Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Můj život s programy Matlab-Simulink v energetice

Petr Neuman

 
Článek je určitou rekapitulací autorova patnáctiletého „energetického“ života s programem Simulink. Kapitoly z tohoto života začal autor zveřejňovat počínaje konferencí Matlab 1999, kde prezentoval, společně se spoluautory doc. Bohumilem Šulcem z Fakulty strojní ČVUT v Praze a Ing. Alešem Jarolímkem, příspěvek Inženýrské modely a simulátory regulace uhelného parního kotle. Počínaje rokem 2008 autor pro posluchače formoval svou aktivní účast na konferencích Matlab (pokračujících jako Technical Computing) ve „tvůrčích tříletkách“. V článku jsou ukázány vybrané příklady modelů z oboru energetiky vytvořených v prostředí Matlab-Simulink, zmíněny úspěšné simulace a simulátory z jednotlivých tříletek a také naznačeny problémy se simulací v rámci nových energetických výzev 21. století.
 
This paper is a recapitulation of the author‘s fifteen-year „energy of life“ with Matlab-Simulink software. The article presents selected examples of dynamic models of the energy industry equipment and processes, discussed the successful simulations and training simulators of each three-year period and reported problems with simulations based on Simulink in answering the new energy challenges of the 21st century.
 

1. Úvod

První autorova tříletka v oboru modelování a simulace energetických zařízení a procesů při použití programů Matlab-Simulink proběhla letech 1999, 2000 a 2001 ve znamení vývoje inženýrských simulátorů parních kotlů, postupně rozšířených o operátorské rozhraní vytvořené v softwaru SCADA InTouch od firmy Wondeware. V té době byl autor pracovníkem firmy Škoda Praha.
 
V letech 2002, 2003 a 2004 byly postupně představeny různé části operátorského tréninkového simulátoru OTS (Operator Training Simulator) v Elektrárně Opatovice (EOP), zahrnujícího simulační modely dvou parních kotlů propojených prostřednictvím společné sběrnice se dvěma parními kondenzačními turbínami. Během této tříletky byl autor pracovníkem společnosti Výcvikové středisko energetiky – VSE, Tušimice.
 
Během tříletky 2005, 2006 a 2007 byly prezentovány modely elektrického stroje – synchronního generátoru (SG) v programu Simulink, a to v různých souvislostech, např. v dispečerském simulačním trenažéru (Dispatcher Training Simulator – DTS) elektrárenských rozvoden připojených k distribuční soustavě, v DTS přenosové soustavy (PS) a také v komplexním tvaru – zahrnujícím i simulaci elektromagnetických přechodových dějů – pro predikci kritických stavů v PS. V té době autor pracoval nejprve v soukromé společnosti Neureg a poté u provozovatele české přenosové soustavy, ve firmě Česká přenosová soustava, a. s. (ČEPS).
 
Pro tříletku v letech 2008, 2009 a 2011 je charakteristické zaměření na simulaci chování elektrizační soustavy a použití speciálních zařízení (ochrany, lokální automatiky a tzv. synchrotakty) k zajištění jejího bezpečného a spolehlivého provozu. Autor byl v této době pracovníkem firmy ČEPS.
 
Současná simulační tříletka, započatá v roce 2013 s předpokládaným ukončením v roce 2017, není pro svou neukončenost do článku pojata.
 
Uvedené stručné charakteristiky jednotlivých tříletek jsou v dalším textu rozvedeny podrobněji po jednotlivých rocích (významných simulačních projektech). Detaily překračující rámec přehledového článku (včetně složitějších schémat, vysvětlení významu symbolů v obrázcích apod.) lze nalézt v odpovídajících příslušných snadno dosažitelných konferenčních příspěvcích uvedených v seznamu literatury.
 
V souvislosti s „historií“ je třeba také uvést, že k simulování byla vždy použita verze simulačního programu asi o dva roky starší než dostupná aktuální. Uživatelé programu Matlab vědí, že nová verze vychází vždy dvakrát za rok, v prvním pololetí verze „a“, ve druhém pololetí verze „b“: např. v roce 2013 verze 2013a, 2013b. V roce 2011 tedy byla autorem článku pro simulace používána verze Matlab 2010a atd.
 

2. První tříletka: 1999, 2000, (2001)

 

2.1 Rok 1999

Jako vstup do problematiky byl sestaven a prezentován [1] model uhelného parního kotle vyvíjený pro pozdější realizaci inženýrského simulátoru. Šlo o linearizovaný model skutečného parního kotle se spalováním práškového hnědého uhlí, jehož schéma je na obr. 1. Na modelu byly zkoušeny nejen konvenční PID regulátory, ale také „extremální regulátor“ podle obr. 2 s cílovou funkcí redukovat množství škodlivých emisí (CO, NOx, SO2).
 

2.2 Rok 2000 (2001)

Model uhelného parního kotle prezentovaný v roce 1999 byl rozšířen o nelineární statickou část (obr. 3). Současně byla věnována pozornost také závislosti mezi věrností modelu (tzn. pracností vývoje), využitelností modelu pro výcvik a nutnými investičními náklady. Originální graf této závislosti je na obr. 4. Před finálním rozhodnutím o výběru systému SCADA byly vytvořeny monitory pro instruktora i pro operátora-žáka v prostředí Matlab. Jednu z variant tzv. instruktorského monitoru, ve kterém jsou zahrnuty funkce významné pro výcvik operátorů – např. backtracking (zpětné sledování trajektorie), změna rychlosti simulace (režimy Fast, Slow), zmrazení/zastavení simulace, určení počátečních podmínek simulačního běhu atd. –, ukazuje obr. 5.
 
Tato tříletka byla ve skutečnosti dvouletkou, protože v roce 2001 okolnosti autorovi nedovolily aktivní účast na konferenci.
 

3. Tříletka 2002, 2003, 2004

 

3.1 Rok 2002

Základní informaci při vytváření struktury operátorského tréninkového simulátoru (OTS) představuje tzv. schéma potrubí a přístrojů (Piping and Instrumentation Diagram – P&ID). S ním se přesně shoduje schéma simulačního modelu subsystému napájení a bubnu kotle vytvořené v prostředí Simulink (obr. 6) a prezentované ve [3], kde se lze také přesvědčit o deklarované přesné shodě obou schémat.
 

3.2 Rok 2003

V roce 2003 byly ukázány rozdíly mezi jednoduchým modelem parní turbíny a její regulace podle IEEE a jejím realistickým modelem, jehož schéma zapojení do alternativního modelu turbosoustrojí je na obr. 7. Realistický model vychází z matematicko- fyzikálních rovnic, např. průtoku páry dýzou, a zachování hmotnosti, průtoku a momentu (tzv. first principles). Další detaily (jednoduchý model IEEE, rovnice použité v realistickém modelu atd.) lze nalézt v [4].
 

3.3 Rok 2004

V simulátoru OTS (obr. 8) je v prostředí Matlab-Simulink jednak vytvořen model řízené soustavy (kotle) a jednak
emulován distribuovaný řídicí systém (DCS) použitý na reálném kotli v provozu. Celkem jsou použity tři počítače typu PC, jeden ve stanici instruktora a dva ve stanici operátora-žáka. Operátorské rozhraní řídicího systému kotle (HMI) představující
pracoviště operátora- žáka je vytvořeno s použitím standardního vizualizačního softwaru InTouch a reálné pulty a panely typu Mosaic jsou připojeny prostřednictvím slotů PCI a karet I/O. Komunikace mezi prostředky Matlab-Simulink a InTouch probíhá s použitím protokolu DDE, instance InTouch komunikují protokolem Suite Link. Takto provedený OTS zcela vyhovuje pro inženýrské úlohy i trénink a školení technologů a provozních pracovníků [5].
 
Z technologického hlediska (modelování subsystémů trenažéru) byl příspěvek na konferenci v roce 2004 zaměřen na modelování uhelného mlýna. V [5] lze tudíž nalézt také technologické schéma uhelných mlýnů a podavačů a schéma jejich modelu v prostředí Matlab-Simulink s detaily.
 

4. Tříletka 2005, 2006, 2007

 

4.1 Rok 2005

Prezentovaný simulační model zahrnuje veškeré rozvodny EOP, což představuje šest generátorů TG1 až TG6 a jejich blokových transformátorů T1 až T6, dále šest rozvoden vlastní spotřeby, 6kV sběrnice R6_8 a společnou rozvodnu R6_9, rozvodnu R110 kV pro připojení vnějších linek 110 kV, sběrnice a transformátory napěťové úrovně 0,4 kV a další prvky (odpojovače, spínače, spotřebiče atd).
 
Způsob členění celého modelu do jednotlivých bloků je demonstrován na sledu schémat v prostředí Simulink spolu s dalšími detaily v [6]. Všechny hodnoty veličin v modelu jsou prostřednictvím komunikačních modulů přenášeny do vizualizačního softwaru In-Touch na monitory PC.
 

4.2 Rok 2006

Byl publikován model synchronního generátoru (SG). Je-li SG modelován jako obecný elektrický stroj, je popsán tzv. Parkovým modelem (Parkova transformace), vhodným i pro řešení krátkodobé dynamiky. Z hlediska numerického řešení je odladěný a provozovaný model SG a elektrárenských rozvoden v EOP v prostředí Matlab-Simulink odladěn při použití metody tzv. ode4 (Runge-Kutta) s pevným integračním krokem 0,01 s. Model SG je na obr. 9 a schéma systému buzení na obr. 10, obojí vytvořeno v programu Simulink. Na obr. 11 je ukázán způsob emulace diagramu P-Q bloku v softwaru InTouch.
 

4.3 Rok 2007

Tématem bylo modelování synchronních generátorů a přechodových elektromagnetických dějů a simulace kritických stavů.
 
Při modelování synchronního generátoru v roce 2005 byl nejprve použit model SG z knihovny SimPowerSystem (SPS). Pro ověřenou a nastavenou metodu numerické integrace a velikost kroku (pro celý OTS) však výpočet numericky kolaboval, a tak byl SG namodelován vlastním modelem v prostředí Simulink. Důvodem zkolabování bylo rozbíhání modelu SG z SPS vždy s proměnným krokem a pomalejší než běžící reálný čas, což bylo pro udržení simulace v tvrdém reálném čase považováno za nutné.
 
V roce 2007 však autor zjistil, že i významné simulační programy – např. Eurostag, který používá firma EdF a je téměř „standardem“ pro velké světové firmy v energetice (v EU bylo na bázi programu Eurostag jako součást Rámcového programu 7 řešeno několik dotovaných výzkumných programů, např. Realisegrid, Pegase) – ne vždy dodržují tvrdý reálný simulační čas.
 
Na obr. 12 je vidět, že u programu Eurostag je v době rychlých přechodových dějů nastavován „kratší integrační krok = pomalejší simulace“, který však v celkovém simulovaném časovém úseku nezpomalí celkový výpočetní čas tak významně, aby zpochybnil výsledek simulace. Uvedená úvaha ale platí pouze u nezávislých (stand-alone) simulátorů, kde se nepracuje
s operačním systémem reálného času. Ve smyčce HIL (Hardware-in-the-Loop) by však toto nebylo možné zanedbat!
 

5. „Řídká“ tříletka 2008, 2009, 2011

 

5.1 Rok 2008

Modelovány a simulovány byly elektrické ochrany, řídicí automatiky a výkonové transformátory. Byl modelován transformátor s uvažováním nelineární charakteristiky magnetického sycení. Jako příklad je na obr. 13 ukázán jeden z dílčích modelů třífázového transformátoru se třemi vinutími – jde o modelování tzv. mrtvé zóny, průběhy vybraných simulovaných veličin ukazuje obr. 14.
 

5.2 Rok 2009

Modelován a simulován byl proces zvaný blackstart jako zvláštní případ ostrovního provozu, tedy tzv. separátu, v přenosové soustavě či v distribučních soustavách. Na vysvětlenou uveďme, že „ostrov“ je obvykle malá část soustavy, která se působením frekvenčních ochran odpojila. Naproti tomu „separát“ vznikne působením zkratových ochran (distančních, rozdílových, dělicích síťových). Podle této terminologie (v současnosti ne vždy přesně používané) je zdroj během uvádění do provozu „separát” a teprve těsně před sfázováním/synchronizací se sítí lze mluvit o „ostrově“.
 
Prvním příkladem byl separát trasy Elektrárna Lipno I – Jaderná elektrárna Temelín (ELI-JETE) podle obr. 15. Úplný model tohoto separátu v nástroji SimPowerSystems lze nalézt v [9].
 
Jako druhý příklad lze uvést simulační výpočty přechodových dějů a vyhodnocení schopnosti spuštění jednoho bloku v EOP z jiného zdroje, zde malé vodní elektrárny (VE) Práčov ve východních Čechách. Šlo tedy o trasu VE Práčov – Rozvodna Opočínek (OPOČ) – EOP. Model separátu VE Práčov – EOP byl vytvořen přímo v programu Matlab-Simulink. Jeden z výsledků simulace je ukázán na obr. 16.
 

5.3 Rok 2011

Byla demonstrována problematika modelování a simulace zařízení Synchrotakt v prostředcích Matlab-Simulink, a to na základě zkušeností s dlouhodobě využívaným Dispečerským simulačním trenažérem elektrárenských elektrorozvoden (DTS), který zahrnuje všechny rozvodny napětí od 0,4 až po 110 kV s linkami připojenými do sítě 110 kV firmy ČEZ Distribuce (dříve VČE). Jde opět o elektrárnu/teplárnu EOP s kombinovanou výrobou elektřiny a tepla a s šesti turbogenerátory o celkovém elektrickém výkonu 360 MW. Tento DTS je plnorozsahový, tzn. že muselo být modelováno všech šest soustrojí. Jde tudíž o jeden z nejrozsáhlejších modelů v prostředí Simulink vytvořených v ČR.
 
Na obr. 17 je ukázána skříň zařízení Synchrotakt emulovaná v prostředí InTouch určená pro monitor instruktora, pro kterého tam jsou (vpravo nahoře) zobrazeny hodnoty veličin v okamžiku, kdy trénující žák sepnul Synchrotakt. Instruktor vidí dané spínací hodnoty a může hodnotit „kvalitu“ sfázování.
 

6. Simulační nástroje pro energetiku a jejich ohodnocení

Dostupné simulační programové nástroje jsou z hlediska vhodnosti pro vývoj simulátorů a trenažérů pro energetiku ohodnoceny v tab. 1. Stupně hodnocení jsou 0, 1, 2, 3 (nepoužitelné, použitelné, dobré, vynikající). Všechna hodnocení v sobě nesou určitou míru neobjektivnosti, danou požadavky a zkušenostmi autora hodnocení (v tomto případě autora článku). Vzájemné vazby hodnocených simulačních programů jsou naznačeny v obr. 18, kde je rovněž samostatně
uveden simulační program Eurostag. Tento lze v energetice brát jako nezpochybnitelný standard; takto je nahlížen i orgány EU. Naproti tomu však nemá žádné vzájemné vazby na klastr Matlab-Simulink a jiné „podobné“ simulační prostředky (v obr. 18 vyznačeny černými plnými čarami). Zde je uveden proto, aby článek nebylo možné označit jako nekompletní a neinformovaný v oblasti energetických simulací.
 
V rámci klastru Matlab-Simulink lze mluvit o interních klastrových vazbách (vyznačeny červenými plnými čarami). Jediná červená čárkovaná vazba poukazuje na možnost začlenění modulů EMTP-RV do programů Mathworks – které by mohlo být mnohdy výhodné, avšak není vyvinuto, resp. obecně používáno.
 

7. Simulace a nové výzvy v energetice 21. století

Se změnou energetického paradigmatu na prahu 21. století nabývá značně na významu problematika řízení činného i jalového výkonu větrných turbín se synchronními generátory a jejich farem a simulace jako nástroje, který ji umožňuje zvládnout.
 
„Můj život se Simulinkem“ lze básnickou nadsázkou přirovnat k manželství: také manželství trvá dlouho a často navěky (to zejména v případě solidního, křesťanského přístupu k životu), přestože není bez problémů (které ovšem v technických oborech na rozdíl od manželství lze bez nesnází veřejně přiznat).
 
V případě programu Matlab-Simulink by autor po úspěšném nejméně patnáctiletém soužití nazval problematickou dobou nástup obnovitelných zdrojů energie (OZE), kdy nejen v případech fotovoltaických a větrných elektráren jsou masivně zaváděny prvky silové elektroniky (tyristory, střídače a měniče, zařízení typu FACTS – Flexible Alternate Current Transmission Systems). Éru zavádění těchto zdrojů energie provázejí nejen velké problémy provozní, ale také obtíže s jejich modelováním a simulací.
 
Potíž je v tom, že prvky silové elektroniky jsou nespojité prvky pracující s vysokými frekvencemi, a zde nelze než konstatovat, že zejména pro simulace OZE a zařízení FACTS v reálném čase (což je u simulačních trenažérů – Operator/Dispatch Training Simulators – nezbytné) nejsou v rámci standardních prostředků v prostředí Matlab-Simulink k dispozici potřebné simulační nástroje. Důležitou změnou také je, že požadavky při modelování a simulaci OZE, např. větrné elektrárny, přesahují standardní schopnosti inženýra uživatele a vyžadují již přístup z pozice softwarového inženýra vývojáře specialisty. Z tohoto hlediska musí autor, bohužel, hodnotit standardní programy Simulink – SimPowerSystems jako „k tomuto účelu ne zcela připravené“.
 
Pro situaci na domácí scéně je navíc důležitá skutečnost, že (bez jakékoliv kritiky společnosti Humusoft) použití programů a sad nástrojů Matlab-Simulink v elektroenergetice není v ČR příliš rozšířené – dokonce lze říci, že obecně simulace není v české energetice příliš rozšířená, protože klasičtí energetičtí odborníci, jejich vlastními slovy: „… problematiku ‚dobře znají‘, a nepotřebují ji tedy simulovat…“.
 
Na rozdíl od energetiky je používání simulací např. v automobilovém průmyslu velmi rozšířené a společnost Humusoft zde sklízí plody svého úsilí při používání programů dSpace. Uvedené „nedostatky“ programu Matlab-Simulink z hlediska elektroenergetiky řeší např. zahraniční firma OPAL-RT, ale zde je zase problém překonat regionální výhradní distributorství vzhledem k firmě MathWorks.
 

8. Energetické stigma v ČR a jeho důsledky

K zaostávání v oboru modelování a simulace v energetice rovněž přispívá zatím stále se prohlubující jev „energetického stigmatu v ČR“: energetika je špinavá, o špičkovou úroveň energetických odborníků v ČR není zájem – viz neustále se prodlužující výběrové řízení na dostavbu JETE 3&4, mediálně probíraná, v praxi však stále neschválená, natož realizovaná Aktualizace státní energetické koncepce atd.
 
Nelze přitom nepoznamenat, že ČR by mohla být jednou z mála zemí světa, která by byla schopna vyrábět vyspělé technické komponenty (reaktorové nádoby, řídicí subsystémy pro regulaci polohy tyčí) a zajistit generální dodávku celého jaderného bloku (viz stavba JETE 1&2). O velké objemy výroby a exportu je zájem v automobilovém průmyslu a dalších oborech, nikoliv však v energetice, ve zdrojích a v exportu elektrické energie!
 

9. Závěry a výhledy

V současnosti u autora probíhá dlouhá „tříletka“, zahrnující léta 2013 až 2017 a vyvolávající dotazy:
  • Jaká bude tato „tříletka“? Bude v roce 2017 ještě zájem o energetické simulace?
  • Bude mít ještě autor dostatek aktuálních výsledků pro nové prezentace?
  • Bude ještě „česká“ elektroenergetika existovat, nebo již bude ČR elektrickou energii výhradně nakupovat z jiných nevyspělých zemí (ale s dostatkem uhlí, rudy a jiných nerostných surovin) nebo naopak z vyspělých zemí (výrobci a dodavatelé uhelných a zejména jaderných elektráren), mezi které však odmítá patřit – viz příběh JETE 3&4?

A co říci závěrem o budoucnosti české energetiky
– nevím, neznám, ale bude spíše chmurná než optimismem prozářená…
 
Literatura:
[1] NEUMAN, P. – ŠULC, B. – JAROLÍMEK, A.: Inženýrské modely a simulátory regulace uhelného parního kotle. 1999.
[2] NEUMAN, P. – ŠULC, B. – ALAM JAN, J. – TAUCHMAN, M.: Simulátory parních kotlů v programu Matlab-Simulink a možnosti realizace jejich operátorských rozhraní. 2000.
[3] NEUMAN, P. – POKORNÝ, M. – VARCOP, L. – WEIGLHOFER, W.: Engineering and Operator Training Simulator of Coal-fired Steam Boiler. 2002.
[4] NEUMAN, P. – POKORNÝ, M. – VARCOP, L. – WEIGLHOFER, W.: Operator Training Simulator of Coal-fired Power and Heating Units. 2003.
[5] NEUMAN, P. – POKORNÝ, M. – VARCOP, L. – WEIGLHOFER, W.: Operator Training Simulator and its Submodel of Coal-pulverized Mill. 2004.
[6] NEUMAN, P. – POKORNÝ, M. – TUŠLA, P. – VARCOP, L. – WEIGLHOFER, W.: Simulační trenažéry elektroenergetických výrobních bloků a rozvoden. 2005.
[7] NEUMAN, P.: Možnosti modelování synchronních generátorů pro dispečerské trenažéry. 2006.
[8] NEUMAN, P.: Modelování přechodových elektromagnetických dějů v elektrizační soustavě pro účely simulace kritických stavů.
2007.
[9] NEUMAN, P.: Simulátor ochran a protihavarijních automatik – modely výkonových transformátorů. 2008.
[10] NEUMAN, P. – HRUŠKA, Z. – HRDLIČKA, P. – PŘÍHODA, M.: BlackStart jako zvláštní případ ostrovního provozu. 2009.
[11] NEUMAN, P. – JIRKOVSKÝ, J.: Možnosti simulace zařízení Synchrotakt u trenažérů elektráren a elektrárenských soustav. 2011.

(všechny příspěvky v seznamu jsou dostupné on-line na www.humusoft.cz, záložka Archiv/Achiv konferencí/Archiv Technical Computing Prague/Bratislava)

 

 
Ing. Petr Neuman, CSc.,
Neureg, s. r. o., Praha
 
Obr. 1. Blokové schéma lineárního modelu parního kotle
Obr. 2. Blokové schéma extremální regulace spalování
Obr. 3. Schéma spojení lineární a nelineární části modelu
Obr. 4. Závislost investičních nákladů na typu simulátoru
Obr. 5. Zjednodušený instruktorský monitor vytvořený přímo v prostředí Matlab
Obr. 6. Schéma subsystému napájení a bubnu kotle v prostředí Simulink
Obr. 7. Blokové schéma zapojení realisticky modelované parní turbíny do celého alternativního modelu turbogenerátorového soustrojí v prostředí Simulink
Obr. 8. Přehledové schéma operátorského tréninkového simulátoru (OTS) s pracovištěm instruktora a pracovištěm operátora-žáka
Obr. 9. Parkův model synchronního generátoru v programu Simulink
Obr. 10. Model bloku buzení s omezením diagramu P-Q (indikační výstupy: HMP – horní mez činného výkonu, OMU – mez podbuzení, OSP – omezovač statorového proudu, ORP – omezovač rotorového proudu)
Obr. 10. Model bloku buzení s omezením diagramu P-Q (indikační výstupy: HMP – horní mez činného výkonu, OMU – mez podbuzení, OSP – omezovač statorového proudu, ORP – omezovač rotorového proudu)
Obr. 11. Způsob emulace originálního diagramu P-Q v softwaru InTouch (reálné zobrazení pojme současně všech šest bloků)
Obr. 12. Software pro simulování dynamiky energetických systémů (programu Eurostag): časová okna přechodových dějů
Obr. 13. Modelování transformátorů: dílčí model „mrtvá zóna“ (dead zone)
Obr. 14. Simulované průběhy proudů a zemního napětí zobrazené „osciloskopem“ v programu Simulink
Obr. 15. Schéma napájecí trasy separátu ELI–JETE (zjednodušené jednopólové schéma)
Obr. 16. Charakteristika P-Q vlastní spotřeby VS 6,3 kV elektrárny EOP (výřez ze zobrazení na monitoru)
Obr. 17. Emulace skříně fázování, instruktor – stav „sfázováno“
Obr. 18. Rozšířené vazby mezi simulačními programy pro energetiku (použité zkratky viz poznámka pod tab. 1)
 
Tab. 1. Softwarové simulační nástroje a jejich vhodnost pro vývoj simulátorů a trenažérů pro energetiku