Техническое, математическое и информационное обеспечение системы управления источниками импульсного электропитания токамака КТМ

Общая характеристика работы. На пути создания первого промышленного
реактора, работающего на основе реакции управляемого термоядерного синтеза
мировое научное сообщество столкнулось с рядом существенных задач, как
научного, так и инженерно-технического плана. В первую очередь, это реализация
условий, необходимых для протекания реакции управляемого термоядерного
синтеза. Вместе с этим, существует проблема поиска и испытания материалов, и на
их основе создания ответственных узлов и комплектующих, способных работать в
потоках высокоэнергетических частиц при экстремальных тепловых нагрузках,
которые будут иметь место внутри разрядной камеры будущего термоядерного
реактора.
В целях проведения исследований по взаимодействию материалов
ответственных узлов и комплектующих термоядерных реакторов будущего с
высокотемпературной плазмой, в г. Курчатов (Республика Казахстан) создается
стендовый комплекс казахстанского материаловедческого токамака КТМ.
Уникальный проект КТМ позволит испытывать материалы под тепловой нагрузкой
на них до 20 МВт/м2. Кроме того, оригинальные проектные решения КТМ позволят
решать множество различных задач как плазмофизического, так и инженерно-
технического характера.
Условие возникновения и качество плазменного разряда в установке токамак
напрямую зависит от возможности реализации довольно сложной диаграммы
эволюции токов в обмотках её электромагнитной системы. Для электромагнитной
системы токамака КТМ характерно наличие: обмотки центрального соленоида
(CS), обмоток полоидального поля (PF1-PF6), обмоток быстрой вертикальной
стабилизации плазмы (HFC (u/d)), обмотки тороидального поля (TF) [1].
Создание исполнительного механизма системы управления плазмой в виде
системы импульсного электропитания обмоток токамака и её системы управления
с необходимым техническим, математическим и информационным обеспечением
представляет собой нетривиальную задачу. Необходимо учитывать требования,
предъявляемые к такой системе со стороны сценариев изменения тока в обмотках
токамака, ограничения накладываемые на источники электропитания со стороны
питающей сети и нагрузки. Учитывая, что в процессе плазменного разряда система
импульсного электропитания токамака КТМ будет обеспечивать управление
потоками мощности на уровне 126 МВА – необходимо обеспечить согласованную,
безаварийную работу всего оборудования, входящего в состав вышеуказанной
системы [1].
Диссертационная работа посвящена исследованию процессов, протекающих
в электромагнитной системе токамака КТМ и контуре её электропитания,
разработке системы импульсного электропитания как исполнительного механизма
системы управления плазмой, созданию и внедрению на основе полученных
результатов алгоритмов управления и противоаварийной защиты
электротехнического и технологического оборудования комплекса КТМ.
Актуальность работы. В настоящее время решение грядущей
энергетической и экологической проблемы мировое научное сообщество видит в
развитии технологий управляемого термоядерного синтеза. Наиболее
перспективным прототипом термоядерного реактора будущего признана установка
типа токамак. Для реализации необходимых сценариев изменения тока в обмотках
казахстанского материаловедческого токамака КТМ создана специализированная
система импульсного электропитания, представляющая собой сложный,
распределенный электротехнический комплекс с собственной системой цифрового
управления. Учитывая стоимость силового электрооборудования, входящего в
систему импульсного электропитания токамака, характер работы данного
оборудования в условиях проведения плазменного разряда, трудоемкость
ликвидации последствий возможных аварий – для разработки и отладки
алгоритмов управления и противоаварийной защиты системы импульсного
электропитания представляется целесообразным кроме классических расчетных
методов применение методов аналитического и имитационного компьютерного
моделирования.
Полученная компьютерная модель системы электропитания КТМ будет
применяться для оценки режимов работы системы при каждом кардинальном
изменении базового сценария плазменного разряда. Разработанные и
верифицированные при помощи вышеуказанной модели алгоритмы управления
будут использованы в контуре управления источниками импульсного
электропитания токамака КТМ. Подходы, примененные при формализации и
верификации алгоритмов противоаварийного управления и приведения
оборудования системы электропитания токамака КТМ в безопасное состояние,
расширят базу знаний по формализации и верификации алгоритмов
противоаварийных реактивных дискретно-событийных систем.
Работа выполнена в рамках проекта создания стендового комплекса
казахстанского материаловедческого токамака КТМ, тем не менее её результаты
могут быть использованы при разработке новых или модернизации действующих
установок типа токамак, а также при создании или модернизации сверхмощных
источников электропитания и их систем управления в других областях науки и
отраслях промышленности.
Основной целью данной работы является достижение требуемых
параметров, обеспечение устойчивости и повышение качества плазменных
разрядов на установке КТМ, обеспечение безопасности работы оборудования
электротехнического комплекса за счет применения оригинальных
схемотехнических решений, алгоритмов управления и защиты, обеспечение
удобства эксплуатации и оперативной диагностики оборудования КТМ,
расширение базы знаний в области технического, математического и
информационного обеспечения систем цифрового управления и
противоаварийной защиты сверхмощных источников электропитания.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие
задачи:
1. Анализ исходных данных – диаграмм (сценариев) эволюции токов в
обмотках токамака КТМ для базового сценария плазменного разряда, требований
к источникам импульсного электропитания со стороны электромагнитной системы
КТМ и электроснабжающей сети;
2. Исследование мирового опыта реализации систем импульсного
электропитания токамаков, алгоритмов их диагностики и управления;
3. Разработка схемотехнических решений источников электропитания
КТМ, как исполнительного механизма системы управления плазмой;
4. Реализация аналитической компьютерной модели источников
электропитания КТМ, совместно с их системой цифрового управления;
5. Разработка, верификация и внедрение алгоритмов управления и
диагностики источников импульсного электропитания КТМ;
6. Создание, верификация и внедрение имитационной компьютерной
модели, а также соответствующих алгоритмов противоаварийной защиты системы
электропитания КТМ;
7. Проведение комплексных испытаний источников электропитания в
условиях плазменного разряда на установке КТМ.
Объектом исследований является система электропитания обмоток
электромагнитной системы токамака КТМ, как исполнительный механизм системы
управления плазмой.
Предметом исследований являются схемотехнические решения, алгоритмы
и методы управления преобразовательным оборудованием систем импульсного
электропитания сверхмощных электрофизических установок, алгоритмы
противоаварийной защиты электротехнического оборудования и приведения
данного оборудования в безопасное состояние.
Методы исследования базируются на теории системного анализа, теории
автоматического управления, дискретной математики и математическом аппарате
сетей Петри, теории вероятностей, компьютерном моделировании
электротехнического оборудования и его систем управления. Для проведения
модельных экспериментов использовался пакет Simulink/Simscape системы Matlab,
а также специализированное программное обеспечение CPN Tools.
Научная новизна заключается в том, что в работе впервые:
1. Применены оригинальные схемотехнические решения для источников
импульсного электропитания токамака КТМ, как элементов системы управления
плазмой, позволяющие улучшить динамические параметры системы управления,
воспроизводить требуемые диаграммы эволюции токов в обмотках
электромагнитной системы токамака КТМ, учитывая все имеющиеся ограничения,
эффективно решать проблему деления токов, протекающих через параллельно
соединенные силовые полупроводниковые элементы, осуществлять
автоматический непрерывный контроль и диагностику состояния каждого
элемента системы на всех этапах проведения эксперимента. Предложена
оптимизированная, нехарактерная для других систем импульсного электропитания
токамаков схема ключа-прерывателя постоянного тока, базирующаяся
исключительно на полупроводниковых приборах, совместно с соответствующей
подсистемой управления и диагностики, позволяющие надежно переключать ток в
обмотке центрального соленоида КТМ за минимально возможное в имеющихся
условиях время. Разработаны и математически описаны алгоритмы диагностики
силового электрооборудования комплекса КТМ.
2. Разработана аналитическая компьютерная модель источников
импульсного электропитания токамака КТМ, позволяющая моделировать режимы
работы системы импульсного электропитания при различных вариантах базового
сценария плазменного разряда, осуществлять синтез и настройку контуров её
управления. Модель позволяет анализировать все ключевые параметры и режимы
работы системы импульсного электропитания КТМ с целью выявления возможных
аварийных ситуаций до загрузки сценария разряда в реальную систему управления
источниками электропитания. При разработке модели учтены ключевые
характеристики электротехнического оборудования, питающей сети, обмоток
электромагнитной системы, накладывающие ограничения на возможности
системы импульсного электропитания токамака КТМ.
3. Предложены, верифицированы и внедрены алгоритмы управления
источниками импульсного электропитания токамака КТМ. Осуществлен синтез
регуляторов в контуре управления напряжением на обмотках электромагнитной
системы КТМ. Разработан алгоритм управления источником питания обмотки
центрального соленоида (CS), использующий в процессе реверса тока в обмотке
как раздельный режим управления встречно направленными комплектами
преобразователей, так и совместный для минимизации токовой паузы в процессе
прохождения тока через нулевое значение. Таким образом, повышается
эффективность использования мощности из питающей сети, обеспечивается реверс
тока в обмотке CS без токовой паузы, что очень критично для условий
существования плазмы в токамаке. Вместе с этим, алгоритм обеспечивает
совместную и согласованную работу преобразователей источника питания CS и
полупроводникового ключа-прерывателя постоянного тока с целью получения
максимальной возможной производной тока в обмотке CS на стадии инициации
разряда и роста тока плазмы.
4. Реализована компьютерная имитационная модель системы
противоаварийной защиты комплекса КТМ в среде CPN Tools. Предложены,
верифицированы и внедрены алгоритмы противоаварийной защиты и приведения
системы электропитания токамака КТМ в безопасное состояние, отличающиеся от
известных применением при их формализации раскрашенных временных сетей
Петри, что в конечном итоге позволяет минимизировать возможность ошибки в
процессе работы распределённой реактивной системы противоаварийной защиты
комплекса КТМ, работающей в дискретно-событийном режиме.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Схемотехнические решения источников электропитания обмоток ЭМС
токамака КТМ, как элементы системы управления плазмой. Алгоритмы
диагностики силового электрооборудования комплекса КТМ. Положение
соответствует пунктам: 14 – «Теоретические основы, методы и алгоритмы
диагностирования, (определения работоспособности, поиск неисправностей и
прогнозирования) АСУТП, АСУП, АСТПП и др.», 18 – «Средства и методы
проектирования технического, математического, лингвистического и других видов
обеспечения АСУ» паспорта специальности «05.13.06».
2. Компьютерная аналитическая модель системы электропитания
токамака КТМ, позволяющая анализировать режимы работы системы
электропитания на всех этапах сценария плазменного разряда установки КТМ.
Положение соответствует пунктам: 4 – «Теоретические основы и методы
математического моделирования организационно-технологических систем и
комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация»,
6 – «Научные основы, модели и методы идентификации производственных
процессов, комплексов и интегрированных систем управления» паспорта
специальности «05.13.06».
3. Алгоритмы управления источниками питания, в том числе источником
питания обмотки центрального соленоида (CS), реализующий совместную работу
преобразовательного оборудования и ключа-прерывателя постоянного тока,
обеспечивающий требуемые сценарии изменения тока в обмотке CS, при этом
позволяющий эффективно использовать потребляемую из сети мощность.
Положение соответствует пунктам: 4 – «Теоретические основы и методы
математического моделирования организационно-технологических систем и
комплексов, функциональных задач и объектов управления и их алгоритмизация»,
18 – «Средства и методы проектирования технического, математического,
лингвистического и других видов обеспечения АСУ» паспорта специальности
«05.13.06».
4. Компьютерная имитационная модель системы противоаварийной
защиты и соответствующие алгоритмы защиты и приведения системы
электропитания токамака КТМ в безопасное состояние, минимизирующие
возможность ошибки в процессе работы системы противоаварийной защиты
комплекса КТМ. Положение соответствует пунктам: 4 – «Теоретические основы и
методы математического моделирования организационно-технологических систем
и комплексов, функциональных задач и объектов управления и их
алгоритмизация», 16 – «Теоретические основы, методы и алгоритмы построения
экспертных и диалоговых подсистем, включенных в АСУТП, АСУП, АСТПП и
др.» паспорта специальности «05.13.06».
Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная
система импульсного электропитания успешно внедрена в составе энергетического
комплекса КТМ, обеспечивающего электропитание обмоток электромагнитной
системы установки. Примененные схемотехнические решения позволяют
улучшить динамические параметры системы управления плазмой, осуществлять
оперативный контроль и диагностику состояния всех элементов системы.
Схемотехническое решение ключа-прерывателя постоянного тока, базирующееся
исключительно на полупроводниковых приборах и его подсистема управления и
диагностики позволяют переключать ток в обмотке центрального соленоида ЭМС
КТМ в минимально возможные сроки с высокой степенью надежности.
С использованием разработанной компьютерной аналитической модели
исследованы режимы работы системы электропитания, верифицированы и
внедрены в составе системы цифрового управления источниками импульсного
электропитания предложенные алгоритмы управления.
Реализована компьютерная имитационная модель системы
противоаварийной защиты, при помощи которой верифицированы и внедрены
предложенные алгоритмы диагностики и противоаварийной защиты
электроэнергетического комплекса КТМ.
Отдельные результаты исследования внедрены в учебный процесс ИЯТШ
НИ ТПУ в рамках учебного курса «Системы автоматизации экспериментов на
термоядерных установках».
Полученные результаты позволяют расширить схемотехническую базу
систем импульсного электропитания сверхмощных электрофизических установок,
базу математического и информационного обеспечения систем управления такими
электротехническими комплексами, а также круг унифицированных решений для
задач аналитического и имитационного моделирования технологических
процессов, их систем управления и противоаварийной защиты.
Степень достоверности и апробация результатов подтверждена
успешным испытанием системы импульсного электропитания обмоток
электромагнитной системы совместно с её системой цифрового управления и
противоаварийной защиты токамака КТМ, являющегося одной из базовых
установок Республиканского государственного предприятия «Национальный
ядерный центр Республики Казахстан», а принятые в работе авторские решения
основаны на анализе практики и обобщении передового опыта, проверенных
методах и методиках исследований в области автоматического управления, теории
математического моделирования, силовой электроники и электротехники.
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались
на:
1. Конференции по малым аппаратам термоядерного синтеза (19th IAEA
TM on Research Using Small Fusion Devices), Республика Казахстан, г. Курчатов,
2009 г.
2. VII Международной научно-практической конференции «Физико-
технические проблемы в науке, промышленности и медицине», Российская
Федерация, г. Томск, 2015 г.
3. The 21st International Symposium on Heavy Ion Inertial Fusion,
Kazakhstan, Astana, 2016.
4. IV Inter. Sci. and Tech. Conf. «Innovative Designs and Technologies of
Nuclear Power, Sept. 27-30, 2016, Moscow», NIKIET, 2016.
5. XIII Международной конференции «Газоразрядная плазма и её
применение», Российская Федерация, г. Новосибирск, 2017 г.
6. XXIV Международной научно-технической конференции студентов и
аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» на базе
Национального исследовательского университета «Московского энергетического
института», Российская Федерация, г. Москва, 2018 г.
7. VIII Международной конференции «Семипалатинский испытательный
полигон: наследие и перспективы развития научно-технического потенциала»,
Республика Казахстан, г. Курчатов, 2018 г.
8. V Международной научно-технической конференции НИКИЭТ
«Инновационные проекты и технологии ядерной энергетики», Российская
Федерация, г. Москва, 2018 г.
9. Международной научно-практической конференции студентов,
аспирантов и молодых ученых «Физико-технические проблемы в науке,
промышленности и медицине (ФТПНПМ-2019)», Российская Федерация, г. Томск,
2019 г.
Публикации по теме диссертации включают 15 печатных работ: 4 статьи в
рецензируемых журналах, рекомендуемых ВАК РФ из них 2 статьи в журналах,
индексируемых в базах данных Scopus и WoS; 1 статья в зарубежном журнале,
индексируемом в Scopus; 1 статья в журнале, рекомендуемом Министерством
образования и науки Республики Казахстан и 9 докладов и тезисов в сборниках
трудов конференций; получены: 1 свидетельство о регистрации программы для
ЭВМ и 2 акта внедрения результатов работы.
Вместе с этим, результаты исследований отражены в соответствующих
научно-технических отчетах, в технических и рабочих проектах на систему
импульсного электропитания электромагнитной системы установки КТМ и её
систему цифрового управления.
Личный вклад автора. Основные исследования, представленные в
диссертации, выполнены автором лично, либо при непосредственном его участии.
Выбор направления исследований выполнен совместно с научным руководителем.
В рамках реализации данной работы автором выполнено:
 Анализ исходных данных в целях разработки и внедрения системы
импульсного электропитания токамака КТМ, как исполнительного механизма
системы управления плазмой;
 Анализ мирового опыта построения систем импульсного
электропитания сверхмощных электрофизических установок типа токамак;
 Непосредственное участие в разработке схемотехнических решений
системы импульсного электропитания комплекса КТМ;
 Постановка задач и непосредственное участие в компьютерном
моделировании системы импульсного электропитания токамака КТМ совместно с
системой цифрового управления и противоаварийной защиты;
 Проведение теоретических и экспериментальных исследований в целях
осуществления синтеза алгоритмов управления и противоаварийной защиты;
 Верификация с помощью разработанных компьютерных моделей
алгоритмов управления источниками импульсного электропитания токамака КТМ
и их противоаварийной защиты;
 Внедрение системы импульсного электропитания, алгоритмов
управления и противоаварийной защиты электроэнергетического оборудования на
комплексе казахстанского материаловедческого токамака КТМ;
 Сравнение результатов, полученных практически с результатами,
полученными в ходе теоретических исследований;
 Опубликование результатов исследований.
Диссертационная работа выполнялась в рамках реализации:
Республиканской бюджетной программы Республики Казахстан (005, 059, 045 и
106) «Создание Казахстанского термоядерного материаловедческого реактора
Токамак КТМ»; Целевой бюджетной программы Республики Казахстан «Научно-
техническое обеспечение экспериментальных исследований на Казахстанском
материаловедческом токамаке КТМ»; Соглашения о совместном использовании
токамака КТМ странами СНГ в рамках Программы сотрудничества государств-
участников СНГ в области мирного использования атомной энергии
“СОТРУДНИЧЕСТВО “АТОМ-СНГ”; Федеральной целевой программы
«Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-
технологического комплекса России на 2014-2020 годы»; НИОКР
«Совершенствование системы управления плазмой, сбора и обработки
экспериментальных данных Казахстанского материаловедческого токамака