7.1 Назначение систем управления, контроля и сигнализации.
Для обеспечения заданных режимов работы электрические станции и подстанции оснащают различными вспомогательными системами и устройствами. К ним относятся системы измерения(И), контроля(К), сигнализации(С) и управления(У).
Рис. 7.1 Структурная схема взаимодействия вспомогательных систем, человека-оператора и управляемого объекта
Управление оборудованием представляет собой процесс, связанный с подачей командного сигнала на изменения состояния аппарата силовой (первичной) схемы или на изменение режима работы оборудования.
Сигнализация позволяет дежурному, который находится на щите управления и не видит обслуживаемые объекты, легко ориентироваться в изменениях их режима работы и быстро принимать нужные меры.
Система контроля обеспечивает обработку, оценку значений контролируемых параметров или их отклонений от заданных уставок.
Основные понятия систем управления, контроля и сигнализации
Вторичные устройства – устройства, обеспечивающие прием, формирование и передачу управляющих воздействий, а также осуществляющие измерение, контроль и сигнализацию.
Вторичные схемы – схемы отражающие взаимосвязи вторичных устройств.
Вторичные цепи – цепи управления, сигнализации, контроля автоматики и релейной защиты электроустановок
Щит управления - комплексное устройство, содержащее все необходимые средства для ведения режима объекта и управления его первичной схемой.
Функции систем управления, контроля и сигнализации
Система управления технологическими процессами во время эксплуатации должны обеспечивать:
1. Контроль за состоянием энергетического оборудования;
2. Автоматическое регулирование технологических параметров;
3. Автоматическую защиту технологического оборудования;
4. Автоматическое управление оборудованием по заданным алгоритмам;
5. Технологическую и аварийную сигнализацию;
6. Дистанционное управление регулирующей и запорной арматурой.
Функции системы сигнализации
Система и устройства сигнализации тем или иным способом оповещают дежурный персонал:
1. Об отклонении режима работы электроустановки ли ее элементов от заданного режима;
2. О перегрузках оборудования;
3. О нарушении изоляции цепей переменного и постоянного тока;
4. О неисправности предохранителей в цепях оперативного тока;
5. О положение коммутационных аппаратов;
6. О готовности оборудования к изменению режима работы и переключения в технологической или электрической схеме;
7. О неправильных действиях персонала по управлению электроустановкой
Функции системы контроля
Системы и устройства контроля позволяют контролировать:
1. Режимы работы элементов электроустановок, наличие перегрузок, допустимость перехода от одного режима к другому;
2. Положение коммутационных аппаратов
3. Параметры режима элементов электрической системы
4. Состояние изоляции силовых цепей переменного тока;
5. Состояние изоляции цепей оперативного тока;
6. Стабильность ведения заданного режима работы электроустановки и ее элементов;
7. Значения выработанной или потребленной электроэнергии
8. Правильность выполнения операций дежурным персоналом электроустановок
Отличия систем управления от диспетчерского управления
Следует отличать рассмотренные выше технические системы управления электростанции от системы ее диспетчерского управления, которая имеет своим назначением ведение заданного режима работы электростанции по возможности с оптимальной характеристикой; контроль за состоянием оборудования; оперативные (режимные) переключения в схемах; принятие мер по ликвидации отказов оборудования и аварий; вывод оборудования в плановый или аварийны ремонт.
7.2 Принципы построения системы управления, контроля и сигнализации.
Всякое управление предполагает наличие объекта управления и управляющего органа. Объекты управления чрезвычайно разнообразны: предприятия, сложная технологическая установка, отрасль народного хозяйства и т.д.
Формы организационной структуры оперативного управления
Сложились три формы организационной структуры оперативного управления: цеховая, блочная и централизованная.
Система оперативного управления и организация оперативных пунктов управления энергообъекта определяются в значительной мере тем, что представляет собой данный объект. Возьмем, например, широко распространенный в настоящее время вид тепловой электростанции — блочную тепловую электростанцию, где котлы, турбогенераторы, трансформаторы (а иногда и линии) работают единым блоком в одном заданном режиме независимо от других таких же блоков этой электростанции. В тепловой части блок может состоять из одного котла и одной турбины (моноблок) или из двух котлов и одной турбины (дубль-блок).
При цеховой структуре обслуживаемый объект делится на оперативные участки, сформированные по составу однотипного оборудования. Каждый цех обслуживает оперативная бригада, возглавляемая начальником смены цеха, при оперативном подчинении начальника смены станции. Так, например, на ТЭС с поперечными связями по пару и воде организуют пять цехов оперативного обслуживания: топливно-транспортный, котлотурбинный, химический, тепловой автоматики и измерений, электрический.
Трансформаторные подстанции 35, 110 и 150 кВ, а в некоторых случаях и 220 кВ по своему оборудованию достаточно просты, поэтому на них, как правило, постоянный дежурный оперативный персонал отсутствует. Для таких подстанций организуется централизованная форма управления с диспетчерских пунктов предприятий с использованием средств телемеханики. Операции, требующие присутствия персонала на месте (ремонтные работы, ликвидация, аварий, осмотр оборудования и т.д.), выполняются оперативно-выездными бригадами.
Структура систем управления
Система управления должна обеспечивать оптимальное воздействие на управляемый объект. Управление может быть ручным (от человека – оператора) или автоматически (от системы автоматики), непрерывным или дискретным.
Современные электростанции являются сложными промышленными объектами с большим числом разнообразных элементов, каждый из которых требует контроля и управления. Так, например, на блоке 300 МВт осуществляется контроль примерно 600-800 параметров режима; их поддержание в заданных пределах обеспечивают 100-120 регулирующих органов, 100 автоматических регуляторов и 60 комплектов технологических защит. Ясно, что для таких условий, когда оператор не может обеспечить качественное управление объектом, неизбежно должны быть разработаны и внедрены различные автоматизированные системы управления (АСУ), в том числе АСУ технологическими процессами (АСУ ТП).
Автоматизированные системы управления, т.е. системы, в которых органически увязаны возможности и особенности человека-оператора и средств автоматики, включая ЭВМ и цифро-аналоговые вычислительные комплексы, широко внедряются в энергетике.
Рис 7.2 Структурная схема автоматизированной системы управления технологическим процессом энергоблока
Структура систем контроля
Контроль может быть непрерывный или периодический, по заданной программе или по вызову.
Приведем пример непрерывного контроля. Нарушение цепей дистанционного управления чревато отказом выключателя в действии при подаче очередной команды оператором или от автоматического устройства. Поэтому предусматривают постоянный световой или звуковой контроль исправного состояния цепей управления. При этом контролируется цепь последующей операции. Световой контроль цепей управления требует постоянного наблюдения персонала. Поэтому его вытеснил более удобный универсальный звуковой контроль.
Рис 7.3 Контроль изоляции в цепях постоянного тока (схема с двумя вольтметрами)
Структура систем сигнализации
1. Сигнализация положения – сигналы на щите о положении коммутационных и регулирующих аппаратов (выключателей, разъединителей, контакторов);
2. Аварийная сигнализация – сигналы об аварийном отключении коммутационных аппаратов;
3. Предупреждающая сигнализация – сигналы о наступлении ненормального режима в работе агрегатов или ненормального состояния отдельных частей установки или установки в целом;
4. Сигнализация действия защиты – сигнализация о действии защиты, выпадении флажка указательного реле и необходимости его ручного возврата;
5. Сигнализация действия автоматики;
6. Командная сигнализация – сигналы для передачи из цеха в цех ограниченного количества наиболее важных и частых распоряжений.
Рис 7.4 Сигнализация положения разъединителя: а – возможные положения указателя прибора ПС; б – схема сигнализации
7.3 Щиты управления
Щиты управления предназначены для установки контрольно-измерительных приборов, устройств управления и сигнализации на электрических станциях и подстанциях и сооружаются, как правило, в отдельных помещения.
На подстанции в зависимости от их мощности, размера, сложности и значимости применяются следующие структуры управления: с постоянным дежурным персоналом; без постоянного персонала; с дежурством персонала на дому.
На электростанциях малой и средней мощности, как правило, выполняется одни главный щит управления (ГЩУ) и несколько местных агрегатных щитов (местные щиты котла, турбины, генератора и т.п.). Управление основными агрегатами электростанции и электростанции с главного щита управления; отсюда же осуществляется оперативная связь с диспетчером энергосистемы.
На электростанциях большой мощности, выполненных по блочным схемам, помимо главного (или центрального) шита управления сооружаются также блочные щиты управления (БЩУ), обычно по одному на два смежных блока. При этом дежурный инженер блочного щита управления всеми элементами блока (котел, турбина, генератор, системы собственных нужд), осуществляя, в частности, операции по включению генераторов в сеть, набору и регулированию из нагрузки, отключению генераторов от сети т.п. Дежурный же инженер электростанции руководит работой электростанции в целом, управляется коммутационной аппаратурой распределительных устройств повышенных напряжений, осуществляет связь с диспетчером энергосистемы и при острой необходимости в аварийных ситуациях берет на себя управление блоком.
Рис 7.5 Главный щит управления ТЭЦ
На электростанциях типа ТЭЦ сооружается главный щит управления (ГЩУ), на который выносят приборы управления и контроля всеми генераторами, повышающими трансформаторами, линиями, трансформаторами собственных нужд, а также средствами связи с цехами и диспетчерским управлением. Кроме того, в котельном, турбинном и других цехах электростанции сооружаются местные щиты, которых осуществляется управление механизмами собственных нужд.
На блочных электростанциях (ГРЭС) имеются блочные щиты управления (БЩУ) и центральный щит управления (ЦЩУ). С блочных щитов производиться управление генераторами, трансформаторами собственных нужд, электродвигателями собственных нужд блоков, а также осуществляется контроль и управление котельными агрегатами.
ЦЩУ предназначен для управления линиями высокого напряжения, автотрансформаторами связи другими элементами общестанционного назначения.
На АЭС предусматриваются блочные (БЩУ), резервные (РЩУ) и главный (ГЩУ) щиты управления.
Рис 7.6 Блочный щит управления Смоленской АЭС
Щиты управления выполняются в виде сборных конструкций той или иной формы (прямолинейная, Г-образная, П-образная, полукруглая), собираемых из стандартных вертикальных панелей, а также из пуль-панелей. В помещениях щитов управления электростанции обычно устанавливают также панели релейной защиты и автоматики, которые не требуют постоянного наблюдения со стороны дежурного персонала и поэтому располагаются за панелям щита управления.
Рис 7.7 Варианты расположения панелей на главном щите управления:
1 – пульт-панель управления; 2 – панели управления; 3 – панели релейной защиты, автоматики и регистрирующих приборов; 4- стол дежурного;
В общем компоновка панелей щитов и пульта, расположение их в помещении и выбор места и размеров помещения ГЩУ, а также специальное оборудование должны обеспечить удобную обстановку для спокойной работы персонала: нормальную температуру и влажность, естественный свет, хорошую искусственную освещенность, кондиционированный воздух, отсутствие радиации, шума, вибраций, пыли, газов при безопасности обслуживания персоналом всех электрических устройств помещения; строительно-архитектурную увязку помещений ГЩУ и подщитового помещения с окружающей строительной ситуацией.
Щит управления располагается в пристройке к машинному залу или в специальном корпусе управления. На небольших станциях щиты располагаются непосредственно в машинном зале.
Щит управления должен иметь парадный главный вход, удобное сообщение с другими помещениями станции, хорошее естественное освещение, причем недопустимы световые блики на стеклах шкал приборов.
Размеры помещения главного щита зависят от размеров и числа принятых к установке панелей щитов и пультов и от компоновки их в помещении. Число панелей выбирается в зависимости от числа генераторов, трансформаторов (блоков), числа отходящих ВЛ, схемы собственных нужд и т. п.
Щиты комплектуются из вертикальных панелей, пульт собирается из односкатных наклонных столов — панелей пульта. Наиболее рекомендуема и удобна в эксплуатации совмещенная конструкция щит—пульт (пульт—панель).
На щитах и пультах систем автоматизации размещаются средства контроля и управления технологическим процессом, а также устройства сигнализации, защиты, блокировки, питания и линии связи между ними (трубная и электрическая коммутация и т.п.). На лицевой панели щита располагают мнемосхемы, табло систем контроля. Мониторы (дисплеи) находятся на специальных пультах рядом с креслом оператора.
В связи с большим числом средства контроля и управления, которые требуются для реализации систем контроля и регулирования, в щитовом помещении, за щитами на специальных стойках с объемным каркасом – штативах располагают регуляторы и приборы, которые не требуются оператору при управлении процессом. Например, на штативе помещают регулятор температуры перегретого пара, а на пульте – задатчик этого регулятора и ключ дистанционного управления впрыском. Подходить к самому регулятору оператору не требуется, так как все необходимые органы управления регулятором вынесены на панель пульта.
Пульты иногда располагают у щитов, но чаще всего вблизи них. На пультах размещают аппаратуру управления (ключи, кнопки, переключатели, указатели положения и др.), сигнализации (лампочки, индикаторы и др.) и переключатели измерительных цепей.
Для компоновки щитов и пультов в единый ансамбль предусматриваются вспомогательные элементы: декоративные, угловые и вспомогательные панели.
7.4 Контрольно-измерительные приборы
Измерение электрических величин на электростанциях и подстанциях производится с помощью показывающих и регистрирующих измерительных приборов, счетчиков, осциллографов и специальных измерительных устройств. В последнее время стали широко использоваться узкопрофильные цифровые приборы.
Объем измерений определяется требованиями технологического режима работы электроустановки и зависит от типа, мощности и назначения электрической станции или подстанции. У генераторов измеряются токи одной или трех фаз статора, напряжение статора, частота, активная и реактивная мощности, выработанная активная и реактивная энергии, токи и напряжения системы возбуждения. У трансформаторов измеряются токи одной фазы каждой обмотки, а также передаваемые активные и реактивные мощности. На сборных шинах измеряются одной из междуфазных напряжений и частота. На линиях измеряются токи одной или трех фаз, передаваемая активная, а в ряде случаев и реактивная энергия, активная и реактивная мощности (на линиях повышенного напряжения). В цепях секционных и шиносоеденительных выключателей контролируется ток одной фазы. У электродвигателей измеряется ток одной фазы статора.
Измерительные системы предназначены для получения и выдачи измерительной информации о состоянии контролируемого объекта. Это состояние характеризуется набором измеряемых величин.
Рис. 7.8 Условные графические обозначения основных типов измерительных приборов.
Упрощенная структурная схема измерительной системы (Рис. 7.6) состоит из трех блоков: ИК – измерительный канал; УОИ – устройства обработки информации; УВИ – устройство выдачи информации.
Рис. 7.9 Упрощенная структурная схема измерительной системы
Измерительный канал предназначен для восприятия и измерения множества контролируемых величин X от датчиков и измерительных схем. Он состоит из совокупности датчиков, аналоговых преобразователей и аналого-цифровых преобразователей.
В задачи устройства обработки информации (УОИ) входит получение цифрового кода результатов измерений, объединение кодовых сигналов, полученных на выходе измерительного канала, цифровая обработка косвенных измерений и другие операции.
Вывод информации из измерительной системы производится с помощью УВИ в виде графика или алфавитно-цифрового текста (для оператора), либо в виде последовательности байтов для исполнительного механизма.
7.5 Система дистанционного управления
На электрических станциях и подстанциях выключатели нормально управляются дистанционно. На ряде электроустановок внедрена также система дистанционного управления разъединителями, оборудованными электродвигательным или пневматическим приводом.
При выполнении системы дистанционного управления выключателями и разъединителями необходимо, чтобы эта система позволяла лицу, управляющему аппаратом, иметь информацию:
1. О положении аппарата (включен, отключен);
2. О готовности цепей управления к передаче команды на изменение положения аппарата;
3. О правильности выполнения промежуточных операций;
4. Об исполнении команды о новом положении аппарата.
Система управления выключателем во избежание опасных последствий для людей и аппарата должна также исключать возможность «прыгания» выключателя, т.е. его многократных включений – отключений при случайном включении на коротко замыкание в сети. По той же причине привод выключателя должен иметь механизм свободного расцепления.
Команда на включение – отключение выключателя подается ключом управления. Применяются в основном ключи типов КВФ (ключ с возвратом и с фиксацией) и МКВФ (малогабаритный ключ с возвратом и фиксацией).
Реализация команд в системе диспетчерского и технологического управления.
Диспетчерское технологическое управление должно быть организовано по иерархической структуре, предусматривающей распределение функций технологического управления между уровнями, а также строгую подчиненность нижестоящих уровней управления вышестоящим.
Все органы диспетчерского технологического управления, независимо от форм собственности соответствующего субъекта рынка, входящего в состав энергосистемы (ОЭС, ЕЭС), должны подчиняться командам (указаниям) вышестоящего технологического диспетчера.
Предусматриваются две категории оперативной подчиненности: оперативное управление и оперативное ведение.
В оперативном управлении соответствующего диспетчера должны находиться силовое оборудование и средства управления, операции с которыми требуют координации действий подчиненного диспетчерского персонала и согласованного выполнения операций на нескольких объектах разного оперативного подчинения.
В оперативном ведении диспетчера должны находиться силовое оборудование и средства управления, состояние и режим которых влияют на режим работы соответствующей энергосистемы (ОЭС, ЕЭС). Операции с таким оборудованием и средствами управления должны проводиться с разрешения соответствующего диспетчера. Действующими правилами и инструкциями предусматривается, что все элементы ЭЭС (оборудование, аппаратура, устройства автоматики и средства управления) находятся в оперативном управлении и ведении диспетчеров и старшего дежурного персонала разных ступеней управления.
Контрольные вопросы
1. Что представляет собой управление оборудованием? Основные функции системы управления.
2. Для чего нужна сигнализация? Основные функции систем сигнализации.
3. Назначение системы контроля и её основные функции?
4. Отличия систем управления от диспетчерского управления?
5. Формы организационной структуры оперативного управления? Рассказать про одну из них.
6. Функции щитов управления?
7. Виды щитов управления?
8. На каких видах электростанциях применяются блочные щиты управления?
9. Какие контрольно-измерительные приборы вы знаете?
10. Какой информацией должно владеть лицо, управляющий аппаратом, для осуществления дистанционного контроля?
Тестовые задания
1. К вспомогательным системам относят:
a) Контроль
b) Сигнализация
c) Управление
d) Измерение
2. Что входит во вторичные цепи энергообъекта:
a) Выключатели
b) Релейная защита
c) Счетчики электроэнергии
d) Генераторы
3. Как называется форма оперативного управления, где энергообъект делится на участки с однотипным оборудованием:
a) Цеховая
b) Блочная
c) Централизованная
4. Какие виды щитов управления присутствуют на ТЭЦ:
a) Блочные
b) Главный
c) Резервный
5. Какие виды щитов управления присутствуют на АЭС:
a) Блочные
b) Главный
c) Резервный
6. Расположите в правильном порядке компоненты структурной схемы измерения:
a) Устройство выдачи информации
b) Измерительный канал
c) Устройство обработки информации
7. Для осуществления дистанционного контроля выключателями и разъединителями оператору необходима информация о:
a) О положение аппарата
b) О готовности цепей управления к передаче команды на изменение положения аппарата;
c) О состоянии релейной защиты
d) О правильности выполнения промежуточных команд
8. Расположите в правильно порядке компоненты структурной схемы вспомогательного оборудования:
a) Система контроля
b) Система измерения
c) Система сигнализации
d) Система измерений
e) Человек
f) Объект
Список литературы
1. Б.Н. Неклепаев Электрическая часть электростанций и подстанций: Учебник для вузов – 2-е изд., перераб. И доп. – М.:Энергоатомиздат, 1986, - 640 с.; ил.
2. Коломиец Н.В. Электрическая часть жлектростанций и подстанций: учебное пособие / Н.В. Коломиец, Н.Р. Пономарчук, В.В Шестакова – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2007. – 143 с.
3. Рожкова Л.Д. Электрооборудование станций и подстанций: Учебник для техникумов. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 648 с.: ил.
4. Васильева А.А. Электрическая часть станций и подстанций: для студентов вузов/ А.А. Васильева, И.П. Кручков., Е.Ф. Наяшкова., М.Н. Околович – Москва.: Энергоатомиздат, 1990. -576 с.
5. Энергетика. Оборудование. Документация [Электронный ресурс] / Главный щит управления – Электрическая часть электростанций. – URL: https://forca.ru/
6. Студфайлс [Электронный ресурс] Принципы построения и работы АСКУЭ. – URL: https://www.studfiles.ru/
7. Студопедия [Электронный ресурс] Измерительные схемы, системы и комплексы. – URL: https://studopedia.org/
8. СтудопедиЯ [Электронный ресурс] Принципы управления электрическими установками. – URL: https://studopedia.ru/