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.

Oglavlenie

Predislovie

Elektroenergeticheskie sistemi (EES) otnosyatsya k klassu klyuchevikh, strukturoobrazuyuschikh komponentov sovremennoj tekhnosferi, ot ustojchivogo funktsionirovaniya kotorikh neposredstvenno zavisyat zhizn' i razvitie tsivilizovannogo obschestva. V etoj svyazi problema effektivnogo upravleniya EES otnositsya k chislu fundamental'nikh nauchno-tekhnicheskikh superproblem, ostrotu i vazhnost' resheniya kotoroj podtverzhdayut krupnie tekhnogennie avarii poslednego vremeni. Delo v tom, chto sovremennie EES predstavlyayut soboj kompleks razlichnikh podsistem, svyazannikh mezhdu soboj protsessami intensivnogo dinamicheskogo vzaimodejstviya i obmena energiej, veschestvom i informatsiej. Ukazannie supersistemi yavlyayutsya nelinejnimi, mnogomernimi i mnogosvyaznimi, v kotorikh protekayut slozhnie perekhodnie protsessi i voznikayut kriticheskie i khaoticheskie rezhimi. Problemi effektivnogo upravleniya takimi dinamicheskimi makrosistemami yavlyayutsya ves'ma aktual'nimi, chrezvichajno slozhnimi i prakticheski nedostupnimi dlya suschestvuyuschikh v energetike metodov avtomaticheskogo upravleniya. Perejdem k konkretnomu rassmotreniyu etikh problem.

Tekhnologicheskij protsess v sootvetstvuyuschem energoob'ekte opredelyaetsya soputstvuyuschimi poteryami energii. Eti poteri svyazani s kharakterom protekayuschikh teplovikh i elektromekhanicheskikh protsessov, svojstva kotorikh zavisyat ne tol'ko ot prinyatoj konstruktorami tekhnologicheskoj skhemi ob'ekta, no, chto osobenno vazhno, i ot primenyaemogo printsipa upravleniya ego tekhnologicheskimi protsessami. Sovershenstvovanie tekhnologicheskoj skhemi proizvodstva elektroenergii na elektrostantsiyakh proiskhodit sravnitel'no medlenno i vryad li v blizhajshee vremya stoit ozhidat' printsipial'no novikh reshenij po povisheniyu KPD protsessa preobrazovaniya energii topliva v teplovuyu energiyu para, postupayuschego v turbinu. Eto, v svoyu ochered', ne sposobstvuet ekonomii topliva i, sootvetstvenno, povishaet sebestoimost' elektroenergii.

Nesmotrya na vseobschee rasprostranenie teplovikh elektrostantsij (TES), oni prakticheski ne uchastvuyut v pervichnom regulirovanii chastoti, ustupaya etu rol' nemnogochislennim gidroelektrostantsiyam. Kak pravilo, energobloki TES rabotayut v bazovom rezhime i prakticheski ne ispol'zuyut vozmozhnost' raboti v shirokom diapazone nagruzok. V etoj svyazi voznikaet vazhnaya problema povisheniya manevrennosti agregatov elektrostantsij, reshenie kotoroj dlya parogeneriruyuschikh ustanovok oznachaet rasshirenie diapazona nagruzok i teplovikh rezhimov, v ramkakh kotorogo sistema upravleniya kotlom sposobna obespechit' ego ustojchivuyu rabotu. Pri etom osnovnoe prepyatstvie sostoit v ogranichennikh vozmozhnostyakh suschestvuyuschikh linejnikh sistem upravleniya energoblokami TES. Mezhdu tem izvestno, chto sovremennie teploenergeticheskie supersistemi predstavlyayut soboj kompleks razlichnikh dinamicheskikh podsistem, vipolnyayuschikh raznoobraznie tekhnologicheskie funktsii: eto, vo-pervikh, podsistema proizvodstva teplovoj energii, osuschestvlyaemogo s pomosch'yu parovikh kotlov, vo-vtorikh, podsistema preobrazovaniya teplovoj energii v mekhanicheskuyu, realizuemogo s pomosch'yu turboagregatov, i, v-tret'ikh, podsistema generatsii elektricheskoj energii, osuschestvlyaemoj s pomosch'yu sinkhronnikh generatorov elektricheskoj energii. Sut' dela sostoit v tom, chto podsistemi svyazani mezhdu soboj protsessami intensivnogo vzaimodejstviya i obmena energiej, veschestvom i informatsiej.

Takim obrazom, voznikaet ostraya neobkhodimost' provedeniya fundamental'nikh nauchnikh issledovanij i opitno-konstruktorskikh razrabotok, posvyaschennikh probleme protivoavarijnogo i energosberegayuschego upravleniya protsessami proizvodstva teplovoj i elektricheskoj energii, t.e. poisku novikh algoritmov upravleniya, kotorie bi obespechivali nadezhnuyu generatsiyu elektroenergii nuzhnogo kachestva s odnovremennoj minimizatsiej raskhoda energonositelya i, sledovatel'no, sebestoimosti elektroenergii.

K vazhnejshim svojstvam turbogeneratorov, yavlyayuschikhsya neot'emlemoj chast'yu energoblokov elektrostantsij, otnosyatsya nelinejnost', mnogomernost' i dinamicheskaya vzaimosvyaz' mezhdu turbinoj i sinkhronnim generatorom kak v sostave otdel'nogo turbogeneratora, tak i osobenno mezhdu vsej gruppoj turbogeneratorov energosistemi. Tekhnologicheskie protsessi, protekayuschie v otdel'nikh turbogeneratorakh, svyazani mezhdu soboj cherez obschuyu nagruzku i cherez obschuyu energoset' EES. Traditsionnie metodiki postroeniya algoritmov upravleniya EES obichno stroyatsya po printsipu tak nazivaemoj "kompensatsii" nelinejnostej modelej ili ikh ignorirovaniya, separirovaniya imeyuschikhsya kanalov upravleniya, nejtralizatsii perekrestnikh svyazej i t.d. Podobnie vinuzhdennie iskusstvennie priemi, vizvannie ogranichennimi vozmozhnostyami izvestnikh metodov klassicheskoj teorii upravleniya, v konechnom itoge, ves'ma negativno skazivayutsya na sposobnosti sistem upravleniya otvechat' sovremennim trebovaniyam k EES s tochki zreniya kachestva proizvodimoj energii, ustojchivosti EES i energosberezheniya.

Povishenie trebovanij k kachestvu raboti energoob'ektov, a imenno: ikh ustojchivosti, nadezhnosti, rasshireniya ikh funktsional'nikh vozmozhnostej, da i sama logika nauchno-tekhnicheskogo progressa, obuslavlivayut aktual'nost' i neobkhodimost' poiska printsipial'no novikh putej sovershenstvovaniya protsessov upravleniya energoob'ektami i ikh gruppami v sostave EES.

Traditsionnie algoritmi upravleniya EES slozhilis' bolee poluveka nazad i ispol'zuyutsya ponine, khotya oni yavno ustareli. Nesomnenno, v svoe vremya oni pokazali svoyu effektivnost', no ikh primenenie vo vse bolee razvivayuschejsya i rasshiryayuschejsya strukture EES Rossii porozhdaet svoi problemi i trebuet ikh nezamedlitel'nogo resheniya. Perechislim eti problemi:

Linejnie regulyatori suzhayut oblast' dinamicheskoj ustojchivosti EES

V nastoyaschee vremya sistemi upravleniya chastotoj vrascheniya i aktivnoj moschnost'yu turbogeneratorov, kak pravilo, proektiruyutsya v vide otdel'nikh linejnikh podsistem. Linearizovannie sistemi adekvatni tol'ko v nebol'shoj oblasti otkloneniya ot ustanovivshegosya sostoyaniya. V pikovikh i ekstremal'nikh situatsiyakh, kogda turbogeneratori rabotayut v rezhimakh bol'shikh otklonenij, znachitel'no proyavlyayutsya ikh nelinejnie svojstva i neuchet etikh svojstv sposobstvuet vozniknoveniyu i razvitiyu sistemnikh avarij, podobnikh avarii 2003 goda v SShA i nineshnego goda v Moskve. Eto oznachaet, chto dlya effektivnogo upravleniya, obespechivayuschego, po krajnej mere, sokhranenie asimptoticheskoj (dinamicheskoj) ustojchivosti energosistemi, neobkhodimo rassmatrivat' nelinejnie modeli energoob'ektov i provodit' sintez i proektirovanie sistem upravleniya metodami, kotorie v naibolee polnoj mere pozvolyayut uchest' yavleniya vzaimosvyazannosti i nelinejnosti protsessov v energoob'ektakh.

Osnovnoj nedostatok traditsionnikh avtomaticheskikh regulyatorov vozbuzhdeniya (ARV) sinkhronnikh generatorov zaklyuchaetsya v tom, chto parametri etikh regulyatorov fiksirovani i rasschitani dlya opredelennogo lokal'nogo rezhima. Eto obstoyatel'stvo privodit k tomu, chto ne uchitivaetsya mnogorezhimnost' funktsionirovaniya generatorov. Takim obrazom, parametri regulyatora, rasschitannie dlya odnogo rezhima, ne obespechat kachestvennoe regulirovanie v drugom rezhime, a mogut dazhe suschestvenno ukhudshit' staticheskie i dinamicheskie svojstva EES. Preodolet' ukazannij nedostatok, svyazannij s fiksirovannost'yu parametrov linejnikh ARV dlya lokal'nikh rezhimov, v nastoyaschee vremya pitayutsya, ispol'zuya preimuschestvenno metodi nechetkoj logiki. Prichem, v bol'shinstve sluchaev nastrojki regulyatorov vibirayutsya na osnovanii opitnikh znanij ekspertov, obschikh predstavlenij o fizike protekaniya protsessov ili metodom prob i oshibok. Podobnij podkhod nikak ne garantiruet nakhozhdeniya optimal'nikh nastroek regulyatora, v sil'noj stepeni zavisit ot chelovecheskogo faktora i k tomu zhe trebuet bol'shikh vremennikh zatrat.

Rabota v ekstremal'nikh rezhimakh Bol'shie vozmuscheniya rezhimov v EES vizivayutsya otklyucheniyami moschnikh nagruzok ili transformatorov, linij elektroperedachi (LEP) i t.d., chto, naprimer, i proizoshlo v energosisteme  g.Moskvi v mae 2005 g. K esche bolee rezkim izmeneniyam rezhima raboti EES privodyat korotkie zamikaniya (KZ), kotorie v zavisimosti ot mesta i vida mogut vizivat' kriticheskie izmeneniya peredavaemoj moschnosti, rezkie sbrosi moschnosti i vipadenie generatorov iz sinkhronizma. Statistika avarij, proiskhodyaschikh v elektricheskikh sistemakh, pokazivaet, chto bol'shinstvo avarij na visokovol'tnikh LEP – eto odnofaznie KZ (75–90%). Bolee redkimi yavlyayutsya trekhfaznie KZ, sostavlyayuschie 5–10% ot obschego chisla KZ. Etot vid KZ yavlyaetsya chrezvichajno tyazhelim, poskol'ku ono polnost'yu prerivaet peredachu moschnosti v EES. Ustranit' poteryu dinamicheskoj ustojchivosti, vizvannuyu vozdejstviem trekhfaznogo KZ na EES, vozmozhno tol'ko putem bistrogo otklyucheniya sootvetstvuyuschego avarijnogo uchastka. V to zhe vremya pri odnofaznom KZ mozhno sokhranit' ustojchivost' energosistemi, rabotayuschej v ekstremal'nikh rezhimakh, lish' pri ispol'zovanii nelinejnogo vzaimosvyazannogo upravleniya turbogeneratorami energoblokov, chto pozvolyaet sokratit' raskhodi na dorogie meropriyatiya po usileniyu EES.

Osoboe mesto sredi ekstremal'nikh rezhimov raboti EES zanimayut lavina chastoti i napryazheniya, vizvannie snizheniem generiruemoj moschnosti pri snizhenii chastoti. Traditsionnimi metodami predotvrascheniya etikh yavlenij yavlyayutsya, vo-pervikh, ispol'zovanie imeyuschegosya v EES rezerva moschnosti, i, vo-vtorikh, otklyuchenie chasti nagruzki (avtomaticheskaya chastotnaya razgruzka ili sbrasivanie nagruzki). V to zhe vremya etikh yavlenij takzhe mozhno izbezhat', esli ispol'zovat' nelinejnoe vzaimosvyazannoe upravlenie chastotoj i moschnost'yu turbogeneratorov. Sinergeticheskaya sistema upravleniya formiruet v fazovom prostranstve energoob'ekta asimptoticheski ustojchivie attraktori, na kotorikh obespechivaetsya stabilizatsiya chastoti i moschnosti v sootvetstvii s moschnost'yu, potreblyaemoj nagruzkoj.

Razdelenie kanalov upravleniya energoob'ektami Vzaimodejstvie kanalov upravleniya generatorom i turbinoj osobenno usilivaetsya v pikovikh i avarijnikh situatsiyakh EES, kogda eti energoob'ekti rabotayut v ekstremal'nikh rezhimakh. V praktike slozhilos' tak, chto pri traditsionnikh algoritmakh upravleniya podsistemi generatora i turbini yavlyayutsya razvyazannimi, t.e. lokal'nimi. Odnako issledovanie upravlyaemosti turbogeneratorov po ikh nelinejnim modelyam, provedennoe na osnove uslovij obschnosti polozheniya printsipa maksimuma, pokazalo, chto ispol'zovanie dvukhkanal'nogo vzaimosvyazannogo upravleniya turbogeneratorami pozvolyaet suschestvenno povisit' dinamicheskie svojstva EES i rasshirit' oblast' dinamicheskoj ustojchivosti. Esche bolee 30 let nazad v svoikh rabotakh professor V.A.Venikov ukazival na neobkhodimost' imenno vzaimosvyazannogo upravleniya: "...avarijnoe regulirovanie turbin daet suschestvennij effekt lish' v tom sluchae, esli ono osuschestvlyaetsya v tesnoj vzaimosvyazi s regulirovaniem vozbuzhdeniya turbogeneratora (forsirovanie vozbuzhdeniya, razvozbuzhdenie, dempfirovanie kolebanij). Poetomu neobkhodimo odnovremennoe soglasovanie upravleniya vozbuzhdeniem turbogeneratora i mekhanicheskoj moschnost'yu ego turbini ot odnogo kompleksnogo upravlyayuschego ustrojstva" [1]. K sozhaleniyu, do sikh por takie podobnie ustrojstva ne realizovani i poetomu zachastuyu voznikayut situatsii, kogda dejstviya kanalov upravleniya vstupayut v yavnie protivorechiya drug s drugom, mozhet suschestvenno snizit' ustojchivost' EES.

Vozniknovenie sistemnikh avarij V EES vozmozhni vozmuscheniya, kotorie privodyat k vozniknoveniyu yavleniya elektromekhanicheskogo rezonansa. Eto, v svoyu ochered', mozhet privesti k narusheniyu ustojchivosti EES, asinkhronnomu khodu i, voobsche, razvitiyu sistemnoj avarii, kotoraya mozhet perekinut'sya na EES sosednikh regionov EES Rossii i stran SNG. Takogo roda sistemnie avarii nanosyat znachitel'nij ekonomicheskij uscherb strane.

Takim obrazom, ukazannoe yavlenie privodit k neobkhodimosti postanovki i resheniya novoj slozhnoj problemi postroeniya regulyatorov dlya turbogeneratorov, obespechivayuschikh podavlenie takikh naikhudshikh vozmuschenij, dejstvuyuschikh so storoni energosistemi, s tsel'yu obespecheniya maksimal'no vozmozhnoj oblasti asimptoticheskoj (dinamicheskoj) ustojchivosti EES. Eta zadacha, v pervuyu ochered', effektivno reshaetsya putem sinteza sootvetstvuyuschikh sinergeticheskikh algoritmov upravleniya energoob'ektami po ikh naibolee polnim nelinejnim modelyam.

Parametricheskaya neopredelennost' Lyubaya slozhnaya EES kharakterizuetsya nalichiem ryada neopredelennostej: netochnoe opisanie matematicheskoj modeli, nekontroliruemoe izmenenie staticheskikh i dinamicheskikh svojstv, vozdejstvie na sistemu vneshnikh vozmuschenij i dr. Suschestvennim mozhet bit' takzhe otlichie fakticheskikh parametrov generatorov ot raschetnikh, kotorie obichno dayutsya firmoj-izgotovitelem tol'ko orientirovochno (raskhozhdeniya do plyus-minus 15% i bolee). Nalichie razlichnogo roda parametricheskikh neopredelennostej obuslovilo razvitie adaptivnikh sistem upravleniya s tsel'yu umen'sheniya neopredelennostej real'nogo protsessa. Naibol'shee primenenie nashli adaptivnie sistemi, v kotorikh pri postroenii osnovnogo kontura upravleniya v EES, kak pravilo, po-prezhnemu ispol'zuyutsya linejnie metodi, takie kak modal'noe upravlenie, lokal'no-optimal'noe upravlenie, a dlya podstrojki parametrov v konture adaptatsii ispol'zuetsya metod skorostnogo gradienta i dr.

Takim obrazom, v sovremennoj situatsii, obuslovlennoj visokoj stepen'yu razvitiya vichislitel'noj, mikroprotsessornoj i informatsionno-izmeritel'noj tekhniki, dlya resheniya perechislennikh vishe problem sleduet perekhodit' na printsipial'no novie sinergeticheskie algoritmi upravleniya EES, kotorie uchitivayut sleduyuschie osobennosti energoob'ektov:

Dlya resheniya izlozhennikh vishe slozhnikh problem upravleniya EES v knige predlagaetsya primenit' idei sinergetiki – novoj integral'noj nauki, izuchayuschej protsessi samoorganizatsii i kollektivnogo, kogerentnogo povedeniya v nelinejnikh dinamicheskikh sistemakh razlichnoj prirodi, a takzhe printsipi i metodi novoj sinergeticheskoj teorii upravleniya, baziruyuschejsya na kontseptsii napravlennoj samoorganizatsii i dinamicheskoj dekompozitsii mnogomernikh sistem. Pri sinergeticheskom upravlenii proiskhodit perekhod ot nepredskazuemogo povedeniya po algoritmu dissipativnoj strukturi k napravlennomu dvizheniyu vdol' zhelaemikh invariantov – tselevikh attraktorov (sinergij), k kotorim podstraivayutsya vse ostal'nie peremennie sistemi i na kotorikh nailuchshim obrazom soglasuyutsya estestvennie (mekhanicheskie, energeticheskie, elektromagnitnie, teplovie i dr.) svojstva upravlyaemikh protsessov i trebovaniya zadach upravleniya. Sut' sinergeticheskoj kontseptsii upravleniya zaklyuchaetsya v formirovanii v fazovom prostranstve sinteziruemikh sistem tselevikh attraktorov, na kotorie neizbezhno popadayut vse traektorii dvizheniya zamknutoj sistemi "ob'ekt – regulyator". Sinergeticheskij podkhod pozvolyaet razrabotat' novie metodi tselevogo vozdejstviya na protsessi samoorganizatsii v nelinejnikh dinamicheskikh sistemakh, t.e. metodi formirovaniya vnutrennikh sil rezonansnogo vzaimodejstviya, kotorie porozhdayut v fazovom prostranstve sistem zhelaemie strukturi – attraktori, adekvatnie fizicheskoj suschnosti sootvetstvuyuschikh sistem. Takoj podkhod pozvolyaet postroit' universal'nie ob'ektivnie zakoni protivoavarijnogo i energosberegayuschego upravleniya slozhnimi energosistemami.

Provedennie issledovaniya pokazali, chto dazhe modifikatsiya traditsionnikh algoritmov upravleniya vozbuzhdeniem sinkhronnogo generatora i moschnost'yu turbini na osnove sinergeticheskikh metodov znachitel'no povishaet kachestvo virabativaemoj elektroenergii, povishaet bistrodejstvie energoob'ektov i uluchshaet ikh sposobnost' protivostoyat' znachitel'nim parametricheskim i vneshnim vozmuscheniyam. Pri takoj modifikatsii struktura traditsionnoj skhemi upravleniya ne menyaetsya, a sinergeticheskie zakoni vistupayut v kachestve koordiniruyuschikh makroregulyatorov. Primenenie sinergeticheskikh zakonov privedet k poyavleniyu printsipial'no novogo pokoleniya upravlyaemikh energoob'ektov i energosistem, obladayuschikh sleduyuschimi otlichitel'nimi svojstvami:

V knige na osnove sinergeticheskogo podkhoda razrabotani printsipial'no novie metodi sinteza sistem upravleniya kak otdel'nimi energoob'ektami i ikh gruppami, tak i krupnimi, i avtonomnimi EES v tselom, pozvolyayuschie osuschestvit' svoego roda proriv v reshenii ukazannoj problemi energetiki. Eti sinergeticheskie metodi v svoej sovokupnosti obrazuyut novuyu metodologicheskuyu i opitno-konstruktorskuyu bazu dlya kardinal'nogo proriva v reshenii problemi effektivnogo upravleniya slozhnimi EES, v tom chisle protivoavarijnogo i energosberegayuschego upravleniya. Novoe pokolenie sinergeticheskikh zakonov upravleniya podsistemami EES, a takzhe sinergeticheskikh regulyatorov chastoti i moschnosti printsipial'no prevoskhodyat suschestvuyuschie ustarevshie tipovie regulyatori s tochki zreniya predelov dinamicheskoj ustojchivosti, nadezhnosti, energeticheskoj effektivnosti i dr.

Itak, v knige na osnove sinergeticheskikh metodov vpervie sintezirovana sovokupnost' ob'ektivnikh zakonov edinstva protsessov samoorganizatsii i upravleniya slozhnimi energosistemami, vklyuchayuschimi v sebya vsyu tekhnologicheskuyu tsepochku: istochniki teplovoj energii (kotli) – turbini – sinkhronnie generatori – silovie preobrazovateli i ikh gruppi. V tselom, kniga posvyaschena prakticheskomu primeneniyu sinergeticheskikh metodov dlya resheniya problem upravleniya konkretnimi ob'ektami bol'shikh (parovoj kotel – turbina – sinkhronnij generator) i avtonomnikh EES (avtonomnij sinkhronnij generator – konvertori, elektromobil'). Eti printsipial'no novie metodi pozvolyayut kardinal'no reshit' problemu effektivnogo upravleniya EES.

Kniga prednaznachena dlya spetsialistov, aspirantov i studentov, zanimayuschikhsya problemami upravleniya sovremennimi i perspektivnimi energosistemami.

About the author

Kolesnikov Anatolij Arkad'evich

Zasluzhennij deyatel' nauki i tekhniki RF, doktor tekhnicheskikh nauk, professor, zaveduyuschij kafedroj sinergetiki i protsessov upravleniya Yuzhnogo federal'nogo universiteta.