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.

Регулируемая мощь. Система группового регулирования активной мощности Жигулёвской ГЭС

От системы группового регулирования активной мощности на гидроэлектростанциях зависит качество электроэнергии в целых регионах. Особенно когда электростанция – Жигулёвская ГЭС, играющая важную роль в ЕЭС России. Модернизированная система ЖиГЭС ГРАМ была разработана и внедрена специалистами ООО НВФ «Сенсоры, Модули, Системы» и теперь полностью отвечает возложенным на нее задачам.

Группа компаний «СМС-Автоматизация»

СМС-автоматизация.jpg


Жигулёвская ГЭС – одна из крупнейших российских гидроэлектро­станций. Построенная на Волге в 1950‑х годах по уникальному проекту, эта станция не только вырабатывает огромное количество электроэнергии – у нее есть еще одна важнейшая особенность: благодаря своему географическому положению (в верхнем бьефе станции находится Куйбышевское водохранилище), она способна эффективно участвовать в регулировании частоты и мощности электроэнергии на европейской части России во время сезонных пиковых нагрузок. А сколько людей и предприятий пострадает, если качество электроэнергии в самых густонаселенных регионах России будет плохим, пожалуй, не имеет смысла объяснять.

Станцию постоянно совершенствуют и обновляют. Можно сказать, это ее традиции. Какое бы тяжелое положение ни было в стране, Жигулёвская ГЭС вводит у себя цифровые системы учета и контроля, реконструирует распределительные устройства, модернизирует гидроагрегаты, оснащает оборудование современными средствами автоматики. В 2011 году на станции была модернизирована система группового регулирования активной мощности – ГРАМ. Как раз от ее работы и зависит устойчивость функционирования энергетической системы европейской части России в моменты пикового потребления. Применение системы ГРАМ началось на станции еще в 1970‑х годах, с тех пор несколько раз проводилось ее усовершенствование и обновление технической базы. Сегодня же с помощью модернизированной системы ГРАМ гидроагрегатами Жигулёвской ГЭС можно управлять прямо из Москвы с максимальной надежностью и безопасностью.

Сразу после внедрения новую систему стали самым тщательным образом испытывать и дорабатывать, приводя в состояние, полностью соответствующее возложенным на нее задачам. Именно о результатах этого труда, выполненного специалистами ООО НВФ «Сенсоры, Модули, Системы» совместно с персоналом станции, и пойдет речь в статье.

В декабре 2012 года новая система группового регулирования активной мощности филиала ОАО «РусГидро» «Жигулёвская ГЭС» была введена в промышленную эксплуатацию. Таким образом, работа по модернизации системы, начатая специалистами компании ООО НВФ «СМС» в 2011 году, была завершена.

Система ГРАМ Жигулёвской ГЭС (ЖиГЭС ГРАМ) предназначена для автоматического регулирования активной мощности ГЭС по сигналам задания, поступающим со станционного и вышестоящего уровней управления, а также формируемым в самой системе, когда частота с распределением нагрузки между агрегатами отклоняется от заданного значения.

Основной задачей системы ГРАМ является распределение задания мощности по агрегатам, подключенным к групповому регулированию. Агрегатными исполнительными устройствами являются регуляторы частоты вращения (РЧВ), обеспечивающие исполнение заданий от микропроцессорного центрального регулятора (МПЦР). После реконструкции на гидротурбинах ряда агрегатов установлены новые регуляторы ЭГР-МП‑2 и МПРЧ. Остальные гидротурбины оборудованы гидромеханическими регуляторами типа РКО‑250.

Как уже было написано выше, Жигулёвская ГЭС является станцией, регулирующей частоту в единой энергосистеме (ЕЭС). Система ГРАМ, в свою очередь, является основной системой регулирования станционного уровня, поэтому от ее надежного функционирования прямо зависит качество электроэнергии в ЕЭС. Одним из методов повышения надежности является резервирование, которое подразделяется на резервирование устройств, резервирование связей и функциональное резервирование.

Техническим заданием предусматривалась замена блока центрального регулятора на резервированный. Таким образом можно продублировать блок центрального регулирования. Аппаратная реализация была выполнена на базе программируемых логических контроллеров Siemens линейки S7-400H. С их помощью удалось достичь резервирования по функциям расчета заданий для гидроагрегатов, сохранив все ограничения, накладываемые на систему, такие как ограничения по напору, общестанционные, индивидуальные ограничения по гидрогенераторам и другие. Кроме того, достигается резервирование расчета величины частотной коррекции благодаря подключению двух измерительных преобразователей частоты.

Сигналы управления заданием ГРАМ от центрального регулятора системного оператора ЕЭС поступают в терминал автоматического регулятора частоты и мощности (АРЧМ), который представляет собой дублированный терминал Smart КП производства РТСофт (рис. 1).

Рис.1_.png

Рис. 1. Схема терминала автоматического регулятора частоты и мощности АРЧМ

Следует отметить, что эти устройства работают именно в режиме дублирования, а не резервирования. Это выражается в том, что поток данных идет от обоих устройств одновременно, однако актуальные данные содержатся лишь в одном потоке. Взаимодействие между Smart КП и центральным регулятором осуществлялось по протоколу МЭК 60850-104. Для реализации такого протокола Siemens предлагает закрытую программную библиотеку, но работа с дублированными потоками данных в библио­теке не поддерживается. Отсюда возникает задача подключения к дублированному устройству и семантическому анализу данных, поступающих от Smart КП. В настоящее время решено, что эту функцию будут выполнять сетевые коммутаторы с поддержкой подключения к двум независимым сетям, однако в момент построения системы подобные устройства отсутствовали.

После вычисления заданий эти задания поступают на вход исполнительных устройств – регуляторов частоты вращения, выполненных либо в виде микропроцессорных систем управления МПРЧВ‑М и ЭГР-МП, либо в виде аналоговых схем, управляющих колонкой типа РКО‑250.

Важно, что исполнительные устройства не являются резервированными. Повышенная надежность их работы обеспечивается за счет функционального резервирования системой технологической автоматики и не является предметом данной статьи. Таким образом, возникает проблема связи между резервированным центральным регулятором и нерезервированным исполнительным устройством. Кроме того, необходим интеллектуальный модуль для проверки условий готовности подключения гидрогенератора к системе ГРАМ и формирования сигналов задания для гидроагрегатов, оснащенных колонкой РКО‑250.

Для решения подобных задач предполагалось применить станцию распределенной периферии на базе линейки ET 200S CPU производства фирмы Siemens. Наличие центрального процессора позволяет решить технологические задачи даже при отсутствии связи с центральным регулятором. Три порта Ethernet дают возможность подключаться к двум физически независимым сетям, тогда как логически станция распределенной периферии представляет собой одно устройство и обладает одним IP-адресом. В случае присоединения двух различных сетей к одной станции ЕТ 200 происходит их объединение, что нежелательно. Кроме того, время передачи сигнала задания мощности на исполнительное устройство и обратного сигнала отработки этого задания должно быть минимальным для обеспечения временных характеристик контура регулирования.

В результате проектно-изыскательских работ была разработана следующая структура системы (рис. 2).

Рис. 2. Резервированная система группового регулирования активной мощности (ГРАМ) Жигулёвской ГЭС 

ЖиГЭС ГРАМ представляет собой распределенную многоуровневую информационную систему, рассчитанную на длительное функционирование.

В комплексе ее технических средств выделены следующие иерархические уровни:
- первый уровень – распределенной периферии;
- второй уровень – центрального регулирования;
- третий уровень – визуализации и архивации.

Основными элементами первого, или нижнего, уровня являются станции распределенной периферии, организующие управление подключенными к системе гидроагрегатами.

Управление гидроагрегатами осуществляется:
- путем выдачи управляющих сигналов через модулятор для агрегатов с регуляторами РКО‑250;
- путем формирования сигнала 4–20 мA для агрегатов с ЭГР-МП;
- путем формирования токового сигнала 4–20 мА для гидроагрегатов, имеющих микропроцессорный регулятор МПРЧ(М).

В качестве станций распределенной периферии в ЖиГЭС ГРАМ используются микропроцессорные контроллеры ET 200S CPU.

Центральный регулятор подключается к сетям верхнего и нижнего уровней. Верхний уровень объединяет центральный регулятор с терминалом АРЧМ и реализует функцию получения задания от системного оператора ЕЭС. К сети верхнего уровня также подключаются серверы ГРАМ, автоматизированные рабочие места оперативного персонала (АРМ ОП) и средства местной визуализации – операторские панели (ОП). Это позволяет организовать сбор данных с уровня центрального регулирования, долговременное хранение данных, их обработку, визуализацию текущего состояния системы. Сеть нижнего уровня физически является сетью типа «двойная звезда» с коммутатором Scalance серии XR‑300 производства фирмы Siemens, которая объединяет центральный регулятор со станциями распределенной периферии. В связи с уже отмеченной аппаратной особенностью ЕТ 200 происходит логическое объединение в кольцо двух разных сетей, что приводит к неработоспособности сети. Для устранения этой проблемы порты одного из коммутаторов блокируются. При нарушении обмена через активное соединение алгоритм rapid spanning tree (RSTP) блокирует порт с нарушенным соединением и деблокирует соответствующий порт во втором коммутаторе. Это выполняется автоматически аппаратными средствами коммутаторов. Диагностические статусы активности соединений отслеживаются программным обеспечением для дальнейшего отображения и архивирования.

Еще одна особенность системы продиктована необходимостью организовать высокоскоростной гарантированный обмен между центральным регулятором и станциями распределенной периферии. В качестве протокола, основанного на Ethernet и подходящего одновременно по параметрам скорости и надежности, был выбран Profinet, представляющий собой расширение стандартного протокола Ethernet.

Следует отметить, что линейка S7-400H не поддерживает этот протокол, поэтому для соединения центрального регулятора со станциями распределенной периферии были добавлены шлюзовые контроллеры на базе S7-300 PN/DP, которые подключаются к МПЦР посредством сети Profibus и к коммутаторам нижнего уровня при помощи сети Profinet. Такая схема позволила выполнить все требования к сети нижнего уровня как по быстродействию, так и по надежности.

Важной особенностью системы является метод подключения станций распределенной периферии к двум сетям, поскольку подобный функционал не содержится в стандартных схемах подключения. В станциях распределенной периферии использована функция подключения к двум ведущим устройствам Profinet IO – Shared Device, что позволяет создать два логически разных устройства с идентичным набором входов/выходов на базе одного физического устройства – станции распределенной периферии. Данные виртуальные устройства созданы как I‑Slave, то есть обращаются не к физическим входам и выходам, а к виртуальным. Совокупность этих двух стандартных функций вместе с программным алгоритмом отслеживания активного соединения позволили реализовать двухсторонний обмен нерезервированной станции распределенной периферии и резервированного центрального регулятора.

Подводя итог, еще раз перечислим нововведения, внедренные в систему ЖиГЭС ГРАМ:
- дублированная система, основанная на сети Profinet, топологии «двойная звезда», с обеспечением резервирования всех связей и узлов сети за исключением станций распределенной периферии;
- реализация обмена данными между резервированными и дублированными системами;
- обеспечение необходимого качества регулирования за счет высокой скорости всех потоков информации в системе.

Благодаря проведенным работам общая надежность системы ГРАМ была повышена до уровня, отвечающего техническому заданию. Тем самым были обеспечены гарантии регулирования частоты в энергосистеме.

Статья опубликована в журнале «ИСУП», № 1(43)_2013

А.А. Сидоров, заместитель руководителя проектного офиса НВФ СМС,
Группа компаний «СМС-Автоматизация», г. Самара,
тел.: (846) 269‑1520,