Розвиток теорії та методів аналізу динамічних режимів електричних кіл на основі макромоделювання

Abstract

Дисертація присвячена вирішенню науково-технічної проблеми розвитку теорії та методів аналізу динамічних режимів електричних кіл і електротехнічних систем на основі поєднання методів теоретичної електротехніки, макромоделювання й експертного аналізу апріорної інформації. Наведено класифікацію динамічних систем, детально описано їх неперервні та дискретні моделі, моделі “вхід-вихід” і у вигляді передатної функції. Розглянуто способи спрощення побудови математичних моделей, перспективи застосування макромоделей у вигляді "чорної скриньки" для аналізу динамічних режимів електричних кіл і електротехнічних систем. Розглянуто процедуру побудови дискретних лінійних і нелінійних макромоделей та особливості застосування діакоптики з метою удосконалення макромоделювання елементів електротехнічних систем. Удосконалено універсальний алгоритм побудови дискретних макромоделей у вигляді “чорної скриньки” в формі змінних стану на основі апріорної інформації, отриманої під час експлуатації об’єктів з використанням експертного аналізу. Розглянуто способи розбиття побудови макромоделі на етапи й необхідності їх подальшої адаптації до сучасних комп’ютерних середовищ математичного моделювання динамічних режимів ЕТС. Здійснено аналіз сучасних комп’ютерних програм моделювання перехідних процесів електротехнічних систем на одно- та багатопроцесорних комп'ютерах. Розглянуто наявні математичні та комп’ютерні моделі й макромоделі елементів електричних кіл і електротехнічних систем із зосередженими та розподіленими параметрами. Описано особливості формування математичних моделей і макромоделей елементів електричних кіл і електротехнічних систем й обгрунтовано вибір оптимальних способів їх побудови. Розглянуто способи одержання апріорної інформації про елементи електричних кіл і електротехнічних систем, методики її оцінювання, форми представлення та її коректну систематизацію. Описано методи експертного аналізу, види отримуваної інформації на його основі й аспекти їх застосування з погляду побудови макромоделей елементів електротехнічних систем. Адаптовано методи теорії експертного аналізу до побудови математичних макромоделей електротехнічних систем й удосконалено підходи застосування критеріїв оцінювання якісних і кількісних характеристик динамічних режимів таких систем з метою вибору оптимальних множин перехідних характеристик, придатних для побудови макромоделей досліджуваних об’єктів. Розглянуто проблему прогнозування перебігу перехідних процесів електротехнічних систем на підставі реальних часових характеристик координат динамічних режимів таких систем, отриманих шляхом реєстрації сучасними системами моніторингу. Для цього розроблено нові математичні макромоделі елементів електричних кіл, а також ЕТС у цілому. Уперше розроблено дискретну макромодель лінії електропересилання у вигляді "чорної скриньки" в формі дискретних рівнянь стану на підставі результатів комп’ютерного експерименту. Уперше розроблено дискретну макромодель енергоострова у вигляді "чорної скриньки" в формі дискретних рівнянь стану на підставі результатів моніторингу апаратно-програмним комплексом "Регіна". Розроблені макромоделі дозволяють описати складну електротехнічну систему для відтворення параметрів її процесів. Запропоновано методи адаптації макромоделей до комп’ютерних засобів моделювання динамічних режимів електротехнічних систем до середовищ MATLAB/Simulink й АТР/ЕМТР. Створено необхідні компоненти програмного забезпечення, які необхідні для аналізу перехідних процесів електротехнічних систем з використанням розроблених макромоделей. Уперше запропоновано використовувати математичні методи дискретного макромоделювання для побудови макромоделей прогнозування енергоспоживання без постадійного оброблення апріорної інформації. Це надало змогу здійснити як коротко- так і довготривале прогнозування енергоспоживання об'єктів. Побудовано дискретні макромоделі для коротко- та довготермінового енергоспоживання конкретних енергооб’єктів України та перевірено їх адекватність. Здійснено апробацію розроблених моделей і макромоделей для дослідження динамічних режимів і процесів конкретних електротехнічних систем та показано доцільність їх використання. The dissertation is devoted to solving of scientific and technical problem of the theory and methods development for dynamic modes analysis of electric circuits and systems on the basis of a combination of methods of theoretical electrical engineering and discrete macrmodeling with expert analysis of apriori information. The theoretical principles of electrotechnical systems modes analysis based on the electric circuit theory, macromodeling and diakoptics has been formulated. Classification of dynamic systems is presented, their continuous and discrete dynamical systems models, models in the "input-output" and transfer function forms are described in details. The approaches how to simplify the creation of mathematical models, prospects of the macromodels in the form of the "black box" usage for the analysis of the electric circuits dynamic modes are considered. The approach how to develop the discrete linear and nonlinear macromodels and features of the diakoptic principles applying in order to improve the procedure of macromodeling of the electric circuits elements are presented. A universal algorithm intended for construction of discrete mathematical macromodels using the "black box" technique in the form of state variables based on apriori information obtained in the process of real objects operation was developed based on the Delphi technique. Analyses of modern computer programs used for modeling of the electric systems transients on the basis of single- and multiprocessor computers was carried out. Mathematical and computer models and macromodels of electrical circuits and systems were considered. The approaches of apriori information obtaining about the elements of electrical circuits and electrical systems, methods of its evaluation, processing and correct systematization were analysed. The methods of the expert analysis theory were fit to the construction of mathematical macromodels of electrical systems. Application of the criteria of estimations of qualitative and quantative characteristics of dynamic modes was improved in order to select the optimal sets of transient characteristics, suitable for construction of macromodels of such type objects. The problem of the transient processes analysis of electrical systems based on real time characteristics obtained by their registration using modern SCADA systems was considered. The discrete macromodel of transmission line using the "black box" approach in the form of discrete state equations based on the computer experiment results was developed for the first time. The discrete macromodel of the electric substation based on the monitoring results registereded by "Regina" software and hardware tools was developed. Developed macromodelі allows to describe complex electrical system in order to analyse their transient processes. The methods of adaptation of macromodels to modern computer simulation tools intended for practical analysis of electric systems operating regimes, namely the MATLAB/Simulink environment and АТР/EMTP program were proposed. All necessary software components using programming operators embedded into these environments required for the transient processes research in the electrical systems under analysis using created macromodels were developed. For the first time it was proposed to use the discrete mathematical macromodeling technique for creation of models for the energy consumption forecasting without stage by stage processing of the a prior information. It made possible to carry out both short-and long-term forecasting of power consumption of power facilities which are under exploitation in Ukraine The adequacy verification and approbation of the developed mathematical models and macromodels for the study of specific electrical systems transient processes research was carried out. Диссертация посвящена решению научно-технической проблемы развития теории и методов анализа динамических режимов электрических цепей и систем на основе объединения методов теоретической электротехники, макромоделирования и экспертного анализа априорной информации. Сформулированы теоретические принципы анализа режимов электротехнических систем на основе теории электрических цепей, макромоделирования и диакоптики. Приведена классификация динамических систем, детально описаны непрерывные и дискретные модели, модели “вход-выход” и в виде передаточной функции. Рассмотрены способы упрощения создания математических моделей, перспективы применения макромоделей в виде " черного ящика" для анализа динамических режимов электрических цепей. Рассмотрен подход построения дискретных линейных и нелинейных макромоделей и особенности применения диакоптики для улучшения процедуры макромоделирования элементов электротехнических систем. Усовершенствован универсальный алгоритм построения дискретных макромоделей в виде “ черного ящика” в форме переменных состояния на основе априорной информации, полученной во время эксплуатации объектов с использованием экспертного анализа. Осуществлен анализ современных компьютерных программ моделирования переходных процессов электротехнических систем на одно- и многопроцессорных компьютерах. Рассмотрено математические и компьютерные модели и макромодели элементов электрических цепей и электротехнических систем. Рассмотрены способы получения априорной информации об элементах электрических цепей и электротехнических системах, методики ее оценивания, формы представления и ее корректную систематизацию. Адаптированы методы теории экспертного анализа к построения математических макромоделей электротехнических систем и усовершенствованы подходы применения критериев оценивания качественных и количественных характеристик динамических режимов для построения макромоделей исследуемых объектов. Рассмотрена проблема прогнозирования течения переходных процессов электротехнических систем на основании реальных временных характеристик, полученных путем их регистрации современными системами мониторинга. Впервые разработана дискретная макромодель линии электропередачи в виде "черного ящика" в форме дискретных уравнений состояния с ипользованием результатов компьютерного эксперимента. Впервые разработана дискретная макромодель энергоострова на основании результатов мониторинга аппаратно-программным комплексом "Регина". Разработанные макромодели позволяют описать сложную электротехническую систему для воспроизведения параметров ее процессов. Предложены методы адаптации макромоделей к компьютерным средствам моделирования динамических режимов электротехнических систем к средам MATLAB/Simulink и АТР/ЕМТР. Созданы необходимые компоненты программного обеспечения, которые необходимы для анализа переходных процессов электротехнических систем с использованием разработанных макромоделей. Впервые предложено использовать математические методы дискретного макромоделирования для построения макромоделей прогнозирования энергопотребления без поэтапной обработки априорной информации. Построены дискретные макромодели для коротко- и долгосрочного энергопотребления конкретных энергообъєктов Украины. Проверена адекватность и выполнена апробация разработанных моделей и макромоделей для исследования динамических режимов и процессов конкретных электротехнических систем.