СПОСОБ ПРЕДУПРЕДИТЕЛЬНОГО УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМОЙ
METHOD FOR PREVENTIVE CONTROL OF AUTONOMOUS ELECTRIC POWER SYSTEM

Изобретение относится к области электротехники и может использоваться для предупредительного управления автономными электроэнергетическими системами (АЭЭС), в том числе и судовыми электроэнергетическими системами (СЭЭС).
Известен способ защиты сети автономной электростанции при параллельной работе генераторных агрегатов (ГА) (патент RU 2731127, опубликованный 31.08.2020. Бюл. №25) посредством отключения ГА, перешедшего в двигательный режим работы, при котором отключение указанного ГА блокируется в случае, когда суммарная нагрузка сети меньше заданного значения.
Данный способ позволяет защитить сеть от обратной мощности ГА в случае его отказа без выдержки времени и при этом предотвратить ошибочное отключение работоспособного агрегата при малой нагрузке.
Недостаток способа - несвоевременное воздействие на АЭЭС, заключающееся в том, что ГА отключают в момент его перехода в двигательный режим, когда вся его нагрузка уже перешла на машины, работающие параллельно. При этом возможен перегруз работоспособных агрегатов и отключение от сети.
Известен способ предупредительного управления СЭЭС с параллельно работающими ГА (патент RU 2758453, опубликованный 28.10.2021 в БИ №31), согласно которому определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние, определяют ГА (группу ГА), загрузка которого (которых) уменьшается, уменьшают нагрузку СЭЭС, определяют момент, когда при уменьшении нагрузки СЭЭС загрузка всех ГА уменьшается, и в этот момент отключают ГА, загрузка которого (которых) до уменьшения нагрузки СЭЭС уменьшалась.
Данный подход позволяет эффективно, минуя аварийную ситуацию на судне, переводить работу СЭЭС в режим правильного функционирования в случае отказа, вызванного формированием сигнала системой управления (СУ) на постоянное уменьшение подачи топлива хотя бы в один из ГА. Недостатком способа является невозможность его применения в случае отказов СУ, вызванных постоянным увеличением подачи топлива хотя бы в один из параллельно работающих ГА. В этом случае при уменьшении нагрузки СЭЭС момент, при котором загрузка всех ГА, работающих параллельно, уменьшится, не наступит и дальнейшие действия устройств, реализующих данный способ предупредительного управления, окажутся не эффективными.
Наиболее близким и выбранным автором за прототип является способ предупредительного управления СЭЭС (патент RU 2739364 С1, опубликованный 23.12.2020 в БИ №36), согласно которому определяют момент перехода СЭЭС в неработоспособное состояние, уменьшают нагрузку СЭЭС, определяют ГА, загрузка которого при уменьшении нагрузки СЭЭС увеличивается и отключают этот ГА.
Данный подход позволяет эффективно, минуя аварийную ситуацию на судне, переводить работу АЭЭС в режим правильного функционирования в случае отказа, вызванного формированием сигнала системой управления на постоянное увеличение подачи топлива хотя бы в один из ГА. Недостатком способа, принятого за прототип, является сложность практической реализации, вызванная необходимостью в формировании сигнала на уменьшение нагрузки сети с последующим анализом характера изменения загрузки ГА, в момент разгрузки сети. Кроме этого применение прототипа приводит к не всегда необходимому отключению ряда потребителей и снижению функциональных возможностей АЭЭС.
Целью изобретение является предупреждение (предотвращение) аварийной ситуации, связанной с перерывом в электроснабжении АЭЭС в случае ее внезапного отказа, при котором СУ формирует постоянный сигнал на увеличение подачи топлива в первичный двигатель только одного из ГА при параллельной работе более двух агрегатов.
Для решения указанной проблемы используется следующая совокупность существенных признаков: в способе предупредительного управления АЭЭС при работе АЭЭС с числом параллельно работающих ГА более двух определяют режим, при котором загрузка только одного из ГА увеличивается, и через заданный интервал времени, определяемый различиями в инерционности регуляторов первичных двигателей, отключают этот ГА от сети.
Сущность изобретения заключается в том, что в случае внезапного отказа СУ АЭЭС, при котором СУ сформировала постоянный сигнал на увеличение подачи топлива в первичный двигатель одного из ГА при его параллельной работе с более чем двумя генераторными агрегатами (тремя ГА и более), его загрузка постоянно увеличивается. При этом остальные ГА, работающие параллельно, разгружаются, их загрузка уменьшается вплоть до полной разгрузки и перехода в двигательный режим. Без применения способов предупредительного управления данный режим работы в подавляющем числе случаев приводит к аварийной ситуации, связанной с перерывом в электроснабжении АЭЭС.
Отказы, в результате которых СУ АЭЭС формируют постоянный сигнал на увеличение подачи топлива в первичный двигатель ГА, как правило, связаны с залипанием контактов соответствующих кнопок, реле или контакторов, и происходят не часто. При этом вероятность события, при котором подобная неисправность одновременно произойдет в каналах управления сразу двух ГА, ничтожно мала, поэтому данная ситуация на практике может быть исключена из рассмотрения. В этой связи диагностический признак, заключающийся в увеличении загрузки только одного из трех и более параллельно работающих ГА позволяет заранее спрогнозировать аварийную ситуацию по обесточиванию АЭЭС. В данном случае возникает необходимость в отключении ГА, загрузка которого увеличивается, от сети, которой при необходимости может предшествовать разгрузка АЭЭС, например, способом, описанном в Патенте на изобретение RU 2653361 С1, 08.05.2018.
зад
зад
зад
зад
зад
При этом следует учитывать особенность работы регуляторов подачи топлива современных первичных двигателей, имеющих некоторую инерционность в работе, которая может отличаться даже у однотипных машин. В этой связи рассмотрим ситуацию, при которой сразу после увеличения нагрузки АЭЭС произойдет ее резкое снижение. При этом может оказаться, что все регуляторы подачи топлива ГА, кроме одного, переключились на уменьшение подачи топлива в первичный двигатель. В этом случае на короткое время возникнет режим работы АЭЭС, при котором загрузка только одного ГА из трех и более агрегатов, работающих параллельно, увеличивается. Чтобы избежать ошибочного отключения генераторного агрегата его необходимо отключить через заданный интервал времени (Δt). Длительность Δt определяется на практике различиями в инерционности регуляторов первичных двигателей, например, дизелей и может составлять несколько секунд. При этом Δt может задаваться заранее в виде постоянной уставки, реализуемой, например, устройством выдержки времени. Данное решение очень простое, но на практике оно может применяться только в АЭЭС, использующих первичные двигатели, инерционность которых отличается не более чем на 1-2 секунды. В противном случае возникает возможность ситуации, при которой в момент неисправности разгружаемые ГА перейдут в двигательный режим и будут отключены защитой от обратной мощности, что приведет к аварийной ситуации, связанной с обесточиванием АЭЭС. В этой связи если время реагирования на управляющий сигнал регуляторов подачи топлива в дизель ГА отличается более чем на 2 секунды, то целесообразно формировать значение (Δt), адаптивное к режиму работы АЭЭС. В данном случае можно рассматривать заданный интервал времени как интервал от момента, когда загрузка только одного из ГА начинает увеличиваться до момента, когда разница в загрузках параллельно работающих ГА превысила заданное значение и продолжает увеличиваться. При этом заданный интервал времени, через который будет осуществляться отключение ГА, загрузка которого увеличивается Δt, будет изменяться в зависимости от энергетического состояния системы в целом, что позволит избежать отключения данного агрегата при работе в динамических режимах работы АЭЭС и своевременно отключить его при возникновении неисправности.
Данный подход позволяет для случая параллельной работы в составе АЭЭС более двух ГА эффективно, минуя аварийную ситуацию на судне, переводить работу АЭЭС в режим правильного функционирования в случае отказа, вызванного формированием сигнала СУ на постоянное увеличение подачи топлива в один из ГА. При этом не требуется осуществлять отключение части потребителей электроэнергии с последующим анализом характера изменения загрузки ГА, в момент разгрузки сети.
Сопоставление предлагаемого способа и прототипа показало, что поставленная задача -предупреждение (предотвращение) аварийной ситуации, связанной с перерывом в электроснабжении АЭЭС в случае ее внезапного отказа, при котором СУ формирует постоянный сигнал на увеличение подачи топлива в первичный двигатель только одного из ГА при параллельной работе более двух агрегатов 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 отличительные признаки заявляемого изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии способа критерию «изобретательский уровень».
зад
Сущность предложенного способа поясняется чертежом (Фиг. 1), на котором представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на примере параллельной работы «n» ГА для случая, при котором используется Δt определенное заранее в виде постоянной уставки.
Устройство, реализующее способ предупредительного управления автономной электроэнергетической системой (Фиг. 1) содержит по числу ГА датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n и блоки контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n, а также блок идентификации режима увеличения загрузки одного ГА 3, блок контроля заданного интервала времени 4, блок определения режима работы трех и более ГА 5, по числу ГА логические элементы «И» 6.1, 6.2 … 6.n и блоки отключения ГА 7.1, 7.2 … 7.n, при этом выход каждого из датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n соединен с входом соответствующего из блоков контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n, выход каждого из которых соединен с соответствующим входом блока идентификации режима увеличения загрузки одного ГА 3 и первым входом соответствующего логического элемента «И» » 6.1, 6.2 … 6.n, выход блока идентификации режима увеличения загрузки одного ГА 3 соединен с входом блока контроля заданного интервала времени 4, выход которого соединен со вторым входом каждого из логических элементов «И» » 6.1, 6.2 … 6.n, выход блока определения режима работы трех и более ГА 5 соединен с третьим входом каждого из логических элементов «И» » 6.1, 6.2 … 6.n, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока отключения ГА 7.1, 7.2 … 7.n.
зад
На Фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на примере параллельной работы «n» ГА для случая, при котом используется Δt адаптивное к режиму работы АЭЭС.
Устройство, реализующее способ предупредительного управления автономной электроэнергетической системой (Фиг. 2) содержит по числу ГА датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n и блоки контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n, а также блок идентификации режима увеличения загрузки одного ГА 3, блок контроля заданного интервала времени 4, блок определения режима работы трех и более ГА 5; по числу ГА логические элементы «И» 6.1, 6.2 … 6.n и блоки отключения ГА 7.1, 7.2 … 7.n, при этом выход каждого из датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n соединен с входом соответствующего из блоков контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n и соответствующим входом блока контроля заданного интервала времени 4, выход каждого из блоков контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n соединен с соответствующим входом блока идентификации режима увеличения загрузки одного ГА 3 и первым входом соответствующего логического элемента «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выход блока идентификации режима увеличения загрузки одного ГА 3 соединен со вторым входом каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выход блока контроля заданного интервала времени 4, соединен с третьим входом каждого из логических элементов «И» » 6.1, 6.2 … 6.n, выход блока определения режима работы трех и более ГА 5 соединен с четвертым входом каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2 … 6.n, выход каждого из которых соединен с входом соответствующего блока отключения ГА 7.1, 7.2 … 7.n.
Датчики загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n - известные функциональные блоки, формирующие на своем выходе сигналы в виде напряжения постоянного тока, пропорционального загрузке ГА (нагрузке сети, которую принимает на себя данный ГА).
Блоки контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n - известные функциональные блоки, формирующие на своих выходах сигнал логической «1», когда сигнал в виде напряжения на их входах увеличивается и сигнал логического «0» в обратном случае.
Блок идентификации режима увеличения загрузки одного ГА (далее блок идентификации режима) 3 - новый функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1» в режиме работы АЭЭС, при котором увеличивается загрузка только одного из ГА и сигнал логического «0» в режиме, при котором увеличивается загрузка двух и более ГА. На фиг. 3 представлена одна из возможных схем блока идентификации режима увеличения загрузки одного ГА для АЭЭС, имеющей в своем составе три ГА. Блок (Фиг. 3) содержит первый из вторых логических элементов «И» 8.1, второй из вторых логических элементов «И» 8.2, третий из вторых логических элементов «И» 8.3 и логический элемент «ИЛИ-НЕ» 9, при этом первый вход блока идентификации режима 3 (Фиг. 1, 2) соединен с первыми входами первого и второго из вторых логических элементов «И» 8.1 и 8.2, второй вход блока идентификации режима 3 (Фиг. 1, 2) соединен со вторым входом первого из вторых логических элементов «И» 8,1 и первым входом третьего из вторых логических элементов «И» 8.3, третий вход блока идентификации режима 3 (Фиг. 1, 2) соединен со вторыми входами второго и третьего из вторых логических элементов «И» 8.2 и 8.3, выходы первого, второго и третьего из вторых логический элементов «И» 8.1, 8.2, и 8.3 соединены с первым, вторым и третьим входами логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9 соответственно.
Вторые логические элементы «И» 8.1, 8.2 и 8.3 - известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигнал логической «1», если на все их входы поступили сигналы логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае
Логический элемент «ИЛИ-НЕ» 9 - известный функциональный блок, который формирует на своем выходе сигнал логического «0», если хотя бы на один из его входов поступил сигнал логической «1» и сигнал логической «1» в обратном случае
Блок идентификации режима 3 (Фиг. 1, 2), функциональная схема которого представлена на Фиг. З работает следующим образом. Если АЭЭС работает в режиме, при котором загрузка только одного из ГА увеличивается, то только на один из входов блока идентификации режима поступает сигнал логической «1». В этом случае, по крайней мере, на один из входов каждого из вторых логических элементов «И» 8.1, 8.2, 8.3 поступает сигнал логического «0», на их выходах - сигнал логического «0», на все три входа логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9 поступает сигнал логического «0», а на его выходе фиксируется сигнал логической «1». Если же увеличивается загрузка нескольких ГА, например, первого и третьего, тогда сигнал логической «1» поступит на первый и третий входы блока идентификации режима, на второй вход которого поступит сигнал логического «0». Сигнал логической «1» с первого входа блока идентификации режима поступает на первый вход первого из вторых логических элементов «И» 8.1 и на первый вход второго из вторых логических элементов «И» 8.2. Сигнал логического «0» со второго входа блока идентификации режима поступит на второй вход первого из вторых логических элементов «И» 8.1 и на первый вход третьего из вторых логических элементов «И» 8.3. На выходах первого и третьего из вторых логических элементов «И» 8.1 и 8.3 сохранится сигнал логического «0». Сигнал логической «1» с третьего входа блока идентификации режима поступит на второй вход второго из вторых логических элементов «И» 8.2 и второй вход третьего из вторых логических элементов «И» 8.3. Так как на первый и второй входы второго из вторых логических элементов «И» 8.2 поступит сигнал логической «1», то на его выходе сформируется сигнал логической «1» и поступит на второй вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9, на выходе которого появится сигнал логического «0». Аналогично, если увеличится загрузка первого и второго ГА, то сигнал логической «1» поступит на первый и второй входы блока идентификации режима, на выходе первого из вторых логических элементов «И» 8.1 появится сигнал логической «1», поступит на первый вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9, на выходе которого появится сигнал логического «0». Если увеличится загрузка второго и третьего ГА, то сигнал логической «1» поступит на второй и третий входы блока идентификации режима, на выходе третьего из вторых логических элементов «И» 8.3 появится сигнал логической «1», поступит на третий вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9, на выходе которого появится сигнал логического «0». Если увеличится загрузка всех трех ГА, то сигнал логической «1» поступит на все три входа блока идентификации режима и входы всех трех вторых логических элементов «И» 81, 8.2 и 8.3, на выходах каждого из которых появится сигнал логической «1» и поступит на соответствующий вход логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9. На выходе логического элемента «ИЛИ-НЕ» 9 и выходе блока идентификации режима зафиксируется сигнал логического «0». Таким образом, на выходе блока идентификации режима увеличения загрузки одного ГА (Фиг. 3) формируется сигнал логической «1» в режиме работы АЭЭС, при котором увеличивается загрузка только одного из ГА и сигнал логического «0» в режиме, при котором увеличивается загрузка двух и более ГА. Отметим, что сигнал логической «1» на выходе блока идентификации режима сформируется и в ситуации, когда не увеличивается загрузка ни одного из ГА. но этот сигнал блока идентификации режима оказывается не существенным, так как блокируется другими блоками устройства, реализующего способ предупредительного управления автономной электроэнергетической системой (Фиг. 1,2).
зад
зад
зад
зад
Блок контроля заданного интервала времени 4 - известный функциональный блок, формирующий на своем выходе сигнал логической «1», если интервал времени, в течение которого только один из более двух ГА параллельно работающих ГА увеличивает свою загрузку, превышает длительность интервала времени Δt. В устройстве, функциональная схема которого представлена на Фиг. 1, в качестве такого блока может быть использована обычный элемент задержки, выполненный в виде R-C цепочки. При этом длительность заданного интервала времени Δt формируется заранее посредством параметров R и С и в процессе работы не меняется. Если АЭЭС работает в режиме, при котором только один из более двух ГА параллельно работающих ГА увеличивает свою загрузку, то на вход элемента задержки поступает сигнал логической «1», на выходе которого этот сигнал появится через время, равное Δt. В устройстве, функциональная схема которого представлена на Фиг. 2, в качестве такого блока использован функциональный блок, адаптивный к энергетическому состоянию АЭЭС. Для этих целей можно использовать известный блок (имеющий n входов и один выход), на выходе которого появляется сигнал логической «1», если разность загрузок хотя бы одной из пар ГА из числа n превысит заданное значение и будет увеличиваться. Для реализации данной функции все n ГА разбиты на возможное число пар (k) и вычисляется разность загрузок в каждой паре ГА. Вычисляется абсолютная величина разности загрузок каждой пары и контролируется ее увеличение. Если абсолютная величина хотя бы одной пары будет увеличиваться и при этом превысит заданное значение разности загрузок ГА, то на выходе блока 4 сформируется сигнал логической «1». Блок контроля заданного интервала времени 4 по своему устройству полностью аналогичен блоку контроля разности загрузок ГА, используемому в прототипе. Однако в данном случае этот блок используется для формирования сигнала логической «1» в случае, когда будет превышен заданный интервал времени, адаптивный к энергетическому состоянию АЭЭС. При этом Δt будет формироваться как интервал времени от момента увеличения загрузки одного из ГА до момента, когда разность в загрузках работающих ГА превысит заданное значение и продолжит увеличиваться. Длительность этого интервала времени будет меняться в зависимости от величины загрузки каждого из работающих ГА на момент увеличения загрузки только одного из работающих ГА и от скорости изменения загрузок агрегатов, то есть от энергетического состояния системы.
Блок определения режима работы трех и более ГА 5 - новый функциональный блок, на выходе которого формируется сигнал логической «1» в период времени, когда в составе АЭЭС работают три и более ГА. Он может быть выполнен в виде датчиков работы ГА по числу работающих агрегатов, соединенных с трехвходовыми логическими элементами «И», число которых равно максимальной выборке по три из количества работающих ГА и выходы которых соединены с логическим элементом «ИЛИ». На Фиг. 4 представлена одна из возможных схем блока определения режима работы трех и более ГА для случая, когда в составе АЭЭС работают четыре ГА. Блок определения режима работы трех и более ГА (Фиг. 4) содержит датчики работы первого, второго, третьего и четвертого ГА 10.1, 10.2, 10.3 и 10.4 соответственно, третьи логические элементы «И» 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4, логический элемент «ИЛИ» 12; причем выход датчика работы первого ГА 10.1 соединен с первыми входами первого, второго и третьего из третьих логических элементов «И» 11.1, 11.2 и 11.3; выход датчика работы второго ГА 10.2 соединен со вторыми входами первого и второго из третьих логических элементов «И» 11.1 и 11.2, а также с первым входом четвертого из третьих логического элемента «И» 11.4; выход датчика работы третьего ГА 10.3 соединен с третьим входом первого из третьих логического элемента «И» 11.1 и вторыми входами третьего и четвертого из третьих логических элементов «И» 11.3 и 11.4; выход датчика работы четвертого ГА 10.4 соединен с третьими входами второго, третьего и четвертого из третьих логических элементов «И» 11.2, 11.3 и 11.4, выходы третьих логических элементов «И» 11.1, 11.2, 11.3 и 1.4 соединены с первым, вторым, третьим и четвертым входами логического элемента «ИЛИ» 12 соответственно.
Датчики работы первого, второго, третьего и четвертого ГА 10.1, 10.2, 10.3, 10.4 - известные функциональные блоки, каждый из которых формирует сигнал логической «1» в случае, если соответствующий ГА работает в составе АЭЭС и сигнал логического «0» в обратном случае. В качестве такого блока можно использовать блок-контакты автоматического выключателя соответствующего генератора.
Третьи логические элементы «И» 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4 - известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигналы логической «1», если на все их входы поступили сигналы логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.
Логический элемент «ИЛИ» 12 - известный функциональный блок, который формирует на своем выходе сигнал логической «1», если хотя бы на один из его входов поступил сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.
Блок определения режима работы трех и более ГА (Фиг. 4) работает следующим образом. Предположим, что АЭЭС будет работать в режиме, при котором в ее составе будут включены первый, второй и третий ГА. При этом на выходах датчиков работы первого ГА 10.1, второго ГА 10.2 и третьего ГА 10.3 появится сигнал логической «1», который поступит на первый, второй и третий входы первого из третьих логического элемента «И» 11.1. Так как на все три входа первого из третьих логического элемента «И» 11.1 поступит сигнал логической «1», то на его выходе сформируется сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «ИЛИ» 12, на выходе которого появится сигнал логической «1». Этот сигнал информирует о том, что хотя бы три ГА работают в составе АЭЭС. Аналогично, если АЭЭС будет работать в режиме, при котором в ее составе будут включены первый, второй и четвертый ГА, то на выходах датчиков работы первого ГА 10.1, второго ГА 10.2 и четвертого ГА 10.4 появится сигнал логической «1». Этот сигнал поступит на первый, второй и третий входы второго из третьих логического элемента «И» 11.2. Так как на все три входа второго из третьих логического элемента «И» 11.2 поступит сигнал логической «1», то на его выходе сформируется сигнал логической «1». Этот сигнал поступит на второй вход логического элемента «ИЛИ» 12, на выходе которого появится сигнал логической «1», информирующий о том, что хотя бы три ГА работают в составе АЭЭС. Если АЭЭС будет работать в режиме, при котором в ее составе будут включены первый, третий и четвертый ГА, то на выходах датчиков работы первого ГА 10.1, третьего ГА 10.3 и четвертого ГА 10.4 появится сигнал логической «1». Этот сигнал поступит на первый, второй и третий входы третьего из третьих логического элемента «И» 11.3. Так как на все три входа третьего из третьих логического элемента «И» 11.3 поступит сигнал логической «1», то на его выходе сформируется сигнал логической «1». Этот сигнал поступит на третий вход логического элемента «ИЛИ» 12, на выходе которого появится сигнал логической «1», информирующий о том, что хотя бы три ГА работают в составе АЭЭС. Если АЭЭС будет работать в режиме, при котором в ее составе будут включены второй третий и четвертый ГА, то на выходах датчиков работы второго ГА 10.2, третьего ГА 10.3 и четвертого ГА 10.4 появится сигнал логической «1». Этот сигнал поступит на первый, второй и третий входы четвертого из третьих логического элемента «И» 11.4. Так как на все три входа четвертого из третьих логического элемента «И» 11.4 поступит сигнал логической «1», то на его выходе сформируется сигнал логической «1» и поступит на четвертый вход логического элемента «ИЛИ» 12, на выходе которого появится сигнал логической «1». Этот сигнал информирует о том, что хотя бы три ГА работают в составе АЭЭС. Если АЭЭС будет работать в режиме, при котором в ее составе будут включены первый, второй, третий и четвертый ГА, то на выходах датчиков работы первого ГА 10.1, второго ГА 10.2 третьего ГА 10.3 и четвертого ГА 10.4 появится сигнал логической «1». который поступит на первый, второй и третий входы каждого из третьих логических элементов «И» 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4. Так как на все три входа каждого из третьих логических элементов «И» » 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4 поступит сигнал логической «1», то на их выходах сформируется сигнал логической «1» и поступит на первый, второй, третий и четвертый входы логического элемента «ИЛИ» 12, на выходе которого появится сигнал логической «1». Этот сигнал информирует о том, что хотя бы три ГА работают в составе АЭЭС. Если АЭЭС будет работать в режиме, при котором будут включены только один или два ГА, то хотя бы на один из входов каждого из третьих логических элементов «И» » 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 поступит сигнал логического «0». На их выходах и всех входах логического элемента «ИЛИ» 12 сформируется сигнал логического «0» и на его выходе сохранится сигнал логического «0». Этот сигнал информирует о том, что в составе АЭЭС работает менее чем три ГА. Предположим, что АЭЭС работает в режиме, при котором в ее составе будут включены первый и второй ГА. При этом на выходах датчиков работы первого ГА 10.1, второго ГА 10.2 появится сигнал логической «1», который поступит на первый и второй входы первого и второго из третьих логических элементов «И» 11.1, 11.2 и первые входы третьего и четвертого из третьих логических элементов «И» 11.3 и 11.4. Так как третий и четвертый ГА не работают, то на выходах датчиков работы ГА 10.3 и 10.4 сохраняется сигнал логического «0», который поступает на третьи входы первого и второго из третьих логических элементов «И» 11.1 и 11.2 и второй и третий входы третьих логических элементов «И» 11.3 и 11.4. Так как хотя бы на один из входов каждого из третьих логических элементов «И» 11.1, 11.2, 11.3 и 11.4 поступит сигнал логического «0», то на их выходах, а также всех входах и выходе логического элемента «ИЛИ» 12 сохранится сигнал логического «0». Этот сигнал информирует о том, что в составе АЭЭС работает менее чем три ГА.
Логические элементы «И» 6.1, 9.2, … 6.n - известные функциональные блоки, которые формируют на своих выходах сигнал логической «1», если на все их входы поступил сигнал логической «1» и сигнал логического «0» в обратном случае.
Блоки отключения ГА 7.1, 7.2 … 7.n - известные функциональные блоки, каждый из которых обеспечивает отключение соответствующего ГА при поступлении сигнала логической «1» на его вход. В качестве такого блока может быть использовано обычное электромагнитное реле, размыкающие контакты которого включены в цепь катушки нулевой защиты автоматического выключателя соответствующего генератора.
зад
Устройство предупредительного управления АЭЭС (Фиг. 1) работает следующим образом. В случае отказа одного из ГА, например i-го, связанного с формированием постоянного сигнала на увеличение подачи топлива в его первичный двигатель, на выходе i-го датчика загрузки 1.i сигнал увеличится, при этом на выходе соответствующего блока контроля увеличения загрузки 2.i появится сигнал логической «1» и поступит на i-ый вход блока идентификации режима 3 и первый вход i-го из логических элементов «И» 6.i. Так как загрузка остальных ГА не увеличится, то не увеличатся сигналы на выходах датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n (кроме 1.i), на выходах блоков контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n (кроме 2.i) сохранится сигнал логического «0», который поступит на все входы (кроме i-го) блока идентификации режима 3 и первые входы каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n кроме i-го (кроме 6.i). Так как только на один из входов блока идентификации режима 3 поступит сигнал логической «1», а на все остальные его входы поступит сигнал логического «0», то на его выходе зафиксируется сигнал логической «1» и поступит на вход блока контроля заданного интервала времени 4. Через интервал времени, равный Δt на выходе блока 4 появится сигнал логической «1» и поступит на вторые входы всех логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n. Если АЭЭС будет функционировать в режиме, при котором работают более двух ГА, то на выходе блока определения режима работы трех и более ГА 5 появится сигнал логической «1», который поступит на третьи входы всех логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n. Так как на все три входа логического элемента 6.i поступит сигнал логической «1», то на его выходе также сформируется сигнал логической «1» и поступит на вход блока отключения i-го ГА 7.i, который отключит i-ый ГА.
зад
Если АЭЭС будет функционировать в режиме, при котором будут работать более двух ГА и загрузка только одного из них будет увеличиваться не в результате отказа ГА, а в результате допустимого разброса времени срабатывания топливных регуляторов первичных двигателей агрегатов, то сигнал логической «1» на входе блока контроля заданного интервала времени 4 сменится на сигнал логического «0» быстрее Δt. В этой связи на выходе блока 4 сохранится сигнал логического «0» на вторых входах всех логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n сохранится сигнал логического «0», ошибочного отключения ГА не произойдет.
Устройство предупредительного управления АЭЭС (Фиг. 2) работает следующим образом. В случае отказа одного из ГА, например i-го, связанного с формированием постоянного сигнала на увеличение подачи топлива в его первичный двигатель, на выходе i-го датчика загрузки 1.i сигнал увеличится, при этом на выходе соответствующего блока контроля увеличения загрузки 2.i появится сигнал логической «1» и поступит на i-ый вход блока идентификации режима 3 и первый вход i-го из логических элементов «И» 6.i. Так как загрузка остальных ГА не увеличится, то не увеличатся сигналы на выходах датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n (кроме 1.i), на выходах блоков контроля увеличения загрузки 2.1, 2.2 … 2.n (кроме 2.i) сохранится сигнал логического «0», который поступит на все входы (кроме i-го) блока идентификации режима 3 и первые входы каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n кроме i-го (кроме 6.i). Так как только на один из входов блока идентификации режима 3 поступит сигнал логической «1», а на все остальные его входы поступит сигнал логического «0», то на его выходе зафиксируется сигнал логической «1» и поступит на вторые входы всех логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n; сигналы, пропорциональные загрузке ГА с выходов датчиков загрузки ГА 1.1, 1.2 … 1.n поступят на соответствующие входы блока контроля заданного интервала времени 4, адаптивного к энергетическому состоянию АЭЭС. Так как загрузка i-го ГА увеличивается, а нагрузка сети не меняется, то загрузка остальных ГА уменьшается. При этом в момент времени, когда разность загрузок i-го ГА и любого другого из работающих ГА превысит допустимое значение и продолжит увеличиваться, на выходе блока контроля разности загрузок ГА 4 сформируется сигнал логической «1», который поступит на третьи входы каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n. Если АЭЭС будет функционировать в режиме, при котором работают более двух ГА, то на выходе блока определения режима работы трех и более ГА 5 появится сигнал логической «1», который поступит на четвертые входы всех логических элементов «И» 6.1, 6.2, … 6.n. Так как на все четыре входа логического элемента 6.i поступит сигнал логической «1», то на его выходе также сформируется сигнал логической «1» и поступит на вход блока отключения i-го ГА 7.i, который отключит i-ый ГА.
В соответствие с предлагаемым способом предупредительного управления АЭЭС устройство (Фиг. 1) и устройство (Фиг. 2) осуществляет следующие действия:
блоки 1.1, 1.2 … 1.n, 2.1, 2.2 … 2.n, 3 - определяют режим работы АЭЭС, при котором загрузка только одного из ГА увеличивается;
зад
зад
блок 4 - формирует на своем выходе сигнал логической «1», если интервал времени, в течение которого только один из более двух ГА параллельно работающих ГА увеличивает свою загрузку, превышает длительность интервала времени Δt, то есть осуществляет контроль за превышением заданного интервала времени Δt;
блок 5 - определяет режим работы АЭЭС, при котором параллельно работают три и более ГА;
зад
блоки 6.1, 6.2, … 6.n - определяют ГА, загрузка которого увеличивается в то время, когда АЭЭС функционирует в режиме, при котором загрузка только одного из ГА увеличивается дольше, чем заданный интервал времени Δt и параллельно работают более двух ГА;
зад
блоки 7.1, 7.2 … 7.n отключают ГА, загрузка которого увеличивается в то время, когда АЭЭС функционирует в режиме, при котором загрузка только одного из ГА увеличивается дольше, чем заданный интервал времени Δt и параллельно работают более двух ГА.
зад
Так как блок отключения i-го ГА 7.1, отключает i-й ГА в момент, когда загрузка только i-го ГА увеличивается дольше, чем заданный интервал времени Δt и параллельно работают более двух ГА, то устройства, функциональная схема которых представлена на Фиг. 1 и Фиг. 2, реализуют предложенный способ предупредительного управления АЭЭС.
Пример реализации способа.
зад
зад
Рассмотрим пример реализации способа с использованием фиксированной величины заданного интервала времени Δt, определенной заранее. В качестве примера рассмотрим работу АЭЭС в режиме, при котором параллельно работают три ГА с номинальной мощностью по 100 кВт каждый (Рном.1 = Рном.2 = Рном.3 = Рном. = 100кВт). Предположим, что время реагирования на управляющий сигнал регуляторов подачи топлива в дизель ГА отличается не более чем на 1,8 секунды. В этой связи значение заданного интервала времени, формируемого цепью задержки, принимаем равной 1,8 секунды (Δt=1,8 с).
Пусть защита от перегрузки отключает соответствующий ГА через 15 с после принятия им нагрузки в 115 кВт (Рзащ. = 115кВт). Пусть в установившемся режиме работы АЭЭС первый и второй агрегаты имеют загрузку 40 кВт каждый (Р1 = Р2 = 40 кВт), а загрузка третьего агрегата составляет 35 кВт (Р3 = 35 кВт). В связи с тем, что АЭЭС функционирует в режиме, при котором работают три ГА на выходе блока 5 устройства (Фиг. 1) фиксирован сигнал логической «1», поступающий на третий вход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, 6.3. Допустим, что произошла неисправность ГА2, при которой сформировался постоянный сигнал на увеличение подачи топлива в его первичный двигатель, например, дизель. При этом ГА2 начнет принимать на себя нагрузку, разгружая ГА1 и ГА3. Загрузка ГА2 будет увеличиваться, а загрузка ГА1 и ГА3 уменьшаться. При этом на выходе блока контроля увеличения загрузки 2.2 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 6.2, на выходах блоков 2.1 и 2.3 и первых входах логических элементов «И» 6.1 и 6.3 сохранится сигнал логического «0». Так как АЭЭС будет работать в режиме, при котором загрузка только одного ГА увеличивается, то на выходе блока идентификации режима 3 устройства (Фиг. 1) сформируется сигнал логической «1», который поступит на вход блока контроля заданного интервала времени 4. Через 1,8 с на выходе блока 4 сформируется сигнал логической «1» и поступит на второй вход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, 6.3. Так как на все три входа логического элемента «И» 6.2 поступит сигнал логической «1», то на его выходе и входе блока отключения второго агрегата 7.2 появится сигнал логической «1». Блок отключения 7.2 отключит ГА2 от сети. При этом на момент отключения ГА2 загрузка ГА1 может составить 37 кВт, загрузка ГА2 может составить 46 кВт, а ГА3 32 кВт; исправные агрегаты после отключения ГА2 примут его нагрузку и загрузка ГА1 составит, например, 60 кВт, а загрузка ГА3 составит 55 кВт. АЭЭС продолжит работу без аварийной ситуации, связанной с обесточиванием сети.
зад
Рассмотрим пример реализации способа с использованием заданного интервала времени Δt, адаптивного к энергетическому состоянию АЭЭС.
зад
зад
В качестве примера рассмотрим работу АЭЭС в режиме, при котором параллельно работают три ГА с номинальной мощностью по 100 кВт каждый (Рном.1 = Рном.2 = Рном.3 = Рном. = 100 кВт). Предположим, что допустимое отклонение нагрузок между параллельно работающими ГА (ΔРдоп.), установленное системой распределения нагрузок, составляет 10% от Рном. (ΔРдоп. = 10 кВт), а заданное значение (ΔРзад.), при котором на выходе блока 4 устройства реализующего способ предупредительного управления автономной электроэнергетической системой (Фиг. 2) формируется сигнал логической «1» равно 20 кВт (ΔРзад. = 20 кВт). Для устойчивой работы устройства целесообразно выбирать заданное значение ΔРзад. несколько большим, чем допустимое значение отклонения нагрузок ΔРдоп. (ΔРзад. > ΔРдоп.). Пусть защита от перегрузки отключает соответствующий ГА через 15 с после принятия им нагрузки в 115 кВт (Рзащ. = 115 кВт). Пусть в установившемся режиме работы АЭЭС первый и второй агрегаты имеют загрузку 40 кВт каждый (Р1 = Р2 = 40 кВт), а загрузка третьего агрегата составляет 35 кВт (Р3 = 35 кВт). В связи с тем, что АЭЭС функционирует в режиме, при котором работают три ГА на выходе блока 5 устройства (Фиг. 2) фиксирован сигнал логической «1», поступающий на четвертый вход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, 6.3. Допустим, что произошла неисправность ГА2, при которой сформировался постоянный сигнал на увеличение подачи топлива в его первичный двигатель, например, дизель. При этом ГА2 начнет принимать на себя нагрузку, разгружая ГА1 и ГА3. Загрузка ГА2 будет увеличиваться, а загрузка ГА1 и ГА3 уменьшаться. При этом на выходе блока контроля увеличения загрузки 2.2 появится сигнал логической «1» и поступит на первый вход логического элемента «И» 6.2, на выходах блоков 2.1 и 2.3 и первых входах логических элементов «И» 6.1 и 6.3 сохранится сигнал логического «0». Так как АЭЭС будет работать в режиме, при котором загрузка только одного ГА увеличивается, то на выходе блока идентификации режима 3 устройства (Фиг. 2) сформируется сигнал логической «1», который поступит на второй вход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, 6.3. Так как загрузка ГА2 будет увеличиваться, а загрузка ГА1 и ГА3 уменьшаться, то разница загрузок агрегатов будет увеличиваться и в момент времени, при котором она достигнет 20 кВт на выходе блока контроля заданного интервала времени 4 устройства появится сигнал логической «1» и поступит на третий вход каждого из логических элементов «И» 6.1, 6.2, 6.3. При этом интервал времени от момента начала увеличения загрузки ГА2 до момента, когда разница загрузок работающих агрегатов превысит заданное значение ΔРзад. и продолжит увеличиваться сформирует заданный интервал времени Δt. Длительность этого интервала времени будет определяться числом и величиной загрузки работающих ГА на момент возникновения неисправности, то есть сформируется заданный интервал времени Δt, адаптивный к энергетическому состоянию АЭЭС. Так как на все четыре входа логического элемента «И» 6.2 поступит сигнал логической «1», то на его выходе и входе блока отключения второго агрегата 7.2 появится сигнал логической «1». Блок отключения 7.2 отключит ГА2 от сети. При этом на момент отключения ГА2 загрузка ГА1 может составить 35 кВт, загрузка ГА2 составит 50 кВт, а ГА3 30 кВт, исправные агрегаты после отключения ГА2 примут его нагрузку и загрузка ГА1 составит, например, 60 кВт, а загрузка ГА3 составит 55 кВт. АЭЭС продолжит работу без аварийной ситуации, связанной с обесточиванием сети.
Без применения предложенного способа предупредительного управления автономной электроэнергетической системой в приведенном примере ГА2 примет на себя всю нагрузку сети, переведя работоспособные машины ГА1 и ГА3 в двигательный режим, что приведет к их отключению защитой от обратной мощности. При этом загрузка ГА2 составит 115 кВт и через 15 с он будет отключен защитой от перегрузки, произойдет обесточивание сети АЭЭС. Использование способа, принятого за прототип, потребует выполнения достаточно сложных операций, связанных с отключением части потребителей и анализом сложившейся ситуации. При этом будут нарушены технологические процессы, вызванные отключением части потребителей, отключение которых, исходя из энергетического состояния АЭЭС, в приведенном примере не является обязательным.
Предлагаемое изобретение было создано в процессе разработки опытного образца системы предупредительного управления АЭЭС, проводимой автором по личной инициативе. Были проведены расчеты и изготовлена действующая модель устройства, реализующего заявляемый способ, лабораторные испытания которой показали возможность использования данного способа в системах контроля технического состояния судовых электроэнергетических систем, что с учетом вышеизложенного позволяет сделать вывод о возможности его промышленного применения.