Контрольная работа: Автоматические системы управления в энергетике

Эта задача ещё называется третичным регулированием. Решается с помощью многовариантных расчётов на ЭВМ. Ещё наз-ся оптимизация режима работы эл. станций и эн. систем.

3. Уровень суток или недели.

Задача состоит в использовании имеющихся эн. блоков тепловых эл. станций таким образом что бы ↓ число пусков и остановов эн. блоков.

4. Уровень года или нескольких лет.

Задача состоит в планировании остановов эн. блоков ТЭС на несколько недель для проведения ежегодных ремонтных работ.

5. Уровень нескольких лет.

Основная задача планирование строительства новых энергоблоков, ст., п/ст., ЛЭП и поставок оборудования.

3, 4, 5 уровни не относятся к оперативно-диспетчерскому управлению. Это управление в плане планирования (мы не рассматриваем).

Структура технологического управления в электроэнергетике.

Технологическое управление – это оперативное управление производством, передачей и распределением эл. энергии. Оперативное управление реализуется диспетчерскими службами. Сейчас все диспетчерские службы оснащены автоматизированными системами управления технологическим процессом в электроэнергетике. Кроме того в область действия и диспетчерских служб и АСУ ТП входят ЛСАУ, установленные на электроэнергетических объектах.

Есть 3 основных группы задач, которые возлагаются на диспетчерские службы АСУ ТП (а значит и на ЛСАУ):

1)  обеспечение постоянного необходимого качества питания всех потребителей эл. эн. в любой точке энергосистемы, что требует постоянного оперативного управления частотой, напряжением и мощностью;

2)  Осуществление оптимального использования оборудования эл. станций, эл. сетей;

3)  Осуществление мер оп ликвидации последствий аварий и восстановления нормальной работы эн. систем, а также осуществление мер по предотвращению аварий.

Структурная схема.

ЭЭС – электроэнергетические системы (8 шт.);

ПЭС – предприятия эл. сетей 35 – 220 кВ (сейчас обл. энерго);

ЭБ – энергоблоки (300 МВт и ↑ → АСУ ТП);

РЭС – районы эл. сетей; Д – датчик; ИО – исполнительные органы; ЛСАУ.

ЦСАУЧМ – централизованная САУ частотой и мощностью;

ЦСАУН -- централизованная САУ напряжением (управл. U и Q)

В состав автоматизированного технологического управления эл. эн. системы кроме автоматизированных систем управления входят и автоматические системы управления. Есть 2 группы таких систем: САУ нормальным и САУ аварийным режимами (Н.Р. и А.Р,). Устойчивость параллельной работы СГ энергосистемы → САУ А.Р.

Основные сведения о САУ Н.Р. (нормальным режимом).

ЦСАУЧМ – предназначена для регулирования частоты в эл. эн. системе на заданном уровне путём поддержания баланса активной мощности в системе. Эта централизованная система регулирования частоты только за счёт изменения генерирующей мощности.

Состоит эта система из центральной части и нескольких станционных частей.

На Украине в составе АСУ ОЭС имеется программно-вычислительный комплекс CSADA в состав которого входит ЦСАУЧМ.

На Украине в качестве ЧРЭС используется 4 ГЭС (Днестровская, Днепровская, Кременчугская, Днепродзерджинская) и 1 ТЭС (Змеевская (Донбас)). Для качественного регулирования частоты и мощности к регулированию должны привлекаться практически все ТЭС. У нас не привлекаются из-за изношенности оборудования и отсутствия развитой системы управления (нет каналов связи, денег).

ЦСАУН – предназначена для поддержания напряжений в контролируемых узлах эл. сети 110 и ↑ кВ на заданном уровне и для обеспечения при этом заданных перетоков мощности по ЛЭП.

Основные задачи АСУ ТП эл. станций.

Задачи управления (технологического (оперативного)).

Классификация задач.

- По технологическому принципу.

1)  задачи управления эл. частью;

2)  задачи управления тепловой частью;

3)  задачи управления вспомогательным хозяйством станции;

- По типу управления:

1)  Контроль и диагностика состояния оборудования;

2)  Регулирование параметров режима;

3)  Ведение и оптимизация режима.

1. Контроль и диагностика состояния оборудования.

Задачи контроля (большинство задач на Украине этим ограничивается). Контроль – сравнение измеренных значений переменных состояния с заданными допустимыми значениями.

Стандартная схема контроля.

Дискретные измерения значений. вектор заданных значений (может изменятся во времени).

ОП – оперативный персонал;

ИО – исполнительные органы.

Краткая характеристика задач диагностики.

Под задачей диагностики в АСУ понимают расчётный показатель работоспособности оборудования на основе измерений.

Пример задачи диагностики.

Диагностика выработки коммутационного ресурса ВВ Все ВВ характеризуются коммутационным ресурсом – max допустимое кол-во коммутаций выключателя в различных диапазонах коммутируемых токов.

Решение задачи выработки коммутационного ресурса основано на формуле, определяющей расход ресурса за единичную коммутацию:

; .

Суммарный ресурс: , где кол-во коммутаций. Выключатель выработал коммутационный ресурс при .

Задачи контроля и диагностики в плане управления реализуются через оперативный персонал, т.е. персонал принимает решения по управлению на основе данных контроля и диагностики. По этому в этих задачах управление осуществляется с задержкой во времени.

Краткая характеристика задач регулирования.

Задача регулирования это задача, которая преимущественно формирует управленческие воздействия с целью вернуть значения переменных состояния к заданы значениям при отклонениях. Воздействие осуществляется автоматически без задержки во времени.

опред. алгоритм работы ОС. Этот алгоритм работы такой что б выполнялось условие: .

Основное – устойчивая работа системы.

Есть системы в которых . Назыв. они системы стабилизации.

Краткая характеристика задач ведения и оптимизации режимов эл. ст.

Задачи ведения режимов это задачи, которые последовательно во времени изменяют состояние или режим технологического объекта управления по заранее определенной последовательности действий. Пример – пуск или останов эн. блока вывод в ремонт выключателя на РУ и т.д.

Задачи оптимизации режимов рассчитывают такие значения режимных параметров, при которых обеспечивается min или max некоторого показателя качества работы технологического объекта управления. Результаты задач оптимизации являются заданными значениями для задач регулирования . Примеры: задача определения таких мощностей параллельно работающих энергоблоков станции при которых достигается min суммарного расхода топлива (для ТЭС).

Схема взаимодействия меж задачами контроля и диагностики состояния эл. оборудования, регулирования параметров режима, ведения и оптимизации режима.

В контуре управления АСУ ТП в настоящее время кроме задач контроля, диагностики регулирования, оптимизации и ведения режимов предусматривают группу задач "советчик диспетчера". Эта группа задач вырабатывает рекомендации – советы по принятию решений оперативным персоналом в различных режимных ситуациях на эл. станциях. Сейчас группу задач "советчик диспетчера" называют системой интеллектуального принятия решений (СИПР) оперативным персоналом. СИПР основана на мат. методах и моделях теории нейронных сетей (теория искусственного интеллекта).

3. Управление частотой и активной мощностью в нормальных режимах

электростанция управление автоматизированный энергетический

Статическая характеристика турбоагрегата

В установившемся режиме должен обеспечиваться баланс активной мощности: . Баланс мощности имеет смысл если  и  в допустимых пределах. При нарушении баланса отклоняется в первую очередь частота: .

момент на валу турбины, где

Q – расход энергоносителя (пара или );

Н – давление пара (для ГЭС напор );

η – КПД турбоагрегата;

ω – механическая скорость вращения вала.

, где f – частота тока, угловая скорость вращения вектора напряжения генератора.

, * – относительно номинальных значений.

Рассмотрим турбину с постоянной мощностью . Все паровые турбины имеют регулировочные клапаны с помощью которых осуществляется изменение кол-ва пара, подаваемого на турбину. Суть регулирования в том что регулирующие клапаны больше или меньше перекрывают относительное отверстие паропровода, подающего пар на турбину. Если регул. клапаны зафиксировать то .

В этом случае: . В пределах  от номинальных значений эта зависимость линейная.

Статическая характеристика – не зависит от времени. Если  то . Так как наклон большой то любое отклонение f или M приводит к значительному отклонениям M или f. Моментно-скоростная характеристика турбоагрегата при постоянной мощности приводит к значительным отклонениям угловой скорости или f при отклонениях момента на валу турбины. Момент на валу турбины определяется моментом нагрузки (моментом сопротивления). Момент нагрузки на валу определяется изменением эл. нагрузки эн системы (эл. нагрузка данного СГ). Работа с такой характеристикой – недопустима.

Фиксированных положений РК может быть множество и для каждого состояния своя моментно-скоростная характеристика. Пределы характеристики:

- справа – при полностью открытых РК;

- слева – при устойчивой работе (тех. min по мощности. Технологический минимум электростанции — минимальная нагрузка электростанции, обеспечивающая безопасное для персонала, оборудования, потребителя и окружающей среды состояние работы электростанции, включающая в себя технический минимум собственного оборудования и минимально необходимую нагрузку, обеспечивающую технологический минимум потребителей).

Статическая нагрузка по частоте

Статической характеристикой эл. приёмника по частоте называется зависимость меж мощностью, потребляемой эл. приёмником и частотой: . мощность нагрузки.

3 группы эл. приёмников:

1)  эл. приёмники, у которых Р не зависит от частоты:  при ;

2)  эл. приёмники, у которых Р зависит от частоты в первой степени , где коэффициент пропорциональности. Это СД и АД с постоянным моментом на валу. , ;

3)  эл. приёмники, у которых потребляемая мощность зависит от частоты во второй и выше степени: , где  Это АД с переменным моментом на валу (вентиляторного типа).

В каждом узле нагрузки есть эл. приемники всех трёх типов. Можно построит эквивалентную статическую характеристику по частоте узла нагрузки, либо района эн. системы, либо всей энергосистемы в целом. Эквивалентные статические характеристики нагрузки определяются той группой электроприёмников которая составляет большее количество. В современных эл. эн. системах наибольшее кол-во-эл. приёмники второй группы. По этому эквивалентная статическая характеристика нагрузки в пределах  от номинальных значений считаются соответствующими второй группе эл. приёмников, т.е. считаются линейными. Наклон этих характеристик зависит от удельного состава эл. приёмников различных групп для рассматриваемого района эн. системы.

Статические характеристики по частоте называют также регулирующим эффектом нагрузки (РЭН). РЭН является различным для различных эн. систем, для различных узлов нагрузки, для одного узла или системы но в разное время суток.  с . Это положительно для поддержания частоты и по этому называется РЭН.

Рассмотрим некоторую эквивалентную характеристику для некоторой эн. системы.

Допустим, что к этой системе произошло подключение нового объема эл. приёмников. Предположим при этом что процентное соотношение меж приемниками различных типов не изменилось. При изменении состава эл. приёмников изменяется наклон статической характеристики нагрузки. Наклон определяется статическим коэффициентом нагрузки, который в о.е.:

.

Определим экспериментальным путём (для эн. системы). Обычно . Это значит что при  . Эквивалентную статическую характеристику нагрузки записывают в виде уравнения: , где , . Если известно графическая зависимость меж  и f то по этой зависимости легко определить .

Мощность нагрузки создаёт тормозящей момент нагрузки на валах эл. ст. Изменение момента нагрузки .

В т. пересечения – уст. режим – равенство ускоряющего момента турбины и тормозящего момента нагрузки. мощность вновь подключённой нагрузки (удельный состав эл. приёмников считаем незменным).

При реальных изменениях нагрузки в эн. системе  изменения частоты для нерегулируемых агрегатов эл. станций будет достигать недопустимых величин . По этому при изменениях нагрузки в эн. системах надо так менять статические характеристики агрегатов эл. станций что б отклонение частоты лежали в допустимых пределах. Для этого агрегаты эл. ст-ций надо регулировать по мощности.

Статическая характеристика регулируемой турбины по частоте

Нагрузка увеличивается от Н1 до Н2 на величину . В результате новый установившейся режим в т. 2. Частота в т. 2 имеет недопустимое значение частоты. Что б частота не изменилась надо поднять мощность турбины.

Для изменения мощности турбины используются АРЧВ турбины. Это первичное регулирование частоты в эн. системе. Характеристика 7 – 5 статическая характеристика регулируемой турбины по частоте. Также характеристика 7 – 5 называется астатической характеристикой. Каждая точка на ней соответствует разному значению мощности и разному положению регулирующих клапанов. По этому эту характеристику изображают в координатах .

На всех ТЭС (и АЭС) применяют статические х-ки. На ГЭС стат. и астат. х-ки.

Рассмотрим стат. х-ку регулируемой турбины

Точку х.х. ещё называют уставкой АРЧВ по частоте. Наклон стат. х-ки регулируемой турбины определяется коэффициентом статизма σ. σ можно определить послед. формуле: , где любое отклонение частоты. В о.е.: .

σ регулируемых ТА-ов нормируются:

 в СНГ;

 в Эвропе;

 США, Канада.

Стат. х-ку регулируемой турбины можно математически записать так:

, , , . В о.е. .

Значение σ в% обозначает следующее: что бы нагрузка ТА изменилась от 0 до номинальной надо что бы частота снизилась в СНГ на 4.5%.

Пример определения изменения мощности ТА при изменении частоты в системе.

уравнение стат. х-ки ТА.

это недопустимо.

допустимо для генераторов.

 соответствует полному открытию РК.

АРЧВ бывают 3 типов:

1)  гидромеханические;

2)  гидродинамические;

3)  электрогидравлические.

1) и 2) на тепловых (паровых) ТА, 3) на паровых и гидравлических агрегатах.

Основные функции АРЧВ:

1)  регулирование частоты вращения турбины (при этом регулируется и мощность турбины);

2)  пуск и останов турбины;

3)  изменение частоты вращения при синхронизации;

4)  распределение нагрузки меж параллельно работающими агрегатами (эн. блоками);

5)  участие в общесистемном регулировании частоты;

6)  режимные ограничения мощности турбины (все АРЧВ снабжены защитными устройствами, которые ограничивают мощность турбины до заданной величины).

Простейший гидромеханический АРЧВ

Принципиальная схема

Г – СГ; ЦМ – центробежный маятник; М – муфта на вращающемся валу ЦМ-ка.

Положение муфты проградуировано по скорости турбины и определяет скорость вращения турбины. ЦМ и шестерная передача – это ДЧ (датчик вращения турбины). используется для маломощных ТА (30 МВт и ↓).

МИСВ – механизм изменения скорсти вращения турбины. С помощью МИСВ можно изменять и фиксировать рычаг . Рычаг жесткий рычаг.

ЗУ – золотниковое устройство – распределяет подачу масла на выходных каналах 1 и 2.

Верхний и нижний полости ЗУ связаны со сливной трубкой.

СМ – сервомеханизм (исполнительное устойство);

ЗУ + СМ – гидроусилитель.

Краткое описание работы

Допустим скорость вращения турбины ↓. ЦМ вращается медленнее → М (муфта) сместится вниз. При этом вниз переместится  и .  не изменится из-за давлений в СМ (сервомеханизме). Т. М0 – фиксированная. , вниз. Канал 1 соединится со сливной верхней полостью. Масло под давлением в канал 2 → в нижнюю полость СМ. Поршень СМ перемещается вверх. Вверх т.  → РК – вверх → больше пара на турбину → скорость вращения турбины ↑. М вверх → колебательная работа АРЧВ. Колеблется до тех пор пока т. С не вернётся в . При этом т. А и т. В не вернутся в  и  (определяется положением РК).

Установившееся положение СМ будет отличатся от исходного. Мощность Т тоже отлична от исх. С0 и золотник вертаются в исх. положения.

Между положением РК-нов, положения поршня сервомеханизма и т. С рычажной передачи АСВ существует однозначная жесткая связь, обусловленная жесткими рычагами, связывающим т. В с поршнем сервомеханизма и РК-ми. Эта жесткая связь (ЖОС) АРЧВ.

Такая конструкция не может поддерживать постоянство частоты вращения. Такая х-ка статическая (с наклоном).

. В конце переходного процесса

, ,

, .

; , коэффициент статизма.

Из  видно что в данной конструкции АРЧВ и изменить  во время работы ТА невозможно.  изменяют только во время ремонтных работ.  на разных ТА – разные. Для больших регулировочных диапазонов – меньший , для малых – больший.

Механизм изменения скорости вращения АРЧВ.

МИСВ АРЧВ это устройство с помощью которого можно изменить уставку по частоте (частоту х.х) и вызвать перемещение стат. х-ки АРЧВ параллельно самой себе.

СДУ – схема диспетчерского управления

В реальных условиях АРЧВ от 3 до 6%. Изменения достигаются путём изменения и фиксации длины рычага .

Изменение описать. Т.  в исходном положении. в иное положение.  тоже изменяет положение. Изменяется кол-во пара. Изменяется скорость. В конце п.п. , .

МИСВ снабжают ручным устройством для изменения длины рычага . Оно проградуировано в ГЦ (по ). Кроме того есть эл. привод (реверс), который управляется СДУ (сх. дистанционного управления) с ГЩУ. МИСВ используется для изменения числа оборотов турбины при пуске и включении на параллельную работу и при останове.

Действие МИСВ в двух режимах:

1)  параллельная работа агрегатов в эн. системе в которой частота поддерживается неизменной.

2)  Работа ТА на выделенную автономную нагрузку.

Изменение уставки МИСВ приводит к изменению частоты. Внешние воздействия по управлению на АРЧВ осуществляется через МИСВ.

АРЧВ с астатической частотной характеристикой

В рассмотренной ранее конструкции АРЧВ между точкой В и положением РК имеется жесткая рычажная связь которая называется ЖОС. Для получения астатической характеристики регулирования вместо ЖОС применяют ГОС. Схема ГОС имеет следующий вид:

З – золотник. ГОС состоит из П и гидравлического демпфера (ГД). П + ГД – изодронное устройство = ГОС. ГД – это цилиндр, заполненный маслом с поршнем. Вверх и нижняя части цилиндра сообщаются через трубку с малым регулируемым отверстием. ТТ – тонкая трубка.

Работа изодромного устройства

После изменения нагрузки турбины, начинается перемещение штока сервомеханизма (СМ). Например, вверх. Поскольку шток жестко связан с корпусом ГД то ГД перемещается вверх и сжимает пружину (П). П. давит на поршень ГД, но медленно из-за тонкой трубки. т. D медленно вверх. Постепенно масло из нижней части в верхнюю. П. разжимается. т. D – вниз. После п.п. т. D в исходное состояние. т В-тоже в исходное состояние. , . Если .