SCO adaptives Automatisierungssystem - SmartLoad

     Effektives Arbeiten in einer dynamischen Umgebung
 

     Aufrechterhaltung der Produktionskontinuität trotz Ausfall der externen Stromversorgung
 

     Aufrechterhaltung wichtiger Technologieprozesse
 

    Senkung der Kosten für die Produktionsunterbrechungsversicherung
 

     Erhöhung der menschlichen Sicherheit
 

     Das System kann auch als adaptive Automatisierung fungieren SCO
 

Adaptives Automatisierungssystem SCO - SmartLoad

Das adaptive Steuerungssystem SCO SmartLoad ist für Industrieanlagen bestimmt, in denen Erzeugungsquellen installiert sind. Die Aufgabe des Systems ist es, im Falle eines Systemausfalls eine kontrollierte Trennung von symmetrischen Inseln vorzunehmen und dann deren Betrieb durch die Logik der klassischen SCO Automatisierung zu überwachen.

Die Essenz des Problems

In der chemischen Industrie, in der Metallurgie, im Bergbau, in der Energieerzeugung, in der Heizung kann ein plötzlicher Ausfall der Stromversorgung zu äußerst schwerwiegenden Störungen führen, die im Extremfall weitere gesetzliche Aktivitäten des Unternehmens verhindern können. Die Sicherstellung der Stromversorgungssicherheit ist eines der wichtigsten Probleme in solchen Unternehmen. Die am häufigsten verwendete Lösung in den "stromausfallempfindlichen" Anlagen ist die Installation einer unabhängigen Stromquelle im internen Netz der Anlage. Es besteht jedoch das Problem, eine solche Quelle im Falle eines Stromausfalls des Basissystems in Betrieb zu halten", da ein Ungleichgewicht zwischen der erzeugten Wirk- und Blindleistung und der von den Lasten verbrauchten" Leistung besteht. In der Regel sind solche Anlagen nicht mit der notwendigen Automatik ausgestattet, die einen unterbrechungsfreien Betrieb der Erzeugungsanlagen bei einem Ausfall des Stromnetzes ermöglicht. Sehr oft tolerieren veraltete Steuerungssysteme von Turbinensätzen keine plötzlichen Änderungen<s>y</s> der Last und sie können die dynamischen Parameter, die bei solchen Störungen auftreten, nicht automatisch korrigieren. In der Regel wird in solchen Fällen der Generator abgeschaltet oder auf Eigenbedarfsbetrieb umgeschaltet, zumal die bisherigen Lösungen davon ausgingen, dass im Falle einer Störung im Stromnetz (Kurzschluss, SPZ, Blackout) die lokalen Energiequellen sofort abgeschaltet werden, um sie vor erneuter Unsynchronisation mit dem Stromnetz zu schützen.

Eine der Schlussfolgerungen des Systembetreibers, die darauf abzielt, die Verschlimmerung von Systemstörungen zu verhindern, ist die Notwendigkeit, die Einstellungen und die Arbeitsweise der SCO-Automatik zu aktualisieren, die im Falle einer Störung im Stromnetz die Kontrolle der Störungszustände durch sofortiges Abschalten eines Teils der Last, die ohne schwerwiegende Folgen abgeschaltet werden kann, erleichtern soll, um das Verteilungsnetz wesentlich zu entlasten. Gegenwärtig wird diese Rolle teilweise durch das klassische automatische Steuersystem der automatischen Frequenzabschaltung, das sog. SCO, erfüllt, dessen Aufgabe es ist, die Auswirkungen von Störungen, die mit einer plötzlichen Störung des Wirkleistungsgleichgewichts in einem bestimmten Teil des Netzes verbunden sind, zu begrenzen, indem es den in einem solchen Fall auftretenden Frequenzabfall erkennt und Lasten abschaltet, die keinen wesentlichen Einfluss auf den Produktionsprozess einer Industrieanlage haben. Aufgrund der Tatsache, dass die Leistung der vom SCO abgeschalteten Lasten von der Frequenzänderungsrate abhängen kann, ist es äußerst schwierig, die Leistung der Lasten vorherzusagen, die als Ergebnis des Betriebs dieser Automatisierung abgeschaltet werden.

In einem Industriebetrieb mit eigenen Erzeugungseinheiten erhöht daher der Einsatz eines adaptiven SCO - Smart Load-Automatisierungssystems im Falle eines Systemausfalls die Chancen zur Isolierung und Aufrechterhaltung einer leistungsausgeglichenen Insel erheblich. 

Aufbau des Systems

Elemente des SCO-Automatisierungssystems Smart Load:

• Inselbetriebserkennungssystem;
• Leistungsmesssystem in allen Hauptfeldern der 6kV-Schaltanlage;
• Kommunikationssystem;
• Hauptrecheneinheit;
• Ausgang - Abschaltsystem;
• Bedienstation

Das Automatiksystem hat dispersen Charakter mit Elementen, die sich in:

• allen Schalttafeln, die in Messungen und Abschaltungen enthalten sind;
• zentrale elektrische Kontrollstation 

Kommunikation

Die einzelnen Elemente kommunizieren miteinander über Glasfaserverbindungen und UTP-Verbindungen im Standard Ethernet 100BaseFL und 100BaseT, zusätzliche Verbindung ist RS485-Verbindung mit Modbus RTU-Protokoll zu dem im Objekt vorhandenen Überwachungs- und Steuersystem. Über die Ethernet-Verbindungen empfängt die Zentraleinheit die Daten aus den Messsystemen bezüglich der aktuellen Werte von Spannungen, Strömen und Leistung in jedem Feld der Energieverteiler, ebenfalls über die Ethernet-Verbindungen gibt die Zentraleinheit die Befehle zur Abschaltung der von ihr zugewiesenen Felder und kommuniziert mit der Bedienerstation, wo der Status des überwachten Systems visualisiert wird, sowie der Status des Automatikbetriebs, die aktuellen Messwerte und die Liste der zugewiesenen Lasten, die im Falle eines Fehlers abgeschaltet werden sollen. Mit Hilfe der Bedienerstation ist es auch möglich, die Einstellungen zu ändern und die Liste der Ereignisse und die Liste der Alarme zu analysieren. Für das korrekte Funktionieren der Algorithmen, die bestimmen, welche Felder abgeschaltet werden sollen, ist die Information über den aktuellen Zustand der Schalter der in der automatischen Steuerung enthaltenen Schaltgeräte notwendig. Um die Verbindungen der Automatik mit dem Objekt zu vereinfachen, werden diese Daten aus dem Überwachungs- und Steuersystem mit Hilfe der RS485-Verbindung bezogen.

Adaptive Lastabwurf-Algorithmen

Schutzrelais, die die Kriterien df/dt, dU/dt umsetzen, werden als Inselbildungserkennungssysteme eingesetzt. Ein zusätzlicher kontrollierter Parameter ist der Wert und die Richtung der Wirkleistung in den Feldern, die von 110kV/6kV-Transformatoren versorgt werden. Im Falle einer gleichzeitigen Anregung dieser Kriterien werden Ausfälle implementiert, um die Insel zu isolieren, und die Felder, die durch den kontinuierlichen Algorithmus ermittelt wurden, gleichen die Leistung in einem stabilen Zustand kurz vor dem Auftreten der Störung aus.

Von jedem Feld der Schaltanlage werden die Phasenströme und von den Messfeldern die Phase-Phase-Spannungen an das Messsystem angeschlossen. Die Messsysteme messen kontinuierlich sowohl die Wirk- als auch die Blindleistung in jedem Feld und liefern diese Werte mehrmals pro Sekunde an die Zentraleinheit, um die Algorithmen zur Auswahl der abzuschaltenden Felder auszuführen. Die Messsysteme sind gleichzeitig mit Relaisausgängen ausgestattet, die ordnungsgemäß mit den Steuerkreisen aller Felder verbunden sind, um die als Ergebnis der Algorithmusberechnungen festgelegten Abschaltungen auszuführen.

Das Herzstück des Systems ist ein Algorithmus, der die Konfiguration des Systems analysiert und die möglichen Systeme des Inselbetriebs in einer gegebenen Netzsituation bestimmt. Auf der Grundlage der vom Betreiber festgelegten Prioritäten und der aktuellen Lasten der abzuschaltenden Felder werden die Felder so ausgewählt, dass sich in den erstellten Inselbetriebssystemen die aus Sicht der Anlagensicherheit wichtigsten Lasten befinden und dass die Summe der Lasten möglichst nahe an der Leistung der Generatoren liegt, die auf einer bestimmten Insel ab dem Zeitpunkt unmittelbar vor der Störung betrieben werden. Dieser Algorithmus ist auf einem Industrie-PC implementiert. Aus Gründen der Zuverlässigkeit wird ein modernes lüfterloses Gerät der Pentium-Centrino-Klasse verwendet, das die maximal mögliche Zuverlässigkeit des Algorithmus garantiert.

Ein Vorteil des SmartLoad-Systems ist die Möglichkeit, die abzuschaltenden Lasten dynamisch zu verändern. Die Felder, die durch den "aktiven" Algorithmus abgeschaltet werden sollen, werden so ausgewählt, dass sie nach dem Abschalten die erzeugte und verbrauchte Leistung für die getrennte Insel maximal ausgleichen. Die Arbeit des "aktiven" Algorithmus kann in mehrere gleichzeitig ausgeführte Prozesse unterteilt werden, diese sind:

• Analyse der aktuellen Netzkonfiguration;
• Bestimmung der Inseln, die sich bilden können;
• Durchführung der Leistungsbilanz für jede der möglichen Inseln;
• Bestimmung der Felder, die im Falle einer Inselbildung abgeschaltet werden sollen
• Erkennung des Inselbetriebs im System und Bestimmung der Größe der entstehenden Insel;
• "Abschneiden" der Insel vom System durch Öffnen entsprechender Schalter;
• Abschalten von Verbrauchern auf der Grundlage der unmittelbar vor dem Ausfall erstellten Ausnahmetabelle für die jeweilige Insel;
• Überwachung der so entstandenen Insel durch den klassischen SCO-Algorithmus mit der Möglichkeit der laufenden manuellen Zuweisung von Prioritäten der Ausschlüsse

Die wichtigste Bedingung für den Erfolg eines solchen Algorithmus ist die Geschwindigkeit seiner Reaktion auf Netzstörungen. Die Durchführung von schnellen und präzisen Ausschlüssen im Falle einer Inselbildung reduziert die Tiefe der Störung und erhöht somit die Stabilität des Betriebs und die Wahrscheinlichkeit der Aufrechterhaltung eines fragilen Gleichgewichts im neuen System. Bei der Konstruktion des Systems wurde 10s als maximale Zeit für die Bestimmung der abzuschaltenden Felder nach einer Änderung der Netzkonfiguration angenommen, und maximal 1s als Zeit von der Erkennung der Insel bis zur Durchführung der entsprechenden Abschaltungen.

Der Algorithmus bestimmt "abzuschaltende" Lasten multikriteriell für jede potentielle Insel.  Er berücksichtigt dabei Faktoren wie Wirk- und Blindleistungsbilanz, Prioritäten der Verbraucher und die geringste Anzahl von Ausfällen. Nach der Optimierung der potenziellen Ausfälle werden diese Informationen an die Ausführungseinheit gesendet. Die Aufgabe dieser Einheit ist es, die Spannung in einem bestimmten Netzknoten zu überwachen und den Zustand des Inselbetriebs zu erkennen. Zu diesem Zweck werden die Kriterien Unterspannung und Unterfrequenz, die Änderungsrate dieser Parameter und die Kriterien für die Richtung des Leistungsflusses im Knoten verwendet. Nachdem der Regler die Störung als "Inselbetrieb" interpretiert hat, werden sofort entsprechende Abschaltungen durchgeführt, um die Leistung in der isolierten Insel auszugleichen. Diese Aktion des aktiven Algorithmus ermöglicht es, die eigene Energiequelle mit maximalem Erfolg "am Leben" zu halten.

Im Gegensatz zu dieser Aktion bietet der Standard-SCO-Algorithmus keinen Leistungsausgleich nach der Inselbetriebsart, was sein Hauptnachteil ist. Der Grund dafür ist die starre Zuordnung der Ausfälle zu den einzelnen SCO-Stufen, die keine Kontrolle über die abgeschaltete Leistung zulässt.

Möglichkeit der Erweiterung des Systems mit Schaltanlagen der unteren Ebene
Die Abdeckung des Systems mit den Schaltanlagen der unteren Ebene ermöglicht es, mehr Lasten zu priorisieren und damit einzelne Quanten der abgeschalteten Leistung zu reduzieren. Dadurch erhöht sich die Auflösung des Systems, was sich in einem präziseren Ausgleich der Insel niederschlägt. Es ermöglicht auch mehr "chirurgische Schnitte" im Netz, so dass die wichtigen, "nicht energieverbrauchenden" Teile des Netzes, die mit der Steuerung zu tun haben, mit Strom versorgt werden. Die Informationen aus den unteren Ebenen des Netzes ermöglichen auch eine Optimierung des Betriebs der ATS-Automatik, die in der selektiven Auswahl nur der wichtigen Schalter besteht, die wahrscheinlich erfolgreich sein werden.

Die Möglichkeit, das System um die Erfassung von Informationen aus der Tiefe des Netzes zu erweitern, ist wünschenswert, um den Inselbetrieb eindeutiger erkennen zu können. Dazu dienen zusätzliche Informationen über den Zustand von Schaltern und über die Verlustleistungen und Spannungspegel in der unmittelbaren Umgebung der eigenen Schaltstelle.

Informationen vom Anlagenbetreiber

Die weitreichendste Erweiterung ist die Erfassung aktueller Informationen des Netzbetreibers über den Zustand des Netzes, insbesondere Informationen über große, sich entwickelnde Netzfehler, Abtrennung großer Inseln, Leistungsdefizite usw. Dies ermöglicht eine frühere Reaktion des Dienstes, die Vorbereitung eines geeigneten Betriebssystems und einen eventuellen sicheren Stillstand der Produktion.

Beispiel der Anwendung

Unten finden Sie ein Beispiel für die Anwendung von Smart-Load, das in einem großen Hüttenwerk installiert ist, das über zwei 6-kV-Hauptschaltanlagen mit doppeltem Querschnitt (GPZ-Typ) verfügt, die von fünf 110-kV-Leitungen über fünf 110/6-kV-Transformatoren versorgt werden. Das Werk verfügt über ein eigenes Wärmekraftwerk mit fünf Generatoren, von denen drei ständig in Betrieb gehalten werden. Die von den Haupt-GPZs versorgten Abzweigverteiler sind mit 3 Versorgungsfeldern ausgestattet, und die wichtigsten Verteiler sind mit einer automatischen Umschaltung der Stromversorgung ausgestattet, die die notwendige Kontinuität ihrer Versorgung garantiert.

In der Situation des Mangels an der Stromversorgung der wichtigen Schaltanlagen, die die metallurgischen Anlagen versorgen, besteht eine ernsthafte Wahrscheinlichkeit der Beschädigung dieser Anlagen, was erhebliche finanzielle Verluste und einen kostspieligen langfristigen Stillstand des Werkes nach sich ziehen würde, deshalb legt das Werkspersonal besonderen Wert auf die Aufrechterhaltung eines solchen Betriebssystems, dass die Schaltanlagen gleichzeitig vom NPS durch 110/6 kV-Transformatoren und von den Betriebsgeneratoren versorgt werden. Im Falle einer fehlenden Stromversorgung aus dem NPS erkennt das automatische Steuersystem Smart-Load die Tatsache des Verlustes der Stromversorgung aus dem Netz und schaltet die Leistungsschalter in den Stromversorgungsbuchten von der Seite des Stromnetzes aus, um zu verhindern, dass andere Verbraucher, die an das 110-kV-Netz angeschlossen sind, von den Betriebsgeneratoren versorgt werden.

Dann führt das System solche Abschaltungen durch, dass in der durch seinen Betrieb entstandenen Insel die Differenz zwischen der gelieferten und der empfangenen Leistung so klein wie möglich war. Ein sehr wichtiges Element, das berücksichtigt werden muss, ist die Tatsache, dass die Betriebskonfigurationen des 6kV-Netzes in der Anlage in der Regel im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Last optimiert sind, was es schwierig macht, dauerhaft eine solche Netzkonfiguration aufrechtzuerhalten, so dass innerhalb der Abschnitte, auf denen die Generatoren arbeiten, die von den Generatoren erzeugten und von den Lasten verbrauchten Leistungen ähnlich sind.

Nach der Auswahl von leistungsausgeglichenen Inseln besteht die nächste Aufgabe des Automatisierungssystems darin, den Betrieb der erstellten Inselsysteme zu überwachen. Im Falle des Inselbetriebs von Generatoren besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit weiterer Störungen, die mit Stromstößen aus dem Betrieb der Automatik des Prozesssystems sowie mit Störungen im Betrieb der Turbinensätze selbst zusammenhängen. In dieser Phase erfüllt die besprochene Automatik die Funktion eines klassischen SCO, der im Falle eines Frequenzabfalls innerhalb des Inselsystems eine nachfolgende Abschaltung durchführt, um den Betrieb der "Insel" für eine maximale Zeit aufrechtzuerhalten - d.h. bis die Stromversorgung aus dem 110kV-Netz wiederhergestellt ist oder bis zur sicheren Notabschaltung der technologischen Linien im Betrieb.