Автоматизация АОСЧ

АОСЧ
Устройства АОСЧ предназначены для предотвращения недопустимого по условиям устойчивой работы генерирующего оборудования и энергопринимающих установок потребителей электрической энергии снижения частоты и полного погашения энергосистемы или ее части при возникновении дефицита активной мощности, в том числе при аварийном выделении энергосистемы или ее части на изолированную работу.
АОСЧ должна обеспечивать работу энергосистемы:
с частотой ниже 49,0 Гц – не более 40 с;
с частотой ниже 47,0 Гц – не более 10 с;
с частотой ниже 46,0 Гц – не допускается.
АОСЧ обеспечивает выполнение указанных требований за счет использования резервов генерирующей мощности и отключения нагрузки потребителей. При этом мощность отключаемой нагрузки не должна превышать возникший аварийный дефицит мощности.
В целом, необходимо проектировать системы АОСЧ таким образом, чтобы минимизировать количество отключаемой нагрузки.

Устройства АОСЧ
АОСЧ подразделяются на устройства:
АЧВР - автоматический частотный ввод резерва;
АЧР - автоматическая частотная разгрузка;
ДАР - дополнительная автоматическая разгрузка;
ЧДА - частотная делительная автоматика;
ЧАПВ - частотное автоматическое повторное включение.

Схема работы АОСЧ

Реализация функций АОСЧ
Для выполнения своих функций устройства, входящие в АОСЧ, контролируют:
величину, продолжительность и/или скорость снижения частоты;
факторы, характеризующие возникновение местного дефицита активной мощности без контроля изменения частоты (для ДАР): отключение генерирующего оборудования, питающей линии электропередачи или трансформаторного оборудования (с контролем величины и направления мощности в предшествующем режиме) и т.д.
Очередность работы компонент АОСЧ достигается выбором уставок по частоте и по времени срабатывания устройств.
Прежде всего на снижение частоты реагируют регуляторы скорости турбин (первичное регулирование) и АРЧМ, но при аварийных дефицитах их работы как правило не достаточно. Дальше, с цель минимизации объемов отключения потребителей вступает в работу АЧВР.

Автоматический частотный ввод резерва (АЧВР)
Устройства АЧВР предназначены для снижения дефицита активной мощности в целях предотвращения срабатывания устройств АЧР на отключение потребителей электрической энергии.
Устройства АЧВР должны действовать на АЗГ при снижении частоты в энергосистеме до значений 49,4–49,7 Гц.
Все гидроагрегаты единичной мощностью 10 МВт и выше и ГЭС и ГАЭС мощностью 50 МВт и выше, кроме ГЭС, не имеющих регулирующего водохранилища, должны быть оснащены устройствами АЧВР.

Дополнительная автоматическая разгрузка (ДАР)
В ряде аварий возможно возникновение больших дефицитов мощности и, как следствие, быстрое снижение частоты. Такие аварийные ситуации в основном характерны для отдельных дефицитных районов или энергосистем и маловероятны в крупных энергообъединениях.
Если бы отключение нагрузки устройствами АЧР происходило при таких авариях мгновенно (т. е. в момент снижения частоты до уставки срабатывания устройства), можно было бы избежать глубоких снижений частоты. Однако в действительности даже при правильно выбранном объеме, правильной настройке и размещении АЧР большие дефициты мощности приводят, как правило, к глубокому (хотя в отдельных случаях и кратковременному) снижению частоты. Это происходит из-за наличия даже небольших выдержек времени очередей АЧР1 и собственного времени выключателей. Таким образом, может не выполняться одно из основных требований, предъявляемых к АЧР, и возникает опасность нарушения работы электростанций. Кроме того, глубокое снижение частоты, как правило, одновременно сопровождается глубоким снижением напряжения. Что в отдельных случаях может вызвать неправильную работу пусковых органов АЧР.

Дополнительная автоматическая разгрузка (ДАР)
В случае возникновения больших дефицитов мощности (более 45% потребления) необходимо предусматривать систему ДАР. ДАР должна быть быстродействующей и срабатывать в начале процесса снижения частоты – до начала работы АЧР1 или в процессе срабатывания ее первых очередей. ДАР должна обеспечивать ускоренное отключение заданной мощности энергопринимающих установок потребителей и способствует уменьшению глубины и скорости снижения частоты, чем улучшает условия действия АЧР.
Основным отличием ДАР от АЧР является то, что в отличие от АЧР, пусковыми органами ДАР не являются реле частоты. Она запускается по косвенным факторам, характеризующим возникновение местного дефицита активной мощности. Отключение генераторов, питающих линий, силовых трансформаторов и т.д. с контролем направления и величины перетоков активной мощности в предшествующем режиме.
Объем ДАР выбирается таким образом, чтобы оставшийся дефицит мог быть ликвидирован АЧР в штатном порядке. При этом допускается подключение ДАР и АЧР к одним энергопринимающим установкам, но при этом в результате действия АЧР и ДАР должно обеспечиваться сохранение частоты выше 49,0 Гц.

Необходимость установки ДАР
Ремонт + аварийное отключение АТ.
Источник 25МВт + 3 центра нагрузки Pсум=58Мвт.
Небаланс нагрузки составляет порядка 59%.
Необходима ДАР.

Необходимость установки ДАР
Технологический минимум МГЭС в зимнем режиме порядка 18МВт.
Переток по ВЛ 220кВ Таксимо – Мамакан порядка 90МВт
Необходима ДАР
В чем разница между ДАР и АПНУ?

Схема работы АОСЧ

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)
Требования, предъявляемые к АЧР:
АЧР должна быть способна успешно ликвидировать широкий спектр
различных возмущений, быть адаптивной.
В результате действия АЧР должны быть обеспечены нормы регулирования частоты, обозначенные выше.
Объем управляющих воздействий АЧР должен быть как можно
меньше.
При отключении потребителей необходимо добиваться минимизации ущерба от отключения.
АЧР должна быть способна восстановить такую частоту в энергосистеме, при которой данная система сможет работать в установившемся режиме (не обязательно с синхронной частотой), задача АЧР - стабилизировать работу энергорайона.
АЧР должна различать аварийные изменения контролируемых
величин, вызванные дефицитом активной мощности от других возможных нарушений (синхронные качания, асинхронные режимы и др.)

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)
Управляющее воздействие АЧР – отключение потребителей.
Основной принцип выполнения АЧР - максимальное увеличение числа очередей, при этом шаг уставок по частоте принимается наименьший. Это позволяет
добиться большей адаптивности и экономичности, поскольку отключается ровно столько потребителей, сколько нужно.
При распределении нагрузки, подключенной к АЧР, необходимо выполнять ее как можно более равномерно, что опять же улучшает адаптивность системы (в части локализации дефицита мощности).

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)
Поскольку перед АЧР стоит две задачи - ликвидация аварийного снижения частоты и возврат частоты в допустимый диапазон, выделяют два вида АЧР, имеющие разные назначения:
АЧР-1 - быстродействующая разгрузка, имеющая различные уставки по частоте;
АЧР-2 - медленно действующая разгрузка с близкими уставками по частоте и разными уставками по времени.

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)

Автоматическая частотная разгрузка (АЧР)
Очереди АЧР-1 отличаются между собой уставкой по частоте, уставка по времени для всех очередей АЧР-1 находится в диапазоне 0,3 - 0,5 секунды. Каждая очередь отключает определенную долю нагрузки, останавливая снижение частоты. В какой-то момент частота перестает снижаться и достигает некоторого значения fmin, превышающего минимально допустимый уровень, что и является конечной целью работы этой категории разгрузки. При этом частота не достигает уставок следующих очередей АЧР-1, и, следовательно, не осуществляются дальнейшие управляющие воздействия.
В этой ситуации начинает действовать АЧР-2. Уставки по частоте АЧР-2 близки к 49 Гц. Следовательно, АЧР-2 запустилась практически в самом начале процесса снижения частоты. Уставки по времени для АЧР-2 задаются в диапазоне 5-40 секунд. Например, первая очередь АЧР-2 действует в момент времени 5 секунд, заставляя частоту возрастать. Далее, через 12 секунд действует вторая очередь и еще через 5 секунд третья очередь, возвращая частоту на уровень 49 Гц.

Объем АЧР

Уставки АЧР
АЧР1 уставки по частоте (с возвратом +0,1 Гц)/по времени:
спецочередь (САЧР): 49,2 Гц/0,3 с; Мощность подключенной к САЧР нагрузки должна составлять 3–4 % от потребления.
основной объем: 48,8–46,5 Гц /0,3 с, с интервалами по частоте: 0,1–0,2 Гц.
АЧР 2:
несовмещенная:
уставка по частоте: 49,1 Гц (возврат +0,1 Гц);
уставки по времени в диапазоне: 5–40 секунд, с интервалами не
более 5 секунд.
совмещенная:
уставки по частоте и диапазон выдержек времени:
49,0 Гц, возврат +0,1 Гц, выдержки времени 5–20 с;
48,9 Гц, возврат +0,1 Гц, выдержки времени 20–35 с;
48,8 Гц, возврат +0,1 Гц, выдержки времени 35–50 с;
48,7 Гц, возврат +0,1 Гц , выдержки времени 50–70 с.
интервалы между очередями – не более 5 секунд;
очереди АЧР1 с более низкими уставками по частоте совмещаются с очередями АЧР2 с большими уставками по времени;
распределение нагрузки между ступенями по частоте – в соотношении 1:3:3:3

Работа АЧР

Работа АЧР

Схема работы АОСЧ

Частотное автоматическое повторное включение (ЧАПВ)
Устройства ЧАПВ предназначены для автоматического включения отключенных от устройств АЧР потребителей электрической энергии в процессе восстановления частоты в энергосистеме (в результате мобилизации резервов мощности).
Устройства ЧАПВ должны устанавливаться прежде всего на подстанциях, на которых невозможно осуществить быстрое восстановление питания потребителей электрической энергии, отключенных АЧР, действиями оперативного персонала.
Суммарная мощность подключаемых к ЧАПВ энергопринимающих установок потребителей не регламентируется и определяется по местным условиям работы энергосистемы.
К одной очереди ЧАПВ по частоте и по времени допускается
подключение не более 2–2,5 % от всего объема нагрузки, подключенной к АЧР.

Уставки ЧАПВ
Уставки по частоте в диапазоне 49,4–49,9 Гц (возврат – минус 0,1 Гц);
На уставках ЧАПВ 49,4 – 49,6 Гц выполняется включение нагрузки нижних по частоте очередей АЧР1 (47,0–46,5 Гц). Остальная нагрузка АЧР1 и несовмещенной АЧР2 равномерно распределяется на частотах ЧАПВ не ниже 49,7 Гц.
Уставки по времени ЧАПВ не менее 10 секунд, с интервалами
5 секунд (по условию недопущения срабатывания последующей очереди ЧАПВ при снижении частоты ниже уставки возврата реле). ЧАПВ с минимальным временем выполняет включение
энергопринимающих установок потребителей, подключенных к нижним очередям АЧР и с максимальным временем - энергопринимающих установок установок потребителей, подключенных к верхним очередям АЧР.

Схема работы АОСЧ

Влияние частоты на работу электростанции
Следствия снижения частоты в ЭЭС:
Ухудшение работы собственных нужд ЭС;
Действия тепловой автоматики.
Упрощенная структурная схема энергоблока. Питающий насос осуществляет подачу питательной воды в котел, где она превращается в пар за счет энергии сжигания топлива.
Между котлом и турбиной установлен регулировочный клапан, который регулирует объем пара, поступающего в турбину. Данный клапан управляется автоматическим регулятором скорости (АРС). Его задача – поддерживать постоянной частоту вращения турбину.
Входными параметрами для АРС являются уставка, характеризующая степень открытия регулировочного клапана (в относительных единицах равна мощности, выдаваемой генератором) и отклонение скорости вращения от номинальной.
При возникновении дефицита мощности в энергосистеме, генераторы и соответствующие турбины замедляются. АРС реагирует на изменение частоты и действует на открытие регулировочного клапана.
За счет объемов пара, накопленных в котле мощность турбины увеличивается. Увеличение мощности сопровождается снижением давления в паропроводе, соединяющем котел и турбину.

Упрощенная структурная схема энергоблока ТЭС

РДС «регулятор давления до себя»
Изменение давления пара в паропроводе для некоторых типов котлов может негативно сказаться на работе теплового оборудования.
Для предотвращения повреждений, вызванных снижением давления, в паропроводе между котлом и турбиной устанавливается «регулятор давления до себя» (РДС). Задача РДС – поддерживать неизменным давление на входе в турбину.
РДС реагирует на снижение давления на выходе котла, вызванное открытием регулировочного клапана, формированием сигнала на закрытие регулировочного клапана

Собственные нужды станции
В первую очередь снижение частоты сказывается на работе таких механизмов СН ТЭС, как питательные и циркуляционные насосы, вентиляторы, дымососы.
Наиболее существенное влияние на работу электростанции оказывает снижение производительности питательных электронасосов (ПЭН).
Кроме того, на работу энергоблока существенное влияние оказывает тип котла - барабанный или прямоточный.

Прямоточные котлы
Снижение производительности ПЭН в результате снижения частоты приводит к уменьшению расхода и давления питательной воды. Как следствие этого, падают паропроизводительность котла и давление по тракту котла, в том числе и давление перед турбиной.
При наличии на турбинах РДС последний, реагируя на падение давления перед турбиной, прикрывает регулирующие клапаны турбины, что приводит к дополнительному снижению расхода пара и воды. По мере того как снижается паропроизводительность котла, уменьшается мощность турбоагрегата. Таким образом, при наличии РДС снижение частоты в системе приводит к уменьшению мощности блока при неизменном давлении пара перед турбиной.

Прямоточные котлы. Реакция мощности блока на снижение частоты.
С точки зрения допустимой длительности работы блоков с прямоточными котлами при глубоких снижениях частоты, условия при наличии на турбинах РДС оказываются более благоприятными, чем при отсутствии данного регулятора.
Однако снижение мощности блоков без РДС существенно меньше, и этот эффект является определяющим с точки зрения энергосистемы в целом.
Также работа с РДС исключает возможность мобилизации вращающихся резервов блоков при снижении частоты, что препятствует ликвидации аварий, а в ряде случаев является причиной их развития. При глубоком снижении частоты и последующем выделении электростанции на изолированную работу условия поддержания частоты при отсутствии РДС гораздо лучше.
По этой причине, применяется блокировка РДС по частоте. Если частота во время переходного процесса выходит за заданные пределы, то канал управления от РДС блокируется, и его управляющие сигналы не учитываются. Применение блокировки РДС является обязательным требованием к системе управления энергоблоком.
Динамическая характеристика блока с прямоточным котлом при изменении частоты в цикле АЧР:
1 – изменение частоты;
2 – изменение мощности при введенном РДС;
3 – изменение мощности при выведенном РДС

Барабанные котлы
Снижение частоты и, как следствие, снижение расхода питательной воды приводит в конечном итоге к непрерывному снижению уровня воды в барабане котла. Через определенный промежуток времени этот уровень может достигнуть уставки срабатывания защиты, контролирующей уровень в барабане и отключающей энергоблок. Поэтому длительная работа блоков с барабанными котлами при пониженной частоте без разгрузки блока вручную персоналом невозможна.
При нормальной работе АЧР в энергосистеме уровень в барабане котла блоков 150—200 МВт в цикле снижения и восстановления частоты не достигает уставки срабатывания защиты, контролирующей уровень воды в барабане.
Из-за снижения уровня воды в барабане котла и наличия автоматики, защищающей этот параметр, к котлам такого типа применяются более жесткие требования по допустимой длительности работы.

Главный регулятор котла
Регулятор котла "до себя« (РДС) способствует улучшению теплового режима и негативно влияет на аварийную ситуацию с точки зрения всей системы. Основной мерой предотвращения этого негативного влияния является блокировка РДС.
Более эффективно, особенно в условиях изолированной работы, работа блока обеспечивается главным регулятором котла.

Главный регулятор котла
Главный регулятор реагирует на снижение
давления пара перед турбиной, увеличивая подачу воды и топлива в котел. Кроме того, применение корректора по частоте увеличивает эффективность применения подобных регуляторов. Ниже показано изменение мощности блока с учетом работы главного регулятора котла.
1 - изменение мощности энергоблока при работе АРС за счет аккумулирующей способности котла.
2 - изменение мощности энергоблока за счет регулирования подачи топлива и воды в котел.
3 – суммарная кривая

Динамические характеристики различных
энергоблоков при различных видах регулирования. Исходно 80%, резерв 20%
1 - без учета котла (работа АРС при постоянстве давления пара перед турбиной); 2 - прямоточный котел без регулирования; 3 - барабанный котел без регулирования; 4 - прямоточный котел с РДС; 5 - блок на скользящих параметрах при полностью открытых регулирующих клапанах; 6 - то же при клапанах, открытых на 60%; 7 - прямоточный котел с главным регулятором;

Динамические характеристики различных
энергоблоков при различных видах регулирования.
Из рисунка видно, что наличие главного регулятора котла является предпочтительным.
Таким образом, для обеспечения максимальной живучести энергосистемы в целом и электростанций, выделяемых на изолированную работу, требуется установка на энергоблоков максимального набора автоматических регуляторов, в том числе главного регулятора котла с частотным корректором.
Также, для максимальной эффективности использования резерва энергоблоков, на них должны быть выведены ограничители мощности. Кроме того, персонал станций должен иметь четкие инструкции о порядке операций по обеспечению соответствующего

Схема работы АОСЧ (ЧДА)

Частотная делительная автоматика (ЧДА)
В ряде случаев действие АЧР может оказаться неэффективным из-за недостаточного быстродействия устройств разгрузки или их возможного отказа при глубоком снижении напряжения, как правило, имеющем место одновременно с глубоким снижением частоты.
При такой работе происходит снижение производительности собственных нужд электростанций, отключение блоков технологическими защитами (ограничение минимальной скорости вращения турбины). Эти явления могут привести к дальнейшему снижению частоты - т.е. лавине частоты.
В результате лавины частоты может произойти полное погашение системы. Пуск полностью остановленной электростанции занимает несколько часов и ведет к колоссальным ущербам.
ЧДА применяется как последнее средство, чтобы не допустить полного останова электростанций за счет сохранения в работе собственных нужд электростанций, а также для питания тех потребителей, которые не допускают перерыва в питании.
Сохранение в работе части генераторов позволяет ускорить восстановление системы.

Частотная делительная автоматика (ЧДА)
Устройства ЧДА предназначены для предотвращения полного останова ТЭС при недопустимом снижении частоты в энергосистеме.
Устройства ЧДА действуют на ДС с целью выделения ТЭС или их энергоблоков (генераторов) на питание собственных нужд или на изолированный район.
Устройства ЧДА устанавливаются на всех ТЭС 25 МВт и выше, за исключением электростанций, на которых установка устройств ЧДА невозможна по условиям работы ТЭС.

Схемы выделения ЧДА
Выделяют три возможные схемы работы ЧДА:
Выделение генератора на свои собственные нужды
Выделение генерирующего оборудования на собственные нужды нескольких генераторов / всей электростанции
Выделение генерирующего оборудования на изолированный энергорайон
Самой сложной в реализации является первая схема – выделение на свои собственные нужды.

Выделение на свои собственные нужды
при выделении на собственные нужды генератор вынужден работать гораздо ниже своего технического минимума

Выделение на свои собственные нужды
Даже для дубль-блоков, у которых можно при необходимости отключить один корпус, минимум составляет не менее 30%. При этом, в самых затратных случаях потребление собственных нужд не превышает 15 %
Организовать ЧДА по схеме выделения на свои собственные нужды весьма проблематично. Исключение составляют парогазовые установки. Технический минимум бинарной ПГУ (4 ГТ + 1 ПТ) составляет 13 %, что приближается к величине собственных нужд установки.

Выделение генератора на собственные нужды нескольких генераторов / всей электростанции

Выделение генератора на собственные нужды нескольких генераторов / всей электростанции
При снижении частоты и достижении условий срабатывания ЧДА автоматика действует на отключение выключателя СН2 и включение выключателя СН5. При этом от
АВР включается В СН1.
При аварийном снижении частоты была отдана диспетчерская команда на пуск генератора ГТ ТЭС, находящегося в холодном резерве. При этом оперативным персоналом станции был включен выключатель СН3.
Окончательно собственные нужды всех блоков питаются через резервную систему шин от одного генератора.

Выделение генератора на собственные нужды нескольких генераторов / всей электростанции
При выделении генерирующего оборудования на собственные нужды нескольких генераторов / всей электростанции, все компоненты автоматики ЧДА устанавливаются на станции.
Обратите внимание, что в рассматриваемой ситуации параллельно с сетью работают генераторы, собственные нужды которых обеспечиваются генератором, выделенным на автономную работу автоматикой ЧДА. Отключение генераторов, работающих параллельно с системой, вполне вероятно, данный факт является существенным недостатком описываемой схемы выделения автоматики ЧДА.
Данного недостатка лишен третий способ -выделение генерирующего оборудования на свои собственные нужды.

Выделение генерирующего оборудования на изолированный энергорайон

ЧДА ЦПВБ (г. Владивосток)

Частотная делительная автоматика (ЧДА)
Уставки срабатывания устройств ЧДА по частоте и времени должны находиться в диапазоне:
1 ступень: 46,0–47,0 Гц/0,3–0,5 секунд.
2 ступень: 47,0–47,5 Гц/30–40 секунд.
При выделении энергоблоков (генераторов) электростанции на собственные нужды действием ЧДА должна обеспечиваться устойчивая работа выделяемого генерирующего оборудования в течение не менее 30 минут.
Действие устройств ЧДА на выделение ТЭС или их энергоблоков (генераторов) на изолированный район должно по возможности обеспечивать баланс активной мощности в указанном районе. Допустимая величина небаланса активной мощности определяется условиями обеспечения устойчивой работы генерирующего оборудования ТЭС с учетом действия АЧР.

Схема работы АОСЧ

Автоматика ограничения повышения частоты (АОПЧ)
Устройства АОПЧ предназначены для предотвращения недопустимого повышения частоты в энергосистеме до уровня, при котором возможно срабатывание автоматов безопасности турбин ТЭС и АЭС.
Устройства АОПЧ устанавливаются на электростанциях, расположенных в частях энергосистемы, выделение на изолированную работу которых возможно с большим избытком мощности, приводящим к повышению частоты более 53,0 Гц с учетом действия первичного регулирования частоты.
Уставки устройств АОПЧ должны быть ниже уставок автоматов безопасности и находиться в диапазоне 51,0–53,0 Гц.
Устройства АОПЧ должны действовать на ОГ.
Настройка устройств АОПЧ, установленных на ГЭС, обеспечивает их первоочередное действие по отношению к устройствам АОПЧ, установленных на ТЭС и АЭС.
Действие устройств АОПЧ производится ступенями с разными уставками по частоте и времени.