SCADA, АСУ ТП, контроллеры – основная тематика журнала «ИСУП»
Журнал «Информатизация и Системы Управления в Промышленности» публикует тематические материалы посвященные SCADA, АСУ ТП, контроллерам, автоматизации в промышленности.

Система управления гидроагрегатами Саяно-Шушенской ГЭС на основе Simatic PCS7

В статье рассматривается система управления гидроагрегатами Саяно-Шушенской ГЭС на основе Simatic PCS7, реализованная Группой компаний «СМС-Автоматизация». Приведен подробный обзор возможностей системы, алгоритмов работы и эксплуатации.

ООО НВФ «СМС», г. Самара

СМС-автоматизация.jpg


В 2012 году Группа компаний «СМС-Автоматизация» отмечает юбилей – исполняется двадцать лет деятельности предприятия в гидроэнергетике. Событие значимое не только для сотрудников компании, но и для огромного числа партнеров, заказчиков и просто друзей. Количество поздравляющих можно представить по сухим цифрам референс-листа предприятия, где каждый объект, каждое внедрение – сложнейшее техническое и инженерное решение. Среди наи­более известных гидроэлектростанций, сотрудничающих с компанией-юбиляром, можно назвать Саяно-Шушенскую ГЭС, Жигулевскую ГЭС, Нижегородскую ГЭС, Угличскую ГЭС, Камскую ГЭС, Саратовскую ГЭС, Аушигерскую ГЭС. Для этих и других гидро­электростанций компания создавала системы автоматизированного управления гидроагрегатами, сис­темы ГРАМ, системы ГРНРМ.

Рис.1.png

Рис. Машинный зал Саяно-Шушенской ГЭС

Сегодня компания выполняет проекты, масштаб и стратегическая значимость которых не подлежат сомнению. В настоящий момент разрабатывается система управления гидроагрегатами Саяно-Шушенской ГЭС на основе Simatic PCS7. Работа интереснейшая, но и крайне ответственная, ведь объект – крупнейшая по установленной мощности электростанция России и шестая среди ныне действующих гидроэлектростанций в мире.


Общая структура системы управления гидроагрегатом

Система управления гидроагрегатом в ее нынешнем виде состоит из ряда взаимосвязанных программно-технических комплексов, выполненных на основе решений компании Siemens AG:
- ПТК автоматического регулирования частоты и активной мощности (ПТК АРЧМ);
- ПТК технологической автоматики и управления вспомогательным оборудованием (ПТК ­ТАиУВО);
- ПТК маслонапорной установки (ПТК МНУ);
- ПТК измерений и сигнализации (ПТК ИС);
- ПТК теплового контроля (ПТК ТК);
- ПТК вибрационного конт­роля (ПТК ВК).

Совместно с системой управления гидроагрегатом работают ПТК аварийно-ремонтного затвора (ПТК АРЗ) и ПТК измерений сигнализации и управления трансформатором (ПТК Т).

Для централизованного хранения архивной информации, сообщений и связи с верхним уровнем вышеперечисленных ПТК для каж­дой системы автоматизированного управления гидроагрегатом (САУ ГА) и для каждой системы управления трансформатором устанавливается резервированная пара серверов PCS7 и инженерная станция.

Кроме того, опыт, накопленный специалистами ГК «СМС-Автоматизация», позволил им создать ПТК «Гидроконт 400». Этот комплекс предназначен для построения локальных систем контроля и управления гидроагрегатами (ЛСКУ ГА) с последующим объединением (включением) этих систем в интегрированные системы управления и общестанционные автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП ГЭС). ПТК «Гидроконт 400» представляет собой тиражируемое решение. В настоящий момент комплекс сертифицирован как тип средств измерений.

Впервые на ГЭС был введен в работу защищенный регистратор технологической информации для контроля и гарантированного хранения архивов технологической информации в экстремальных условиях.

Производителем турбины применена новая концепция установки троированных датчиков для критически важных параметров, таких как давление и уровень масла в МНУ, обороты гидроагрегата. Информация с троированных датчиков поступает в контроллер и обрабатывается специальным алгоритмом мажорирования. Результатом работы алгоритма являются значение и статус параметра, на основании которых технологические алгоритмы формируют управляющие воздействия.

Оборудование, применяемое в ПТК, полностью однотипно, что позволяет уменьшить количество и номенклатуру ЗИП, а также упростить процесс обслуживания систем управления.


Требования к системе управления гидроагрегатом

В связи с тем, что контракт на поставку новых гидроагрегатов предусматривает их улучшенные характеристики в области надежности и безопасности, к САУ ГА на этапах проектирования и реализации предъявлялись особые требования.
- Система управления должна была быть создана исключительно на основе стандартных, серийно выпускаемых промышленных компонентов.
- Производитель оборудования должен был обеспечивать выпуск и ремонт применяемых компонентов не менее 10 лет с момента поставки.
- Производитель оборудования должен был иметь положительный опыт внедрения на объектах РусГидро.
- Учитывая большую электрическую мощность устанавливаемых гидроагрегатов (640 МВт), конт­роллеры, устанавливаемые во всех ПТК, должны были поддерживать функцию горячего резервирования центральных процессоров с минимальным временем переключения (до 10 мс).
- Применяемое оборудование должно было обладать необходимой производительностью и надежностью.

В результате анализа ряда программно-технических платформ выбор был сделан в пользу оборудования и программного обеспечения фирмы Siemens AG. В качестве платформы автоматизации была выбрана система Simatic PCS7 – однородная, функционально полная интегрированная среда для решения задач комплексной автоматизации предприятий различных отраслей производства.


ПТК аварийно-ремонтного затвора

ПТК АРЗ служит для контро­ля за состоянием и управления аварийно-ремонтным затвором, установленным со стороны верх­него бьефа на гребне платины и предназначенным для быстрого аварийного закрытия водовода при разрыве трубопровода, аварии в сис­теме регулирования или ремонте гидроагрегата. Аварийно-ремонтный затвор – это последняя линия обороны технологической автоматики, в связи с чем надежность работы ПТК АРЗ имеет исключительную важность. Несмотря на малое количество контролируемых параметров, было принято решение использовать резервированный контроллер S7-400H.

Команда на аварийный сброс щита в систему управления пос­тупает с местного щита управления или с центрального пункта управления станцией, если дежурный нажмет кнопку аварийного сброса, – это ручной механизм управления. От системы управления технологической автоматикой и вспомогательным оборудованием сигнал сброса щита поступает при обнаружении недопустимого разгона гидроагрегата или повышенного уровня воды на крышке турбины. Кроме того, команду на сброс щита может дать система виброконтроля при повышенной вибрации в установившемся режиме работы гидроагрегата.


ПТК автоматического регулирования частоты и активной мощности

Программно-технический комплекс автоматического регулирования частоты и мощности – это основной регулятор, отвечающий за безопасную и качественную эксплуатацию гидроагрегата. ПТК АРЧМ обеспечивает:
- автоматическое и ручное управление гидроагрегатом и регулирование его мощности при работе в энергосистеме;
- требуемое качество регулирования частоты при выделении гид­роагрегата или ГЭС на отдельный энергорайон;
- автоматический и ручной пуск и остановку гидроагрегата;
- автоматическое и ручное управление гидроагрегатом в режиме холостого хода и синхронизацию при включении в сеть;
- регулирование по частоте вращения, давлению в подводящих водоводах, разрежению под крышкой турбины и под рабочим колесом при сбросах нагрузки с генератора;
- закрытие направляющего аппарата при действиях гидромеханических и электрических защит гидроагрегата.

Одним из основных требований к качеству электроэнергии является постоянство частоты тока, которая должна поддерживаться на уровне 50+/-0,1 Гц. Частота тока, вырабатываемая генератором, зависит от частоты вращения его ротора. Если частота вращения гидроагрегата неизменна, то мощность, развивае­мая гидротурбиной, расходуется на выдачу полезной нагрузки генератора и преодоление механического сопротивления в виде различных механических, электрических, магнитных и вентиляционных потерь. Однако при работе гидроагрегата под нагрузкой происходит нарушение этого равенства из-за постоянного изменения потребляемой электроэнергии. При уменьшении потребления электроэнергии избыток мощности пойдет на увеличение частоты вращения агрегата.

Для изменения мощности турбины с помощью направляющего аппарата регулируют расход воды, проходящей через турбину. Для перемещения направляющих аппаратов гидротурбин средней и большой мощности требуются значительные усилия, для этого применяют специальные гидравлические сервомоторы, выполненные в виде цилиндра с поршнем. Для управления сервомоторами направляющего аппарата были применены специальные гидрораспределители производства Bosch Rexroth AG, которые регулируют подачу масла через контур гидравлического усиления главного золотника в зависимости от токового сигнала 4–20 мА, подающегося на его вход. Для контроля частоты вращения гидроагрегата используется зубчатое колесо, установленное на валу генератора. Импульсы с зубчатого колеса контролируются троированными датчиками и поступают на модули счета, а затем в контроллере преобразуются в частоту вращения гидроагрегата.

Рис.3.png

Рис. Контроль заданного открытия направляющего аппарата. Принцип работы

Самой критичной к скорости выполнения задачей является так называемая «следящая система», которая контролирует заданное открытие направляющего аппарата. Ранее в качестве следящих систем применялись штучно или мелкосерийно выпускаемые специализированные микропроцессорные устройства. Все специализированные устройства не рассчитаны на работу с троированными датчиками обратной связи и не реализуют заданного алгоритма мажорирования.

Применение контроллеров и модулей быстрого аналогового ввода/вывода производства Siemens позволило отказаться от не серийных изделий в системе регулирования частоты и мощности гидроагрегата и создать резервированную систему с минимальным временем переключения. Сегодня следящая система позволяет на ходу заменить любой датчик или модуль ввода обратной связи без остановки гид­ро­агрегата.

Дополнительной функцией ПТК АРЧМ является возможность контроля оборотов турбины как по зубчатому колесу, так и, в случае необходимости, по специальному регулирующему генератору (тахогенератору), установленному на гидроагрегате. Выбор датчика оборотов осуществляется с панельного компьютера и возможен даже на работающем генераторе, находящемся в режиме холостого хода.


ПТК маслонапорной установки

Для перемещения направляющего аппарата применяется масло под давлением. Для аккумулирования необходимого объема масла под давлением, которое в любой момент может быть использовано, устанавливаются маслонапорные установки (МНУ). МНУ состоит из масловоздушного котла (пневмогидроаккумулятора) с контрольно-измерительными приборами и запорной арматурой, сливного бака, масляных насосов с электродвигателями и системы управления. Котел МНУ заполнен на 40% маслом и на 60% воздухом под давлением. Когда масло расходуется на приведение в действие механизмов сис­темы регулирования, его уровень в котле понижается. Пополнение масла происходит из сливного бака с помощью двух насосов МНУ.

Маслонапорные установки гидроагрегатов имеют достаточный запас энергии, чтобы закрыть направляющий аппарат и затормозить агрегат даже при аварийной потере напряжения в системе и при отказе обоих насосов МНУ. Тем не менее надежность системы управления должна соответствовать общим показателям надежности САУ ГА. Учитывая критичность функционирования МНУ, авария которой автоматически вызывает аварийный останов всего гидроагрегата, ПТК МНУ также был реализован на основе резервированного контроллера S7-400H.


ПТК технологической автоматики и управления вспомогательным оборудованием

ПТК технологической автоматики и управления вспомогательным оборудованием осуществляет непрерывный контроль оборудования ­гидроагрегата и обеспечивает своевременное обнаружение отклонений от заданных режимов работы. Автоматическое управление гидроагрегатом позволяет быстро вводить в работу резервные гидроагрегаты и позволяет избегать работы вспомогательного оборудования вхолостую.

К основным функциям ­ТАиУВО относятся:
- пуск, включение в сеть и остановка гидроагрегата, реализуемые в виде заданной последовательности технологических действий;
- автоматическое управление технологическим водоснабжением для смазки всех вращающихся и подвижных частей агрегата, таких как подшипники и подпятник;
- автоматическое управление и контроль системы охлаждения, включая подачу воды на охлаждение уплотнений подшипников и подпятника, а также подачу дистиллята на охлаждение генератора;
- сигнализация и срабатывание гидромеханических защит при не­исп­равности узлов гидроагрегата.

Технологическая автоматика действует на остановку гидроагрегата при:
- повышении температуры сегментов подшипников и подпятника;
- уменьшении расхода воды на смазку подшипников и подпятника;
- понижении давления масла в котле МНУ;
- повышении частоты вращения гидроагрегата.

Часть критических для работы гидроагрегата параметров поступают только в подсистему технологической автоматики и необходима для оперативного контроля функционирования системы. Кроме того, работа гидроагрегата без гидромеханических защит недопустима, поэтому в ПТК ТАиУВО также используется резервированный контроллер.


ПТК измерений и сигнализации

Данная подсистема собирает информацию с неавтоматизированных шкафов и подсистем или от подсистем, имеющих локальную систему управления, например, релейную. Также в эту подсистему интегрируются для отображения и сигнализации на верхнем уровне следующие системы:
- микропроцессорная система электрических защит «Экра» по протоколу Modbus RTU;
- система возбуждения генератора «ЭлектроСила» по протоколу Modbus TCP;
- система виброконтроля Бент­ли-Невада производства GE по протоколу Modbus TCP;
- система силоизмерительных шайб на шпильках крышки турбины по протоколу UDP.

Из подсистемы ИС по протоколу Modbus TCP в защищенный регистратор технологической информации передаются все необходимые параметры о ходе технологического процесса.


ПТК теплового контроля

Подсистема теплового конт­роля гидроагрегата, как и следует из названия, решает задачи контроля температуры подшипников, подпятников, холодного и горячего воздуха, сердечников и обмоток статора основного и вспомогательного генератора, дистиллята, мас­ла. Эта система не заслуживала бы упоминания, если бы не количество параметров, обрабатываемых в ней. В ПТК ТК обрабатываются сигналы 730 термометров сопротивления, не считая сигнализаторов температуры. К примеру, такое количество точек измерения температуры насчитывают в сумме все генераторы Камской ГЭС.

Стоит также отметить нетривиальные алгоритмы проверки каждого сигнала на достоверность. Для каждого сигнала контролируются максимально допустимая скорость изменения, максимально допустимое рассогласование с сигналами его группы, вычисляются минимальные, максимальные и средние температуры по каждой группе параметров. При необходимости формируется сигнал на аварийный останов гидроагрегата. В результате цикл обработки всей программы на контроллере Simatic S7-417H сос­тавляет около 200 мс. Такой цикл является вполне допустимым для температурных параметров, но применение менее производительных контроллеров совместно с системой Simatic PCS7 для такого количества параметров было бы нежелательно.


Конструирование и изготовление ПТК

ПТК АРЗ, АРЧМ, МНУ, ИС, ­ТАиУВО, ТК выполнены в виде типовых напольных шкафов, в которых размещены подсистемы питания, контроллеры Simatic S7-414H/417H, распределенная периферия ET‑200 и панельные компьютеры IPC677C.

Рис.2.png

Рис. Напольный шкаф, в котором размещены подсистемы питания с контроллерами Simatic S7-414H/417H


Разработку конструкторской документации на программно-технические комплексы САУ ГА № 1 и № 7, их комплектацию и изготовление, а также создание и отладку необходимого программного обеспечения выполнила группа компаний «СМС-Автоматизация».

На весь комплекс работ по двум САУ ГА ушло чуть более 6 месяцев. Пусконаладка ПТК на площадке заказчика выполнялась под руководством специалистов «Силовых Машин» и заняла около 6 недель. Гидроагрегат № 1 был включен под нагрузку премьер-министром РФ В.В. Путиным 19 декабря 2011 года. Пуск гидро­агрегата № 7 был осуществлен вице-премьером правительства РФ И.И. Сечиным в марте 2012 года. В июне планируются испытание и пуск 8-го гидро­агрегата.

За 2011 год Саяно-Шушенская ГЭС выработала более 18 миллиардов кВт•ч электроэнергии. Это свидетельствует о том, что гидро­электростанция достигла пред­аварийного уровня использования мощностей.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 3(39)_2012

Р.В. Папировский, заместитель технического директора ООО НВФ «СМС»,
Группа компаний «СМС-Автоматизация», г. Самара,
тел.: (846) 269-1520,
www.sms-a.ru