Системная автоматика

Системная автоматика для интеграции локальных систем электроснабжения с синхронной малой генерацией в электрические сети

«В основе энергетики нового уклада будут разномасштабные (от городов до домохозяйств) комплексные системы и сервисы интеллектуальной энергетики, построенные на открытой сетевой архитектуре»[1].

Суть приведенной выдержки заключается в том, что энергосистема будущего будет представлять собой свободное пространство с открытым доступом для владельцев распределенной генерации, активных потребителей и потребителей с управляемой нагрузкой с целью получения и предоставления участникам продуктов и услуг. Один из этапов достижения данной цели – представленная в статье автоматика. Автоматика соответствует и обеспечивает основные технологические тренды в сфере энергетики: «Цифровизации» инфраструктуры; Глубокой децентрализации производства энергии; Переходу к Интеллектуальному управлению; Расширению инвестиционной базы, масштабному привлечению частных инвестиций.

Автоматика решает задачу безопасного прямого включения в сеть локальной системы энергоснабжения (ЛСЭ) на базе малой генерации (МГ) без централизации управления на идеологии мультиагентных систем и применима, как для планируемых объектов с МГ, где удается продумать весь функционал и характеристики генерирующих установок (ГУ), схем выдачи их мощности на этапе проектирования, так и для уже существующих объектов, которые не предназначались для работы в параллельном или автономном режимах. Интеграция ЛСЭ с существующими распределительными электрическими сетями на технологическом и информационном уровнях производится с минимальной реконструкцией последних. Работа выполнена по гранту НТИ, проект № 25981.

ВИДЫ ОБЪЕКТОВ С МАЛОЙ И МИКРО ГЕНЕРАЦИЕЙ И ЦЕЛИ СУБЪЕКТОВ ПО ИХ ИНТЕГРАЦИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ

Требования к автоматике объектов с малой генерацией, интегрируемых в электрические сети централизованных систем энергоснабжения, прежде всего, определяются их системным предназначением [2]. В таблице 1 представлены виды объектов и требования к их системной автоматике.

Таблица 1. Особенности назначения и требования к системной автоматике объектов с малой генерацией

К основным недостаткам работы ЛСЭ в автономном режиме относят низкую надежность электроснабжения и низкое качество электроэнергии. К тому же при эксплуатации ЛСЭ в таком режиме необходимы значительные резервные мощности, что уменьшает использование установленных мощностей и увеличивает срок окупаемости объекта МГ. Эти недостатки устраняются при синхронной (без вспомогательных устройств) работе ЛСЭ с внешней энергосистемой. Положительные эффекты в виде снижения потерь, возможности подключения дополнительных потребителей за счет разгрузки сети, а так же повышения качества электроэнергии (по напряжению) в районе присоединения малой генерации получает и сама внешняя электрическая сеть (ВЭС), к которой присоединяется ЛСЭ.

Однако, параллельная работа МГ с внешней электрической сетью при ее прямом включении имеет риски для оборудования и способна снижать надежность электроснабжения, как потребителей ЛСЭ, так и внешней электрической сети. Риски и технологические барьеры прямого включения на параллельную работу ЛСЭ и внешней электрической сети приведены в таблице 2.

Таблица 2. Технологические барьеры и риски параллельной работы МГ с сетью

БАЗОВЫЙ СПОСОБ ПРОТИВОАВАРИЙНОГО УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ ЛСЭ ПРИ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ РАБОТЕ С ВНЕШНЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТЬЮ

Для обеспечения безопасной параллельной работы ЛСЭ и возможностей эффективного использования ее МГ предложен и реализован в автоматике специальный способ режимно-противоаварийного управления [3].

Способ направлен на:

• ограничение токов подпитки КЗ;
• предотвращение нарушений устойчивости параллельной работы с возникновением асинхронных режимов;
• исключение ударных моментов на валах синхронных машин;
• исключение необходимости согласования защит и автоматики внешней сети и присоединяемой МГ.

Идея способа – опережающее сбалансированное деление системы по априори фиксированным сечениям сети при нарушениях нормального режима с переходом в островной режим работы с последующим автоматическим восстановлением синхронизма и нормального режима с требуемой загрузкой оборудования. При этом ЛСЭ на основе МГ может работать синхронно с электрической сетью в одном из трех режимов:

• с выдачей значимой мощности во внешнюю сеть (Рвыд = Рзад);
• без выдачи значимой мощности во внешнюю сеть (Рвыд = 0);
• с потреблением значимой мощности из внешней сети (Рвыд= – Рзад).

В зависимости от режима для противоаварийного деления при нарушениях нормального режима используется одно из двух сечений (рис. 1).

а)

б)

в)

Рис. 1. Схемы присоединения ЛСЭ к ПС внешней электрической сети

Типовые схемы присоединения ЛСЭ, связанные с использованием указанно- го способа, приведены на рисунке 1, где ЛСЭ имеют электрическую связь c под- станцией (ПС) внешней электрической сети через распределительный пункт (РП) рисунок 1(а), либо непосредственно от генераторного распределительного устройства рисунок 1б и 1в. При этом необходимость разделения станции и электрической сети ЛСЭ на независимые части (рисунок 1а и 1б) в режиме параллельной работы с внешней энергосистемой определяется требованиями недопустимости шунтирования разделенных шин ПС подключения, а также ограничения токов подпитки КЗ.

Сечение S1 используется для деления сети в режимах избыточной генерирующей мощности в ЛСЭ, сечение S2 в режимах дефицита генерирующей мощности. При применении автоматики на уже эксплуатируемом объекте целесообразно использовать существующие системы телесигнализации, телеуправления и телеизмерений, осуществляя обмен данными по стандартным протоколам. При отсутствии каких либо данных в системе измерений и контроля автоматике необходимо осуществлять самостоятельно опрос датчиков положения устройств коммутации, производить измерения со вторичных обмоток трансформаторов тока и напряжения с последующим анализом их достоверности, расчетом электрических параметров режима (напряжения, активной и реактивной мощности в точках контроля). Кроме того, в центрах питания контролируемой сети необходимо осуществлять векторные измерения напряжений, используемые автоматикой при синхронизации центров питания. Автоматике должен быть обеспечен доступ к управлению ГУ, коммутационными аппаратами и другими устройствами, участвующими в режимном и противоаварийном управлении.

ФУНКЦИОНАЛ АВТОМАТИКИ

Оперирование:

• ввод в работу (вывод на номинальные параметры регуляторами)/вывод из работы энергоблоков;
• синхронизация генераторов и подсистем;
• выбор состава включенных генераторов, их функционализация и загрузка;
• восстановление нормального режима регуляторами;
• перевод энергоблоков в режимы регулирования частоты/мощности;
• оперативный и аварийный перевод станции/полустанции в островной или параллельный режим.

Режимное управление:

• регулирование частоты в островном режиме;
• регулирование перетока мощности по разным сечениям в режиме параллельной работы;
• регулирование напряжения в островном режиме;
• регулирование напряжения и/или реактивной мощности в режиме параллельной работы;
• поддержания режимов станции/энергосистемы, подходящих для сбалансированного деления.

Противоаварийное управление:

• опережающее сбалансированное деление системы;
• измерение прямой и обратной последовательностей напряжений в узлах с выключателями сечений для деления;
• предотвращение и ликвидация нарушений режимных ограничений в стационарных режимах.

Контроль и измерение:

• контроль текущего коммутационного состояния схемы сети ЛСЭ и связей с ВЭС;
• измерение режимных параметров оборудования и поддержание их допустимости;
• векторное измерение параметров в центрах питания ЛСЭ и на связях с ВЭС;
• стояния схемы сети, измеряемых параметров;
• идентификация классов состояния электростанции;
• идентификация установившихся режимов для всех процессов управления состояниями.

Блокировка и превентивные действия:

• блокировка включений на параллельную работу несинхронизированных частей по всем сечениям сети;
• блокировка оперативных включений/отключений с недопустимыми сбросами/набросами мощности в островных режимах;
• перевод подсистем в островной режим работы при нарушениях связи и автоматики.

Сигнализация и визуализация:

• визуализация текущего коммутационного состояния;
• визуализация режимных параметров и ограничений
• сигнализация о нарушениях в объекте и системе управления;
• визуализация функциональной готовности (неготовности) подсистем управления. В составе опытного образца автоматики предусмотрено АРМ оперативного персонала, технолога и сервисного инженера.

Описание работы автоматики

Режимная автоматика обеспечивает регулирование напряжения, активной мощности и частоты (в режиме автономной работы электрической станции ЛСЭ), как индивидуальное (при работе одного энергоблока), так и групповое (при параллельной работе нескольких энергоблоков). В групповом режиме один из энергоблоков является ведущим, остальные – ведомыми, принимая долевое участие в его активной и реактивной мощности. Одной из главных задач режимной автоматики является поддержание режима, позволяющего осуществить ПА сбалансированное отделение ЛСЭ от энергосистемы. Автооператор осуществляет полностью автоматическое реконфигурирование схемы (в том числе при переходах к параллельной и автономной работе с запусками необходимой для этого синхронизации генераторов, частей ЛСЭ и внешней электрической сети), изменение состава работающего генерирующего оборудования, выбор сечений для сбалансированного отделения ЛСЭ, восстановление нормального режима после его нарушений. Безусловным предпочтением обладает режим параллельной работы с внешней сетью, обеспечивающий высокую надежность работы электростанции при сбросах/набросах нагрузки, экономичности за счет использования свободных генерирующих мощностей для выдачи электроэнергии во внешнюю сеть. Пример маршрутной карта автооператора с указанием двух конечных состояний ЛСЭ (С1,С2) и 11 промежуточных приведена на рис. 2, а принятые обозначения – в таблице 3 

Рис. 2. Состояния и переходы ЛСЭ под управлением автооператора. Пунктиром обозначены технологические переходы, красными линиями – аварийные

Таблица 3. Обозначения к маршрутной карте

ОСНОВНЫЕ ДЕЙСТВИЯ АВТООПЕРАТОРА

Автономная работы ЛСЭ (со стороны ЛСЭ или ВЭС выставлен запрет на параллельную работу)

Если выявляется перегрузка работающих энергоблоков, то запускается резервный энергоблок, синхронизируется с уже работающими энергоблоками и переводится в режим долевого участия в мощности ведущего генератора.

Если выявляется снижение мощности работающих энергоблоков ниже технологического минимума, то один из работающих энергоблоков разгружается до нуля, отключается и переводится в резерв.

Перевод ЛСЭ из автономного режима в параллельный режим работы с ВЭС

Автооператор выявляет избыточность или дефицитность каждой полустанции. При необходимости включает резервный энергоблок, синхронизирует его с рабоnающей группой и вводит в состав группового регулирования с заданным коэффициентом долевого участия в мощности ведущего генератора дефицитной полустанции. После переводит дефицитную полустанцию на поддержание нулевого перетока по секционному выключателю.

После разгрузки секционного выключателя автооператор дает команду на его отключение, и, после ее отработки, запускает синхронизацию каждой из полустанций с напряжением своих точек присоединения к ВЭС.

После синхронизации автооператор проверяет достаточность имеющейся у полустанции располагаемой мощности для выделения одного или нескольких энергоблоков для выдачи мощности во внешнюю сеть и, при наличии такой мощности, загружает один или несколько из свободных генераторов на выдачу определенной уставками мощности с одновременным переводом остальных работающих в группе регуляторов энергоблоков в режим поддержания равенства выдаваемой выделенными энергоблоками мощности и мощности по сечению S1. Если располагаемой мощности недостаточно для того чтобы сечение было загружено отдельными (выделенными) генераторами, то автооператор переводит групповое регулирование в режим поддержания нулевого перетока по сечению S1. Если мощность нагрузки ЛСЭ больше располагаемой мощности станции, то осуществляется поддержания нулевого перетока по сечению S2.

В любом из вариантов автооператор создает адаптивный маршрут для прохождения команды на опережающее противоаварийное сбалансированное отделение полустанции от внешней электрической сети.

Рис. 3. Структура аппаратных средств автоматики

Перевод ЛСЭ из режима нормальной параллельной работы с ВЭС в режим автономной работы при поступлении запрета на параллельную работу

Если нормальный режим сопровождался выдачей полустанцией мощности во внешнюю электрическую сеть, то автооператор переводит регуляторы свободных генераторов в режим регулирования выдачи нулевой мощности (разгружает генераторы). При этом соответственно разгружается до нуля и сечение S1. После выявления установившегося режима с нулевым перетокомпо сечению S1 или S2 (если полустанция была дефецитной), автооператор дает команду на отделение полустанции по одному из этих сечений от внешней сети (отключение выключателя в сечении), перевод группового регулятора мощности в режим регулирования частоты, а также на отключение и перевод в горячий резерв свободных генераторов с переводом их регуляторов мощности в режим регулирования частоты. После идентификации изолированной работы каждой из полустанций автооператор дает команду на их синхронизацию на секционном выключателе, а затем переводит все регуляторы параллельной работающих генераторов в режим долевого участия в мощности одного ведущего генератора электростанции. Дальнейшая работа продолжается согласно п.1, а после снятия запрета на параллельную работу – согласно п. 2. Противоаварийная автоматика выявляет факт нарушения нормального режима (по снижению ниже уставки напряжения прямой последовательности или появлению выше уставки напряжения обратной последовательности в электрической сети), несущего угрозу для оборудования и надежности энергоснабжения потребителей, и осуществляет опережающее (за время менее 0,1 с) сбалансированное отделение ЛСЭ от внешней электрической сети по заранее подготовленному для этого автооператором сечению. В зависимости от режима предшествующему аварийному, деление может происходить по сеченияю S1 или S2, также, если по сечению ведется выдача мощности в энергосистему, автоматика произведет отключение ГУ, работающих на это сечение.

Рис. 4. Испытательная схема физической модели ЛСЭ и общий вид опытного образца автоматики

ОПИСАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА АВТОМАТИКИ

Программно-технический комплекс

Опытный образец автоматики реализован на базе ПТК «Торнадо-N» производства компании «Модульные Системы Торнадо». Структура аппаратных средств автоматики для ЛСЭ с ГУ в количестве до 12 штук и схемой ее присоединения к ВЭС через промежуточный РП представлена рис. 3.

Ввод и вывод сигналов реализован в устройствах сопряжения с технологическим оборудованием – модулях УСО серии MIRage-N, которые через дублированную сеть Ethernet взаимодействуют с драйверами УСО процессорных блоков ПТК – промышленных компьютеров повышенной надежности. Режимная и противоаварийная автоматики представлена на отдельных, дублированных процессорных блоках.

Алгоритмы режимной автоматики реализованы в среде ISaGRAF и исполняются в режиме реального времени с гарантированным временем выполнения 100 мс. Для противоаварийной автоматики определены более жесткие временные рамки выполнения идентификации аварийного режима и определения воздействия, поэтому на процессорных блоках с ПА используется операционная система реального времени QNX, в этом случае время срабатывания пускового органа ПА не превышает 20 мс.

Также в состав автоматики входит модуль синхронизированных векторных измерений для измерений напряжений в центрах питания. Реализация модуля основывается на обработке процессорным блоком данных, полученных от распределенных датчиков тока/напряжения типа Neuron и GPS/ГЛОНАС приемников.

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ЛСЭ С МНОГОАГРЕГАТНОЙ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЕЙ

Для подтверждения работоспособно- сти представленной автоматики необходимы испытания на физическом объекте. Экспериментальной площадкой для этого была Электродинамическая модель (ЭДМ) энергосистемы Центра коллективного пользования «Центр испытаний устройств контроля и управления режимами электроэнергетических систем» (Центр) Новосибирского государственного технического университета, где была создана физическая модель ЛСЭ с возможностью ее параллельной работы с внешней сетью. В качестве энергоблоков электростанции использовались агрегаты с двигателями постоянного тока и электрогенераторами мощностью 3 и 5 кВт. Испытательная схема физической модели ЛСЭ, а также предназначенная для ЛСЭ с четырех агрегатной электростанцией автоматика приведены на рис. 4.

Красный цвет выключателей соответствует их включенному состоянию, зеленый – отключенному. Представленное на рисунке коммутационное состояние соответствует параллельной работе полустанции А с внешней электрической сетью при погашенной полустанции В. Красные точки указывают места измерения токов, зеленые – напряжений.

При подготовке испытательной схемы и проведении испытаний было принято решение, что полустанция А находится полностью под управлением автоматики, а полустанция В управляется оперативным персоналом. При работе автооператора оперативный персонал полустанции В получает от него команды по изменению режима полустанции.

Моделируемая ЛСЭ имеет два нормальных режима: режим автономной работы с объединенными полустанциями и режим параллельной работы с внешней электрической сетью с разделенными шинами станции (разделенными полустанциями).

Сечениям S1 и S2 полустанции А соответствуют выключатели В7 и В5.

Начальная сборка схемы и установление одного из двух указанных нормальных режимов осуществляется оперативным персоналом (испытателем). После его установления осуществляется перевод управления в автоматический режим (передача управления автооператору).

ИСПЫТАНИЕ АВТОМАТИКИ

Ниже представлены характерные результаты проверки работы автоматики в нормальных и аварийных режимах.

Проверка работы автооператора, режимной автоматики в условиях изменяющейся нагрузки (Выбор сечений для балансирования ЛСЭ и режимов работы энергоблоков полустанции)

При испытаниях проверялась работа автооператора по выбору сечения для балансирования ЛСЭ и подготовки сечений для деления. При этом задавались следующие номинальные мощности генераторов: Г1 = 1200 Вт, Г2 = 600 Вт. Нагрузка Н1 = 900 Вт .

Рис. 5. Осциллограмма изменений режимов работы и загрузки генераторов полустанции А, работающей параллельно с внешней электрической сетью, при подключениях, отключениях всей и части нагрузки ЛСЭ Н3

На рис. 5 представлены осциллограммы переходных процессов и установившихся режимов при изменении собственной нагрузки полустанции А, работающей параллельно с внешней электрической сетью и находящейся под управлением автооператора.

Таблица 4. Структурные изменения схемы электрической сети при работе автооператора

На участке 1 Нагрузка Н3 отключена. Мощности Г1 достаточно для покрытия всей нагрузки полустанции А (1200 S1 ³ 900 Вт). В результате автооператор перевел Г2 в режим выдачи мощности, равной его уставке (Рг2уст = 600 Вт), а генератор Г1 в режим регулирования перетока по В7 равного мощности генератора Г2. В результате образовался режим Рг2 = Рв5 = Рв7 = 600 Вт, Рг1 = 930 Вт. В этом режиме полустанция А готова к аварийному сбалансированному делению по сечению В7 с одновременным отключением Г2 и его переводом в режим регулирования частоты.

На участке 2 включена часть нагрузки Н3 = 300 Вт. Мощности генератора Г1 недостаточно для покрытия всей нагрузки полустанции А (1200 £ 1230 Вт). В результате автооператор перевел Г2 в режим долевого участия в мощности Г1 с коэффициентом участия 0,5, а генератор Г1 в режим регулирования нулевого перетока по В7. В результате образовался режим Рв5 = 300, Рв7 = 0, Рг1 = 830, Рг2 = 415 Вт. В этом режиме полустанция А готова к аварийному сбалансированному делению по сечению В7.

На участке 3 включена вся нагрузка Н3 = 700 Вт. Суммарно мощности генераторов Г1, Г2 недостаточно для покрытия всей нагрузки полустанции А с заданным коэффициентом запаса 1,2 (1800 £ 1,2 1600 Вт). В результате автооператор сохранил Г2 в режиме долевого участия в мощности Г1 с коэффициентом участия 0,5, а генератор Г1 перевел в режим регулирования нулевого перетока по В5. В результате образовался режим Рв5 = 0, Рв7 = –700, Рг1 = 620, Рг2 = 310 Вт. В этом режиме полустанция А готова к аварийному сбалансированному делению по сечению В5.

На участке 4 отключена вся нагрузка Н3. Система вернулась в состояние участка 1.

Проверка перевода автооператором ЛСЭ из режима автономной работы в режим параллельной работы с ВЭС при отмене запрета параллельной работы

Проверяется правильность действий автооператора при отработке макрозаданий на реконфигурацию схемы, режимов работы ЛСЭ и автоматики при переходе из режима автономной работы в режим параллельной работы с внешней электрической сетью (таблица 4).

Результаты испытаний:

Автооператор безошибочно переводит ЛСЭ из режима автономной работы режим параллельной работы с внешней электрической сетью.

На всех этапах обеспечивается хорошее качество переходных процессов. Осциллограмма процесса не приводится Г2 ввиду его продолжительности (150с с учетом ручного выполнения операций с полустанцией В под управлением автооператора).

Испытания противоаварийной автоматики

Схема установки для проверки работы ПО ПА приведена на рис. 6.

Рис. 6. Схема установки для проверки работы ПО ПА

Для реализации требуемых условий по аварийному снижению напряжения в исходной схеме на шины Т4 дополнительно через выключатель В42 включается трансформатор, к выводам которого подсоединяется реактор Р. Во всех случаях исходным является режим параллельной работы полустанции с ВЭС. Описание и результаты опытов представлены в таблице 5 и рис. 7.

Рис. 7. Осциллограмма напряжений в фазах (верхняя часть), напряжения прямой и обратной последовательностей (средняя часть), сигналы срабатывания по каналам прямой последовательности (синий цвет) и среднеквадратического трехфазного напряжения (зеленый цвет)

Таблица 5.Определение напряжения срабатывания пускового органа

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложено малозатратное техническое решение для присоединения ЛСЭ с синхронной МГ к электрической сети централизованного электроснабжения с параллельной работой генераторов. Разработана автоматика управления режимом параллельной работы ЛСЭ с внешней энергосистемой, проведены ее успешные испытания, подтверждено соответствие предъявляемым требованиям (в т.ч. Стандарту IEEE 1547). При параллельной работе набросы, сбросы мощности в эксплуатационных режимах распределяются между внешней электрической сетью и ЛСЭ, причем большую часть берет на себя внешняя сеть, что исключает неустойчивую работу энергоблоков, а сбалансированное деление снимает угрозы возникновения асинхронных режимов, недопустимых динамических моментов на валах синхронных генераторов при КЗ во внешней сети, недопустимую подпитку токов короткого замыкания. Качество напряжения в районе сети присоединения регулируемой малой генерации повышается, как в части стабильности напряжения, так и в части его симметрии и синусоидальности.

ЛИТЕРАТУРА

1. План мероприятий («дорожная карта») «Энерджинет» Национальной технологической инициативы (https://nti2035.ru/markets/docs/DK_energynet.pdf).
2. Фишов А.Г., Ландман А.К., Сердюков О.В. SMART технологии для подключения к электрическим сетям и управления режимами малой генерации // Сборник докладов VIII Международной молодежной научно-технической конференции «Электроэнергетика глазами молодежи-2017». В 3 т. – Самара: СамГТУ, 2017. – Т. 1. С. 27–34.
3. Фишов А.Г., Мукатов Б.Б., Марченко А.И. Способ противоаварийного управления режимом параллельной работы синхронных генераторов в электрических сетях. Патент РФ № 2662728, Опубл. БИ № 22, 30.07.2018.
4. 1547 IEEE Standart for interconnecting Distributed Resources with Electric Power Sestis (Стандарт присоединения распределенных источников к электроэнергетическим системам)/28.07.2003.
5. Fishov A.G., Marchenko A.I., Ivkin E.S. Automation of unmanned low capacity power plant with synchronized generation // Actual problis of electronic instrument engineering (APEIE–2018)/ – 2018. – Vol. 1. Part.5. – P.108–114.
6. Фишов А.Г., Марченко А.И. Автоматика опережающего деления в схемах присоединения малой генерации к электрической сети // Оперативное управление в электроэнергетике. Подготовка персонала и поддержание его квалификации. – 2017. № 5. – С. 8–18.