Автоматизація управління великими гідроенергетичними системами з каскадами водосховищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут"

УДК 62-52:621.22.01

Спеціальність 05.13.07 - автоматизація процесів керування

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

АВТОМАТИЗАЦІЯ УПРАВЛІННЯ ВЕЛИКИМИ ГІДРОЕНЕРГЕТИЧНИМИ СИСТЕМАМИ З КАСКАДАМИ ВОДОСХОВИЩ

Нурмахматов Джурабек

Харків - 2008



Дисертацією є рукопис

Робота виконана на кафедрі комп'ютерної математики і математичного моделювання Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" Міністерства освіти і науки України, м. Харків.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Любчик Леонід Михайлович, Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут", завідувач кафедри комп'ютерної математики і математичного моделювання

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Стенін Олександр Африкановіч, Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", м. Київ, професор кафедри технічної кібернетики.

доктор технічних наук, професор Артюх Станіслав Федорович, Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, завідувач кафедри електроенергетики.

Захист відбудеться "27" листопада 2008 р. о 14.30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.07 в Національному технічному університеті "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут" за адресою: 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21.

Автореферат розісланий "24" жовтня 2008 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Гамаюн І.П.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. На сучасному етапі розвитку енергетики особливого значення набуває проблема підвищення якості управління гідроенергетичними системами і водними ресурсами. Найбільш ефективне їх використання досягається при створенні і експлуатації каскадів водосховищ і гідроелектричних станцій, які об'єднуються у великі гідроенергетичні системи. Гідроелектричні станції, для яких притаманна висока маневреність і можливість ефективної роботи в режимах швидкої зміни навантажень, грають особливу роль у великих енергосистемах, покриваючи, в першу чергу, найбільш складну пікову частину графіка навантажень.

Підвищення якості функціонування складних гідроенергетичних систем значною мірою пов'язане з вдосконаленням автоматизованого управління їх роботою. При формуванні мети управління гідроенергетичною системою необхідно враховувати вимоги забезпечення максимального наближення значень електричної потужності, що виробляється, до заданого диспетчерського графіка навантажень та забезпечення оптимальної зміни рівнів води у водосховищах з урахуванням низки технологічних та гідрологічних обмежень і вимог безпеки.

Враховуючи вимоги підвищення якості та безпеки експлуатації великих гідроенергетичних систем вельми важливими є задачі управління каскадом водосховищ з метою стабілізації заданих рівнів води в умовах нестаціонарних змін притоку і стоку. З погляду автоматичного керування таки системи є складними багатовимірними об'єктами управління з запізненнями, які знаходяться під впливом дії зовнішніх збурень. В існуючій практиці оперативно-диспетчерського керування каскадами водосховищ звичайно використовуються евристичні підходи, які значною мірою засновані на досвіді й інтуїції оператора-диспетчера. Відомі методи автоматичного регулювання технологічних процесів у гідроенергетичних системах, які застосовують традиційні методи синтезу регуляторів, як правило забезпечують лише стійкість перехідних процесів у замкненої системі керування. В той же час процеси керування каскадами водосховищ характеризуються наявністю суттєвих зовнішніх збурень, обумовлених змінами річкового стоку і навантаження енергосистеми, та запізнень у об'єкті керування, що значною мірою негативно впливають на якість керування. Тому виникає необхідність в удосконаленні методів автоматизації процесів керування каскадами водосховищ з застосуванням сучасних методів компенсації збурень з метою підвищення якості, надійності і безпеки функціонування гідроенергетичних систем, що і обумовлює актуальність дисертаційної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі комп'ютерної математики і математичного моделювання Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут” відповідно до плану науково-дослідних робіт МОН України у рамках держбюджетних тем "Розвиток теорії та методів параметричного синтезу багатоцільових і багатокритеріальних керованих систем з невизначеними параметрами" (№ ДР 0105U000585), та "Розробка статистичних і нейромережевих методів та інформаційних технологій комп'ютерного моніторингу складних систем в умовах невизначеності" (№ ДР 0106U005167), у яких здобувач приймав участь як виконавець.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення якості і безпеки функціонування гідроенергетичних систем за рахунок удосконалення методів автоматизованого керування каскадами водосховищ за умов дії зовнішніх збурень. Відповідно до зазначеної мети у роботі були поставлені наступні задачі:

Провести системний аналіз великих гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ як об'єктів автоматизованого керування.

Розробити комплекс математичних моделей процесів керування великими гідроенергетичними системами з каскадами водосховищ з урахуванням впливу зовнішніх збурень.

Розробити методику та обчислювальні методи ідентифікації робочих характеристик енергоблоків гідроелектростанцій та моделей річкового стоку.

Розробити методи оптимального оперативного керування електричною потужністю, що виробляється, за наданим графіком навантажень та рівнями води в каскадах водосховищ.

Виконати синтез дискретних багатовимірних регуляторів рівнів води в каскадах водосховищ в умовах дії зовнішніх збурень.

Розробити методику компенсації впливу зовнішніх збурень та запізнень в системі автоматизованого керування рівнями води в каскадах водосховищ. гідроенергетичний збурення каскад водосховище

Виконати імітаційне моделювання та дослідження синтезованої системи автоматизованого керування рівнем води в каскадах водосховищ.

Об'єктом дослідження є процеси автоматизованого керування великими гідроенергетичними системи з каскадами водосховищ.

Предметом дослідження є методи синтезу систем керування каскадами водосховищ в умовах дії зовнішніх збурень.

Методи дослідження. При вирішенні задач розробки математичних моделей гідроенергетичної системи застосовувались методи математичного опису балансних динамічних систем у просторі станів та методи структурно-параметричної ідентифікації. При вирішенні задач автоматизованого керування застосовувались методи дискретного оптимального та селективно-інваріантного керування. При дослідженні синтезованої системи керування використовувались методи імітаційного комп'ютерного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Дістала подальшого розвитку методика моделювання процесів у гідроенергетичних системах як в об'єктах автоматизованого керування з урахуванням низки гідрологічних та технологічних факторів та впливу нестаціонарного річкового стоку, що забезпечує підвищення ступеню адекватності моделі та можливість її застосування в задачах керування.

2. Вперше запропонована методика ідентифікації робочих характеристик енергоблоків гідроелектростанцій з застосуванням методу структурної оптимізації емпіричного ризику, що забезпечує підвищення точності ідентифікації в умовах обмеженої апріорної та вимірювальної інформації.

3. Дістала подальшого розвитку методика ідентифікації та прогнозування річкового стоку, що відрізняється поєднанням структурно-спектральних методів для ідентифікації повільних складових тренду та методу структурної ядерної ідентифікації для швидких складових, за рахунок чого забезпечується підвищення точності моделювання та прогнозування.

4. Удосконалена методика оперативного керування електричною потужністю, що виробляється, та рівнями води в каскадах водосховищ за комплексним критерієм із застосуванням методів дискретного оптимального та локально-оптимального керування з прогнозуючими моделями, що дозволило підвищити якість процесів керування та спростити алгоритм управління.

Вперше синтезовані багатовимірні стабілізуючі та селективно-інваріантні дискретні регуляторі рівня води в каскаді водосховищ, що відрізняються компенсацією збурень та запізнень у об'єкті керування.

Удосконалено систему автоматизованого управління каскадами водосховищ з використанням розроблених методів динамічної компенсації збурень, що забезпечує підвищення якості процесів керування та надійності функціонування гідроенергетичної системи.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що для підвищення якості процесів керування гідроенергетичними системами створено методику математичного моделювання процесів їх функціонування, оперативного керування та автоматизованого регулювання рівнів води у каскадах водосховищ, розроблено комплекс алгоритмів та програмне забезпечення для імітаційного моделювання та автоматизованого синтезу багатовимірних регуляторів рівнів води, що дозволяє підвищити ступінь наукової обґрунтованості технічних проектів з удосконалення автоматизованих систем керування великими гідроенергетичними системами.

Результати дисертаційної роботи використані при виконанні НДР "Розробка математичних моделей і методів оптимального планування і оперативно-диспетчерського управління гідроенергетичними системами" відповідно до договору між НТУ "ХПІ" і ТОВ "Стройіндустрія" (м. Москва), а також практично реалізовані у ВАТ "Укргідропроект" (м. Харків) при розробці проекту "Основні принципи комплексного використання гідроенергетичних ресурсів і розвитку гідроенергетики Таджикистану до 2030 р.".

Результати дисертаційної роботі використані в навчальному процесі кафедри комп'ютерної математики і математичного моделювання НТУ "ХПІ" при викладанні спеціальних дисциплін "Моделювання динамічних систем" та "Теорія керування".

Особистий внесок здобувача в розробку наукових результатів. Всі основні результати дисертаційної роботи, що виносяться на захист, отримані здобувачем особисто, а саме: математичні моделі гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ; методика, чисельні методи та алгоритми ідентифікації робочих характеристик гідроенергоблоків та моделей річкового стоку; розв'язання задач дискретного оптимального та локально-оптимального керування гідроенергетичною системою; синтез багатовимірних дискретних селективно-інваріантних регуляторів рівня води у каскадах водосховищ; імітаційне моделювання системи керування каскадом водосховищ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались та обговорювались на: Міжнародному симпозіумі "Проблемы совершенствования электрических машин и аппаратов SIEMA'2006", (м. Харків, 2006 р.); Міжнародної конференції з автоматичного керування "Автоматика-2007" (м. Севастополь, 2007 р.); Міжнародної наукової конференції "Математичне моделювання та інформаційні технології" (м. Харків, 2007 р.); Міжнародної науково-практичної конференції "Інформаційні технології та інформаційна безпека в науці, техніці та освіті (ІНФОТЕХ - 2007)" (м. Севастополь, 2007 р.); Всеукраїнської науково-практичної конференції "Системний аналіз і управління" (м. Запоріжжя, 2007 р.); Міжнародної науково-технічної конференції "Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення (АПІР - 2007)" (м. Севастополь, 2007 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані у 10 наукових працях, серед яких 6 у фахових виданнях ВАК України.

Структура та об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків і додатку. Повний обсяг дисертації складає 167 сторінок, включаючи 149 сторінок основного тексту, 49 рисунків по тексту, 15 таблиць по тексту, 1 додаток на 3 сторінках, 148 найменувань використаних літературних джерел на 15 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми роботи с точки зору перспектив розвитку та удосконалення систем автоматизованого управління великими гідроенергетичними системами з каскадами водосховищ. Визначено мету роботи та сформульовані задачі досліджень. Охарактеризовано наукову новизну та практичне значення отриманих результатів, наведено інформацію про практичне використання результатів роботи, їх апробацію та публікації, наведена структура дисертації.

Перший розділ присвячено розгляду великих гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ і ГЕС як об'єктів автоматизованого управління, аналізу існуючих розробок та методів автоматизованого управління зазначеними системами, визначенню перспективних шляхів їх удосконалення. Проведено аналіз сучасного стану та перспектив розвитку гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ, визначено їх роль як важливої складової сучасних великих енергетичних систем. Проаналізовано основні задачі автоматизованого управління каскадами водосховищ та ГЕС, визначені показники ефективності, пов'язані з забезпеченням виконання диспетчерського графіку генерації електричної потужності та підтримання заданих рівнів води у водосховищах каскаду, визначені технологічні та гідрологічні обмеження, що обумовлені вимогами надійності та безпеки експлуатації каскаду. Відмічено, що найбільш суттєвими особливостями задач автоматизованого керування гідроенергетичними системами, що розглядаються, є необхідність урахування запізнень в каналах об'єкту керування та дії зовнішніх збурень.

Розглянуто принципи побудови сучасних систем автоматизації управління гідроенергетичними системами з каскадами водосховищ, та визначено шляхи їх удосконалення. Визначено об'єкт дослідження, а саме, процеси керування, що мають місце у ієрархічної системі автоматизованого керування гідроенергетичним комплексом, що розглядається, яка містить у собі підсистему оперативно-диспетчерського керування на верхньому рівні, яка формує короткострокові програми функціонування каскаду на основі диспетчерських графіків і поточної інформації про показники якості функціонування каскаду, і підсистему автоматичного регулювання нижнього рівня, що безпосередньо впливає на виконавчі механізми гідрозатворів відповідно до законів регулювання, що використовують поточну інформацію про рівні води у водосховищах та її витрати.

На підставі критичного аналізу існуючих невирішених проблем та задач автоматизованого керування каскадами водосховищ і ГЕС та сучасних методів їх розв'язання, визначено мету роботи, задачі та основні напрямки досліджень.

Другий розділ присвячено розробці методів математичного моделювання та ідентифікації складних гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ як об'єктів автоматизованого керування. Визначено структуру комплексу математичних моделей, необхідних для вирішення задач керування, якій містить в собі гідрологічні моделі, що описують динаміку зміни рівнів води у водосховищах каскаду при зміні витрат вхідних і вихідних потоків води та динамічний зв'язок між витратами води на різних ділянках русла ріки, енергетичні моделі (робочі характеристики гідроенергоблоків), що описують залежність обсягу електричної енергії, що виробляється, від витрат води через гідротурбіни, та моделі динаміки річкового стоку, що грає роль зовнішнього збурення процесу керування каскадом.

Модель каскаду являє собою гідравлічну мережу з набором резервуарів, що моделюють водосховища каскаду, зв'язаних між собою каналами передачі водних потоків (русла рік, обвідні канали, трубопроводи й турбінні водоводи). Моделі окремих водосховищ, що характеризуються об'ємом і рівнем води і площею водної поверхні, ураховують вплив вхідних і вихідних потоків - припливів і витоків води, водозливів, втрат, пов'язаних з переповненням і випаром, а також з витратою води на іригацію й водогосподарчі потреби.

Математична модель каскаду водосховищ як об'єкта керування побудована на основі балансових співвідношень, що описують динаміку зміни рівнів води у водосховищах при зміні витрат вхідних і вихідних потоків. Зв'язок між водосховищами визначаються топологією гідрологічної мережі каскаду, а зв'язок витрат вхідних і вихідних потоків визначаються динамікою течії води в ріках і каналах, що зв'язує водосховища каскаду.

Для знаходження динамічного зв'язку між витратами води на різних ділянках річкового русла в роботі використане диференціальне рівняння Сен-Венана, що описує течію ріки. На основі лінеаризованого рівняння течії

(1)



з граничними умовами отримано апроксимацію передавальної функції, яка зв'язує перетворення за Лапласом відхилень витрат води на різних ділянках течії ріки, у вигляді ланки другого порядку із запізненням .

Слід зазначити, що при відносно малих значеннях постійних часу моделі в порівнянні з часом запізнення, що характерно для багатьох реальних задач моделювання течії, динаміка зміни витрати води уздовж русла ріки може бути з достатньої для практики точністю описана ланкою з чистим запізненням, яке обернено пропорційне середньої швидкості течії ріки.

Функціонування кожного -того водосховища в структурі моделі каскаду з резервуарів визначається системою звичайних диференціальних рівнянь з аргументами, що запізнюються:

(2)

де - поточні рівні води в -том водосховище, - керовані витрати води

з - того водосховища, - сумарні некеровані припливи й витрати води, - коефіцієнти, що враховують втрати води, пов'язані з випаром з водної поверхні й з фільтрацією з водоcховищ, - коефіцієнти, що описують втрати води уздовж русла ріки між відповідними водосховищами, - запізнення, які визначаются по відстані між відповідними водосховищами каскаду при відомій середній швидкості течії.

З урахуванням лінеаризованої залежності між витратами, рівнем води й керуючими впливами, що змінюють витрати води через гідротурбіни енергоблоків і керовані водоскиди , рівняння динаміки каскаду набуває вигляду керованої багатовимірної динамічної системи (об'єкта керування):

(3)

На основі отриманих у роботі лінеаризованих рівнянь динаміки рівнів оди у водосховищах знайдені вирази для матричної передавальної функції багатовимірного об'єкта автоматизованого керування, що розглядається.

У матричній операторній формі система (3) набуває вигляду де відповідні матриці моделі мають структуру

Так, наприклад, для каскаду з трьох водосховищ:

(4)

і матрична передавальна функція каскаду як об'єкту керування має вигляд:

(5)

Важливою складовою задачі побудови моделі гідроенергетичної системи є ідентифікація робочих характеристик гідроенергоблоків, під якими розуміються залежності електричній енергії або потужності, що генерується, від витрати води через турбіни гідрогенераторів енергоблоку. Робочі характеристики є складними нелінійними залежностями, які залежать від значень параметрів верхнього б'єфу водосховища, ефективності турбіни й генератора. Оскільки знаходження аналітичних залежностей є досить складною задачею, на практиці звичайно використовують апроксимації, отримані за експериментальним даними. Особливістю задачі ідентифікації робочих характеристик є нелінійний характер шуканих залежностей з вираженим насиченням, внаслідок чого вибір моделі в класі лінійних або квадратичних функцій, що звичайно використовуються у практичних задачах ідентифікації статичних об'єктів, у цьому випадку є неприпустимим. У роботі пропонується методика відновлення робочих характеристик енергоблоків у класі кусочно-поліноміальних функцій (сплайн-апроксимація). Для вирішення задачі у роботі використано метод структурної мінімізації ризику, що дозволяє не тільки оцінити параметри моделі, але й вибрати модель оптимальної складності.

У третьому розділі розглядаються основні задачі автоматизованого керування гідроенергетичними системами з каскадом водосховищ, а саме, задача оперативно-диспетчерського керування і задача автоматичного регулювання. Перша задача пов'язана із забезпеченням максимального наближення обсягів електричної енергії, що генерується, до заданого диспетчерського графіка навантажень і керуванням рівнем води у водосховищах каскаду відповідно до диспетчерського графіка їх роботи із урахуванням змін річкового стоку, а також технологічних обмежень і вимог безпеки. Результатом вирішення цієї задачі є оптимальна короткострокова програма функціонування гідроенергетичної системи, що виступає як завдання для системи автоматичного регулювання каскаду, що виконує функцію стабілізації рівнів води у водосховищах відносно оптимальної програми в умовах впливу зовнішніх збурень.

Оскільки інтервал формування керуючих рішень у задачах оперативно-диспетчерського керування становить від доби до декількох днів, то запізненнями в об'єкті можна зневажити, тоді його модель має вигляд:

(6)

де - вектор рівнів водосховищ, - вектор керованих витрат води.

Задача оперативного керування вирішується з урахуванням технологічних обмежень на припустимі витрати води через гідротурбіни й швидкостей їхньої зміни причому в якості керуючих впливів обрані величини, пропорційні приросту витрат води скрізь гідротурбіни .

Критерій оптимальності формується виходячи з вимог забезпечення виконання заданого диспетчерського графіка навантажень або максимізації сумарної електроенергії, що генерується, на інтервалі керування при виконанні експлуатаційних вимог щодо рівнів води у водосховищах:

(7)



де - складений вектор керування. При цьому використовуються робочі характеристики гідроенергоблоків що ідентифіковані за розробленим в роботі методом.

Вирішення задачі оптимального оперативного керування гідроенергетичною системою (6) за критерієм (7) отримано в роботі з використанням дискретного принципу максимуму у вигляді:

(8)

де - спряжені змінні, що знаходяться шляхом вирішення відповідної крайової задачі за допомогою відомих чисельних методів.

З метою спрощення обчислювальних процедур і отримання алгоритмів керування в реальному масштабі часу для вирішення завдання оперативного керування в роботі запропоновано використати метод локально-оптимального керування з прогнозуючими моделями, що забезпечує потрібну якість керування в умовах впливу збурень, що повільно змінюються. При цьому застосовується критерій оптимальності для фіксованого горизонту керування:

(9)

Для моделі об'єкта керування відносно розширеного вектору станів у векторно-матричній формі, яка має вигляд:



(10)

отримано закон локально-оптимального керування

(11)

якій є функцією безпосередньо вимірюваних компонентів вектора стану об'єкта й впливів, що задають, які визначаються диспетчерськими графіками.

Від якості процесів регулювання рівнів води у водосховищах каскаду значною мірою залежить можливість виконання заданого оперативно-диспетчерського графіка, а також надійність і безпека експлуатації всієї гідроенергетичної системи. Оскільки в підсистемі автоматичного регулювання корекція керувань здійснюється з періодом від годин до хвилин, то відповідна модель об'єкта повинна враховувати запізнення по змінним керування й стану, а також вплив швидких збурень, обумовлених флуктуаціями припливів і витрат води. Для вирішення задачі регулювання рівнів використано лінеаризовану математичну модель об'єкту керування, що описує «швидку» динаміку каскаду водосховищ відносно відхилень змінних від їхніх програмних значень, отриманих на етапі вирішення задачі оперативного керування:

(12)

З використанням поліноміальної векторно-матричної моделі об'єкта автоматичного регулювання вигляді:

(13)

в роботі отримане вирішення задачі синтезу багатовимірного стабілізуючого регулятора, що забезпечує стійкість процесів керування й мінімізацію сумарного середньоквадратичного відхилення регульованих рівнів від заданих:

(13)

Недоліком синтезованих регуляторів є істотна залежність якості регулювання від зовнішніх збурень. З метою зменшення ступеня їхнього впливу використано метод селективно-інваріантного керування, що дозволяє забезпечити компенсацію збурень певного класу. У роботі синтезовано багатомірний селективно-інваріантний регулятор з непрямим виміром збурень на основі статичної двовходової моделі.

Розроблені методи математичного моделювання, ідентифікації й автоматичного регулювання каскадів водосховищ і ГЕС було застосовано при вирішенні ряду практичних завдань автоматизованого керування великими гідроенергетичними системами, які розглянуто у четвертому розділі. Особливості практичного застосування розроблених методів розглянуто на прикладі задачі керування каскадом водосховищ і ГЕС на річці Вахш (республіка Таджикистан), що являє собою велику гідроенергетичну систему, що вносить істотний внесок в енергетику Таджикистану.

Проведено аналіз каскаду водосховищ і ГЕС на річці Вахш як об'єкту автоматизованого керування, наведено дані за структурою каскаду та основними характеристиками його водосховищ і ГЕС. Обґрунтовано вибір структури математичної моделі керованого каскаду водосховищ, виконано розрахунок параметрів елементів розробленої математичної моделі та параметрів багатовимірних стабілізуючих регуляторів рівнів води у каскаду водосховищ та динамічних компенсаторів запізнень і збурень за запропонованою в роботі методикою.

Для реалізації імітаційного комп'ютерного моделювання системи керування каскадом водосховищ була виконана програмна реалізація імітаційної моделі керованого каскаду з використанням у якості робочого програмного забезпечення інтегрованого середовища математичних і інженерних розрахунків MATLAB і системи моделювання Simulink.

Метою проведеного у роботі імітаційного моделювання було дослідження перехідних процесів у моделі керованого каскаду водосховищ для різних методів керування при наявності зовнішніх впливів, що збурюють, з боку річкового стоку. Досліджувався вплив на процеси керування локальних збурень вхідного потоку (короткострокове підвищення витрати води на вході першого водосховища) та відповідний вплив стрибкоподібних збурень. При моделюванні аналізувалися стійкість і якість перехідних процесів у моделі з погляду відповідності прийнятим вимогам до систем керування й умовам безпеки та нормального функціонування каскаду водосховищ.



ВИСНОВКИ

Основний науково-практичний результат роботи полягає в розробці й обґрунтуванні методики побудови багатовимірних дискретних систем автоматизованого керування каскадами водосховищ та її застосуванні для підвищення якості і безпеки функціонування гідроенергетичних систем.

В процесі виконання роботи отримані наступні результати:

1. Проаналізовано особливості постановок задач та методів побудови автоматизованих систем керування гідроенергетичними системами. На основі системного аналізу великих гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ як об'єктів автоматизованого керування виконана формалізація задач керування та запропоновані показники якості їх функціонування.

2. Розроблені та обґрунтовані математичні моделі, які описують процеси керування гідроенергетичними системами з каскадами водосховищ, виявлено їх особливості, пов'язані з наявністю асинхронних запізнень по внутрішнім змінним та впливом зовнішніх збурень, обумовлених некерованими стоками і притоками води у водосховищах, змінами стоку і навантаження енергосистеми.

3. Доведено, що використання запропонованої методики ідентифікації нелінійних робочих характеристик енергоблоків гідроелектростанцій з застосуванням методу структурної оптимізації емпіричного ризику забезпечує підвищення точності ідентифікації суттєво нелінійних робочих характеристик енергоблоків в умовах обмеженої апріорної та вимірювальної інформації.

4. Обґрунтовано доцільність застосування комбінації методу структурного спектрального аналізу та методу ядерної ідентифікації для моделювання, ідентифікації та прогнозування річкового стоку. Побудовано адаптивну прогнозуючу модель, яка забезпечує можливість якісного моделювання і прогнозування складних хвильових неперіодичних збурень річкового стоку.

5. Отримано вирішення задачі оптимального оперативного керування електричною потужністю, що виробляється, та рівнями води в каскадах водосховищ за комплексним критерієм на основі використання дискретного принципу максимуму. Показано, що застосування методу локально-оптимального керування з прогнозуючими моделями дозволяє суттєво спростити алгоритм автоматизованого управління при збереженні високої якості процесу керування.

6. Синтезовані багатовимірні дискретні стабілізуючі та селективно-інваріантні регуляторі рівня води в каскаді водосховищ, запропонована та обґрунтована методика вибору їх структури та параметрів.

7. Доведено, що використання методу управління за оберненими моделями дозволяє синтезувати багатовимірні регулятори, що забезпечують ефективну компенсацію збурень та запізнень у об'єкті автоматизованого керування, отримані рівняння багатовимірних динамічних компенсаторів.

8. Виконано імітаційне моделювання та дослідження синтезованої системи автоматизованого керування рівнем води в каскадах водосховищ. На основі результатів проведеного імітаційного моделювання доведено, що застосування розроблених методів забезпечує суттєве зниження рівня впливу зовнішніх збурень на якість процесів автоматизованого керування гідроенергетичними системами та обґрунтовано можливість практичного застосування розроблених методів синтезу регуляторів.

9. Результати роботи по моделюванню та автоматизованому керуванню гідроенергетичними системами з каскадами водосховищ практично використані у ВАТ "Укргідропроект", м. Харків, при розробці "Основних принципів комплексного використання гідроенергетичних ресурсів і розвитку гідроенергетики Таджикистану до 2030 р.", а також у навчальному процесі кафедри комп'ютерної математики і математичного моделювання НТУ "ХПІ" при викладанні спеціальних дисциплін "Моделювання динамічних систем" та "Теорія керування".



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Любчик Л.М. Синтез многомерных дискретных систем оптимального оперативного управления водохранилищами каскадов ГЭС / Л.М. Любчик, Д.Н. Нурмахматов // Автоматизація виробничих процесів. - Київ: КІА, 2006. - № 2 (23). - С. 144-147.

Здобувачем знайдено вирішення поліноміальних рівнянь синтезу дискретного багатовимірного регулятора.

1. Любчик Л.М. Оптимальное оперативное планирование работы сложных гидроэнергетических систем / Л.М. Любчик, Д.Н. Нурмахматов, С.А. Шпатенко // Східно - європейський журнал передових технологій, 2006.- № 6/2(24). - C. 10-12.

Автором запропоновано комплексний критерій оптимізації планування роботи енергосистеми та знайдено закон оптимального оперативного керування.

2. Любчик Л.М. Разработка математической модели управляемого каскада водохранилищ / Л.М. Любчик, О.В. Костюк, Д.Н. Нурмахматов // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". - Харків: НТУ "ХПІ", 2007.- № 39. - С. 97-100.

Здобувачем отримані рівняння математичної моделі гідроенергетичної системи як об'єкта керування та виконано аналіз особливостей задачі синтезу багатовимірного регулятора, що стабілізує рівні води у водосховищах із урахуванням запізнення в каналах об'єкта.

3. Любчик Л.М. Синтез селективно-инвариантных регуляторов уровней воды в каскадах водохранилищ / Л.М. Любчик, Д.Н. Нурмахматов // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". - Харків: НТУ "ХПІ", 2007. - № 18. - С. 3-8.

Здобувачем запропонована структура дискретного селективно-інваріантного регулятора рівнів води у водосховищах каскаду та знайдені умови компенсації збурень від зміни річкового стоку.

4. Нурмахматов Д.Н. Локально-оптимальное управление сложными гидроэнергетическими системами на основе прогнозирующих моделей / Д.Н. Нурмахматов // Вісник Національного технічного університету "Харківський політехнічний інститут". - Харків: НТУ "ХПІ", 2007.- № 41.- С. 22-29.

5. Любчик Л.М. Стохастическая оптимизация многомерных комбинированных систем с динамическими компенсаторами возмущений / Л.М. Любчик, М.Н Малько, Д.Н. Нурмахматов // Адаптивні системи автоматичного управління. - Київ: НТУУ "КПІ" (НДІ "СТ"), 2007. - № 11(31). - С. 50 - 54.

Здобувачем виконано формалізацію задачі параметричного синтезу динамічного компенсатора збурень та запропоновано методику урахування вимог до якості перехідних процесів.

6. Любчик Л.М. Автоматизированное управление каскадами водохранилищ в сложных гидроэнергетических системах / Л.М. Любчик, Д.Н. Нурмахматов // Матеріали XIV міжнародної конференції з автоматичного управління (Автоматика - 2007), м. Севастополь: СНУ ЯЄП, 2007. - С. 26-38.

Здобувачем розглянуто особливості задач автоматизованого керування каскадами водосховищ та запропоновано методику параметричного синтезу багатовимірних регуляторів рівня води у водосховищах.

7. Любчик Л.М. Информационные технологии прогнозирования динамики речного стока на основе адаптивных полигармонических предикторов / Л.М. Любчик, О.В. Костюк, Д.Н. Нурмахматов // Інформаційні технології та інформаційна безпека в науці, техніці та навчанні "ІНФОТЕХ-2007".: Матеріали Міжнар. наук. - практ. конф., м. Севастополь, 10-16 вересня 2007 р. - Севастополь: СевНТУ, 2007. - С. 32-36.

Здобувачем запропоновано застосування адаптивного полігармонічного предиктору для прогнозування річкового стоку та отримані його рівняння.

8. Любчик Л.М. Оптимальное оперативное управление сложными гидроэнергетическими системами / Л.М. Любчик, Д.Н. Нурмахматов // Дні науки: Збірник тез доповідей Всеукраїнській науково-практичний конференції "Системний аналіз і управління", м. Запоріжжя, 11-12 жовтня 2007 р. - Запоріжжя: ГУ "ЗІДМУ", 2007. - Том. 3. - С. 104-105.

Здобувачем запропоновано методику застосування дискретного принципу максимуму для оптимального керування гідроенергетичною системою.

9. Любчик Л.М. Динамическая компенсация возмущений в системах автоматизации процессов управления / Л.М Любчик, М.Н. Малько, Д.Н. Нурмахматов // Автоматизація: проблеми, ідеї, рішення": Матеріали Міжнар. наук. - техн. конф., м. Севастополь, 10-15 вересня 2007 р. - Севастополь: СевНТУ, 2007. - С. 9-10.

Здобувачем запропоновано методику синтезу динамічного компенсатора збурень в дискретних системах автоматизованого керування.



АНОТАЦІЇ

Нурмахматов Д. Автоматизація управління великими гідроенергетичними системами с каскадами водосховищ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.07 - автоматизація процесів керування. - Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут». Харків, 2008.

Робота присвячена розв'язанню задачі підвищення якості і безпеки функціонування гідроенергетичних систем за рахунок удосконалення методів автоматизованого керування каскадами водосховищ за умов дії зовнішніх збурень. Виконано системний аналіз великих гідроенергетичних систем з каскадами водосховищ як об'єктів автоматизованого керування та розроблені математичні моделі процесів керування з урахуванням запізнень та впливу зовнішніх збурень. Розроблено методику та обчислювальні методи ідентифікації робочих характеристик енергоблоків гідроелектростанцій та моделей річкового стоку в умовах неповної інформації. Вирішена задача оптимального та локально-оптимального оперативного керування електричною потужністю, що виробляється, та рівнями води в каскадах водосховищ. Синтезовані багатовимірні дискретні стабілізуючі та селективно-інваріантні регуляторі рівня води в каскаді водосховищ, запропонована та обґрунтована методика вибору їх структури та параметрів. Синтезовані багатовимірні компенсатори запізнень та збурень. Проведено імітаційне моделювання та дослідження процесів управління у синтезованої системі автоматизованого керування рівнями води в каскадах водосховищ.

Ключові слова: автоматизація керування, багатовимірні регулятори. гідроенергетичні системи, дискретне оптимальне керування, ідентифікація, каскади водосховищ, компенсатори збурень, оперативно-диспетчерське керування, селективно-інваріантне керування.



Нурмахматов Д. Автоматизация управления большими гидроэнергетическими системами с каскадами водохранилищ. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.07 - автоматизация процессов управления. - Национальный технический университет «Харьковский политехнический институт». Харьков, 2008.

Работа посвящена решению задачи повышения качества и безопасности функционирования гидроэнергетических систем путем усовершенствования автоматизированного управления каскадами водохранилищ в условиях действия внешних возмущений. На основе проведенного системного анализа больших гидроэнергетических систем с каскадами водохранилищ как объектов автоматизированного управления разработан комплекс математических моделей, описывающих процессы управления с учетом запаздываний и влияния внешних возмущений, обусловленных изменениями стоков и притоков воды в водохранилищах и нагрузки энергосистемы. Разработанные модели включают в себя гидрологические модели, описывающие динамику изменения уровней воды в водохранилищах каскада при изменении расходов входящих и выходящих потоков воды и динамическую связь между расходами воды на различных участках русла реки; энергетические модели (рабочие характеристики), описывающие зависимость электрической энергии, вырабатываемой ГЭС каскада, в зависимости от расходов воды через гидротурбины энергоблоков; модели динамики речного стока, играющего роль внешнего возмущения процесса управления каскадом водохранилищ.

Разработана методика идентификации рабочих характеристик энергоблоков гидроэлектростанций с применением метода структурной оптимизации эмпирического риска. На основе сочетания методов структурного спектрального анализа и метода опорных векторов с радиально-базисными (ядерными) координатными функциями решена задача идентификации модели речного стока и синтезирована адаптивная прогнозирующая модель для прогнозирования волновых непериодических возмущений.

Решена задача оптимального оперативного управления вырабатываемой электрической мощностью и уровнями воды в каскадах водохранилищ по комплексному критерию на основе использования дискретного принципа максимума. Предложена вычислительная процедура для синтеза оптимальных управлений. С целью упрощения алгоритма управления использован метод локально-оптимального управления с прогнозирующими моделями. Получен закон локально-оптимального управления и уравнения замкнутой системы.

Синтезированы многомерные дискретные стабилизирующие и селективно-инвариантные регуляторы уровней воды в каскаде водохранилищ, предложена и обоснована методика выбора их структуры и параметров. Рассмотрено решение задачи компенсации возмущений и запаздываний в системе управления каскадом водохранилищ на основе частотного подхода и метода обратных динамических моделей, получены уравнения многомерных динамических компенсаторов возмущений. Предложена методика структурно-параметрического синтеза многомерных компенсаторов возмущений и исследованы свойства комбинированной системы управления. Разработана компьютерная имитационная модель управляемого каскада водохранилищ и проведено имитационное моделирование синтезированной системы автоматического регулирования уровней воды в водохранилищах каскада. Показано, что применение разработанных методов обеспечивает существенное снижение уровня влияния внешних возмущений на качество процессов управления гидроэнергетическими системами. Ключевые слова: автоматизация управления, многомерные регуляторы, гидроэнергетические системы, дискретное оптимальное управление, идентификация, каскады водохранилищ, компенсаторы возмущений, оперативно-диспетчерское управление, селективно-инвариантное управление. 

Nurmachmatov D. Automated control of large-scale hydropower systems with cascades of reservoirs. - The manuscript.

Thesis of Candidate Degree of technical sciences on specialty 05.13.07 - Automation of processes control. - National Technical University «Kharkov Polytechnic Institute». Kharkov, 2008.

The thesis is devoted to the problem of quality and safety increasing based on reservoirs cascades automated control methods improvement under external disturbances. The system analyses of large-scale hydropower systems are performed as an automated control plants, and mathematical models of control processes was proposed taking into account time delay and disturbance influence.

Computational methods of hydropower plant characteristics and river flow models identification under uncertainty were proposed. The problem of optimal and local-optimal operative control of generated electric power and water levels in reservoirs cascades was solved. Multivariable discrete stabilizing and selective-invariant controllers was designed, the method of structural and parametric controllers design was proposed and proved. Multivariable time delay and disturbance compensators were designed. Computer simulation of designed automated control system of water levels in reservoir cascades was performed and control process quality was investigated.

Kew words: automated control, multivariable controllers, hydropower systems, discrete optimal control, identification, reservoir cascades, disturbance compensator, operative dispatching, selective-invariant control.

Размещено на Allbest.ru