Главная — Тренажеры — Электрические тренажеры
Перечень разработанных электрических тренажеров
№п/п | Тренажер ↑ | ТИП |
1 | Комплекс компьютерных анализаторов режимов работы сетей 220 и 110 кВ | ПСУ-ЭЦ |
2 | Тренажер главной электрической схемы ПГУ-130 РТС "Строгино" | ПГУ-ЭЦ |
3 | Тренажер главной электрической схемы ПГУ-450Т Калининградской ТЭЦ-2 | ПГУ-ЭЦ |
4 | Тренажер главной электрической схемы ТЭЦ-25 | ПСУ-ЭЦ |
5 | Тренажер-анализатор электрической части станции ТЭЦ-26 | ПСУ-ЭЦ |
Комплексные анализаторы процессов функционирования электрооборудования электростанций
1. Введение
Основные мощности электростанций Российской федерации в силу сложившихся исторических условий введены в работу в короткий отрезок времени второй половины ХХ столетия. Такое же положение сложилось и в странах Западной Европы, США, Канаде и в ряде других стран.
Из этого следует, что отработавшее ресурс оборудование надо менять на новое в сравнительно короткий отрезок времени в большом количестве. Для этого необходимо привлечение огромных средств. Вместе с тем исследования показали, что срок службы может быть продлен, если оборудование будет эксплуатироваться в щадящих условиях.
В данной статье описывается новая программная система, которая может позволить обеспечить щадящие условия эксплуатации электрооборудования.
2. Постановка задачи и общие вопросы
Когда диспетчер энергосистемы дает задание станции на выдачу определенной мощности по определенным линиям электропередач, ни он, ни специалисты станции заранее точно не знают, какой режим работы электрооборудования будет установлен в результате выполнения команды. Только после ее выполнения можно оценить получившейся результат. При этом традиционно на многие электрические цепи не ставится необходимый объем измерительных устройств, поэтому даже после выполнения команды диспетчера у персонала нет полного и точного представления о сложившемся режиме работы электрооборудования. Но даже если после выполнения команды диспетчера стало очевидно, что один из элементов электрооборудования работает с перегрузкой, остается неясным как надо изменить режим, чтобы ее снять и одновременно выполнить команду диспетчера.
До последнего времени не было технической возможности оперативно предсказать режим работы электрооборудования станции или подстанции в результате заданных переключений. Имеющиеся системы расчета параметров электрических режимов ориентированы на длительную подготовку исходных данных в определенном формате, не имеют удобного интерфейса пользователя, а кроме того, время расчета одного режима такими программами все еще слишком велико. Все это препятствует их использованию на электростанциях и подстанциях. Другие системы (тренажеры переключений), имеющие удобный интерфейс пользователя, в большинстве случаев не способны рассчитывать режимные параметры работы электрооборудования.
Российской фирме "Тренажеры для электростанций" совместно с кафедрой электрических станций МЭИ впервые удалось решить поставленную задачу в полном объеме.
Технические проблемы, которые пришлось решить, относятся к следующим областям:
- алгоритмы функционирования отдельных элементов электрической схемы
- численные методы решения системы уравнений
- оптимизация скорости решения
- организация программной структуры
- комплексная отладка сложных систем
В результате был создан "Комплексный анализатор процессов функционирования электрооборудования электростанции" (КАЭО), основой которого является высокоточная математическая модель функционирования электрооборудования. Будучи созданной для конкретной станции с учетом всех ее особенностей, эта модель позволяет вычислять основные параметры электрической схемы при любом изменении ее конфигурации.
Очевидно, что для успешного решения задачи предсказания режима работы электрической части станции или подстанции, КАЭО должен уметь полноценно моделировать:
- генераторы любого типа, включая их системы возбуждения
- трансформаторы
- переключатели
- и так далее
Крайне важно, что разработанный комплекс позволяет производить вычисления протекающих в электрооборудовании процессов в реальном масштабе времени
КАЭО не требует утомительной подготовки исходных данных для расчета. Он имеет дружественный интерфейс, что позволяет легко научиться его использовать.
Имея высокоточную модель, можно не только предсказывать режим работы электрической части станции или подстанции, но и производить анализ произошедших аварийных ситуаций. Для облегчения анализа аварийных ситуаций с использованием КАЭО в него включена функция создания осциллограмм "быстрых" переходных процессов. В качестве "осциллографа" предлагается использовать, например, Microsoft Excel , а КАЭО умеет создавать для него необходимые данные.
Более того, включив в КАЭО дополнительные средства обучения персонала, можно получить тренажер высокого качества для подготовки электриков, полностью привязанный к особенностям данной станции или подстанции. Разработчики КАЭО предусмотрели возможность оснастить его подсистемой поддержки обучения персонала (дополнительная опция). В такой конфигурации КАЭО может оснащаться следующими дополнительными функциями:
- дополнительные защиты и блокировки, которых нет на реальной станции или подстанции, но которые предупреждают обучаемого о приближении к аварийной ситуации за несколько шагов до нее
- подсистема вычисления остаточной надежности электрической схемы при оперативных переключениях и интегральной оценки процесса переключений по условиям надежности
- традиционными сервисными функциями обучающих систем, такими как
- загрузка исходного состояния
- сохранение текущего состояния
- режимы реальное/ускоренное время
- режимы работа/заморозка
- возможность повторения ранее выполненных действий
- и так далее
- возможность работы в локальной сети одновременно на нескольких компьютерах
Российская фирма "Тренажеры для электростанций" уже более 10 лет занимает ведущие позиции в России в области создания тренажеров-анализаторов тепломеханических процессов тепловых энергоблоков. За это время фирма поставила заказчикам в России и за рубежом более 20 тренажеров для энергоблоков различного типа. Объединение ее передовых технологий моделирования с высоким научным потенциалом ведущих специалистов кафедры электрических станций МЭИ, привело к созданию продукта, не имеющего аналогов ни только в России, но по нашим сведениям и за рубежом. Этот продукт может позволить российской энергетике существенно снизить затраты на текущий ремонт и модернизацию электрооборудования.
Разработка первого КАЭО для ТЭЦ-26 Мосэнерго завершена в апреле 2004 года. Главная схема электрических соединений ТЭЦ-26 Мосэнерго, воспроизведенная в КАЭО, состоит из следующих элементов:
- 32 узлов (точек электрического соединения групп элементов),
- более 300 коммутационных элементов (выключателей и разъединителей),
- 10 линий 220-500 Кв
- 14 трансформаторов мощностью от 32 до 400 МВА
- 7 генераторов мощностью от 120 до 320 МВт
В последующие годы, фирма разработала и внедрила еще 3 тренажера анализатора.
В 2005 году для АО "Московская областная электросетевая компания" начались работы по созданию Комплекса компьютерных анализаторов режимов работы сетей 220 и 110 кВ. В декабре 2007 года комплекс был успешно опробован и передан Заказчику.
3. Режимы, воспроизводимые в КАЭО
С позиции сохранения ресурса работы электрооборудования, наиболее важными являются режимы возможных перегрузок оборудования по току и напряжению.
Основываясь на точном математическом моделировании, КАЭО позволяет воспроизвести практически все стационарные и переходные режимы генераторов, трансформаторов, коммутационной аппаратуры и т.п., включая как нормальные режимы, так и не нормальные режимы.
В этой главе мы перечислим некоторые наиболее часто встречающиеся и наиболее важные режимы работы электрооборудования, которые воспроизводятся в КАЭО.
3.1. Трансформаторы
Перегрузка трансформаторов связи ГРУ генераторного напряжения и ОРУ (открытое распределительное устройство) ВН (высокого напряжения), ОРУ СН (среднего напряжения) возможна при работе генераторов по графику выработки тепла и снижению нагрузки местного потребителя 6-10 кВ. Отключение одного из трансформаторов связи в этом случае вызовет перегрузку остальных. Продолжительность перегрузки при этом определяется либо продолжительностью отключения трансформатора, либо временем, необходимым для перестройки технологического режима теплосети для возможности разгрузки генераторов. Уровень перегрузки может быть значительным и превышать допустимые по ГОСТ 14209-85 или ГОСТ 14209-69 систематические перегрузки, а также допустимые кратковременные перегрузки, разрешаемые "Правилами технической эксплуатации" (ПТЭ) и указанными ГОСТ. Для трансформаторов, ресурс которых исчерпан, данная перегрузка может вызвать либо финальную аварию, либо отказ устройств РПН (регулирование напряжение под нагрузкой) или ПБВ (переключатель без возбуждения). Отключение трансформатора может быть вызвано, как отказом самого трансформатора, так и нарушениями в работе коммутационной аппаратуры в его цепи. КАЭО дает возможность проанализировать оперативному персоналу все возможные пути выхода из сложившейся кризисной ситуации с полным контролем параметров режима.
Перегрузки автотрансформаторов связи РУВН (распредустройство высокого напряжения) – РУСН (распредустройство среднего напряжения) в энергосистемах с относительно короткими линиями передач, как правило, вызываются режимом энергосистемы. Учитывая, что соотношение индуктивных сопротивлений трансформаторов энергоблоков и линий связи в таких системах составляет 5-10, перераспределение мощности на генераторах блоков электростанций мало влияет на транзитный переток по автотрансформатору связи. Решение задачи возможно только совместными действиями оперативного персонала электростанции и системы. Для электрически удаленных электростанций возникший режим может быть устранен перераспределением нагрузки между блоками, включенными на РУВН и РУСН. КАЭО во всех этих случаях даст исчерпывающую информацию о возможных последствиях действий оперативного персонала и параметрах режима.
Перегрузка блочных трансформаторов на блоках электростанций России маловероятна, т.к. их номинальная мощность превышает мощность генераторов блока. Перегрузка резервного трансформатора собственных нужд возможна в режиме, когда он одновременно работает на несколько блоков, при отказе какого-либо рабочего трансформатора собственных нужд. При этом продолжительность перегрузки определяется возможными перекоммутациями в схеме резервного питания собственных нужд станции или продолжительностью останова блока. КАЭО охватывает указанные режимы и позволяет прогнозировать оптимальные действия оперативного персонала.
3.2. Генераторы
Стационарные режимы работы генераторов также сопровождаются в ряде случаев перегрузками, превышающими допустимые. Перечислим наиболее часто встречающиеся режимы, которые успешно моделируются КАЭО.
- Выделение в автономный режим части станции с образующимся дефицитом активной мощности выделенной части. Указанный режим сопровождается снижением частоты выделенной части, увеличением возбуждения генераторов с возможной перегрузкой по току ротора и статора. Известно много путей выхода из кризисного режима, включающих: отключение части потребителей, попытку ресинхронизации с разницей частот, превышающей допустимую по условиям точной синхронизации, перевод нагрузки местного потребителя, не требующего бесперебойного питания, на резервную систему шин с перерывом питания и т.п. КАЭО моделирует как развитие ситуации, так и возможные пути выхода и возврата к штатному режиму.
- Снижение напряжения в сети, является частным явлением в дефицитных системах при выделении части системы в автономную работу. При этом, в зависимости от настроек канала отклонения напряжения в АРВ (автоматического регулятора возбуждения), возможен ряд альтернативных режимов работы генератора, от перегрузки по току ротора, до выпадения из синхронизма по условиям статической устойчивости. КАЭО позволяет предварительно проанализировать последствия, установить желательное распределение реактивной мощности между генераторами и подобрать оптимальную настройку АРВ по указанному каналу.
- В дефицитных энергосистемах потеря генерирующей мощности является опасной. Поэтому при переходе генератора в асинхронный режим его стараются сохранить в работе, несмотря на сложности поддержания его теплового режима. В избыточных системах, например Мосэнерго, генератор, перешедший в асинхронный режим, как правило, отключают. В то же время, для ряда турбогенераторов ПТЭ не запрещают работу в асинхронном режиме ограниченное время. В асинхронном режиме, работая без возбуждения, генератор потребляет значительную реактивную мощность, что компенсируют смежные с ним генераторы, работающие с возбуждением. Генераторы, имеющие наибольший коэффициент регулирования возбуждения по отклонению напряжения, при этом перегружаются по току ротора и току статора на 20-30%. Указанный режим успешно моделируется в КАЭО. Персонал станции получает возможность заранее установить ограничение перевозбуждения смежных генераторов, включаемое при асинхронном режиме одного из них.
- В настоящее время наличие протяженных сетей 500 кВ приводит к росту напряжения как в сетях 500 кВ, так и в связанных с ними сетях 220 и 110 кВ в случае избыточной генерации реактивной мощности в указанных сетях. Этому способствует значительные перепады потребления реактивной мощности в дневное и ночное время. При недостаточном потреблении реактивной мощности в системе, ряд генераторов должны переводится в режим потребления реактивной мощности. При этом они работают со значительным недовозбуждением. Это может привести и приводит к потере динамической устойчивости генератора, если с этим режимом совпадет затяжное КЗ (короткое замыкание). Кроме того, в таких режимах наблюдается перевозбуждение трансформаторов и автотрансформаторов, а также повышение напряжения на собственных нуждах. КАЭО позволяет прогнозировать указанные аварийные режимы и отыскивать в рамках диспетчерского графика активной нагрузки оптимальные режимы работы генераторов по выработке реактивной мощности.
- В ряде энергосистем в настоящее время еще используется способ включения генераторов в сеть методом самосинхронизации в аварийных режимах. Это ускоряет процесс ввода мощности при ее дефиците, однако создает опасные ситуации как для генератора, так и для энергосистемы. КАЭО в полном объеме моделирует указанные процессы, а также режимы, возникающие при отказе автосинхронизаторов и включении генераторов в сеть несинхронно.
- Исключительное значение для генераторов, не имеющих 100 % резерва по тиристорным системам возбуждения, имеет режим перехода с рабочего возбуждения на резервное электромашинное. На ряде станций имели место аварии с тяжелыми последствиями. КАЭО моделирует все режимы, возникающие при переходе на резервное возбуждение.
3.3. Коммутационные аппараты
Из-за своей непредсказуемости, болезненным явлением является токовая перегрузка коммутационных аппаратов и трансформаторов тока, которая возможна при различных коммутациях в кольцевых схемах. В кольцевых схемах 3/2 и 4/3 выключателя на присоединение токораспределение по ветвям и частям схемы происходит на основе индуктивных сопротивлений отрезков шин и сопротивлений переходных контактов. В таких схемах возможны ремонтные и послеаварийные режимы, при которых отдельные выключатели будут перегружены по току. В случае токовой перегрузки происходит перегрев контактных систем, что нежелательно. В КАЭО включен программный блок, позволяющий непрерывно рассчитывать, а соответственно и прогнозировать указанный режим.
Аналогичное явление происходит в распределительных устройствах генераторов, оснащенных секционным токоограничивающим реактором. Бетонные токоограничивающие реакторы на номинальный ток 4000А не выпускаются в России с 1990 г. Срок службы указанных реакторов 25 лет, и это определяется продолжительностью работы бетона. В настоящее время большинство указанных аппаратов исчерпало ресурс. В то же время перегрузка указанных реакторов ограничена аналогично сухим трансформаторам. На ряде подстанций и электростанций имели место тяжелые аварии, связанные с разрушением указанных аппаратов. Предварительный анализ режимов работы секций распределительных устройств позволяет, при наличии резервной системы шин, обеспечить оптимальный режим работы секционного токоограничивающего реактора, исключающий перегрузки.
4. Математические основы КАОЭ
При создании КАЭО использованы особенности структурных схем моделируемых электрических цепей, характерные для электрических станций и во многих случаях для современных электрических систем.
На электрических станциях, в большинстве случаев, структура электрической схемы отображается цепочками последовательно соединенных электрических узлов. Эти цепочки начинаются с узлов, олицетворяющих собой внешнюю энергосистему, которые намного превосходят по мощности моделируемые генераторы, включенные в другие узлы. Число поперечных связей между подобными цепочками незначительно. Аналогичные структуры, как показали исследования существующих в России сетей, характерны для сетей, прилегающих к электрическим станциям и подстанциям. Сети, напряжением 110 КВ, а в ряде случаев и 220 КВ, даже в компактных энергосистемах являются радиальными. Такая структура применяется потому, что в сложнозамкнутых сетях, где много перемычек, токи короткого замыкания слишком велики.
При указанных обстоятельствах, моделирование сети, как сложнозамкнутой, в особенности для внутренней сети электростанции, представляется нецелесообразным.
Использование методов расчета цепочечных схем позволило при моделировании схемы электрической станции избежать трудностей, возникающих при использовании методов, свойственным сложнозамкнутым сетям.
По нашему мнению сложная технология обработки разряженных матриц в данном случае оказывается излишней.
Представление общей схемы в виде цепочечных элементов с активно-индуктивными связями, позволило также отказаться от использования глобальной системы координат. При этом, цепочечная схема моделируется по потокам мощностей от узла к узлу, путем решения системы нелинейных алгебраических уравнений связи.
Разработана методика решения указанных систем уравнений, при которой решение оказывается устойчивым и обеспечивается на современных вычислительных средствах в темпе реального масштаба времени.
Достоинством использованного метода, является представление ветви схемы в рамках общего итерационного процесса, как отдельного элемента, в котором определяются потоки мощностей между узлами схемы на основе векторов напряжений в узлах, вне связи с общей системой координат.
Использование глобальной системы координат оказывается необходимым только для моделирования поперечных связей. К ним относятся автотрансформаторы связи распределительных устройств различного напряжения и секционные реакторы.
Определение величин и фаз векторов напряжения в узлах методом баланса мощностей позволяет локально использовать диакоптический метод для определения токов через любой элемент схемы.
Генераторы моделируются в ортогональной системе координат d,q по полным уравнениям Горева-Парка. При этом, моделирование сети по балансу мощностей в узлах позволяет исключить так называемые преобразователи координат.
Если в системе возбуждения генератора используется генератор переменного тока с выпрямителем, то этот генератор тоже моделируется по полным уравнениям Горева-Парка, а выпрямитель моделируются по своим характеристикам.
В КАОЭ турбины моделируются как комплекс автоматического регулирования частоты вращения генератора без подробного учета электромеханических процессов.
Таким образом, применение в КАЭО вышеперечисленных методов, позволило получить:
- полную адекватность моделирования во всех режимах работы электрической схемы станции по периодической составляющей токов прямой последовательности,
- полную адекватность моделирования во всех режимах работы электрической схемы станции по потокам активной и реактивной мощности,
- полную адекватность моделирования во всех режимах работы электрической схемы станции по электромагнитным моментам в генераторах,
- полную адекватность моделирования во всех режимах работы электрической схемы станции по напряжениям в узлах схемы
- определение с незначительной ошибкой, допускаемой руководящими документами по расчету токов короткого замыкания, апериодические составляющие в токах любого элемента
- для режимов несимметричных коротких замыканий периодические токи и напряжения, используя схемы замещения для локальных участков и эквивалентную реакцию остальной части схемы
Примененные в КАОЭ математические методы позволили избежать трудностей, присущих решению задачи в глобальной постановке. С другой стороны, они позволили реализовать всережимную модель работы электрооборудования в системе моделирования, в которой практически все переменные моделирования имеют конкретный физический смысл. Это позволило многократно облегчить отладку модели, поскольку диакоптический метод позволяет выполнять наладку модели каждого элемента отдельно.
Отладка и тестирование модели при глобальной постановке задачи моделирования электрической схемы электростанции или подстанции многократно усложняется. Это связано с тем, что в известных методах вычислений при глобальной постановке задачи, отдельный элемент не может быть выделен из общей модели, а его параметры входят в обобщенные параметры глобальной модели, которые могут не иметь конкретного физического смысла.
В системе, которая имеет несколько десятков тысяч переменных, средства поиска ошибок особенно важны. Особенно это важно для решения задачи прогнозирования работы станции или подстанции, поскольку для большинства режимов нет эталонного решения.
Структура математического и программного обеспечения КАЭО позволяет разрабатывать и отлаживать модели работы электрооборудования для схем практически любой сложности.
5. Заключение
В настоящее время продление ресурса работы электрооборудования энергетики страны – это серьезная задача, требующая всестороннего решения. Благодаря своим уникальным возможностям, описываемый в статье программный комплекс КАЭО может быть эффективно использован для решения этой проблемы.