Основные направления автоматизации энергосистем

Эта методика включает в себя следующие основные этапы:

1. Составляется ориентированный граф схемы (см. рис. 4,б), на котором выделяется дерево, охватывающее все конденсаторы и источники напряжения (ЭДС). Резисторы включаются в дерево по необходимости: для охвата деревом всех узлов. В ветви связи включаются катушки индуктивности, источники тока и оставшиеся резисторы.

2. Осуществляется нумерация ветвей графа (и элементов в схеме), проводимая в следующей последовательности: первыми нумеруются участки графа (схемы) с конденсаторами, затем резисторами, включенными в дерево, следующими нумеруются ветви связи с резисторами и, наконец, ветви с индуктивными элементами (см. рис. 4,б).

3. Составляется таблица, описывающая соединение элементов в цепи. В первой строке таблицы (см. табл. 1) перечисляются емкостные и резистивные элементы дерева, а также источники напряжения (ЭДС). В первом столбце перечисляются резистивные и индуктивные элементы ветвей связи, а также источники тока.

Таблица 1. Таблица соединений

Процедура заполнения таблицы заключается в поочередном мысленном замыкании ветвей дерева с помощью ветвей связи до получения контура с последующим обходом последнего согласно ориентации соответствующей ветви связи. Со знаком «+» записываются ветви графа, ориентация которых совпадает с направлением обхода контура, и со знаком «-» ветви, имеющие противоположную ориентацию.

Осуществляется расписывание таблицы по столбцам и по строкам. В первом случае получаются уравнения по первому закону Кирхгофа, во втором – по второму.

В рассматриваемом случае (равенство тривиально)

,

откуда в соответствии с нумерацией токов в исходной цепи

.

При расписывании таблицы соединений по строкам напряжения на пассивных элементах необходимо брать со знаками, противоположными табличным:

(7)

Эти уравнения совпадают соответственно с соотношениями (6) и (5).

Из (7) непосредственно вытекает

.

Таким образом, формализованным способом получены уравнения, аналогичные составленным выше с использованием законов Кирхгофа.

Основные направления автоматизации энергосистем

Под автоматизацией энергосистем понимается внедрение устройств и систем, осуществляющих автоматическое управление схемой и режимами энергосистем в нормальных и аварийных условиях. Автоматизация энергосистем обеспечивает нормальное функционирование элементов энергосистемы, надежную и экономичную работу энергосистемы в целом, требуемое качество электроэнергии.

Основная особенность энергетики состоит в том, что в каждый момент времени выработка мощности должна строго соответствовать ее потреблению. Поэтому при увеличении или уменьшении потребления мощности должна немедленно увеличиваться или уменьшаться ее выработка на электростанциях. Нарушение нормального режима работы одного из элементов может отразиться на работе многих элементов энергосистемы и привести к нарушению всего производственного процесса. Другая особенность состоит в том, что электрические процессы при нарушении нормального режима протекают так быстро, что оперативный персонал электростанций и подстанций не успевает вмешаться в протекание процесса и предотвратить его развитие. Эти особенности энергетики определили необходимость широкой автоматизации энергосистем.

Все устройства автоматики можно разделить на две группы:

1) Устройства технологической автоматики. Эта автоматика является местной автоматикой, выполняющей функции управления локальными процессами на энергообъекте и поддержания на заданном уровне или регулирования по определенному закону местных параметров, не оказывая существенного влияния на режим энергосистемы в целом.

2) Устройства системной автоматики. Системная автоматика осуществляет функции управления, оказывающие существенное влияние на режим работы всей энергосистемы или ее значительной части. По функциональному назначению системная автоматика разделяется на автоматику управления в нормальных режимах (АРЧМ, автоматическое регулирование напряжения на шинах электростанций и п/ст) и автоматику управления в аварийных режимах (РЗ, сетевая автоматика, осуществляющая включение резерва, повторное включение элементов оборудования, форсировка возбуждения синхронных машин, ПА). С помощью устройств автоматики управления в нормальных режимах обеспечиваются

установленное качество электроэнергии по частоте и напряжению, повышение экономичности работы и запаса устойчивости параллельной работы.

С помощью противоаварийной автоматики осуществляются разгрузка ЛЭП для предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы, прекращение асинхронного режима делением энергосистем, отключение для предотвращения развития аварии части потребителей по факту недопустимо низкой частоты или напряжения, ликвидация кратковременных повышений частоты и напряжения, представляющих опасность для оборудования.

Все устройства автоматики независимо от выполняемых функций можно разделить также на две группы: устройства автоматического управления и устройства автоматического регулирования.

Основные понятия и определения теории автоматического управления и регулирования

Под автоматическим управлением понимается выполнение устройством автоматики действий по заданной программе при возникновении внешних возмущающих воздействий. Устройства автоматического управления перестают действовать после выполнения программы или после исчезновения возмущающего воздействия. Устройства автоматического управления независимо от назначения характеризуется одинаковым принципом построения. (рис. 1.1). Основными элементами устройства управления являются измерительный (пусковой) орган, программное устройство, усилитель-преобразователь, исполнительный орган.

При возникновении возмущающего воздействия измерительный орган определяет значение этого воздействия и при достижении возмущающим воздействием значения, равного уставке измерительного органа, осуществляет пуск устройства.

Рис. 1.1 Структурная схема системы автоматического управления

При этом устройство начинает действовать по заданной программе, которая характеризуется назначением устройства, видом возмущающего и управляющего воздействий. Программное устройство вырабатывает сигнал управляющего воздействия, при этом уровень сигнала зависит от интенсивности возмущающего воздействия. Однако в ряде случаев мощность этого сигнала недостаточна для изменения режима работы объекта управления. Поэтому устройство управления содержит усилитель сигнала программного устройства. Одновременно усилитель преобразует сигнал таким образом, чтобы он был удобен для воздействия на объект. Исполнительный орган осуществляет воздействие на объект управления.

Примером устройства автоматического управления, действующего по факту возмущения, является устройство автоматической частотной разгрузки (АЧР). Измерительным (пусковым) органом этого устройства, фиксирующим глубокое снижение частоты в энергоси­стеме, является реле частоты. В качестве усилительного и исполнительно­го органа используются промежуточные реле, действующие на отключе­ние линейных, трансформаторных, секционных и других выключателей, через которые осуществляется питание нагрузки.

Устройство управления, действующее по факту изменения положения внешнего устройства или по команде персонала, имеет аналогичную структуру. Примером такого устройства управления может служить устройство автоматического включения синхронных генераторов.

Системы автоматического управления в большинстве случаев явля­ются системами разомкнутого типа: все элементы систе­мы действуют в одном направлении, обратное воздействие элементов друг на друга отсутствует.

Под автоматическим регулированием понимается непрерывный процесс поддержания какой-либо регулируемой величины на неизменном уровне или процесс изменения этой величины по заранее заданному закону при любых возмущающих воздействиях. Устройства, выполняющие указанную функцию, называются автоматическими регу­ляторами.

Регулируемой величиной называется физический параметр, который следует поддерживать неизменным или менять по определенному за­кону. Такими параметрами в энергосистемах являются напряжение, частота, активная и реактивная мощности.

Системы автоматического регулирования содержат те же элементы, что и системы автоматического управления.

В зависимости от принципа регулирования все регуляторы можно разделить на два класса: регуляторы, использующие принцип регулирования по возмущению, и регуляторы, использующие прин­цип регулирования по отклонению регулируемой величи­ны от заданного значения. Имеются комбинированные системы регули­рования, использующие оба принципа.

Структурная схема системы регулирования по возмущению повторяет схему системы автоматического управления на рис. 1.1. Принцип регули­рования по возмущению состоит в том, что измерительный орган регуля­тора реагирует на изменение одного или нескольких возмущающих воз­действий, оказывающих наиболее существенное влияние на регулируемую величину. При возникновении такого возмущения измерительный орган через остальные элементы регулятора оказывает воздействие на объект регулирования таким образом, чтобы регулируемая величина имела заданное значение, причем регулирующее воздействие тем больше, чем больше возмущающее воздействие.

Примером регулятора по возмущению является устройство компа-ундирования синхронных генераторов, которое осуществляет регулиро­вание возбуждения генератора в зависимости от тока статора.

Принцип регулирования по отклонению регулируемой величины от заданного значения состоит в том, что измерительный орган регулятора сравнивает действительное значение регулируемой величины у с задан­ным значением у₀ (рис. 1.2).

При наличии рассогласования измерительный орган вырабатывает сиг­нал регулирующего воздействия z₁, который стремится восстановить ре­гулируемую величину. При этом знак регулирующего воздействия дол­жен быть противоположен знаку отклонения регулируемой величины у. Величина и знак отклонения определяют интенсивность и направле­ние процесса регулирования.

Для обеспечения непрерывности регулирования необходимо, чтобы на вход измерительного органа непрерывно подавался сигнал, пропор­циональный регулируемой величине, т.е. должна существовать связь выхода системы регулирования с ее входом. Эта связь получила назва­ние главной (или основной) обратной связи. Наличие главной обратной связи является характерной особенностью регуляторов, работа­ющих на принципе выявления отклонения регулируемой величины. Таким образом, по своей структуре системы регулирования по отклонению являются автоматическими системами замкнуто­го типа.

Рис. 1.2 Структурная схема системы автоматического регулирования по отклонению регулируемой величины.

Кроме главной обратной связи регуляторы содержат дополнительные (внутренние) обратные связи. Дополнительные обратные связи связы­вают выход какого-либо звена регулятора с его входом или входом любого предыдущего звена. Эти связи корректируют значение регули­рующего воздействия и тем самым изменяют характер регулирования. Существуют положительные (ПОС) и отрицательные (ООС) обратные связи.

Положительная обратная связь характеризуется тем, что сигнал этой связи совпадает по знаку с основным сигналом, поступающим на вход звена, охваченного этой связью. Действие положительной обратной связи приводит к увеличению коэффициента усиления основного звена. Это свойство ПОС используется в усилителях для получения больших значе­ний коэффициентов усиления. Кроме того, ПОС используется для при­дания процессу регулирования требуемого характера.

Отрицательная обратная связь создает дополнительное регулирующее воздействие z_о.с., противоположное по знаку основному регулирующему воздействию z₁. Отрицательная обратная связь способствует стабилиза­ции процесса регулирования, уменьшает величину перерегулирования (см. рис. 1.3, а) при необходимости может полностью исключить перере­гулирование (см. рис. 1.3, б). Орган ООС также позволяет придавать процессу регулирования требуемый характер.