Назначение и классификация автоматических устройств в электроэнергетике

Основная особенность производства, передачи и распределения элек­троэнергии заключаются в необходимости сохранения равенства вырабаты­ваемой и потребляемой электрической мощности в каждый момент времени. Любое изменение этого баланса неизбежно ведет к возникновению электро­механических переходных процессов, которые протекают так быстро, что об­служивающий персонал не в состоянии оперативно реагировать на изменив­шуюся ситуацию и принять соответствующие меры направленные на сохра­нение нормального режима.

Например, при внезапном увеличении нагрузки в энергосистеме, что может произойти в момент подключения мощного потребителя, наблюдается дефицит мощности, что приведет к неизбежному снижению частоты в энер­госистеме и может стать причиной развития аварии. В данной ситуации не­обходимо либо увеличить вырабатываемую мощность в системе, либо от­ключить часть наименее ответственных потребителей. Скоротечность рас­сматриваемых процессов такова, что эффективное выполнение указанных действий возможно только с применением автоматических устройств.

Другой особенностью работы энергосистемы является постоянное воз­действие на нее случайных возмущающих факторов (например, КЗ), приво­дящих к возникновению аварийных режимов. Время существования аварий­ного режима напрямую связанно с величиной ущерба и должно быть мини­мальным. В этой ситуации опять необходимы быстродействующие автомати­ческие устройства, устраняющие причину возникновения аварии (например, отключая поврежденный объект).

Однако, устранение причины возникновения аварии не приводит к вос­становлению нормального режима (так как поврежденный объект отключен). Наблюдается так называемый послеаварийный режим. Параметры энергосис­темы (как технические, так и экономические) в послеаварийном режиме да­леки от оптимальных. Поэтому основная задача в послеаварийном режиме – сформировать ряд воздействий, направленных на восстановление нормаль­ного режима. Применение автоматических устройств в данной ситуации по­зволяет значительно сократить время восстановления нормального режима.

Таким образом, функционирование энергосистемы происходит по сле­дующей схеме: нормальный режим → аварийный режим → послеаварийный режим → нормальный режим. На каждом этапе необходимо применение ав­томатических устройств. В нормальном режиме для контроля и управления параметрами энергосистемы с целью обеспечения ее оптимального функцио­нирования. В аварийном режиме для устранения причин возникновения ава­рии. В послеаварийном режиме для восстановления нормального режима ра­боты энергосистемы.

Рассмотренные выше особенности энергетического производства при­вели к широкой автоматизации энергетических систем. Под автоматизацией энергосистем понимается оснащение их автоматическими устройствами, осуществляющими управление технологическим процессом производства, передачи и распределения электрической энергии в нормальных, аварийных и послеаварийных условиях без участия человека в соответствии с програм­мой, заложенной в эти устройства, и их настройкой.

По принципу действия все автоматические устройства делятся на уст­ройства автоматического управления и устройства автоматического регули­рования.

По назначению и области применения автоматические устройства можно разделить на автоматику технологическую и автоматику системную.

Технологическая автоматика обеспечивает автоматическое управление или регулирование в нормальном режиме и имеет местное значение. К таким устройствам относится автоматика пуска и включения синхронных генерато­ров на параллельную работу, автоматическое регулирование напряжения и др.

Системная автоматика обеспечивает автоматическое управление или регулирование как в нормальном, так и в аварийном и послеаварийном ре­жиме. Она может иметь как общесистемное, так и местное значение. Харак­терной особенностью системной автоматики является ее влияние на пара­метры работы энергосистемы в целом. К устройствам системной автоматики можно отнести автоматику повторного включения, автоматическую частот­ную разгрузку, устройства автоматического регулирования частоты и мощ­ности синхронных генераторов и др.

С другой стороны, автоматические устройства, необходимые для обес­печения оптимальной работы энергосистемы в нормальном режиме можно отнести к автоматике нормального режима. А устройства, необходимые для устранения причин и/или последствий аварийного режима к противоаварий­ной автоматике. Автоматика нормального режима включает в себя устрой­ства, относящиеся как к технологической, так и к системной автоматике. Противоаварийная автоматика является в основном системной.

Раздел 1: противоаварийная автоматика

1. Основные задачи и виды устройств противоаварийной автоматики.

В нормальном режиме работы ЭЭС ее параметры (напряжение, частота, перетоки мощностей и т.д.) остаются практически неизменными и обеспечи­вают оптимальное функционирование всей системы в целом.

Любые возмущения в энергосистеме приводят к отклонению этих па­раметров (например, снижение напряжения в отдельных узлах ЭС). При этом ЭС переходит в утяжеленный режим, характеризующийся кратковременным отклонением режимных параметров в допустимых пределах. Задачей автома­тического управления является предотвращение развития аварии и восста­новление нормального режима.

В тех случаях, когда хотя бы один из режимных параметров выходит за допустимые пределы, ЭС переходит в аварийный режим работы. Аварийный режим может возникать как следствие утяжеленного режима работы ЭС (на­пример, при снижении частоты в ЭС), так и непосредственно из нормального режима (например, при КЗ). Задачами автоматического управления в аварий­ном режиме являются:

1) выявление и, по возможности, устранение возмущающего воздействия;

2) предотвращение дальнейшего развития аварии;

3) восстановление нормального режима.

1.1. Возмущающие воздействия.

Приводят к скачкообразным изменениям мощностей, передаваемых по ЛЭП и значительным изменениям режимных параметров ЭЭС. Такие воздей­ствия могут приводить к нарушениям динамической и статической устойчи­вости ЭЭС.

По степени тяжести различаются три группы опасных возмущающих воздействий:

Первая группа: отключение ЛЭП напряжением до 500 кВ при однофаз­ных КЗ на землю или линиях напряжением более 500 кВ при успешном АПВ, а так же отключение одного блока, кроме наиболее мощного в ЭС.

Вторая группа: отключение ЛЭП любого напряжения при двухфазных КЗ на землю, отключение наиболее мощного генератора или двух генерато­ров АС (относящихся к одному реактору), одновременное отключение двух цепей или линий.

Третья группа: однофазные КЗ на землю на линиях или шинах любого напряжения при отказе одного из выключателей, отключение генераторов одной системы шин или распредустройства одного из напряжений при сум­марной мощности более половины мощности всей электростанции.

1.2. Противоаварийные управляющие воздействия.

Направлены на достижение следующих целей:

1) Повышение пропускной способности ЛЭП.

2) Снижение генерируемой мощности в избыточной ча­сти ЭЭС при по­вышении частоты в системе.

3) Увеличение генерируемой мощности в дефицитной ча­сти системы при снижении частоты.

4) Уменьшение суммарной мощности нагрузки при дефиците мощно­сти в энергосистеме.

5) Увеличение нагрузки синхронных генераторов передающей части.

Для достижения этих целей используются следующие управляющие воздействия:

1) Форсировка возбуждения (ФВ) синхронных генераторов, т.е. бы­строе кратковременное увеличение ЭДС генера­торов до допустимого уровня, приводящее к повышению напряжения на шинах электростанции и увеличи­вающее предел передаваемой мощности электропередачи.

2) Импульсная разгрузка турбоагрегатов (ИРТ), т.е. кратковременное снижение мощности паровых турбин.

3) Электрическое торможение (ЭТ) гидроагрегатов, т.е. быстрое крат­ковременное подключение к ним искусственной нагрузки.

4) Перевод тиристорных преобразователей в режим инвертирования, обеспечивающее накопление электроэнергии в приемной части.

Для сохранения статической устойчивости в послеаварийном режиме используются противоаварийные управляющие воздействия, обеспечи­ваю­щие:

1) Изменение настройки АРВ сильного действия, повышающее пропу­скную способность ЛЭП.

2) Форсировку продоль­ной компенсации (ФПК).

3) Отключение реакторов, повышающее напряжения в начале и в конце линии.

4) Длительную разгрузку турбоагрегатов ТЭС (ДРТ), отключение части гидрогенераторов.

5) Быструю загрузку недогруженных гидрогенераторов (БЗГ) и пере­вод синхронных компенсаторов в генераторный режим.

6) Частичное отключение нагрузки.

Противоаварийные управляющие воздействия общесистемной проти­воаварийной автоматики вырабатываются управляющим вычисли­тельным комплексом, расположенным на диспетчерском пункте. Необходимые сиг­налы о параметрах нормального, аварийного и послеаварийного режимов, о конфигурации элек­троэнергетической системы и о происходящих отключе­ниях выключате­лей, а также противоаварийные управляющие воздействия передаются по высокочастотным каналам связи.

1.3. Основные функции и особенности устройств противоаварийной автоматики.

Устройства противоаварийной автоматики выполняют следующие функции:

1) Фиксация возмущающего воздействия или опасных изменений ре­жимных параметров.

2) Запоминание параметров предаварийного и оценка послеаварийного режимов.

3) Оценка степени тяжести возмущающего воздействия и необходимо­сти управляющих воздействий.

4) Выработка видов, интенсивности и длительности противоаварийных управляющих воздействий и выбор управляемых электроэнергетических объектов.

5) Запоминание интенсивности управляющих воздействий и степень их эффек­тивности.

Эффективность устройств противоаварийного упра­вления определя­ется их быстродействием и дозировкой управляющих воздействий, что явля­ется их главной особенностью.

Существенной особенностью является использование недостаточной или частичной информации о происходящих в системе процессах при разви­тии аварии.

Трудности обеспечения эффективности противоаварийного управле­ния связаны с большим разнообразием возму­щающих воздействий, изменениями исходных режимов и необходимо­стью корректировки управляющих воздей­ствий в реальном времени. Поэтому наблюдается тенденция перехода к сис­темам на микропроцессорной элементной базе.