INTEGRISANI SISTEM ZA AUTOMATIZACIJU MALIH HIDROELEKTRANA INTEGRATED SYSTEM FOR SMALL HYDROPOWER PLANTS AUTOMATION

Transcription

1 INTEGRISANI SISTEM ZA AUTOMATIZACIJU MALIH HIDROELEKTRANA Nemanja Milojčić, Dušan Arnautović, Zoran Ćirić, Đorđe Stojić, Slavko Veinović, Predrag Ninković, Mladen Ostojić, Blagota Jovanović, Rajko Prole, Dane Džepčeski, Marko Janković, Tomislav Gajić, Dušan Joksimović, Mladen Milošević, Milan Milinković, Jelena Pavlović, Jasna Dragosavac, Vladimir Stanojčić Elektrotehnički institut "Nikola Tesla" - Univerzitet u Beogradu, Beograd, Koste Glavinića 8a Apstract: U radu je predstavljen razvijen integrisani sistem za upravljanje radom mikro, mini i malih hidroelektrana. Sistem predstavlja jedinstvenu celinu koju čini oprema koja se lako može prilagoditi za različite snage hidroagregata i konfiguracije glavne i pomoćne opreme u hidroelektrani. Osnovni elementi sistema su: niskonaponski naizmenični razvod napajanja, jednosmerni razvod napajanja sa ispravljačem, centralni sistem upravljanja agregatom i pomoćnom opremom, sistem pobude agregata, sistem turbinske regulacije, sinhronizator i sistem električnih zaštita agregata. Dat je opis dela sistema i opreme koja je instalirana u MHE "Moravica" - Ivanjica na hidroagregatu snage 200 kva. Ključne reči: mala hidroelektrana, sistem pobude, turbinski regulator, sinhronizator, električne zaštite INTEGRATED SYSTEM FOR SMALL HYDROPOWER PLANTS AUTOMATION Nemanja Milojcic, Dusan Arnautovic, Zoran Ciric, Djordje Stojic, Slavko Veinovic, Predrag Ninkovic, Mladen Ostojic, Blagota Jovanovic, Rajko Prole, Dane Dzepceski, Marko Jankovic, Tomislav Gajic, Dusan Joksimovic, Mladen Milosevic, Milan Milinkovic, Jelena Pavlovic, Jasna Dragosavac, Vladimir Stanojcic Electrical Engineering Institute "Nikola Tesla" - University of Belgrade, Belgrade, Koste Glavinica 8a Abstract: In this paper integrated system which is developed for micro, mini and small hydropower plants is presented. The system is complete and uniform set of equipment which can be adapted to different unit powers and different configurations of the main and auxiliary unit equipment in the HPP. Main parts of the system are: LV AC distribution panel, DC distribution panel with rectifier, central control system for main unit and auxiliary equipment, excitation system, turbine governor, synchronizer and electrical protections system. Implemented part of the system and equipment on the 200 kva unit in mini HPP "Moravica" - Ivanjica are described. Key words: small hydropower plant, excitation system, turbine governor, synchronizer, electrical protections 1. UVOD S obzirom na sve veće potrebe za električnom energijom i zbog aktuelnosti, podsticaja i promocije iskorišćavanja obnovljivih izvora energije, a takođe i sve učestalijih projekata za izgradnju novih ili modernizaciju postojećih malih hidroelektrana (MHE) saradnici Elektrotehničkog instituta "Nikola Tesla" su razvili integrisani sistem upravljanja postrojenjem MHE [1]. Razvijeni sistem podrazumeva kompletno "ključ u ruke" rešenje potrebno za upravljanje radom MHE. Sistem je u

2 potpunosti modularan i tako koncipiran da se uz neznatne dopune, izmene i prilagođenja može primeniti za različite konfiguracije osnovne i pomoćne opreme u hidroelektrani. U poglavljima koja slede će ukratko biti opisana konfiguracija sistema sa osnovnim tehničkim karakteristikama pojedinih elemenata. Osnovni elementi ovog sistema su: centralni sistem upravljanja MHE (u slučaju postojanja više agregata u hidroelektrani), sistem upravljanja pojedinačnim agregatom, primarna oprema turbinske regulacije i turbinski regulator, regulator pobude generatora, sistem generatorskih zaštita, sinhronizator, naizmenični podrazvod sa invertorom, jednosmerni podrazvod sa baterijama i ispravljačem Kao osnovni parametri koji su bitni za idejni koncept, pa nakon toga i projektovanje sistema automatizacije MHE unapred je potrebno znati sledeće: broj agregata u MHE i mesto upravljanja elektranom, građevinske podloge postrojenja MHE sa planom razmeštaja opreme, tehnički opis i nominalne podatke turbina, nominalne podatke generatora, opis i tehničke parametre svih pomoćnih pogona MHE, podatke o mestu priključenja na elektroenergetsku mrežu, podatke o predviđenoj sopstvenoj potrošnji elektrane CENTRALNI SISTEM UPRAVLJANJA MHE Centralni sistem upravljanja MHE se implementira kod elektrana sa više agregata i sa njega se centralizovano upravlja svim agregatima i pomoćnim pogonima u elektrani. Na ovaj centralni sistem, koji je razvijen na zasebnom programibilnom logičkom kontroleru, su povezani svi sistemi upravljanja pojedinačnih agregata tako da se komunikacija sa korisnikom i upravljanje u lokalnom režimu upravljanja obavlja sa jednog mesta u elektrani sa staničnog PC računara. Na tom računaru je instalirana SCADA aplikacija za nadzor i upravljanje i omogućava sledeće funkcije: vizuelni prikaz stanja svih agregata, sve pomoćne opreme i ostalih podsistema u elektrani, prikaz stanja elektroenergetske mreže na koju je elektrana priključena, uvid u sva relevantna merenja, uključenje/isključenje pojedinih podsistema u automatski/ručni režim rada, ručno upravljanje pojedinim podsistemima u ručnom režimu rada, aktiviranje alarma i opomena u slučaju pojave neregularnih stanja, arhiviranje promena stanja, zadatih komandi, merenja i drugih relevantnih podataka, daljinski prenos podataka nekim od standardizovanih komunikacijskih protokola ka udaljenom centru upravljanja Izborom daljinskog mesta upravljanja radom MHE, preko centralnog sistema upravljanja se vrši i upravljanje radom MHE bez posade iz daljinskog centra upravljanja. Kao dodatna opcija kod MHE sa više agregata, može se predvideti i zasebno, dodatno, lokalno upravljanje pojedinačnim agregatom direktno sa komandne table agregata.

3 Slika 1. Blok šema sistema automatizacije MHE Na centralni sistem upravljanja MHE se povezuju svi pomoćni sistemi koji nisu funkcionalno vezani za rad samo jednog agregata, već čitave elektrane kao na primer: zajednički jednosmerni podrazvod sa baterijama i ispravljačem, zajednički naizmenični podrazvod sa invertorom, sistem protivpožarne zaštite, zajednički pomoćni pogoni u elektrani, upravljanje sopstvenom potrošnjom elektrane itd. 3. SISTEM UPRAVLJANJA POJEDINAČNIM AGREGATOM Svaki agregat poseduje zasebni sistem upravljanja čiji je glavni deo programibilni logički kontroler sa adekvatnim brojem analognih i digitalnih ulaza/izlaza (PLC). U okviru ovog sistema su implementirani sledeći algoritmi i funkcije: automatsko pokretanje agregata, automatsko zaustavljanje agregata, havarijsko zaustavljanje agregata, komunikacija ka ostaloj opremi agregata, praćenje svih relevantnih signala vezanih za rad agregata U slučaju da je MHE sa samo jednim agregatom stanični PC računar sa SCADA aplikacijom je povezan na sistem upravljanja agregatom i kao takav, sa adekvatnim proširenjima, on preuzima ulogu centralnog sistema upravljanja MHE. 4. SISTEM TURBINSKE REGULACIJE Hidraulična oprema turbinske regulacije se prilagođava konfiguraciji i parametrima turbine agregata. Električni deo turbinskog regulatora je realizovan u digitalnoj tehnici. Osnovne funkcije turbinskog regulatora su: pokretanje agregata do nominalne brzine obrtanja, podešavanje brzine agregata u procesu sinhronizacije, regulacija brzine obrtanja agregata u praznom hodu i u ostrvskom radu, regulacija aktivne snage generatora u radu na mreži, ograničavanje otvora i aktivne snage generatora, normalno i havarijsko zaustavljanje agregata, formiranje informacionih signala, upravljanje pomoćnim sistemima turbine...

4 5. REGULATOR POBUDE Konfiguracija i tip sistema pobude generatora u MHE može biti različit u zavisnosti od konstrukcije hidroagregata i parametara generatora. Najčešće su u upotrebi sledeći tipovi sistema pobude kod sinhronih hidrogeneratora u MHE: klasičan samopobudni statički sistem pobude - za generator sa kliznim prstenovima i priključcima za pobudni namotaj, elektromašinski sistem pobude sa jednosmernom budilicom na vratilu agregata, bezčetkični ("brushless") sistem pobude sa obrtnim diodnim mostom i naizmeničnom budilicom na vratilu agregata G = REGULATOR POBUDE REGULATOR POBUDE REGULATOR POBUDE Slika 2. Najčešće korišćeni tipovi sistema pobude kod MHE Kod savremenih izvedbi hidroagregata za MHE najčešće se koriste klasičan samopobudni statički sistem i bezčetkični sistem pobude. 6. SISTEM GENERATORSKIH ZAŠTITA Sistem generatorskih zaštita je nezavisna celina u sistemu i realizovan je u digitalnoj tehnici. Osnovni set generatorskih zaštita koji se koristi kod generatora snage do 1000 kva u MHE čine sledeće zaštite: diferencijalna zaštita generatora (generalno se retko koristi kod MHE), prekostrujna zaštita generatora, kratkospojna zaštita generatora, prenaponska i podnaponska zaštita, zaštita od nesimetričnog preopterećenja, zaštita od povratne snage, podfrekventna i nadfrekventna zaštita SINHRONIZATOR Sinhronizator je nezavisan uređaj u digitalnoj izvedbi koji služi za automatsko povezivanje generatora na elektroenergetsku mrežu. Na osnovu ulaznih veličina (mernih napona generatora i mreže) sinhronizator utiče na turbinski regulator i regulator sistema pobude u cilju ostvarenja uslova za uključenje generatorskog prekidača. Start sinhronizacije generatora se na osnovu stečenih uslova inicira iz sistema upravljanja agregatom. Kod MHE sa više agregata se, kao opcija, može koristiti samo jedan sinhronizator za sve agregate. U slučajevima kada su regulator sistema pobude i turbinski regulator realizovani tako da nakon pokretanja agregata u prazni hod vrše samostalno usklađivanje vrednosti napona generatora i mreže, odnosno brzine obrtanja agregata sa frekvencilom mreže sinhronizator ima ulogu sinhročeka i u pogodnom trenutku izdaje nalog za uključenje generatorskog prekidača.

5 8. NAIZMENIČNI PODRAZVOD SA INVERTOROM Na slici 3. je prikazana uobičajena konfiguracija naizmeničnog podrazvoda MHE. Svako konkretno rešenje se adekvatnim izborom i povezivanjem opreme u ormaru naizmeničnog podrazvoda prilagođava specijalnim zahtevima vezanim za korišćenu opremu i potrošače u pogonu MHE. kwh Slika 3. Razvod naizmeničnog napajanja sa invertorom U naizmeničnom podrazvodu MHE (uobičajeno 3x400V/50Hz) se nalazi sledeća oprema: generatorski prekidač, brojila za merenje proizvedene/potrošene energije, automatski zaštitni prekidači, motorne zaštitne sklopke i kontaktori, strujni merni transformatori, monofazni/trofazni invertor sa zasebnim razvodom napajanja JEDNOSMERNI PODRAZVOD SA BATERIJAMA I ISPRAVLJAČEM Baterijsko napajanje je osnovno sigurnosno napajanje u elektrani. Napon sigurnosnog jednosmernog napajanja kao i kapacitet baterije se bira na osnovu projektovane snage potrošača i minimalno potrebnog vremena održavanja napona baterije u slučaju gubitka naizmeničnog napajanja ispravljača. Slika 4. Razvod jednosmernog napajanja sa ispravljačem

6 10. OPIS SISTEMA REALIZOVANOG U MHE "MORAVICA" - IVANJICA U MHE "Moravica" u Ivanjici je izvršena modernizacija postrojenja elektrane i celokupne opreme agregata snage 200 kva [2]. Institut "Nikola Tesla" je učestvovao u projektovanju i ugradnji sledeće opreme u elektrani: naizmenični razvod, jednosmerni razvod sa baterijama i ispravljačem, sistem pobude, sinhronizator i električne zaštite generatora Naizmenični razvod Oprema naizmeničnog razvoda je smeštena u zasebni razvodni ormar +CU01 i obuhvata: generatorski prekidač, kablovski priključak sa izvoda generatora, priključak kablovske veze iz obližnje trafostanice 10/0.42 kv, polje sopstvene potrošnje generatorskog bloka, polje sopstvene potrošnje objekta MHE, merni blok za predatu/preuzetu električnu energiju iz mreže i merni blok sopstvene potrošnje objekta MHE. Sva oprema u ormaru naizmeničnog razvoda je grupisana po zasebnim funkcionalnim blokomima. Za oba merenja energije korišćena su digitalna brojila sa daljinskim očitavanjem putem GPRS komunikacijskog kanala mobilne telefonije Jednosmerni razvod sa baterijama i ispravljačem Oprema jednosmernog razvoda je smeštena u zasebni razvodni ormar +CU04 i obuhvata: četiri redno povezane olovne akumulatorske baterije 12V/120Ah, tri identična ispravljača 48V DC / 12.5 A od kojih jedan služi za punjenje baterija, a druga dva za napajanje potrošača na jednosmernom naponu i razvod potrošnje 48V DC preko automatskih zaštitnih prekidača. Realizovano je praćenje izolovanosti jednosmernog napajanja ka uzemljenim delovima, kao i zaštita od prekomernog pražnjenja baterija. Vreme autonomije u slučaju gubitka naizmeničnog napajanja za projektovanu potrošnju 25A je veće od zahtevanih 3 časa za pun kapacitet baterija Sistem pobude, sinhronizator i električne zaštite generatora Oprema sistema pobude, sinhronizatora i električnih zaštita generatora je smeštena u zasebni razvodni ormar +CU03. Sva tri sistema su realizovana u digitalnoj mikroprocesorskoj tehnici i smešteni su u jedinstveni rek elektronike koji se nalazi u ormaru. Ovakva kompaktna izvedba uređaja omogućava da sva tri uređaja koriste zajedničke ulazno/izlazne signale kao i komunikacioni kanal ka centralnom sistemu upravljanja (Slika 5). Na vratima ormara se nalazi HMI displej preko koga je moguće pratiti različite veličine vezane za rad navedenih sistema i podešavati parametre napred navedenih uređaja. Slika 5. Blok šema opreme u ormaru +CU03

7 Sistem pobude je statički samopobudni sistem. U ormaru se nalazi energetski i upravljački deo sistema pobude. Energetski deo čine: ulazni tropolni kontaktor, pobudni transformator, brzi topljivi osigurači za zaštitu poluprovodnika, trofazni poluupravljivi most i kolo za razbuđivanje generatora. Na digitalnom automatskom regulatoru pobude su realizovane sledeće funkcije: PID regulacija napona generatora, PI regulacija struje pobude generatora, limiteri sistema pobude, regulacija reaktivne snage generatora i regulacija faktora snage generatora. Sinhronizator služi za automatsku sinhronizaciju generatora na elektroenergetsku mrežu. U režimu ručne sinhronizacije sinhronizator nije aktivan, a upravljanje regulatorom pobude, turbinskim regulatorom i uključenjem generatorskog prekidača u procesu sinhronizacije se vrši ručno sa komandne table agregata od strane rukovaoca. Realizovane su sledeće električne zaštite generatora: podnaponska/nadnaponska zaštita, podfrekventna/nadfrekventna zaštita, prekostrujna zaštita, kratkospojna zaštita, zemljospojna zaštita, zaštita od nesimetričnog opterećenja i zaštita od povratne snage. Zaštite deluju na isključenje generatorskog prekidača, razbuđivanje generatora i zaustavljanje agregata. 11. ZAKLJUČAK Kao rezultat bogatog dugogodišnjeg iskustva Elektrotehničkog instituta "Nikola Tesla" na poslovima ispitivanja, razvoja, ugradnje, puštanja u rad i održavanja opreme na hidroelektranama razvijen je napred opisani sistem automatizacije MHE. Stručnost i posvećenost svih saradnika Elektrotehničkog instituta "Nikola Tesla" su garant sigurnog, pouzdanog i ekonomski isplativog tehničkog rešenja kako prilikom izgradnje novih, tako i pri rekonstrukciji i modernizaciji postojećih MHE. ZAHVALNOST Rad je nastao u okviru projekta TR33020, "Povećanje energetske efikasnosti hidroelektrana i termoelektrana Elektroprivrede Srbije razvojem tehnologije i uređaja energetske elektronike za regulaciju i automatizaciju", koji je finansiralo Ministarstvo prosvete, nauke i tehnološkog razvoja Republike Srbije. REFERENCE [1] Automatizacija malih hidroelektrana, Elektrotehnički institut "Nikola Tesla" - Centar za automatiku i regulaciju, Beograd, [2] Izvođački projekat investicionog održavanja MHE "Moravica" - SVESKA 4: Sistemi zaštite, pobude, sinhronizacije, razvoda jednosmerne i naizmenične struje, Elektrotehnički institut "Nikola Tesla" - Centar za automatiku i regulaciju, Beograd, 2011.