СПОСОБ ЗАЩИТЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Российский патент 2024 года по МПК H02H3/08 H02H7/85 H02J3/28 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электроэнергетических систем от перегрузки в аварийных ситуациях.

Известен способ автоматической разгрузки электроэнергетической системы (ЭЭС) с параллельно работающими генераторными агрегатами (ГА) при выходе из строя одного или нескольких ГА (патент RU 2653361 C1, опубликованный 08.05.2018), заключающийся в измерении величины активной нагрузки каждого ГА (Pi), вычислении величины суммарной активной нагрузки всей ЭЭС (Рсумм.i), вычислении величины суммарной допустимой активной нагрузки ЭЭС (Рсумм. доп. откл.) для случаев отключения неработоспособного или неработоспособных ГА, сравнении вычисленной величины Рсумм.i с допустимой величиной Рсумм. доп. откл. и при Рсумм.i>Рсумм. доп. откл. формировании сигнала на отключение выбранных потребителей электрической энергии до момента отключения неработоспособных ГА.

Данный способ позволяет достаточно эффективно защитить СЭЭС от перегрузки в случае выхода из строя хотя бы одного из работающих параллельно ГА посредством предупредительного отключения части потребителей электроэнергии и уменьшения нагрузки сети. Недостатком данного подхода является невозможность его применения в случае, если увеличение нагрузки сети происходит не в результате отказа работающих ГА, а из-за подключения большого числа приемников электроэнергии.

Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемому изобретению является способ защиты СЭЭС от перегрузки посредством отключения выбранных групп потребителей (А.П Баранов. Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Учеб. для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / СПб.: Судостроение, 2005. - 456 с, рис. 16.6.). В рассматриваемом аналоге предполагается, что произошла перегрузка СЭЭС, если нагрузка хотя бы одного из ГА превысила свое допустимое значение. Способ заключается в измерении активной нагрузки каждого из работающих генераторных агрегатов (ГА) электроэнергетической системы, сравнении ее с допустимой величиной и, если нагрузка превысит допустимую, через выдержку времени отключают первую группу потребителей электроэнергии. Если через 5-10 сек нагрузка на оставшиеся ГА не изменится, отключают вторую группу потребителей. Если нагрузка на генераторы составит более 130% от номинальной мощности одного ГА, то отключают обе группы потребителей.

Способ-прототип защищает СЭЭС от перегрузки за счет отключения групп потребителей электроэнергии и снижения нагрузки сети. При этом его применение предполагается и в случае, при котором недопустимое увеличение нагрузки сети происходит не в результате отказа работающих ГА, а из-за подключения большого числа приемников электроэнергии.

Недостатком способа является то, что уменьшение нагрузки на каждый ГА осуществляют за счет отключения групп потребителей электроэнергии и снижения нагрузки сети в целом. При этом обычно отключают бытовую вентиляцию, кондиционер, прачечную, сауну, камбуз, грузовые лифты, и т.д. В этой связи нарушается протекание ряда технологических процессов на судне, ухудшаются условия обитаемости его экипажа и пассажиров.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей способа защиты СЭЭС от перегрузки за счет уменьшения нагрузки на перегруженный ГА без отключения групп потребителей электроэнергии и уменьшения нагрузки сети в целом.

Для достижения указанного технического результата используется следующая совокупность существенных признаков в способе защиты СЭЭС от перегрузки: на интервале времени, когда разность нагрузок ГА, работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА, и уменьшают величину допустимого значения разности нагрузок блока распределения нагрузок ГА, иными словами, повышают точность распределения нагрузок ГА.

Сущность изобретения заключается в том, что в режиме перегрузки СЭЭС, характеризующемся тем, что нагрузка хотя бы одного из ГА превысила допустимое значение, повышение точности распределения нагрузок между параллельно работающими ГА приведет к тому, что нагрузка наиболее загруженной машины будет уменьшаться, а наименее загруженной - увеличиваться. В этой связи нагрузка перегруженного ГА может уменьшиться до значения, не превышающего допустимую величину, СЭЭС выйдет из режима перегрузки, отключение групп потребителей не потребуется.

В этой связи условие, которое необходимо определить в процессе реализации предлагаемого способа (первый существенный признак способа), можно записать в виде следующего выражения: , где и - нагрузка, принимаемая первым (ГА1) и вторым (ГА2) генераторными агрегатами соответственно; величина расхождения нагрузок ГА в данный момент времени, характеризует точность распределения нагрузок между ГА1 и ГА2; - допустимая величина расхождения нагрузок ГА данной СЭЭС, определяет допустимую погрешность в работе системы автоматического распределения нагрузок, характеризует заданную точность распределения нагрузок между ГА1 и ГА2. В настоящее время СЭЭС, как правило, комплектуются ГА одинаковой мощности, предполагающей принятие на себя одинаковой номинальной нагрузки (). Для данного случая в соответствии с Правилами Российского морского регистра судоходства (РМРС) можно записать (Разность нагрузок ГА равной мощнсти не должна превышать 15% от номинальной нагрузки одного ГА). При этом величина обосновывается в первую очередь неточностью работы регуляторов подачи топлива в приводной двигатель ГА (для современных систем, как правило, не менее). С другой стороны, повышенная точность распределения нагрузок приводит к тому, что любые колебания нагрузки сети, связанные с пуском или остановкой потребителей электроэнергии в процессе эксплуатации судна, вызовут необходимость регулирования нагрузки ГА, неоправданный расход ресурса регуляторов топлива, снижение эксплуатационной надежности системы. В этой связи, хотя на ряде СЭЭС применяется более точное распределение нагрузок, например, с , Правила РМРС устанавливают менее жесткие требования к точности распределения нагрузок. Данное обстоятельство позволяет в критической ситуации, связанной с перегрузкой ГА, на короткое время весьма существенно повысить точность распределения нагрузок, например, до величины, определяемой . При этом произойдет снижение нагрузки перегруженной машины, СЭЭС выйдет из режима перегрузки без отключения групп приемников электроэнергии.

Вторым существенным признаком данного способа является определение момента, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА, то есть где - нагрузка одного из работающих ( -го) ГА; - допустимая величина нагрузки -го ГА. При этом величина определяется такой, при которой данный агрегат уже перегружен, но может выполнять свои функции еще некоторое время без отказа. Например, такой величиной, как и в прототипе, может быть . На основании Правил РМРС (часть IX»Механизмы» п.2.2.1) перегрузку в 10% двигатель внутреннего сгорания, например дизель, должен выдерживать в течение одного часа.

Третий существенный признак способа - уменьшают величину допустимого значения разности нагрузок блока распределения нагрузок ГА, т.е. повышают точность распределения нагрузок между ГА (В современные СЭЭС система распределения нагрузок ГА входит как одна из подсистем, которая может быть представлена как один из блоков - блок распределения нагрузок между ГА, принадлежащий второму уровню иерархии СЭЭС, как показано на стр.369 прототипа). Может достигаться воздействием на блок распределения нагрузок между ГА СЭЭС, например, посредством уменьшения величины при помощи сокращения зоны нечувствительности трехпозиционного регулятора (мертвой зоны). При этом сокращается разность нагрузок ГА за счет уменьшения нагрузки наиболее загруженного агрегата и увеличения нагрузки менее нагруженного ГА.

Четвертый существенный признак способа - повышают точность распределения нагрузок между ГА при выполнении первого и второго признаков способа. То есть реализация третьего признака для СЭЭС с двумя работающими ГА наступает только при выполнении системы неравенств

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - расширение функциональных возможностей способа защиты СЭЭС от перегрузки за счет уменьшения нагрузки на перегруженный ГА без отключения групп потребителей электроэнергии и уменьшения нагрузки сети в целом, решается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемого изобретения критерию патентоспособности «новизна».

В свою очередь, проведенный информационный поиск в области электроснабжения не выявил решений, содержащих отдельные существенные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».

Сущность предложенного способа поясняется графическими материалами, где:

на Фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующего способ защиты СЭЭС, в составе которой работают n ГА от перегрузки,

на Фиг.2 - блок контроля разности нагрузок,

на Фиг.3 - одна из возможных функциональных схем блока распределения нагрузок,

на Фиг.4 представлена одна из возможных схем одного из трехпозиционных регуляторов.

Устройство (Фиг.1) содержит: по числу ГА датчики нагрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n, пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n, а так же логический элемент «ИЛИ» 3, блок контроля равенства нагрузок ГА 4, логический элемент «И» 5 и блок распределения нагрузок ГА 6; причем выход каждого из датчиков нагрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n соединен с входом соответствующего порогового блока 2.1, 2.2 … 2.n и соответствующим входом блока контроля равенства нагрузок ГА 4, выход которого соединен со вторым входом логического элемента «И» 5, выход каждого из пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n соединен с соответствующим входом логического элемента «ИЛИ» 3, выход которого соединен с первым входом логического элемента «И» 5, выход логического элемента «И» 5 соединен с входом блока распределения нагрузок ГА 6.

Датчики нагрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального нагрузке соответствующего ГА ().

Пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал логической «1», если сигнал на входе превысит установленный порог срабатывания. Могут быть выполнены на базе операционных усилителей. При этом в качестве порогового значения выбирается напряжение соответствующее допустимому значению загрузки ГА, например, .

Логический элемент «ИЛИ» 3 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», если хотя бы на один из его входов поступил сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.

Блок контроля равенства нагрузок ГА 4 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», если модуль каждой из разниц нагрузок ГА не превышает величины допустимого значения . Может быть выполнен в виде блоков, осуществляющих попарное вычитание сигналов с выходов датчиков нагрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n и сравнение модуля каждой из полученных разностей с допустимым значением разницы загрузок ГА. В случае если абсолютная величина хотя бы одной из разностей загрузок ГА превысит значение , то на выходе блока контроля равенства нагрузок ГА4 сформируется сигнал логического «0». В качестве примера на Фиг.2 представлена одна из возможных функциональных схем блока контроля равенства нагрузок ГА для СЭЭС, в составе которой работают три ГА. Блок контроля разности нагрузок (Фиг.2) содержит блоки вычитания 7.1, 7.2, 7.3, блоки вычислении модуля входного сигнала 8.1, 8.2, 8.3, вторые пороговые блоки 9.1, 9.2, 9.3, логический элемент «ИЛИ-НЕ» 10; причем первый вход блока контроля равенства нагрузок ГА соединен с первым входом первого из блоков вычитания 7.1 и вторым входом третьего из блоков вычитания 7.3, второй вход блока контроля равенства нагрузок ГА соединен с первым входом второго из блоков вычитания 7.2 и вторым входом первого из блоков вычитания 7.1, третий вход блока контроля равенства нагрузок ГА соединен с первым входом третьего из блоков вычитания и вторым входом второго из блоков вычитания 7.2; выход первого из блоков вычитания 7.1 соединен входом первого из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.1, выход второго из блоков вычитания 7.2 соединен входом второго из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.2, выход третьего из блоков вычитания 7.3 соединен входом третьего из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.3; выход первого из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.1 соединен с входом первого из вторых пороговых блоков 9.1, выход которого соединен с первым входом логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10, выход второго из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.2 соединен с входом второго из вторых пороговых блоков 9.2, выход которого соединен со вторым входом логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10, выход третьего из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.3 соединен с входом третьего из вторых пороговых блоков 9.3, выход которого соединен с третьим входом логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10.

Блоки вычитания 7.1, 7.2, 7.3 - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального разности сигналов, поступающих на его первый и второй входы.

Блоки вычисления модуля входного сигнала 8.1, 8.2, 8.3 - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального абсолютной величине входного сигнала.

Вторые пороговые блоки 9.1, 9.2, 9.3 - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал в виде логической «1», если сигнал на его входе больше заданного порогового значения, в данном случае соответствующего величине .

Логический элемент «ИЛИ-НЕ» 10 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логического «0», если хотя бы на один из его входов поступил сигнал логической «1» и сигнал логической «1» в обратном случае.

Логический элемент «И» 5 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1» тогда и только тогда, когда на все его входы поступает сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.

Блок распределения нагрузок ГА 6 - новый функциональный блок. Настоящий функциональный блок формирует сигнал на увеличение подачи топлива в первичный двигатель ГА, нагрузка которого меньше и сигнал на уменьшение подачи топлива, если нагрузка данного ГА больше заданного значения. Если частота сети меньше заданного значения, то формируется сигнал на увеличение подачи топлива в первичные двигатели всех параллельно работающих ГА, а если частота сети больше заданного значения, то формируется сигнал на уменьшение подачи топлива в первичные двигатели ГА. При этом точность распределения нагрузок ГА задается зоной нечувствительности трехпозиционных регуляторов (мертвой зоной), входящих в состав блока 6. Подобные устройства хорошо известны, подробный алгоритм их работы описан, например, в учебнике (А. П. Баранов Судовые автоматизированные электроэнергетические системы: Учеб. Для вузов. 2-е изд., перер. и доп. - СПб.: Судостроение, 2005. - 528с (471с)). Существенное отличие данного блока от известных заключается в том, что блок 6, изображенный на Фиг.1, имеет дополнительный вход, при подаче на который сигнала логической «1», информирующего о перегрузке ГА при условии, что , происходит уменьшение зоны нечувствительности, а следовательно, повышение точности распределения нагрузок ГА.

Одна из возможных функциональных схем блока распределения нагрузок ГА 6 представлена на Фиг.3. Блок распределения нагрузок содержит: по числу ГА датчика нагрузки ГА 11.1, 11.2 … 11.n, датчики замыкания автоматических выключателей ГА 12.1, 12.2 … 12.n, а также блок формирования заданного значения частоты сети 13, датчик частоты сети 14, блок формирования среднего арифметического значения нагрузок ГА 15, второй блок вычитания 16, блок сложения 17 и по числу ГА трехпозиционные регуляторы 18.1, 18.2 … 18.n; при этом управляющий вход блока распределения загрузок ГА соединен с первым входом каждого из трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n, выход каждого из датчиков нагрузки ГА 11.1, 11.2 … 11.n соединен с соответствующим из первых входов блока формирования среднего арифметического значения нагрузок ГА 15 и третьим входом каждого из трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n; выход каждого из датчиков замыкания автоматических выключателей ГА 12.1, 12.2 … 12.n соединен с соответствующим из вторых входов блока формирования среднего арифметического значения нагрузок ГА 15, выход которого соединен с первым входом блока сложения 17, выход блока формирования заданного значения частоты сети 13 соединен с первым входом второго блока вычитания 16, выход которого соединен со вторым входом блока сложения 17, выход датчика частоты сети 14 соединен со вторым входом второго блока вычитания 16, выход блока сложения 17 соединен со вторым входом каждого из трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n.

Датчика нагрузки ГА 11.1, 11.2 … 11.n - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального нагрузке соответствующего ГА, аналогичны датчикам загрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n на Фиг.1.

Датчики замыкания автоматических выключателей ГА 12.1, 12.2 … 12.n - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует сигнал логической «1» при условии, что автоматический выключатель соответствующего ГА замкнут и сигнал логического «0» в обратном случае.

Блок формирования заданного значения частоты сети 13 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального заданному значению частоты сети (). В качестве блока 13 может быть использован генератор постоянного напряжения или делитель напряжения.

Датчик частоты сети 14 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального частоте сети ().

Блок формирования среднего арифметического значения нагрузок ГА 15- известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал в виде напряжения, пропорционального среднему арифметическому значению нагрузок работающих ГА ().

Второй блок вычитания 16 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал, в виде напряжения постоянного тока, пропорционального разности сигналов на его первом и втором входе, в данном случае сигнал, пропорциональный отклонению частоты сети от заданного значения (), при этом .

Блок сложения 17 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального сумме сигналов на его первом и втором входах. В данном случае это сигнал, пропорциональный заданному значению нагрузки ГА (), при этом

Трехпозиционные регуляторы 18.1, 18.2 … 18.n - новые функциональные блоки, обеспечивающие следующие функции:

формирование сигнала на увеличение подачи топлива в первичный двигатель соответствующего ГА (увеличение нагрузки соответствующего ГА), например i-го, в случае, если выполняется условие системы неравенств:

где - величина принимаемой нагрузки (величина загрузки) i-го ГА;

формирование сигнала на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель соответствующего ГА (уменьшение нагрузки соответствующего ГА), например, i-го, в случае, если выполняется условие системы неравенств:

исключение формирования сигнала на изменение подачи топлива в первичный двигатель соответствующего ГА, если выполняется неравенство ;

при поступлении сигнала логической «1» на первый вход любого из трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n , характеризующей выполнение условий, описываемых системой неравенств:

осуществляется уменьшение допустимой величины расхождения нагрузок ГА данной СЭЭС до величины , причем . В данном случае - допустимые величины нагрузок ГА1, ГА2 … ГАn соответственно; - абсолютные величины разностей нагрузок ГА, где m - число возможных пар комбинаций ГА из n.

Последняя функция, реализуемая блоком 6 (Фиг.1), является новой, ранее не применяемой в известных блоках распределения нагрузок ГА.

Одна из возможных схем трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n представлена на Фиг.4. Трехпозиционный регулятор содержит третий блок вычитания 19, блок контроля положительного сигнала 20, блок контроля отрицательного сигнала 21, второй блок вычисления модуля входного сигнала 22, генератор импульсов логической «1» 23, первый и второй элементы памяти 24.1 и 24.2 соответственно, логический элемент «НЕ» 25, первый и второй управляемые ключи 26.1 и 26.2 соответственно, третий пороговый блок 27, второй и третий логический элемент «И» 28.1 28.2 соответственно; при этом первый вход трехпозиционного регулятора соединен с входом логического элемента «НЕ» 25 и первым (управляющим) входом второго управляемого ключа 26.2, второй и третий входы трехпозиционного регулятора соединены с первым и вторым входами третьего блока вычитания 19 соответственно, выход которого соединен с входом блока контроля положительного сигнала 20, входом блока контроля отрицательного сигнала 21, входом второго блока вычисления модуля входного сигнала 22; выход блока контроля положительного сигнала 20 соединен с первым входом второго логического элемента «И» 28.1, выход блока контроля отрицательного сигнала 21 соединен с первым входом третьего логического элемента «И» 28.2, выход второго блока вычисления модуля входного сигнала 22 соединен с первым входом третьего порогового блока 27, выход которого соединен с третьим входом второго логического элемента «И» 28.1 и третьим входом третьего логического элемента «И» 28.2; выход генератора импульсов логической «1» 23 соединен со вторым входом второго логического элемента «И» 28.1 и вторым входом третьего логического элемента «И» 28.2; выход логического элемента «НЕ» 25 соединен с первым (управляющим) входом первого управляемого ключа 26.1, выход которого соединен со вторым входом третьего порогового блока 27, выход первого элемента памяти 24.1 соединен со вторым (информационным) входом первого управляемого ключа 26.1, выход второго элемента памяти 24.2 соединен со вторым (информационным) входом второго управляемого ключа 26.2, выход которого соединен со вторым входом третьего порогового блока 27.

Третий блок вычитания 19 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал, в виде напряжения постоянного тока, пропорционального разности сигналов на его первом и втором входе, в данном случае сигнал, пропорциональный отклонению действительного значения нагрузки ГА от заданного значения нагрузки ГА .

Блок контроля положительного сигнала 20 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», если сигнал на его входе больше нуля.

Блок контроля отрицательного сигнала 21 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», если сигнал на его входе меньше нуля.

Второй блок вычисления модуля входного сигнала 22 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал, пропорциональный абсолютной величине входного сигнала, аналогичен блокам 8.1, 8.2, 8.3, представленным на Фиг.2.

Генератор импульсов логической «1» 23 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал, в виде импульсов логической «1».

Первый и второй элементы памяти 24.1 и 24.2 - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал в виде напряжения постоянного тока, пропорционального величине и величине соответственно. В качестве таких блоков могут быть использованы генераторы сигналов постоянного напряжения или делители напряжения.

Логический элемент «НЕ» 25 - известный функциональный блок, на выходе которого формируется сигнал логического «0» при поступлении на его вход сигнала логической «1» и формируется сигнал логической «1» при поступлении на его вход сигнала логического «0».

Первый и второй управляемые ключи 26.1 и 26.2 - известные функциональные блоки на выходе каждого из которых появляется сигнал, поступающий на его второй (информационный) вход только при поступлении сигнала логической «1» на его первый (управляющий) вход. Может быть выполнен в виде транзисторной схемы в ключевом режиме или электромагнитного реле с замыкающими контактами.

Третий пороговый блок 27, известный функциональный блок, на выходе которого формируется сигнал логической «1», если сигнал на его первом входе превышает пороговое значение, сформированное на втором входе, в данном случае соответствующее или .

Второй и третий логический элемент «И» 28.1и 28.2 - известные функциональные блоки, на выходе каждого из которых формируется сигнал логической «1» только в случае, когда на все входы поступает сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае. Полностью аналогичны блоку 5 (Фиг.1).

Трехпозиционный регулятор (Фиг.4) работает следующим образом. В нормальном режиме функционирования (без перегрузки) на первом входе блока фиксирован сигнал логического «0», который поступит на вход логического элемента «НЕ» 25 и первый (управляющий) вход второго управляемого ключа 26.2. При этом второй управляемый ключ 26.2 закрыт, на его выходе сигнал отсутствует. На выходе логического элемента «НЕ»25 появится сигнал логической «1» и поступит на первый (управляющий) вход первого управляющего ключа 26.1, ключ откроется и с выхода первого элемента памяти 24.1 сигнал, пропорциональный допустимой величине расхождения нагрузок ГА данной СЭЭС поступит на выход первого управляемого ключа 26.1. С выхода первого управляемого ключа сигнал, пропорциональный поступит на второй вход третьего порогового блока 27. На первый вход третьего блока вычитания 19 поступит сигнал, пропорциональный заданному значению загрузки ГА (), а на второй его вход - сигнал, пропорциональный действительному значению загрузки данного (например, i-го) ГА (). На выходе третьего блока вычитания 19 сформируется сигнал, пропорциональный разности входных сигналов () и поступит на вход блока контроля положительного сигнала 20, вход блока контроля отрицательного сигнала 21 и вход второго блока вычисления модуля входного сигнала 22. Если сигнал, пропорциональный заданному значению загрузки ГА (), окажется больше, чем действительное значение загрузки данного i-го ГА, то сигнал на выходе третьего блока вычитания 19 будет положительным (). При этом на выходе блока контроля положительного сигнала 20 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход второго логического элемента «И»28.1, а на выходе блока контроля отрицательного сигнала 21 и первом входе третьего логического элемента «И» 28.2 сохранится сигнал логического «0». На выходе второго блока вычисления модуля входного сигнала 22 появится сигнал, пропорциональный абсолютной величине разности входных сигналов и поступит на первый вход третьего порогового блока 27. Если этот сигнал окажется больше чем пороговое значение, определяемое сигналом, поступающим на второй вход блока 27 (), то на выходе третьего порогового блока появится сигнал логической «1» и поступит на третий вход второго и третьего логических элементов «И» 28.1 и 28.2. На выходе генератора импульсов логической «1» 23 постоянно вырабатываются импульсы логической «1» и поступают на второй вход второго и третьего логических элементов «И» 28.1 и 28.2. Так как на первый и третий входы второго логического элемента «И» 28.1 поступит сигнал логическая «1», а на второй его вход - импульсные сигналы логической «1», то на его выходе сформируются импульсные сигналы логической «1», направленные на увеличение подачи топлива в приводной двигатель i-го ГА. При этом загрузка i-го ГА начнет увеличиваться и в момент, когда выполнится условие на выходе третьего порогового блока 27 появится сигнал логического «0», поступит на третий вход второго логического элемента «И» 28.1, на его выходе зафиксируется сигнал логического «0», увеличение подачи топлива в i-ый ГА прекратится.

Аналогично работает канал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА. Это произойдет в случае, при котором действительное значение загрузки ГА () окажется больше, чем заданное значение (). При этом сигнал на выходе третьего блока вычитания 19 будет отрицательным () , на выходе блока контроля отрицательного сигнала 21 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход третьего логического элемента «И» 28.2. В этом случае на выходе блока контроля положительного сигнала 20 появится сигнал логического «0», который поступит на первый вход второго логического элемента «И»28.1 и заблокирует увеличение подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА. Если окажется, что отклонение загрузки от заданного значения больше допустимой величины (условие выполняется), то на выходе третьего порогового блока 27 сформируется сигнал логической «1» и поступит на третий вход третьего логического элемента «И» 28.2. Так как на первый и третий входы третьего логического элемента «И» 28.2 поступит сигнал логической «1», а на второй его вход поступят импульсные сигналы логической «1» с выхода генератора импульсов логической «1» 23, то на выходе блока 28.2 появятся импульсные сигналы логической «1», направленные на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА. Загрузка i-го ГА уменьшится и в момент, когда выполнится условие на выходе третьего порогового блока 27 появится сигнал логического «0», поступит на третий вход второго логического элемента «И» 28.1, на его выходе зафиксируется сигнал логического «0», уменьшение подачи топлива в i-ый ГА прекратится.

Если окажется, что действительное значение загрузки равно заданному (), то на выходе блока контроля положительного сигнала 20 и на выходе блока контроля отрицательного сигнала 21 сохранится сигнал логического «0», который поступит на первый вход второго и третьего логического элемента «И» 28.1 и 28.2 соответственно, заблокировав изменение подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА.

Если в течение времени, когда разница нагрузок между всеми работающими ГА окажется меньше допустимой (выполняется условие ) произойдет перегрузка i-го ГА, то существующие системы распределения загрузок ГА изменения подачи топлива в перегруженную машину не осуществляют так как ГА загружены с заданной точностью. При этом в трехпозиционном регуляторе (Фиг.4) сигнал на выходе третьего блока вычитания 19 будет отрицательным, так как . При этом на выходе блока контроля отрицательного сигнала 21 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход третьего логического элемента «И» 28.2. Однако, так как выполняется условие , то сигнал на первом входе третьего порогового блока 27 будет меньше, чем на втором и на его выходе, а значит и на третьем входе третьего логического элемента «И» 28.2 сохранится сигнал логического «0», уменьшения подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА не произойдет, агрегат не уменьшит свою нагрузку и продолжит работать с перегрузкой. В предлагаемом изобретении в рассматриваемой ситуации на первый вход трехпозиционного регулятора поступит сигнал логической «1», который поступит на вход логического элемента «НЕ» 25 и первый (управляющий) вход второго управляемого ключа 26.2. При этом на выходе логического элемента «НЕ» 25 сформируется сигнал логического «0», который поступит на первый (управляющий) вход первого управляемого ключа 26.1, поступление сигнала, пропорционального допустимому расхождению сигналов СЭЭС () с выхода первого элемента памяти 24.1 на выход первого управляемого ключа 26.1 прекратится. Так как сигнал логической «1» поступит на первый (управляющий) вход второго управляемого ключа 26.2, то сигнал, пропорциональный величине с выхода второго элемента памяти 24.2 через второй (информационный) вход поступит на выход второго управляемого ключа 26.2 и второй вход третьего порогового блока 27. Так как , то сигнал на первом входе третьего порогового блока 27 станет больше, чем на его втором входе. При этом на выходе блока 27 появится сигнал логической «1» и на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на третий вход третьего логического элемента «И» 28.2. Так как на первый и второй входы третьего логического элемента «И» 28.2 поступит сигнал логической «1», а на второй его вход - импульсные сигналы логической «1» с выхода генератора импульсов логической «1» 23, то на выходе третьего логического элемента «И» 28.2 появятся импульсные сигналы логической «1» на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА. При этом произойдет разгрузка перегруженного i-го ГА.

Блок распределения нагрузок ГА, функциональная схема которого представлена на Фиг.3 работает следующим образом. Датчики нагрузки ГА 11.1, 11.2 … 11.n формируют сигналы, пропорциональные действительному (текущему) значению величине нагрузки соответствующих ГА . Эти сигналы поступают на соответствующие из первых входов блока формирования среднего арифметического значения нагрузок ГА 15 и третьи входы соответствующих трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n. С выходов датчиков замыкания автоматических выключателей ГА 12.1, 12.2 … 12.n сигналы в виде логических «1» и логических «0» поступают на соответствующие из вторых входов блока формирования среднего арифметического значения нагрузок ГА 15. На выходе блока формирования заданного значения частоты сети 13 формируется сигнал в виде напряжения, пропорционального заданному значению частоты сети (), который поступает на первый вход второго блока вычитания 16. На выходе датчика частоты сети 14 формируется сигнал, пропорциональный текущему значению частоты сети (), который поступает на второй вход второго блока вычитания, на выходе которого формируется сигнал (), пропорциональный отклонению частоты сети от заданного значения и поступает на второй вход блока сложения 17. Сигнал, пропорциональный среднему арифметическому загрузок ГА () формируется в блоке 15 и с его выхода поступает на первый вход блока сложения 17, где суммируется с сигналом, пропорциональным отклонению частоты сети. При этом на выходе блока 17 формируется сигнал, пропорциональный заданному значению нагрузки ГА (), а именно: . Сигнал с выхода блока сложения 17 поступает на вторые входы каждого из трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n. Трехпозиционные регуляторы обеспечивают сравнение заданного значение загрузки ГА с действительным значением и если загрузка ГА, например, i-го, окажется больше допустимой (в этом случае она окажется больше ) и при этом расхождение нагрузок окажется меньше допустимого значения для данной СЭЭС (), то на первый вход блока распределения нагрузок с выхода логического элемента «И» 5 (Фиг.1) поступит сигнал логической «1», который поступит на первый вход каждого из трехпозиционных регуляторов 18.1, 18.2 … 18.n. При этом произойдет повышение точности распределения нагрузок посредством изменения зоны нечувствительности (мертвой зоны) каждого из трехпозиционных регуляторов на более меньшую , причем . При этом трехпозиционный регулятор 18.i сформирует сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА, его нагрузка уменьшится, осуществится разгрузка агрегата.

Блок контроля разности нагрузок (Фиг.2) работает следующим образом. Сигналы, пропорциональные нагрузке ГА1, ГА2 и ГА3 () с датчиков нагрузки 1.1, 1.2 и 1.3 (Фиг.1) поступают на первый, второй и третий входы блока контроля разности нагрузок (Фиг.2) соответственно. На первый вход первого из блоков вычитания 7.1 поступит сигнал, в виде напряжения , пропорционального загрузке ГА1, а на второй его вход - в виде напряжения , пропорционального нагрузке ГА2. На выходе первого из блоков вычитания 7.1 сформируется сигнал в виде напряжения, пропорционального разности нагрузок ГА1 и ГА2 (). Этот сигнал поступит на вход первого из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.1, на выходе которого появляется сигнал в виде напряжения, пропорционального абсолютной величине разности нагрузок ГА1 и ГА2 (), который поступит на вход первого из вторых пороговых блоков 9.1. Если разница нагрузок ГА1 и ГА2 находится в пределах допуска (), то на выходе первого из вторых пороговых блоков 9.1 сформируется сигнал логического «0» и поступит на первый вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10. Если разница нагрузок ГА1 и ГА2 превысит допустимое значение (), то на выходе первого из вторых пороговых блоков 9.1 сформируется сигнал логической «1», на первый вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10 поступит сигнал логической «1».

На первый вход второго из блоков вычитания 7.2 поступит сигнал, в виде напряжения , пропорционального нагрузке ГА2, а на второй его вход - в виде напряжения , пропорционального нагрузке ГА3. На выходе второго из блоков вычитания 7.2 сформируется сигнал в виде напряжения, пропорционального разности нагрузок ГА2 и ГА3 (). Этот сигнал поступит на вход второго из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.2, на выходе которого появляется сигнал в виде напряжения, пропорционального абсолютной величине разности нагрузок ГА2 и ГА3 (), который поступит на вход второго из вторых пороговых блоков 9.2. Если разница нагрузок ГА2 и ГА3 находится в пределах допуска (), то на выходе второго из вторых пороговых блоков 9.2 сформируется сигнал логического «0» и поступит на второй вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10. Если разница нагрузок ГА2 и ГА3 превысит допустимое значение (), то на выходе второго из вторых пороговых блоков 9.2 сформируется сигнал логической «1», на второй вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10 поступит сигнал логической «1».

На первый вход третьего из блоков вычитания 7.3 поступит сигнал, в виде напряжения , пропорционального нагрузке ГА3, а на второй его вход - в виде напряжения , пропорционального нагрузке ГА1. На выходе третьего из блоков вычитания 7.3 сформируется сигнал в виде напряжения, пропорционального разности нагрузок ГА3 и ГА1 (). Этот сигнал поступит на вход третьего из блоков вычисления модуля входного сигнала 8.3, на выходе которого появится сигнал в виде напряжения, пропорционального абсолютной величине разности нагрузок ГА3 и ГА1 (), который поступит на вход третьего из вторых пороговых блоков 9.3. Если разница нагрузок ГА3 и ГА1 находится в пределах допуска (), то на выходе третьего из вторых пороговых блоков 9.3 сформируется сигнал логического «0» и поступит на третий вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10. Если разница нагрузок ГА3 и ГА1 превысит допустимое значение (), то на выходе третьего из вторых пороговых блоков 9.3 сформируется сигнал логической «1», на третий вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 10 поступит сигнал логической «1». Если разность нагрузок всех ГА находится в пределах допуска, то на все входы логического элемента «ИЛИ-НЕ»10 поступит сигнал логического «0», на его выходе сформируется сигнал логической «1». Если разница нагрузок хотя бы одной из пар ГА окажется больше допустимой, то на соответствующий из входов логического элемента «ИЛИ-НЕ»10 поступит сигнал логической «1», на его выходе появится сигнал логического «0».

Устройство, реализующее способ защиты СЭЭС от перегрузки, функциональная схема которого представлена на Фиг.1 работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный величине нагрузки ГА с каждого из датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n поступит на вход соответствующего порогового блока 2.1, 2.2 … 2.n и на соответствующий из входов блока контроля равенства нагрузок ГА 4. Если ГА нагружены равномерно и расхождение нагрузок менее допустимой для данной СЭЭС величины, то на выходе блока контроля равенства нагрузок ГА 4 сформируется сигнал логической «1», который поступит на второй вход логического элемента «И» 5. Допустим, что при этом нагрузка по крайней мере одного из ГА, например, i-го, превысит допустимое значение и он начнет работать с перегрузкой. В этом случае на выходе соответствующего порогового блока (2.i) появится сигнал логической «1», который поступит на i-ый вход логического элемента «ИЛИ»3. На выходе логического элемента «ИЛИ»3 сформируется сигнал логической»1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 5. Так как на оба входа логического элемента «И»5 поступит сигнал логической «1», то на его выходе тоже сформируется сигнал логической «1». Сигнал логической «1» с выхода логического элемента «И»5 поступит на управляющий вход блока распределения нагрузок ГА 6. По этому сигналу произойдет повышение точности распределения нагрузок, работающих ГА, уменьшится нагрузка перегруженного i-го ГА не за счет отключения ряда потребителей, а за счет более рационального распределения нагрузки.

После уменьшения нагрузки i-го ГА ниже на выходе порогового блока 2.i появится сигнал логического «0», поступит на i-ый вход логического элемента «ИЛИ» 3, на его выходе сформируется сигнал логического «0» и поступит на первый вход логического элемента «И» 5. Так как на один из входов логического элемента «И»5 поступит сигнал логического «0», то на его выходе сформируется сигнал логического «0» и поступит на управляющий вход блока распределения нагрузок ГА 6. По этому сигналу произойдет восстановление первоначальной точности распределения нагрузок СЭЭС, повышенного износа регуляторов не произойдет. При этом , поэтому перераспределение нагрузки между ГА не произойдет, вновь установившееся состояние работы ГА без перегрузки не изменится.

Устройство, функциональная схема которого представлена на Фиг.1, полностью реализует предложенный в качестве изобретения способ защиты СЭЭС от перегрузки. При этом:

датчики нагрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n и блок контроля равенства нагрузок ГА 4 совместно определяют интервал времени, когда разность нагрузок ГА, работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок;

датчики нагрузки ГА 1.1, 1.2. … 1.n, пороговые блоки 2.1, 2.2 … 2.n и логический элемент «ИЛИ» 3 совместно определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА;

логический элемент «И» 5 определяет момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА на интервале времени, когда разность нагрузок ГА, работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок;

блок распределения нагрузок ГА 6 повышает точность распределения нагрузок ГА.

Практическая реализация способа.

В качестве примера рассмотрим работу СЭЭС в режиме работы двух ГА, ГА1 и ГА2, с одинаковой номинальной мощностью 100 кВт ().

При этом:

точность распределения нагрузок ГА (допустимая величина расхождения нагрузок ГА) составляет 10% от величины (= 10кВт);

допустимая величина нагрузки одного ГА () составляет 110% от его номинальной нагрузки ();

величина повышенной точности распределения нагрузок ГА () составляет 5% от величины(=5кВт);

штатное устройство разгрузки ГА отключает выбранные группы потребителей при перегрузке любого из агрегатов в 110% от его номинальной нагрузки () с выдержкой времени в 15секунд .

Предположим, что в процессе эксплуатации СЭЭС сложилась ситуация, при которой ГА1 принял на себя нагрузку в 111 кВт (), а ГА2 -h 101 кВт (). В данном случае на выходе датчика нагрузки первого ГА 1.1 (Фиг.1) появится сигнал, пропорциональный нагрузке 111 кВт, который поступит на вход первого из пороговых блоков 2.1 и первый вход блока контроля равенства нагрузок 4. При этом величина на входе первого из пороговых блоков окажется больше, чем его пороговое значение (111 кВт > 110 кВт), а следовательно на выходе блока 2.1 сформируется сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «ИЛИ» 3. Так как по крайней мере на один из входов логического элемента «ИЛИ» 3 поступит сигнал логической «1», то на его выходе появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход первого логического элемента «И» 5. При этом на выходе датчика нагрузки второго ГА 1.2 - сигнал, пропорциональный нагрузке 101 кВт, который поступит на второй вход блока контроля равенства нагрузок ГА 4. Так как на первый и второй входы блока контроля равенства нагрузок ГА 4 поступят сигналы, абсолютная величина разности которых не превышает допустимую величину расхождения нагрузок ГА (), то на его выходе сформируется сигнал логической «1» и поступит на второй вход первого логического элемента «И» 5. На первый и второй входы первого логического элемента «И» 5 поступит сигнал логической «1», а значит на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на вход блока распределения нагрузок ГА 6. Блок распределения нагрузок 6 уменьшит зону нечувствительности трехпозиционных регуляторов (24.1 и 24.2 Фиг.3) и за счет этого повысит точность распределения нагрузок ГА до величины . При этом нагрузка наиболее загруженного ГА1 уменьшится на 2,5 кВт, а нагрузка ГА2 - увеличится на 2,5 кВт ( разность нагрузок не превысит 5 кВт) и составит для первого ГА 108,5 кВт () и для второго ГА 103,5 кВт (). Так как время перераспределения нагрузок составит 5-6 секунд и < и <, то штатное устройство разгрузки ГА не сработает.

Таким образом, в результате применения предложенного способа произойдет разгрузка перегруженной машины без отключения потребителей.

Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на Кафедре электропривода и электрооборудования береговых установок ФБГОУ ВО «Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова». Были произведены расчеты, показавшие возможность использования заявляемого способа в судовых энергетических установках и электроэнергетических системах, что с учетом выше изложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты судовых электроэнергетических систем (СЭЭС) от перегрузки в аварийных ситуациях. Техническим результатом является обеспечение разгрузки перегруженного генераторного агрегата (ГА) без отключения потребителей и снижения общей нагрузки СЭЭС. На интервале времени, когда разность нагрузок ГА, работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок, определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА, и уменьшают величину допустимого значения разности нагрузок блока распределения нагрузок ГА. 4 ил.

Способ защиты от перегрузки судовой электроэнергетической системы (СЭЭС), заключающийся в том, что определяют интервал времени, когда разность нагрузок генераторных агрегатов (ГА), входящих в состав СЭЭС и работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок ГА, то есть |Р₁-Р₂|≤ΔP_{расх.доп.}, где Р₁ - нагрузка, принимаемая первым ГА (ГА1), Р₂ - нагрузка, принимаемая вторым ГА (ГА2), а ΔР_{расх.доп.} - допустимая величина расхождения нагрузок ГА СЭЭС; определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА, то есть (Р₁ > Р_доп1)∨(Р₂ > Р_доп2), где Р_доп1 - допустимая величина нагрузки ГА1, Р_доп2 - допустимая величина нагрузки ГА2, при этом величины Р_доп1 и Р_доп2 выбирают такими, при которых соответствующий ГА уже перегружен, но может выполнять свои функции еще некоторое время без отказа, и в момент выполнения системы неравенств уменьшают величину допустимой величины расхождения нагрузок ГА СЭЭС посредством сокращения зоны нечувствительности трехпозиционного регулятора блока распределения нагрузок ГА.