НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

МГТУ им. Н.Э. Баумана

borzov@rambler.ru

avb_0@mail.ru

wave@sm.bmstu.ru

kost21v@rambler.ru

vbsuchkov@yandex.ru

Стабильность работы и эффективность использования генерирующего оборудования энерговырабатывающих предприятий, а также качество вырабатываемой электрической энергии в значительной степени определяются совершенством систем управления возбуждением синхронных генераторов, вырабатывающих электроэнергию. Для достижения высоких качественных показателей электроэнергии, уменьшения величины и длительности переходных процессов в синхронном генераторе, повышения к.п.д. и снижения  затрат на ввод оборудования в эксплуатацию необходимо обеспечить  точность настройки параметров регулятора возбуждения.

В существующих системах управления возбуждением оптимизация параметров регулятора возбуждения производится на этапе ввода в эксплуатацию и при повторных пусках. При этом основные параметры регулятора (коэффициенты усиления и постоянные времени), влияющие на устойчивость регулирования, величину и длительность переходных процессов, вводятся обслуживающим персоналом вручную, исходя из накопленного опыта, интуиции и визуального, зачастую оценочного анализа параметров переходного процесса. Параметры регулятора также зависят от ряда электрических характеристик управляемого им генератора, которые могут варьироваться среди образцов в одной партии. Для задания параметров регулирования, близких к оптимальным, требуется большое количество итераций по запуску регулятора, влекущие существенные временные затраты с привлечением высококвалифицированных специалистов.

Разработанное устройство направлено на решение задачи уменьшения энергии переходных процессов, возникающих при возмущениях в энергосети, за счет оптимизации параметров регулятора возбуждения синхронного генератора по отклонению напряжения статора на этапе ввода в эксплуатацию, а также автоматизации этого процесса.

Известно устройство, описанное в [1], того же назначения, что и предлагаемое, но не имеющее с ним общих признаков. Недостатком данного устройства является  то, что в нем не ставится и не решается задача адаптации параметров автоматического регулятора напряжения по отклонению напряжения и первой производной напряжения статора управляемого синхронного генератора.

В качестве прототипа разрабатываемого автоматического регулятора напряжения синхронного генератора выбрано устройство управлением возбуждением синхронной машины [2]. Основные недостатки прототипа заключается в наличии постоянной систематической ошибки регулирования по напряжению статора за счет отсутствия интегрирующего звена в регуляторе напряжения, а также в повышенной энергии переходного процесса - за счет существенной неоптимальности и мгновенности оценки параметров регулирования по напряжению.

Сущностью предлагаемого варианта построения устройства является автоматический регулятор напряжения синхронного генератора, содержащий функцию самонастройки при вводе в эксплуатацию. Принцип настройки регулятора основан на методе последовательной стохастической оптимизации его параметров (обучения), при которой целевой  функцией является энергия переходного процесса, являющегося откликом напряжения генератора на инициирующее воздействие в виде прямоугольного импульса, изменяющего уставку напряжения синхронного генератора.

Сопоставимый анализ с прототипом показывает, что предлагаемый  автоматический регулятор напряжения синхронного генератора отличается от прототипа тем, что оно дополнительно содержит вычислитель параметров регулирования с четырьмя выходами и двумя сигнальными входами, блок задержки, ПИД-регулятор с четырьмя параметрическими и одним сигнальным входами, блок усреднения  с четырьмя входами и четырьмя выходами, последовательно соединенные  аналого-цифровой преобразователь  и вычислитель энергии сигнала с  одним сигнальным и одним управляющим входами. При этом  генератор инициирующих импульсов дополнительно содержит управляющий выход, и указанный формирователь уставки дополнительно снабжен  входом, причем вычислитель параметров регулирования выполнен в виде процессорного устройства, работающего по алгоритму сверхбыстрого отжига, выход вычислителя энергии сигнала подключен к  входу блока задержки и к первому входу вычислителя параметров регулирования.

Сравнение с другими техническими решениями показывает, что предлагаемое устройство обладает признаками, позволяющими обеспечивать автоматическую оптимизацию параметров регулятора возбуждения синхронного генератора по отклонению напряжения статора и обеспечивает меньшую величину энергии переходных процессов.

На рис. 1 показана функциональная схема автоматического регулятора напряжения синхронного генератора.

Рисунок 1 - Функциональная схема автоматического регулятора напряжения синхронного генератора

(1 - измеритель напряжения, 2 - первый сумматор с неинвертирующим и инвертирующим входами, 3 - ПИД-регулятор, 4 - второй сумматор, 5 - усилитель, 6 - генератор инициирующих импульсов, 7 - формирователь уставки, 8 - аналого-цифровой преобразователь, 9 - вычислитель энергии сигнала, 10 - блок задержки, 11 - вычислитель параметров регулирования, 12 - блок усреднения)

Автоматический регулятор напряжения синхронного генератора работает следующим образом (рис. 1).

Как известно, параметры динамического объекта в данном случае – энергосистемы, состоящей из системы возбуждения, синхронного генератора и энергосети, влияют на его переходную характеристику  - отклик на воздействие импульсом ступенчатой формы, несущий информацию о динамических свойствах исследуемого объекта. Напряжение статора синхронного генератора, подается на измеритель напряжения 1,  сигнал с выхода которого в первом сумматоре 2 сравнивается с величиной, вырабатываемой формирователем уставки 7. Далее полученная разность поступает в ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) регулятор 3 с изменяемыми параметрами, где вырабатывается сигнал управления возбуждением канала регулирования возбуждения по напряжению статора и его производной. Во втором сумматоре 4 к полученному сигналу прибавляются сигналы управления каналов: системного стабилизатора, системного ограничителя напряжение/частота, ограничителя минимального возбуждения, ограничителя максимального возбуждения, поступающие с соответствующих входов, после чего, результирующий сигнал подается на усилитель 5, с выхода которого снимается сигнал, пропорциональный напряжению возбуждения, далее поступающий в одноименную систему генератора.

При вводе в эксплуатацию на автоматический регулятор напряжения дополнительно подается сигнал запуска процесса ввода в эксплуатацию Start, включающий генератор инициирующих импульсов 6. Последний вырабатывает два сигнала: сигнал управления и сигнал изменения уставки , являющийся прямоугольным импульсом длительностью , периодом повторения  и амплитудой , причем . Передний фронт и длительность сигнала управления совпадают с  сигналом изменения уставки . Сигнал изменения уставки  с сигнального выхода генератора инициирующих импульсов 6 поступает в формирователь уставки 7,  в котором производится его суммирование постоянной величиной уставки , тем самым задается возмущение в энергосистеме.

Выходной сигнал измерителя напряжения 1  последовательно поступает на аналого-цифровой преобразователь 8 и вычислитель энергии сигнала 9, который производит вычисление энергии переходного процесса в течение времени , когда установлен сигнал управления: , где  - энергия сигнала;;- период дискретизации сигнала, - величина уставки напряжения статора, - индекс генерируемого импульса.  По истечении интервала времени величина с выхода вычислителя энергии сигнала 9, где, поступает на вход блока задержки 10 и на первый вход вычислителя параметров регулирования 11, на второй вход которого поступает величина энергии сигнала , вычисленная на предыдущей итерации.

Вычислитель параметров регулирования 11 на основании значений и результатов сравнения величин  и  в соответствии с алгоритмом оптимизации, описанным ниже, производит коррекцию параметров регулирования (ПИД-регулятора): - коэффициент усиления, - постоянная времени интегратора, - постоянная времени дифференциатора, - постоянная времени апериодического звена, которые поступают в блок усреднения 12,  где производится вычисление их средних значений. Далее указанные усредненные величины подаются на параметрические входы ПИД-регулятора 3.

На следующем периоде сигнала изменения уставки   (итерации) весь описанный процесс повторяется заново до снятия сигнала Start. При этом производится последовательное итеративное уточнение параметров регулирования до окончания процесса ввода в эксплуатацию.

Длительность сигнала Start может быть, задана, например, по количеству итераций оптимизации с длительностью периода повторения , необходимых для достижения требуемой точности вычисления параметров регулирования.

Вычислитель параметров регулирования 11 предназначен для коррекции параметров ПИД-регулятора и может быть реализован, например, в виде процессорного устройства, работающего по известному алгоритму сверхбыстрого отжига (обучения Больцмана), описанному в [3], стр. 104 и [4], состоящему из следующих операций.

Целевой функцией оптимизации, устремляемой к минимуму, является энергия переходного процесса .

Шаг 1. Изначально параметрам регулирования {, , , } присваиваются известные начальные значения, например, на основании ранее накопленного опыта ввода автоматических регуляторов напряжения в эксплуатацию. Минимальное значение энергии устанавливается , задать функционал , где .

Шаг 2. Задать приращение одному из параметров {, , , }:

, ,

где - предыдущее значение параметра ,  - случайная величина, равномерно распределенная на интервале ,  - границы интервала значений параметра , заранее известные для всех искомых параметров.

Шаг 3. Принять очередное значение энергии .

Если , то установить ,  и оставить параметр  без изменения.

Если , то производят следующие операции:

Вычисляют величину .

Если , где  - случайная величина, равномерно распределенная на интервале , то устанавливают ,  и оставляют параметр  без изменения. В противном случае, возвращают параметр в исходное значение: , , .

Шаг 4. Выбирают следующий параметр из набора {, , , } и переходят к шагу 2. Процесс повторяется либо до снятия сигнала Start, либо до достижения определенного количества итераций .

ПИД-регулятор 3 является известным устройством с передаточной функцией:

,

где - оператор Лапласа, и может быть реализован в виде стандартных звеньев: усилителя, сумматора, интегратора, дифференциатора и апериодического звена, входы интегратора объединен со входом дифференциатора и с первым входом сумматора и является входом ПИД-регулятора, интегратор соединен со вторым входом сумматора, выход дифференциатора соединен со входом апериодического звена, выход которого соединен с третьим входом сумматора, который соединен с усилителем,  выход которого является выходом ПИД-регулятора.

Измеритель напряжения 1 являются известным устройством и может быть реализован, например, в виде последовательно соединенных схемы возведения в квадрат, вход которой является входом измерителя напряжения и интегратора, выход которого является выходом измерителя напряжения.

Первый и второй сумматоры 2 и 4, и  усилитель 5 являются известными устройствами. Генератор инициирующих импульсов 6 может быть реализован, например, в виде последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов с заданной длительностью , периодом повторения  и амплитудой , причем , ключа и компаратора, управляющих вход ключа является входом, выход ключа является сигнальным выходом, а выход компаратора – управляющим выходом  генератора инициирующих импульсов.

Формирователь уставки 7 может быть реализован в виде сумматора, к одному из входов которого подсоединен источник постоянной величины, другой вход и выход сумматора является соответственно входом и выходом формирователя уставки. Аналого-цифровой преобразователь 8 является известным устройством. Вычислитель энергии сигнала 9 предназначен для калькуляции величины , , где  - входной сигнал, - период дискретизации сигнала, - период интегрирования, - величина уставки напряжения статора, и  может быть реализован в виде последовательно соединенных сумматора 13, первый вход которого является входом вычислителя энергии сигнала, а ко второму входу которого подсоединен источник постоянной величины , схемы возведения в квадрат 14, накапливающего сумматора со сбросом 15 и регистра 16, работающего по заднему фронту, выход которого является выходом вычислителя энергии сигнала, а тактовый вход регистра 16, объединенный  со входом сброса накапливающего сумматора со сбросом 15, – управляющим входом вычислителя энергии сигнала.

Вычислитель энергии сигнала работает следующим образом. Сигнал с выхода схемы возведения в квадрат 13 при положительном управляющем сигнале на управляющем входе вычислителя энергии сигнала накапливается сумматором со сбросом 14. При переходе управляющего сигнала с положительного в нулевой (задний фронт), регистр 15 сохраняет значение, накопленное в сумматоре, и выдает его на выход вычислителя энергии сигнала.

Блок задержки 10 предназначен для сохранения величины энергии , действующей на предыдущей итерации, и может быть реализован, например, в виде регистра.

Блок усреднения 12 предназначен для подавления шума коэффициентов регулирования во время процесса оптимизации и может быть реализован, например в виде четырех идентичных интеграторов, работающих параллельно, вход -го интегратора является  -м входом, а выход – -м выходом блока усреднения,

Таким образом, в результате последовательной итеративной коррекции производится настройка параметров ПИД-регулятора {, , , } по критерию минимума энергии переходного процесса. Используемый для настройки известный алгоритм  сверхбыстрого отжига позволяет оптимизировать параметры  регулятора, приближая их к оптимальным, обладает хорошей сходимостью и исключает попадание целевой функции обучения в локальный минимум. При вводе автоматического регулятора напряжения синхронного генератора в эксплуатацию. Интегрирующее звено в составе регулятора напряжения исключает  постоянную систематическую ошибку регулирования по напряжению статора. Благодаря предложенному итеративному алгоритму обучения, а также наличию блока усреднения 12, оценка параметров ПИД-регулятора является интегральной. Следовательно, предложенный автоматический регулятор напряжения обладает функцией самонастройки при вводе в эксплуатацию и обеспечивает минимальную энергию переходного процесса.

Опыт реализации автоматического регулятора напряжения показал, что для оптимизации параметров ПИД-регулятора со случайных значений до приближенных к оптимальным достаточно около  итераций, а энергия переходного процесса сократилась до четырех раз по сравнению с параметрами настройки регулятора, произведенной вручную.

Разработанное устройство может быть использовано для управления электрическими генераторами с целью получения требуемого значения выходных параметров, в частности, для управления возбуждением генератора с целью ослабления вредных влияний перегрузок или переходных процессов, например, при внезапном подключении, снятии или изменении нагрузки и может быть реализовано как для автоматизации процесса ввода оборудования в эксплуатацию, так и в функциональном режиме. Достигаемый технический результат заключается в обеспечении автоматической оптимизации параметров регулятора возбуждения синхронного генератора по отклонению напряжения статора и существенном сокращении энергии переходных процессов.

Результаты исследований, приведенные в статье, получены в процессе выполнения НИР  «Исследование и разработка  информационной системы управления генерирующим оборудованием локальных энергетических установок» по ГК № 07.514.11.4098 в рамках мероприятия 1.4 федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы».

Список литературы

1. Способ автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора: Патенте РФ №2011264 / Романов С.В. Опубл. 15.04.1994. Бюл. № 8.

2. Устройство управлением возбуждением синхронной машины: патент US №5,440,222 / Опубл. 08.08.1995.

3. Хайкин С. Нейронные сети: полный курс.: пер. с англ. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2006

4. Ingber L. Very fast simulated re-annealing // Mathl. Comput. Modelling.-№12.-1989.- p. 967 – 973.