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

В настоящее время в мире продолжается устойчивый рост производства газотурбинных установок (ГТУ) малой мощности для привода электрогенераторов, при этом согласно экспертным оценкам тенденция увеличения удельного веса электроэнергетических ГТУ должна сохраниться, по крайней мере, в ближайшие десятилетия. В ответ на растущие потребности рынка в Российской Федерации разрабатывается и эксплуатируется порядка 20 типоразмеров малых ГТУ мощностью от 1 до 25 МВт, создаваемых преимущественно на основе авиационных прототипов и предназначенных для выработки электроэнергии (конвертированные ГТУ) [24,104,105,160,161,281].

Отечественные газотурбинные электростанции на базе конвертированных авиационных ГТУ обладают целой совокупностью полезных свойств, среди которых экономичность, низкая стоимость, быстрые сроки окупаемости, малая удельная масса и габариты, высокие мобильность и приемистость, короткие сроки строительства, детально отработанная технология производства, широкий диапазон климатических условий эксплуатации, практически полная автоматизация управления работой двигателя, высокий КПД использования топлива, особенно при когенерации и тригенерации, возможность работы на керосине, природном и попутном газе, минимальные объемы вредных выбросов в окружающую среду. Указанные преимущества, которые следует дополнить таким важным фактором как импортозамещение, предопределяют широкие области использования, среди которых: условия добычи полезных ископаемых при автономном электроснабженииразноотраслевые энергоемкие промышленные предприятиятеплоэлектроцентрали (ТЭЦ) городов и поселков, малых населенных пунктов, воинских частей, других объектов военной и гражданской инфраструктуры. Существенна роль малой энергетики в обеспечении надежности электроснабжения и энергетической безопасности потребителей, что является важной компонентой национальной безопасности страны и трактуется как состояние защищенности граждан, общества, государства, экономики от обусловленных внутренними и внешними факторами угроз дефицита всех видов энергии и энергетических ресурсов [2,160,170,234]. Немаловажно и то, что инвестиции в малую энергетику требуются существенно меньшие, чем в большую, они значительно быстрее окупаются, что делает энергоснабжение за счет средств малой энергетики более приемлемым для многих предприятий и организаций [2,160,161,165,168].

Но наряду с указанными преимуществами к настоящему времени по-прежнему сохраняют актуальность вопросы повышения качества вырабатываемой электроэнергии за счет улучшения эксплуатационных характеристик отечественных электроэнергетических ГТУ, которые по ряду показателей проигрывают зарубежным аналогам [160,170]. Среди существующих проблем: понижающие общий ресурс аварийные отключения при значительных набросах и сбросах электрической нагрузкиотключения при изменении режимов работы, например, при переходе с параллельного на автономный режимпотери устойчивости в силу взаимовлияния устройств управления ГТУ и электрогенератора. Эти проблемы во многом обусловлены физическими принципами работы конвертированных ГТУ со свободной турбиной. Особенности конструкции ГТУ со свободной турбиной обеспечивают высокий КПД при работе на частичных нагрузках, однако, отсутствие жесткой механической связи между валами компрессора и свободной турбины, между которыми существует лишь газовая связь, делает ГТУ сильно инерционным и затрудняет управление, что особенно проявляется при резких изменениях режима работы газотурбинной электростанции (ГТЭС) [24,33,89]. Помимо этого, в составе ГТЭС условия работы авиационных ГТУ существенно отличаются от полетных условий. Это связано, прежде всего, с тем, что переходные процессы в электрической сети ЭЭС могут вызывать резкие и значительные колебания электромагнитного момента генератора, который передается на свободную турбину [33]. Соответственно система автоматического управления (САУ) ГТУ должна своевременно реагировать на такие возмущающие воздействия и для этого получать информацию о состоянии электроэнергетической системы (ЭЭС), в рамках которой работает газотурбинная электростанция. В свою очередь ЭЭС, даже будучи автономной и территориально ограниченной, является структурно сложной динамической системой. Сложность системы обусловлена большим числом разнообразных взаимосвязанных элементов, многообразием режимов работы, а также постоянными изменениями конфигурации и состава элементов ЭЭС при нормальной эксплуатации, в аварийных, предаварийных и послеаварийных режимах.

Таким образом, трудности с обеспечением требуемых эксплуатационных показателей ГТЭС могут быть объяснены двумя группами причин: во-первых, свойствами конвертированной авиационной ГТУ со свободной турбиной как привода электрогенератора, и, во-вторых, особенностями ЭЭС, которые определяют новые условия функционирования ГТУ [24,33,57,89]. Известные попытки улучшения поведения электроэнергетических ГТУ за счет создания добавочных устройств, например, механических накопителей энергии или искусственной электрической нагрузки [169], приводят к ухудшению массогабаритных и стоимостных показателей. В то же время современные электроэнергетические ГТУ являются сложными наукоемкими комплексами, требующими оптимизации параметров входящих в них элементов, режимов их работы, способов управления этими режимами. Обеспечение надежной и эффективной работы таких ГТУ невозможно без применения современных САУ, основанных на использовании информационных технологий и микропроцессорной техники. Поэтому в настоящее время основным направлением улучшения характеристик электроэнергетических ГТУ является совершенствование САУ ГТУ, потенциал которых признается в значительной мере недоиспользованным [23,24,33,158,160,161].

Хорошо известно, что управление ГТЭС средней и малой мощности, сравнительно слабо связанной с ЭЭС или вообще работающей автономно, признается сложной технической задачей [89]. Однако до настоящего времени при создании и испытании новых САУ ГТУ не учитываются или учитываются приближенно системы управления электрогенераторами, поведение синхронных генераторов и ЭЭС в целом. Системы управления ГТУ продолжают строиться на основе авиационных прототипов, несмотря на то, что режимы ГТУ при работе на самолете и в ЭЭС — это две большие разницы [24,116]. В результате недостаточно совершенные системы управления ГТУ не всегда могут обеспечить сохранение работоспособности энергоагрегатов в диапазоне основных режимов ЭЭС, что может приводить к серьезным авариям и пожарам (Казымская ГТЭС, Новоуренгойская ГТЭС и др.) [23,235].

Системы управления ГТУ и электрогенераторами проектируются раздельно, согласование их характеристик происходит лишь на завершающих стадиях разработки и при испытаниях мини-электростанций. Ситуация дополнительно осложняется тем, что электроэнергетические ГТУ функционируют в составе многоагрегатных ГТЭС. В составе мини-электростанции отдельные ГТУ работают параллельно между собой (до 8 энергоблоков), при этом должны обеспечиваться различные режимы работы: автономный, параллельный, на мощную сеть, с преобладанием разнородной по составу электрической нагрузки и др.

На практике из-за недостаточной полноты и завершенности заводских испытаний значительно увеличивается объем работ по настройке и подстройке САУ ГТУ при выполнении пусконаладочных операций, непосредственно предшествующих вводу ГТЭС в эксплуатацию, что сопряжено с повышенной трудоемкостью, энергоемкостью, низким качеством настройки и, как следствие, проблемами обеспечения требуемых показателей качества вырабатываемой электроэнергии [196].

Традиционные подходы, применимые при анализе бортовых авиационных ЭЭС, в рассматриваемом случае не приносят результатов, так как для газотурбинной электростанции ЭЭС является основным потребителем механической мощности, вследствие чего практикующийся в настоящее время учет влияния ЭЭС постоянной или меняющейся по некоторому предварительно заданному закону нагрузкой не может считаться удовлетворительным [278].

Следовательно, САУ электроэнергетическими ГТУ должны осуществлять функции управления с обязательным учетом новых условий эксплуатации, которые значительно отличаются от полетных условий. Для этого необходимо рассматривать САУ ГТУ, ГТЭС, и ЭЭС как единую взаимосвязанную динамическую систему [57]. Это означает, что должен использоваться системный подход, исследующий поведение САУ ГТУ во взаимодействии с другими подсистемами ГТЭС, при этом электростанция функционирует как составная часть структурно сложной ЭЭС [163].

Испытания являются важным этапом жизненного цикла САУ ГТУ, в значительной мере определяющим характеристики не только ГТУ, но всей ГТЭС. Поэтому необходима такая система автоматизации испытаний (САИ) САУ ГТУ, которая позволяет имитировать разнообразные режимы работы при произвольных изменениях конфигурации и состава структурных элементов ЭЭС. Системы автоматизации для испытаний САУ и двигателей применяются на различных этапах исследований, поэтому естественным является требование комплексной унификации технических средств и математического обеспечения. Следует учитывать и необходимость обновления аппаратуры по мере ее морального старения, а также расширения состава комплекса при появлении новых или усложнении имеющихся задач [158]. Поэтому требования гибкости по отношению к различным этапам и изменяющимся программам циклов и видов испытаний, разнообразным структурным и параметрическим характеристикам ЭЭС делают необходимым придание САИ свойств настраиваемое&tradeпри строгом соблюдении условий быстрорешаемости применительно к используемым моделям ЭЭС.

Исходя из изложенного, актуальность работы определяется очевидным противоречием между растущим рыночным потенциалом малой энергетики и сохраняющимся отставанием испытательной базы САУ электроэнергетическими ГТУ, что существенно увеличивает трудоемкость и энергоемкость испытаний САУ ГТУ, затрудняет улучшение характеристик САУ и показателей качества вырабатываемой электроэнергии.

К настоящему времени усилия исследователей по совершенствованию систем автоматизации испытаний САУ ГТУ сосредоточились в основном в области построения управляющих и моделирующих алгоритмов на основе концепции моделирующих динамических стендов. Это направление нашло отражение в работах В. Г. Августиновича, В. М. Боднера, В. М. Винокура, В. Т. Дедеша и др. Исследования, касающиеся развития информационно-управляющих систем автоматизации испытаний, отражены в работах Д. А. Ахмедзянова, Ю. В. Кожевникова, B.C. Моисеева, А. Х. Хайруллина, Ф. А. Шаймарданова и др. Решению комплексных проблем развития систем автоматизации испытаний (САИ), как основы испытательной базы САУ ГТУ, уделялось значительное внимание центральными научными и проектными организациями. Существенный вклад в развитие методов испытаний САУ ГТУ внесли научные коллективы ведущих вузов Российской Федерации [5,12,18,19,30,31,50,51,52,104,114,118,158,182,218,219].

Вместе с тем сложившаяся к настоящему времени практика построения управляющих и моделирующих алгоритмов САИ ориентирована в основном на испытания САУ авиационными ГТУ [5,12,13,158] и в недостаточной степени учитывает специфику ГТУ, конвертированных для нужд электроэнергетики. Развитию методологии автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ на основе рассмотрения процессов в ЭЭС не уделялось достаточного внимания, что подтверждается малым количеством публикаций и патентов.

Натурные испытания САУ не допускают проведения полного набора исследований для воспроизведения характерных режимов работы многоагрегатных ГТЭС, поэтому основным способом исследования ЭЭС при испытаниях является математическое моделирование [48]. В связи с этим актуальным направлением автоматизации испытаний является формирование единого комплекса методов, моделей и алгоритмов, обеспечивающего проведение испытаний САУ ГТУ на основе компьютерной имитации ЭЭС.

Но совместное исследование ГТУ и ЭЭС при автоматизированных испытаниях САУ является сложной научной проблемой, носящей межотраслевой характер. Поэтому на основании системного анализа проблем и принципов автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ необходимо разработать методологические и теоретические основы автоматизации испытаний САУ с учетом динамики ЭЭС.

Среди главных методологических принципов проектирования и функционирования САИ должны присутствовать принципы системности, полиморфизма, декомпозиции, интеграции, совместимости, соответствия, реализуемости, единства системы и среды, контринтуитивного проектирования, способности к развитию и ряд других.

В качестве основных направлений совершенствования САИ следует рассматривать создание структурно сложных моделей ЭЭС, учитывающих изменения в конфигурации и составе элементовпостроение упрощенных быстрорешаемых моделей ЭЭС, нацеленных на сокращение времени испытаний и настройки САУ ГТУразработку алгоритмов компьютерной настройки и оптимизации САУ на основе моделирования ЭЭСсоздание программных моделирующих комплексов на разработанной алгоритмической базе. Общей методологической основой эффективного решения этих задач служит векторно-матричный аппарат исследования объектов и систем. Отсутствие необходимых методов формирования структурно сложных моделей ЭЭС с настраиваемой конфигурацией, отвечающих специфике испытаний САУ ГТУ, требует разработки теоретических основ построения таких моделей.

Поэтому в дополнение к основной проблеме возникает целый ряд дополнительных, сопутствующих проблем: отсутствует общая концепция автоматизации испытаний САУ ГТУ с использованием компьютерного моделирования ЭЭСне решена в полной мере задача моделирования взаимовлияния ГТУ и ЭЭС с изменяемой конфигурациейнедостаточно проработаны методы математического моделирования, идентификации и алгоритмизации применительно к задаче построения быстрорешаемых моделей ЭЭС для снижения трудоемкости испытаний САУ ГТУне создана методика структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ при компьютерных и полунатурных испытанияхне разработаны принципы программной реализации указанных методов, моделей и алгоритмов.

Исследования по решению поставленных проблем выполнены в круге научных идей автора и базируются на работах по моделированию, идентификации, автоматизации испытаний САУ ГТУ [49,53−61,119 136,179,180,257−259,261]. В основе диссертации также лежат результаты сотрудничества Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) и отечественных авиадвигателестроительных компаний [ 145,179,188,189,191,192,202−204,209, 223,256,260].

Объект исследования — системы автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.

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

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

Сформулированная цель определяет следующие задачи исследований.

1. Предложить концепцию построения систем автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием совместного математического моделирования ГТУ и ЭЭС при учете множества режимов работы и множества вариантов структурной организации ЭЭС на основе единых методологических принципов построения и функционирования САИ.

2. Разработать теоретические основы, методы и алгоритмы построения нелинейной динамической модели ЭЭС, состоящей из моделей структурных элементов, моделей взаимодействия структурных элементов и учитывающей зависимости между режимными и структурно-топологическими параметрами ЭЭС.

3. Разработать методику построения быстрорешаемых моделей ЭЭС на основе результатов компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной нелинейной модели ЭЭС для проведения компьютерных и полунатурных испытаний САУ ГТУ.

4. Разработать методику структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ с использованием полученных первичных нелинейных и быстрорешаемых моделей ЭЭС для снижения трудоемкости и энергоемкости испытаний, улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.

5. Выполнить программную реализацию полученных моделей и алгоритмов в составе математического, программного и информационного обеспечений иерархических САИ.

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

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

Методологическую основу настоящей диссертационной работы составляют результаты научных исследований В. Г. Августиновича, Д. А. Аветисяна, А. П. Алексеева, A.M. Ахмедзянова, В. М. Боднера, В. А. Веникова, Л. П. Веретенникова, В. М. Винокура, A.A. Горева, Ф. Д. Гольберга, О. С. Гуревича, Ф. Г. Гусейнова, И. Г. Ефимова, В. В. Жукова, К. К. Кетнера, И. И. Кириллова, И. В. Копылова, А. Н. Лебедева, Г. Г. Ольховского, В. Я. Ротача, Ф. Н. Сарапулова, Г. А. Сипайлова, В. А. Трефилова, И. И. Трещева, С. А. Ульянова, A.A. Шевякова.

Научнаяновизна. Впервые разработаны методологические и теоретические основы автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ на основе математического моделирования режимов работы ЭЭС.

1. Новизна предложенной концепции построения САИ заключается в том, что она получена на основе единых методологических принципов построения многоуровневых САИ САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием разработанной структурной модели процессов подсистемы моделирования ЭЭС, что обеспечивает за счет предлагаемой интеграции повышение эффективности проведения испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ.

2. Новизна теоретических основ, методов и алгоритмов построения нелинейной структурно сложной математической модели ЭЭС заключается в разработке нового принципа формирования комплексной универсальной модели структурного элементав доказательстве утверждений о формах уравнений связи для моделирования взаимодействия структурных элементов на основе введенной в рассмотрение матрицы структуры ЭЭСв разработке новых алгоритмов для моделирования структурных элементов и взаимодействия структурных элементов с учетом режимов работы структурно и параметрически модифицируемых ЭЭС.

3. Новизна методики формирования быстрорешаемых моделей ЭЭС заключается в новом подходе к построению моделей по результатам компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной модели ЭЭСв обосновании иерархии моделей: первичная модельбыстрорешаемая модельв разработанных алгоритмах структурной и параметрической идентификации для построения быстрорешаемых моделейв формировании открытого множества быстрорешаемых моделей для проведения компьютерных и полунатурных испытаний САУ ГТУ.

4. Новизна методики структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ заключается в использовании при настройке и оптимизации первичных нелинейных и быстрорешаемых моделей ЭЭС модифицируемой конфигурациив разработке алгоритмов автоматической настройки и оптимизации САУ ГТУ с использованием системы контрольных показателей и парето-оптимальных решений для снижения трудоемкости и энергоемкости испытаний, улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии.

5. Новизна способов программной реализации полученных моделей и алгоритмов САИ заключается в оригинальных структурных решениях построения программных комплексов подсистем моделирования ЭЭС САИ на основе разработанной алгоритмической базы, адаптивной к произвольным структурам и составу ЭЭС.

Основные положения, выносимые на защиту, включают: — концепцию построения системы автоматизации испытаний САУ ГТУ с использованием математического моделирования ЭЭС модифицируемой структуры в рамках разработанных методологических основ автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ;

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

— методику построения быстрорешаемых моделей ЭЭС по результатам компьютерных экспериментов с использованием первичной структурно сложной динамической модели ЭЭС;

— методику структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ на основе применения первичных нелинейных и быстрорешаемых компьютерных моделей ЭЭС;

— программный комплекс моделей и алгоритмов для автоматизации испытаний САУ ГТУ, обеспечивающий гибкость по отношению к изменяющимся последовательностям испытаний и характеристикам ЭЭС.

Достоверность приводимых в работе результатов и выводов обеспечивается принятыми за основу объективно существующими физическими законами и закономерностями термодинамики и электромеханики, непротиворечивостью и воспроизводимостью результатов, полученных теоретическим путем, хорошим совпадением результатов компьютерного моделирования с экспериментальными данными. Достоверность основных положений диссертации подтверждена положительными результатами внедрения разработанных моделей и алгоритмов в промышленности.

Практическая значимость работы.

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

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

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

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

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на V, VI, VII Международных научно-практических конференциях «Энергопотребление и энергосбережение: проблемы и решения» (Пермь, 2002, 2003, 2004 гг.), Международной научно-практической конференции «САКС-2002» (Красноярск, 2002 г.), Всероссийской (с международным участием) конференции «Информация, инновации, инвестиции» (Пермь, 2004 г.), Международном научно-практическом семинаре «Современные программные средства для расчетов надежности и оценивания состояния режимов электроэнергетических систем» (Иркутск, 2004 г.), Международной научно-практической конференции «Энергетика, материальные и природные ресурсы. Эффективное использование. Собственные источники энергии» (Пермь, 2004 г.), Всероссийском электротехническом конгрессе «ВЭЛК-2005» (Москва, 2005 г.), Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Мехатроника, автоматизация, управление» (Уфа,.

2005 г.), Международном конгрессе по механике, электроэнергетике и судостроению (Варна, Болгария, 2005 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Управление инновациями: теория, инструменты, кадры» (Санкт-Петербург, 2009 г.), Всероссийских научно-технических конференциях «Энергетика. Инновационные направления в энергетике. CALS-технологии в энергетике» (Пермь, 2008, 2009, 2010 гг.), Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики» (Казань, 2009 г.), Международной конференции «Авиация и космонавтика-2009» (Москва, 2009 г.), Международной научной конференции «Актуальные направления развития прикладной математики в энергетике, энергоэффективности и информационно-коммуникационных технологиях» (Москва, 2010 г.), Международной научно-технической конференции «Электромеханические и электромагнитные преобразователи энергии и управляемые электромеханические системы» (Екатеринбург, 2011 г.), Научно-техническом семинаре ФГУП «ЦИАМ им. П.И.Баранова» (Москва, 2012 г.).

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

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

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

Структура и объем диссертации

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

6.4. Выводы по главе.

1. В соответствии с предложенной концепцией разработана трехуровневая структура САИ с включением в состав подсистемы моделирования ЭЭС разработанных алгоритмом и моделей, реализованных в форме программных моделирующих комплексов. Предложены модифицируемые для различных видов испытаний структуры испытательных систем САУ, создаваемые на основе единого гибкого программно-технического комплекса САИ.

2. На основе разработанной методической и алгоритмической базы созданы и внедрены в эксплуатацию подсистемы моделирования ЭЭС для различных САИ. Рассмотрены оригинальные структурные решения и основные компоненты программных комплексов подсистем моделирования ЭЭС САИ.

3. Разработана методика сопряжения программных сред в задачах автоматизированных испытаний САУ ГТУ для совместного использования существующих моделей ГТУ и разработанных моделей ЭЭС.

Заключение

.

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

В диссертационной работе получены следующие основные результаты.

1. Проанализированы характерные особенности конвертированных авиационных газотурбинных установок, предназначенных для создания ГТЭС. Рассмотрено текущее состояние и перспективы развития отечественной и мировой малой энергетики. Выявлены отличительные признаки систем управления ГТУ для ГТЭС и особенности их испытаний. Проанализировано существующее алгоритмическое обеспечение САУ электроэнергетическими ГТУ, в связи с тем, что испытания предполагают непосредственную настройку алгоритмов управления. Показано, что многообразие режимов работы ГТЭС требует разнообразных программ испытаний САУ ГТУ на воздействие различных параметрических, структурных, сигнальных, внешних и внутренних возмущений. Сделан вывод о недостаточной эффективности существующей методологии испытаний САУ ГТУ на основе сбросов-набросов статической нагрузки, и указано на необходимость использования математического моделирования ЭЭС. Предложена классификация испытательных систем по типу используемой компьютерной модели ЭЭС, сделан выбор в пользу испытательной системы с функциональной моделью ЭЭС. Сделан вывод о необходимости разработки имитационных моделей ЭЭС с различными структурами и составом элементов для анализа их функционирования при различных внешних и внутренних возмущениях. Выполнен анализ способов моделирования ЭЭС сложной структуры и сделан вывод о целесообразности использования методов моделирования на основе решения уравнений связи.

Выявлена проблема совершенствования автоматизированных испытаний САУ ГТУ на основе совместного моделирования ГТУ и ЭЭС при проведении испытаний. Показано, что решение этой проблемы позволит сократить время на подготовку и проведение испытаний, снизить энергоемкость испытаний, расширить функциональность испытаний и повысить эффективность настройки САУ для улучшения показателей качества вырабатываемой электроэнергии. Сформулирована цель работы и определены задачи, необходимые для ее достижения.

2. Предложена новая концепция построения САИ систем управления электроэнергетическими ГТУ. На основе критического рассмотрения существующей технологии испытаний САУ ГТУ предложено ввести в цикл испытаний математическое моделирование ЭЭС. Определен состав элементов математической модели ЭЭС и особенности взаимодействия моделей ГТУ, ЭЭС и УУ. Выполнена математическая постановка задачи испытаний САУ совместно с ЭЭС. Сформирована система унифицированных показателей качества электроэнергии и перечень типовых динамических режимов ЭЭС применительно к задачам испытаний САУ ГТУ, при этом рассмотрено решение задачи выбора последовательности режимов из возможного перечня. Предложено при проведении полунатурных испытаний САУ использовать компьютерную модель ЭЭС. На основе предложенной структурной модели процессов выполнена стратификация задач, решаемых подсистемой моделирования ЭЭС САИ, по основным функциональным слоям: моделирование, построение быстрорешаемых моделей, настройка и оптимизация, полунатурные испытания. На основании системного анализа проблем и принципов построения САИ и рассмотрения методологических основ автоматизации испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ предложена концептуальная модель построения САИ, обеспечивающая проведение компьютерных, полунатурных и натурных испытаний САУ электроэнергетическими ГТУ с использованием математического моделирования ЭЭС. Предложено изменить традиционную структуру САИ: построить ее по трехуровневой схеме с включением в состав верхнего уровня САИ компьютерной имитации режимов ЭЭС, реализуемой подсистемой моделирования ЭЭС.

3. Разработаны теоретические основы, методы и алгоритмы построения математической модели ЭЭС с настраиваемой структурой и модельно-независимыми компонентами, обеспечивающие имитацию основных режимов работы многоагрегатных ГТЭС. Для этого определены основные принципы математического моделирования ЭЭС в задачах испытания САУ электроэнергетическими ГТУ. Сформулированы базовые требования к построению комплексной универсальной модели структурного элемента, включающей в себя внутреннюю и внешнюю модели элемента. Предложена и обоснована обобщенная векторно-матричная форма записи внешних уравнений структурных элементов ЭЭС в динамике и статике. Доказаны утверждения о форме уравнений связи для моделирования взаимодействия структурных элементов в составе структурно сложной модели ЭЭС для различных систем координат, в динамике и статике. Введено понятие матрицы структуры модели ЭЭС. Получен комплекс алгоритмов для расчета начальных условий эксперимента, расчета параметров структурных элементов, учета насыщения синхронных и асинхронных машин, учета несимметричных режимов работы, для сопряжения механической и электрической частей ЭЭС, для моделирования коммутации структурных элементов, для повышения устойчивости расчета динамических режимов, для автоматизированного формирования матрицы структуры ЭЭС и ряд других алгоритмов. Выполнена программная реализация разработанных алгоритмов и их апробация в составе программных комплексов, внедренных на производстве. Установлена адекватность полученных математических моделей.

4. Разработана методика построения быстрорешаемых моделей ГТЭС по результатам компьютерного эксперимента с использованием первичной структурно сложной модели ЭЭС. Показана необходимость введения иерархии моделей: первичная модель — быстрорешаемая модель. На основе разработанной классификации определены типовые структуры быстрорешаемых моделей, обоснован метод идентификации. Разработаны алгоритмы построения быстрорешаемых моделей по динамической характеристике (прямой алгоритм и алгоритм Б) и по квазидинамической характеристике (алгоритм А), алгоритм идентификации с ограничениями на основе множителей Лагранжа, алгоритмы для получения быстрорешаемых моделей в форме передаточных функций и в пространстве состояний. Разработаны алгоритмы учета нелинейности и нестационарности электрической нагрузки. Разработаны алгоритмы построения быстрорешаемых моделей относительно мощности и напряжения. Получен алгоритм структурной идентификации. Получен алгоритм общей методики структурно-параметрической идентификации, обеспечивающий поддержку открытого множества структур быстрорешаемых моделей, предусматривающий построение двух групп моделей: для электрической нагрузки и для ГТЭС, рассматриваемой совместно с ЭЭС. На основе разработанной методики получены и программно реализованы различные по сложности проблемно ориентированные быстрорешаемые модели для поддержки испытаний и структурно-параметрической настройки САУ ГТУ.

5. Разработана методика структурно-параметрической настройки и оптимизации САУ ГТУ при испытаниях с использованием первичной структурно сложной модели и быстроршаемых моделей ЭЭС. Предложен обобщенный алгоритм испытаний САУ с использованием математического моделирования ЭЭС. Разработан алгоритм задания режимов ЭЭС для компьютерных испытаний САУ. На основе разработанной системы унифицированных показателей качества вырабатываемой электроэнергии созданы алгоритмы структурной и параметрической настройки САУ ГТУ с заданными динамическими характеристиками при совместном использовании быстрорешаемой и первичной моделей ЭЭС. Исследовано влияние структуры быстрорешаемой модели, алгоритма настройки и начального приближения на результаты настройки. Изучены особенности настройки с нелинейными моделями. Исследованы возможности выбора варианта САУ по результатам испытаний. Для компенсации неточности применяемых при настройке быстрорешаемых моделей предложен и испытан алгоритм изменения границ допустимой области путем введения специальной векторной меры запаса точности. Показаны преимущества использования комбинированных регуляторов, учитывающих дополнительную информацию об объекте управления и внешних возмущающих воздействиях. Отдельно исследовалась важная для практики проблема взаимовлияния регуляторов САУ ГТУ и САУ СГ, в результате установлено, что за счет указанного взаимовлияния возможно добиться улучшения динамических характеристик ГТЭС по напряжению и частоте, увеличить запас устойчивости. Разработана процедура оптимизации показателей качества электроэнергии на основе анализа характеристик типовых переходных процессов, полученных при моделировании. При этом используется система контрольных показателей. Разработан алгоритм построения области парето-оптимальных решений. Испытания программно реализованных алгоритмов подтвердили целесообразность использования первичных и быстрорешаемых моделей ЭЭС при испытании и настройке САУ ГТУ с целью сокращение времени настройки и повышения показателей качества вырабатываемой электроэнергии. Возможности разработанной методики позволяют помимо рассмотренных задач синтеза и оптимизации САУ решать целый комплекс дополнительных оптимизационных задач для ЭЭС, среди них: выбор оптимальной структуры ЭЭС, выбор оптимального состава оборудования ЭЭС, выбор противоаварийной автоматики ЭЭС и др.

6. Созданная алгоритмическая база позволяет формировать подсистемы моделирования ЭЭС для различных САИ. На основе разработанной концепции реализованы программно-аппаратные комплексы методов, моделей и алгоритмов САИ в интересах ряда промышленных предприятий. При этом используется предложенная общая архитектура многоуровневой САИ ГТУ различных версий применения. Разработана методика сопряжения программных сред в задачах автоматизированных испытаний САУ ГТУ, объединяющая существующие модели ГТУ и разработанные модели ЭЭС для совместного исследования Экспериментальные исследования и опытная эксплуатация подтвердили эффективность практической реализации разработанного методологического аппарата и основные теоретические положения настоящей диссертации.

Полученные результаты прошли апробацию на предприятиях авиационного двигателестроения при испытании САУ проектируемых и внедренных в эксплуатацию ГТУ, для оценки характеристик и возможностей совершенствования алгоритмического обеспечения САУ, для выбора режимов работы многоагрегатных ГТЭС. При этом достигнуто снижение затрат времени на подготовку и проведение испытаний в два раза и более, на 20−30% снижены затраты времени на выявления причин возникновения сбойных и аварийных ситуаций, достигнуто улучшение показателей качества электроэнергии в среднем на 15−20% по каналу частоты вращения при одновременном соблюдении заданных показателей качества по каналу напряжения, экономия по заработной плате при внедрении одного ПМК составляет не менее 0,5 млн руб. в год.

Разработанные в диссертации теоретические положения и методологический аппарат использованы при создании подсистем САИ САУ электроэнергетическими ГТУ на базе авиационных двигателей Д-30 и ПС-90 для ОАО «Авиадвигатель» (г. Пермь), при разработке интеллектуализированного комплексного испытательного стенда для ОАО «Протон-ПМ», разработанные методики использованы при создании систем компьютерной поддержки оптимизации энергопотребления для ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» и ООО «Пермнефтегазпереработка». Результаты работы используются в деятельности Научно-образовательного центра энергосбережения при ПНИПУ, в учебном процессе кафедры микропроцессорных средств автоматизации ПНИПУ.

Внедрение результатов работы на ОАО «Авиадвигатель» позволило достичь существенного улучшения характеристик САУ ГТУ и перейти к дальнейшему развитию систем автоматизации испытаний САУ ГТУ в направлении решения проблемных ситуаций на этапах разработки, проектирования, модернизации и эксплуатации ГТЭС с учетом всего их жизненного цикла на организационном и технологическом уровнях с учётом экономической целесообразности принимаемых решений и обеспечения выполнения предъявляемых требований по энергобезопасности.

Внедрение результатов на ОАО «Протон-ПМ» позволило повысить уровень интеллектуализации испытаний, функциональности и универсальности САИ ГТУ, более полно использовать возможности человеко-машинного интерфейса, реализовать элементы АСНИ.

Внедрение результатов на ООО «Пермнефтегазпереработка» позволило повысить уровень автоматизации при проведении расчетов, сократить в два раза и более временные затраты за счет компьютерной имитации нормальных эксплуатационных и аварийных режимов работы автономных и неавтономных систем электроснабжения произвольной конфигурации.

Внедрение результатов на ООО «ЛУКОЙЛ-Пермнефтеоргсинтез» позволило существенно сократить время принятия решений, повысить толерантность систем электроснабжения.

Внедрение результатов в Научно-образовательном центре энергосбережения при ПНИПУ позволило автоматизировать и визуализировать процессы расчетов, сократить затраты времени на проведение расчетов, построить программные комплексы для проведения расчетов систем электроснабжения произвольной конфигурации и состава структурных элементов, для выполнения научно-исследовательских работ и для обучения.