ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА
МИКРОПРОЦЕССОРНЫЕ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИМ ОБОРУДОВАНИЕМ ДЛЯ ЭНЕРГЕТИКИ
В. Д. КОВАЛЕВ, В. С МЕЛЬНИКОВ, А. В. ФАДЕЕВ, кандидаты техн. наук
ВЭИ имени В. И. Ленина
Развитие единой электроэнергетической системы страны (ЕЭЭС) идет по пути строительства электростанций с мощностями энергоблоков до 1000 — 1500 МВт, интенсивного расширения масштабов сетевого строительства, создания высоковольтных межсистемных линий электропередач переменного тока напряжением 1150 кВ и постоянного тока напряжением 1500 кВ.
Возрастают требования к диагностике электротехнического и энергетического оборудования, управляемости в нормальных режимах работы и обеспечению устойчивости ЕЭЭС СССР при аварийных отключениях больших генерирующих мощностей и высоковольтных линий электропередач.
Обеспечение указанных требований осуществляется с помощью систем автоматического управления и противоаварийной автоматики. В ВЭИ имени В. И. Ленина разработан комплекс устройств автоматического и противоаварийного управления с применением микросредств управляющей вычислительной техники серии В7 (МСУВТ В7) [1, 2]: автоматический регулятор возбуждения генераторов, система управления мощностью турбогенераторов, устройство противоаварийной автоматики энергосистем, система автоматического управления для гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций, системы управления статическими компенсаторами реактивной мощности, комплекс аппаратуры управления и защиты передачи постоянного тока 1500 кВ Экибастуз — Центр.
Разработанные микропроцессорные устройства обеспечивают реализацию алгоритмов управления в основном программным путем с записью информации в перепрограммируемые запоминающие устройства, гальваническую развязку входных и выходных сигналов до уровня 1,5 кВ, резервированную систему питания от сети переменного и постоянного тока, требуемые показатели надежности за счет резервирования аппаратных средств (дублирование или мажорирование) и соответствующей программной поддержки.
Применение микропроцессорных систем управления обеспечивает повышение устойчивости и надежности работы энергосистем путем использования новых более совершенных алгоритмов управления с применением принципов адаптации. Уменьшаются затраты при расширении системы управления, модернизации, эксплуатации, приспособлении к изменившимся условиям работы.
Указанные микропроцессорные устройства кроме комплекса автоматического управления для гидроэлектростанций и гидроаккумулирующих электростанций предназначены в том числе для работы в системах противоаварийного управления.
Разработанные устройства управления с применением МСУВТ В7 серийно выпускаются заводом "Электропульт". Автоматическое регуляторы возбуждения (АРВ-СДМ) работают на Заинской ГРЭС, устройства управления мощностью турбоагрегатов (ЭЧСР-М) — на Сургутской ГРЭС, Литовской ГРЭС, Рязанской ГРЭС, Пермской ГРЭС, Тбилисской ГРЭС, Ровенской АЭС, Хмельницкой АЭС, Южно-Украинской АЭС.
Устройство противоаварийной автоматики энергосистем с применением МСУ ВТ В 7
Устройства противоаварийной автоматики (ПАА) включены в опытно-промышленную эксплуатацию на Балаковской АЭС, Волжской ГЭС имени В. И. Ленина и Заинской ГРЭС. С помощью центральной мини-ЭВМ, установленной в ОДУ Средней Волги, и ПАА создается иерархическая система противоаварийного управления ОЭС Средней Волги Устройства ПАА поставлены также на Ленинградскую АЭС, Ровенскую АЭС, подстанцию Тихорецкая ОДУ Северного Кавказа, Экибастузскую ГРЭС, Запорожскую АЭС.
Аппаратура управления размещается в шкафах с размерами 800*800*2200 мм (рисунок). В состав каждого шкафа входят МСУВТ В7, входные и выходные устройства связи с объектом (УСО), субблоки контроля (СКО) и система питания. В состав микросистемы МСУВТ В7 входит одноплатная микроЭВМ ПМВ01, платы аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей АВВ01, платы расширения памяти МВ01 и пульт управления КЛОЗ. УСО представляют собой устройства нормализации сигналов и гальванической развязки на 1500 В. Гальванические развязки для дискретных сигналов выполнены с использованием герконовых реле, а для аналоговых сигналов — трансформаторных схем. В СКО осуществляется сравнение информации, выдаваемой комплектами в контрольных точках, и формирование синхроимпульсов для синхронизации их работы.
Конструкцией шкафа предусмотрена установка в ее верхней части МСУВТ В7. Остальная аппаратура размещается в кассетах БУК-б. Все электрические соединения в шкафу выполнены витыми парами проводов и ленточными жгутами, повышающими помехозащищенность аппаратуры управления. Система бесперебойного питания аппаратуры управления подключается к двум источникам — переменного тока (380/220 В, 50 Гц) постоянного тока 220 В.
Опыт эксплуатации микропроцессорных устройств управления с применением МСУВТ В7 на конкретных электростанциях показал, что их надежность не хуже предшествующих устройств, выполненных на дискретных компонентах, что соответствует заданным требованиям.
Запись программ в перепрограммируемые запоминающие устройства (микросхемы К573РФ2) позволяет легко изменять алгоритмы и настроечные коэффициенты под условия конкретных объектов, не изменяя физического монтажа шкафов и кассет. Упрощаются условия наладки устройств управления на объектах. Имеется возможность организации межмашинного обмена информацией, в том числе на большие расстояния с использованием последовательного интерфейса и применением серийно выпускаемых модемов (например, иерархическая система противоаварийного управления ОЭС Средней Волги).
При разработке указанных микропроцессорных устройств первого поколения предъявлялись требования совместной работы с различными устройствами (не обязательно микропроцессорными) и выдачи управляющих воздействий непосредственно на исполнительные органы. Ввиду этого объем УСО разработанных устройств оказался достаточно большим. Кроме того, применение методов оптимизации и адаптации, например, является затруднительным вследствие ограниченности функциональных характеристик МСУВТ В7 и, в первую очередь, из-за недостаточного быстродействия.
Наибольший выигрыш в применении микропроцессорных средств может быть достигнут путем создания иерархических микропроцессорных систем с распределенной вычислительной мощностью, где обработка информации вынесена непосредственно к источникам (приемникам), а выполнение отдельных функций управления осуществляется на "своих" процессорах. Распараллеливание вычислительного процесса позволяет существенно повысить быстродействие формирования управляющих воздействий. Кроме того, представляется целесообразным переход на современное конструктивное исполнение на основе стандартов "Евромеханики".
В силу отмеченных причин в ВЭИ имени В. И. Ленина проводится разработка микропроцессорных устройств второго поколения на основе использования современных перспективных технических решений и элементной базы. В настоящее время закончена разработка двух устройств — системы управления возбуждением асинхронизированного турбогенератора СУВМ АС и модернизированного устройства ЭЧСР — ЭЧСР-М2.
Устройства СУВМ АС и ЭЧСР-М2 выполнены на базе набора модулей высокопроизводительного контроллера, основанного на применении микропроцессорного набора К1810. Устройство СУВМ АС состоит из функционального узла вычислителя, устройств связи с объектом, системы бесперебойного питания и пульта управления Узел вычислителя представляет собой набор функциональных модулей, связь между которыми осуществляется по внутрисистемной магистрали.
Модули центрального процессора содержат микросхему процессора КР1810 ВМ86, микросхемы постоянной (64 К) и оперативной (32 К) памяти, микросхемы таймеров последовательного и параллельного интерфейсов, контроллеров прерываний, а также элементы аппаратного контроля.
Модуль системного контроля обеспечивает программно-аппаратный контроль внутрисистемной магистрали. В узел вычислителя водят также модули аналогового ввода-вывода (обеспечивает ввод 30 и вывод двух аналоговых сигналов), модули памяти данных и интерфейса, модули последовательного и параллельного интерфейсов, модуль ввода и вывода дискретной информации, модули расширения внутрисистемной магистрали.
В качестве аппаратной поддержки программных датчиков измерения параметров режима генератора и сети - частоты, фазового угла между векторами напряжения, фазового угла между осью, связанной с ротором, и вектором опорного напряжения используется модуль измерения временных интервалов.
Узел устройств связи с объектом УСО служит для гальванического разделения цепей вычислителя и объекта. В состав узла УСО входят модули для преобразования сигналов первичных датчиков режимных параметров, формирования импульсов управления реверсивным тиристорным преобразователем системы возбуждения, а также для выполнения некоторых вспомогательных функций.
Узел бесперебойного питания обеспечивает питание устройства от двух независимых источников первичного напряжения: переменного 380 В от собственных нужд электростанции и постоянного 220 В от аккумуляторной батареи. Основным режимом является питание от переменного напряжения. Переключение на резервный источник происходит при изменении величины переменного напряжения более чем на + 10 % — 20 % номинального значения.
Пульт управления и индикации служит для отображения состояния устройства, контроля режимных параметров, изменения и отображения параметров настройки, вывода сигналов диагностики и ряда других задач.
Аппаратура СУВМ АС размещается в конструктивных единицах (модулях, кассетах), соответствующих серии БУК-бМ, объединенных в однотипных шкафах с габаритами 2000x600x600 мм.
В целях повышения надежности и ремонтопригодности в СУВМ АС применяется резервирование типа дублирования, причем оба комплекта аппаратуры — основной и резервный располагаются в отдельных шкафах. В нормальных режимах управление возбуждением осуществляется основным шкафом. Резервный шкаф перерабатывает полный объем информации и формирует управляющие воздействия, однако, выходные элементы его заблокированы. При возникновении неисправности основного шкафа его выходные сигналы блокируются и управление передается резервному шкафу. Процесс переключения не приводит к изменению режима генератора.
Программное обеспечение СУВМ АС служит для выполнения следующих групп функций:
- инициализация плат вычислителя и стартовый контроль
- организация вычислительного процесса
- ввод/вывод информации
- формирование управляющих воздействий
- реализация сервисных функций.
Для повышения надежности функционирования устройства применяются следующие методы контроля:
- контроль по четности данных
- контроль временных интервалов выполнения программы
- контроль обращения к резервным областям памяти и портов ввода/вывода
- анализ избыточной входной информации
- контроль выходных сигналов методом анализа "эхо-сигнала"
- трассировка выполнения прерывающих программ.
Устройство ЭЧСР-М2 выполнено на основе идентичных с СУВМ АС принципов построения программного обеспечения и на идентичных технических и вычислительных средствах. Отличие заключается в значительно большем объеме информационного обмена с устройствами автоматики энергоблока. В соответствии с перспективной концепцией автоматизации тепловых и парогазовых энергоблоков на ЭЧСР-М2 возлагаются задачи быстродействующего управления турбоагрегатом в нестационарных и аварийных режимах.
Устройство ЭЧСР-М2 выполняет функции всережимного регулятора турбины в существенно большем объеме по сравнению с предыдущими модификациями устройства. В нормальных режимах ЭЧСР-М2 представляет собой турбинный регулятор, входящий неотъемлемой частью в систему АРЧМ энергоблока. В аварийных режимах ЭЧСР-М2 реализует команды устройств противоаварийной автоматики высших уровней иерархии.
В режимах автоматизированного пуска и останова ЭЧСР-М2 управляет регулирующими клапанами турбины с контролем технологических режимных параметров энергоблока.
В ЭЧСР-М2 проведена модернизация технологических алгоритмов в соответствии с результатами натурных испытаний и эксплуатации на электростанциях, реализована новая структура управления в нормальных и аварийных режимах при работе энергоблока при скользящих параметрах пара, расширен объем функций ЭЧСР-М2 в пусковых режимах. Разработаны структура связи и протоколы информационного обмена ЭЧСР-М2 с другими устройствами автоматики энергоблока, выполненными на микропроцессорных средствах серии 200 разработки НИИтеплоприбор.
Применение вычислителя на базе набора К1810 позволило уменьшить время формирования управляющего воздействия в быстром канале до 10 мс, что практически полностью удовлетворяет требованиям, предъявляемым к подобным устройствам, исходя из обеспечения безопасности работы оборудования и сохранения устойчивости в энергосистеме. С другой стороны, создаются предпосылки реализации с высокой точностью динамических звеньев системы, что повышает качество характеристик контура послеаварийного ограничения мощности и улучшает статическую и динамическую точность контура диагностики.
Выводы
- Опыт эксплуатации микропроцессорных устройств управления с применением МС УВТ В7 на конкретных электростанциях показал, что их надежность не хуже предшествующих устройств, выполненных на дискретных компонентах, что соответствует заданным требованиям. Запись программ в перепрограммируемые запоминающие устройства позволяет легко изменять алгоритмы и настроечные коэффициенты под условия объектов, не изменяя физического монтажа шкафов и кассет. Упрощаются условия наладки устройств управления в конкретных условиях. Имеется возможность организации межмашинного обмена информацией, и в том числе на большие расстояния, с использованием последовательного интерфейса и применением серийно выпускаемых модемов.
- Наибольший выигрыш в применении микропроцессорных средств может быть достигнут путем создания иерархических микропроцессорных систем с распределенной вычислительной мощностью, где обработка информации вынесена непосредственно к источникам (приемникам), а выполнение отдельных функций управления осуществляется на "своих" процессорах. Распараллеливание вычислительного процесса позволяет существенно повысить быстродействие формирования управляющих воздействий.
- В ВЭИ имени В. И. Ленина проводится разработка микропроцессорных устройств управления второго поколения на основе использования современных перспективных технических решений и элементной базы.
Список литературы
- Шереметьевский Η. Н., Долкарт В. М. Магистрально-модульные микросредства управляющей вычислительной техники // Микропроцессорные средства и системы. 1984. № 2.
- Микропроцессорные системы автоматического управления электроэнергетическими объектами // В. Д. Ковалев, Б. А. Корнилов, В. С Мельников, А. В. Фадеев // Электротехника. 1986. № 1.
