Дистанционен мониторинг и управление на малки ВЕЦ

Световното потребление на електроенергия се увеличава постоянно, дължащо се отчасти на нарастващото население и глобалната нужда от енергия в промишлеността и инфраструктурата. Електроенергията, произведена от ВЕЦ, има предимството да бъде чист и възобновяем ресурс в сравнение с алтернативната възможност за използване на все по-оскъдните изкопаеми горива. Мониторингът е общ термин, който предполага непрекъснато проследяване на процеси, сравняване с предварително зададени допустими параметри и вземане на мерки при откриване на отклонения от тях. Наблюдението на оперативните параметри може да бъде локално от оператор или дистанционно, чрез използването на стандартно интелигентно електронно устройство (IED), което може да осигури автономна работа на ВЕЦ.

Текст: списание Енергия

Операторът трябва да инспектира визуално нивото на водата, произведената електрическа енергия, температурата на лагерите, наличието на вибрации, и при открити неизправности да предприема действия чрез ръчно управление на оборудването. Той също така регулира направляващите лопатки, съгласно напора, произведената енергия и спазва други инструкции, като например гарантиране на биологично минимален поток на водата. Всеки път, когато има прекъсване или авария на мрежата и генератора излезе от паралел, след ликвидиране на проблема операторът трябва отново да го включи. В зависимост от големината на съоръженията, ВЕЦ трябва да разполага със съответния брой дежурен персонал.

От друга страна компактното и интегрирано IED разполага с възможности за управление на електрически и механични устройства и сензори, включително ниво на водата, регулиране на турбината, синхронизация на генератора, комуникация, мониторинг и система за защита на малки водноелектрически централи. По този начин мониторингът и управлението лесно могат да се извършват само от един единствен човек.

Възможности за дистанционен контрол

Количеството вода, която може да се използва в една водна електрическа централа (ВЕЦ), освен от действителния поток зависи от температурата, сезона и други, като се регулира от екологични и законови съображения. За това е необходимо да се наблюдава и да се събират съответните данни. Историческият преглед на тази информация помага при планирането на производството на електрическа енергия. Въвеждането на нови информационни и комуникационни технологии предлага нови възможности за ефективно управление и мониторинг. Те стават по-евтини и по-надеждни и по този начин интересни за собственици на такива централи. Като се има предвид, че системите за контрол и наблюдение на големите централи са сложни и скъпи, необходимостта от по-евтино решение е очевидно.

Следователно основната цел е намиране на решение за отдалечен мониторинг и контрол на малка ВЕЦ, което позволява безопасно спиране, включване в паралел с мрежата, регулиране на турбината, алармиране за критични събития и регистриране на данни за важни параметри. Централите се различават по отношение на типа турбина, задействане на дюзите или направляващите лопатки, разполагаемия обем вода, допустимия максимален и минимален напор, технологиите за безопасност, автоматичното включване и т.н.

Дори при малките водноелектрически централи трябва да бъдат включени относително голям брой функционалности за ефективно управление и защита, в сравнение с по-големите електроцентрали. Необходими са функции като контрол на напрежението, наблюдение генератора, контрол на турбината, управлението на водите, пускане/спиране, оборудване за възбуждане на генератора, интерфейс за локално управление от оператор или достъп чрез отдалечен компютър. Тези изисквания довеждат сложността и разходите почти до нивото на големи ВЕЦ. Въпреки, че оптимизираното производство е важно, най-същественото изискване е безопасно управление на водите и система за сигурна защита. Освен това капацитета за съхранение при малки ВЕЦ ще се счита за предимство за мрежовия оператор, когато балансира други възобновяеми източници като вятърни генератори, което от своя страна ще повиши търсенето на гъвкава работа на електроцентралата.

Подходът е интегрирането на мониторинг на централата и контрол на функционалността на турбината и генератора в едно високо производително IED за защита и контрол. Сигналите за напрежение и ток, които се използват от блока за защита също са на разположение на системата за контрол, без допълнително окабеляване. Интеграцията на функционалност в едно устройство се разглежда като ключ към подобряване на ефективността на разходите.

Комуникациите от друга страна са технологична област с бързо развитие. Следователно комуникационния модул трябва да е отделен елемент, който може да бъде заменян по-често от устройството за контрол и защита. Препоръчва се използването на комуникационен блок, базиран на стандарта IEC 61850, с допълнителни опции за дистанционни комуникации към отдалечен компютър или оперативна зала.

Електронно оборудване и сигнализация

Чрез използването на модерно електронно оборудване се предвижда значително да намалее размера на инсталацията за контрол, защита на оборудването и комуникациите. Гъвкавостта на настройките на релейните терминали позволява защита на всеки генератор и по-специално на системи според концепцията Microhydro, където са необходими още повече функции за да бъдат интегрирани в една обща платформа.

Цифровото устройство за защита и управление е изградено на базата на микропроцесорна технология, има ниска консумация на енергия от измервателните вериги, притежава голяма гъвкавост, която лесно се адаптира към нуждите на потребителя по отношение на включените защитни функции, броя на необходимите токови и напреженови входове (т.е. 10 или 20 аналогови входове), оптично изолираните двоични входове и контактните/релейни изходи.

Изискванията за изключване и външна сигнализация, както и нуждата от светодиоди (LED) за локална индикация на статуса на устройството са лесно осъществими. Функциите за защита и управление са налични като стандартни/опционални софтуерни модули и представляват функционални блокове. Всяко отделно защитно IED може да има вграден, многоцветен 18LED модул за визуална индикация, интегриран регистратор за запис на неизправности и събития, на до 10 аналогови и 48 двоични сигнала. Като безпотенциални контакти могат да бъдат предоставени аларми за локалната светодиодна индикация или дистанционно чрез комуникация,за отклонението от номиналната стойност на честотата и напрежението,товара, пренапрежение и превъзбуждане на генератора.

Системи за защита и контрол на генераторите

Генераторите са проектирани да работят много на брой години с висок коефициент на натоварване и в някои случаи допускат извънредни условия на работа. Синхронната машината и нейните спомагателни устройства се наблюдават постоянно за да се намали излагането на извънредни условия на работа до абсолютен минимум. Въпреки наблюдението, понякога се случват електрически и механични повреди, за това генераторите трябва да имат защитни релета, които бързо да инициират изключване на машината от системата в случай на повреда.

За различни видове и размери генератори не съществува международен стандарт по отношение на необходимата конфигурация на защитните схеми. Производителите предоставят препоръки и има указания, дадени от различни организации по стандартизация. Необходимо е да се отчита и конкретната конструкция на машината. Поради тези съображения защитните схеми на генератора са гъвкави.

При концепцията Microhydro, генератора и повишаващия трансформатор са защитени чрез общото оборудване. Има и резервни защити за повреди извън защитената зона. На практика има много механични и термични устройства за защита, които помагат за избягване на повреда в хидрогрупата. Техните изходни сигнали обикновено идват в таблото със защитите като безпотенциални контакти или токови или напреженови сигнали, които се добавят към общата схема за изключване и аларма през входовете на IED.

Системата за защита на генератор с REG650 отговаря на изискванията за максимална надеждност и достъпност. Вътрешен/външен дискриминаторза неизправностина базата на величини с обратна последователност позволява вземане на бързо и правилнооперативно решение. Уникалните основни функции за защита са в състояние селективно да определят и да изчистят всички видове неизправности в намотката на статора. Критериите за откриване могат да бъдат използвани за създаване на интелигентни, специфични за приложението функции за подобряване на системата на защита, за да отговарят на много специфични изисквания, например при промяна на условията на работа на централата.

REG650 предлага готови решения с цялата необходима функционалност за защита на малките и средни генератори. Със своите 20 аналогови входа, то е едно от най-компактните устройства за защита на генератори на пазара. Това позволява реализиране и интеграцията на допълнителни защити. REG650 дава възможност да се използват няколко комуникационни протокола в паралел за комуникация със системата за контрол на централата, системата за наблюдение или релейната защита. Те са проектирани според стандарта IEC61850 в изпълнение на всички аспекти, като по този начин се гарантират отворени и гъвкави системни архитектури с най-съвременни характеристики. Тези нови възможности могат да се използват в схеми за сигнализация и защита на генератора.

снимка: Kraft-on

Управление и контрол на хидротурбината

Регулаторът на хидротурбината е едно от най-важните съоръжения във ВЕЦ, който реализира адаптивно управление на водната турбина и индикация. При откриване на отклонение от зададената скорост на въртене на хидрогрупата, той регулира водния поток, преминаващ през турбината така, че да се елиминира грешката. Управлението на турбината е затворена система, която се състои от контролер, хидравлична масло-напорна уредба (МНУ) и хидравличен цилиндър като обект за регулиране. Регулаторът може автоматично да регулира скоростта на въртене на турбината и да я поддържа в рамките на допустимото отклонение, така че да отговаря на изискванията за качество на честотата на електрическата мрежа. Той може бързо и автоматично да настрои хидрогрупата за синхронизация с електроенергийната система и да я включи в паралел. След това да адаптира товара на генератора към подаваното количество вода чрез следене на нивото. За различните видове турбини съществуват съответните регулатори, които отчитат техните специфични особености.

Концепцията Microhydro следва да се прилага независимо от използваната турбина и генератор, например при асинхронни генератори без възбуждане, както и за синхронни генератори с възбуждане. Малките водноелектрически централи са били инсталирани в продължение на повече от 100 години с различни видове възбуждане, съществуващи и днес. Старите синхронни генератори обикновено имат въртящсе постояннотоков генератор със самовъзбуждане, задвижван от вала на турбината или мотор. По-новите инсталации обикновено имат статично електронно оборудване за възбуждане. Безчетковите синхронни генератори са рядкост в малките водноелектрически централи поради по-високите им номинални обороти на въртене.

Необходимото управление на малка ВЕЦ се осигурява от няколко основни функционални блока. Те включват контрол на нивото на водата с различни режими на работа, нормална работа при определена мощност, дебит на водата или отваряне на лопатките, логика за определяне на моментите за пускане и спиране, синхронизация с необходимия контрол на скоростта, както и включване на прекъсвача, контрол на затворните съоръжения, направляващия апарат и лопатките на работното колело чрез двоични сигнали, увеличение/намаление на таймери и броячи за всеки задвижващ механизъм.

По отношение на нивото на водата са предвидени няколко режима на работа. Непрекъснат контрол на горно ниво чрез регулиране на отварянето на турбината и отваряне на савака, само ако дебита е по-голям от този, който може да премине през турбината при пълно отваряне на лопатките на работното колело. Пулсиращият режим се използва когато нивото на водата се приближава към горна или долна граница, тогава хидрогрупата автоматично се синхронизира с мрежата и започва да работи в паралел с мрежата. При достигане на долното ниво, хидрогрупата автоматично се изключва и спира, докато нивото на водата достигне горната зададена граница. Този режим намира приложение при ВЕЦ с горен изравнител с определен обем или язовир. Управление на нивото в определени граници. Обикновено турбината работи в зададена работна точка. Когато нивото на водата достигне определената граница, се задейства регулатора и отваря турбината до достигане на долната граница. След това турбината се притваря докато се достигне горната граница на нивото на водата. Този режим е подходящ за ВЕЦ, които отклоняват водата за своята работа от река, където притока се променя в определени граници.

Основни функции на системата за дистанционно управление

Функционалните блокове имат множество настройки на параметрите, които позволяват адаптиране към конкретната електроцентрала. В допълнение към това, могат да се изберат точните условия, които да бъдат включени в стартовата последователност чрез добавяне на прости логически функционални блокове. Освен автоматично пускане и спиране, разбира се, е възможно да се получи ръчно пускане или спиране, както и да се коригират стойностите на работните точки и граници, които управляват работа на оборудването.

Полето за комуникация е предназначено да работи като шлюз между мрежите на централата и доставчика на интернет, като осигурява дистанционно управление. Предложеното решение за комуникация използва три различни вида мрежи за три цели. Мрежата на станцията се базира на Ethernet и TCP/IP и може да бъде проектирана като стандартна офис мрежа, за да се даде възможност за лесно свързване на различни устройства, например локален HMI панел, уеб камери и други видове Ethernet устройства. Точката за достъп до интернет също е базирана на Ethernet и TCP/IP, за да се даде възможност да бъдат свързани възможно най-широк кръг от комуникационни пътища между станцията и центъра за управление. Тази мрежа се използва за дистанционно свързване с контролния център чрез обществена или частна мрежа, например GSM или наети телефонни линии. Мрежата за работа в реално време, базирана на стандарта IEC61850, се използва за свързване между интелигентните електронни устройства.

Чрез използването само на стандартен уеб браузър на локалния сензорен графичен HMI може да се наблюдава целия процес на работа на ВЕЦ. Като алтернатива за същата цел потребителят би могъл да използва лаптоп, с които разполага при посещенията си в станцията. За реализиране на електрическите защити, мрежата се базира на оптичен Ethernet за да се предостави галванична изолация. 

Огромното количество различни решения, които съществуват днес, не позволяват да се определи едностандартно решение за регулиране на възбуждането. Концептуалната цел е да се осигури едно решение с интегриран подход и едно решение с изчистен интерфейс за възбуждането и софтуера.

Основните характеристики на решението за водноелектрическите централи са да използват стандартни алгоритми, предназначени специално за производството на електроенергия. То предвижда отказ от устойчиво предаване на данни чрез сигурни комуникационни схеми, използва разпределена архитектура за увеличаване на надеждността, лесно разширяема за да отговори на бъдещите изисквания за растеж, използва система от релационна база данни за координация и поддържа, изпълнява дистанционно стартиране, спиране или следене на оборудването за свеждане до минимум на посещенията на място, извършва автоматично изключване за защита на оборудването, извършва онлайн диагностика за бързо изолиране и отнасяне на проблемите и лесно разпространяване на информация за ефективна експлоатация на ВЕЦ.