Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Основным практическим результатом выполнения проекта в 2022 году явилась серия новых методов для адаптивной оптимизации и настройки регуляторов в электроэнергетических системах (ЭЭС). Получены следующие результаты. ▪ Завершено тестовое исследование нового селективного LQ метода, который позволяет учитывать в глобальной оптимизации только выбранный набор колебаний и повысить гибкость и точность автоматической настройки регуляторов. Численные эксперименты с тестовой моделью IEEE подтвердили, что селективный подход улучшает результаты известного LQR метода при подавлении низкочастотных межрайонных колебаний. Результаты опубликованы в [4]. ▪ Разработана концепция адаптивных регуляторов ветрогенерирующих установок (ВГУ), устройств регулирования напряжения и средств компенсации реактивной мощности в ЭЭС. Для синтеза адаптивного MIMO-регулятора ВГУ был использован алгоритм обучения с подкреплением Trust Region Policy Optimization (TRPO), выполняющий одновременную оптимизацию угла поворота лопастей и крутящего момента генератора. При использовании TRPO процесс управления ВГУ представляется в виде марковского процесса принятия решений. Серия экспериментов с эталонной моделью ВГУ NREL подтвердила, что алгоритм TRPO вырабатывает последовательность оптимальных стратегий. По результатам подготовлен доклад на Всемирный конгресс IFAC в 2023 году. ▪ Предложена концепция интеллектуальной автоматики регулирования напряжения и реактивной мощности (ИАРН) в ЭЭС, использующей мультиагентные технологии для предотвращения нарушения устойчивости по напряжению. Модель ИАРН реализует две мультиагентные подсистемы адаптивной настройки регуляторов напряжения. Для адаптивного регулирования уставок АРВ синхронных генераторов предлагается модель децентрализованной мультиагентной противоаварийной автоматики, где генераторы используются в качестве агентов. Роль автоматики для децентрализовано-централизованного управления средствами компенсации реактивной мощности выполняет подсистема на основе роевого интеллекта и машинного обучения. Эффективность ИАРН продемонстрирована на примере схемы Бодайбинского энергетического кольца северной части ЭЭС Иркутской области. Результаты приняты к публикации в журнал «Электроэнергия. Передача и распределение». ▪ Разработан метод оптимальной настройки стабилизаторов для подавления глобальных низкочастотных колебаний в сети, который основан на представлении ЭЭС в форме графа связанных осцилляторов с пропорционально-дифференциальными регуляторами. Для настройки регуляторов применен метод эталонной модели и эвристические алгоритмы. Результаты метода и его тестирования на модели двухрайонной ЭЭС опубликованы в [10]. ▪ Для оптимального управления электропотреблением микросети разработана многокритериальная модель автоматики Local EMS (Energy Management System) на основе алгоритма обучения с подкреплением. Для обучения агента предложено использовать метод Монте-Карло для поиска в дереве (МКПД). Система управляет различными сетевыми активами в микросети: накопителями энергии, дизельными генераторами и газогенераторами. В процессе обучения агент МКПД ищет оптимальную стратегию управления микрогридом для максимизации общественного благосостояния. Тестирование Local EMS выполнено на примере реальных микросетей посёлков побережья Японского моря. В ходе выполнения проекта получен ряд других важных прикладных результатов: ▪ Разработан метод оценки отдельных мод и модальных взаимодействий на основе модальных показателей LMA, полученных на основе измерений. В качестве измеряемых данных используются возмущенные сигналы напряжения в узлах сети. Из этих сигналов выделяются спектральные компоненты, соответствующие отдельным собственным колебаниям. Затем коэффициенты модальных вкладов и модальных взаимодействий по Ляпунову вычисляются как интегралы произведения выделенных модальных компонент в узлах системы в выбранном временном окне. Метод изложен в статье, поданной в Int. J. Electr. Energy Syst. ▪ Разработана квадратичная математическая модель двухрайонной ЭЭС в пространстве состояний в аналитическом виде. Модель может применяться в теоретических и практических исследованиях, связанных с нелинейным анализом устойчивости ЭЭС. Показано, что учёт квадратичных членов приводит к существенному пополнению слабо демпфированной части спектра матрицы динамики системы. Предложенный метод можно распространить на ЭЭС более крупных размеров, а разработанное ПО допускает модернизацию на случай учёта членов третьего и более высоких порядков малости. Результаты опубликованы в журнале Управление большими системами [5]. ▪ Исследованы технические системы, включающие процессы с существенно разными постоянными времени. Разработана математическая модель преобразователя постоянного тока, которая включает процессы в индуктивностях, емкостях и резисторах с большими постоянными времени, и процессы, связанные с высокочастотной коммутацией транзисторных ключей с малыми постоянными времени. Модель можно использовать для создания и оптимизации систем управления мультифазовыми преобразователями и накопителями на базе суперконденсаторов. Также разработана математическая модель дуговой печи, которая включает процессы в гидравлической системе управления электродами с большими постоянными времени, и процессы в электрической части с малыми постоянными времени. Модель можно использовать для оптимального управления гидравликой, осуществляющей перемещение электродов, и оптимизации режимов работы печи с перекосом по фазам. При выполнении проекта получены следующие основные теоретические результаты: ▪ Разработан метод и алгоритмы вычисления элементов матриц псевдоганкелевых матриц через элементы спектральных разложений грамианов управляемости и/или грамианов наблюдаемости в точках простого или парного спектра матрицы динамики линейной системы. Разработан метод и аналитические формулы для вычисления грамианов управляемости или грамианов наблюдаемости для линейных стационарных устойчивых систем, заданных уравнениями состояния в канонических формах управляемости и наблюдаемости. Разработан метод и аналитические формулы для вычисления элементов грамианов управляемости для билинейных стационарных устойчивых систем, заданных уравнениями состояния в канонических формах управляемости. Результаты опубликованы в журнале Mathematics [8] (Q1 WoS). ▪ Разработаны методы построения интеллектуальных билинейных моделей для последующего анализа устойчивости систем электроснабжения с помощью метода спектральных разложений грамианов билинейных дискретных динамических систем. Предиктивные билинейные модели реального времени формируются с помощью алгоритмов идентификации, основанных на интеллектуальном анализе статистических данных и выявлении значимых закономерностей - индуктивных знаний с помощью методов машинного обучения. Алгоритмы отличаются высоким быстродействием, поскольку основная вычислительная нагрузка приходится на стадию обучения. Возможность анализа и прогнозирования в условиях нестационарности реализуется посредством применения аппарата вейвлет-анализа. Результаты опубликованы в серии докладов [1,2,6,7] в журнале IFAC PapersOnLine. ▪ Исследована содержательная интерпретация показателей модального анализа по Ляпунову. Определение модального вклада по Ляпунову обобщено на случай конечного интервала времени. На примере модели автомобильной подвески эти показатели проинтерпретированы как физическая энергия, а мнимые части модальных показателей проинтерпретированы как информация о фазе собственных колебаний системы. Результаты опубликованы в (System Science and Control Engineering, 2022, 10(1), 428-435). По результатам выполнения проекта в 2022 году опубликовано 4 статьи в журналах Mathematics (Q1 WoS, IF = 2.592), System Science and Control Engineering (Q2 Scopus, IF = 1.247), «Автоматика и телемеханика» и «Управление больщими системами». Сделано 7 докладов на конференциях IFAC (опубликованы в открытом журнале IFAC PapersOnLine).

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основным практическим результатом выполнения проекта в 2023 году явилась разработка новых спектральных и структурных методов для адаптивного мониторинга и управления устойчивостью в электроэнергетических системах (ЭЭС). Получены следующие результаты. • В журнале International Journal of Electrical Power and Energy Systems (IF JCR = 5.2, Q1) опубликован метод оценки положения и структуры отдельных межрайонных колебаний и их взаимодействий на графе сети ЭЭС на основе модального анализа по Ляпунову (LMA) [5]. Предложенный метод может быть использован для анализа резонансных явлений, возникающих в современных ЭЭС. Применение метода проинтерпретировано для неустойчивых систем и распространено на случаи, когда модель системы не может быть линеаризована достаточно точно, но можно построить псевдоспектральное разложение динамики системы на основе измеряемых данных. • В статье [6] опубликованы результаты тестирования метода оценки положения и структуры отдельных мод и модальных взаимодействий в сети ЭЭС на основе модальных показателей LMA, полученных из измерений. Получены выражения модальных вкладов по Ляпунову на основе данных, получаемых методом Прони из измерений в нелинейной системе. В ходе моделирования переходных процессов напряжения в узлах сети тестовой модели ЭЭС проведено сравнение измерительной и модельной модификаций метода. • Исследовано применение подхода LMA к задаче идентификации местоположения источника вынужденных колебаний в сети. Предложены аналитические формулы для оценки профиля возмущений напряжения в сети ЭЭС, вызванных вынужденными колебаниями в заданном узле на резонансной частоте межрайонных колебаний системы. Проведено численное моделирование структуры возмущений в сети ЭЭС, возникающих под действием вынужденных колебаний с разным положением источника. Проведены сравнения профилей возмущений, полученных по формулам и полученных на основе численного моделирования. • На основе подхода неявной эталонной модели разработаны две модификации алгоритма оптимальной настройки системных стабилизаторов ЭЭС в приближении модели электромеханических колебаний (swing equation model). Первая модификация основана на процедуре адаптивной настройки, которая стремится сохранить «эталонные» значения коэффициентов в полиномах знаменателей передаточных функций отдельных генераторов. Вторая модификация основана на процедуре адаптивной настройки, которая стремится сохранить «эталонные» значения коэффициентов в характеристическом полиноме всей системы генераторов в целом. При выполнении проекта получены следующие результаты, имеющие общее значение для развития теории управления. • Для линейных непрерывных стационарных устойчивых линейных систем с простым спектром, приведенных к каноническим формам управляемости и наблюдаемости, разработан метод и получены аналитические формулы спектральных разложений грамианов в форме псевдоганкелевых матриц (матриц Сяо). Разработан метод и алгоритм вычисления обобщенных матриц Сяо в виде произведения Адамара для MIMO многосвязных непрерывных линейных систем, которые упрощают итеративные процедуры для нахождения спектральных разложений грамиана для непрерывных билинейных систем и формирование достаточных условий BIBO устойчивости для стационарных билинейных систем. Результаты опубликованы в [13]. • В статье [12] получены спектральные разложения грамианов и энергетических метрик управляемости и наблюдаемости непрерывных неустойчивых стационарных линейных динамических систем с многими входами и многими выходами. Эти разложения обобщают полученные ранее результаты на случай неустойчивых динамических систем и могут быть использованы в алгоритмах оптимального размещения датчиков и исполнительных механизмов систем управления в сетях. • Построены предиктивные модели билинейных систем, полученные с помощью цифровых алгоритмов идентификации, основанных на интеллектуальном анализе статистических данных и выявлении индуктивных знаний с помощью методов машинного обучения и ассоциативного поиска. Разработаны методы прогнозирования перехода к хаотической динамике, что характеризует, в частности, реализацию фазовых переходов исследуемых динамических процессов. Разработаны алгоритмы сценарного предиктивного моделирования состояния билинейных систем. Создаваемые методы и алгоритмы предиктивного моделирования, а также формируемый критерий оценивания риска потери устойчивости энергосистем будут способствовать повышению эффективности про-активного управления электроэнергетическими системами и объектами, в частности, для раннего предупреждения нештатных и аварийных ситуаций. Результаты исследований опубликованы в серии работ [1-4]. В ходе выполнения проекта проведены исследования и разработаны новые прикладные методы, направленные на развитие технологий цифровой и возобновляемой энергетики. • Завершено тестирование адаптивного MIMO-регулятора для управления ветрогенерирующей установокой на базе алгоритма оптимизации политики с доверительной областью (Trust Region Policy Optimization). Предложен метод построения ядра «разумной» адаптивной системы с помощью методов обучения с подкреплением, способных самостоятельно находить "идеальное" управление в процессе обучения. Работа регулятора протестирована на серии экспериментов, проведённых с использованием реальной модели ветрогенерирующей установки Enercon E-126 EP3 4,0 МВт для ветровых условий офшорного ветропарка в Валенсии (Ирландия). Результаты исследования опубликованы в [10] в журнале «Mathematics». • На основе тестовых схем IEEE и реальной схемы Азербайджанской энергосистемы проведён анализ операционных режимов при различных долях установленной суммарной мощности ветроэлектростанций (ВЭС) с их изменяющимся числом. Предложен подход оценки резерва для балансирования активной мощности в системе с доминантной долей ВИЭ. Установлено, что увеличение числа ВЭС, подключённых к системообразующей схеме в разных её узлах, существенно сокращает потребность в резерве мощности. По результатам принята к публикации статья [8]. • Разработана модель системы управления городским мультиэнергетическим сообществом в рамках концепции "интеграции зданий в сеть". Структура модели реализована на базе мультиагентного обучения с подкреплением для достижения целей как распределительной сети, так и подключенных к ней зданий, имеющих системы управления климатом типа HVAC (Heating, Ventilation, & Air Conditioning). Модель апробирована на потенциальном сценарии формирования мультиэнергетического сообщества энергорайона Академгородка г. Иркутска. По результатам подготовлена и принята к печати глава книги [9] в серии Lecture Notes in Networks and Systems. • На основе метода LMA, опубликованного в [5], проведено моделирование действий тиристорно-управляемых последовательных конденсаторов (TCSC), которые часто применяются в ЭЭС, где задействованы мощные ВЭС. В экспериментах потенциально опасные модальные взаимодействия воспроизводились через изменение реактивного сопротивления ключевых линий в ЭЭС Новой Англии, что имитировало работу TCSC. Показано, что метод LMA может быть эффективно использован для анализа резонансных явлений, возникающих в современных ЭЭС, особенно в связи с ростом ВИЭ и активным использованием тиристорных преобразователей. Результаты моделирования приведены в [5]. По результатам выполнения проекта в 2023 году опубликовано или принято в печать 10 статей в журналах: International Journal of Electrical Power and Energy Systems (IF JCR = 5.2, Q1), две статьи в «Mathematics» (IF JCR = 2.4, Q1 WoS), «Автоматика и телемеханика» (две статьи, «Электроэнергия. Передача и распределение», «Управление большими системами», «Информационные технологии и вычислительные системы», «Energy System Research», «Автоматизация в промышленности». Сделано два доклада на конференциях IFAC и IEEE, а также принята к публикации глава в книге серии Lecture Notes in Networks and Systems.