СПОСОБ ПРЕВЕНТИВНОЙ ЗАЩИТЫ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ Российский патент 2025 года по МПК H02H3/08 H02J3/28 H02H7/85 

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, Бюл. №13), 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 заявляемого изобретения (прототипом) является способ защиты судовой электроэнергетической системы от перегрузки по патенту РФ № 2816 507, опубликованному 01.04.2024 в Бюл. №10, согласно которому 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 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.

Способ, принятый за прототип, позволяет выполнять защиту СЭЭС от перегрузки в случае, когда увеличение нагрузки сети происходит не в результате отказа работающих ГА, а из-за подключения большого числа приемников электроэнергии. При этом после идентификации момента , когда хотя бы один из ГА перегружен, а разница нагрузок между параллельно работающими ГА находится в заданных пределах, за время осуществляют уменьшение зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов и после обработки информации через время система распределения активных нагрузок и стабилизации частоты сети формирует сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель, например, в дизель, перегруженного агрегата, после чего в момент времени происходит уменьшение нагрузки перегруженного ГА. Таким образом, от момента времени до момента тратится время принятия решений . Указанное обстоятельство снижает быстродействие способа защиты СЭЭС от перегрузки.

Целью изобретения является повышение быстродействия способа защиты СЭЭС от перегрузки.

Указанная цель достигается тем, что в способе защиты СЭЭС от перегрузки измеряют нагрузку каждого из ГА, работающих параллельно, вычисляют разницу нагрузок между параллельно работающими ГА, сравнивают нагрузку каждого из этих ГА с соответствующей ему величиной допустимой нагрузки, сравнивают разницу нагрузок с допустимым значением разности нагрузок и определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из параллельно работающих ГА окажется больше, чем соответствующая ему величина допустимой нагрузки, а разница нагрузок между параллельно работающими ГА не превышает допустимого значения разности нагрузок, и в этот момент формируют сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель каждого из ГА, нагрузка которых окажется больше, чем соответствующая ему величина допустимой нагрузки.

Сущность изобретения заключается в том, что, так же, как и в прототипе, определяют момент, когда хотя бы один из ГА перегружен, а разница нагрузок между параллельно работающими ГА находится в заданных пределах, но, в отличие от прототипа, в этот момент не повышают точность распределения нагрузок за счет сокращения зоны нечувствительности трехпозиционных регуляторов системы распределения нагрузок (уменьшая величину допустимой величины расхождения нагрузок ГА СЭЭС); а в этот момент сразу формируют сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель только тех ГА, которые перегружены. В данном случае при уменьшении подачи топлива в первичный двигатель перегруженного ГА его нагрузка уменьшится, а наименее загруженные машины, работающие с ним параллельно, перераспределят это снижение нагрузки между собой, несколько увеличив свою нагрузку. При этом отпадет необходимость в отключении групп потребителей и за счет того, что сигнал об уменьшении подачи топлива в первичный двигатель перегруженной машины подается, минуя систему распределения нагрузок, произойдет сокращения времени на принятие решений , что приведет к повышению быстродействия способа защиты СЭЭС от перегрузки.

С другой стороны, современные системы распределения нагрузок не предназначены для автоматического изменения зоны нечувствительности в процессе эксплуатации, поэтому способ, принятый за прототип, предполагает их доработку, как показано в прототипе, что существенно усложняет его практическую реализацию. Предлагаемое изобретение позволяет быстрее, чем прототип осуществлять защиту СЭЭС от перегрузки в случае, при котором увеличение нагрузки сети происходит не в результате отказа работающих ГА, а из-за подключения большого числа приемников электроэнергии.

Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача - увеличение быстродействия способа защиты СЭЭС от перегрузки за счет сокращения времени на принятие решений , 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 чертежом (фиг. 1), на котором представлена функциональная схема устройства, реализующего способ защиты СЭЭС от перегрузки, в составе которой работают n ГА. 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 блок контроля равенства нагрузок ГА3; по числу ГА логические элементы «И» 4.1, 4.2 … 4.n и одновибраторы 5.1,5.2 … 5.n; 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 каждого из логических элементов «И» 4.1, 4.2 … 4.n; выход каждого из пороговых блоков 2.1, 2.2 … 2.n соединен с первым входом соответствующего логического элемента «И» 4.1, 4.2 … 4.n, выход каждого из логических элементов «И» 4.1, 4.2 … 4.n соединен с входом соответствующего одновибратора 5.1,5.2 … 5.n.

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, .

Блок контроля равенства нагрузок ГА 3 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», если модуль каждой из разностей нагрузок ГА не превышает величины допустимого значения . Блок аналогичен используемому в прототипе.

Логические элементы «И» 4.1, 4.2 … 4.n - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует 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.

Одновибраторы 5.1, 5.2 … 5.n - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует на своем выходе сигнал логической «1» определенной длительности при поступлении сигнала логической «1» на его вход.

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 нагрузки 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 3. Если ГА нагружены равномерно и расхождение нагрузок менее допустимой для данной СЭЭС величины, то на выходе блока контроля равенства нагрузок ГА 3 сформируется сигнал логической «1», который поступит на второй вход каждого из логических элементов «И» 4.1, 4.2 … 4.n. 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 первый вход i-го логического элемента «И» 4.i. Если при этом величина расхождения нагрузок между работающими ГА не превысит допустимое значение , то на выходе блока контроля равенства нагрузок ГА 3 сохранится сигнал логической «1» и на оба входа i-го логического элемента «И» 4.i поступит сигнал логической «1». При этом на выходе i-го логического элемента «И» 4.i появится сигнал логической «1» и поступит на вход i-го одновибратора 5.i, который сформирует сигнал логической «1» заданной длительности, соответствующей уменьшению подачи топлива в первичный двигатель i-го ГА, вызывающий уменьшение нагрузки на заданную величину, например, в 2-3% от номинальной мощности ГА, и перегруженный агрегат снизит свою нагрузку.

Приведенное устройство 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 3 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 совместно определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из ГА превысит допустимую величину нагрузки этого ГА;

логические элементы «И» 4.1, 4.2 … 4.n определяют момент, когда нагрузка соответствующего ГА превысит допустимую величину на интервале времени, когда разность нагрузок ГА, работающих параллельно, не превышает допустимого значения разности нагрузок;

одновибраторы 5.1,5.2 … 5.n формируют управляющий сигнал на уменьшение подачи топлива в перегруженный 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 ();

длительность импульса логической «1» на выходе одновибратора соответствует уменьшению подачи топлива в первичный двигатель ГА, приводящее к снижению нагрузки на 3% (3 кВт);

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

Предположим, что в процессе эксплуатации СЭЭС сложилась ситуация, при которой ГА1 принял на себя нагрузку в 111 кВт (), а ГА2 - 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 3. 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 первого логического элемента «И» 3.1. 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 3. Так как на первый и второй входы блока контроля равенства нагрузок ГА 3 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 и второго логического элемента «И» 4.1 и 4.2. На первый и второй входы первого логического элемента «И» 4.1 поступит сигнал логической «1», а значит на его выходе появится сигнал логической «1», который поступит на вход одновибратора 5.1. Одновибратор 5.1 сформирует импульс на уменьшение подачи топлива с длительностью, соответствующей уменьшению нагрузки ГА на 3% от номинальной мощности. При этом нагрузка ГА1 уменьшится на 3 кВт и составит 108 кВт, а нагрузка ГА2 увеличится на эту же величину и составит 104 кВт. Так как время снижения нагрузки ГА1 в данном случае составит 3-4 секунды, то устройство разгрузки СЭЭС не сработает, а разгрузка осуществится на время принятия решений быстрее, чем в прототипе.

Предлагаемое изобретение было создано в составе научно-исследовательских работ, проводимых на кафедре электропривода и электрооборудования береговых установок ФБГОУ ВО «Государственный университет 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. Технический результат заключается в решении проблемы разгрузки перегруженного генераторного агрегата (ГА) без отключения потребителей и снижения общей нагрузки СЭЭС. Сущность способа заключается в том, что 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 формируют сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель каждого из ГА, нагрузка которых окажется больше, чем соответствующая ему величина допустимой нагрузки ГА. 1 ил.

Способ защиты судовой электроэнергетической системы от перегрузки, согласно которому измеряют нагрузку каждого из генераторных агрегатов (ГА), работающих параллельно, вычисляют разницу нагрузок между параллельно работающими ГА, сравнивают нагрузку каждого из этих ГА с соответствующей ему величиной допустимой нагрузки, сравнивают разницу нагрузок с допустимым значением разности нагрузок и определяют момент, когда нагрузка хотя бы одного из параллельно работающих ГА окажется больше, чем соответствующая ему величина допустимой нагрузки, а разница нагрузок между параллельно работающими ГА не превышает допустимого значения разности нагрузок, и в этот момент формируют сигнал на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель каждого из ГА, нагрузка которых окажется больше, чем соответствующая ему величина допустимой нагрузки.