автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Управление электрической части ТЭЦ на базе промышленного микропроцессорного телекомплекса

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

п___ _ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

г I о ОД

1 б МАИ 1305 На прми рукепксм

ХЯМООМЙ с«рг«й Ввадхславови«

УПРАВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ТЭЦ НА БАЗЕ ПРОМЫШЛЕННОГО МИКРОПРОЦЕССОРНОГО ТЕЛЕКОМПЛЕКСА

Гпиимьнооп 05.14.02 - аяактрхч«схх* станции (мщунцстм* жастъ), аттн, •лактрожнаргапгсасхх« ехпш м упр>«и«нх» мм

АВТОРХ4ЖРАТ

диссертации на сокехаюм ученой степени кандидат* Пхнтюсих наук

МОСКВА - 1995г.

г

Работа выполнена на кафедре "Релейная запита и автоматизация энергосистем" Московского энергетического института

ж Твялоэдвкхроцвнтхвдя 1» Моовяедго.

Научный руководитель - .кандидат.технических наук

доцент Кривенкоя В.В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Семенов в.Л.

кандидат технических наук лагускер В.М

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт электроэнергетики (ВНИИЭ).

Защита диссертации состоится " УО-кУ 1995 г. в /^"час. мин, в аудитории Г-20Х на заседании диссертационного совета К.053.16.17 в Московском энергетическом институте.

Адрес института: 111250, Москва, Красноказарменная улица, дом 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан " ё" (.¿'¿Рс/ 1995 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета к.053.16.17

Общзя хзрактернгтмка работы.

Лк^тальпкхгвъ ра Sora. Развитие энергетических систем определило необходимость централизации оперативного и автоматического управления режимами работы энергетитического оборудования, создания иерархических автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ) от ЦЦУ ЕЭС до отдельных энергопредприятий (электрические станции, районные электрические сети). На уровне энергопрвдприятий проектировались и вводились в работу автоматизированные системы управления технологическим процессом - АСУ ТП.

Постановка задач АСУ ТП в основном была ранее определена, но их решение зависило от возможностей аппаратных средств АСУ. в задачах АСУ ТП необходимо "сопряжение" ЭВМ непосредственно с объектом автоматизации (ввод информации от измерительных систем и вывод управлявших воздействий на оборудование). Для этих целей использовались разнообразные решения, например, встраиваемые в ЭВМ модули связи с объектами (многоканальные АЦП, ЦАП и т.п. ), а при больпом числе параметров - средства автоматизации в различных стандартах (КАНАК, VME, и т.п.) или промышленные системы телемеханики для ввода информации в ЭВМ.

Эволюция аппаратных средств привела к применению ЭВМ не только на верхнем уровне, но и непосредственно у объекта.

Можно выделить несколько направлений развити•■ АСУ ТП ТЭС :

АСУ ТП ТЭС, где на верхнем уровне применяются ЭВМ серии ЕС и миниЗВМ, телеинформационная сеть построена на базе аппаратных устройств телемеханики ;

АСУ ТП ТЭС, где в качестве телеинформационной сети могут применяться программируемые микропроцессорные телемеханические комплексы, на верхнем уровне установлена локальная вычислительная сеть;

распределенная АСУ ТП ТЭС, построенная на базе микропроцессорных программируемых контроллеров.

Первое направление нашло широкое применение в 70-х - 80-х годах на крупных блочных ТЭС, наиболее проработанными были решения по АСУ ТП тепловой части ТЭС.

Второе направление представляет новое направление, оно еще не имеет достаточного применения.

Третье направление - это наиболее развиваемое в последнее время направление. В России разработаны отечественные микроконтроллеры, на базе которых внедряется АСУ ТП Курской АЭС, ТЭЦ-27 МОСЭНЕРГО И др. За рубежом наиболее сильные разработки имеют фирмы SIEMENS, ABB.

Появление локальных вычислительных сетей (ЛВС) предопределило появление интегрированных АСУ ТЭС, включаюших в себя АСУ ТП и АСУП, что позволяет обеспечить этапность разработки системы, использовать типовые решения на относительно недорогих технических средствах, объединить в единое целое совокупность автономных подсистем, п том числе и находящихся в эксплуатации.

Цоль работа. Разработка структуры распределенной АСУ ТП ТЭЦ небольшой и средней мощности на базе серийно выпускаемых современных микропроцессорных устройств, постановка задач для АСУ ТП собственных нугд электрической части ТЭЦ, а также разработка

алгоритм"?' К' 'НТ{ >< ' ЧЯ OJreKTf ИЧОСКИХ И ТеПЧОЬЫХ р"ТИМоВ pa^or-N íiUCUKoBO ¡IbTHWX аСИНХроННЫХ OüeKTpi 'ДВИ Га'ГР.иОИ .

D м.. .Т1ч"!ствии с указанной целью основные -»адачи данной

диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Исследование существующих в настоящее время концепций построения АСУ ТП тепловых электрических станций (ТЭС) в СНГ и та рубежом.

/. Разработка концепции структуры АСУ ТП для ТЭЦ сродней и небольшой мощности.

Ч. Разработка требований, предъявляемых к телемехани ческим комплексам, используемых для АСУ ТП ГЭС.

4. Исследование аппаратных и програмных частей микро процосорного трлемехлрич-г кого компле" : ГРАНИТ с целью его применения для АСУ ТП электрической части 'Гос.

Ь. 1 -пределение временных характеристик передачи ана чоговых и лигкротных сигналов и команд телеуправления ТК ГРАНИТ на реальном он"ргетическом объекте.

6. Исследование традиционных схем управления, защиты и сигнализации эпектродвигателей.

/ . 1'азработка алгоритмов контроля электрических и теп цовых режимов работы электродвигателей.

0. Выявление факторов, влияющих на погрешности при .<п ределении температур обмоток двигателя.

Методы исдладоваиия■ Основаны на использовании с соответствующим развитием требований, применяющихся для построения структур АСУ ТП ТЭС. Исследование функционирювания телемеханических комплексов со спорадическим принципом передачи информации выполнено с применением теории массового обслуживания. Алгоритмы контроля работы электродвигателей основаны на математическом аппарате переходных электромагнитных и тепловых процессов. Теоретические исследования сопровождались разработкой алгоритмов и программ на ЭВМ типа PDP-11 и IBM PC.

Научная новизна:

1. Определение концепции структуры АСУ ТП ТЭЦ средней и небольшой мощности (электростанций с поперечными связями).

?. Использование промышленных серийных микропроцессорных телемеханических комплексов в составе средств АСУ ТП для сбора и первичной обработки информации.

3. Исследование временных характеристик телемеханических систем с последовательным спорадическим принципом передачи инфомации.

4. Разработанные алгоритмы контроля и диагностики электрических и тепловых режимов работы эм«ктролвигателей, позволяющие одновременно вести контроль :ia большим количеством двигателей.

Практическая ценность. Сформулированы основные принципы построения АСУ ТП ТЭЦ средней и небольшой мощности. Использование этих принципов позволит разрабатывать типовые, структуры АСУ ТП ТЭЦ. Сформулированы основные технические требования к телемеханическим комплексам, используемых для АСУ Til ТЭС. Обосновывается возможность применения дпя АСУ ТП электрической части ТЭС программируемых микропроцессорных телекомплексов на примере сориино выпускаемого телекомплекса ГРАНИТ. На основе

анализа и опыта эксплуатации рекомендуется для АСУ ТП электрической части ТЭЦ применять подобного класса телекомплексы.

Разработаны алгоритмы контроля электрических и тепловых режимов работы высоковольтных асинхронных электродвигателей собственных нужд, которые могут быть реализованы практически на любых типах микропроцессорных контроллеров.

Определены факторы, влияющие на погрешности при определении температур обмоток двигателя.

Рмяимцня результатов. Результаты исследования легли в основу раэботанных технических решений по применению микропроцессорных телемеханических комплексов для АСУ ТП ТЭЦ. Результаты работы использованы:

- при разработке интеллектуального КП ГРАНИТ;

- при разработке "Концепции развития АСУ ТП электрической части ТЭС Мосэнерго".

- на ТЭЦ-9 Мосэнерго;

- при курсовом и дипломном проектированиии на кафедре

РЗАЭС МЭИ.

Апробация результатов работы ■ Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

- на заседаниях Технического Совета АО Мосэнерго по теме " Перспективы АСУ ТП ТЭЦ Мосэнерго" (1994, 1995 г.).

- I, II и III Международном семинаре "Информационные технЬлогии в Мосэнерго" (Москва, январь, апрель и ноябрь 1994 г.).

- заседаниях кафедры РЗ и АЭС МЭИ (Москва, 1991,1992,

1994 г.).

Публикации. Основные положения диссертации отражены в 3 опубликованных печатных работах.

Структура и оОьам работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, приложения и содержит 122 страницы машинописного текста, 35 рисунков, списка литературы, содержащего 56 наименований.

Краткое содержание работы.

В первой главе проведен анализ существующих в настоящее время концепций построения АСУ ТП блочных тепловых электрических станций (ТЭС) в СНГ и за рубежом. Сформулированы задачи, стоящие перед АСУ ТП ТЭС, рассмотрены примеры аппаратной реализации.

АСУ ТП ТЭС, построенные как централизованные структуры по обработке информации, имели в своем составе большие ЭВМ (например серии ЕС) или же миниЭБМ (серии СМ), и представляли собой двух или трехмашинные комплексы, а качестве источника информации использовались аппаратные устройства телемеханики.

Такая структура обладала рядом существенных недостатков , и прежде всего это недостаточные надежность и точность воспроизведения телеизмерений, недопустимое возрастание времени передачи информации.

Применение микропроцессорных контроллеров (телемеханически): ксмплвксоз) поэзолкат устранить перечисленные недостающ- и

строить децентрализованные распределенные системы управления и сбора информации на ТЭС.

Децентрализация АСУ ТП (как функциональная так и топологическая) существенно повышает надежность, когда при отказе части функций АСУ ТП объект может функционировать с пониженной эффективностью.

В распределенной АСУ ТП ТЭС нужно выделять следующие функциональные уровни АСУ (аппаратные и программные средства) , на которых производится прием, преобразование сигналов и их передача в соответствии с интерфейсным протоколом:

1. Уровень датчиков (преобразователей сигналов).

2. Устройство ввода сигналов и вывода команд управления .

3. Каналы связи.

4. Уровень обработки и представления информации пользователям.

Такое разделение структуры АСУ ТП на функциональные уровни связано г. тем, что именно на этих уровнях имеются основные задержки передачи информации и потери точности при ее преобразовании.

При выборе структуры АСУ ТП должно учитываться следующее:

каждая выделенная зона технологического процесса должна обладать максимально возможной автономией.

требуемая реакция системы на события; минимальное количество кабельных связей; "живучесть" системы, т.е. при отказе одного контроллера функционирование АСУ ТП происходит в меньшем объеме, но не прекращается.

На блочных ТЭС имеется два уровня оперативного управления: блочный и общестанционный. На ТЭЦ с поперечными связями (это ТЭЦ небольшой и среднй мощности) такого разделения уровней управления нет.

Структура АСУ ТП должна в общем повторять станционную структуру оперативного управления ТЭЦ, а поскольку на ТЭЦ основными цехами, ведущими режимы, являются электрический и котлотурбинный, поэтому можно говорить, что АСУ ТП ТЭЦ состоит из АСУ ТП электрической и тепловой части, связаннных между собой через локальную вычислительную сеть.

В электрической части станций ранее были только АСУ ТП распределительных устройств высокого напряжения (110 - 500 кВ), собственные нужды (0,4 - 10 кВ) не были включены в АСУ ТП. Однако необходимо включение собственных нужд как объекта управления в комплекс АСУ ТП.

Имеется принципиальное отличие в построении АСУ ТП электрической и тепловой части. Исторически сложилось так, что все сигналы по тепловой части от датчиков приводились на щиты управления (блочные, групповые или местные), где размещались контрольно-измерительные приборы, устройства защиты и регуляторы.

В соответствии с этим и строились структуры АСУ ТП тепловой части, когда на щитах управления располагались все модули ввода-вывода УСО, и имеется централизованное управление и регулирование (котел, турбина).

Для электрической части оборудование достаточно скомпоновано (КРУ, ЗРУ,ОРУ) , и устройства РЗА часто автономны и максимально

приближены к объектам. Для электрической части характерна и другая идеология управления и регулирования, когда к централизованным задачам на ТЭС относятся, в основном, лишь АРЧМ и противоаварийная автоматика.

Электрические и тепловые процессы имеют различные временные характеристики особенно при переходных,быстро меняющихся режимах. В соответствии с этими временными характеристиками требуется иметь такие преобразователи и устройства ввода сигналов, которые успевали отслеживать заданные изменения сигналов.

Задачи дискретного логического управления - управление выключателями и задвижками - практически похожи как для электрической, так и для тепловой части.

Представляется предпочтительным для АСУ ТП электрической части применять системы типа БСАОА, распределенная структура которых подобна структуре электрической части ТЭС. Одной из разновидностей систем типа ЭСАйА являются микропроцессорные телемеханические комплексы.

АСУ ТП электрической и тепловой части должно состоять из следующих основных функциональных систем:

Рис. 1. Структурная схема АСУ ТП ТЭЦ.

Информационная система внедряется обычно первой , она осуществляет сбор и обработку технологической информации, а также вывод этой информации на коллективные средства отображения (мнемосхемы шита, дисплеи и т.д.) и в локальную вычислительную сеть.

Система диагностики оборудования осуществляет диагностику <■ целью выявления ухудшения параметров контролируемого

оборудования. В ее состав может входить экспертная система, предупреждающая о возможных отказах и моделирующая режимы работы оборудования.

Система автоматического регулирования и дискретного логического управления непосредственно воздействует на управление энергооборудованием (котел, турбина, генератор и т.д.). к данной подсистеме предъявляются повышенные требования по надежности и быстродействию.

Все функциональные системы АСУ ТП могут работать как абсолютно автономно, так и иметь одни и те же функциональные уровни ( датчики, устройства ввода сигналов, каналы связи) .

Важнейшим элементом АСУ ТП становится локальная вычислительная сеть, средствами которой обеспечивается передача информации между всеми системами как внутри АСУ ТП электрической и тепловой части, так между ними.

В основном подсистемы АСУ ТП функционируют круглосуточно, а подсистемы АСУ П - только в рабочее время, и лишь незначительная часть информации, циркулирующей в АСУ ТП, нужна подсистемам АСУ II, и наоборот. Поэтому в структуре АСУ ТЭЦ нужно выделить две относительно самостоятельные структуры и интегрированную АСУ рассматривать как совокупность двух относительно слабо связанных подсистем, между которыми организовано межсетевое взаимодействие:

АСУ ТП

ВС

(

та

3 С

*с

[ ,'*е ) [ мост} [ >с ;

е

Свршвр

ЛВС2

( ®С ] [ РС ]

* ' АСУ п —'

Рис. 2. Объединение АСУ ТП и АСУ П в единую интегрированную АСУ

ТЭЦ.

Одним из главных критериев , определяющих применение такой структуры, является ее пропускная способность. На пропускную способность будут влиять следующие основные факторы: скорость передачи в каналах связи ЛВС; организация моста между двумя серверами; расстояния между рабочими станциями и серверами; программная организация сетевого взаимодействия.

Существуют ограничения на расстояния между удаленными рабочими станциями и сервером ЛВС. При больших расстояниях возможны как значительные задержки при передаче информации, так и ее сбои.

Программная организация сетевого взаимодействия должна предусматривать оптиальную загрузку сети.

Во второй главе проводится исследование возможности применения для АСУ ТП электрической части ТЭЦ микропроцессорных телекомплексов. Применение таких телекомплексов позволит строить АСУ ТП ТЭЦ с наименьшимим затратами, т.к. сохраняются существующие устройства релейной защиты и автоматики.

Формируются требования, которым должны удовлетворять все типы телекомплексов, используемых для АСУ ТП. В соответствии с этими требованиями на телекомплексы могут быть возложены функции регистраторов аналоговых и дискретных событий.

Предложенные методы исследования характерны для всех телемеханических систем со спорадическим принципом передачи информации.

Можно выделить два стандартных случая: номинальные режимы, когда параметры мало изменяются по величине (условно статический процесс), и аварийные режимы, при которых возможны сильные изменения параметров (динамический процесс). При этом имеем контроллируемые процессы как дискретные (ТС), так и непрерывные (ТИТ). Дискретные процессы характеризуются моментами появления заявок на обслуживание (изменение состояния объекта ТС) , интенсивностью заявок, времени обслуживания заявки, длиной очереди обслуживания и т.д.

Обслуживание непрерывных процессов можно также свести к обслуживанию дискретных процессов, когда под обслуживанием понимается квантование по уровню и дискретизация по времени.

Моменты начала обслуживания заявок (передача значений параметра) определяются моментом временной дискретизации процесса на соответствующем уровне квантования. Моменты возникновения и обслуживания заявок в общем случае не совпадают друг с другом, в результате чего имеют место задержки обслуживания , потери и пропуски заявок (при обслуживании нескольких случайных процессов одним процессов) из-за очереди на обслуживание.

В соответствии с теорией массового обслуживания в системе реального времени временные параметры не являются постоянными величинами, зависят от количества и вида сообщений, и могут иметь случайный характер. Число сообщений, поступающих в заданный интервал времени, может быть описано предельным случаем биноминального распределения Пауссона, и вероятность поступления сообщений в заданный интервал времени имеет вид:

-К(п) п • * ■ (п)

Р(п> ------------------- , (1)

п !

где Р(п) - вероятность поступления п сообщений в заданный интервал времени;

■(п) - среднее значение п для заданного временного

интервала;

п!-п » (п-1) * (п-2) »...♦ 3 * 2 «1( а- 2,71828.

В общем случае для телемеханических комплексов со спорадическим принципом передачи информации время обслуживания сигналов (передача, прием и обработка) есть совокупность следующих времен:

to6o - tnp + tKBM + tKO + tau + to6p + tKB (2),

где trip - время преобразования сигнала в код;

tKBM - время передачи группы параметров (ТИТ, ТС) по последовательному интерфейсу каркаса ПУ, КП;

tKC - время передачи посыпки по каналу связи от КП до

ПУ;

ton - время передачи по системной централи; toOp - время обработки в ЭВМ;

tKB - время передачи ответа ("квитанции") от ПУ в КГ1. Время передачи в канале связи составляет 50-600 бит/с, в системной централи и каркасах ПУ и КП скорость определяется частотами тактовых генераторов.

Время обслуживания передачи информации микропроцессорного телекомплекса является случайной величиной и зависит от:

количества функциональных блоков в каркасе КП; зоны нечувствительности функциональных блоков; скорости изменения параметров; скорости передачи по шине каркаса КП, ПУ, СЦ и по каналу связи; количества КП; количества заявок на обслуживания от всех КП и времени обработки информации в ЭВМ.

Среднее реальное время преобразования одного параметра будет равно:

К (110) = Р(Ъ1)*М. + Р(Ъ01)*Ь01, (3)

где Р) - вероятность максимального изменения параметра (255 квантов) ;

Р(Ы)1) - вероятность минимального изменения параметра (1

квант);

- время преобразования при максимальном изменении

параметра;

М1 время преобразования при минимальном изменении

параметра;

В зависимости от скорости протекания технологического процесса из-за задержки в передаче будет по-разному происходить и восстановление функции параметров на приемном конце в ПУ. При медленном изменении параметра, сопоставимым с временем обслуживания передачи, востановленная функция будет с достаточной погрешностью повторять реальное изменение параметра. При быстрых динамичных процессах за время обслуживания произойдут многократные изменения параметров, т.е. произойдет потеря информации.

Время, через которое будет происходить повторная передача одного и того же параметра, различно по каждому КП, зависит от количества вводимых параметров и степени их изменения: Ъобо - К(«)*М1/Ы2, (4)

где В(ЬО) - среднее время обслуживания передачи одного параметра;

N1 - количество вводных параметров на один КП.

Н2 - количество вводных параметров в группе.

В качестве примера исследуются аппаратные и программные особенности серийно выпускаемого телемеханического комплекса ГРАНИТ, на который могут быть возложены как задачи традиционных телемеханических функций, так и предварительная обработка данных, управление средствами отображения коллективного пользования, возможность телеуправления 2-х позиционными объектами (выключателями) .

Производится расчет временных характеристик передачи и обработки информации ТК ГРАНИТ для нормальных и аварийных режимов, определяется эффективность использования тблекомплекса. Определяются основные недостатки и предлагаются способы повышения быстродействия ГРАНИТ.

Для конкретного случая ТЭЦ-9 Мосэнерго скорость передачи в канале связи КП-ПУ составляет 600 бит/сек, а частоты тактовых генераторов КГ1 и СЦ равны 72 и 19,2 КГц соответственно.

Передач'а информации от датчиков до ЭВМ телекомплекса ГРАНИТ осуществляется в следующем виде:

ЭВМ

Рис. 3. Передача информации в телекомплексе ГРАНИТ.

Минимальное время обслуживания передачи посылки ТС и ТИТ в ТК ГРАНИТ равно:

to6c Bill - 0,387 с.

Время, через которое будет происходить повторная посылка одного и того же параметра, зависит прежде всего от загрузки телекомплекса, и для каждого КП оно различно.

По произведенным расчетам имеем следующие средние времена повторной передачи одного и того же параметра:

время повторной передачи Таблица 1.

КП норм аварийн.

КП1 1,517 1,713

КП2 1,653 1,866

КПЗ 1,734 1,958

КП4 1,815 2,050

КЛ5 1,490 1,683

КЛ6 3,306 3,733

КП7 1,897 2,142

Из расчетов видно, что ТК ГРАНИТ не может выполнять функции регистратора быстрых процессов. Для медленно изменяющихся процессов его можно использовать как регистратор.

ТК ГРАНИТ предоставляет возможность вести телеуправление, и в данный момент времени ТУ производится на единственном выбранном объекте, а время передачи команды ТУ до объекта составляет Ьпкр.ту — 0,3017 сек.

Операция телеуправления может требовать ожидания подтверждения выполненой команды и суммарное время реакции системы составляет:

Ъраакц = Ълер с + Ьпер ту, (5)

где Спер с - время передачи телесообщения (ТС, ТИТ или

ТИИ) .

Произведенный расчет времени обслуживания команд телеуправления (с потверждением выполнения команды)представлен для следующих типов коммутационной аппаратуры:

___Таблица 2.

Тип выключателей 6, ю кв : мин.время "Включ'Ч ..сек! . макс.время "Включ", сек Мин.время "Отключ", сек Макс.время "ОТКЛЮЧ4; сек

ВМПЭ, ВКЭ 0,5891 1,72-3,51 0,4091 1,54-3,33

МГ-10 0,7891 1,92-3,71 0,4441 1,57-3,36

МГГ-229 1,0391 2,17-3,96 0,4791 1,61-3,40

Таким образом видно, что время выполнения команд ТУ также представляет собой случайную величину, зависящую от загрузки телекомплекса, типа коммутационной аппаратуры и вида команды ТУ.

Из-за значительных временных задержек при передаче команд ТУ имеется ограниченный круг задач, который позволяет вести автоматическое управление. ТК ГРАНИТ можно применять для задач автоматического управления, когда нет ожидания подтверждения выполнения команды ТУ, например, операция включения-отключения по таймеру. В этом случае команды ТУ будут поступать последовательно с дискретностью 0,3 сек и суммарное время передачи команд ТУ системы составит:

tie - Н * tnep ту, (б)

где Н - число объектов, которыми управляет система.

Проведенный анализ выпускаемого в настоящее время ТК ГРАНИТ показал, что его основные недостатки связаны с тем, КП ГРАНИТ представляет собой чисто аппаратное устройство, и вся обработка информации осуществляется на ПУ. Для задач АСУ ТП требуется иная организация КП, а именно:

- КП должен быть интеллектуальным,т.е.в КП встраивается микропроцессор (типа Intel 386-486) с объемом ОЗУ не менее 2 Мбайт;

- КП должен содержать в себе как специализированные модули ввода ТС и ТИТ для регистрации быстрого изменения состояния сигналов, так и обычные модули ввода ТИТ и ТС;

- использование циклического опроса сигналов в специализированных модулях для регистрации;

- КП должен включать в себя накопитель на жестком диске объемом не менее 200 Мбайт для обеспечения возможности многократной записи аварийных событий;

- протокол обмена информацией между КП и ПУ построен таким образом, что обмен информацией происходит при передаче только существенных событий и отсечением потока информации, не содержа-

щего новых данных; этот обмен может производиться как автоматически, так и по вызову;

в процессе записи информации должно осуществляться уплотнение информации;

- распараллеливание передачи и обработки информации от модулей ввода сигналов.

- модули ввода ТИТ должны иметь возможность подключения как ко вторичным цепям измерительных трансформаторов, так и к нормированным преобразователям.

В «рбтый глава проводится анализ режимов работы асинхронных электродвигателей собственных нужд ТЭЦ. Надежность работы электродвигатели определяет безаварийную работу основного оборудования электростанции. Повреждаемость двигателей с.н. вследствие эксплуатационного недосмотра и несовершенства установленных устройств релейной защиты остается достаточно высокой. До 9Ы всех отключений на ТЭЦ связано с повреждениями электродвигателей.

Необходимо отметить, что в Правилах устройств электроустановок (ПУЭ) зашита от перегрузки применяется лишь на некоторых двигателях, для которых установлено, что они могут иметь технологическую перегрузку. Однако из опыта эксплуатации следует, что практически все двигатели подвержены перегрузкам.

Наиболее частым ненормальным режимом для электродвигателей является перегрузка током, возникающим в следующих случаях:

- при затянувшемся пуске или самоэапуске;

- при обрыве одной фазы;

- при заклинивании исполнительного механизма;

- при повреждении подшипников;

Традиционная аппаратная релейная зашита выполнена в виде локальных устройств, установленных в релейных шкафах КРУ. Это токовые зашиты различного типа. Конструктивно они выполнены таким образом, что не позволяют своевременно предупредить оперативный персонал о начале развития повреждения (как в самом двигателе, так и в его подшипниках). Для этой цели недостаточно контролировать только ток, нужно учитывать напряжение и частоту питающей сети, т.е. его загрузку по мощности.

Все существующие в настоящее время средства контроля двигателй на ТЭС представляют собой амперметр для наблюдения за током двигателя (на всех двигателях), регистрирующий прибор по температуре обмотки и подшипников и предупредительная сигнализация о возникновении перегрузки (на двигателях большой мощности).

Однако важно не только постоянно осуществлять контроль за режимами работы двигателей, но и вести их диагностику.

Для осуществления нормальной эксплуатации двигателей с.н. требуется решать следующие задачи:

1. Контроль эа напряжением и частотой на шинах собственных нужд.

2. Контроль исправности схемы управления двигателя.

3. Определение неполнофазных режимов работы двигателя, а также несимметрии фазных токов.

4. Регистация всех видов перегрузки двигателей, в том числе кратковременных периодических перегрузок при "затирании" исполнительного механизма.

5. Определение величины пускового тока, времени пуска двигателя, определение "тяжести" пуска.

6. Регистрация количества пусков двигателей за единицу времени (час, сутки, год) .

7. Контроль за температурными режимами обмоток двигателей.

Обычные средства релейной защиты не в состоянии выполнить все перечисленные задачи, необходимо применять микропроцессорные устройства. Эти микропроцессорные устройства могут быть локальными (микроконтроллер), установленными в релейных шкафах КРУ, и в этом случае для каждого двигателя используется отдельный микроконтроллер, а все микроконтроллеры объединены в локальную сеть.

Но можно не устанавливать большое количество микроконтроллеров, а использовать микропроцессорные телемеханические комплексы.

При определении допустимости режима работы электродвигателей нужно исходить из того, что относительно небольшое превышение температуры обмоток существенно сказывается на сроке службы изоляции. Нагрев обмотки двихмтеля определяется работой системы охлаждения (воздушной или водяной) и током нагрузки.

Применение термодатчиков, устанавливаемых на изоляцию обмот ки, при быстром изменении температуры меди обмотки не может дать правильного результата из за тепловой инерции слоя изоля ции, отделяющего термосопротивления от меди обмоток. Это имеет место при пуске и самозапуске двигателей.

В остальных случаях при достаточно плавном изменении температуры термодатчики имеют приемлимую погрешность.

На двигателях мощностью менее 800 кВт практически нет теплового контроля, терморезисторы иногда используются только для измерения температуры вкладышей подшипников.

В работах Сыромятникова И.А. дается теоретическое обоснование определения температуры обмоток двигателя расчетным путем.

При строгом анализе процессов нагревания и охлаждения обмотки двигателя рассматриваются как сложное тело, так как тепловые параметры металла обмотки, изоляции и стали неодинаковы. Нагрев обмоток происходит не только за счет потерь, выделяющихся в самой обмотке, но и засчет потерь в активной стали статора и нагрева , вызываемого трением о воздух.

С достаточной степенью точности для практических расчетов для двигателей можно применять уравнения однородного тела, нагрев которого происходит за счет выделяющихся в нем потерь.

Постоянная времени нагрева обмотки двигателя т определется как время, при котором превышение температуры обмотки составляет 0.632 установившегося превышения температуры.

Для асинхронных двигателей установившееся превышение температуры обмотки зависит главным образом от потерь в обмотках статора и ротора, так как воздушный зазор очень мал.

При перегрузках можно пренебречь теплоотдачей, если время перегрузки ^ер«ч.

Допустимое превышение температуры различно для разных клас сов изоляции обмоток. Даже если двигатель подвержен периодическим кратковременным перегрузкам и при этом время фактической перегрузки будет менее ^оп, а время охлаждения больше или равно

3 1, то можно не производить громоздких вычисле-ний износа изоляции. В этом случае можно говорить о полном использовании перегрузочной способности двигателя.

Основными параметрами при определении температуры оймоток двигателя расчетным путем является ток двигателя и время перегрузки. Поэтому необходимо иметь такие технические средства, которые с достаточной точностью измеряют эти параметры. Особенно это касается пусковых режимов.

Примером реализации системы контроля работы электродвигателей с элементами диагностики электрических режимов является аппаратно-программный комплекс на базе ТК ГРАНИТ, где осуществляется контроль одновременно за всеми высоковольтными двигателями, установленными на станции (так на ТЭЦ-9 Мосэнерго установлено более 80 высоковольтных асинхронных двигателей). Все программы ОЗУ-резидентны.

1.Контроль напряжения на тинам собственных нужд■

В нормальных условиях напряжения на шинах собственных нужд следует поддерживать в пределах 1,0 - 1,05 ином, при этом номинальную мощность электродвигатели могут отдавать при колебаниях напряжения от 0,95 ином до 1,1 ином.

Программа контролирует значения фазных напряжений шин собственных нужд. При выходе значения напряжения из указанной зоны определяются телемеханические адреса шин КРУ, где произошло отклонение, и наименования и токи электродвигателей, присоединенных к данным шинам. По отношению 1/1ном и и/ином определяется степень загрузки двигателей.

Кроме определения величины напряжения на шинах с.н. производится контроль симметриии фазных напряжений, а также фиксация при замыканиях на землю в сети 6-10 кВ собственных нужд поврежденной фазы.

2. Контроль исправности схемы управления двигателей.

Строится таблица состояний дискретных сигналов таких как

положение выключателя, работа релейной зашиты, готовность цепей включения и наличие оперативного тока. По таблице состояний определяется исправность схемы управления.

3. Определение неполнофаеных рвшнов работа.

Наиболее тяжелым случаем несимметричного режима работы двигателя является обрыв одной фазы обмотки статора, соединенной в мвезду при незаэемленной нейтрали. В этом режиме токи статора, например, при обрыве фазы А равны: 1А«=0; 1в=-1с. При неподвижном роторе (а—1) приведенный ток ротора определяется суммой токов прямой и обратной последовательностей (токи нулевой последовательности отсутствуют) и при неподвижном роторе равен нулю: I, = 0. Вследствии этого пусковой момент двигателя равен нулю и двигатель не развернется. Пусковой ток, протекающий по обмоткам неповрежденных фаз статора, ниже пускового тока при

Л

нормальном симметричном режиме в раз:

1п.в,с 0.866*1п.ном (7)

Длительное протекание такого тока представляет опасность для машины, так как обмотка статора при этом будет сильно нагреваться.

время работы двигателя будет отлично от нуля сопротивлений прямой и

значение за счет обратной

двигателя нагрузке

имеющие

При обрыве фазы во приведенного тока ротора неравенства приведенных последовательностей ротора.

Если при -этом результирующий вращающий момент окажется выше момента сопротивления при данной механизма, двигатель может продолжать работать.

Опыт эксплуатации подтверждает, что двигатели высокие кратности максимального момента (Ь > 2), могут работать на двух фазах. При небольшой загрузке (кэ = 0.6) их скольжение практически не меняется, а при нагрузке, близкой к номинальной, скольжение возрастает почти в 2 раза.

Для примера в таблице 3 дана кратность тока ротора при обрыве одной фазы статора в зависимости от момента сопротивления на валу при Ьн — 2 (по Сыромятникову И.А.):

Таблица 3.

Мс. 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.57 0.5 0. 4 0.3 0.2

[2//2Н о л 2, 4 1,8 1,5 1,4 1,1 1 0,9 0, 7 0,5 0.4

Из таблицы 3 следует, что при нагрузке 0, 57 и выше возникает перегрузка по току.

В трехфазном режиме напряжения на двигателе практически симметричны, при этом напряжение нулевой точки относительно "земли" равно нулю. При обрыве одной фазы напряжения за местом обрыва (считая от источника питания) становятся несимметричными, степень несимметрии зависит от скольжения 8, которое для вращающегося двигателя определяется его загрузкой.

Если обрыв фазы произошел на х.х. двигателя (когда 8хх<8ном), все указанные напряжения практически не изменятся по сравнению с трехфазным режимом. Если у загруженного двигателя при обрыве фазы скольжение 8 > 8кр, двигатель "опрокидывается" и останавливается.

Несимметричные режимы работы двигателей вызывают значительное увеличение потерь в роторе за счет протекания токов обратной последовательности, поэтому нагруяка двигателя должна быть снижена (в случае невозможности его отключения) до кэ — 0,5 - 0,6.

Для выявления неполнофазного режима устанавливается специальная схема преобразователей тока. В случае исправности схемы при обрыве фаз выходной ток преобразователя поврежденной фазы равен нулю, при несимметричном трехфазном режиме будут присутствовать токи во всех трех преобразователях, отличающиеся друг от друга на степень несимметрии.

Все фазные токи двигателей контролируются на уставку, по таблице уставок определяется порядковый номер параметра, а также код сравнения параметра с уставкой (код состояния - статус). В зависимости от значения параметра выставляется код соответствия параметра уставке.

Если код условия не равен нулю, то формируется статус для данной фазы. Затем происходит переход к следущей фазе одного и тоги же присоединения, и по сформированному окончательно статусу электродвигателя делается логический кмиол о его с^-чояник "• - отключен;

- обрив фазы;

- нормальный рожии;

- неисправность датчика

- симметричная перегрузка.

- несимметрия фазных токов (с пычиглением величины но смммэтрии).

Помимо определения неполнофазного режима производится тестирование аппаратной схемы контроля неполнофазного режима .

4. Регистрация перегрузим двигателей.

При перегрузке электродвигателей важно использовать их пере груэочную способность, которая меняется в зависимости от класса изоляции и системы охлаждения, и в соответствии с ней иметь нип можность изменять загрузку двигателей. По длительности перегрузки и по ее кратности по отношению к номинальному току может делаться вывод о том, допустим ли данный режим в течении длительного времени.

При возникновении перегрузки определяется наименование двигателя, а также вычисляется кратность, фактическое и допусти мое время перегрузки.

Эта программа рассчитанна на перегрузку с током, мало изменяющимся в течении определенного нремени . R случае периодической перегрузки ("затирания" исполнительного механизма) нужно учитывать время охлаждения двигателя при работе без перегрузки, что математически описать очень сложно.

Регистрация "затирания" исполнительного механизма особенно важна в начальный период разрушения подшипников, когда температура подшипников еще недостаточно увеличилась и не работает схема теплового контроля.

Для регистрации "затирания" фиксации сравниваются три после дующих значения тока с периодом измерения 3-5 сек. В случае отличия 3-х последующих измерения тока больше зоны нечувствительности выдается сообщение о периодической перегрузке двигатели.

5. Регистрация количества пусков двигателя.

Регистрируется количество включений двигателей как из "хо лодного", так и из "горячего" состояния.

6. Тепловой контроль двигателей.

Контроль тепловых параметров (температура обмотки статора, охлаждающей воды) осуществляется при прямом измерении температур (при установке термодатчиков). Определение температуры обмоток расчетным путем при пуске двигателя выполнить нельзя, т.к. в этом случае ГРАНИТ не может выполнять функции регистратора.

Четвертая глава посвящена конкретной реализации предложенной интегрированной структуры АСУ ТЭЦ-9 Мосэнерго.

АСУ ТП ТЭЦ-9 Мосэнерго строится на основе ЛВС шинной топологии под управлением ОС Novell 3.12 и объединяет ПЭВМ , непосредственно сопряженные с технологическим оборудованием и технологические АРМы , которые имеют доступ ко всей информации, накапливаемой на файл-сервере "технологической" ЛВС.

Структура телекомплекса ТК ГРАНИТ электрической части ТЭЦ- 9 имеет радиальную структуру со следующими длинами кабелей связи:

номер КП КП1 КП2 КПЗ КП4 КП5 КЛ6 | КП7 КП8

длина 4О0М 230м 350м 2013м 180м 10м | 10м 10м

В КП, установленные в КРУ-б кВ, ЗГУ-6, 10 кВ, на главном щите управления поступает следующая информация о состоянии оборудования:

1) аналоговая информаиия (текущие телеизмерения - ТИТ):

токи электродвигателей 6 кВ; напряжение на шинах КРУ, ЭРУ или ГРУ;

активная и реактивная мощность, вырабатываемая генераторами станции;

активная и реактивная мощность, протекающая по КЛЭП 110, 6 кВ (связь с системой);

активная и реактивная мощность, потребляемая на собственные нужды;

токи нагрузки по Ю1ЭП 110, Г. кВ связи с системой ; токи абонентеки< фидеров 6-10 кВ, фидеров и трансформаторов с/н;

частота на шинах ЗРУ-10 кВ, ГРУ-С кВ;

токи компенсации, протекающие через дугогасящие реакторы при замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью 6, 10 кВ.

2) дискретная информация (телесигнализация - ТС):

положение выключателей 110, 10, 6, 0,4 кВ (ТС МВ) ; срабатывание устройств релейной защиты и автоматики (ТС

РЗ) ;

обрыв оперативных цепей управления выключателей (ТС

ОЦУ) .

При помощи ТК ГРАНИТ производится телеуправление с ПНУ следующими присоединениями: МВ 6 кВ электродвигателей, МВ 6 кВ и автоматами 380 В трансфоматоров с/н, МВ 6 и 10 кВ абонентских фидеров. Для этого к КП подключены КБ - специальные устройства сопряжения ТК ГРАНИТ со схемами управления МВ и автоматов 380 В.

Суммарное количество обрабатываемой информации по электрической части: ввод ТС - 829, ввод ТИТ - 531 , вывод ТС -693 , объектов ТУ - 151, всего - 2104 сигнала.

Суммарное количество сигналов по тепловой части и водному режиму сотавляет около 1900.

Перечень задач, решаемых совместно комплексом АСУ ТП ТЭЦ-9:

1. Сбор информации (аналоговой и дискретной) по электрической, тепловой части и водному режиму ТЭЦ 9 и представление ее оперативному персоналу;

2. Контроль выхода за уставку параметров;

3. Регистрация времени отклонения параметров от нормы;

4. Контроль текущих режимов работы трехфазных электродвигателей 6кВ.

I). Расчет мощностей выработки, потребления и связи с гигт-емой, расчет технико-экономических показателей работы тепло механического оборудования.

6. Телеуправление выключателями 10, 6 кВ, вводными и секционными автоматами 0,4 кВ.

7. Определение поврежденной фазы, длительности и величины токов при замыканиях на землю в сети 6,10 кВ.

8. Ведение суточной (в течении 24 часов каждые ? минуты) и диспетчерской (в течении 10 суток через каждые полчаса) ведомостей.

9. Ретрансляция телемеханической информации в локальную сеть для ее дальнейшего использования. -

Производственно-хозяйственное АСУ состоит из совокупности АРМов, установленных в цехах и отделах станции, связанных между собой во вторую ЛВС.

Заключение

1. АСУ ТП ТЭЦ строится как многоуровневая распределенная система управления непрерывным процессом, ее структура полжна повторять станционную структуру оперативного управления и предусматривает фукциональное разделение на системы информационные, диагностики и управления.

2. В распределенной АСУ ТП ТЭЦ выделятся функциональные уровни АСУ ТП - датчиков, устройств ввода сигналов и вывода команд управления, каналов связи, обработки и представления информации.

3. В структуре АСУ ТЭЦ имеются две относительно самостоятельные структуры - АСУ ТП и АСУ П, каждая из которых имеет в качестве верхнего уровня локальную вычислительную сеть на персональных компьютерах, и между ними организовано межсетевое вэаимоде йствие.

4. Имеется принципиальное отличие в построении АСУ ТП электрической и тепловой части на уровнях преобразователей, устройств ввода-вывода, а также по временным характеристикам (время реакции системы) и распределенности системы.

5. Для АСУ ТП электрической части ТЭЦ возможно применение серийно выпускаемого программируемых микропроцессорных телекомплексов типа ГРАНИТ. При этом для нормальных режимов выпускаемый в настоящее время ТК ГРАНИТ будет давать реальную информацию, в аварийных режимах для регистрации необходимо применение специальных регистраторов аварийных событий.

6. Проведенный анализ временных характеристик показал, что телекомплекс ГРАНИТ имеет существенные недостатки, а именно:

- централизованная структура обработки информации;

- последовательный характер обработки аналоговых и дискретных сигналов, вносящий значительные временные задержки передачи и обработки информации.

7. Телемеханические комплексы должны включать интеллектуальное КП со встроенным микропроцессором. Помимо выполнения основных телемеханических функций КП может выступать как регистратор аварийных событий.

При использовании интеллектуального КП существенно расширяются возможности ведения автоматического управления, так как при этом резко уменьшаются время передачи команд ТУ и время реакции системы в целом.

8. Существующие аппаратные схемы управления, защиты и сигнализации асинхронных электродвигателей не позволяют своевременно выявлять все неисправности и ненормальные режимы, возникающие во время работы их работы.

го

9. Возможно определять температуру обмоток двигателей расчетным путем, что особенно важно при отсутствии термодатчиков в обмотках. Наиболее важшам параметрами для определения температуры является коэффициент перегрузки по току и время перегрузки.

10. Предлагаемые алгоритмы контроля и диагностики электродвигателей с.н. могут быть реализованы как на специально выделенных «шкроконтроллерах в составе распределенной АСУ тп, так и на интеллектуальных КП.

12. В случае установки неинтеллектуального КП ГРАНИТ можно вести эффективный контроль электрических режимов электродвигателя. Тепловой контроль двигателей возможен при прямом измерении тепловых параметров.

основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Хомицкий C.B. Общие принципы построения АСУ ТЭЦ на основе локальных вычислительных сетей. -М., 1995.-15с. Деп. п Черметинформаиии 15.02.95, N 6010.

2. Хомицкий C.B. Алгоритмы контроля тепловых режимов работы электрических двигателей собственных нужд ТЭЦ.-М.,1995. -12с. Деп. в Черметинформаиии 15.02.95, N 6009.

3. Кривенков В.В., Маврицина Т.П., Хомицкий C.B. Методические указания по курсу Технические средства диспетчерского и технологического управления. ТЕЛЕКОМПЛЕКС ГРАНИТ. -М.:Иэд-во МЭИ, 1994.-73 с.

Подписано к печати Л- ... / я -т

Ш_Тираж /00 Заказ №+

Типография M»!!. Красноказарменная. 1-1