Тренажер с динамическими компьютерными мнемосхемами гидроагрегатов и электрических схем Павловской ГЭС 166.4МВт

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ

Описание объекта.

Полное наименование системы: «Тренажер с динамическими компьютерными мнемосхемами гидроагрегатов и электрических схем Павловской ГЭС 166.4МВт». 

Условное обозначение: «Тренажер Павловской ГЭС».

Год выпуска: 2022 год.

ВВЕДЕНИЕ.

Тренажер с динамическими компьютерными мнемосхемами гидроагрегатов и электрических схем Павловской ГЭС производственной площадки Приуфимской ТЭЦ филиала ООО «БГК» разрабатывается и внедряется для подготовки, переподготовки и повышения квалификации оперативного и обслуживающего персонала Павловской ГЭС, позволит формировать и поддерживать на высоком уровне навыки оперативного персонала при производстве переключений в электроустановках и управлении гидротурбинным и гидромеханическим оборудованием станции в нормальном и аварийном режимах работы.

В тренажере, разработанном на базе современных IT-технологий, реализуется искусственное воспроизведение условий и факторов, аналогичных тем, которые имеют место в процессе эксплуатации реального объекта.

Уникальность тренажера заключается не только в применении современных информационных технологий, направленных на усовершенствование программного обеспечения, но и в методике разработки математической модели тренажера, а также организации тренажерной подготовки при обучении кадрового ресурса электростанции.

В состав моделирования объекта-прототипа тренажера входят:

• четыре гидроагрегата мощностью по 41,6 МВт,
• Открытое распредустройство ОРУ-110,
• Открытое распредустройство ОРУ-35,
• Распределительные устройства ГРУ-10, КРУ-10,
• Распределительное устройство КРУН 6,3,
• Распределительное устройство СН-0,4 кВ,
• ЛЭП,
• блочные трансформаторы,ТСН,
• Главный щит управления (ГЩУ),
• Агрегатные щиты управления (АЩУ),
• Релейный щит РЩ,
• АСУ ТП «Овация»,
• ГРАРМ,
• автоматика, блокировки, сигнализация;
• вспомогательные системы ГА,
• щиты возбуждения,
• ячейки КРУ, выключатели, разъединители, ТН,
• сборки питания, шкафы управления и др.

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА-ПРОТОТИПА.

Павловская ГЭС представляет собой плотинную русловую гидроэлектростанцию со зданием ГЭС, совмещённым с водосливной плотиной, установленная мощность  электростанции — 166,4 МВт, среднегодовая выработка электроэнергии — 590 млн кВт·ч. Напорные сооружения ГЭС образуют Павловское водохранилище.

В здании ГЭС под водосливами установлены 4 вертикальных гидроагрегата мощностью по 41,6 МВт, с поворотно-лопастными турбинами ПЛ 577-ВБ-550, работающими при расчётном напоре 22 м. Турбины семилопастные, диаметр рабочего колеса 5,5 м, произведены Харьковским турбинным заводом (в настоящее время АО «Турбоатом»). Турбины приводят в действие генераторы СВМ 1030/120-68 УХЛ4 производства ПАО «Силовые машины».

На Павловской ГЭС используется автоматизированная система управления оборудованием электростанции на базе программно-технического комплекса «Овация» фирмы Эмерсон.

Для выработки и передачи мощности на площадке ПГЭС применена блочная схема соединения генератор-трансформатор по одиночному типу с частичным распределением электроэнергии на генераторном напряжении. Все блоки выполнены по одинаковой схеме.

Гидрогенераторы ст. №№ 1-4 работают на шины главного распределительного устройства ГРУ-10 кВ.

Мощность с шин ГРУ 10 кВ через комплектные распределительные устройства 10 и 6 кВ, открытое распределительное устройство ОРУ-35 кВ выдается потребителям электроэнергии, а также посредством трансформаторов 1Т-4Т в ОРУ 110 кВ.

Мощность с шин ОРУ 110 кВ выдается в сеть 110 кВ по 5 воздушным линиям электропередач ВЛ-110 кВ:

• СПП – Павловская ГЭС с отпайками;
• Уфимская ТЭЦ-3 – Павловская ГЭС с отпайками;
• Павловская ГЭС – Новый Субай с отпайками;
• Павловская ГЭС – Кундашлы 1;
• Павловская ГЭС – Кундашлы 2.

К 1секции ОРУ 35кВ через ШР МВ ВЛ «Бирючево поле» и ЛР ВЛ «Бирючево поле» выключателем МВ ВЛ «Бирючево поле» подключена воздушная линия «Бирючево поле». Схема ОРУ 35 кВ секционированная, состоит из двух секций, объединенных секционными разъединителями СР 1С и СР 2С. Питается от ячеек КРУ-10 кВ через трансформаторы 5Т и 6Т.

Каждый из 4-х энергоблоков состоит из гидрогенератора 10,5 кВ с установленной мощностью 41,6 МВт и повышающего двухобмоточного трансформатора 10,5/110кВ мощностью 63 МВА с разъединителем и выключателем нагрузки на генераторном напряжении. Вырабатываемая генераторами электроэнергия после повышения напряжения главными трансформаторами поступает на сборные шины распределительного устройства ОРУ 110кВ откуда через присоединения ВЛ 110кВ распределяется потребителям. 

На стороне генераторного напряжения распределение электроэнергии осуществляется через отпайки и КРУ 10кВ на электроснабжение собственных нужд ГЭС напряжением 0,4кВ, потребителей организации «Шлюз» напряжением 10кВ, потребителей поселка напряжением 35 кВ и 6,3кВ.

От КРУ 10 кВ через понижающие трансформаторы 10,5/6,3кВ и далее через вводные ячейки с масляными выключателями МВ7Т или МВ8Т питание подается на КРУН 6,3 кВ, где распределяется по ячейкам местных потребителей. КРУН предназначена для электроснабжения потребителей поселка напряжением 6,3кВ. Состоит из 12 комплектных шкафов серии К-ХIII.

Собственные нужды площадки ПГЭС разделяются на агрегатные и общестанционные, все они питаются от КРУ 10,5 кВ [2].

2. СОСТАВ ТРЕНАЖЕРА.
   • Модель объекта и режимы работы.

В состав тренажера входят математические модели:

• гидравлической части гидроагрегата;
• тепломеханической части гидроагрегата;
• электрическая схема блока генератор-трансформатор;
• главная электрическая схема станции;
• электрическая схема питания собственных нужд станции;
• трансформаторы;
• система аварийной и предупредительной сигнализации;
• РЗиА.

Математические модели гидравлической и тепломеханической частей гидроагрегатов, вспомогательного оборудования ГЭС состоят из дифференциальных уравнений, основанных на рассмотрении физической природы процессов, то есть стандартных балансовых уравнений, а количественные зависимости и направленность процессов определяются законами термодинамики, гидродинамики и т.д. Зависимости между параметрами связей однозначно и единообразно описываются уравнениями энергетического, расходного и гидравлического балансов в элементах оборудования [3].

Основными составляющими тренажёра также являются математические модели генератора, системы возбуждения, электрической цепи, средств РЗА, трансформаторов, коммутационных аппаратов, электродвигателей и упрощённая модель энергосистемы при работе на длинную линию;

Модели гидрогенераторов реализованы на основе системы дифференциальных уравнений Парка-Горева и описывают работу генераторов в синхронном, асинхронном и двигательном режимах с непрерывным переходом из одного режима в другой.

Модель электрической цепи основана на системе дифференциальных уравнений, выражающих законы Кирхгофа, и описывает динамику напряжения, токов и частоты во всех режимах, включая аварийные.

В общем, математическая модель данного объекта, а именно модель гидроэлектростанции с полным комплексом гидравлического, энергетического и электротехнического оборудования воспроизводит все режимы работы оборудования при любых переключениях в схеме электростанции, при выработке и регулировании мощности в энергосистеме, в пусковых и остановочных режимах гидроагрегатов, а также аварийных режимах, задаваемых с пульта инструктора. Такими аварийными режимами могут быть короткие замыкания на линиях, шинах, в трансформаторах, генераторе, на присоединениях, отказы в работе гидравлического оборудования.

• Модель системы управления.

В Тренажере с компьютерными динамическими мнемосхемами гидроагрегатов и электрических схем ПГЭС за основу для моделирования взята система управления оборудованием, эксплуатируемая в данный момент на Павловской ГЭС. Мнемосхемы управления гидроагрегатами, главной электрической схемы визуально идентичны реальным.

Модель системы управления тренажера позволяет взаимодействовать с объектами гидромеханической части и главной электрической схемы станции, контролировать текущее состояние параметров и оборудования, срабатывание защит и сигнализации в таком же представлении, как и на реальной системе Павловской ГЭС, привычной для персонала, в объеме, необходимом для проведения обучающих тренировок.

Согласно Техническому проекту, в интерфейсе тренажера реализованы следующие системы управления ПГЭС: АСУ ТП, ГЩУ, управление с местных и релейных щитов ГА, трансформаторов, РЗиА и другого электротехнического и гидромеханического оборудования гидростанции.

Управляющие и информационные окна тренажера соответствуют реальным из АСУ ТП и имеют аналогичное назначение, аналогичный интерфейс.

Для выполнения некоторых обязательных действий, не предусмотренных системой АСУ ТП, например, осмотр, визуальная проверка включенного или отключенного состояния разъединителя, заземляющих ножей, состояния выключателей, ввод-вывод защит, управление ГА с местных щитов управления  и т.д., а также для соответствия возможных действий оперативного персонала реальным, в тренажере, помимо модели АСУ ТП, предусмотрены дополнительные функции в управлении оборудованием. 

Например, управление коммутационными аппаратами смоделировано таким образом, что их включение и отключение (разъединителей, заземляющих ножей) можно было бы осуществлять как с помощью АСУ ТП, так и через местные щиты на ОРУ. Для этого предусмотрена кнопка переключения режима управления с местного на дистанционный и обратно. То есть, для выполнения операций на ОРУ, необходимо переключить управление на местное и вызовом на мнемосхеме соответствующего значка коммутационного аппарата открыть его интерактивное изображение с присутствующим здесь же шкафом управления.  

В состав мнемосхем тренажера введены дополнительные управляющие схемы с набором оборудования блочных и агрегатных щитов управления, панелей ГЩУ, РЗиА, выключателей с другой стороны воздушных линий электропередач и иного оборудования, необходимого для выполнения операций по бланкам переключений и расширения зоны обслуживания оборудования ГЭС.

Панели и шкафы управления гидроагрегатами, РЗиА, ГЩУ, сборок питания  выполнены по фотографиям ячеек и имеют управляющие элементы (ключи, кнопки, автоматы) такие же, что и в реальности.

При вызове с экрана любого управляющего элемента появляется соответствующее диалоговое окно с изображением реальной панели управления, где присутствуют все необходимые функции для работы с данной панелью и отражающие ее состояние.

Кроме управляющих элементов на мнемосхемы тренажера выведены динамические параметры схем: напряжения на шинах, ВЛ, трансформаторах, токи по линиям, активные и реактивные мощности, параметры гидромеханического оборудования. Состояние этих параметров зависит от состояния электрической схемы и режима работы ГА и адекватно реагирует на любые воздействия при их изменении. В случае выхода параметров за верхние или нижние границы – срабатывает предупредительная или аварийная сигнализация, может произойти аварийное отключение.

Одна из основных функций в модели системы управления тренажера, не входящая в состав АСУ ТП, – это ведение телефонных переговоров с диспетчером. В случае необходимости переключений в схеме, оператор обязан по телефону связаться с диспетчером для получения разрешения на то или иное действие, отчета о произведенных переключениях. Проведение телефонных переговоров выполнено в форме диалога, то есть на каждое свое обращение оператор получает ответ и указания о дальнейших действиях.

При обслуживании электрооборудования важное место занимают технические меры по обеспечению техники безопасности. Имеются ввиду переключения на электрооборудовании, выполнение мер, препятствующих ошибочному или самопроизвольному включению коммутационных аппаратов, установка защитного заземления, вывешивание плакатов по ТБ.

Вывешивание плакатов на переключаемом электрооборудовании – одно из основных требований, обеспечивающих безопасность людей в электроустановках, реализовано в  тренажере. При работе по сценариям по выводу установки в ремонт или проведении противоаварийных тренировок контролирующая программа тренажера фиксирует каждый вывешенный плакат и его соответствие месту. За неправильные действия по таким операциям будут начислены штрафные баллы.

Указатели высокого напряжения по уровням напряжения выполнены для определения наличия напряжения на токоведущих частях электрооборудования и линиях электропередач. Визуально идентичны реальным, имеют сигнальную лампу и находятся в составе электроинструментов тренажера.

• Модель системы защит.

Модель системы защит включает следующие модели:

• защиты гидроагрегатов;
• защиты гидрогенераторов;
• защиты трансформаторов;
• защиты линий;
• защиты шин.

 Модель системы защит воспроизводит работу защит оборудования в аварийных ситуациях и при повреждениях оборудования на гидроэлектростанции. Реализация модели защит проводилась на основе технической документации, предоставленной Павловской ГЭС, и в достаточной мере точно имитирует их работу.

Управление гидромеханическими защитами гидроагрегатов входит в систему АСУ ТП и осуществляется с соответствующей мнемосхемы, входящей в состав аварийной сигнализации в АСУ ТП. В данной подсистеме содержатся защиты по давлению в котле МНУ, температурам сегментов подшипников и подпятника ГА, от разгона ГА, пожаротушению и др., выполненные для каждого из трех гидроагрегатов.

Информация о сработавших защитах представляется в общем списке центральной сигнализации АСУ ТП дискретных сигналов и дублируется в специальном отдельном окне аварийной и предупредительной сигнализации системы тренажера с внесением в протокол контроля.

Управление электрическими защитами ГЭС в тренажере производится из шкафов резервных и основных защит, расположенных на агрегатных и релейных щитах, для которых предусмотрены отдельные мнемосхемы ЗиУ БГТ и РЩ, выполнено по фотографиям шкафов РЗ и максимально приближено к реальному. Шкафы защит имеют идентификационные номера такие же, как их маркировка на электростанции и легко узнаваемы на мнемосхемах тренажера, изображаются в виде кнопок и областей перехода. В момент срабатывания защиты срабатывает сигнал желтого или красного цвета совместно со звуковой сигнализацией. Сигналы, ключи, переключатели и кнопки в шкафах защит отрабатывают аналогично реальным. Отображение информации по защитам и другим системам тренажера повторяет интерфейс АСУ ТП объекта и дает возможность проводить обучение персонала в условиях, приближенным к рабочим.

• Модель блокировок.

Реализована модель блокировок, имеющихся на гидроэлектростанции. Сюда входят блокировки основного и вспомогательного оборудования ГА, разъединителей и выключателей, заземляющих ножей главной электрической схемы и СН. Информация о действующей блокировке коммутационного аппарата находится в управляющем окне данного аппарата и содержит условия ее действия.

• Модель аварийной и предупредительной сигнализации.

Кроме сигнализации в системе АСУ ТП, срабатывание аварийной и предупредительной сигнализаций отображается в отдельном специальном окне в виде табло. Каждая строка этого табло – одно сигнализационное сообщение с соответствующими характеристиками: наименованием, временем срабатывания, указанием объекта срабатывания и устройства срабатывания. Кроме того, сработавшая сигнализация фиксируется в протоколе аварийных сообщений и записывается в отдельный файл.

 

3. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТРЕНАЖЕРНОГО КОМПЛЕКСА.
   • Модели сценариев тренировок.

Набор сценариев тренировок представляет собой дополнительные программы, позволяющие обучать персонал по бланкам переключений, а также по основным операциям на оборудовании ГЭС по выводу в ремонт, вводу в работу и т.д.

Модель сценария – это программное пошаговое описание набора необходимых действий оператора в определенной последовательности для выполнения тренировочного задания по сценарию, которое в отдельных непринципиальных случаях может выполняться с некоторыми допущениями. В процессе прохождения задания модель отслеживает и фиксирует выполняемые оператором действия по пунктам из бланка переключений или задания. В случае правильного выполнения всех описанных в бланке шагов в заданной последовательности и достижения требуемого состояния оборудования, модель сценария заканчивает свою работу и выдает сообщение об успешном прохождении тренировочного задания.

На данный момент в тренажере имеется 33 автоматизированных сценария, охватывающих весь спектр гидромеханического и электротехнического оборудования Павловской ГЭС и представленных в виде разделов инструкций по эксплуатации или бланков переключений. При выполнении каждого шага по бланку оператор должен проставить галочку в бланке, также как и в жизни при производстве реальных переключений и затем перейти к следующему шагу. Всережимная математическая модель тренажера позволяет составлять любые сценарии тренировок из любых начальных состояний оборудования.

• Модель вводных.

Модель вводных – это математическое описание различного рода внешних возмущений, производимых с пульта инструктора. К ним относятся отказы в работе как электротехнического оборудования – выключателей, повреждения на линиях, шинах, в трансформаторах, генераторах, так и в работе гидромеханических систем – засорение фильтров, снижение давления масла в системе МНУ, отказы в действии защит и др. Для работы с вводными предусмотрены специальные управляющие интерфейсные окна, в которых инструктор по своему усмотрению задает различные нештатные ситуации, позволяющие подготавливать персонал электростанции к парирующим действиям.

Эта функция тренажера позволяет формировать противоаварийные сценарии тренировок, с последующим анализом действий обучаемого.

• Контролирующая программа.

Работает в течение всего процесса тренировки и фиксирует ошибки, произведенные оператором за время работы на тренажере. Происходит начисление штрафных баллов при отклонении значений текущих параметров от допустимых с учетом правильного (или неправильного) выполнения определенных операций. Количество начисленных баллов зависит от характера и весомости нарушения [4].

Все возможные нарушения заносятся в список нарушений. В данном списке указаны критерии нарушений, количество штрафных баллов по каждому критерию и время задержки наложения штрафа. То есть, для некоторых нарушений предоставляется определенное количество времени на их устранение.

Регистрация произведенных оператором ошибок, в результате работы контролирующей программы, происходит в протоколе контроля с указанием момента времени совершения нарушения и количеством начисленных за него штрафных баллов.

• Протоколы.

Программа тренажера формирует следующие протоколы:

• контроля;
• действий оператора;
• аварийных сообщений;
• действий автоматики;
• действия защит;
• первопричины защит.

Каждое событие, совершенное при работе оператора на тренажере, фиксируется по времени и заносится в соответствующий протокол.

Это позволяет инструктору следить за процессом обучения, анализировать причины ошибок оператора и давать соответствующие наставления и рекомендации.

• Инструкции.

В тренажере предусмотрен архив технической документации, используемой на электростанции, по работе систем главной электрической схемы, гидромеханического и гидротехнического оборудования, защитам, режимам работы и т.д. Это основные инструкции по эксплуатации, карты уставок защит и сигнализации, технологические и электрические схемы и т.п., обращение к которым производится нажатием одной клавиши. При необходимости получения справочной информации оператор в любой момент может обратиться к этому архиву. Исключение составляет экзаменационный режим, в котором отключаются все подсказки.

Метки: ГЭС, тренажер