Схемы выдачи мощности электростанций - Опыт испытания систем

Как уже отмечалось, внедрение цифровых СКУ электрической части электроустановок началось в стране сравнительно недавно. Ряд решений принимался при отсутствии руководящих указаний и типовых проработок. Анализ опыта внедрения таких СКУ может оказаться полезным для электротехнического персонала энергосистем. В этой связи авторы поставили задачу отразить особенности испытаний таких систем и возникавшие на данном пути проблемы. Подчеркнем, что анализируемый состав СКУ ограничен известными штатными функциями, не зависящими от типа используемых устройств контроля и управления, будь то на электромеханической, аналоговой, микроэлектронной или микропроцессорной базе.
Стимулы применения микропроцессорных устройств. В силу известных причин техническое перевооружение электростанций направлено на замену отработавшего 30 и более лет основного и вспомогательного оборудования и соответствующих средств управления. Времена модернизации СКУ ради модернизации закончились в начале 90-х годов, когда традиционные системы еще наращивались сотнями, тысячами дополнительных, нередко дублирующих датчиков для заведения сигналов в так называемые АСУ или АСУ ТП. Целесообразность применения цифровых устройств в СКУ - новое строительство или замена выработавшего свой срок оборудования.
В промышленно развитых странах технический прогресс идет по пути разработки и внедрения высоконадежного оборудования с низкими эксплуатационными затратами. Причина - высокая стоимость рабочей силы, сравнимая с ценами на оборудование. Такое оборудование требует заметно больших капитальных вложений. Но принимая во внимание гамму затрат за расчетный срок службы электроустановки, первоначальные вложения окупаются снижением ежегодных издержек.
Капиталовложения на цифровые СКУ электрической части в 2-3 раза выше, чем на традиционные. Применительно к отечественным условиям авторам не удалось убедительно доказать экономическую предпочтительность СКУ первого типа. Сравнительно низкая стоимость рабочей силы в отрасли не дает экономической мотивации к применению рассматриваемой новой техники. В итоге стимулы к внедрению таких СКУ носили субъективный, косвенный характер и не поддавались четкой экономической оценке:

1. микропроцессорные устройства имеют развитые средства самодиагностики и в темпе процесса дают важнейшую информацию о работоспособности устройств РЗА и исправности цепей управления коммутационным оборудованием;
2. объем информации, предоставляемый персоналу микропроцессорными устройствами контроля и управления, более чем на порядок выше в сравнении с традиционным оборудованием, что обеспечивает качественный анализ действия операторов, автоматики, защит;
3. высокая надежность, простота и удобство обслуживания.

Среди них электротехнический персонал выделяет информационную обеспеченность при принятия решений. Поэтому большая длительность и трудоемкость проверки правильности появления, прохождения и отображения значительно возрастающего количества сигналов в СКУ - плата за последующую обоснованность при расследовании аварий и организации мероприятий по их недопущению.

Содержание программы испытаний совпадает с принятым для традиционных средств: цель и объемы испытаний, составы первичного оборудования, СКУ, средств испытаний, рабочей документации, задач оперативного управления и пр. Так, необходимо располагать откорректированными проектными принципиальными, монтажными и испытательными схемами цепей управления, РЗА и сигнализации в составе проекта технического обеспечения.
Вместе с тем при использовании микропроцессорной техники дополнительно требуется проект информационного обеспечения СКУ. Дело в том, что из общей информационной емкости СКУ 25-30% сигналов физические (дискретные и аналоговые). Оставшиеся 70-75% - назовем условно логическими. Они формируются цифровой обработкой электрических величин, допустим, от первичных преобразователей (трансформаторов тока и напряжения): пуск, возврат пуска, срабатывание, возврат срабатывания защиты. Причем по факту срабатывания требуется запустить аварийную или предупредительную сигнализацию, изменить на мнемосхеме монитора цветом и миганием состояние коммутационного аппарата, вывести событие в журналы архивных и аварийных сообщений, поставив его на квитирование, отразить изменение коммутационного ресурса выключателя и пр. Таким образом, необходимо заранее отразить всю логику работы СКУ. Последнее и выполняется по формализованным процедурам в проекте информационного обеспечения. Они сводятся к заданию определенного набора атрибутов каждому как физическому, так и условно логическому сигналу.

Исходная схема СКУ и подготовительные работы имеют следующие особенности: по низовым устройствам контроля и управления выполнена автономная наладка, включая опробование схем управления с местных щитов или переносных пультов; проложены и протестированы оптоволоконные связи и локальная вычислительная сеть; проверено соответствие человеко-машинного интерфейса и базы данных сигналов проекту информационного обеспечения; установлено точное значение астрономического времени и даты в системе, проверено их совпадение во всех устройствах и автоматическая коррекция системного времени.
Большая информационная емкость и системотехническая сложность СКУ вынуждают проводить испытания в две стадии: автономные испытания подсистем в составе СКУ и комплексные испытания системы в целом при отключенном от сети первичном оборудовании. Говоря об автономных испытаниях, отметим условность данного термина, поскольку РЗА отдельного взятого присоединения взаимодействует с иными присоединениями с позиций дальнего и ближнего резервирования и блокировок действия, например, блокировка вводов рабочего и резервного питания при КЗ на отходящих линиях, пуск максимальной токовой защиты по напряжению и пр. Поэтому до проведения автономных испытаний следует выполнить проверку точности ведения единого времени в СКУ. На первых этапах внедрения данная проверка выявила наибольшие проблемы. Остановимся на ней подробнее.
В СКУ электрической части временная синхронизация дает возможность реализовать все преимущества цифровой техники, когда каждому событию с разрешающей способностью 1 мс присваивается временная метка. Без внешней синхронизации таймеры низовых устройств стремительно «разбегаются» и анализ действия защит мало отличается от такового по указательным реле и блинкерам.
Временная синхронизации многоуровневая. Источник точного времени - глобальная система спутниковой навигации. Многоуровневость определяется рядом причин. Так, таймеры некоторых терминалов РЗА, в основном присоединений 6-10 кВ, ведут миллисекунды и секунды. Следовательно, необходимо предусматривать дополнительные способы доведения времени до полного формата процессорами связи или серверами локальной вычислительной сети. Ведение единого времени на уровне полевой сети обеспечивается широковещательной посылкой для подведения таймеров низовых устройств, выполняемое примерно раз в секунду. При этом возникают систематические ошибки, достигаемые 30—40 мс.
Для проверки точности ведения в системе единого времени берутся все разнотипные низовые устройства (10-15 на блок). Собирается временная схема, где в каждом из них задействуется по одному дискретному входу. Выполняется параллельное включение последних, т. е. формируется общий вход. По его замыканию оценивается временной разброс по регистрации данного события в низовых устройствах. Выявляются систематические временные погрешности, устраняемые программным способом. Максимально допустимая погрешность на наш взгляд не должна превышать 10- 15 мс при том, что период квантования или опроса сигналов в низовых устройствах контроля и управления находится на уровне 1 мс.
Современные системотехнические решения позволяют достичь временных рассогласований на уровне 1 мс созданием отдельной шинки синхронизации, объединяющей низовые устройства по дополнительным выделенным последовательным интерфейсным портам. Однако последнее мероприятие заметно повышает стоимость СКУ. Погрешность в 15 мс не превышает 1/2 времени срабатывания быстродействующего промежуточного реле и позволяет корректно подвергнуть анализу действие защит.
При проверке точности ведения в системе единого времени нередко выявляются системотехнические недостатки СКУ, связанные с присвоением событиям временных меток. Идеальной организацией видится их присвоение низовыми устройствами по факту возникновения в них соответствующих событий и спорадическая передача данных на уровень локальной вычислительной сети. Исключение, очевидно, составляет регистрация подачи оператором команд дистанционного управления, квитирования событий и вхождения в систему пользователей с теми или иными правами. Но во всех системах, с которыми сталкивались авторы, выявлялась часть сигналов (некоторые дискретные внешние входы в устройствах РЗА), обрабатываемых циклически, по опросу, например раз в 100 мс. При анализе действия защит в реальных условиях это не позволяло получить точное соответствие последовательности зарегистрированных событий на контролируемом объекте логике одновременно правильной работы устройств РЗА. Следовательно, при заказе СКУ необходимо требовать от поставщика отмеченных выше способа присвоения временных меток и передачи событий от низовых устройств. В противном случае он обязан заранее представить перечень сигналов, получаемых по опросу. При этом логика работы РЗА может не полностью соответствовать последовательности прохождения и отображения событий на уровне локальной вычислительной сети СКУ.

Автономные испытания при отключенном от сети оборудовании.

При автономных испытаниях каждое низовое устройство контроля и управления поочередно подвергается тестированию в нормальных и аварийных режимах при подаче тока и (или) напряжения от постороннего источника. Проверяются входные и выходные цепи, включая цепи управления, блокировок, сигнализации. Выполняется анализ сформированных событий с их параметрами. Оценивается правильность отображения и регистрации информации, а также запусков цифровых осциллографов. Анализируются осциллограммы переходных процессов. Таким образом, главная цель автономных испытаний - проверка функций устройств в составе присоединения без учета их взаимодействия и многообразия расчетных режимов с позиций ближнего и дальнего резервирования в энергосистеме.
Наиболее рациональной организацией испытаний оказалось распределение проверки штатных функций СКУ по автоматизированным рабочим местам персонала электроцеха: оперативного управления (оперативного персонала, т.е. начальника смены электроцеха), низовых устройств контроля и управления (инженера- релейщика), общесистемным (администратора системы) - табл. 5.4. Такая организация определила зону ответственности и расстановку персонала при испытаниях. В процессе эксплуатации одни и те же функции СКУ доступны с учетом предварительно заданных прав пользователей как оперативному, так и эксплуатационному персоналу. Например, начальник смены электроцеха со своего рабочего места имеет доступ к картам уставок, схемам расстановки защит, журналам регистрации событий и параметров при работе РЗА. Но права изменения уставок устройств РЗА для него «закрыты». Аналогично, инженер-релейщик имеет доступ к программным приложениям, отвечающим за контроль режима, и одновременно не обладает правами на дистанционное управление коммутационными аппаратами.
Предложенная в табл. 5.4 по сути двухмерная структуризация функций СКУ отличается от их одномерного состава в [78] и может вызывать возражения. Не вдаваясь в терминологические дискуссии, отметим, что такая организация приемо-сдаточных испытаний апробирована на ряде электростанций и подстанций. Рекомендации [78] ориентированы на СКУ тепловой части электростанций, имеющие заметные отличия от электрической части. По- видимому, данные особенности следует подвергнуть анализу и учесть при разработке для СКУ электрической части руководящего документа, аналогичного [78].

Таблица 5.4. Объемы автономных испытаний

При проведении автономных испытаний необходимо уделить внимание проверке внешнего отключения присоединений с позиций электромагнитной совместимости. Она в первую очередь необходима на электростанциях с поперечными связями для терминалов РЗА генераторов по внешним входам отключения из-за останова турбин от технологических защит («защита генератора от турбины»). Протяженность кабельных трасс здесь достигает 0,5-1 км (расстояние между групповыми и главным щитами управления) и влияние электромагнитных помех здесь наиболее выражено. При внедрении СКУ, поставляемых различными производителями, на первых этапах эксплуатации имелись ложные отключения генерирующих агрегатов по внешним дискретным входам из-за наводок.
Повышение порога отстройки входов по напряжению осуществлялось программным способом, а при его недостаточности в соответствующие цепи вводились промежуточные электромеханические реле.
Заключительный этап испытаний при отключенном от сети оборудовании - комплексные испытания. Первые внедрения ограничивались лишь автономными испытаниями «функция СКУ - автоматизированное рабочее место». Однако эксплуатация электроустановок и реальные аварии выявили ряд несоответствий. Например, оказывалось, что правильной работе устройств РЗА не соответствовала хронологическая последовательность событий, регистрируемых в системе. Нередко она «теряла» события, особенно при одновременном запуске встроенных в терминалы РЗА цифровых осциллографов.
Последующие расследования выявили две основные причины. Первая - неудачные системотехнические решения производителей. Так, ряд поставщиков в качестве полевой используют сети, пусть даже высокоскоростные (1 Мбит/с и более), но со случайным доступом абонентов к каналу связи. Поэтому при авариях, т.е. при большой информационной загрузке цифровых сетей, некоторые события приходят с временной меткой, имеющей запаздывание в две-три и даже пять минут. Вторая причина, ошибки в настройке системы, например, нерационально большое или малое заданное число посылок информации до момента получения подтверждающей «квитанции». В первом случае система «зависает», во втором - «теряется» часть событий. Именно поэтому необходимы комплексные испытания системы в целом.

Комплексные испытании при отключенном от сети оборудовании.

Данные испытания должны имитировать работу СКУ в нормальных и аварийных режимах работы. Наиболее важный момент - имитация КЗ в зоне работы устройств РЗА и сквозных КЗ с оценкой правильности работы защит и времени включения- отключения выключателей, в том числе с учетом возможных отказов защит и коммутационных аппаратов. Комплексные испытания должны в возможно в более полном объеме произвести проверку взаимодействия устройств управления присоединений с позиций ближнего и дальнего резервирования.
Испытания желательно проводить для всех расчетных точек КЗ, обеспечивающих параметры срабатывания устройств РЗА. Однако из-за большого объема подготовительных работ во вторичных цепях выполнять это до сих пор не удавалось в полном объеме. Так, имитации КЗ проводились подачей тока от постороннего источника лишь по одной фазе в последовательно соединенные разделительные трансформаторы тока самих устройств РЗА. Величина тока определяется параметрами срабатывания РЗА.
Количество последовательно соединенных разделительных трансформаторов тока определяется местом КЗ из условий наиболее полного анализа действия устройств РЗА. Основное правило - использовать максимально возможное количество последовательно соединенных разделительных трансформаторов с учетом нагрузочной способности испытательных устройств. При этом СКУ обрабатывает наибольшее количество событий, что позволяет выявить соответствие действия устройств РЗА и первичного оборудования их временным характеристикам. Например, при комплексных испытаниях блока генератор-трансформатор последовательно соединялись разделительные трансформаторы тока основных и резервных защит генератора, трансформатора, блока, рабочего трансформатора СН и выпрямительного трансформатора системы возбуждения. Общее количество регистрируемых в темпе процесса сигналов достигало 400. Одновременно запускалось шесть цифровых осциллографов, встроенных в различные терминалы РЗА.
На основании изложенного выше сформулируем выводы:

1. цифровые СКУ электрической части электроустановок кардинально увеличивают информационную обеспеченность оперативного и эксплуатационного персонала. Соответственно возрастают и объемы испытаний таких систем. Данный факт следует учитывать при организации пуско-наладочных работ в электроустановках;
2. опыт внедрения современных СКУ, в том числе ведущих мировых производителей, выявил, что наибольшие проблемы возникают в области системотехнического взаимодействия элементов систем, когда не удается все сигналы на контролируемом объекте привязать к единому времени. Последнее затрудняет полноценный анализ работы устройств РЗА и первичного оборудования в аварийных режимах работы и снижает эффективность от внедрения таких систем;
3. работоспособность и эффективность функционирования СКУ обеспечивается выбранными объемами испытаний. Их важнейший этап - комплексные испытания работы системы в целом. Только на данном этапе можно выявить соответствие обработки сигналов при нормальных и аварийных режимах оборудования проекту;
4. проблемы, выявленные в процессе внедрения СКУ, до сих пор не отражаются в документации, поставляемой с оборудованием. Поэтому рекомендуется при оформлении договоров на его поставку уделять в технических заданиях пристальное внимание требованиям к ведению в системе единого времени и к обработке информации в темпе процесса.

Подытожим результаты данной главы:

1. наиболее полная методология формирования современных СКУ электрической части электроустановок предусматривает установление их предпочтительной структуры и параметров, определенных в совокупности с обеспечением возможных эксплуатационных режимов работы основного оборудования и его привлечения к регулированию общесистемных параметров;
2. выполнена декомпозиция функций цифровых СКУ энергоблоков, включенных в общие иерархические многоуровневые системы противоаварийного управления и выполняющих функции регулирования частоты и мощности, а также ограничения перетоков по линиям связи. Доказано, что при выборе программноаппаратных средств управления следует принимать следующие времена циклов формирования управляющих воздействий; 0,01 с - для контуров противоаварийного управления, 0,2 с - для контура управления нормальным режимом блока;
3. децентрализация основных задач СКУ электрической части электростанций сопряжена с жесткими требованиями к формированию времени цикла управляющих воздействий, что невозможно обеспечить при существующих и перспективных пропускных способностях полевых сетей цифровой передачи данных. Предпочтительная структура систем должны обладать абсолютно гибкой функциональной и территориальной распределенностью их элементов;
4. тенденции в развитии СКУ электростанций свидетельствуют, что применительно к электрической части их идеальная структура - набор функционально законченных подсистем автоматизации присоединений, способных функционировать практически независимо друг от друга, совокупность цифровых устройств РЗА присоединений, объединенных многоуровневыми вычислительными сетями для организации информационно-управляющих потоков, требуемых для ведения эксплуатационных режимов;
5. отсутствие научных основ в области формирования современных СКУ электростанций привело к появлению недостаточно рациональной с технико-экономических позиций архитектуры СКУ электрической части, где она выделена в локальную подсистему, служащую промежуточным сборщиком информации и конвертером протоколов передачи данных от низовых устройств в систему управления более высокого уровня и обратно, в качестве которой выступала СКУ тепловой части;
6. структуризация информационно-управляющих потоков в СКУ электростанций выявляет, что на данном этапе их развития должны сохраниться относительно независимые, функционально законченные системы автоматизации тепловой и электрической части.