Массовое внедрение микропроцессорной техники, обладающей большими функциональными возможностями, малыми габаритами и сравнительно низкой стоимостью, открывает широкие перспективы ее применения для целей противоаварийного управления и, в частности, для управления нагрузкой.
Прежде всего новая элементная база (интегральные микросхемы, микропроцессоры) позволила выполнить более совершенные измерительные органы частоты (реле частоты), обладающие высокой точностью, температурной стабильностью, помехозащищенностью (посредством введения цифровой фильтрации) и малым временем срабатывания (до 0,04 с) [52, 64, 76, 77]. Дополнительным достоинством новых реле частоты является возможность получения большого числа уставок по частоте, что позволяет существенно увеличить число очередей разгрузки и выполнять более совершенные варианты АЧР и ЧАПВ.
Новая элементная база позволяет развивать и усовершенствовать алгоритмы аварийного управления нагрузкой с целью повышения эффективности разгрузки. Она позволяет в перспективе перейти от «жесткой» логики автоматических устройств к программируемой логике.
Основные преимущества применения устройств на базе микропроцессоров и микроЭВМ следующие: улучшение адаптационных свойств путем внесения изменений в алгоритм управления; возможность наращивания объемов; возможность перестройки с помощью использования логических шкал.
Выбор типа микропроцессоров и микроЭВМ является вопросом технико-экономическим и определяется масштабами применения устройств разгрузки и объемом решаемых ими задач.
Рис. 6.28. Автономная система аварийного управления нагрузкой: а — простейшее устройство (контроллер); б — комплексная многофункциональная система;
П — преобразователь; Q -- выключатель; УСО — устройство сопряжения с объектом
Возможны как использование серийно выпускаемых микропроцессоров и микроЭВМ, так и разработка специализированных устройств с последующей организацией их серийного выпуска.
В зависимости от числа отходящих от подстанции линий, мощности узлов нагрузки, ответственности электроприемников возможны различные варианты выполнения устройств (систем) разгрузки.
На мелких подстанциях с малым числом отходящих линий целесообразно применять наиболее простые устройства типа контроллера (рис. 6.28, а), реализуемые, как правило, на базе однокристальной микроЭВМ и выполняющие жестко заданный набор функций (например, АЧР, ЧАПВ, дополнительная разгрузка). При этом могут быть реализованы и более совершенные алгоритмы АЧР и ЧАПВ. Такие устройства, как правило, имеют в своем составе простейшее устройство сопряжения с объектом (УСО) для сопряжения выходных цепей ЭВМ и цепей управления выключателями линий и не имеют периферийных устройств (дисплей, клавиатура, устройство печати и т. д.). Устройства данного класса относятся к категории встраиваемых систем. Разработка программного обеспечения для них ведется, как правило, на инструментальных системах, включающих систему команд контроллера.
На крупных подстанциях с большим числом отходящих линий целесообразно применять системы (устройства), выполняющие комплекс задач управления по гибким, совершенным алгоритмам. В этих условиях в наибольшей степени появляются преимущества применения микропроцессорной техники.
Поскольку в этом случае требуется обрабатывать большой объем входной информации и выдавать большое число управляющих и информационных сигналов, возникает необходимость использовать системы на базе более мощных микроЭВМ («Электроника-60», УВК В7/В9 и др.) (рис. 6.28, 6). Для согласования уровней и вида входных и выходных сигналов используются мощные входные и выходное У СО, построенные с применением принципов мультиплексирования. Системы данного класса имеют в своем составе штатные терминальные устройства — электропечатающую машинку (ЭПМ) типа «Consul» или дисплей с клавиатурой и устройством печати. Система, изображенная на рис. 6.28, б, работает в автономном режиме. Коррекция уставок автоматик и алгоритмов управления производится в интерактивном режиме через ЭПМ или видеотерминал. Системы данного класса должны иметь развитое программное обеспечение, работающее под управлением мониторов реального времени, обеспечивающим синхронизацию вычислительных процессов различных задач системы.
В настоящее время в энергосистемах применяется ряд устройств противоаварийной автоматики, воздействие от которых осуществляется на нагрузку. Это описанные выше устройства АЧР, ЧАПВ и дополнительной разгрузки, а также устройства автоматической разгрузки по напряжению (АРН), предназначенные для предотвращения нарушения устойчивости нагрузки и специальной автоматики отключения нагрузки (САОН), предназначенные для предотвращения нарушения устойчивости параллельной работы энергосистем.
Во ВНИИЭ для подстанций с большим числом отходящих линий разработана система аварийного управления нагрузкой (САУН) на базе микроЭВМ «Электроника-60», выполняющая функции всех этих устройств, а также ряд дополнительных функций [40]. Такая система была установлена на одной из крупных подстанций 110/10 кВ. Воздействие системы осуществляется на 28 отходящих от подстанции линий 10 кВ.
В системе предусмотрена возможность осуществления «традиционной» АЧР и АЧРЗХ, кроме того, микропроцессорная база и соответствующее программное обеспеченна позволяют при необходимости развивать и усовершенствовать алгоритм работы разгрузки. Система дает возможность выполнять большое число очередей разгрузки в пределах подстанции. В данном образце САУН осуществляются четыре очереди АЧР1 и четыре очереди АЧР2 с возможностью их раздельного или совмещенного действия или же четыре очереди АЧРЗХ. Отключение линий производится четырьмя группами, формируемыми с учетом приоритетов потребителей вручную или автоматически в соответствии с графиком нагрузки подстанции.
Частотное АПВ выполнено многократным и осуществляется с контролем изменения частоты. При превышении заданной кратности автоматически вводится запрет на работу ЧАПВ на заданное время. Число очередей ЧАПВ соответствует числу очередей АЧР. Реализованы два варианта включения линий — групповое и индивидуальное. Последовательность включения линий — обратная последовательности их отключения при работе АЧР.
Дополнительная разгрузка выполнена двумя очередями по скорости снижения частоты, действующими на те же четыре группы линий, что и АЧР, с учетом ответственности подключенных к ним потребителей.
Автоматическая разгрузка по напряжению выполнена аналогично АЧРП и воздействует на четыре группы линий, формируемых с учетом ответственности потребителей вручную или автоматически в соответствии с графиком нагрузки подстанции. В общем случае число и состав групп линий, подключаемых к АЧР и АРН, различны. Автоматическое повторное включение нагрузки после восстановления напряжения (АПВН) выполнено аналогично ЧАПВ (с контролем изменения напряжения).
Система может выполнять функции исполнительного органа САОН, при этом действие системы осуществляется по внешнему сигналу, поступающему по телеканалу, или от выявительного органа САОН на данной подстанции. Отключение нагрузки производится двумя ступенями с отработкой в каждой ступени задания по мощности (в опытном образце — по току). Последовательность и число отключаемых линий в соответствии с заданной уставкой по мощности (току) автоматически определяются с учетом текущей нагрузки отходящих линий и степенью ответственности потребителей. Предусмотрена возможность АПВ нагрузок после действия САОН, которое производится в две ступени по внешнему сигналу в порядке, обратном порядку их отключения.
Описываемый образец системы используется также для автоматической регистрации данных о нагрузке отходящих линий и для фиксации положения контактов выключателей. При наличии связи с верхним уровнем управления (с управляющей ЭВМ, диспетчером РЭУ) на САУН может быть возложен ряд функций, связанных с ведением нормальных режимов. К ним относятся реализация графиков аварийных ограничений и контроль за выполнением этих графиков, отключение нагрузок с питающих центров по аварийным графикам с оптимизацией состава отключаемых потребителей (в зависимости от технологии электроприемников, перерывов питания и т. д.), контроль достаточности управляющих воздействий. САОН.
На рис. 6.29 показана структурная схема технических средств САУН на базе ЭВМ «Электроника-60» (комплект 15ВМ-012).
Рис. 6.29. Структурная схема технических средств САУН
Из этого комплекта используются центральный процессор ЦП М2, устройство управления вводом-выводом УВВ В1, оперативное запоминающее устройство ОЗУ.
Для выполнения системой перечисленных выше функций аварийного управления нагрузкой необходимо обрабатывать более 300 дискретных логических и 40 аналоговых сигналов. С этой целью применяется штатное устройство сопряжения с объектом УСО, в состав которого входят: устройство вывода дискретных сигналов УВывДС, рассчитанное на выдачу из ЭВМ 30 управляющих сигналов; устройство ввода дискретных сигналов УВДС, обеспечивающее ввод информации по 32 входным линиям; устройство ввода аналоговых сигналов, обеспечивающее ввод аналоговой информации по 16 однопроводным или 8 дифференциальным каналам с одиннадцатиразрядным аналого-цифровым преобразователем АЦП.
В состав технических средств САУН входят также элементы так называемого дополнительного отраслевого набора ДОН, обеспечивающего функции преобразования вида и уровней сигналов, включая и гальваническое разделение цепей на требуемом уровне. Кроме того, часть элементов ДОН решает одновременно и задачи увеличения числа входов и выходов системы путем применения принципов мультиплексирования. Использованы следующие элементы ДОН:
плата таймера-частотомера ПТЧ, осуществляющая измерение периода сетевого напряжения для вычисления частоты и ее производной, а также с целью задания меток времени от кварцевого генератора тактовых импульсов для организации вычислительного процесса в САУН;
устройство гальванической развязки аналоговых сигналов УГРА, преобразующее токовые сигналы датчиков тока линий в напряжение постоянного тока. Гальванически разделенные входные и выходные каналы УГРА подключаются через внешний коммутатор, управление которым осуществляется с помощью реле РЭС-47 УвывДС, от коммутатора также производится запуск АЦП;
устройство гальванической развязки дискретных сигналов УГРД, представляющее собой наборы линеек входных реле, обеспечивающих ввод в ОЗУ ЭВМ информации о положении дополнительных контактов выключателей отходящих линий.
Рис. 6.30. Структурная схема программного обеспечения САУН
Это устройство обеспечивает также считывание информации с диодно-матричных коммутаторов КДМ об индексах ответственности линий и ввод другой информации;
платы исполнительных реле на герконовых реле РПГ-5, образующие блоки выходных реле БВР и позволяющие 34 выходами УВывДС управлять 56 промреле РП-23, контакты которых заведены в цепи обмоток отключения и включения выключателей;
датчик напряжения ДН информационное табло.
Для связи с другими устройствами или ЭВМ более высокого уровня применяется устройство последовательного обмена УПО, являющееся составной частью штатного УСО. Надежная работа САУН и восстановление ее работоспособности при возникновении высокочастотных помех и помех по питанию обеспечиваются применением репрограммируемого запоминающего устройства РПЗУ, системой гарантированного питания и комплексом специальных мероприятий.
Программное обеспечение САУН построено по модульному принципу (рис. 6.30). Ядром программного обеспечения является управляющая программа, носящая черты элементарной операционной системы. Она обеспечивает распределение вычислительных ресурсов между технологическими, информационными и измерительными программами, управляет работой стандартного и нестандартного периферийного оборудования, устанавливает очередность работы программ обработки прерываний.
При срабатывании системы выдается сигнал дежурному персоналу, и на табло фиксируется вид сработавшей автоматики. Для получения подробной информации о характере аварийного возмущения и работе САУН к ней подключается электрическая печатающая машинка ЭПМ, и через подсистему процедурного обмена «Диалог» осуществляется вывод информации на печать. Подключение ЭПМ производится персоналом или автоматически.
Рис. 6.31. Система аварийного управления нагрузкой на базе микроЭВМ в составе интегрированной АСУТП подстанции (двухуровневая система управления):
U — преобразователь; Q — выключатель; УСО — устройство сопряжения с объектом, И2 — интерфейсная плата параллельного обмена
Рис 6 32 Централизованный вариант АСУТП подстанции, в состав которой входит функция аварийного управления нагрузкой П — преобразователь, О объект управления, УСО — устройство сопряжения с объектом
Основные преимущества описанной системы управления нагрузкой по сравнению с применяемыми устройствами автоматики следующие:
- увеличивается гибкость и адаптивность аварийной разгрузки за счет увеличения числа ее очередей;
- увеличивается быстродействие аварийной разгрузки (АЧР1, ДР);
- обеспечивается гарантированный объем отключения потребителей от САОН в режимах минимума нагрузки и исключается излишнее отключение нагрузки от САОН в режимах максимума нагрузки;
- обеспечивается существенная экономия релейной аппаратуры и места за счет совмещения в одной системе функций ряда устройств автоматики (например, только при выполнении функций четырех очередей АЧР с ЧАПВ исключается необходимость установки четырех панелей с соответствующей релейной аппаратурой);
- имеется возможность расширения функций системы, развития и применения более совершенных алгоритмов управления нагрузкой, коррекции параметров системы по внешним сигналам без изменения структуры и аппаратных средств.
При построении интегрированных автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) подстанций может быть использован двухуровневый комплекс технических средств управления нагрузкой (рис. 6.31), В этом варианте автономные системы управления, изображенные на рис. 6.28, б, дополняются устройствами связи с верхним уровнем управления, входные и выходные УСО остаются на нижнем уровне, а периферийное штатное оборудование отображения и документации переносится на верхний уровень. Там же находится центральная вычислительная система ЦВС. В качестве ЦВС может быть использован, например, двухпроцессорный вариант микроЭВМ СМ-1300, соединенный радиальными связями через дуплексный регистр К5 с автономными системами (модулями). Для таких интегрированных систем характерно наличие мощного программного обеспечения на базе операционных систем реального времени, диалоговых систем и средств поддержки общей базы данных. В состав комплекса технических средств входит также аппаратура связи С2 с верхним уровнем (предприятие электрических сетей ПЭС, районное энергетическое управление РЭУ).
Возможен и другой вариант АСУ ТП подстанций, в котором все функции управления, в том числе и аварийного управления нагрузкой, осуществляются центральной ЭВМ с мощным
входным и выходным УСО (рис. 6.32). Основным недостатком данной структуры является сложность УСО. В настоящее время этот вариант может быть ориентирован только на обслуживаемые объекты. Из преимуществ данной структуры следует отметить возможность использования мощных операционных систем реального времени для мультипрограммного режима. На базе этих операционных систем можно строить обширную базу данных для накопления и обработки информации для задач АСУ. Как правило, данные системы имеют развитой диалог, а также комплекс программ для осуществления межмашинного обмена с верхним уровнем управления (ПЭС, РЭУ) через аппаратуру С2.
При выполнении систем аварийного управления нагрузкой на базе микроЭВМ независимо от комплекса применяемых технических средств, структуры системы, объема решаемых ею задач необходимо: обеспечение системы гарантированного питания; наличие автоматического перезапуска системы при сбоях; обеспечение работоспособности системы при помехах; гальваническое разделение как входных, так и выходных цепей.