Стенд для испытания системы автоматического управления конвертированной авиационной газотурбинной установки для привода электрогенератора

Полезная модель относится к стендовым и компьютерным испытаниям систем автоматического управления (САУ) газотурбинных установок (ГТУ), предназначенных для привода электрогенераторов в составе многоагрегатной газотурбинной электростанции (ЭС). Стенд содержит натурную САУ ГТУ и имитационную систему, включающую цифровую модель ГТУ и САУ ГТУ и цифровую динамическую модель синхронных генераторов и электроэнергетической системы (СГ и ЭЭС). Первый вход цифровой модели ГТУ соединен посредством входных преобразователей координат с выходом натурной САУ ГТУ, вход которой посредством выходных преобразователей координат соединен с первым выходом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ. Вход цифровой динамической модели СГ и ЭЭС соединен со вторым выходом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ, а выход соединен со вторым входом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ. Выводы натурной САУ ГТУ, имитационной системы, входных и выходных преобразователей координат подключены к выводам системы управления стендом. Технический результат - обеспечение возможности проведения комплексных модельных и полунатурных испытаний систем автоматического управления газотурбинной установки и систем автоматического управления электростанции, состоящей из n ГТУ, с меньшими аппаратными затратами при сохранении точностных характеристик, повышении информативности, гибкости и уровня автоматизации испытаний.

Полезная модель относится к стендовым и компьютерным испытаниям систем автоматического управления (САУ) газотурбинных установок (ГТУ), предназначенных для привода электрогенераторов в составе многоагрегатной газотурбинной электростанции (ЭС).

Известен полунатурный стенд для испытания авиационных САУ ГТУ, содержащий натурный испытуемый агрегат (САУ ГТУ) и взаимодействующую с ним цифровую модель ГТУ, на которой проводятся серии модельных экспериментов для имитации основных режимов работы ГТУ в различных условиях внешней среды [см. Винокур В.И., Жежелев Ю.Г., Самусин С.И. Система управления стендом для полунатурных испытаний аппаратуры регулирования ГТД // Электромеханические и электромагнитные элементы систем управления. Уфим. авиац. ин-т. Уфа, 1983. С.104-107].

Недостатком известного стенда является невозможность проведения полного набора натурных экспериментов, необходимых для испытания управляющей системы, из-за недостаточного воспроизведения функциональности электроэнергетической системы (ЭЭС) при испытаниях.

Известен стенд для испытания энергетических ГТУ, содержащий серийно изготавливаемые электростанции, систему измерения параметров стенда, систему диагностики и контроля параметров стенда и систему управления, включающую систему управления загрузкой генератора. Электростанции устанавливаются на специальных испытательных площадках, где электрическая нагрузка имитируется с помощью многосекционных электрических сопротивлений. Данный стенд обеспечивает управление загрузочным полем электрических сопротивлений, как индивидуально каждой ступенью, так и одновременно группой ступеней, например, для набора мгновенной нагрузки 25%, 50%, 75%, 100%, а так же для полного сброса нагрузки, путем отключения всех ступеней, либо выключением высоковольтного выключателя (см. Испытания авиационных двигателей: Учебник для вузов / под общей редакцией В.А.Григорьева и А.С.Гишварова. - М.: Машиостроение, 2009. - 504 с.).

Недостатком известного стенда является невозможность проведения полного набора натурных экспериментов, необходимых для испытания управляющей системы, вследствие того, что в известном стенде невозможно воспроизвести совокупность основных (характерных) режимов работы ЭС (автономно, на мощную сеть, параллельно n-агрегатов между собой) и сложный характер динамических режимов работы ЭС при изменении состава структурных элементов и конфигурации ЭЭС, при разнообразных параметрических и сигнальных возмущениях. А ограниченные натурные эксперименты не позволяют с нужной достоверностью оценить функционирование САУ и к тому же требуют значительных затрат времени и материальных ресурсов, то есть весьма трудоемки. Кроме того, большие аппаратные затраты из-за использования при испытании натурной ГТЭС и большого количества секционных электрических сопротивлений.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленной полезной модели по совокупности признаков является стенд для испытания системы автоматического управления двигательными установками, содержащий цифровую информационную модель самолета, соединенную через первый мультиплексорный канал информационного обмена с натурной системой автоматического управления силовой установкой, полунатурную модель первой двигательной установки, (п-1)-е информационные буферные модели двигательных установок и второй мультиплексорный канал информационного обмена. Входы полунатурной и буферных моделей подключены к выходу натурной системы автоматического управления силовой установкой через второй мультиплексорный канал информационного обмена, а выходы соединены с входами цифровой информационной модели самолета [см. патент РФ 2063622 от 10.07.1996 г.]. Данное устройство принято за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемой полезной модели - натурная система автоматического управления газотурбинной установки (САУ ГТУ); имитационная система, включающая цифровую модель газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки (ГТУ и САУ ГТУ); первый вход цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ соединен посредством входных преобразователей координат с выходом натурной САУ ГТУ; вход натурной САУ ГТУ посредством выходных преобразователей координат соединен с выходом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ; выводы натурной САУ ГТУ, имитационной системы, входных и выходных преобразователей координат подключены к выводам системы управления стендом.

Недостатком известного стенда, принятого за прототип, является невозможность проведения комплексных исследований многоагрегатных электростанций, где используется n ГТУ, работающих параллельно между собой на общую ЭЭС. Кроме того, недостатком является сложность проведения испытания ГТУ в условиях многорежимной ЭЭС, вследствие того, что отсутствует возможность воспроизведения ЭЭС при испытаниях.

Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель - обеспечение возможности проведения комплексных модельных и полунатурных испытаний систем автоматического управления газотурбинной установки и систем автоматического управления электростанции, состоящей из n ГТУ, с меньшими аппаратными затратами при сохранении точностных характеристик, повышении информативности, гибкости и уровня автоматизации испытаний.

Поставленная задача была решена за счет того, что в известном стенде, содержащем натурную систему автоматического управления газотурбинной установки и имитационную систему, включающую цифровую модель газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, первый вход которой посредством входных преобразователей координат соединен с выходом натурной системы автоматического управления газотурбинной установки, вход которой посредством выходных преобразователей координат соединен с выходом цифровой модели газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, выводы натурной системы автоматического управления газотурбинной установки, имитационной системы, входных и выходных преобразователей координат подключены к выводам системы управления стендом, имитационная система дополнительно содержит цифровую динамическую модель синхронных генераторов и электроэнергетической системы (СГ и ЭЭС), вход которой соединен со вторым выходом цифровой модели газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, а выход соединен со вторым входом цифровой модели газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от прототипа - наличие в составе имитационной системы цифровой динамической модели СГ и ЭЭС, вход которой соединен со вторым выходом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ, а выход соединен со вторым входом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ.

n ГТУ связаны между собой через электроэнергетическую систему (ЭЭС). Поэтому ЭЭС (в натурном или имитационном виде) обязательно должна входить в состав испытательного стенда. Но включение натурной модели не позволяет, как отмечено выше, реализовать комплексные испытания САУ ГТУ во всех характерных режимах. Для проведения многократных испытаний САУ в повторяющихся условиях необходима цифровая динамическая модель СГ и ЭЭС.

На чертеже показана структурная схема стенда для испытания системы автоматического управления конвертированной авиационной газотурбинной установки для привода электрогенератора.

Стенд представляет собой совокупность имитируемых на компьютере управляемых объектов (ГТУ, СГ, ЭЭС, САУ) и натурное испытуемое автоматическое управляющее устройство (САУ ГТУ), взаимодействующих таким образом, чтобы обеспечить выполнение программы испытаний САУ ГТУ или прекратить испытание изделия при возникновении аварийной ситуации.

Стенд содержит натурную систему автоматического управления газотурбинной установки 1 и имитационную систему 2. Имитационная система 2 включает цифровую модель газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки 3 и цифровую динамическую модель синхронных генераторов и электроэнергетической системы 4. Первый вход цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ 3 посредством входных преобразователей координат 5 соединен с выходом натурной САУ ГТУ 1. Вход натурной САУ ГТУ 1 посредством выходных преобразователей координат 6 соединен с первым выходом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ 3. Вход цифровой динамической модели СГ и ЭЭС 4 соединен со вторым выходом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ 3, а выход соединен со вторым входом цифровой модели ГТУ и САУ ГТУ 3. Выводы натурной САУ ГТУ 1, имитационной системы 2, входных преобразователей координат 5 и выходных преобразователей координат 6 подключены к выводам системы управления 7 стендом.

Натурная испытуемая электронная САУ 1 представлена в виде агрегата реализованного на базе микроконтроллера.

В качестве входных преобразователей координат (Вх ПК) 5 используются стандартные модули устройств связи с объектом (УСО).

В качестве выходных преобразователей координат (Вых ПК) 6 используются стандартные модули устройств связи с объектом (УСО).

Имитационная система 2 в составе цифровой динамической модели ГТУ и САУ ГТУ 3 и цифровой динамической модели СГ и ЭЭС 4 реализована на компьютерной рабочей станции. Цифровая модель ГТУ и САУ ГТУ 3 предназначена для проведения имитационных экспериментов в отсутствие натурной САУ 1 на этапах разработки алгоритмического обеспечения последней.

Система управления 7 стендом состоит из офисного компьютера со следующим программным обеспечением:

- системы управления экспериментом (СУЭ) 8, реализованной в форме SCADA-системы;

- системы идентификации и диагностики (СИД) 9, обеспечивающей обработку результатов экспериментов;

- сервера 10 для хранения результатов экспериментов и результатов их математической обработки;

- системы управления технологической системой стенда (СУ ТС) 11.

Интерфейс взаимодействия системы управления 1 стендом выполняется по порту Ethernet.

Технологическая система (ТС) стенда (электропитание, заземление, защита, аварийная сигнализация и др.), технологическая система управления имеет в своем составе стойку автоматики «СА», служащую для сопряжения аппаратуры УСО со стендовыми исполнительными механизмами (ИМ) и позволяющую управлять ИМ вручную от тумблеров в технологических целях - при отключенной системе управления стенда, либо в аварийной ситуации.

Стенд работает следующим образом.

1)В системе управления 7 стендом (SCADA-системе) с использованием информации о предыдущих испытаниях, хранящейся на сервере 10, оператор задает режим испытаний. При этом натурная САУ 1 испытывается совместно с цифровой моделью ГТУ и САУ ГТУ 3 и цифровой динамической моделью СГ и ЭЭС 4. Режим испытаний формируется в виде ряда событий, происходящих в ЭЭС, например: пуск асинхронных двигателей, отключение линии электропередачи, переход с режима автономной работы на параллельную работу с сетью и др.

2) Происходит автоматическая настройка имитационной модели 2 для выполнения эксперимента. Программное обеспечение, расположенное на рабочей станции производит настройку имитационной системы 2 на реализацию выбранного оператором режима работы. При этом выполняется: настройка модели ГТУ (выбор количества параллельно работающих ГТУ, начальная установка), настройка модели СГ и ЭЭС (формирование структуры системы, формирование состава элементов системы, начальная установка).

3) Оператор производит запуск эксперимента, при этом управление экспериментом производится при поддержке SCADA-системы.

4) Оператор с помощью SCADA-системы контролирует ход эксперимента, работу натурной САУ 1, входных преобразователей координат 5 и выходных преобразователей координат 6.

4) По окончании и в ходе эксперимента оператор имеет возможность производить обработку результатов с помощью системы идентификации и диагностики (СИД) 9.

5) Информация об испытании сохраняется на сервере.

Преимущество полезной модели состоит в том, что благодаря включению в ее состав цифровой динамической модели СГ и ЭЭС, позволяющей моделировать электростанции и электроэнергетические системы произвольной конфигурации и произвольного состава структурных элементов обеспечиваются комплексные испытания САУ энергетических ГТУ во всех основных (характерных) режимах эксплуатации: на мощную электросеть, автономно, n агрегатов параллельно без связи с мощной сетью.

Стенд для испытания системы автоматического управления конвертированной авиационной газотурбинной установки для привода электрогенератора, содержащий натурную систему автоматического управления газотурбинной установки и имитационную систему, включающую цифровую модель газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, первый вход которой посредством входных преобразователей координат соединен с выходом натурной системы автоматического управления газотурбинной установки, вход которой посредством выходных преобразователей координат соединен с выходом цифровой модели газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, выводы натурной системы автоматического управления газотурбинной установки, имитационной системы, входных и выходных преобразователей координат подключены к выводам системы управления стендом, состоящей из офисного компьютера, отличающийся тем, что имитационная система дополнительно содержит цифровую динамическую модель синхронных генераторов и электроэнергетической системы, вход которой соединен со вторым выходом цифровой модели газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, а выход соединен со вторым входом цифровой модели газотурбинной установки и системы автоматического управления газотурбинной установки, при этом система управления стендом содержит сервер для хранения результатов экспериментов и результатов ихматематической обработки, а в офисном компьютере реализованы: система управления экспериментом, система идентификации и диагностики и система управления технологической системой стенда.