УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГРУППЫ РЕГУЛИРУЕМЫХ ГИДРОТУРБИН

Полезная модель относится к специализированным устройствам вычислительной техники и может быть использована для моделирования группы регулируемых гидротурбин при исследованиях электроэнергетических систем. Она может быть использована для моделирования и исследования процессов изменения частоты и перетоков активной мощности на уровне энергосистем, когда в качестве регулируемых гидротурбин используется менее пяти процентов относительно всей мощности энергосистемы.
Предлагаемое техническое решение представляет собой специализированное устройство вычислительной техники, содержащее элементы (блоки) и связи между ними, находящиеся в функционально-конструктивном единстве и размещенные в ограниченном пространстве с возможностью выполнения в едином корпусе.
Известны технические решения, которые могут быть использованы при моделировании сложных системами на различных этапах их функционирования.
В частности, известно устройство для управления сложными системами [RU 149601, U1, G06F 21/00, G06N 7/00, 10.01.2015], содержащее базу данных требований к типовым элементам вычислительных сетей, блок моделирования типовых элементов вычислительных сетей, первый вход которого соединен с выходом базы данных требований к типовым элементам вычислительных сетей, блок моделирования нетиповых элементов вычислительных сетей, блок моделирования воздействий на элементы вычислительных сетей, выход которого соединен с первым входом блока моделирования нетиповых элементов вычислительных сетей и со вторым входом блока моделирования типовых элементов вычислительных сетей, блок моделирования воздействий на архитектуру вычислительных сетей, блок моделирования архитектур вычислительных сетей, первый вход которого соединен с выходом блока моделирования типовых элементов вычислительных сетей, второй вход - соединен с выходом блока моделирования нетиповых элементов вычислительных сетей, а третий вход -соединен с выходом блока моделирования воздействий на архитектуру вычислительных сетей, а также блок вычисления показателей безопасности вычислительных сетей, вход которого соединен с выходом блока моделирования архитектур вычислительных сетей.
Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для моделирования групп регулируемых гидротурбин.
Известно также техническое решение [RU 141941, U1, G06Q 90/00, 20.06.2014], содержащее блок оценки вероятности и величины риска, выход которого связан с входом блока классификации риска, выход блока классификации риска связан с входом управляющего блока, выход управляющего блока связан с входом блока управления техобслуживанием и ремонтами, выход блока управления техобслуживанием и ремонтами связан с входом блока информационно-измерительных систем, выходы блока информационно-измерительных систем связаны с входами блоков хранения данных о сбоях и мониторинга основных средств, выходы блоков хранения данных о сбоях и мониторинга основных средств соединены с входом экспертного блока хранения данных, кроме того, выход блока информационно-измерительных систем связан с входом блока внешних систем управления, выход которого связан с входом управляющего блока, а также блок моделирования надежности, в котором производится подбор необходимой модели (моделей) оценки надежности программного обеспечения для конкретного состояния технических устройств из совокупности моделей, хранящихся в блоке, а его входы соединены с выходом из блока информационно-измерительных систем, управляющего блока, блока внешних систем управления и экспертного блока хранения данных, а выход блока моделирования надежности связан с входом блока оценки вероятности и величины риска.
Недостатком этого технического решения также является относительно узкие функциональные возможности, что не позволяет использовать его для моделирования групп регулируемых гидротурбин.
Кроме того, известно устройство моделирования автоматизированных систем для электроэнергетики [RU 138003, U1, G06G 7/635, 27.02.2014], содержащее систему управления, источник сигналов задания, подсоединенный своим выходом к первому входу системы управления, первый блок памяти, подсоединенный своим входом к первому выходу системы управления, второй блок памяти, подсоединенный своим входом ко второму выходу системы управления, узел формирования вычисленных результатов и блок отображения информации, подсоединенный своим первым входом к выходу узла формирования вычисленных результатов и своим вторым входом - к третьему выходу системы управления, причем, выход первого блока памяти подсоединен к первому входу узла формирования вычисленных результатов, а выход второго блока памяти подсоединен ко второму входу узла формирования вычисленных результатов.
Этому устройству также присущ недостаток, заключающийся в относительно узких функциональных возможностях, что не позволяет использовать его для моделирования групп регулируемых гидротурбин.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является устройство [RU 30208, U1, G09B 23/00, 20.06.2003], содержащее, по меньшей мере, один блок моделирования виртуального регулятора обратной связи с изменяемыми характеристиками физической динамической системы, по меньшей мере, один блок моделирования реального регулятора обратной связи физической динамической системы и блок суммирования сигналов, входной и выходной сумматоры, блок математического моделирования физической динамической системы и, по меньшей мере, один блок моделирования виртуальной обратной связи с изменяемыми характеристиками, используемой в физической динамической системе, вход, по меньшей мере, одного блока моделирования виртуального регулятора обратной связи с изменяемыми характеристиками физической динамической системы и вход, по меньшей мере, одного блока моделирования реального регулятора обратной связи физической динамической системы связаны с первым входом выходного сумматора, при этом выходы, по меньшей мере, одного блока моделирования виртуального регулятора обратной связи физической динамической системы и, по меньшей мере, одного блока моделирования реального регулятора обратной связи физической динамической системы соединены с соответствующими входами блока суммирования сигналов, соединенного выходом с первым входом входного сумматора, второй вход которого подключен к выходу блока моделирования виртуальной обратной связи с изменяемыми характеристиками, используемой в физической динамической системе, выход входного сумматора через блок математического моделирования физической динамической системы связан со входом блока моделирования виртуальной обратной связи с изменяемыми характеристиками, используемой в физической динамической системе, и вторым входом выходного сумматора.
Наиболее близкое техническое решение также обладает относительно узкими функциональными возможностями, поскольку, хотя оно и позволяет использовать его как устройство для исследования динамической компенсации воздействия на системы, но не позволяет обеспечить его работу для моделирования группы регулируемых гидротурбин. Это сужает функциональные возможности известного устройства.
Задачей, которая решается в предложенной полезной модели, является расширение функциональных возможностей.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем введения дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих моделирование группы регулируемых гидротурбин.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее первый сумматор и первый и второй алгебраические сумматоры, согласно полезной модели, введены n цепей, каждая из которых содержит последовательно соединенные ограничитель-регулятор, умножитель на коэффициент передачи регуляторов частоты вращения и умножитель на коэффициент долевого участи агрегата в полной мощности, выходы каждого из которых соединен с соответствующим входом сумматора, выход которого соединен с вычитающим входом первого алгебраического сумматора, последовательно соединенные корректирующий ограничитель-регулятор и умножитель на корректирующий коэффициент, выход которого соединен с первым вычитающим входом второго алгебраического сумматора, регулятор мощности с пропорционально-интегральным законом регулирования, выход которого соединен с суммирующим входом первого алгебраического сумматора, а вход - соединен с выходом второго алгебраического сумматора, первый суммирующий вход которого является входом сигнала изменения плановой мощности, последовательно соединенные ограничитель-регулятор сигнала задания мощности и ограничитель-регулятор максимально допустимой скорости вторичного регулирования, выход которого соединен со вторым вычитающим входом второго алгебраического сумматора, а также последовательно соединенные регулятор-ограничитель резервов мощности, вход которого соединен с выходом первого алгебраического сумматора, и блок задания передаточной функции гидротурбины, выход которого соединен со вторым суммирующим входом второго алгебраического сумматора.
На чертеже представлена функциональная схема устройства для моделирования группы регулируемых гидротурбин.
Устройство для моделирования группы регулируемых гидротурбин содержит первый сумматор 1 и первый 2 и второй 3 алгебраические сумматоры.
Кроме того, устройство содержит n цепей (где n - число регулируемых гидротурбин в группе), каждая i-ая (i=1…n) цепь из которых содержит последовательно соединенные ограничитель-регулятор 4-i, умножитель 5-i на коэффициент передачи регуляторов частоты вращения и умножитель 6-i на коэффициент долевого участи агрегата в полной мощности, выходы каждого из которых соединен с соответствующим входом первого сумматора, выход которого соединен с вычитающим входом первого алгебраического сумматора 2.
Устройство содержит также последовательно соединенные корректирующий ограничитель-регулятор 7 и умножитель 8 на корректирующий коэффициент, выход которого соединен с первым вычитающим входом второго алгебраического сумматора 3.
Дополнительно, к указанному выше, устройство содержит регулятор 9 мощности с пропорционально-интегральным законом регулирования, выход которого соединен с суммирующим входом первого алгебраического сумматора 2, а вход - соединен с выходом второго алгебраического сумматора 3, первый суммирующий вход которого является входом сигнала изменения плановой мощности.
Предложенное устройство содержит также последовательно соединенные ограничитель-регулятор 10 сигнала задания мощности и ограничитель-регулятор 11 максимально допустимой скорости вторичного регулирования, выход которого соединен со вторым вычитающим входом второго алгебраического сумматора 3.
Устройство снабжено также последовательно соединенными регулятором-ограничителем 12 резервов мощности, вход которого соединен с выходом первого алгебраического сумматора 2, и блоком 13 задания передаточной функции гидротурбины, выход которого соединен со вторым суммирующим входом второго алгебраического сумматора 3.
Устройство содержит элементы, охарактеризованные на функциональном уровне, и описываемая форма их реализации предполагает использование программируемого (настраиваемого) многофункционального средства, поэтому ниже, при описании работы устройства представляются сведения, подтверждающие возможность выполнения таким средством конкретной предписываемой ему в составе данного устройства функции, достаточных для их технической реализации, а также, при необходимости, соответствующие математические соотношения.
Работает устройство для моделирования группы регулируемых гидротурбин следующим образом.
В устройстве моделируется процесс функционирования группы из n турбин, привлекаемые к нормированному первичному и автоматическому вторичному регулированию на одной гидростанции.
Гидротурбина моделируется передаточной функцией, состоящей из двух частей: первая учитывает действие изодромного регулятора скорости, а вторая моделирует явление гидравлического удара.
,
i
С
В
уст
a
где T - постоянная времени изодрома (постоянная времени гибкой обратной связи), T - постоянная времени серводвигателя, η - коэффициент гибкой обратной связи в регуляторе частоты вращения, характеризующий ее интенсивность, ε - коэффициент жесткой обратной связи, T - время запаздывания воды в водоводе,  - отношение открытия направляющего аппарата в исходном режиме к его номинальному значению, где за номинальное открытие принимается разность номинального открытия и открытия холостого хода.
Такой подход к моделированию передаточной функции основано на учете такого характерного явления, как инерции потока воды, заключенного в напорном трубопроводе, камере турбины и отсасывающей трубе. Изменение нагрузки гидротурбины, выполняемое изменением открытия направляющего аппарата, приводит к изменению скорости и количества движения массы воды, которые, однако, не могут измениться мгновенно. По законам гидравлики изменение скорости потока в заполненном жидкостью объеме может произойти только за счет изменения разности давлений в граничных сечениях, т.е. изменения напора. При увеличении нагрузки часть общего напора на гидротурбине снижается, при снижении нагрузки развивается дополнительный напор вследствие торможения потока. При этом изменение напора происходит мгновенно при изменении открытия, а расход изменяется постепенно в соответствии с инерцией воды. Мощность, развиваемая гидротурбиной, зависит не только от изменяющегося расхода воды, но и от изменяющегося в переходном процессе напора. Поэтому изменение открытия направляющего аппарата вызывает в первый момент противоположное по знаку изменение развиваемой мощности, что влияет на процесс регулирования частоты вращения.
Можно показать, что общая передаточная функция этих гидротурбин определяется соотношением
,
i
С
В
уст
a
где T - постоянная времени изодрома (постоянная времени гибкой обратной связи), T - постоянная времени серводвигателя, η - коэффициент гибкой обратной связи в регуляторе частоты вращения, характеризующий ее интенсивность, ε - коэффициент жесткой обратной связи, T - время запаздывания воды в водоводе,  - отношение открытия направляющего аппарата в исходном режиме к его номинальному значению (за номинальное открытие принимается разность номинального открытия и открытия холостого хода).
На чертеже представлено устройство для моделирования группы регулируемых гидротурбин, снабженной системой группового регулирования активной мощности (ГРАМ) и находящейся под воздействием сигналов изменения частоты Δf(p), сигналов изменения задания мощности от систем автоматического регулирования частоты и мощности (АРЧМ)  и сигналов изменения плановой мощности  Из входных сигналов Δf(p) и  формируются сигналы по изменению заданий первичной и вторичной мощности гидротурбины:
а) сигнал  является суммой изменения заданий первичных мощностей от регуляторов скорости отдельных гидротурбин , которые формируются путем ограничения сигнала изменения частоты Δf(p) на зонах нечувстительности своих регуляторов скорости (гидротурбинных регуляторов) с уставками нечувствительности  и преобразования в сигнал по мощности умножением на коэффициенты передачи маятников регуляторов частоты вращения  (величина обратная статизму) и коэффициенты долевого участия каждой гидротурбины в полной мощности ГЭС ;
б) сигнал изменения задания первичной мощности от корректора частоты  формируется сначала путем ограничения сигнала изменения частоты Δf(p) на зоне нечувствительности корректора частоты с уставками нечувствительности  и преобразования его потом в сигнал по мощности путем умножения на коэффициент передачи по каналу коррекции в ГРАМ по отклонению частоты  (величина обратная статизму);
в) сигнал изменения задания вторичной мощности гидротурбины  формируется путем ограничения сигнала изменения задания мощности от системы АРЧМ  по величине резервов вторичного регулирования на загрузку  и на разгрузку  и по максимально допустимой скорости вторичного регулирования ;
ГЭС
ГЭС
ГЭС
ГЭС
ГЭС
г) разность сигналов изменения плановой мощности гидротурбины и суммы изменений заданий первичной мощности от корректора частоты, вторичной мощности и мощности гидротурбины φ(p) подается на регулятор мощности с пропорционально-интегральным законом регулирования и соответствующей передаточной функцией . Сигнал β(p) разности между сигналом, полученным на выходе регулятора мощности ψ(p), и сигналом по изменению заданий суммарной первичной мощности от регуляторов частоты вращения отдельных гидротурбин  ограничивается по величине резервов мощности гидротурбины на загрузку  и разгрузку . Полученный ограниченный сигнал подается на шидротуртурбину с передаточной функцией W(p). На выходе гидротурбины получаем изменение ее мощности ΔP(p).
Этот алгоритм реализуется в предложенном устройстве следующим образом.
Сигнал изменения частоты Δf(p) подается на входы ограничителей-регуляторов 4-i, которые имеют регулировочную характеристику возрастающего (пропорционального вида) с зоной нечувствительности, характеризующей инерционность регуляторов скоростей гидротурбин.
Выходные сигналы ограничителей-регуляторов 4-i умножаются в соответствующих умножитель 5-i на коэффициенты передачи регуляторов частоты вращения и далее в умножителях 6-i - на коэффициент долевого участи гидроагрегата в полной мощности, после чего все они суммируются в сумматоре 1. Сформированный суммарный сигнал поступает на вычитающий вход первого алгебраического сумматора 2.
Кроме того, сигнал Δf(p) подается и на вход корректирующего ограничителя-регулятора 7, также имеющего регулировочную характеристику возрастающего (пропорционального вида) с зоной нечувствительности, а с его выхода в умножитель 8 на корректирующий коэффициент и далее на вход первого вычитающего входа второго алгебраического сумматора 3.
Параллельно с этим на вход ограничителя-регулятора 10, который также имеет регулировочную характеристику возрастающего (пропорционального вида) с зоной нечувствительности, подается сигнал задания мощности , который затем подается в ограничитель-регулятор 11 максимально допустимой скорости вторичного регулирования, имеющий, и с его выхода на второй вычитающий вход второго алгебраического сумматора 3, выходной сигнал которого поступает в регулятор 9 мощности с пропорционально-интегральным законом регулирования (выполненным в виде интегратора), первый суммирующий вход которого является входом сигнала изменения плановой мощности , а выход - соединен с суммирующим входом первого алгебраического сумматора 2. Учитывая, что на вычитающий вход первого алгебраического сумматора 2 подается сигнал с выхода сумматора 2, разностный сигнал с выхода первого алгебраического сумматора подается через регулятор-ограничитель 12 резервов мощности с регулировочной характеристикой возрастающего (пропорционального вида) с зоной нечувствительности в блок 13 задания передаточной функции гидротурбины, имеющей в частном случае передаточную функцию вида
Выходной сигнал блока 13 подается на вход второго алгебраического сумматора 3 и является, одновременно, выходным сигналом устройства.
Изменяя параметры элементов устройства обеспечивается возможность моделирования группы регулируемых гидротурбин при исследованиях электроэнергетических систем, чем и достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей.