УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОГО АВТОМАТИЧЕСКОГО ВКЛЮЧЕНИЯ РЕЗЕРВА Российский патент 2015 года по МПК H02J9/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам противоаварийной автоматики в системах электроснабжения потребителей с крупными синхронными двигателями.

Известны устройства автоматического включения резерва (АВР), которые в общем случае управляют выключателем резервного источника (обычно источник подключают секционным выключателем) после фиксации потери питания по основному вводу и отключения его выключателя. (Левченко М.Т., Хомяков М.Н. Автоматическое включение резерва. Библиотека электромонтера, вып. 324. М.: Энергия, 1971 г., стр. 4-7.)

Недостатком таких устройств является невозможность их применения на подстанциях, питающих крупные синхронные двигатели, т.к. в таких устройствах отсутствует защита от несинхронного включения синхронных двигателей.

Известно устройство АВР (Шабад М.А. Релейная защита на электроподстанциях, питающих синхронные электродвигатели. Библиотека электромонтера, вып. 565 Л.: Энергоатомиздат, 1984 г., стр. 38-40, рис. 19), которое обеспечивает защиту от несинхронного включения, тем самым позволяет применять его в системах электроснабжения потребителей с крупными синхронными двигателями.

Это устройство содержит: блок защиты от потери питания (ЗПП), первый таймер, исполнительный блок отключения ввода, пусковой орган АВР, состоящий из логического элемента И, блока контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, блока контроля напряжения на соседней секции шин и второго таймера, исполнительный блок включения секционного выключателя.

Блок контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, выдает сигнал при снижении остаточного напряжения до допустимого значения (обычно 0,4 от номинального напряжения), а блок контроля напряжения на соседней секции шин выдает сигнал при наличии на соседней (резервирующей) секции шин нормального напряжения (0,95-1,1 от номинального напряжения).

Данное техническое решение принято в качестве прототипа настоящего изобретения.

Недостатком прототипа является недостаточное быстродействие в некоторых режимах предприятия и энергосистемы, что приводит к увеличению времени простоя технологических агрегатов при потере питания от основного источника электроснабжения и может привести к значительному технологическому ущербу у ответственных потребителей.

Обусловлен этот недостаток тем, что известное устройство является неадаптивным (т.е. оно не учитывает реальный режим работы энергосистемы и предприятия) и имеет неоптимальный алгоритм управляющих воздействий при потере питания от основного источника электроснабжения.

Задачей изобретения является повышение быстродействия, что приводит к снижению времени восстановления технологического режима предприятия при потере питания от основного источника электроснабжения. Такой положительный эффект достигается за счет придания устройству адаптивных свойств, вследствие чего оптимизируется алгоритм управляющих воздействий и работы устройства в целом.

Задача решается тем, что устройство, включающее блок защиты от потери питания, который при потере питания с выдержкой времени первого таймера действует на отключение ввода, пусковой орган АВР, состоящий из логического элемента И, к входу которого подключены блок контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, и блок контроля напряжения на соседней секции шин, второго таймера, подключенного к выходу первого логического элемента И, отличается тем, что дополнительно содержит блок управления АВР, выполненный в виде процессора, первый выход блока управления АВР и выход пускового органа АВР через второй логический элемент И подключены к исполнительному блоку включения секционного выключателя, второй выход блока управления АВР подключен к блоку контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, третий выход блока управления АВР подключен к блоку связи с автоматизированной системой управления технологическими процессами (АСУ ТП), выход блока защиты от потери питания подключен к блоку управления АВР, причем к нему также по линиям связи присоединены датчики тока основного электрооборудования, датчики напряжения секций шин и блок связи с АСУ ТП. От АСУ ТП также поступает информация о режиме работы предприятия (например, для нефтеперекачивающей станции (НПС): количество включенных электродвигателей, давление в трубопроводе и т.п.).

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлена упрощенная схема электроснабжения НПС.

Устройство содержит блок 1 защиты от потери питания, первый таймер 2, исполнительный блок 3 отключения ввода, пусковой орган АВР (состоит из блока 4 контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, блока 5 контроля напряжения на соседней секции шин, первого логического элемента И 6, второго таймера 7), исполнительный блок 8 включения секционного выключателя, блок 9 управления АВР, второй логический элемент И 10, блок 11 связи с АСУ ТП.

Устройство работает следующим образом.

При потере питания от внешнего источника электроснабжения синхронные электродвигатели переходят в генераторный режим и создают напряжение на секции шин, потерявшей питание. При этом по питающему вводу изменяется направление активной мощности, начинается снижение частоты и напряжения на потерявшей питание секции шин, которые контролируются блоком 1. При изменении направления активной мощности и снижении частоты и напряжения до уставок срабатывания срабатывает блок 1 ЗПП, который выдает сигналы на первый таймер 2 и на блок 9 управления АВР. При прохождении времени, установленном на первом таймере 2, подается сигнал на исполнительный блок 3, который действует на отключение вводного выключателя секции шин.

От датчиков тока электродвигателей и вводов, датчиков напряжения на секциях шин на входы блока 9 управления АВР непрерывно поступает информация о токах I и напряжении U в виде цифровых кодов. От системы АСУ ТП также в цифровом виде непрерывно поступает информация о режиме работы предприятия (например, для НПС: количество включенных электродвигателей, давление в трубопроводе и т.п.). Скорость передачи информации по сети не менее 1 Мб/с, тактовая частота процессора блока 9 управления АВР не менее 2 ГГц, объем оперативной памяти не менее 2 Гб. Подобные параметры позволяют передать в блок 9 управления АВР и обработать информацию о токах электродвигателей и вводов, напряжении на секциях шин, количестве включенных электродвигателей, давлении в трубопроводе и т.п. с достаточным быстродействием. В памяти процессора блока 9 управления АВР находятся данные схемы электроснабжения предприятия, параметры основного электрооборудования (крупные электродвигатели, трансформаторы и т.д.) и логические функции, выполняющие в режиме реального времени:

- расчет параметров питающей энергосистемы (сопротивление и ЭДС);

- расчет ожидаемых параметров (токи и напряжения на элементах системы электроснабжения, другие технологические параметры) при потере питания от одного из источников электроснабжения (для данного режима работы предприятия и энергосистемы);

- расчет и проверку условий допустимости и успешности самозапуска (для данного режима работы предприятия и энергосистемы), включая расчет допустимого остаточного напряжения, при котором допустимо несинхронное включение электродвигателя (электродвигателей), потерявших питание;

- выбор алгоритма восстановления технологического процесса после нарушения электроснабжения.

При потере питания от одного из источников теряет питание одна из секций шин (1СШ или 2СШ на фиг. 2) распределительного устройства. При этом срабатывает защита от потери питания и отключает вводной выключатель (Q1 или Q2 на фиг. 2). После отключения вводного выключателя потерявшей питание секции шин исполнительным блоком 3 (фиг. 1) запускается схема пускового органа АВР, которая при достижении уставки срабатывания в блоке 4 контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, и наличии напряжения на соседней секции шин, контролируемым блоком 5, через первый логический элемент И 6 с выдержкой времени второго таймера 7 выдает сигнал на второй логический элемент И 10. Уставка срабатывания блока 4 контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, является адаптивной, рассчитывается в блоке 9 и задается от блока 9 управления АВР для данного предаварийного технологического режима работы.

В доаварийном режиме в блоке 9 управления АВР выполняются расчеты ожидаемых параметров системы электроснабжения (значения эквивалентных ЭДС и сопротивлений), проверяются условия допустимости и успешности самозапуска электродвигателей для возможных аварийных режимов (потеря питания по первому или второму вводу). При получении блоком 9 сигнала от блока 1 защиты от потери питания в блоке 9 выполняются расчеты и производится выбор оптимального алгоритма восстановления технологического режима предприятия. При допустимости и успешности самозапуска одного или группы электродвигателей блоком 9 управления АВР выдается сигнал на второй логический элемент И 10, и при наличии сигнала от пускового органа АВР подается команда на исполнительный блок 8 включения секционного выключателя. При недопустимости и/или неуспешности самозапуска блок 9 управления АВР выбирает оптимальный алгоритм восстановления технологического процесса и через блок 11 связи с АСУ ТП управляет выключателями электродвигателей и технологический процесс предприятия восстанавливается.

В известном устройстве отсутствует блок 9 управления АВР, что не позволяет учитывать реальный режим работы энергосистемы и предприятия, выполнять расчеты и проверить условия допустимости и успешности самозапуска и не позволяет выбирать оптимальный алгоритм управляющих воздействий при потере питания от основного источника электроснабжения. При этом работа устройства может иметь недостаточное быстродействие, что может привести к увеличению времени простоя технологических агрегатов и, как следствие, к значительному технологическому ущербу у ответственных потребителей.

Уставки срабатывания релейной защиты и автоматики (например, уставка блока контроля остаточного напряжения на секции шин) в известном устройстве являются проектными и заданы заранее. Выполнение условий допустимости, запрета и успешности срабатывания АВР (Шабанов В.А., Алексеев В.Ю. Условия срабатывания АВР на нефтеперекачивающих станциях // Энергетик. - 2010. - №3. - С. 37-39) на предприятиях с крупными синхронными двигателями обеспечивается расчетом токов, напряжений и уставок срабатывания АВР. Результатом расчета является выбор уставок срабатывания устройства АВР для предельных режимов сети и предприятия. К примеру, для НПС предельными режимами будут максимальный и минимальный режимы работы энергосистемы, возможное максимальное и минимальное количество включенных электродвигателей магистральных насосных агрегатов и др. Уставка блока контроля остаточного напряжения на секции шин (напряжения генерируемого выбегающими электродвигателями) проектно рассчитывается и принимается по минимальному режиму работы предприятия и максимальному режиму работы энергосистемы, т.к. в таком режиме посадка напряжения при включении резервного питания будет минимальной и при возможном несинхронном включении электродвигателя ток самозапуска будет максимальным.

Реальный режим работы отличается от предельного, поэтому выбор уставок срабатывания устройства АВР для предельных режимов сети и предприятия не только приводит к загрублению уставок срабатывания (излишнему запасу), но и, как следствие, к увеличению времени срабатывания и неоптимальной работе АВР в не предельных режимах.

На примере НПС рассмотрим возможные режимы работы системы электроснабжения, когда недостаточное быстродействие и отсутствие адаптивности известного устройства могут привести к нарушению технологического процесса. Упрощенная схема электроснабжения НПС, показана на фиг. 2. К каждой секции шин подключены по два электродвигателя ЭД1, ЭД2, ЭД3 и ЭД4. В работе может быть до трех электродвигателей, четвертый электродвигатель всегда находится в технологическом резерве.

Рассмотрим режим, когда на первой секции шин распределительного устройства включены два электродвигателя ЭД1 и ЭД2, ко второй секции шин подключен один двигатель ЭД3, а двигатель ЭД4 вместе с насосом - в резерве. Алгоритм известного устройства не зависит от режима питающей энергосистемы. Если в минимальном режиме работы энергосистемы одновременный самозапуск двух электродвигателей на первой секции шин невозможен, то в известном устройстве АВР при двух двигателях на секции шин запрещается и заменяется последовательным пуском электродвигателей. Это увеличивает время восстановления технологического процесса. Так как известное АВР не адаптивное, то оно ведет себя также и при всех других режимах работы энергосистемы. Однако, в режимах энергосистемы отличных от минимального, когда ее сопротивление меньше, чем в минимальном режиме, самозапуск двух электродвигателей может быть возможным. В предлагаемом устройстве в блоке 9 определяется возможность одновременного самозапуска и если он возможен, то допускается работа предлагаемого устройства АВР с последующим успешным одновременным самозапуском двух электродвигателей. Это приводит к ускорению вывода на рабочий режим обоих электродвигателей и к сокращению времени простоя технологических агрегатов.

Если расчет в блоке 9 показал, что одновременный самозапуск двух электродвигателей ЭД1 и ЭД2 на первой секции шин может быть неуспешным, то алгоритм предлагаемого устройства изменяется (адаптируется к режиму энергосистемы). В рассмотренном случае, можно отключить один из двигателей ЭД1 или ЭД2, например ЭД1, до включения секционного выключателя, и через схему технологического резервирования включить резервный двигатель ЭД4. И только потом включением секционного выключателя осуществить самозапуск оставшегося включенным электродвигателя ЭД2 на первой секции шин. Самозапуск одного электродвигателя, как правило, происходит успешно и технологический режим приводимого им насоса восстанавливается. Таким образом, технологический процесс перекачки восстанавливается. Известное устройство имеет неадаптивный алгоритм работы и имеет «жесткую» логику и в рассмотренном режиме будет осуществлять последовательный пуск, что увеличит вывод электродвигателей на рабочий режим и увеличит время восстановления технологического процесса.

Известное устройство не учитывает параметры питающей энергосистемы, не учитывает параметры технологического процесса, влияющие на обеспечение устойчивости работы предприятия, что может привести к увеличению времени вывода на рабочий режим электродвигателей, терявших питание, и к увеличению времени восстановления технологического процесса после потери питания от одного из источников электроснабжения. При этом при затянувшемся самозапуске возможно отключение технологических агрегатов по давлению в трубопроводе. Предлагаемое устройство прогнозирует, что самозапуск может быть успешным или неуспешным с возможным повышением давления в трубопроводе до опасных значений, и выбирает другой алгоритм действия, например включение технологического АВР вместо самозапуска.

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое устройство имеет повышенное быстродействие, что приводит к снижению времени восстановления технологического режима предприятия при потере питания от основного источника электроснабжения. Повышенное быстродействие обусловлено тем, что предлагаемое устройство позволяет учитывать реальный режим работы энергосистемы и предприятия и выбирать как оптимальный алгоритм действия устройства, так и оптимальный алгоритм управляющих воздействий на элементы электроснабжения при потере питания от основного источника электроснабжения.

Использование предлагаемого изобретения позволит повысить устойчивость технологических систем и может найти широкое применение в технике релейной защиты и автоматики.

Использование: в области релейной защиты и автоматики. Технический результат - повышение устойчивости технологических систем за счет ввода в устройство блока управления АВР, позволяющего выполнять расчеты и выбор оптимального алгоритма работы для данного режима работы предприятия и энергосистемы. Устройство содержит: блок защиты от потери питания, исполнительный блок отключения ввода, первый таймер, пусковой орган АВР (состоит из: блока контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, блока контроля напряжения на соседней секции шин, первого логического элемента И, второго таймера), блок управления АВР, блок связи с АСУ ТП, второй логический элемент И, исполнительный блок включения секционного выключателя. Блок управления выполнен в виде процессора, на вход которого поступает информация от датчиков тока, напряжения системы электроснабжения и информация от системы АСУ ТП предприятия. 2 ил.

Устройство автоматического включения резервного питания потребителей с двигательной нагрузкой, включающее блок защиты от потери питания, пусковой орган АВР, состоящий из логического элемента И, к входу которого подключены блок контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, и блок контроля напряжения на соседней секции шин, второго таймера, подключенного к выходу первого логического элемента И, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок управления АВР, выполненный в виде процессора, первый выход блока управления АВР и выход пускового органа АВР через второй логический элемент И подключены к исполнительному блоку включения секционного выключателя, второй выход блока управления АВР подключен к блоку контроля остаточного напряжения на секции шин, потерявшей питание, третий выход блока управления АВР подключен к блоку связи с автоматизированной системой управления технологическими процессами, выход блока защиты от потери питания подключен к блоку управления АВР, причем к нему также по линиям связи присоединены датчики тока основного электрооборудования, датчики напряжения секций шин и блок связи с автоматизированной системой управления технологическими процессами.