CC BY
15
УДК 621.3
Скалько Ю. С.
К.т.н., доц., Запо^зька державна нженерна академiя, Украна
УДОСКОНАЛЕННЯ ГРУПОВОГО РЕГУЛЮВАННЯ Г1ДРОАГРЕГАТ1В ДН1ПРОВСЬКО1 ГЕС ЗА ДОПОМОГОЮ НЕЧ1ТКО1 ЛОГ1КИ
Розроблено систему групового регулювання гiдроагрегатiв ГЕС на базi нечтког логжи, яка рекомендуе вибiр агрегату для включення, виходячи з основних nараметрiв його поточного стану та на основi експертних ощнок спецiалiстiв. Наведено приклад розрахунку прiоритетностi включення гiдроагрегату ДнтроГЕС-2 з використанням запропонованог системи регулювання.
Ключов1 слова: групове регулювання, нечтка логта, гiдроагрегат, гiдроелектростанцiя
Безперечною перевагою пдроелектростанцш (ГЕС) у складi енергосистеми е !х висока маневрешсть. Тому ГЕС працюють, як правило, на тку графта навантажен-ня системи. Безперервний характер змши ситуацш на ГЕС призводить до необхвдносп покращення адаптацш-них властивостей моделей керування. Питаниям тдви-щення ефективностi керування режимами роботи ГЕС придшяеться велика увага.
У науково-техтчнш лiтературi вiдомi рiзнi способи i засоби керування основним обладнанням, а також режимами роботи ГЕС [1-4]. Вони базуються на способах керування, заснованих на традиц1йних щдходах теори автоматичного керування. Так1 способи демонструють хорошi результати в теори, але на практиц1 !х важко вико-ристовувати внаслвдок наявносп велико! юлькосп невра-хованих факторiв впливу на обладнання ГЕС, що призводить до зниження якостi керування. Дослщження в об-ластi удосконалення систем керування основним облад-нанням та режимами роботи гiдроелектростанцiй зали-шаються актуальними та тривають i в даний час.
При цьому на даний час оперативне керування енер-гетичним обладнанням ГЕС здiйснюеться виключно за участю людини (особи, що приймае ршення - далi ОПР). Тому, як правило, прийняте рiшення е суб'ективним i спираеться на досвiд та шту!щю ОПР. Недооцiнка одних ситуацш та переоцшка iнших ОПР може призвести до зниження рiвня надшносп та економiчностi працюючо-го обладнання, а в деяких випадках, до катастрофи. Приклад Саяно-Шушенсько! ГЕС в цьому випадку е досить переконливим. Зпдно Акту технiчного роз^дування авари на Саяно-Шушенсько! ГЕС 17 серпня 2009 однiею з причин авари названа невiрна оцiнка ситуаци черговим iнженером.
Ефективне керування режимами i складом працюю-чого на станци обладнання е основним завданням, розв-'язуваним оперативним персоналом ГЕС, i мае на увазi використання комплексно! оц1нки ситуацi! на гидроагрегатах в поточний момент часу. Така оцiнка може бути отримана на основi контролю та мониторингу обладнання та е важливим, якщо не основним, елементом тдтрим-ки прийняття рiшень при керуванш режимом i складом обладнання. Для керування складними об'ектами з великою долею невизначеносп (такими як ГЕС) доцшьно
застосувати сучаснi методи штучного штелекту, зокре-ма нечгтку логiку та штучнi нейроннi мереж1. Засноване на цих методах керування дозволить ютотно пiдвищити ефективнiсть, безпеку i надiйнiсть ГЕС, що е актуальним завданням. В iснуючiй науково-техтчнш лiтературi вiдомi застосування нечiтко! лопки для керування витратами води на ГЕС, зокрема [5,6]. В данш статп розглядаеться використання нечiтко! лопки в системi групового регулювання гидроагрегатами ГЕС.
Метою статтi е удосконалення системи групового регулювання активно! потужносп пдроагрегапв за до-помогою нечетких методiв i моделей.
На першому етапi проаналiзовано iснуючi системи автоматичного регулювання частоти та активно! потуж-носп ГЕС енергосистеми Укра!ни (у тому чи^ на Днiпровськiй ГЕС). Таю системи побудоваш з наступних складових:
- первиннi регулятори i агрегатнi контролери;
- системи станцшного керування «СеШта^» ГЕС;
- центральний регулятор ^САБАЛвС), який встанов-лений в диспетчерському пункп ДП «НЕК» Укренерго»;
- телекомунiкацiйнi зв'язки мгж центральним регулятором, системою «СеШга^» ГЕС та вiдповiдними тдстанщями мщдержавних лiнiй електропередачi.
У режимi групового регулювання активно! потужносп (ГРАП) система «СеШта1о^> автоматично розподiляе зав-дання за активною потужнiстю м1ж працюючими пдро-агрегатами (ГА) i включае або зупиняе/переводить в режим синхронного компенсатора ГА в залежносп вщ зна-чення одержаного завдання.
У цьому процеа гiдроагрегати можуть працювати в неоптимальних режимах, внаслщок чого погiршуються !хш температурнi та вiбрацiйнi показники, зростае кшьшсть вiдмов насосiв маслонапорно! установки (МНУ), часпшають випадки пробою обмотки статора. Перевщш режими (пуск, зупинка, перевщ з генераторного режиму в режим синхронного компенсатора та навпаки) i постшне регулювання потужностi в дiапазонi 0-72 МВт е найбiльш важким для основного обладнання ГА i допомiжного обладнання (компресорнi установки, маслят насоси МНУ). В даний час до системи автоматичного регулювання частоти та потужносп ОЕС Укра! -ни одночасно пiдключеm шють пдроагрегапв Дншровсь-
© Скалько Ю. С., 2015
ко! ГЕС. Загальна кшьюсть гщроагрегапв Дшпровсько! ГЕС-1 - дев'ять. Для усунення недолшв юнуючо! схеми ГРАП необхшне И удосконалення за рахунок виршення наступних задач:
1) визначення поточного техшчного стану уах ГА на ГЕС;
2) розрахунок прюритету включения ГА;
3) виб1р ГА з найвищим прюритетом для включення, що 1 буце порадою для ОПР.
Розв'язання цих задач аналиичними методами е уск-ладненим внасл1док: неповноти вхщно! шформацп, велико! кшькосп параметр!в, вш яких залежить визначення оптимального прюритету та вшсутносл явного матема-тичного зв'язку м1ж цими параметрами.
У програм! групового керування агрегатами юнуе параметр - тиск в повирянш мапстрал1 системи вщтиску - з двома уставками: 1 - заборона на переведення агрегату в режим синхронного компенсатора; 2 - дозвш на переведення агрегату в режим синхронного компенсатора. При зменшенш загально! уставки активно! потуж-носп станци проводиться перехвд гидроагрегата в режим синхронного компенсатора по черз1, при наявносп по-впря в систем! вщтиску. Решта г!дроагрегат!в, яю шдклю-чен! до ГРАП, при зменшенш загально! уставки активно! потужносп переводяться в режим холостого ходу, з по-дальшим переведенням в режим синхронного компенсатора при наявносп тиску в систем! в!дтиску.
На даний час виб!р ГА та !х пр!оритету у ГРАП вико-нуеться начальником зм!ни станц!!. У сво!й робот! в!н керуеться такими чинниками:
- температурний режим г!дроагрегату;
- температурний режим головного трансформатору (ГТ);
- стан допом!жного обладнання (МНУ та ш.);
- кшьюсть перев!дних режим!в;
- наявшсть дефект!в г!дроагрегату, головного трансформатору та допом!жпого обладнання.
Основним недол!ком такого пiдходу до виршення задач! е людський фактор. Будь-якш людин! властив! обме-ження можливостей чи помилки. Не завжди психолог!чн! ! психоф!з!олог!чн! характеристики людини в!дпов!дають р!вню складност! вир!шуваних завдань або проблем.
Досить важливою причиною появи помилок людини можуть бути вшсутшсть або недостатн!сть шформацш-но! тдтримки (спец!альн! обробники таких ситуац!й в програмному забезпеченш, наочн! матер!али та шструкцп); особливо сильно ця проблема проявляеться в екстремальних ситуац!ях ! в умовах деф!циту часу на прийняття р!шення.
Неповнота вхвдно! шформацп, в!дсутн!сть математич-них залежностей м!ж основними факторами, що вплива-ють на черговють, та наявн!сть людського фактору роб-лять доц!льним використання для вир!шення поставлено! задач! сучасних метод!в штучного ^телеку, зокрема метода нечто! логики. Застосування цих метода дозво-ляе створити програмний зас!б для видач! порад для ОПР.
За результатами проведеного анал!зу пропонуеться створення системи, яка буде працювати в режим! порад-ника для ОПР та видавати рекомендацц з прюритету включення ГА на баз! визначальних параметр!в (температурний режим пдроагрегату, температурний режим головного трансформатору, шльюсть перевщних режим!в) ГА.
На другому етат для оц!нки техн!чного стану пдроагрегату запропонована неч!тка модель, яка виконуе визначення прюритетносп пуску, зупинки, переводу у режим синхронного компенсатора, пдроагрегата, як не-ч!тко! функц!! в!д згаданих параметр!в:
- температури найб!льш нагрио! точки г!дрогенера-тора;
- температури найбшьш нагр!то! точки трансформатора;
- юльюсть перев!дних режим!в г!дрогенератора;
- тиску у котл! МНУ
Прийнят! вхвдт величини описуються наступними неч!ткими термами:
1) «температура найбшьш нагрио! точки пдрогенератора»: Допустима, Висока;
2) «температура найбшьш нагрио! точки трансформатора»: Допустима, Висока;
3) «кшьшсть перевшних режим!в пдрогенератора»: Допустима, Висока;
4) «тиск у котл! МНУ»: Низький, Нормальний, Висо-кий.
Для настроювання функцш приналежносп неч!тких терм!в вхвдних величин: «Температура найбшьш нагр!то! точки пдрогенератора», «Температура найб!льш на-гр!то! точки трансформатора», «Кшьшсть перевшних режишв пдрогенератора», «Тиск у котл! МНУ» у робот! [7] було проведено опитування дванадцяти експерпв Дн!провсько! ГЕС (результати наведен! у табл. 1). Для обробки експертно! !нформац!! застосовувався метод парних пор!внянь Саат! [8]. Перевагами методу Саап у пор!внянн! з шшими методами настроювання функц!й приналежносп е достатшсть для його застосування мшмально! к!лькост! експертно! шформаци, зручна для сприйняття експертами шкала парних пор!внянь ! висока стутнь узгодженост! оц!нок р!зних експерт!в.
Загальна кшьшсть правил у баз! визначаеться к!льк!стю можливих комб!нац!й неч!тких тершв вс!х вх!дних величин: N = N • N • N ■ N = 2 ■ 2 ■ 2 ■ 3 = 24.
пр. А1 А2 А3 А4
Для нечпж»! модел! вибору прюритетносп ГА в ГРАП з чотирма вхшними величинами сформовано неч!тк! правила «ЯКЩО - ТО». Наприклад, одне з таких правил мае наступний вигляд:
- ЯКЩО температура 1 «Допустима», та темпе-
' А ^А ннт.ген. ' ' у
ратура ^ «Допустима», та к!льк!сть перев!дних ре-жим!в N «Допустима», та тиск у котл! Р «Нормальний», ТО прюритет пуску г!дроагрегата 8 «Дуже високий».
1нш! правила неч!ткого лопчного виводу мають ана-лог!чну структуру та представлен! в табл. 2.
На базi табл. 1 визначеш функци приналежностi вхвдних величин. Для функци приналежносп вихвдно! нечетко! змшно! «Прiоритет пуску ГА» було обрано 5 на-ступних термiв: «Дуже високий»; «Високий»; «Се-реднш»; «Низький»; «Дуже низький» (рис. 1).
Використовуючи вх1дну iнформацiю та наведену базу нечiтких правил (табл. 2) нечита система виконуе нечеткий логiчний вивiд - отримання висновку (нечiткого значення вихiдно! змшно!) у виглядi нечiтко! множини, вiдповiдного поточним значенням параметрiв.
Результатом застосування методу нечiтко! логiки е деяка нечика множина, яка описуеться функцiею приналежносп. У так1й ситуаци невизначешсть вибору збе-рiгаеться. Для визначення остаточного рiшення (конкретного значення У) необхщно здiйснити перехiд вщ от-римано! нечiткоl множини до единого значенням У, яке визнаеться в якостi вирiшення поставленого завдання, такий перехвд називаеться дефазiфiкацiею.
В якосп механiзму нечiткого виводу, який реалiзуе логiчнi операци iмплiкацi! та агрегування нечiтких правил для ввдображення вхвдних нечiтких змiнних у вихвдну нечiтку змiнну, застосовано алгоритм Мамдаш [9]. Ре-зультуюче значення виходу визначаеться за допомогою дефазифтаци вихвдно! нечiтко! змшно! шляхом знаход-ження зваженого середнього значення (центру ваги):
У =
А, Р ) • У 1=1_
т
А, (Р)
1=1
(1)
(t ) = 0,66 ц (t ) = 0,34
допустима 4 ген/ ' г висока 4 ген/ '
" ц (t ) = 0,23
г висока 4 тр/ '
ц й (Р) = 1 ц й (Р) = 0
г нормальнии у ' г високии у '
На третьому етапi, як приклад, розглянемо функцю-нування запропоновано! нечiтко! моделi вибору прюри-тетносп гидроагрегата на ДнiпроГЕС-2. На момент отримання завдання ввд енергосистеми техшчний стан ГА вiдповiдае таким параметрам:
- температура генератора ^ен = 70,4оС ;
- температура блочного трансформатора дорiвнюе t = 47,8 оС;
- к1льк1сть переввдних режимiв ГА дорiвнюе N = 4;
- тиск у котлi МНУ дорiвнюе Р = 18,4 атм.
Далi визначаемо ступенi приналежносп вхвдних величин вiдповiдним нечетким термам:
- А1 : ц
- А, : ц а ) = 0,23
2 висока тр.
- А3 : ц (N) = 1 ц (N5 = 0
3 допустима висока
- А4 : ц й (Р) =0
4 г низький у '
Зпдно з правилами нечпкого лопчного виводу (табл. 1, правило 4) визначаеться нечпка множина вихвдно! величини шляхом iмплiкацi! (ввдтинання трапецiй ввд вихiдних функцiй приналежностi зпдно з операщею мiнiмуму) та агрегування отриманих вiдсiчених трапецiй нечiтких термiв вихвдно! змшно!. За виразом (1) викона-но дефазифiкацiю вихвдно! нечгпсо! величини: У = 0,349.
Аналопчно системою нечiткою логiки розраховують-ся за тими ж правилами значення прюритепв для iнших ГА, використовуючи вхвдш значення !х параметрiв. Гидроагрегат з найбiльшим значенням прюритету буде пере-важним для вмикання у систему ГРАП. Таким чином, завдяки використанню розроблено! системи керування на базi нечпко! логiки, скоротиться к1льк1сть перевiдних режимiв ГА, та завжди здiйснюеться вибiр гидроагрегату, який знаходиться у найкращому техшчному станi.
Таблиця 1 - Експертш оцшки техшчного стану основних вузл1в ГА
Температура найбшьш нагр1то! точки генератора 0С
tннт ген. 30 40 50 60 70 80 90 100
Допустима 12 12 12 12 5 2 0 0
Висока 0 0 0 0 7 10 12 12
Температура найбшьш нагр1то! точки трансформатора 0С
tннт тр. 20 30 40 50 60 70
Допустима 12 12 12 11 4 0
Висока 0 0 0 1 8 12
Юльюсть перевщних режим1в пдрогенератора
N 10 20 30 40 50 60 70 80
Допустима 12 9 2 1 1 0 0 0
Висока 0 3 10 11 11 12 12 12
Тиск у котт МНУ, атм.
Р 15 16 17 18 19 20 21 22
Низький 12 10 7 2 1 0 0 0
Нормальний 0 2 5 10 11 10 5 0
Високий 0 0 0 0 0 2 7 12
Рисунок 1 - Функщя приналежност вихщно'1 He4ÎTKOï змшно'1 «Прiоритет пуску ГА» Таблиця 2 - База нечтих правил визначення прюритетносп ГА в ГРАП
№ Кшьюсть перев1дних режим1в, N Тиск у котл1 МНУ, P Температура генератора, W™. Температура трансформатора, ^■ннт.тр. Прюритет пуску пдроагрегата, S
1 Допустимий Нормальний Допустимий Допустимий Дуже високий
2 Допустимий Нормальний Допустимий Високий Середтй
3 Допустимий Нормальний Високий Допустимий Середтй
4 Допустимий Нормальний Високий Високий Низький
5 Допустимий Високий Допустимий Допустимий Високий
6 Допустимий Високий Допустимий Високий Низький
7 Допустимий Високий Високий Допустимий Низький
8 Допустимий Високий Високий Високий Дуже низький
9 Допустимий Низький Допустимий Допустимий Середтй
10 Допустимий Низький Допустимий Високий Низький
11 Допустимий Низький Високий Допустимий Низький
12 Допустимий Низький Високий Високий Дуже низький
13 Високий Нормальний Допустимий Допустимий Середтй
14 Високий Нормальний Допустимий Високий Низький
15 Високий Нормальний Високий Допустимий Низький
16 Високий Нормальний Високий Високий Дуже низький
17 Високий Високий Допустимий Допустимий Низький
18 Високий Високий Допустимий Високий Дуже низький
19 Високий Високий Високий Допустимий Дуже низький
20 Високий Високий Високий Високий Дуже низький
21 Високий Низький Допустимий Допустимий Низький
22 Високий Низький Допустимий Високий Дуже низький
23 Високий Низький Високий Допустимий Дуже низький
24 Високий Низький Високий Високий Дуже низький
ВИСНОВКИ
1. Розроблено систему групового регулювання пдроагрегапв ГЕС на баз1 нечтко1 логики, яка рекомендуе виб1р пдроагрегату для вмикання, виходячи з основних пара-метр1в його поточного стану (температурного режиму пдроагрегату та головного трансформатору, тиску у МНУ та кшькосп перевщних режим1в).
2. На основ1 експертних оцшок спещатспв викона-ний приклад розрахунку прюритетносп включения одного з пдроагрегапв ДшпроГЕС-2 з використанням не-чтко1 логики.
3. Використання запропоновано1 системи у якосп «порадника» для оперативного персоналу ГЕС дозволить суттево тдвишдги термш безаваршно1 роботи пдро-електростанцл та ïï експлуатащйну надштсть.
СПИСОК Л1ТЕРАТУРИ
1. Siu T.K. A Practical Hydro Dynamic Unit Commitment and Loading Model / T. K. Siu, G. A. Nash, Z. K. Shawwash // IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 16, Issue 2, 2001. - pp. 301-306.
2. Nilsson O. Hydro Unit start-up Costs and Their Impact on the Short Term Scheduling Strategies of Swedish Power Producers / О. Nilsson, D. Sjelvgren // IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 12, Issue l, 1997. - pp. 38-44.
3. Shawwash Z.K. The B.C. Hydro Short Term Hydro Scheduling Optimization Model // Z.K. Shawwash, T.K.
Скалько Ю. С.
Siu, S.O. Russel // IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 15, Issue 3, 2000. - pp. 1291-1295. Conejo A.J. Self-Scheduling of a Hydro Producer in a Pool-Based Electricity Market / A.J. Conejo, J. M. Arroyo, J. Contreras, F.A. Villamor // IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 17, Issue 4, 2002. - pp. 12651272.
Abbas M. Fuzzy Logic Based Hydro-Electric Power Dam Control System / M. Abbas, M. Saleem Khan, Nasir Ali // International Journal of Scientific & Engineering Research. Volume 2, Issue 6, 2011. Adhikary P. Safe and Efficient Control of Hydro Power Plant by Fuzzy Logic / P. Adhikary, P. K. Roy, A. Mazumdar // International Journal of Engineering Science & Advanced Technology. Volume 2, Issue 5, 2012. - pp. 1270-1277.
Джуржий П.О., Скалько Ю.С. Удосконалення групового регулювання пдроагрегапв з використанням не-чггко1 лопки // Матерiали XVIII НТК «Металурпя та енергозбереження як основа сучасно1 промисло-восп». - Запорiжжя: ЗД1А, 2013. - С. 201. Saaty T.L. Eigenweightor a logarithmic least squares // European Journal of Operations Research, 1990. -pp. 156-160.
Рутковская Д. Нейронные сети, генетические алгоритмы и нечеткие системы / Д. Рутковская, М. Пи-линьский, JI. Рутковский. М.: Горячая линия -Телеком , 2007. - 452 с.
Стаття над1йшла до редакцИ' 2.11.2015
К.т.н., Запорожская государственная инженерная академия, Украина
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ГРУППОВОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ГИДРОАГРЕГАТОВ ДНЕПРОВСКОЙ ГЭС С ПРИМЕНЕНИЕМ НЕЧЕТКОЙ ЛОГИКИ
Разработана система группового регулирования гидроагрегатов ГЭС на базе нечеткой логики, которая рекомендует выбор агрегата для включения, исходя из основных параметров его текущего состояния и на основе экспертных оценок специалистов. Приведен пример расчета приоритетности включения гидроагрегата ДнепроГЭС-2 с использованием предложенной системы регулирования.
Ключевые слова: групповое регулирование, нечеткая логика, гидроагрегат, гидроэлектростанция.
4.
5.
6.
8.
Skal'ko Yu. S.
PhD, Zaporozhye State Engineering Academy
IMPROVEMENT OF DNIPROGES POWER GENERATOR GROUP CONTROL USING FUZZY LOGIC
Group control system for hydroelectric power plant is developed based on fuzzy logic. The system recommends selection of power generator for starting based on its current state and expert estimations. Example of priority calculation for DniproGES-2 using the proposed system is given.
Keywords: group control, fuzzy logic, power generator, hydroelectric power plant
REFERENCES
1. Siu T. K. A Practical Hydro Dynamic Unit Commitment and Loading Model, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 16, Issue 2, 2001, pp. 301-306.
2. Nilsson O. Hydro Unit start-up Costs and Their Impact on the Short Term Scheduling Strategies of Swedish Power Producers, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 12, Issue l, 1997, pp. 38-44.
3. Shawwash Z. K. The B. C. Hydro Short Term Hydro Scheduling Optimization Model, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 15, Issue 3, 2000, pp. 1291-1295.
4. Conejo A. J. Self-Scheduling of a Hydro Producer in a Pool-Based Electricity Market, IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 17, Issue 4, 2002., pp. 1265-1272.
5. Abbas M. Fuzzy Logic Based Hydro-Electric Power Dam Control System, International Journal of Scientific &
Engineering Research, Vol. 2, Issue 6, 2011.
6. Adhikary P. Safe and Efficient Control of Hydro Power Plant by Fuzzy Logic, International Journal of Engineering Science & Advanced Technology. Vol. 2, Issue 5, 2012, pp. 1270-1277.
7. Dzhurzhij P. O., Skal'ko Yu. S. Udoskonalennya grupovogo regulyuvannya gidroagregativ z vikoristannyam nechitkoi' logiki. Materiali XVIII NTK «Metalurgiya ta energozberezhennya yak osnova suchasnoi' promislovosti». Zaporizhzhya: ZDIA, 2013, 201 p.
8. Saaty T. L. Eigenweightor a logarithmic least squares, European Journal of Operations Research, 1990, pp. 156-160.
9. Rutkovskaya D. Nejronnye seti, geneticheskie algoritmy i nechetkie sistemy. Moscow, Goryachaya liniya Telekom, 2007, 452 s.
