Aspecte teoretice și practice privind

conducerea proceselor energetice

Prof.dr.ing. Sergiu St. ILIESCU

Conf.dr.ing. Ioana FĂGĂRĂŞANConf.dr.ing. Ioana FĂGĂRĂŞAN

As. drd. ing. Nicoleta ARGHIRA

Drd. ing. Iulia DUMITRU

Universitatea “POLITEHNICA" București, Facultatea de Automatică și Calculatoare

email: {iliescu, ioana, nicoleta, iulia}@shiva.pub.ro

Contextul energetic actual� Directiva europeană “20/20/20”, care impune: eficiență energetică crescută cu

20%, reducere consumului cu 20% și reducere emisii 20%, toate până în 2020.

� Directiva europeană privind siguranța alimentării consumatorilor

� Optimizarea structurii consumului de resurse energetice primare şi creşterea eficienţei energetice

� Limitarea impactului sectorului energetic asupra mediului, la limitele cerute de normele UE din domeniu.de normele UE din domeniu.

� Energie mai ieftină la consumator, inclusiv prin tarife mai mici pentruseriviciile operatorilor de rețea

� Costuri mai reduse de investiții și operare a rețelelor prin reducereapierderilor

Rețea electrică inteligentă(SMART GRID)

2

Smart Grid

Smart Grid înseamnă folosirea senzorilor, a comunicaţiei, a capacităţilor de calcul şi a controlului pentru îmbunătăţireafuncţionalităţii unui sistem energetic.

Concepte:• fiabilitatea absolută a alimentării• creşterea eficienţei energetice a sistemului de producere şi

distribuţie a energieidistribuţie a energiei• monitorizarea tuturor componentelor critice ale sistemului

pentru a permite mentenanţă automată şi prevenireaîntreruperilor

• asigurarea calităţii energiei pentru toţi consumatorii• integrarea surselor de energie distribuită cu ajutorul

comunicațiilor și tehnologiei informaţiei

3

Rețeaua ENTSOE (European Network of

Transmission System Operators for Electricity)

4

Sistemul energetic românesc(1)

www.transelectrica.ro5

Sistemul energetic românesc (2)

6

Sistemul energetic românesc(3)

Sistemul energetic național (SEN) este un sistem mare cu conducere ierarhizată caracterizat prin:

� Structura interconectată

DEC

DET

DED

SEN

sistem de

conducere

off-line

� Structura interconectată� Structura răspândită în

plan geografic� Incertitudine în informații� Schimbări dinamice ale

structurii sale� Obiective de conducere

multiple (posibil în conflict)

DED

dispecer

camera de

comanda

dulapuri locale

de comanda

comanda locala a proceselor

sistem de

comanda in timp

real al centralei

DHE, DELC, DLC

7

Sistemul energetic românesc(4)

După rolul pe care-l îndeplinesc, principalele dispozitive şi instalaţii de automatizare din SEN se clasifică în:

• Sisteme de reglare automată a frecvenţei şi puterii active

• Sisteme de reglare automată a tensiunii şi puterii • Sisteme de reglare automată a tensiunii şi puterii reactive

• Sisteme de reglare automată a parametrilor centralelor electrice

• Sisteme de comandă automată inclusiv automatica de sistem și protecții prin relee

8

Reglajul frecvență – putere activă

în sistemul energetic național

• Sistemul EMS/SCADA implementat la Dispecerul Energetic Național include funcția Automatic Generation Control (AGC)

• AGC controlează echilibrul puterilor și distribuie surplusulsau deficitul într-un mod economic între grupurile generatoarereglante

• RAFP nu are o funcționare optimă în noile condiții ale operăriiinterconectate a sistemului energetic românesc la sistemulUCTE (ENTSOE)

• Este necesară realizarea unor modele ale grupurilor reglante șial regulatorului central pentru a studia si optimiza comportareaîntregului sistem

9

Reglajul frecventa- putere activa (RAf-P)Se realizeaza in trepte diferite si succesive:

� Reglajul primar

� Distribuit uniform si se bazeaza pe principiul solidaritatii

� Actiune locala si automata prin actiunea RAV

� Timp de actiune 0 ÷ 30 sec

� Independent de actiunea dispecerilor

� Reglajul secundar

Frecventa

Sistemului

Reglaj Primar

Restabileste valoarea medie

Restabileste valorile nominale

Limiteaza

abaterile

Activare

Elibereazarezervele

Corecteaza

Elibereaza rezervele

dupa o deconectare

� Reglajul secundar

� Distribuit intr-un numar fix de centrale

� Actiune centralizata si automata, actionand numai in zona perturbata

� Timp de actiune 30 sec ÷ 15 min

� Rezerva programata, dispusa de dispecer

� Reglajul tertiar

� Dispus de dispecer din capacitatile programate

� Timp de actiune de la 1 minut la 30 min / 8 ore(lenta)

Reglaj

Secundar

Reglaj Tertiar

Corectia

TimpuluiActivarepe termen lung

Activare daca

este responsabilaPreia dacaeste responsabil

Preia

Elibereaza

rezervele

10

Reglajul frecvenţă-putere activă (RAf-P)

P1=P11+ P21; P2=P12+ P22=P1+∆P

11

Aspecte teoretice

În vederea abordării problemei reglajului frecvență-putere activă s-au folosit elemente de teoria sistemelor:

Analiză

-Modelare experimentală-Stabilirea indicilor de calitate a procesului (stabilitate,

y

t

?

yprocesului (stabilitate, performanță)

Sinteză

-Proiectare algoritmică a SA (alegere şi acordare RA )

SA

(RA)Proces/

Instalatie+ _

y

Proces/

Instalatie+ _

y

t

?y

12

� Obiectiv

- Determinarea unorparametri fără semnificații fizice, care descriucomportamentul procesuluiin jurul unui anumit punctde funcționare

� Probleme

Analiza experimentalăAnaliza teoretică

Ipoteze simplificatoare Cunoştinte a priori

Structura modelelor

cunoscută | necunoscutăEcuaţii de bază

(1) ecuaţii de bilanţ

(2) ecuaţii de stare fizico-chimice

(3) ecuaţii fenomenologice

(4) ecuaţii de bilanţ ale entropiei

Experiment

Măsurarea semnalelor de I/E

Modelare teoretică

-legi fizice

-date constructive ale instalaţiei tehnologice

Modelare experimentală

-măsurarea semnalelor

-estimare prin metode ale teoriei sistemelor

Identificarea proceselor – experimentală

� Probleme

- necesitatea simulăriicorecte a proceselor

- Validarea modeleloridentificate

� Aplicații

- Simulare procese- Proiectare SRA,etc

13

(4) ecuaţii de bilanţ ale entropiei

Model teoretic

-structura

-parametri

Simplificare

Model simplificat

-structura

-parametri

Procedeu de identificare

Model parametric | Model neparametric

Model experimental

-structura neparametric

-parametri

Comparaţie

Model rezultant

Rezolvarea sistemului de ecuaţii

13

Identificarea proceselor

� Se identificămodelul sistemului doar pe baza comportarii mărimilor de intrare-ieşire.

� Procesele interne ale sistemului nu trebuie neapărat să fie cunoscute.

� Modelul poate fi construit numai pentru un sistem existent în realitate.

� Pentru identificare se pornește de la răspunsurile indiciale al grupurilor reglante din SEN.

� Pe baza formei răspunsului se impune un anumit model al instalației și sefixează parametrii modelului care trebuie stabiliți prin procedura de identificare.

� Această procedură de identificare permite stabilirea unui model pe baza căruia putem stabili suficient de bine comanda.

14

Datele experimentale obținute pentru un

grup reglant

15

Identificarea proceselor

Dificultățile metodei:

� Necesitatea aducerii procesului în echilibru înainte de efectuarea experimentului.

( , )y A ∞

A

experimentului.

� Stabilirea zonei în care procesul are o comportare liniară.

q

( , )y A ∞

A

L

16

Identificarea proceselor

17

Modelele matematice

Sistem de ordin I Sistem de ordin II

( )1

KH s

Ts=

+( )

2

2 2 2 22 1 2n

n n n n

KKH s

T s T s s s

ω

ξ ξω ω= =

+ ⋅ + + +

( )y t

t

K

T

18

Validarea modelului matematic

( )0.11241( ) 10 1 ty t e

− ⋅= ⋅ −

4

6

8

10

Ras

puns

ind

icia

l [M

W]

Fig 4.2a. Validarea modelului de ordinul 1

y vs. tmodel1

4

6

8

10

Ras

puns

indi

cial

[M

W].

Fig 3a.Validarea modelului de ordin 2.

y vs. tmodel2

0.2576 0.24182( ) 10 178.1 188.1t ty t e e

− ⋅ − ⋅= + ⋅ − ⋅

0 10 20 30 40 50 60

0

2

timp

Ras

puns

0 10 20 30 40 50 60-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1Fig 4.2b. Curba erorilor de aproximare.

timp

Ero

ri [M

W]

0 10 20 30 40 50 60

0

2

timp

Ras

puns

indi

cial

[M

W].

0 10 20 30 40 50 60-0.4

-0.2

0

0.2

0.4Fig 3b. Curba erorilor de aproximare.

timp

Ero

ri [M

W].

19

Determinarea modelelor matematice

pentru grupul reglant

Tip de model Răspuns în timp Parametrii

funcţiei de

transfer

Funcţie de

transfer

Model

de ordin 1

K1 = 10T1=8.8968

Model

de ordin 2

K1 = 10

T21 = -0.6356

( )0.1124( ) 10 1 ty t e

− ⋅= ⋅ −

0.2576( ) 10 178.1 ty t e

− ⋅= + ⋅

( )0.1124

0.1124H s

s=

+

( )0.0396 0.0623

H s

s

=

− ⋅ +

Vizualizareraspuns

Treapta pozitiva0-100%

Treaptanegativa100%-0

Intarziere

T21.s+1

T22^2.s +2*T22*zitas+12

Functia de transfer

K1

Amplificarea

de ordin 2T21 = -0.6356

T22 = 4.0064ζ = 1.0008

0.2418188.1 te

− ⋅− ⋅2

0.0396 0.0623

0.4994 0.0623

s

s s

− ⋅ +

+ ⋅ +

Schema de simulare:

20

Comparație între modelele de ordinul I și II

40

42

44

46a. Modelul de ordinul 1

[M

W],

Pap

rox [

MW

]

PconPaproxPmas

40

42

44

46b. Modelul de ordinul 2

[M

W],

Pap

rox [

MW

]

PconP

aproxPmas

0 50 100 150 200 250 300 350 40034

36

38

40

timp [s]

Pco

n [M

W],

Pm

as [

MW

], P

0 50 100 150 200 250 300 350 40034

36

38

40

timp [s]

Pco

n [M

W],

Pm

as [

MW

], P

21

Modelele identificate pentru grupurile

studiate pot fi structurate

Centrala reglantă Model de

ordinul 1 cu

întârziere

Model de

ordinul 2 cu

întârziere

Model integrator

cu întârziere

CHE Lotru X

CHE Mărișelu X

CHE Vidraru XCHE Vidraru X

CHE Gâlceag X

CHE Șugag X

CHE Porțile de Fier I X

CTE Brăila X

CTE Turceni X

CTE Iernut X

22

Comportarea sistemului cu regulator central

In1 Out1

Turceni

In1 Out1Scope

Scheduled

Turceni

SugagPutere de

In1 Out1

Vidraru

Sugag

In2

In1Out1

SecondaryController

ScopeScheduled

LoadSugag

Vidraru

Regulatorulsecundar

Putere de consemn

23

Parametrii centralelor reglante

Turceni Șugag Lotru

BRi[MW] 80 20 150

VIi[MW/min] 4 55 144

24

Curbele de încărcare corepunzătoare

centralelor reglante

50

60

70

80Generation units response

Turceni

SugagLotru

MW

]

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

10

20

30

40

time[sec]

Load

[MW

]

Încă

rcar

e [M

W

Timp [sec]

25

Sinteza sistemelor de reglare automată

Sinteza convenţională a unui SRA constă în determinarea unuicompensator (regulator) cu funcția de transfer HR(s), conectatcu procesul în buclă închisă, astfel încât pe lângă satisfacereastabilității sistemului să fie îndeplinite şi următoarele performanțe ale regimului dinamic şi ale celui staţionar:

unde indicele d corespunde unei performanţe dorite (impuse) de beneficiarul instalaţiei respective.

dσσ ≤

dtt tt ,≤

dss ,εε ≤

26

Acordarea regulatorului automat

� Acordarea regulatorului automat - ajustarea parametrilor RA

corespunzător cu cerinţele procesului.

� Acordare optimă - comportare a procesului în funcţie de un anumit criteriu (ex. durată minimă a procesului tranzitoriu, influența minimă a perturbațiilor, etc.). influența minimă a perturbațiilor, etc.).

� Criterii de acordare optimă:

� Criteriul modulului. Varianta Kessler

� Criteriul suprafeţei minime a erorii (Ziegler - Nichols)

27

Criteriul modulului. Varianta Kessler

� Este un criteriu ce permite realizarea unui optim din punct de vedere al perturbaţiilor.

� Se disting două situaţii importante:

Funcția de transfer a procesului are pol în origine

Funcția de transfer a procesului nu are pol în origine

( )(1 ) (1 ) (1 ) (1 )

f f

k i k

k i k

K KH s

sT sT sT sTγ Σ

= =+ + + +∏ ∏ ∏

( )(1 ) (1 ) (1 ) (1 )

f f

k i k

k i k

K KH s

s sT sT s sT sTγ Σ

= =+ + + +∏ ∏ ∏

(1 )( )

2

k

kc

f

sT

H sK T sΣ

+

=∏(1 )

( )2

k

kc

f

sT

H sK TΣ

+

=∏

28

Criteriul suprafeţei minime a erorii (Ziegler-

Nichols)

� Este un criteriu de minimizare a erorii dintre răspunsul real şi ideal.Acordarea regulatorului se face astfel:

o se trece regulatorul pe lege de comandă P;

o se măreşte factorul de amplificare a acestuia (se micşorează BP) până când se ajunge la limita de stabilitate. Perioada oscilațiilor cuT şi amplificarea la limita de stabilitate K (BP ).T0 şi amplificarea la limita de stabilitate KR0 (BP0).

Regulator KR TI TD

P 0,5KRO - -

PI 0,45KRO T0/1,2 -

PID 0,6KRO T0/2 T0/8

29

Acordarea regulatorului secundar

Acordarea regulatorul trebuie să țină seama de performanțele de regim staționar și tranzitoriu care sunt necesare reglajului secundar în sistemulEnergetic Național:

� Puterea generată ≥ putere cerută eroare staționară ~ zero.

� Grupurile sau centralele implicate în reglajul secundar să funcționeze în regim normal (fără suprasarcini) suprareglaj nul.

� Reglajul secundar trebuie să se realizeze în 10-15 minutedurata regimului tranzitoriu ~ 15 minute.

30

Subsistemul regulator

Kp

Kp

1

Out1

Saturation

1s

Integrator

-K-

Conversiatemporala

Ki

Ki

1

In1

31

Acordarea regulatorului central (1)

100

150In

carc

are[

MW

]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

50

timp[sec]

Inca

rcar

e[M

W]

32

Acordarea regulatorului central (2)

1

1.5In

carc

are[

-]

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 100000

0.5

timp[sec]

Inca

rcar

e[-]

33

Determinarea parametrilor regulatorului

34

Concluzii

� Analiza şi sinteza actualului sistem RAF-P implementat laDispecerul Energetic Național s-a facut după metoda top-down-bottom-up.

� Utilizarea unei metode de identificare experimentală aproceselor cu semnal de probă determinist – semnal treaptă peintrarea procesului – s-a dovedit utilă şi eficace în aproximareaintrarea procesului – s-a dovedit utilă şi eficace în aproximareamodelului matematic sub formă de funcţie de transfer, în specialla hidroagregate.

� Regulatorul RAF-P este de tip PI și s-a realizat acordareaparametrilor regulatorului prin optimizarea performanțelorrăspunsului sistemului.

35

Vă mulțumesc!Vă mulțumesc!

36