АВТОМАТИЧЕСКИЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ СИНХРОННОГО ГЕНЕРАТОРА
AUTOMATIC VOLTAGE CONTROLLER OF SYNCHRONOUS GENERATOR

Изобретение относится к классу устройств 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 использовано как для автоматизации процесса ввода оборудования в эксплуатацию, так и в функциональном режиме.
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, влекущее существенные временные затраты с привлечением высококвалифицированных специалистов.
Предлагаемое изобретение 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 патенте РФ №2011264 от 26.06.91 «Способ автоматического регулирования возбуждения синхронного генератора», того же назначения, что и предлагаемое изобретение, но не имеющее с ним общих признаков и содержащее генератор несущей частоты, блок деления, с входами для подачи сигналов делимого и делителя, блок умножения, с двумя входами, первый и второй идентичные каналы, каждый из которых содержит последовательно соединенные: модулятор, с сигнальным и опорным входами, демодулятор, фильтр низкой частоты, полосовой фильтр, выпрямитель, сглаживающий фильтр, выход генератора несущей частоты подключен к объединенным опорным входам модуляторов первого и второго каналов, сигнальные входы которых соответственно являются входами устройства для подачи сигналов напряжения и тока возбуждения синхронного генератора, выход сглаживающего фильтра первого канала подключен к входу для подачи сигнала делимого, а выход сглаживающего фильтра второго канала - ко входу для подачи сигнала делителя блока деления, выход которого подключен к одному из входов блока умножения, другой из входов которого является входом для подачи сигнала первой производной напряжения генератора, а выход - выходом устройства.
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.
Известно устройство «Excitation Control Apparatus For Synchronous Machine» (Устройство управлением возбуждением синхронной машины), патент US №5,440,222 от 08.08.1995, содержащее в своем составе устройство Автоматический регулятор напряжения (Automatic Voltage Regulator, AVR), содержащее измеритель напряжения (Voltage Detection Circuit), первый сумматор с неинвертирующим и инвертирующим входами, первый усилитель (Amp. Circuit А) с сигнальным и управляющим входами, схему фазовой компенсации (Phase Compensation Circuit) с сигнальным и управляющим входами, второй сумматор (Adding Circuit) с пятью входами, второй усилитель (Amp. Circuit В), третий сумматор с двумя входами, формирователь уставки (Reference Circuit), анализатор переходной характеристики (Transfer Characteristic Detection and Operation Circuit) с двумя сигнальными входами, входом управления, выходом управления и четырьмя сигнальными выходами, схему выработки параметров регулирования (Control Constant Operation Circuit) с четырьмя сигнальными входами, входом управления и двумя выходами, генератор инициирующих импульсов (Step Signal Generation Circuit), вход измерителя напряжения совмещен с первым сигнальным входом анализатора переходной характеристики и является входом устройства для подачи сигнала напряжения статора синхронного генератора, второй сигнальный вход анализатора переходной характеристики является входом устройства для подачи сигнала тока ротора, входы управления анализатора переходной характеристики и схемы выработки параметров регулирования объединены и являются входом устройства для подачи сигнала запуска процесса ввода в эксплуатацию, выход измерителя напряжения подключен к инвертирующему входу первого сумматора, к неинвертирующему входу которого подключен формирователь уставки, а выход первого сумматора подключен к сигнальному входу первого усилителя, выход которого подключен к сигнальному входу схемы фазовой компенсации, выход которой подключен к первому входу второго сумматора, входы которого со второго по пятый соответственно являются входами устройства для подачи сигналов системного стабилизатора (Power System Stabilizer), системного ограничителя напряжение/частота (V/Hz Limiter), ограничителя минимального возбуждения (Poor Excitation Limiter), ограничителя максимального возбуждения (Overexcitation Limiter), выход второго сумматора подключен к входу второго усилителя, выход которого подключен к первому входу третьего сумматора, сигнальные выходы анализатора переходной характеристики с первого по четвертый подключены к одноименным сигнальным входам схемы выработки параметров регулирования, первый и второй управляющие выходы которой подключены к управляющим входам первого усилителя и схемы фазовой компенсации соответственно, а выход управления анализатора переходной характеристики подключен ко входу генератора инициирующих импульсов, выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора, выход которого является выходом устройства.
По схожести большинства признаков с предлагаемым изобретением и по схожести назначения данное устройство выбрано за прототип.
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 изобретения 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, а указанный 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, выход блока задержки - ко второму входу вычислителя параметров регулирования, вход аналого-цифрового преобразователя - к выходу измерителя напряжения, выход первого сумматора - к сигнальному входу ПИД-регулятора, выход последнего - к первому входу второго сумматора, управляющий выход генератора инициирующих импульсов - к управляющему входу вычислителя энергии сигнала, четыре выхода вычислителя параметров регулирования - соответственно к одноименным входам блока усреднения, четыре выхода последнего - к одноименным параметрическим входам ПИД-регулятора, выход усилителя является выходом автоматического регулятора напряжения синхронного генератора, а вход генератора инициирующих импульсов - входом для подачи сигнала запуска процесса ввода указанного регулятора в эксплуатацию.
Следовательно, устройство удовлетворяет критерию «новизна».
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 фиг.1 приведена функциональная схема автоматического регулятора напряжения синхронного генератора.
Автоматический регулятор напряжения синхронного генератора содержит измеритель напряжения 1, вход которого является входом автоматического регулятора напряжения синхронного генератора для подачи сигнала напряжения статора, первый сумматор 2 с неинвертирующим и инвертирующим входами, ПИД-регулятор 3 с четырьмя параметрическими и сигнальным входами, подключенный к первому входу второго сумматора 4, входы которого со второго по пятый соответственно являются входами автоматического регулятора напряжения синхронного генератора для подачи сигналов системного стабилизатора, системного ограничителя напряжение/чатота, ограничителя минимального возбуждения, ограничителя максимального возбуждения, усилитель 5, выход которого является выходом автоматического регулятора напряжения синхронного генератора, генератор инициирующих импульсов 6 с управляющим и сигнальным выходами, вход которого является входом для подачи сигнала запуска процесса ввода в эксплуатацию, формирователь уставки 7, аналого-цифровой преобразователь 8, вычислитель энергии сигнала 9 с сигнальным и управляющим входами, блок задержки 10, вычислитель параметров регулирования 11 с четырьмя выходами и двумя входами, блок усреднения 12 с четырьмя входами и четырьмя выходами, выход измерителя напряжения 1 подключен к входу аналого-цифрового преобразователя 8 и инвертирующему входу первого сумматора 2, к неинвертирующему входу которого подключен формирователь уставки 7, ко входу которого подключен сигнальный выход генератора инициирующих импульсов 6, выход первого сумматора 2 подключен к сигнальному входу ПИД-регулятора 3, выход второго сумматора 4 подключен ко входу второго усилителя 5, аналого-цифровой преобразователь 8 подключен к сигнальному входу вычислителя энергии сигнала 9, выход которого подключен к блоку задержки 10 и первому входу вычислителя параметров регулирования 11, выход блока задержки 10 подключен к второму входу вычислителя параметров регулирования 11, управляющий выход генератора инициирующих импульсов 6 подключен к одноименному входу вычислителя энергии сигнала 9, выходы вычислителя параметров регулирования с первого по четвертый соответственно подключены к одноименным входам блока усреднения, выходы которого с первого по четвертый подключены к одноименным параметрическим входам ПИД-регулятора.
Автоматический регулятор напряжения синхронного генератора работает следующим образом (фиг.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.
0
и
0
и
0
0
0
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 ΔU(t), являющийся прямоугольным импульсом длительностью τ, периодом повторения Т и амплитудой ΔU, причем Т>τ. Передний фронт и длительность сигнала управления совпадают с сигналом изменения уставки ΔU(t). Сигнал изменения уставки ΔU(t) с сигнального выхода генератора инициирующих импульсов 6 поступает в формирователь уставки 7, в котором производится его суммирование постоянной величиной уставки U, тем самым задается возмущение в энергосистеме.
и
д
д
0
и
Выходной сигнал измерителя напряжения 1 u[n] последовательно поступает на аналого-цифровой преобразователь 8 и вычислитель энергии сигнала 9, который производит вычисление энергии переходного процесса в течение времени τ, когда установлен сигнал управления:  где E[k] - энергия сигнала; N=Т/Т; Т- период дискретизации сигнала, u - величина уставки напряжения статора, k - индекс генерируемого импульса. По истечении интервала времени τ величина Е[k] с выхода вычислителя энергии сигнала 9 поступает на вход блока задержки 10 и на первый вход вычислителя параметров регулирования 11, на второй вход которого поступает величина энергии сигнала Е[k-1], вычисленная на предыдущей итерации.
п
и
д
А
Вычислитель параметров регулирования 11 на основании значений и результатов сравнения величин Е[k] и Е[k-1] в соответствии с алгоритмом оптимизации, описанным ниже, производит коррекцию параметров регулирования (ПИД-регулятора): k- коэффициент усиления, Т - постоянная времени интегратора, Т- постоянная времени дифференциатора, Т - 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.
0
На следующем периоде сигнала изменения уставки ΔU(t) (итерации) весь описанный процесс повторяется заново до снятия сигнала Start. При этом производится последовательное итеративное уточнение параметров регулирования до окончания процесса ввода в эксплуатацию.
и
Длительность сигнала Start может быть задана, например, по количеству итераций оптимизации k с длительностью периода повторения Т, 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 [1], стр.104 и [2], состоящему из следующих операций.
Целевой функцией оптимизации, устремляемой к минимуму, является энергия переходного процесса Е[k].
П
И
Д
А
min
Шаг 1. Изначально параметрам регулирования {k, Т, Т, Т} присваиваются известные начальные значения, например, на основании ранее накопленного опыта ввода автоматических регуляторов напряжения в эксплуатацию. Минимальное значение энергии устанавливается E=Е[0], задать функционал Т[k]=Е[k] / с, где с=const>1.
i
П
И
Д
А
Шаг 2. Задать приращение одному из параметров x ∈ {k, Т, Т, Т}:
i
i
i
i
i
i
i
где  - предыдущее значение параметра х, α - случайная величина, равномерно распределенная на интервале [0,1], A,B - границы интервала значений параметра A≤х≤В, заранее известные для всех искомых параметров.
Шаг 3. Принять очередное значение энергии Е[k+1].
min
i
Если Е[k+1]<Е[k], то установить E=Е[k+1], Т[k+1]=Е[k+1]/с и оставить параметр x без изменения.
Если Е[k+1]≥Е[k], то производят следующие операции:
Вычисляют величину h=(Е[k+1] - Е[k]) / с.
i
min
i
i
min
Если h>β, где β- случайная величина, равномерно распределенная на интервале [0,1], то устанавливают E=Е[k+1], Т[k+1]=Е[k+1]/с и оставляют параметр хбез изменения. В противном случае, возвращают параметр х в исходное значение:  E=E[k], T[k+1]=T[k].
П
И
Д
А
Шаг 4. Выбирают следующий параметр из набора {k, Т, Т, Т) и переходят к шагу 2. Процесс повторяется либо до снятия сигнала Start, либо до достижения определенного количества итераций k.
ПИД-регулятор 3 является известным устройством с передаточной функцией:
где р - оператор Лапласа, и может быть реализован в виде стандартных звеньев: усилителя, сумматора, интегратора, дифференциатора и апериодического звена, входы интегратора объединены 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 является 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.
И
0
И
Генератор инициирующих импульсов 6 может быть реализован, например, в виде последовательно соединенных генератора прямоугольных импульсов с заданной длительностью τ, периодом повторения Т и амплитудой ΔU, причем Т>τ, ключа и компаратора, управляющий 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
Д
0
0
0
где u[n] - входной сигнал, Т - период дискретизации сигнала, Т - период интегрирования, u - 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 (-u+ΔU(t)), 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 Е[k-1], 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 М-го интегратора является М -м входом, а выход - М -м выходом блока усреднения, М=4.
П
И
Д
А
Таким образом, в результате последовательной итеративной коррекции производится настройка параметров ПИД-регулятора {k, Т, Т, Т} 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 k=200 итераций, а энергия переходного процесса сократилась до четырех раз по сравнению с параметрами настройки регулятора, произведенной вручную.
Использованные источники
1. Хайкин С.Нейронные сети: полный курс: пер. с англ. - М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2006.
2. Ingber L. Very fast simulated re-annealing // Mathl. Comput. Modelling. 12.1989. P. 967 -973.