Колесников А.А., Веселов Г.Е., Попов А.Н., Кузьменко А.А., Погорелов М.Е., Кондратьев И.В. Синергетические методы управления сложными системами:
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ. Изд. стереотип.

Оглавление

Предисловие

Электроэнергетические системы (ЭЭС) относятся к классу ключевых, структурообразующих компонентов современной техносферы, от устойчивого функционирования которых непосредственно зависят жизнь и развитие цивилизованного общества. В этой связи проблема эффективного управления ЭЭС относится к числу фундаментальных научно-технических суперпроблем, остроту и важность решения которой подтверждают крупные техногенные аварии последнего времени. Дело в том, что современные ЭЭС представляют собой комплекс различных подсистем, связанных между собой процессами интенсивного динамического взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией. Указанные суперсистемы являются нелинейными, многомерными и многосвязными, в которых протекают сложные переходные процессы и возникают критические и хаотические режимы. Проблемы эффективного управления такими динамическими макросистемами являются весьма актуальными, чрезвычайно сложными и практически недоступными для существующих в энергетике методов автоматического управления. Перейдем к конкретному рассмотрению этих проблем.

Технологический процесс в соответствующем энергообъекте определяется сопутствующими потерями энергии. Эти потери связаны с характером протекающих тепловых и электромеханических процессов, свойства которых зависят не только от принятой конструкторами технологической схемы объекта, но, что особенно важно, и от применяемого принципа управления его технологическими процессами. Совершенствование технологической схемы производства электроэнергии на электростанциях происходит сравнительно медленно и вряд ли в ближайшее время стоит ожидать принципиально новых решений по повышению КПД процесса преобразования энергии топлива в тепловую энергию пара, поступающего в турбину. Это, в свою очередь, не способствует экономии топлива и, соответственно, повышает себестоимость электроэнергии.

Несмотря на всеобщее распространение тепловых электростанций (ТЭС), они практически не участвуют в первичном регулировании частоты, уступая эту роль немногочисленным гидроэлектростанциям. Как правило, энергоблоки ТЭС работают в базовом режиме и практически не используют возможность работы в широком диапазоне нагрузок. В этой связи возникает важная проблема повышения маневренности агрегатов электростанций, решение которой для парогенерирующих установок означает расширение диапазона нагрузок и тепловых режимов, в рамках которого система управления котлом способна обеспечить его устойчивую работу. При этом основное препятствие состоит в ограниченных возможностях существующих линейных систем управления энергоблоками ТЭС. Между тем известно, что современные теплоэнергетические суперсистемы представляют собой комплекс различных динамических подсистем, выполняющих разнообразные технологические функции: это, во-первых, подсистема производства тепловой энергии, осуществляемого с помощью паровых котлов, во-вторых, подсистема преобразования тепловой энергии в механическую, реализуемого с помощью турбоагрегатов, и, в-третьих, подсистема генерации электрической энергии, осуществляемой с помощью синхронных генераторов электрической энергии. Суть дела состоит в том, что подсистемы связаны между собой процессами интенсивного взаимодействия и обмена энергией, веществом и информацией.

Таким образом, возникает острая необходимость проведения фундаментальных научных исследований и опытно-конструкторских разработок, посвященных проблеме противоаварийного и энергосберегающего управления процессами производства тепловой и электрической энергии, т.е. поиску новых алгоритмов управления, которые бы обеспечивали надежную генерацию электроэнергии нужного качества с одновременной минимизацией расхода энергоносителя и, следовательно, себестоимости электроэнергии.

К важнейшим свойствам турбогенераторов, являющихся неотъемлемой частью энергоблоков электростанций, относятся нелинейность, многомерность и динамическая взаимосвязь между турбиной и синхронным генератором как в составе отдельного турбогенератора, так и особенно между всей группой турбогенераторов энергосистемы. Технологические процессы, протекающие в отдельных турбогенераторах, связаны между собой через общую нагрузку и через общую энергосеть ЭЭС. Традиционные методики построения алгоритмов управления ЭЭС обычно строятся по принципу так называемой "компенсации" нелинейностей моделей или их игнорирования, сепарирования имеющихся каналов управления, нейтрализации перекрестных связей и т.д. Подобные вынужденные искусственные приемы, вызванные ограниченными возможностями известных методов классической теории управления, в конечном итоге, весьма негативно сказываются на способности систем управления отвечать современным требованиям к ЭЭС с точки зрения качества производимой энергии, устойчивости ЭЭС и энергосбережения.

Повышение требований к качеству работы энергообъектов, а именно: их устойчивости, надежности, расширения их функциональных возможностей, да и сама логика научно-технического прогресса, обуславливают актуальность и необходимость поиска принципиально новых путей совершенствования процессов управления энергообъектами и их группами в составе ЭЭС.

Традиционные алгоритмы управления ЭЭС сложились более полувека назад и используются поныне, хотя они явно устарели. Несомненно, в свое время они показали свою эффективность, но их применение во все более развивающейся и расширяющейся структуре ЕЭС России порождает свои проблемы и требует их незамедлительного решения. Перечислим эти проблемы:

Линейные регуляторы сужают область динамической устойчивости ЭЭС

В настоящее время системы управления частотой вращения и активной мощностью турбогенераторов, как правило, проектируются в виде отдельных линейных подсистем. Линеаризованные системы адекватны только в небольшой области отклонения от установившегося состояния. В пиковых и экстремальных ситуациях, когда турбогенераторы работают в режимах больших отклонений, значительно проявляются их нелинейные свойства и неучет этих свойств способствует возникновению и развитию системных аварий, подобных аварии 2003 года в США и нынешнего года в Москве. Это означает, что для эффективного управления, обеспечивающего, по крайней мере, сохранение асимптотической (динамической) устойчивости энергосистемы, необходимо рассматривать нелинейные модели энергообъектов и проводить синтез и проектирование систем управления методами, которые в наиболее полной мере позволяют учесть явления взаимосвязанности и нелинейности процессов в энергообъектах.

Основной недостаток традиционных автоматических регуляторов возбуждения (АРВ) синхронных генераторов заключается в том, что параметры этих регуляторов фиксированы и рассчитаны для определенного локального режима. Это обстоятельство приводит к тому, что не учитывается многорежимность функционирования генераторов. Таким образом, параметры регулятора, рассчитанные для одного режима, не обеспечат качественное регулирование в другом режиме, а могут даже существенно ухудшить статические и динамические свойства ЭЭС. Преодолеть указанный недостаток, связанный с фиксированностью параметров линейных АРВ для локальных режимов, в настоящее время пытаются, используя преимущественно методы нечеткой логики. Причем, в большинстве случаев настройки регуляторов выбираются на основании опытных знаний экспертов, общих представлений о физике протекания процессов или методом проб и ошибок. Подобный подход никак не гарантирует нахождения оптимальных настроек регулятора, в сильной степени зависит от человеческого фактора и к тому же требует больших временных затрат.

Работа в экстремальных режимах Большие возмущения режимов в ЭЭС вызываются отключениями мощных нагрузок или трансформаторов, линий электропередачи (ЛЭП) и т.д., что, например, и произошло в энергосистеме  г.Москвы в мае 2005 г. К еще более резким изменениям режима работы ЭЭС приводят короткие замыкания (КЗ), которые в зависимости от места и вида могут вызывать критические изменения передаваемой мощности, резкие сбросы мощности и выпадение генераторов из синхронизма. Статистика аварий, происходящих в электрических системах, показывает, что большинство аварий на высоковольтных ЛЭП – это однофазные КЗ (75–90%). Более редкими являются трехфазные КЗ, составляющие 5–10% от общего числа КЗ. Этот вид КЗ является чрезвычайно тяжелым, поскольку оно полностью прерывает передачу мощности в ЭЭС. Устранить потерю динамической устойчивости, вызванную воздействием трехфазного КЗ на ЭЭС, возможно только путем быстрого отключения соответствующего аварийного участка. В то же время при однофазном КЗ можно сохранить устойчивость энергосистемы, работающей в экстремальных режимах, лишь при использовании нелинейного взаимосвязанного управления турбогенераторами энергоблоков, что позволяет сократить расходы на дорогие мероприятия по усилению ЭЭС.

Особое место среди экстремальных режимов работы ЭЭС занимают лавина частоты и напряжения, вызванные снижением генерируемой мощности при снижении частоты. Традиционными методами предотвращения этих явлений являются, во-первых, использование имеющегося в ЭЭС резерва мощности, и, во-вторых, отключение части нагрузки (автоматическая частотная разгрузка или сбрасывание нагрузки). В то же время этих явлений также можно избежать, если использовать нелинейное взаимосвязанное управление частотой и мощностью турбогенераторов. Синергетическая система управления формирует в фазовом пространстве энергообъекта асимптотически устойчивые аттракторы, на которых обеспечивается стабилизация частоты и мощности в соответствии с мощностью, потребляемой нагрузкой.

Разделение каналов управления энергообъектами Взаимодействие каналов управления генератором и турбиной особенно усиливается в пиковых и аварийных ситуациях ЭЭС, когда эти энергообъекты работают в экстремальных режимах. В практике сложилось так, что при традиционных алгоритмах управления подсистемы генератора и турбины являются развязанными, т.е. локальными. Однако исследование управляемости турбогенераторов по их нелинейным моделям, проведенное на основе условий общности положения принципа максимума, показало, что использование двухканального взаимосвязанного управления турбогенераторами позволяет существенно повысить динамические свойства ЭЭС и расширить область динамической устойчивости. Еще более 30 лет назад в своих работах профессор В.А.Веников указывал на необходимость именно взаимосвязанного управления: "...аварийное регулирование турбин дает существенный эффект лишь в том случае, если оно осуществляется в тесной взаимосвязи с регулированием возбуждения турбогенератора (форсирование возбуждения, развозбуждение, демпфирование колебаний). Поэтому необходимо одновременное согласование управления возбуждением турбогенератора и механической мощностью его турбины от одного комплексного управляющего устройства" [1]. К сожалению, до сих пор такие подобные устройства не реализованы и поэтому зачастую возникают ситуации, когда действия каналов управления вступают в явные противоречия друг с другом, может существенно снизить устойчивость ЭЭС.

Возникновение системных аварий В ЭЭС возможны возмущения, которые приводят к возникновению явления электромеханического резонанса. Это, в свою очередь, может привести к нарушению устойчивости ЭЭС, асинхронному ходу и, вообще, развитию системной аварии, которая может перекинуться на ЭЭС соседних регионов ЕЭС России и стран СНГ. Такого рода системные аварии наносят значительный экономический ущерб стране.

Таким образом, указанное явление приводит к необходимости постановки и решения новой сложной проблемы построения регуляторов для турбогенераторов, обеспечивающих подавление таких наихудших возмущений, действующих со стороны энергосистемы, с целью обеспечения максимально возможной области асимптотической (динамической) устойчивости ЭЭС. Эта задача, в первую очередь, эффективно решается путем синтеза соответствующих синергетических алгоритмов управления энергообъектами по их наиболее полным нелинейным моделям.

Параметрическая неопределенность Любая сложная ЭЭС характеризуется наличием ряда неопределенностей: неточное описание математической модели, неконтролируемое изменение статических и динамических свойств, воздействие на систему внешних возмущений и др. Существенным может быть также отличие фактических параметров генераторов от расчетных, которые обычно даются фирмой-изготовителем только ориентировочно (расхождения до плюс-минус 15% и более). Наличие различного рода параметрических неопределенностей обусловило развитие адаптивных систем управления с целью уменьшения неопределенностей реального процесса. Наибольшее применение нашли адаптивные системы, в которых при построении основного контура управления в ЭЭС, как правило, по-прежнему используются линейные методы, такие как модальное управление, локально-оптимальное управление, а для подстройки параметров в контуре адаптации используется метод скоростного градиента и др.

Таким образом, в современной ситуации, обусловленной высокой степенью развития вычислительной, микропроцессорной и информационно-измерительной техники, для решения перечисленных выше проблем следует переходить на принципиально новые синергетические алгоритмы управления ЭЭС, которые учитывают следующие особенности энергообъектов:

Для решения изложенных выше сложных проблем управления ЭЭС в книге предлагается применить идеи синергетики – новой интегральной науки, изучающей процессы самоорганизации и коллективного, когерентного поведения в нелинейных динамических системах различной природы, а также принципы и методы новой синергетической теории управления, базирующейся на концепции направленной самоорганизации и динамической декомпозиции многомерных систем. При синергетическом управлении происходит переход от непредсказуемого поведения по алгоритму диссипативной структуры к направленному движению вдоль желаемых инвариантов – целевых аттракторов (синергий), к которым подстраиваются все остальные переменные системы и на которых наилучшим образом согласуются естественные (механические, энергетические, электромагнитные, тепловые и др.) свойства управляемых процессов и требования задач управления. Суть синергетической концепции управления заключается в формировании в фазовом пространстве синтезируемых систем целевых аттракторов, на которые неизбежно попадают все траектории движения замкнутой системы "объект – регулятор". Синергетический подход позволяет разработать новые методы целевого воздействия на процессы самоорганизации в нелинейных динамических системах, т.е. методы формирования внутренних сил резонансного взаимодействия, которые порождают в фазовом пространстве систем желаемые структуры – аттракторы, адекватные физической сущности соответствующих систем. Такой подход позволяет построить универсальные объективные законы противоаварийного и энергосберегающего управления сложными энергосистемами.

Проведенные исследования показали, что даже модификация традиционных алгоритмов управления возбуждением синхронного генератора и мощностью турбины на основе синергетических методов значительно повышает качество вырабатываемой электроэнергии, повышает быстродействие энергообъектов и улучшает их способность противостоять значительным параметрическим и внешним возмущениям. При такой модификации структура традиционной схемы управления не меняется, а синергетические законы выступают в качестве координирующих макрорегуляторов. Применение синергетических законов приведет к появлению принципиально нового поколения управляемых энергообъектов и энергосистем, обладающих следующими отличительными свойствами:

В книге на основе синергетического подхода разработаны принципиально новые методы синтеза систем управления как отдельными энергообъектами и их группами, так и крупными, и автономными ЭЭС в целом, позволяющие осуществить своего рода прорыв в решении указанной проблемы энергетики. Эти синергетические методы в своей совокупности образуют новую методологическую и опытно-конструкторскую базу для кардинального прорыва в решении проблемы эффективного управления сложными ЭЭС, в том числе противоаварийного и энергосберегающего управления. Новое поколение синергетических законов управления подсистемами ЭЭС, а также синергетических регуляторов частоты и мощности принципиально превосходят существующие устаревшие типовые регуляторы с точки зрения пределов динамической устойчивости, надежности, энергетической эффективности и др.

Итак, в книге на основе синергетических методов впервые синтезирована совокупность объективных законов единства процессов самоорганизации и управления сложными энергосистемами, включающими в себя всю технологическую цепочку: источники тепловой энергии (котлы) – турбины – синхронные генераторы – силовые преобразователи и их группы. В целом, книга посвящена практическому применению синергетических методов для решения проблем управления конкретными объектами больших (паровой котел – турбина – синхронный генератор) и автономных ЭЭС (автономный синхронный генератор – конверторы, электромобиль). Эти принципиально новые методы позволяют кардинально решить проблему эффективного управления ЭЭС.

Книга предназначена для специалистов, аспирантов и студентов, занимающихся проблемами управления современными и перспективными энергосистемами.

Об авторе

Колесников Анатолий Аркадьевич

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой синергетики и процессов управления Южного федерального университета.