СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОМ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ

Полезная модель относится к области построения электроэнергетических систем и может быть использована в системах автоматизированного управления двигатель-генератором электростанции, предназначенных для регулирования подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, газа или пара в турбину с целью точной автоматической синхронизации - подгонки частоты и фазы напряжения генератора к частоте и фазе напряжения внешней сети или другого двигатель-генератора.
Известно устройство параллельной работы вало- и дизель-генераторов (патент РФ №2212356, В63Н 23/06 от 22.03.02), содержащее астатические регуляторы напряжения с цепями обратной связи по напряжению, снабженными корректирующими звеньями интегрально-пропорционального типа, и задатчики сигналов с электрическими цепями задающего сигнала и сигнала обратной связи, датчики частоты вращения вало- и дизель-генераторов, выходы которых соединены с входом элемента сравнения, выход которого соединен с регулятором скорости вращения дизель-генератора.
В известном устройстве используется электрический регулятор скорости вращения с аналоговыми схемами управления, что увеличивает время и снижает точность синхронизации вало- и дизель-генераторов.
Известно устройство для регулирования двигателя внутреннего сгорания (Авторское свидетельство СССР №1437539, F02D 41/00 от 13.08.87), содержащее импульсный датчик частоты вращения вала двигателя, формирователь импульсов, синхронизирующий замкнутый контур, дифференциатор, схему определения режимов работы двигателя, микропроцессор, датчики рабочих параметров двигателя, два сумматора, шаговый электродвигатель, рейку топливных насосов двигателя, датчик углового положения выходного
вала шагового электродвигателя, датчик положения верхней мертвой точки поршня в цилиндре двигателя внутреннего сгорания, датчик крутящего момента двигателя.
В известном устройстве используется множество микросхем (узлов) средней степени интеграции, что снижает эффективность и быстродействие процессов управления двигателем.
Известна система автоматического регулирования с электронным (микропроцессорным) регулятором (Крутов В.И. «Автоматическое регулирование и управление двигателей внутреннего сгорания», Москва «Машиностроение», 1989 г., стр.164-172, рис.6.8) - прототип.
Система автоматического регулирования с электронным (микропроцесссорным) регулятором содержит двигатель внутреннего сгорания, исполнительное устройство, датчики различных параметров двигателя, аналого-цифровой преобразователь, цифро-аналоговый преобразователь, задатчик программы, микропроцессор.
Известная система автоматического регулирования выполняет только задачу поддержания постоянства оборотов двигателя с определенной погрешностью при изменении на нее нагрузки.
Недостатками известных систем автоматизированного управления двигатель-генератором электростанции являются:
невысокая надежность систем из-за использования непосредственных связей между модулями;
недостаточная точность синхронизации двигатель-генератора с внешней сетью из-за использования аналоговых схем управления;
недостаточная точность распределения нагрузки между электростанциями при их параллельной работе на общую сеть из-за использования аналоговых схем управления.
Предлагаемая система автоматизированного управления двигатель-генератором электростанции устраняет перечисленные выше недостатки.
Техническим результатом полезной модели является повышение надежности эксплуатации системы, увеличение точности синхронизации двигатель-генераторов электростанций и распределения нагрузки при параллельной работе.
Для достижения указанного технического результата в систему автоматизированного управления двигатель-генератором электростанции, содержащую пульт управления, интерфейсный модуль, модуль микроконтроллера, модуль постоянного запоминающего устройства, модуль регулирования частоты вращения двигатель-генератора, аналого-цифровой преобразователь, модуль преобразования релейных сигналов, генераторный автомат с электромагнитным приводом, датчик частоты вращения двигателя, исполнительное устройство двигателя, аналоговые датчики рабочих параметров двигателя и генератора, дискретные датчики рабочих параметров двигателя и генератора, при этом пульт управления кодовыми линиями связи соединен с первыми входами интерфейсного модуля, датчик частоты вращения двигателя соединен с первым входом, а исполнительное устройство двигателя с первым выходом модуля частоты вращения двигатель-генератора, выходы аналоговых датчиков рабочих параметров двигателя и генератора соединены с первыми входами аналого-цифрового преобразователя, выходы дискретных датчиков рабочих параметров двигателя и генератора соединены с первыми входами модуля релейных сигналов, электромагнитный привод генераторного автомата соединен со вторыми входами модуля релейных сигналов, первый выход которого соединен со входом блока управления генератором, выходы генератора через генераторный автомат соединены с магистральной сетью, введены соединитель магистральный, три измерительных трансформатора напряжения, два измерительных трансформатора тока, модуль частоты вращения двигатель-генератора содержит дифференциальный аналоговый коммутатор, схему формирования сигнала датчика частоты вращения двигателя, дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь, Flash-память, микропроцессор, устройство формирования тока в исполнительное
устройство двигателя, устройство прямого доступа к внутренней памяти микропроцессора, при этом первый вход микропроцессора соединен с Flash-памятью, второй вход - с устройством прямого доступа к внутренней памяти микропроцессора, третий вход - с дельта-сигма аналого-цифровым преобразователем, четвертый вход микропроцессора - со схемой формирования сигнала датчика частоты вращения двигателя, первый выход микропроцессора соединен с устройством формирования тока в исполнительное устройство двигателя, второй выход - с управляющим входом дифференциального аналогового коммутатора, выход которого соединен со входом дельта-сигма аналого-цифрового преобразователя, первый вход соединителя магистрального соединен с интерфейсным модулем, второй вход - с модулем микроконтроллера, третий вход - с модулем постоянного запоминающего устройства, четвертый вход - с модулем релейных сигналов, пятый вход - с аналого-цифровым преобразователем, шестой вход соединителя магистрального - со вторыми входами модуля частоты вращения двигатель-генератора, т.е. устройства прямого доступа к внутренней памяти микропроцессора, входы первого измерительного трансформатора напряжения подсоединены к фазам А и В на выходе генератора, входы второго измерительного трансформатора напряжения - к фазам В и С на выходе генератора, входы третьего измерительного трансформатора напряжения - к фазам А и В на выходе генераторного автомата, входы первого измерительного трансформатора тока подсоединены к фазе А на выходе генератора, входы второго измерительного трансформатора - к фазе С на выходе генератора, выходы всех измерительных трансформаторов соединены с третьими входами модуля частоты вращения двигатель-генератора, т.е. с соответствующими информационными входами дефференциального аналогового коммутатора.
Система отличается тем, что модуль частоты вращения двигатель-генератора содержит схему интерфейса, которая соединена с пятым входом микропроцессора, при этом схема интерфейса соединена кодовыми линиями
связи со схемой интерфейса модуля частоты вращения двигатель-генератора параллельной электростанции.
На фиг.1 показана структурная схема системы автоматизированного управления двигатель-генератором электростанции; на фиг.2 - структурная схема модуля частоты вращения двигатель-генератора; на фиг.3 - структурная схема соединения двух электростанций в электроэнергетическую систему.
На фиг.1 показано:
1 - пульт управления предназначен для включения/выключения системы, задания режимов системы, отображения на органах индикации хода режимов и состояния дизель-генератора.
2 - интерфейсный модуль предназначен для организации взаимодействия с системой по последовательному интерфейсу RS-232 по ГОСТ 28854-90.
3 - модуль микроконтроллера на основе микропроцессора 1806 ВМ2 предназначен для решения задач системы, связанных с управлением дизель-генератором, используется в качестве управляющей ЭВМ с внутриприборным магистральным интерфейсом Q-bus по ГОСТ 26765.51-86.
4 - модуль постоянного запоминающего устройства предназначен для энергонезависимого хранения алгоритмов управления системы.
5 - соединитель магистральный предназначен для установки в нем модулей и обеспечения информационной и электрической совместимости модулей по общей магистральной интерфейсной шине Q-bus.
6 - модуль регулирования частоты вращения дизель-генератора на основе сигнального процессора ADSP-2181 предназначен для автоматического управления частотой вращения дизель-генератора в соответствии с заданным алгоритмом путем приема информации от датчиков вращения дизель-генератора и выработки воздействия на исполнительное устройство системы топливоподачи дизель-генератора.
7 - аналого-цифровой преобразователь предназначен для приема и оцифровки информации аналоговых датчиков дизель-генератора (термосопротивлений, датчиков давления) и передачи информации в модуль микроконтроллера.
8 - модуль преобразования релейных сигналов предназначен для приема и преобразования входных релейных сигналов и формирования управляющих команд в виде замыкания «сухих» контактов или релейной коммутации 24 (+5; -3) В.
9 - двигатель внутреннего сгорания (дизель).
10 - генератор.
11 - муфта предназначена для соединения валов дизеля и генератора.
12 - датчик частоты вращения дизеля.
13 - исполнительное устройство дизеля.
14, 15 - аналоговые датчики рабочих параметров дизеля и генератора.
16, 17 - дискретные датчики рабочих параметров дизеля и генератора.
18 - блок управления генератором.
19 - генераторный автомат.
20 - электромагнитный привод генераторного автомата.
21, 22, 23 - измерительные трансформаторы напряжения.
24, 25 - измерительные трансформаторы тока.
На фиг.2 показано:
26 - схема интерфейса предназначена для обмена информацией с модулем регулирования частоты вращения дизель-генератора параллельной электростанции по последовательному интерфейсу RS-232 по ГОСТ 28854-90.
27 - дифференциальный аналоговый коммутатор предназначен для поочередного приема аналоговой информации от измерительных трансформаторов.
28 - дельта-сигма аналого-цифровой преобразователь предназначен для оцифровки информации от измерительных трансформаторов и передачи информации в микропроцессор.
29 - схема формирования сигнала датчика частоты вращения двигателя предназначена для приема информации аналогового датчика частоты вращения дизеля и передачи информации в микропроцессор.
30 - микропроцессор (сигнальный процессор ADSP-2181 BS-133. ф. Analog Devices, США) предназначен для решения задачи автоматического регулирования частоты вращения дизеля.
31 -Flash-память (микросхема TB28F400BV-B80, ф. Intel, США) предназначен для энергонезависимого хранения программы автоматического регулирования частоты вращения дизеля.
32 - устройство формирования тока в исполнительное устройство дизеля предназначено для преобразования цифровой информации из микропроцесссора и передачи управляющего тока в исполнительное устройство дизеля для управления процессом топливоподачи в цилиндры.
33 - устройство прямого доступа к внутренней памяти микропроцесссора предназначено для организации взаимодействия микропроцессора с соединителем магистральным по параллельному интерфейсу Q-bus.
Система работает следующим образом.
Автоматизированное управление дизель-генератором 9-11-10 производится с пульта 1 управления оператором.
После включения системы начинается режим «Пуск (программный)». После задания этого режима модуль 3 по программе данного режима из модуля 4 контролирует рабочие параметры дизеля по датчикам 14 и 16. Для вхождения дизеля 9 в рабочий режим модуль 3 выдает сигнал «Пуск регулятора частоты вращения» в микропроцессор 30, который по программе из памяти 31 начинает выдавать управление через устройство 32 в исполнительное устройство 13 для разгона дизель-генератора 9-11-10 и определяет частоту вращения дизель-генератора по информации от датчика 12.
При частоте больше 70 об/мин происходит формирование управления для разгона дизель-генератора до частоты (600-700) об/мин.
При поступлении сигнала «Номинальные обороты» от модуля 3 в микропроцессор 30, который по программе из памяти 31 производит разгон дизеля до номинальных оборотов (1500 об/мин).
При достижении частоты равной 1350 об/мин происходит подключение задач определения электрических параметров: величины, частоты и фазы напряжения генератора и внешней сети (по информации от измерительных трансформаторов 21-23).
Далее модуль 3 через соединитель 5, модуль 8 подает сигнал «Возбуждение генератора» на вход блока 18.
При достижении 3-ей уставки скорости вращения дизель-генератора, отсутствии внешней сети (напряжения нагрузки) и достижении напряжением генератора номинального значения микропроцессор 30 выдает в модуль 3 команду «Разрешение включения генераторного автомата», по которой модуль 3 включает генераторный автомат 19 (управляющий сигнал от модуля 3 через соединитель 5 модуль 8 на вход электромагнитного привода 20).
При наличии сети (напряжения другого дизель-генератора или внешней сети) по сигналу «Синхронизация» от модуля 3 микроконтроллера производится автоматическая синхронизация - подгонка частоты и фазы напряжения генератора к частоте и фазе напряжения внешней сети или другого дизель-генератора.
При попадании в «трубку» рассогласования по частоте и фазе напряжений генератора и сети модуль 6 выдает в модуль 3 микроконтроллера команду «Разрешение включения генераторного автомата».
После включения генераторного автомата 19 модуль 6 подключает дополнительные задачи определения токов, вычисления активной и реактивной мощности и cosφ.
Для обеспечения устойчивости при параллельной работе с сетью или вторым дизель-генератором необходимо задать статический режим работы модуля 6. Этот режим формируется по сигналу «Статизм» из пульта 1 управления.
Для исключения зависимости частоты вращения дизель-генератора от нагрузки при параллельной работе двух дизель-генераторов используются уравнительные связи между модулями 6 частоты вращения дизель-генератора двух электростанций, модули 6 через схему 26 обмениваются информацией о режимах работы, мощности дизель-генератора, коэффициенте статизма (см. фиг.3). Наличие такой связи обеспечивает постоянство частоты вращения (1500 об/мин) вне зависимости от общей нагрузки и нагрузки каждого дизель-генератора.
При параллельной работе двух дизель-генераторов распределение мощности производится по статической характеристике в зависимости от коэффициента статизма и уставки по частоте в модуле 6 каждого дизель-генератора. При этом частота зависит от степени загруженности каждого дизель-генератора. При одинаковом коэффициенте статизма и уставках по частоте относительные мощности распределяются поровну. При изменении уставки по частоте любого из дизель-генератора сигналами «Больше/меньше» от пульта 1 управления происходит перераспределение активной мощности. Исходное значение величины коэффициента статизма равно 3%. Значение коэффициента статизма можно изменить с помощью клавиатуры пульта 1 управления в диапазоне (0-5)%.
Для изменения коэффициента статизма используются режимы:
«Увеличение К статизма», «Уменьшение К статизма». Требуемый режим задает оператор с помощью кнопок пульта 1 управления. После формирования на табло пульта 1 управления сигналов «Готовность» или «Работа» оператор может вызвать нужный режим последовательным нажатием кнопки «Диагностика» до появления нужной "подсказки" на индикаторном табло пульта 1 управления. После нажатия исполнительской кнопки «Ввод» на табло высвечивается информация о фактическом значении коэффициента статизма. При каждом последующем нажатии кнопки «Ввод» коэффициент статизма увеличивается (уменьшается) на 0,5%. После получения нужного значения оператор прекращает режим нажатием кнопки. Введенное значение
коэффициента статизма хранится в оперативной памяти микропроцессора 30 модуля 6, а в конце работы автоматически запишется в Flash-память 31.
Режим планового останова дизель-генератора задает оператор с пульта 1 управления. Для задания режима с пульта 1 управления нужно последовательно нажать кнопки «Стоп», «Ввод». Далее модуль 3 микроконтроллера контролирует отключение генераторного автомата 19 (отключение напряжения дизель-генератора от нагрузки).
При плановом останове выполняется этап естественного охлаждения дизеля в течение 5 минут. После завершения естественного охлаждения модуль 3 микроконтроллера выдает команду планового останова дизель-генератора на электроклапан механического регулятора частоты вращения, находящегося на дизеле.
Использование в данной системе универсального магистрального параллельного интерфейса Q-bus не только упростило взаимодействие между модулями и улучшило эксплуатационные характеристики, но также позволяет дальнейшую модернизацию системы (расширение объема задач) без доработки используемых модулей путем подсоединения к соединителю магистральному необходимых дополнительных модулей.