК ТЭ приведены на рисунках 8,9,10.
Admw95. ГМК ЭЭС If Ia Ic Ib Рис. 8. Осциллограммы фазных токов и тока возбуждения энергоблока при однофазном к.з. в сети Рис. 9. Осциллограммы процессов противоаварийной разгрузки энергоблока Рис. 10. Осциллограммы фазных токов и напряжений ВЛ-500 при асинхрон ном режиме Результаты анализа поставленных экспериментов дают основания считать надежной оценкой точности всережимного моделирования в реальном вре мени ЭЭС, на примере первого экспериментального образца ВМК РВ ЭЭС, изготовленного для ТЭ – ГМК ТЭ, значение на уровне 1%.
3. Наращиваемость размерности моделируемой ЭЭС.
Концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС практически не накладывает никаких ограничений на размерность моде лируемой ЭЭС. При этом без снижения свойств и возможностей ВМК РВ ЭЭС увеличивается, соответственно, лишь число СГП. Последнее полно стью подтверждают результаты создания ГМК ТЭ, выполненного путем поэтапного наращивания моделируемой схемы ТЭ с полным комплексом испытаний и исследований на каждом этапе.
4. Информационно-управляющие свойства и возможности.
Длительные лабораторные испытания, исследования и опытная экс плуатация ГМК ТЭ позволили полностью проверить все, определенные положениями реализованной концепции, режимы автоматизированного и автоматического управления моделированием: интерактивный, программ ный и комбинированный, а также разнообразные формы представления, преобразования и отображения информации.
Также надежно проверено информационное взаимодействие с ОИК ЭЭС и другими внешними программными средствами, в том числе в фор матах ЦДУ и Comptrade.
5. Результаты длительных лабораторных испытаний и опытная эксплуа тация экспериментального образца разработанных средств всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС показали их достаточно высокую надежность и стабильность работы.
6. Сравнительные оценки свойств и возможностей экспериментальных и модернизированных средств.
Модернизированный ВМК РВ ЭЭС отличается от экспериментального ГМК ЭЭС в следующем: для СПО сервера и соответственно СПО клиен тов используется предназначенная для работы с применяемой базовой программной средой более совершенная операционная система;
в СГП применены новейшие достижения в области прецизионной интегральной микроэлектроники и вместо ИГП используются МП;
для ЛКС ИУС ис пользуются новейшие в этой области достижения;
для крейтов СГП ис пользуется серийный конструктив Евростандарта;
для электропитания ап паратуры ВМК РВ ЭЭС используются высококачественные серийные блоки электропитания Отличия не затрагивают существа положений самой концепции и по тому отмеченная модернизация лишь подтверждает долговременность и перспективность ее принципиальных основ. Вместе с тем, как это и пре дусмотрено положениями концепции текущая модернизация программно технической базы позволяет повышать метрологические и эксплуатацион но-технические характеристики ВМК РВ ЭЭС.
Экспериментальные исследования указанной модернизации, выпол ненные в рамках проверки проектных решений ВМК РВ ЕЭС для ОАО «ФСК ЕЭС», показали возможность обеспечения точности решения все режимной математической модели ЭЭС порядка 0,1%. При этом полно стью снимаются, имеющиеся в экспериментальном образце некоторые ог раничения на число одновременно обслуживаемых программным много лучевым осциллографом-анализатором высокочастотных процессов. Не сколько увеличивается надежность и стабильность работы, снижается энергопотребление. Кроме этого, улучшаются различные сервисные функции СПО сервера и клиентов, а также дизайн ВМК РВ ЭЭС.
В заключении сформулированы основные результаты выполненных ис следований и разработок, позволившие достичь поставленную в диссертации цель.
1. Выявлены и обоснованы источник и причина существования проблемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС, связанной, главным образом, с доминирующим в настоящее время сугубо численным модели рованием ЭЭС:
для полного, достоверного и оперативного математического моделиро вания ЭЭС необходимо использовать ее всережимную математическую модель, адекватно воспроизводящую весь действительный непрерыв ный спектр процессов в оборудовании и ЭЭС при всевозможных нор мальных и аварийных режимах их работы и обеспечить в реальном времени, на неограниченном интервале и с необходимой точностью решение этой модели, которое численным путем осуществить невоз можно из-за чрезвычайно плохой обусловленности такой модели для методов численного интегрирования обыкновенных дифференциаль ных уравнений;
единственным путем улучшения обусловленности математической мо дели ЭЭС является применение, необходимых для этого и принципи ально значимых для полноты и достоверности моделирования, упро щений и ограничений для математической модели ЭЭС и условий ее решения;
пошаговый, рекуррентный принципы численного интегрирования дифференциальных уравнений делают невозможным в обозримой пер спективе осуществление моделирования в реальном времени больших ЭЭС на ПЭВМ и для такого моделирования необходима многопроцес сорная супер-ЭВМ, что с учетом отмеченной проблемы адекватности и высокой стоимости, большого энергопотребления таких компьютеров вряд ли может быть целесообразным;
ввиду отсутствия каких-либо обоснованных прогнозов принципиаль ных изменений условий применимости теории методов дискретизации для обыкновенных дифференциальных уравнений, объединяющей все практически используемые методы численного интегрирования диф ференциальных уравнений, перспектива радикального решения про блемы адекватности и оперативности моделирования ЭЭС сугубо чис ленным путем не просматривается, в связи с чем становится целесооб разной и актуальной разработка альтернативного пути решения данной проблемы.
2. Разработана и обоснована концепция всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС, исключающая необходимость принципиально значимых упрощений и ограничений для математических моделей и ус ловий их решения и поэтому позволяющая радикально решить проблему адекватности и оперативности моделирования ЭЭС. Принципиальной ос новой предложенной концепции является альтернативный, по отношению к доминирующему в настоящее время, методологический подход к реше нию проблемы. При данном подходе первичной является задача и усло вия ее решения, в данном случае всережимная математическая модель ЭЭС и условия ее решения, а необходимые для ее решения средства соз даются путем объединения различных известных и специально разрабо танных новых средств.
3. Разработаны средства осуществления концепции всережимного модели рования в реальном времени ЭЭС, представляющие собой специализиро ванную многопроцессорную программно-техническую систему реального времени гибридного типа, состоящую из адаптируемой совокупности специализированных гибридных процессоров (СГП) элементов ЭЭС, коммутатора трехфазных узлов (КТУ) ЭЭС и информационно-управля ющей системы (ИУС). Последняя включает в себя локальную компью терную сеть (ЛКС) и специализированное программное обеспечение (СПО) сервера и клиентов.
4. Cинтезированы всережимные математические модели, позволяющие достаточно полно и достоверно воспроизводить непрерывный спектр про цессов при всевозможных нормальных и аварийных режимах работы ос новного и вспомогательного оборудования элементов ЭЭС.
5. В соответствии с концепцией всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС и ее положениями, сформулированы общие для всех СГП принципы их построения. На основе синтезированных всережимных ма тематических моделей основного и вспомогательного оборудования эле ментов ЭЭС разработаны универсальные для каждого вида элементов СГП, обеспечивающие в реальном времени, на неограниченном интерва ле и с необходимой точностью решение этих моделей, преобразование форм представления информации и моделирование всевозможных трех фазных продольных и поперечных коммутаций, а также все необходимые автоматизированные и автоматические информационно-управляющие возможности.
6. Для осуществления всех потенциально необходимых для всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС и профессионально ориентированных автоматизированных и автоматических информацион но-управляющих свойств и возможностей разработано СПО сервера и клиентов.
7. Разработанные концепция и средства всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС реализованы в полном объеме, всесторонне испы таны и исследованы в лабораториях и в условиях опытной эксплуатации.
Положительные результаты, в том числе представленные в диссертаци онной работе, свидетельствуют о достижении поставленной цели.
В приложениях представлены 2 акта внедрения результатов диссертаци онной работы, 4 диплома выставок и конкурсов, на которых демонстрирова лись разработанные в диссертации средства всережимного моделирования в реальном времени ЭЭС.
Наиболее значимый материал, связанный с выполнением диссертацион ной работы, и ее основное содержание отражены в следующих публикациях, расположенных в хронологическом порядке:
1. АС 488224 СССР. Логарифмический функциональный преобразователь / А.С. Гусев, В.В. Самокиш, А.В. Шмойлов. – БИ № 38, 1975.
2. АС 564643 СССР. Способ логарифмического преобразования напряжений / А.С. Гусев, В.В. Самокиш, А.В. Шмойлов. – БИ № 25, 1977.
3. Гусев А.С., Шмойлов А.В. Линейный преобразователь напряжения по стоянного тока в переменное // Приборы и техника эксперимента. – 1978.
- №4. – С.110-112.
4. АС 650082 СССР. Логарифмическое вычислительное устройство / В.В.
Самокиш, А.С. Гусев, А.В. Шмойлов. – БИ № 8, 1979.
5. АС 734731 СССР. Тригонометрический функциональный преобразова тель / А.С. Гусев. – БИ № 18, 1980.
6. АС 741283 СССР. Тригонометрический функциональный преобразова тель / А.С. Гусев. – БИ № 22, 1980.
7. АС 746579 СССР. Тригонометрический функциональный преобразова тель / А.С. Гусев, А.В. Шмойлов, Г.Ю. Максимов. – БИ №25, 1980.
8. АС 860089 СССР. Функциональный преобразователь / А.С. Гусев, С.И.
Сергейчик. – БИ №32, 1981.
9. АС 934502 СССР. Функциональный преобразователь / С.И. Сергейчик, А.С. Гусев. – БИ №21, 1982.
10. АС 955113 СССР. Функциональный преобразователь / А.С. Гусев, С.И.
Сергейчик. – БИ №32, 1982.
11. АС 962996 СССР. Функциональный преобразователь / С.И. Сергейчик, А.С. Гусев. – БИ №36, 1982.
12. АС 1003107 СССР. Устройство для формирования ординат элипса / А.С.
Гусев, С.И. Сергейчик. – БИ №9, 1983.
13. Патент РФ №2018953. Устройство для моделирования синхронной маши ны / А.С. Гусев, Р.А. Вайнштейн, С.В. Свечкарев. Опубл. В БИ, 1994.
№16.
14. Гусев А.С. Анализ методов дискретизации для численного интегрирова ния дифференциальных уравнений в задачах моделирования ЭЭС // Энер гетика: управление, качество и эффективность использования энергоре сурсов: Сб. трудов третьей Всеросс. науч.-техн. конф. с международным участием в 2т. Благовещенск: изд-во АмГУ, 2003. Т.1, С.187-192.
15. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Гибридный моделирующий комплекс ЭЭС: результаты разработки, исследования и опытной эксплуа тации // Энергетика: управление, качество и эффективность использова ния энергоресурсов: Сб. трудов третьей Всеросс. науч.-техн. конф. с меж дународным участием в 2т. Благовещенск: изд-во АмГУ, 2003. Т.1, С.216 222.
16. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Всережимный тренажер и советчик диспетчера реального времени на базе гибридного моделирую щего комплекса ЭЭС (ГМК ЭЭС) и оперативно-информационного ком плекса ЭЭС (ОИК ЭЭС) // Энергетика: управление, качество и эффектив ность использования энергоресурсов: Сб. трудов третьей Всеросс. науч. техн. конф. с международным участием в 2т. Благовещенск: изд-во Ам ГУ, 2003. Т.1, С.206-211.
17. Gusev A.S., Svechkarev S.V., Plodisty I.L. The problem of power system modeling, the concept hybrid solution // The 10-th IFAC / IFORS / IMACS / IFIP Symposium in Large Scale Systems: Theory and Applications (LSS 2004). Japan, Osaka, Osaka International Convention Center, July26-28, 2004.
Vol.1, P. 440-445.
18. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Математическая модель пер вичных двигателей синхронных генераторов //Известия Томского поли технического университета. - Томск: Изд. ТПУ, 2005 - т. 308, - № 7. - c.
216-222.
19. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Адаптируемая математиче ская модель систем возбуждения синхронных машин //Известия Томского политехнического университета. - Томск: Изд. ТПУ, 2005 - т. 308, - № 7. c. 211-216.
20. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Всережимные математиче ские модели линий электропередачи //Известия Томского политехниче ского университета. - Томск: Изд. ТПУ, 2005 - т. 308, - № 7. - c. 206-211.
21. Gusev A.S., Svetchkaryov S.V., Plodisty I.L. Basic Aspects Of Modeling Problem For Electrical Power Systems, Perspectives And Metods Of Their So lution //9-th Korea-Russia International Symposium on Science and Technol ogy (KORUS 2005): Russia, Novosibirsk, June 26- July 2, 2005. Vol. 1, P.
215-218.
22. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Многопроцессорная про граммно-техническая система реального времени гибридного типа для всережимного моделирования энергосистем // Технологии управления режимами энергосистем XXI века: Сб. докладов Всеросс. науч.-практич.
конф. Новосибирск: изд-во НГТУ, 2006. С.125-131.
23. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.П. Основные аспекты пробле мы моделирования электроэнергетических систем, перспективы и средст ва их решения //Известия Вузов. Электромеханика, 2006, - № 3. - c. 92-95.
24. Гусев А.С., Свечкарев С.В., Плодистый И.Л. Универсальная математиче ская модель силовых трехфазных трансформаторов и автотрансформато ров //Известия Томского политехнического университета, 2007 - т. 311, № 4. - c. 77-81.
25. Гусев А. С. Концепция и средства всережимного моделирования в реаль ном времени электроэнергетических систем // Известия Вузов. Проблемы энергетики, 2008.
Кроме этого различные аспекты и фрагменты диссертационной работы от ражены в других 30 публикациях.