Adaptacyjny układ automatyki SCO - Smart-Load

Adaptacyjny układ automatyki SCO Smart-Load jest dedykowany dla zakładów przemysłowych, w których zainstalowane są źródła wytwórcze. Zadaniem układu jest, w przypadku awarii systemowej, kontrolowane wydzielanie zbilansowanych wysp, a następnie nadzorowanie ich pracy poprzez logikę klasycznej automatyki SCO.

Istota problemu

W przemyśle chemicznym, hutniczym, górnictwie, energetyce, ciepłownictwie nagły zanik zasilania może doprowadzić do niezwykle poważnych awarii, które w skrajnym przypadku mogą uniemożliwić dalszą działalność statutowa danego przedsiębiorstwa. Zapewnienie niezawodności zasilania jest w takich przedsiębiorstwach jednym z najbardziej istotnych problemów. Najczęściej stosowanym rozwiązaniem w układach „czułych” na zanik zasilania jest zabudowa w sieci wewnętrznej zakładu, niezależnego źródła zasilania. Pojawia się jednak problem „utrzymania” w pracy takiego źródła w przypadku zaniku zasilania podstawowego układu, z uwagi na niezbilansowanie mocy czynnej i biernej produkowanej z mocą „konsumowaną” przez odbiory. Układy takie z reguły nie są wyposażone w niezbędną automatyką umożliwiającą w przypadku awarii w systemie elektroenergetycznym nieprzerwaną pracę układów generacyjnych. Bardzo często przestarzałe układy regulacji turbozespołów nie tolerują nagłych zmian<s>y</s> obciążenia i nie potrafią samoczynnie korygować parametrów dynamicznych występujących w czasie takich zakłóceń. Z reguły w takich przypadkach następuje wyłączenie generatora lub przejście do pracy na potrzeby własne zwłaszcza, że dotychczasowe rozwiązania zakładały w przypadku powstania zakłócenia w systemie elektroenergetycznym ( zwarcie, SPZ, zanik zasilania) natychmiastowe wyłączenie lokalnych źródeł energii w celu ich ochrony przed ponownym niesynchronicznym połączeniem z siecią elektroenergetyczną.

Jednym z wniosków operatora systemu mających przeciwdziałać pogłębianiu się awarii systemowych jest konieczność aktualizacji nastaw i sposobu działania automatyki SCO, która w przypadku zaistnienia awarii w systemie elektroenergetycznym ma ułatwić opanowywanie stanów zakłóceniowych poprzez natychmiastowe wyłączenie części odbiorów, które mogą bez poważnych konsekwencji być wyłączone w celu znaczącego odciążenia sieci dystrybucyjnej. Obecnie częściowo rolę tą spełnia klasyczna automatyka samoczynnego częstotliwościowego odciążania, tzw. SCO, której zadaniem jest ograniczenie skutków zakłóceń związanych z nagłym naruszeniem bilansu mocy czynnej w danym fragmencie sieci poprzez detekcję występującego w takim przypadku spadku częstotliwości i odpowiednie wyłączenia odbiorów nie mających zasadniczego wpływu na proces produkcji zakładu przemysłowego. Ze względu na to, że moc wyłączanych przez SCO odbiorów może zależeć od szybkości zmian częstotliwości, niezwykle trudna do przewidzenia jest moc odbiorów, jaka zostanie wyłączona w wyniku działania tej automatyki.

Dlatego w zakładzie przemysłowym wyposażonym we własne jednostki wytwórcze, zastosowanie adaptacyjnego układu automatyki SCO – Smart Load w przypadku awarii systemowej znacząco zwiększą szanse na wydzielenie i utrzymanie zbilansowanej mocowo wyspy. 

Struktura systemu

Elementy układu automatyki SCO Smart-Load:

  • układ detekcji pracy wyspowej;
  • układ pomiaru mocy we wszystkich polach głównych rozdzielni 6kV;
  • układ komunikacyjny;
  • główna jednostka obliczeniowa;
  • układ wyjściowy – wyłączający;
  • stacja operatorska

Układ automatyki ma charakter rozproszony z elementami zlokalizowanymi we:

  • wszystkich rozdzielniach objętych pomiarami i wyłączeniami;
  • centralnej nastawni elektrycznej 

Komunikacja

Poszczególne elementy komunikują się ze sobą za pośrednictwem łącz światłowodowych oraz łącz UTP w standardzie Ethernet 100BaseFL i 100BaseT, dodatkowym połączeniem jest łącze RS485 z protokołem Modbus RTU do istniejącego na obiekcie systemu nadzoru i sterowania. Łączami Ethernet jednostka centralna otrzymuje z układów pomiarowych dane dotyczące aktualnych wartości napięć, prądów i mocy w każdym polu rozdzielni zasilających, również łączami Ethernet jednostka centralna wydaje rozkazy wyłączenia wyznaczonych przez siebie pól oraz komunikuje się ze stacją operatorską, na której wizualizowany jest stan nadzorowanego układu, stan pracy automatyki, aktualne wartości pomiarowe oraz lista wyznaczonych do wyłączenia odbiorów, w przypadku wystąpienia awarii. Za pomocą stacji operatorskiej możliwa jest również zmiana nastaw oraz analiza listy zdarzeń i listy alarmów. Do prawidłowego działania algorytmów wyznaczających pola, które powinny zostać wyłączone niezbędne są informacje dotyczące aktualnego stanu łączników rozdzielni objętych automatyką. Aby uprościć połączenia automatyki z obiektem dane te są uzyskiwane z systemu nadzoru i sterowania za pomocą łącza RS485.

Algorytmy adaptacyjnego odciążania

Jako układy detekcji pracy wyspowej stosowane są przekaźniki zabezpieczeniowe realizujące kryterium df/dt, dU/dt, a dodatkowym kontrolowanym parametrem jest wartość i kierunek mocy czynnej w polach zasilających z transformatorów 110kV/6kV. W przypadku jednoczesnego pobudzenia tych kryteriów realizowane są wyłączenia, które mają na celu wyodrębnienie wyspy, oraz pól, które zostały wyznaczone przez ciągły algorytm bilansujący moce w stanie stabilnym tuż przed wystąpieniem zakłócenia.

Z każdego pola na rozdzielniach do układu pomiarowego podłączone są prądy fazowe, a z pól pomiarowych napięcia międzyfazowe. Układy pomiarowe dokonują ciągłego pomiaru mocy zarówno czynnych jak i biernych w każdym polu i te wartości kilkanaście razy na sekundę dostarczają do jednostki centralnej w celu realizacji algorytmów wyboru pól do wyłączenia. Układy pomiarowe wyposażone są jednocześnie w wyjścia przekaźnikowe, które są odpowiednio połączone z obwodami sterowniczymi wszystkich pól w celu realizacji wyłączeń wyznaczonych w wyniku obliczeń algorytmu.

Sercem układu jest algorytm analizujący konfigurację układu i wyznaczający w danej sytuacji sieciowej możliwe układy pracy wyspowej. Na podstawie ustalonych przez obsługę priorytetów ważności oraz aktualnych obciążeń pól,  do wyłączenia zostają wyznaczanie pola w taki sposób aby w wykreowanych układach pracy wyspowej znalazły się odbiory najważniejsze z punktu widzenia bezpieczeństwa zakładu oraz aby suma obciążeń była maksymalnie zbliżona do mocy pracujących na daną wyspę generatorów z chwili tuż przed zakłóceniem. Ten algorytm jest realizowany na przemysłowym komputerze klasy PC. Ze względów niezawodnościowych zastosowano nowoczesna bezwentylatorową jednostkę klasy Pentium Centrino, gwarantująca maksymalną możliwą niezawodność pracy algorytmu.

Zaletą systemu SmartLoad jest zdolność do dynamicznej zmiany wybieranych do wyłączenia odbiorów. Pola przeznaczone do wyłączenia przez „aktywny” algorytm są tak dobrane, aby po ich wyłączeniu w maksymalnym stopniu doprowadzić do zbilansowania mocy generowanej i pobieranej dla wydzielonej wyspy. Pracę algorytmu aktywnego można podzielić na kilka procesów realizowanych równocześnie, są to:

  • analiza bieżącej konfiguracji sieci;
  • wyznaczenie mogących utworzyć się wysp;
  • dokonanie bilansu mocy dla każdej z potencjalnych wysp;
  • wyznaczenie pól przeznaczonych do wyłączenia w przypadku powstania wyspy;
  • detekcja pracy wyspowej  w systemie i określenie wielkości powstałej wyspy;
  • „odcięcie” wyspy od systemu poprzez otwarcie odpowiednich łączników;
  • wyłączenie odbiorów na podstawie przygotowanej bezpośrednio przed awarią tabeli wyłączeń dla konkretnej wyspy;
  • nadzorowanie tak powstałej wyspy przez klasyczny algorytm SCO z możliwością bieżącego ręcznego nadawania priorytetów wyłączeń

Najistotniejszym warunkiem powodzenia działania takiego algorytmu jest szybkość jego reakcji na zakłócenia sieciowe. Podjęcie szybkich i trafnych wyłączeń w przypadku powstania wyspy zmniejsza głębokość zakłócenia, a tym samym zwiększa stabilność pracy i prawdopodobieństwo utrzymania kruchej równowagi w nowym układzie. Przy budowie systemu założono 10s jako maksymalny czas wyznaczania pól do wyłączenia po zmianie konfiguracji sieci i maksymalnie 1s jako czas od detekcji wyspy do dokonania odpowiednich wyłączeń.

Zastosowany algorytm wyznacza odbiory „do wyłączenia” wielokryterialnie dla każdej potencjalnej wyspy.  Brane są pod uwagę takie czynniki jak bilans mocy czynnej i biernej, priorytety odbiorów, oraz najmniejsza liczba wyłączeń. Po dokonaniu optymalizacji potencjalnych wyłączeń informacja ta jest wysyłana do jednostki wykonawczej. Zadaniem tej jednostki jest nadzorowanie napięcia w danym węźle sieci i detekcja stanu pracy wyspowej. Do tego celu wykorzystywane są kryteria podnapięciowe i podczęstotliwościowe, szybkości zmian tych parametrów oraz kryteriów kierunku przepływu mocy w węźle. Po zinterpretowaniu przez sterownik zakłócenia jako „praca wyspowa”, bezzwłocznie dokonywane są odpowiednie wyłączenia w celu zbilansowania mocy w wyodrębnionej wyspie. Takie działanie aktywnego algorytmu pozwala z maksymalnym stopniem powodzenia utrzymać własne źródło energii przy „życiu”.

W odróżnieniu od takiego działania, standardowy algorytm SCO nie zapewnia zbilansowania mocy po wyodrębnieniu wyspy, co jest jego główną wadą. Powodem tego jest sztywne przypisane wyłączeń do poszczególnych stopni SCO, co nie pozwala na kontrolę wyłączanej mocy.

Możliwość rozszerzenia systemu o rozdzielnie niższego rzędu

Objęcie przez system teleinformatyczny rozdzielni niższego poziomu pozwala określić priorytety dla większej ilości odbiorów, a tym samym zmniejszyć poszczególne kwanty wyłączanych mocy. Zwiększa to rozdzielczości systemu, co przekłada się na bardziej precyzyjne zbilansowania wyspy. Umożliwia to również dokonywanie bardziej „chirurgicznych cięć” sieci, pozostawiając zasilanie istotnych, „nieenergochłonnych” jej fragmentów związanych ze sterowaniem. Informacje z niższych poziomów sieci pozwalają również na zoptymalizowanie działania automatyki SZR, polegające na selektywnym wybraniu tylko istotnych przełączeń mających szanse zakończyć się sukcesem.

Możliwość rozbudowy systemu o pozyskiwanie informacji z głębi systemu elektro­ener­ge­tycz­nego jest pożądane w celu bardziej jednoznacznej detekcji pracy wyspowej. Służą temu dodatkowe informacje o stanie łączników oraz o rozpływach mocy i poziomach napięć w najbliższej okolicy punktu zasilania przedsiębiorstwa.

Informacje od operatora systemu

Najdalej idącym rozszerzeniem jest uzyskiwanie bieżących informacji od operatora systemu dotyczących stanu sieci, a w szczególności informacji o dużych rozwijających się awariach systemowych, wydzieleniu rozległych wysp, deficycie mocy itp. Pozwala to na wcześniejszą reakcję obsługi, przygotowanie odpowiedniego układu pracy, oraz ewentu­alne­go bezpiecznego zatrzymania produkcji.

Przykład aplikacji

Poniżej została przedstawiona przykładowa aplikacja Smart-Load, która jest zainstalowana w dużym zakładzie metalurgicznym, posiadającym dwie główne dwusekcyjne rozdzielnie 6 kV (GPZ-ty)  , zasilane pięcioma liniami 110kV, poprzez 5 transformatorów 110/6 kV. Zakład posiada własną elektrociepłownię, z pięcioma  generatorami, z których trzy są stale utrzymywane  w ruchu. Rozdzielnie oddziałowe zasilane z głównych GPZ-ów są wyposażone w 3 pola zasilające, a najważniejsze rozdzielnie wyposażone są w automatykę przełączania zasilań, gwarantującą niezbędną ciągłość ich zasilania.

W sytuacji pozbawienia zasilania ważnych rozdzielni zasilających urządzenia hutnicze, istnieje poważne prawdopodobieństwo zniszczeń tych urządzeń, co wiązałoby się ze znacznymi stratami finansowymi i kosztownym długotrwałym postojem zakładu, dlatego obsługa zakładu kładzie szczególny nacisk na utrzymywanie takiego układu pracy, aby  rozdzielnie te były zasilane jednocześnie z KSE poprzez transformatory 110/6 kV i z pracujących generatorów. W przypadku braku zasilania od strony KSE automatyka Smart-Load identyfikuje fakt utraty zasilania ze strony sieci i dokonuje wyłączenia wyłączników w polach zasilających od strony systemu elektroenergetycznego aby zapobiec  zasilaniu przez pracujące generatory innych odbiorców przyłączonych do sieci 110 kV.

Następnie układ dokonuje takich wyłączeń, aby w wyspie wykreowanej w wyniku jego działania różnica mocy dostarczanej i odbieranej  była jak najmniejsza. Bardzo ważnym elementem, który musi zostać wzięty pod uwagę jest fakt, iż z reguły konfiguracje pracy sieci 6kV w zakładzie są optymalizowane pod kątem równomierności obciążeń, co powoduje, że trudno jest trwale utrzymywać taką konfiguracje sieci, aby w ramach sekcji, na które pracują generatory moce produkowane przez generatory i pobierane przez odbiory były zbliżone.

Po wyselekcjonowaniu zbilansowanych mocowo wysp kolejnym zadaniem automatyki jest nadzorowanie pracy wykreowanych układów wyspowych. W przypadku pracy wyspowej generatorów zachodzi duże prawdopodobieństwo dalszych zakłóceń związanych ze skokowymi zmianami mocy, wynikającymi z działaniem automatyki układów technologicznych, jak i zaburzeń w pracy samych turbozespołów. Omawiana automatyka pełni na tym etapie funkcje klasycznego SCO, które w przypadku obniżania się częstotliwości wewnątrz układu wyspowego dokonuje kolejnych wyłączeń tak, aby utrzymać pracę „wyspy” przez maksymalnie długi czas – tj. do chwili przywrócenia zasilania od strony sieci 110kV lub do przeprowadzenia awaryjnego bezpiecznego odstawienia linii technologicznych w zakładzie.


    Centrala w Gliwicach
    ul. Chorzowska 44 B
    44-100 Gliwice

    tel. +48 (32) 270-45-18
    tel. +48 (32) 413-27-00 (dla numerów wew. trzycyfrowych)
    fax +48 (32) 270-45-17

    email: sekretariat@energotest.com.pl