Введение

Процесс производства и передачи электроэнергии является столь ди­намичным и постоянно подверженным случайным возмущающим воз­действиям, что без автоматического управления его функционирование невозможно. Такие его особенности, как равенство в каждый момент времени генерируемой и случайно изменяющейся, требуемой нагрузкой, мощностей, время от времени возникающие короткие замыкания, вы­сокая быстротечность электромагнитных и электромеханических пере­ходных процессов, обусловили развитие технических средств автомати­ческого управления еще в начальный период становления электроэнер­гетики. Под автоматическим понимается управление процессом про­изводств, передачи и потребления электроэнергии в целом без непосред­ственного участия человека.

На современном этапе автоматическое управление производится от­дельными электроэнергетическими объектами и их взаимодействующи­ми совокупностями. Управление процессом производства и передачи электроэнергии в целом пока еще осуществимо лишь при некотором опе­ративном вмешательстве человека - диспетчера электроэнергетической системы (ЭЭС). Такое управление называется автоматизированным. Оно реализуется автоматизированной системой диспетчерского управле­ния (АСДУ) (рис. В.1), важнейшей частью которой является управляю­щий вычислительный комплекс УВК, расположенный на диспетчерском пункте (ДП) электроэнергетической системы [3].

Автоматическое управление осуществляется на основе переработки информации о свойствах управляемых электроэнергетических объектов (УЭО), их состояниях и режимах работы, характеризующихся режим­ными параметрами Y и складывающейся ситуации в ЭЭС в результате возмущающих воздействий Z.

Рис. В.1. Общая функциональная схема автоматизированного диспет­черского управления процессом производства электроэнергии

Информация в виде различных электрических сигналов поставляет­ся автоматическими информационными устройствами АИУ по каналам высокочастотной связи с ее источниками: первичными измерительными преобразователями (ПИП) режимных параметров ПИПу управляемых электроэнергетических объектов и возмущающих воздействий ПИПг- На диспетчерском пункте информация вводится в цифровые ЭВМ упра­вляющего вычислительного комплекса и отображается для восприятия человеком.

На устройства отображения УОИ поступают (постоянно или по вы­зову) результаты обработки информации УВК в виде рекомендаций Х_р для действий диспетчера Д.

В соответствии с программой Х_пр функционирования УВК, зада­ваемой человеком, управляющие ЭВМ вырабатывают программные за­дания Х_Пр1~Х_Пр_П действия автоматических управляющих устройств АУУу-АУУ_п, установленных на управляемых электроэнергетических объектах УЭО\-УЭО_п и непосредственно оказывающих на них упра­вляющие воздействия X_Y\~Х_уп. Большинство автоматических управля­ющих устройств также используют сигналы от источников информации XcYii X_cZi-

Управляющий вычислительный комплекс УВК с устройствами его информационного обеспечения АИУ и автоматические управляющие устройства АУУ образуют автоматическую управляющую систему.

В зависимости от видов используемой информации: известной зара­нее — априорной или получаемой в реальном времени функционирова­ния ЭЭС — рабочей информации автоматическое управляющее устрой­ство АУУ совместно с управляемым электроэнергетическим объектом УЭО образует автоматическую систему с разомкнутой (рис. В.2,а и б), замкнутой (рис. В.2,е) или комбинированной (рис. В.2,г) цепями воз­действия [1]. По разомкнутой схеме работают программные автомати­ческие устройства (рис. В.2,а) и функционирующие только по возму­щающим воздействиям Z (прямая связь ПС на рис. В.2,б), а по замкну­той — автоматические устройства, использующие рабочую информацию (по цепи обратной связи ОС) о режимных параметрах Y (рис. В.2,е) электроэнергетического управляемого объекта.

Технические средства автоматического управления процессом про­изводства и передачи электроэнергии делятся на автоматику упра­вления нормальными режимами работы ЭЭС и автоматические устройства противоаварийного управления — противоаварийную авто­матику.

(а) (б)

(г)

Рис. В.2. Разомкнутые (а,б), замкнутая (в) и комбинированная (г) схе­мы автоматической системы управления

Автоматика управления нормальными режимами ЭЭС обеспе­чивает:

• автоматический пуск электроэнергетических блоков турбина- генератор и включение на параллельную работу синхронного ге­нератора, т.е. его синхронизацию;

• автоматическое поддержание на заданном уровне напряжения на шинах электрических станций и реактивной мощности синхрон­ных генераторов;

• автоматическое управление режимами ЭЭС по напряжению и ре­активной мощности;

• автоматическое поддержание на неизменном уровне частоты вра­щения синхронно работающих генераторов;

• оптимальное (по характеристикам относительного прироста рас­хода условного топлива) распределение случайно изменяющейся электрической нагрузки ЭЭС между электрическими станциями и между электроэнергетическими блоками электростанций.

Указанные функции автоматики управления нормальными режима­ми реализуются автоматическими воздействиями на изменения впуска энергоносителя в турбины, автоматическим включением в определенный момент времени и при соответствующих условиях выключателя син­хронного генератора, непрерывным управлением (регулированием) воз­буждения синхронных генераторов и компенсаторов, дискретным упра­влением устройствами регулирования под нагрузкой (УРПН) трансфор­маторов и автотрансформаторов, регулированием реактивной мощности непрерывно управляемых ее источников — статических компенсаторов (СТК) и дискретным управлением мощностью конденсаторных уста­новок.

Соответственно различаются: пусковые автоматы (ПА) гидротур­бин и комплексы автоматических устройств управления пуском (КАУП) тепловых турбоагрегатов, автоматические регуляторы частоты враще­ния турбин (АРЧВ), устройства автоматической синхронизации гидро- и турбогенераторов (УАС), автоматические регуляторы возбуждения (АРВ) синхронных генераторов и компенсаторов, автоматические регу­ляторы частоты промышленного тока и активной мощности синхронных генераторов (АРЧМ), автоматические устройства оптимального распре­деления нагрузки (УРАН) электроэнергетической системы между часто­торегулирующими электростанциями, автоматические регуляторы ко­эффициентов трансформации (АРКТ) и автоматические регуляторы ре­активной мощности статических установок ее генерирования или потре­бления (АРРМ).

В последнее время в связи с бурным внедрением в технику автома­тического управления микропроцессоров и цифровых ЭВМ разрабатыва­ются комплексные (интегрированные) автоматические системы управле­ния режимами работы электроэнергетических блоков электростанций, узловых общесистемных подстанций и магистральных электропередач высокого и сверхвысокого напряжений.

Назначением противоаварийной автоматики является решение острой и специфической проблемы современных объединенных и еди­ной электроэнергетической систем страны — обеспечение совместно­го функционирования (синхронной устойчивости) множества мощных электростанций, связанных длинными и сильно нагруженными лини­ями электропередачи в условиях больших возмущающих воздействий в виде неизбежных коротких замыканий (КЗ) и связанных с ними от­ключений мощных электроэнергетических объектов, обусловливающих скачкообразные изменения генерируемых, передаваемых и предельных (по устойчивости) мощностей. При этом возникает аварийный режим работы ЭЭС с избытком или недостатком генерируемой мощности, гро­зящий развитием общесистемной аварии с нарушением устойчивости и разъединением ОЭС, с остановкой тепловых электростанций и прекра­щением электроснабжения потребителей на больших территориях.

Аварийная ситуация начинается с возникновения главного возмуща­ющего воздействия — короткого замыкания и обусловленного им и его отключением нарушения баланса мощностей и развивается с пониже­нием напряжения и частоты вращения синхронных генераторов в не­достаточной по мощности (дефицитной) и их повышением в избыточ­ной частях ЭЭС. Особенно опасно уменьшение частоты, приводящее к снижению производительности установок собственных нужд тепловых электростанций и в результате к опасности необратимого ее падения — «лавине частоты». Аналогично снижение напряжения, обусловленное недостатком генерируемой реактивной мощности, может развиться в «лавину напряжений».

Противоаварийная автоматика должна прежде всего ликвидировать возмущающее воздействие. Это делается автоматическими устрой­ствами релейной защиты (АУРЗ) и автоматикой повторного включе­ния (АПВ) выключателей, отключенных АУРЗ. Короткие замыкания (особенно однофазные КЗ на воздушных линиях) в большинстве своем неустойчивые (дуговые). При успешном повторном включении возму­щающее воздействие, оказываемое релейной защитой на ЭЭС, устра­няется.

При устойчивых КЗ и повторных отключениях релейной защитой поврежденных электроэнергетических объектов вновь появляется, как следствие, небаланс мощностей. Возникает опасность — нарушение синхронной устойчивости электроэнергетической системы. Вступает в действие общесистемная противоаварийная автоматика, предназначен­ная не допустить нарушения синхронных динамической или статиче­ской устойчивости или сохранить результирующую (после кратковре­менного асинхронного режима) устойчивость функционирования ЭЭС, ОЭС и ЕЭС в целом. Она состоит из рассредоточенных по электро­энергетическим системам комплексов автоматических устройств, свя­занных каналами обмена информацией и управляемых от УВК, — авто­матики предотвращения нарушения устойчивости (АПНУ) и устройств автоматики ликвидации возникающего асинхронного режима рабо­ты (АЛАР).

Особенно сложной, централизованной и иерархически построенной является АПНУ. Она функционирует на основе результатов постоянных, производимых циклически (через 5-10 с) расчетов устойчивости цифро­выми ЭВМ. При этом вырабатываются необходимые по интенсивности и длительности (дозированные) противоаварийные воздействия на элек­троэнергетические объекты для каждого из фиксируемых возмущающих воздействий. После каждого цикла расчетов они передаются на места их возможного применения и запоминаются там как готовые к немедленной реализации по сигналу о возникшем возмущающем воздействии.

Для предотвращения нарушения динамической устойчивости, про­изводятся, например, кратковременная импульсная разгрузка паровых турбин или кратковременное электрическое торможение гидрогенера­торов. Предотвращение нарушения статической устойчивости в по- слеаварийных и новых установившихся режимах работы достигается переводом вращающихся гидроагрегатов из режима работы синхрон­ным компенсатором в генераторный режим, отключением части ги­дрогенераторов и другими действиями, направленными на ликвидацию перегрузки (по условиям статической устойчивости) линий электропе­редачи.

Аналогичные противоаварийные воздействия характерны и для АЛАР. Если асинхронный режим ликвидировать не удается, действует делительная автоматика, отключающая от ЭЭС несинхронно работаю­щую электростанцию.

Балансы мощностей в обеих частях нарушаются. В избыточной ча­сти ЭЭС частота и напряжение возрастают, а в недостаточной по мощ­ности (дефицитной) части снижаются.

Начинает действовать противоаварийная автоматика предотвраще­ния недопустимых, опасных изменений режимных параметров:

• автоматика ограничений снижений (АОСН) и повышений (АОПН) напряжения;

• автоматика ограничений снижений (АОСЧ) и повышений (АОПЧ) частоты.

Ее задачи — быстро снизить нарушенные балансы мощностей и спо­собствовать их полному восстановлению и возврату режимных параме­тров к номинальным значениям.

Последующее восстановление связи между разделенными частями электроэнергетической системы производится автоматикой повторного включения с синхронизацией (АПВС).

Как указывалось, информационное обеспечение АСДУ производит­ся комплексом автоматических информационных устройств АИУi (см. рис. В.1), формирующих и передающих сигналы в цифровом виде по вы­сокочастотным каналам связи, организуемым по проводам линий элек­тропередачи. Информация о режимных параметрах и об изменениях схемы ЭЭС передается автоматическими устройствами телеизмерения (УТИ) и телесигнализации (УТС).

Малая инерционность передачи сигналов информации о противоава- рийных управляющих воздействиях и пуска исполнительных элементов запоминания их дозировки и реализации обеспечивается быстродейству­ющими устройствами передачи сигналов противоаварийной автоматики (БСПА).

Автоматика нормальных режимов

Лекция 1. Автоматическое управление

изменениями состояния гидро- и турбогенераторов

1. Назначение и особенности автоматического управления

На электрических станциях (ЭС), вырабатывающих электроэнергию путем преобразования в нее механической энергии синхронных генера­торов, вращаемых турбинами, выполняются сложные технологические процессы по образованию энергоносителя, особенно водяного пара, и пре­вращению его потенциальной энергии в кинетическую энергию гидрав­лических и паровых турбин.

Необходимое для этого согласованное взаимодействие энергетическо­го оборудования и механизмов ЭС обеспечивается их автоматическим управлением, реализуемым различными автоматическими устройства­ми управления — устройствами автоматики, а управление производ­ством электроэнергии в целом — автоматизированной системой упра­вления технологическими процессами электростанций.

Автоматические управляющие устройства делятся на устройства технологической автоматики и автоматики управления электрической частью ЭС.

Особенностью технологической автоматики является формирова­ние необходимой для функционирования автоматических устройств ин­формации на основе преобразований в электрические сигналы в ви­де изменений информационных параметров напряжения или тока из­меняющихся параметров энергоносителя, механических и гидравличе­ских параметров. Однако в ряде случаев используются неэлектриче­ские (гидромеханические и гидродинамические) устройства автоматиче­

ского управления, например, частотой вращения гидравлических и па­ровых турбин.

Автоматическое управление основными электроэнергетическими агрегатами электрических станций — гидро- (ГГ) и турбогенераторами (ТГ) сводится к управлению изменениями их состояния и обеспечению оптимальных режимов работы. Изменения состояния: нормальные или аварийные пуск и останов, включение на параллельную работу, перевод из генераторного в режим синхронного компенсатора (СК) и обратный перевод — производятся относительно редко и кратковременно автома­тическими управляющими устройствами дискретного (релейного) дей­ствия. Управление нормальными режимами работы выполняется по­стоянно автоматическими управляющими устройствами непрерывного действия, главным образом, автоматическими регуляторами.

Автоматические пуск и останов связаны с координированным авто­матическим управлением многочисленным и разнообразным оборудова­нием, обеспечивающим функционирование электроэнергетических агре­гатов. Автоматическое управление существенно различно на гидро- (ГЭС) и тепловых (ТЭС) электростанциях и имеет особенности на ги­дроаккумулирующих (ГАЭС) и атомных (АЭС) электростанциях. В це­лом комплекс технических средств автоматического управления вспомо­гательным оборудованием образует технологическую автоматику упра­вления электроэнергетическими агрегатами ЭС, а комплекс технических средств автоматического управления ГГ и ТГ входит в состав автома­тики электроэнергетических систем [1, 2].