Устройство для автоматического управления электрической нагрузкой

 

Использование: в электроэнергетике, в устройствах автоматического регулирования электрической нагрузки. Сущность: для повышения точности процесса регулирования электрических нагрузок в часы максимума и при аварийных ситуациях в электрических сетях в устройство дополнительно введены блок расчета балансных коэффициентов, блоки классификации состояний, а также блоки распределения и снятия нагрузки, содержащие в своем составе логические элементы И и ИЛИ, триггеры, счетчики времени ограничения каждого потребителя-регулятора, модули расчета коэффициентов загрузки ограничениями, определения минимального и максимального коэффициентов загрузки ограничениями потребителей - регуляторов, причем процесс регулирования осуществляется с использованием двух уровней принятых решений на основе учета динамических характеристик потребителей - регуляторов, что приводит к снижению ущерба от ограничения электропотребления. 5 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам автоматического управления электрической нагрузкой и может быть использовано в любой отрасли поддержания электропотребления на заданном уровне.

Важной задачей автоматического регулирования электрической нагрузки является контроль и учет временных характеристик, отражающих простои основного технологического оборудования из-за дефицита мощности. Одним из вариантов решения задачи является введение в состав устройства для автоматического регулирования нагрузки счетчика адреса нагрузок, пульта задания уставок времени и блока лимитов времени, в течение которого может быть отключен один из потребителей-регуляторов (1). При этом вопрос определения уставок не решен, что ограничивает область применения данного устройства. Его совершенствование за счет введения дополнительных элементов памяти и новых схемных решений (2) также не обеспечивает необходимого качества регулирования.

Известно устройство для автоматического регулирования электрической нагрузки (3), оснащенное дополнительным блоком временных задержек, что позволило повысить надежность работы электрооборудования. Устройство позволяет упорядочить во времени включение разнотипного оборудования и избежать аварийных ситуаций, возникающих при быстром включении или выключении электрических нагрузок. Возможность задания временных задержек при включении нагрузок позволяет оптимизировать этот процесс.

Недостатком известного устройства является неравномерная загрузка ограничениями на электропотребление для групп однотипного и разнотипного оборудования, что в условиях непрерывного производства может привести к возникновению "узких мест" в технологическом процессе и неоправданному снижению производительности как отдельных участков, так и всего производства в целом. Кроме того, жесткое задание лимитов времени не позволяет учитывать динамику потребления электроэнергии каждым конкретным потребителем.

Целью изобретения является повышение точности процесса регулирования электрических нагрузок в часы максимума и при аварийных ситуациях в электрических сетях на основе учета динамических характеристик потребителей-регуляторов (ПР), что приводит к снижению ущерба от ограничения электропотребления.

Указанная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены блок расчета балансных коэффициентов, блоки классификации состояний, а также блоки распределения и снятия нагрузок, содержащие в своем составе элементы И и ИЛИ, триггера, счетчики времени ограничения каждого ПР, модули расчета коэффициентов загрузки ограничениями, модули определения минимального и максимального значения коэффициентов загрузки ограничениями ПР, причем процесс регулирования осуществляется с использованием двух уровней принятия решений. При этом все ПР разделяются на группы, содержащие однотипное технологическое оборудование и на верхнем уровне управления формируются сигналы на отключение или включение этих групп ПР, что позволяет учесть удельный вес каждой группы и создать гибкую систему анализа ограничений для различных ситуаций, возникающих при регулировании. На нижнем уровне управления формируются сигналы на отключение или включение конкретных ПР, входящих в выбранную на верхнем уровне для управления группу однотипного оборудования.

Использование на обеих уровнях управления одинаковой структуры аппаратных средств обеспечивает равномерную загрузку ограничениями на потребление электpоэнергии для всех технологических агрегатов объекта регулирования. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых функциональных блоков, повышающих обоснованность и точность выработки управляющих воздействий. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с прототипом и другими техническими решениями в данной области не выявлено аналогов операциям вычисления балансных коэффициентов и времени ограничения, определения коэффициентов загрузки ограничениями и выделение из них максимального и минимального, а также разделения процедуры управления на два последовательных этапа - для разнотипного и однотипного технологического оборудования, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия".

Работа устройства поясняется блок-схемами на фиг.1, 2. На фиг.3 - 5 приведены алгоритмы функционирования блоков классификации состояний верхнего и нижнего уровня управления соответственно.

Устройство для автоматического регулирования электрической нагрузки (фиг.1) содержит датчик 1 расхода электроэнергии, блок 2 приема информации, блок 3 определения возможной мощности, блок 4 определения необходимой регулируемой мощности, блок 5 сравнения, таймер 6, схему 7 синхронизации, блок 8 расчета балансных коэффициентов, пульт 9 управления, блок 10 классификации состояний верхнего уровня, блок 11 распределения и снятия нагрузок верхнего уровня, схему 12 классификации состояний нижнего уровня, схему 13 распределения и снятия нагрузок нижнего уровня, причем количество блоков N в схемах 12 и 13 соответствует количеству групп однотипного оборудования для конкретного объекта управления, а также блок 14 управления нагрузкой, выходы синхронизации 15 и 16, сигнал сброса 17.

Структура инвариантного по отношению к уровню управления блока распределения и снятия нагрузок (блоки 11, 13-1, 13-2,..., 13-N на фиг.1) приведена на фиг. 2. Инвариантный блок содержит элементы И 18, 19, 24, 25, 32, элементы ИЛИ 20, 21, 30, 31 задержки времени 22, 23 счетчики времени 33, 34 триггера 28, 29 модули 26, 27 определения минимального и максимального коэффициентов загрузки ограничениями, модуль 35 анализа состояния ПР, датчики 36 состояния ПР, схему 37 управления, модуль 38 расчета коэффициентов загрузки ограничениями, а также сигналы управления 39, 40, 41 и 42.

Устройство работает следующим образом.

Информация о расходе электроэнергии поступает от датчиков 1 на вход блока 2 приема информации. Блок 2 приема информации осуществляет последовательный опрос датчиков 1, выделяет на фоне помехи полезные сигналы, которые затем со своими весовыми коэффициентами для перевода в именованные единицы измерения поступают на вход блока 3 определения возможной мощности Р_в. Одновременно блок 2 определяет текущую мощность Р_тек, усредненную за выбранный отрезок времени, например 30-60 сек. При этом данные о расходе электроэнергии по всему предприятию поступают на вход блока 3 определения возможной мощности Р_в. Данные о суммарной текущей мощности по каждой группе ПР, объединяющей типовые технологические агрегаты, поступают от блока 2 на вход блока 10 классификации состояний верхнего уровня. Данные о текущей мощности каждого конкретного ПР передаются от блока 2 на вход схемы 12 классификации состояний нижнего уровня.

Блок 3 определения возможной мощности Рв по информации, поступающей из блока 2, и значению заявленной мощности Р_з, поступающей с пульта 9 управления, производит по меткам времени, приходящими с таймера 6, расчет возможной мощности, которую потребитель может использовать до конца контролируемого периода времени, например 30 минут, в часы максимума нагрузки энергосистемы. Вычисление Р_в производится по выражению P_в = , (1) где Э_тек - потребление электроэнергии с начала контролируемого периода в часы максимума нагрузки энергосистемы; t_ост - время, остающееся до конца текущего получаса.

Блок 4 определения необходимой регулируемой мощности Р по сигналу от таймера 6 определяет разность между значениями текущей мощности, поступающей с блока 2 и возможной мощности, поступающей с блока 3, Р = Р_тек - Р_в. (2) Значение необходимой регулируемой мощности со своим знаком поступает на первые входы блока 5 сравнения, на вторые входы которого поступает значение порога П₁, задаваемого с пульта 9 управления. Сравнение выполняется по абсолютной величине. Если |P|<П, то управляющее воздействие не вырабатывается. Если | P| П₁, то значение Р со своим знаком передается на первые входы блока 10 классификации состояний верхнего уровня. На этот же блок поступают значения Р_i всех групп ПР из блока 2, а также время t_ост от таймера 6.

В блоке 10 (см. фиг.3) производится анализ знака Р. Если знак отрицателен, то для параметра Р производится проверка условий (t_ост-_i)P_iPt_ост, (3) где _i - технологическая постоянная времени для i-ой группы типовых ПР; P_i - текущая мощность i-ой группы типовых ПР.

При этом параметры _i определяются как время, в течение которого после принятия решения об ограничении (отключении) конкретного ПР потребляемая мощность становится меньше, чем Р_i^конт. Значение P_i^контнаходится из выражения P_i^конт = P_i^н - P_i^н, (4) где P_i^н - номинальная мощность оборудования i-го типа при работе его в нормальных условиях; Р_i^н - отклонение потребляемой мощности от номинальной в сторону уменьшения, вызванное особенностями технологического процесса.

Выполнение условия (3) свидетельствует о возможности использования данной группы ПР для отработки ограничений на потребление электроэнергии. По результатам проверки всех i групп ПР формируется список таких ПР, которые могут использоваться на данном этапе управления. После окончания формирования списка на блок 11 распределения и снятия нагрузок верхнего уровня выдается сигнал "меньше" и сформированный список ПР. За период времени , в течение которого осуществляется один шаг управления, блок 11 осуществляет выбор группы ПР и адрес этой группы i передается в блок 10. Этот адрес используется для операции P_B = P_B + P_i, (5) где P_B - сумма мощностей всех выбранных для отключения групп ПР на верхнем уровне управления; P_i - мощность выбранной на данном шаге управления i-ой группы ПР.

Если после этой операции выполняется условие P_BP, то сигнал "меньше" снимается, а выбранные значения P_i с отрицательными знаками выдаются на входы схемы 12 классификации состояний нижнего уровня.

Если знак Р положительный, то реализуется вторая параллельная ветвь алгоритма, где проверяются условия P_i = 0 и формируется список групп ПР на включение. Установка и снятие сигнала "Больше" производится аналогично сигналу "Меньше". В результате на схему 12 классификации состояний нижнего уровня выдаются значения P_iс положительным знаком.

Функционирование схемы 12 классификации состояний нижнего уровня происходит следующим образом (см. фиг.4). После ввода P_i и определения знака этого параметра управление передается на одну из двух параллельных ветвей алгоритма. При этом на соответствующий вход схемы 13 распределения и снятия нагрузок нижнего уровня устанавливаются сигналы "Меньше" или "Больше", а также список i-й группы ПР и через время вводится адрес l-го выбранного для управления ПР. Сигналы "Меньше" или "Больше" снимаются и шаг управления заканчивается после отработки параметра P_i (выполнение условий P_н'P_i; P_н''P_i; где Р_н', Р_н'' - суммарная мощность отключенных или включенных ПР).

Структура блока 11 распределения и снятия нагрузок верхнего уровня и блоков 13-1 13-N, входящих в схему 13 распределения и снятия нагрузок нижнего уровня, аналогична и представлена на фиг.2.

Единственным отличием этих блоков является дополнительный вход блока 11, по которому из блока 8 расчета балансных коэффициентов передаются значения этих коэффициентов, рассчитанных по выражению K_i^б = П_2i / K_i'', (6) где П_2i - плановые значения коэффициента использования оборудования i-го типа; К_i'' - фактическое значение коэффициента использования ПР i-го типа.

Входной информацией блока 8 расчета балансных коэффициентов являются плановые значения коэффициентов использования оборудования i-го типа П_2i от пульта управления 9 и данные по текущей мощности оборудования i-го типа от блока 2 приема информации. Кроме того, в блоке 8 расчета балансных коэффициентов для ПР i-го типа в качестве постоянных параметров заданы Р_i^конт, которые находятся из выражения (4).

Для каждой i-ой группы ПР при появлении очередного измерения Р_i^контпроверяется условие Р_i^факт < P_i^конт (7) Такая проверка позволяет зафиксировать факт выхода ПР i-го типа из режима нормальной работы. При известном интервале t ввода в блоке 8 расчета балансных коэффициентов формируется фактическое значение коэффициента использования ПР i-го типа K_i'' = ( T - ( tn_i )) / T, (8) где n_i - количество выявленных случаев выхода ПР i-го типа из режима нормальной работы, когда условие (7) выполняется, Т - интервал времени, интервал времени, для которого заданы П_2i.

Запуск инвариантного блока 11 или 13-i производится сигналами 15 или 16 от схемы 7 синхронизации. При этом схема 37 управления (см. фиг.2) выдает сигнал 39, который поступает на первые входы элементов ИЛИ 20, 21 и стробируют элементы И 18, 19. Если сигнал "Меньше" или "Больше" установлен на входе блока 11 распределения и снятия нагрузок верхнего уровня или блока 13-i распределения и снятия нагрузок нижнего уровня, то на первые входы элементов И 24 или 25 поступает сигнал логической единицы. Поскольку структурная схема блока 11 (13-i) симметрична, рассмотрим обработку сигнала "Меньше". В начальном состоянии все триггера 28 находятся в состоянии "1" и, следовательно, на вторые входы элемента И 24 также поступает логическая "1". Третьи входы элементов И 24 связаны с первыми выходами схемы 35 анализа состояния ПР. На входы схемы 35 анализа состояний ПР поступает информация от датчиков 36, которые определяют состояния "Включен" или "Выключен", а также, сформированный в блоке 10 (12-i) список ПР для управления. Если состояние ПР соответствует решаемой задаче, например, имеет место состояние "Включен" при решении задачи ограничения потребления электроэнергии и данный потребитель присутствует в списке агрегатов, выбранных для управления, то на соответствующем выходе блока 35 устанавливается логическая единица. Выходы элементов И 24 подключены на первые входы модуля 26 определения минимального коэффициента загрузки ограничениями.

В счетчиках 33 накапливается информация о продолжительности отключения каждого ПР для блоков 13-i (или группы потребителей i-го типа для блока 11) в результате отработки ограничений на потребление электроэнергии. Накопление информации о продолжительности отключения обеспечивается логической структурой блока 11 (13-i) распределения и снятия нагрузок. Если конкретный потребитель выбран для ограничения (отключения), то соответствующий элемент И 32 открывает и импульсы G от таймера увеличивают содержание счетчика 33. Таким образом, количество импульсов, записанных в счетчиках 33, с учетом частоты G соответствует времени, в течение которого был выбран для отработки ограничения (отключения) каждый ПР.

В счетчике 34 накапливается информация о суммарном времени ограничения по потреблению электроэнергии всех ПР, управляемых через данный блок распределения и снятия нагрузок. Выходы счетчиков 33 и 34 соединены с первыми входами модуля 38 расчета коэффициентов загрузки ограничениями, вторые входы которого соединены с выходами блока 8 расчета балансных коэффициентов. По последнему каналу в модуль 38 расчета коэффициентов загрузки ограничениями передается информация о количестве потребителей N, управляемых через данный блок распределения и снятия нагрузок. Для верхнего уровня управления значение N соответствует количеству групп однотипного оборудования, а для нижнего уровня - количеству ПР в i-ой группе однотипного оборудования.

В блоке 38 расчета коэффициентов загрузки ограничениями определяются значения K_i = , где t_i - время ограничения i-го ПР; К_i^б- балансный коэффициент i-ой группы ПР (для блоков 13-i все К_i^б= 1); t - суммарное время ограничения.

Считывание данных счетчиков времени производится по сигналу 41 от схемы 37 управления.

Выходы модуля 38 расчета коэффициентов загрузки ограничениями связаны со вторыми входами модуля 26 определения минимального коэффициента загрузки ограничениями, выходы которого соединены со входами триггеров 28, причем единичные выходы триггеров 28 соединены со входами элемента ИЛИ 30 и первыми входами элементов И 32, вторые входы которых связаны с таймером 6.

Выход элемента ИЛИ 30 связан через элемент И 32 со счетчиком времени 34 и входом задержки времени 21, выход которой связан со вторым входом элемента ИЛИ 20. Цепочка элемент ИЛИ 30 - задержка времени 22 - элемент ИЛИ 20 прерывает работу всего блока на время ввода адреса выбранного для управления ПР и проверки необходимости дальнейших расчетов. Триггера 27, 28 блокируют повторный выбор одного и того же ПР и обеспечивают работу соответствующих счетчиков времени 33.

Отработка сигнала "Больше" производится блоком аналогично. При этом сигналы от схемы 35 анализа состояния ПР на третьи входы элементов И 25 подаются в инверсном виде и производится выбор максимального значения коэффициента загрузки ограничениями ПР и этот ПР выбирается для включения в условиях снятия ограничений на потребление электроэнергии. После окончания шага управления триггера 28, 29 сигналом 42 от схемы 37 управления устанавливаются в исходное положение.

Установка всего устройства в начальное состояние производится сигналом 17 с пульта 9 управления. Поступая в схемы 37 управления, этот сигнал инициирует команду 40 на обнуление всех счетчиков времени 33, 34.

В качестве технической базы для реализации изобретения используется управляющий вычислительный комплекс СМ 1810.42. В составе этого комплекса должны быть модули ввода дискретной и числоимпульсной информации СМ 1800.9302 и СМ 1800.9304, а также модули вывода дискретной информации СМ 1800.9303. Все функции устройства реализуются в рамках системы реального времени, операционный слой которой формируется на основе операционной системы со спецификацией функций процессора и БОС 1810. Программное наполнение комплекса определяется набором модулей предлагаемого устройства и их функциями. Количественные характеристики периферийного оборудования УВК в части устройств связи с объектом определяется через число ПР на объекте управления.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКОЙ, содержащее первичные датчики расхода электроэнергии, подключенные к блоку приема информации, управляющий вход которого соединен с выходом таймера, его первые выходы подключены к блоку определения возможной мощности и блоку определения необходимой регулируемой мощности, вторые входы которого соединены с блоком определения возможной мощности, управляющие входы блоков определения возможной и необходимой регулируемой мощности соединены с таймером, выход блока определения необходимой регулируемой мощности вместе с выходом знакового разряда подключен к блоку сравнения, второй вход которого подключен к выходу формирования значения порога чувствительности пульта управления, выход задания значения заявленной мощности которого подключен к выходу блока определения возможной мощности, выход таймера подключен к схеме синхронизации, отличающееся тем, что дополнительно введены блок расчета балансных коэффициентов, блоки классификации состояний на верхнем и нижнем уровнях управления, выполненных с возможностью учета реального состояния и уровня загрузки ограничениями потребителей-регуляторов, сбалансированных по фактическим коэффициентам использования разнотипного технологического оборудования, а также блоки распределения и снятия нагрузок на верхнем и нижнем уровнях управления, причем блок классификации состояния на верхнем уровне, который предназначен для формирования списка групп типовых потребителей-регуляторов для обработки управления с учетом технологических постоянных времени этих потребителей, своим первым входом соединен с выходом блока сравнения вместе с выходом знакового разряда, второй вход соединен с вторым выходом блока приема информации, третий вход подключен к выходу таймера, который предназначен для формирования сигнала о значении времени до конца 30-минутного периода, четвертый вход подключен к выходу формирования значений технологических постоянных времени пульта управления, пятый вход - к выходу формирования адреса выбранной для управления на верхнем уровне группы однотипных потребителей-регуляторов блока распределения и снятия нагрузок на верхнем уровне, первый вход которого соединен с выходом блока классификации состояния на верхнем уровне формирования списка потребителей-регуляторов, которые могут быть использованы для управления, второй и третий входы соединены с выходами формирования сигналов соответственно "Меньше" и "Больше" блока классификации на верхнем уровне, четвертый вход подключен к выходу блока расчета балансных коэффициентов, первый вход которого соединен с выходом формирования значений плановых коэффициентов использования технологического оборудования пульта управления, второй вход соединен с вторым выходом блока приема информации, третий выход которого соединен с первым входом блока классификации состояний на нижнем уровне управления, который выполнен с возможностью обработки списка потребителей-регуляторов на каждом шаге управления, вторые N-входы которого подключены к N-выходам блока распределения и снятия нагрузок на нижнем уровне формирования адресов, выбранных для управления потребителей-регуляторов, который содержит N инвариантных блоков, количество которых N, как и в блоке классификации состояний на нижнем уровне управления, соответствует количеству групп однотипного оборудования на объекте управления и количеству потребителей-регуляторов, а структура и набор входных сигналов, за исключением информации о балансных коэффициентах, совпадает со структурой и входными сигналами блока распределения и снятия нагрузок на верхнем уровне управления, выходы блока распределения и снятия нагрузок на нижнем уровне управления связаны также с блоком управления нагрузкой, N четвертых выходов блока классификации на верхнем уровне связаны с третьими N-входами блока классификации на нижнем уровне, причем блоки распределения и снятия нагрузок на верхнем и нижнем уровнях содержат элементы И, ИЛИ, задержки времени, счетчики времени ограничения, две группы триггеров, модули определения минимального и максимального значения коэффициентов загрузки ограничениями, анализа состояния потребителей-регуляторов, датчики технологических процессов, схему управления и модули расчета коэффициентов загрузки ограничениями, выполненных с возможностью обеспечения равномерной загрузки потребителей-регуляторов ограничениями с учетом состояния этих потребителей и блокировкой повторного выбора, при этом каждый блок распределения и снятия нагрузки на верхнем и нижнем уровнях состоит из двух подблоков, входы которых являются соответственно вторым и третьим входами блока, каждый из подблоков состоит из двухвходового элемента И, первой группы элементов И, состоящей из N + 1 двухвходовых элементов И, второй группы элементов И, состоящей из трехвходовых элементов И, элемента ЗАДЕРЖКА ВРЕМЕНИ, модуля определения минимального и соответственно максимального коэффициентов загрузки, двухвходового элемента ИЛИ, N-входового элемента ИЛИ, группы счетчиков времени ограничения, состоящей из N счетчиков, предназначенных для накапливания информации о продолжительности отключения каждого из N потребителей, счетчика времени, предназначенного для накапливания информации о суммарном времени ограничения по потреблению электроэнергии всех потребителей-регуляторов, группы триггеров, состоящих из N триггеров, модуля расчета коэффициентов загрузки, модуля анализа состояния потребителей-регуляторов и схемы управления, общих для двух подблоков, при этом первый вход двухвходового элемента И соединен с вторым и третьим входами блока, второй вход через элементы ИЛИ и ЗАДЕРЖКА ВРЕМЕНИ - с выходом N-входового элемента ИЛИ и первым входом (N + 1)-го элемента И первой группы элементов И, второй вход элемента ИЛИ соединен с первым выходом схемы управления, выход двухвходового элемента И соединен с первыми входами элементов И второй группы, вторые входы которых соединены с выходами модуля анализа состояния потребителей-регуляторов, причем для подблока, связанного с вторым входом блока, - это прямая связь, а для подблока, связанного с третьим входом блока, - инверсная, второй вход модуля анализа состояния потребителей-регуляторов соединен с первым входом блока распределения и снятия нагрузок, первые входы связаны с датчиками состояния потребителей-регуляторов, третьи входы элементов И второй группы соединены с прямыми выходами первой группы триггеров, инверсные выходы которых соединены с первыми входами элементов И первой группы и входами N-входового элемента ИЛИ, выходы элементов И второй группы соединены с первыми входами модуля определения минимального и соответственно максимального коэффициентов загрузки, вторые входы которых соединены с выходом модуля расчета коэффициентов загрузки, выходы - с входами первой группы триггеров, входы "Установка нуля" которых соединены с четвертым выходом схемы управления, вторые входы элементов И первой группы соединены с выходом таймера, выходы - со счетными входами счетчиков времени ограничения, входы "Установка нуля" которых соединены с вторым выходом схемы управления, входы считывания счетчиков соединены с третьим выходом схемы управления, а выходы объединены и подключены к первому входу модуля расчета коэффициентов загрузки, второй вход которого в блоке распределения и снятия ограничений верхнего уровня соединен с четвертым входом этого блока, третий вход модуля расчета коэффициента загрузки соединен с выходом модуля анализа состояния потребителей-регуляторов формирования информации о количестве потребителей-регуляторов, выходы модулей определения минимальных и максимальных коэффициентов загрузки объединены и подключены к выходу блока, первый вход схемы управления подключен к соответствующему выходу схемы синхронизации, второй вход формирования сигнала сброса - к пульту управления.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5