Nestabilno delovanje hidroagregatov in preprečevanje prekomernega nihanja delovne moči agregata Danilo Klasinc E-mail: danilo.klasinc@dem.si, tel. 02 3005 269 Dalibor Kranjčič Dravske elektrarne Maribor, d. o. o, Obrežna ul.170, Maribor E-mail: dalibor.kranjcic@dem.si, tel. 02 3005 165 Iztok Dover E-mail: iztok.dover@dem.si, tel. 02 3005 260 Sašo Kreslin E-mail: saso.kreslin@dem.si, tel. 02 3005 270 Matej Petek E-mail: matej.petek@dem.si, tel. 02 3005 278 Namen članka je analiza izjemnega dogodka pri obratovanju agregata 2 na hidroelektrarni Zlatoličje. Medtem ko je agregat obratoval pri maksimalni vrednosti delovne moči in jalovi moči v kapacitivnem področju, se je nenadoma pričelo sinusno nihanje z naraščajočo amplitudo delovne moči, ki je presegla 20 MW. Omenjeni pojav je bilo možno ponoviti in ga tudi analizirati. V sistemih procesnega vodenja in zaščite agregata prvotno ni bila predvidena zaznava takšnega pojava, zato je dodan nov sklop, ki pri prevelikem nihanju delovne moči agregat iz mreže odklopi. Rešitev temelji na sodobnem industrijskemu krmilniku Siemens S7-300, za katerega je v višjem programskem jeziku SCL (različica Pascal-a) napisan program, ki spremlja potek trenutne vrednosti moči in izvaja predpisane ukrepe zaščite. Unstable operation of hydroelectric generators and prevention of abnormal active power oscillations The purpose of this paper is the analysis of an unexpected event on the operating hydroelectric generator 2 at the hydropower plant Zlatoličje. While the hydroelectric generator was running on maximum value of active power and with reactive value in the capacitive area, it started to operate with progressive sinusoidal oscillations of active power exceeding 20 MW. This phenomenon was repeatable and analyzable. At first such phenomena were not envisaged in the existing process control and protection systems, therefore another component was added, which disconnects the operating generator from the network if abnormal oscillation of active power are detected. The solution is based on the industrial controller Siemens S7-300. The high level program language SCL (Pascal like) was used to implement protective measures the program monitors the current value of electric power and takes protective measures in case limit values are exceeded.
I. HE ZLATOLIČJE Nihanje je bilo zaznano v Slovenskem elektroenergetskem sistemu (EES) 400 kv (slika 3) in tudi izven slovenskega EES. V okviru slovenskega EES so bili nihanja najbolj deležni v Nuklearni elektrarni Krško, v bloku 5 termoelektrarne Šoštanj (TEŠ) in pri odjemu na transformatorjih v Mariboru. Slika 1 HE Zlatoličje HE Zlatoličje je največja kanalska elektrarna v Sloveniji in zanesljivo obratuje že od leta 1969. Izkorišča 33 m padca reke Drave. Pred prenovo v letu 2007 je z inštalirano močjo 115 MW in pretočno zmogljivostjo 450 m3/s proizvedla letno 577 milijonov kwh električne energije. Elektrarna, grajena v času od 1964 do 1969 ima: od struge ločena dovodni in odvodni kanal, 4,5 milijona m3 veliko akumulacijsko jezero. Zajezna zgradba je v Melju pri Mariboru.. Njena prenova je nujna zaradi izrabljenosti generatorske in turbinske opreme, kar je tudi glavni cilj projekta prenove. Poleg tega pa velja izpostaviti povečanje proizvodnje električne energije in zagotavljanje večje varnosti za okolje in ljudi. Po prenovi bosta inštalirana moč in pretočna zmogljivost elektrarne povečani na 130 MW oz. 530 m3/s. Pretočna zmogljivost bo tako usklajena z verigo elektrarn na reki Dravi. II. OPIS PROBLEMATIKE V času zagonskih preizkusov agregata 2 je med 18.4.2008 in 28.4.2008 prišlo do nestabilnega naraščajočega nihanja delovne moči generatorja in sicer v območju 30 50 MW. Generator je prešel v nestabilno obratovanje pri približno polni delovni moči in v kapacitivnem območju obratovanja. Slika 3 Potek moči 28.4.2008 (vir: ELES) III. VZROKI ZA NASTANEK NIHANJA MOČI V celotnem delovnem območju generatorja se normalno pojavlja nihanje delovne moči z amplitudo do 2 MW. Nihanje je relativno veliko, vendar stabilno. Pri maksimalni delovni obremenitvi in obratovanju v kapacitivnem področju blizu meje stabilnosti, pa začne amplituda naraščati in divergirati. V prisotnosti predstavnikov podjetja Končar, ki je dobavitelj generatorja z vzbujalnim sistemom in predstavnikov EIMV so bile naknadno ponovljene te obratovalne razmere in pojav nihanja delovne moči se je tudi ponovil. Ugotovljeno je bilo, da je vzrok za pojav naraščajočega nihanja moči neustrezno delovanje PQ omejevalnika statorskega toka v kapacitivnem področju generatorja. Ta je bil kasneje blokiran, poleg tega pa je bil prenastavljen tudi omejevalnik minimalnega vzbujalnega toka v bolj stabilno kapacitivno področje delovanja generatorja. S tem se je možnost nihanja praktično izločila. Po daljši analizi je dobavitelj predlagal rešitev. Spremenil je obratovalni diagram generatorja tako, da je znižal dovoljene kapacitivne obremenitve z jalovo močjo pri vrednostih delovne moči blizu nazivne. V sklopu vzbujalnega sistema je vgrajena tudi funkcija PSS (stabilizator moči), ki duši nihanja moči. Slika 2 - Nihanje 18.4.2008 (vir: LITOSTROJ razbremenilni preizkusi)
IV. PROGRAMSKA IZVEDBA REŠITVE PROBLEMA Ker noben izmed sekundarnih sistemov (kontroler agregata, turbinski regulator, krmilnik turbinske zaščite, električna zaščita) ni namenjen preprečevanju nastalega nihanja smo se odločili, da nadgradimo programsko opremo krmilnika turbinske zaščite. Cilj je bil s programskimi orodji izvesti takšno funkcionalnost, ki bo prepoznavala naraščajoča nihanja delovne moči generatorja in jih z odklopom od omrežja tudi preprečevala. Potrebno je bilo predvideti dovolj fleksibilno rešitev, ki bo omogočala nastavljanje parametrov sistema pri implementaciji rešitve na terenu. Pred nami je bil izziv tako po strokovni plati, kot tudi iz vidika sodelovanja različnih strokovnih področij tehnike na DEM (avtomatike, zaščite, merjenja in programiranja). A. Krmilnik Za izvedbo logike, ki spremlja delovno moč agregata in preprečuje nedovoljena nihanja le te, je uporabljen sodobni industrijski krmilnik Siemens SIMATIC S7-300. Tovrstni krmilnik se na HE Zlatoličje uporablja za izvajanje zaščitnih funkcij turbine t. i. krmilnik turbinske zaščite. Njegov namen je spremljanje procesnih veličin, ki so pomembne za varno obratovanje turbine in je povsem neodvisen od ostalih sekundarnih sistemov agregata. Za nazoren prikaz informacij o stanju vhodov in izhodov ter izvedenih akcijah je na krmilnik zaščite priključen operaterski panel občutljiv na dotik Krmilnik turbinske zaščite izvaja predpisane ukrepe, na primer proženje izhodov za aktiviranje hitre zapore, v kolikor so presežene mejne vrednosti procesnih veličin in s tem presežena varna obratovalna stanja turbine. Sestavljen je iz 8 vhodno/izhodnih enot, katerih naloga je zbiranje podatkov o procesnih veličinah iz senzorjev in dajalcev, kot so: Slika 4: Krmilnik turbinske zaščite S7-300 B. Programska orodja krmilnikov S7-300 Krmilnik SIMATIC S7-300 ponuja več različnih postopkov za izvedbo programske logike, značilnih za področje procesne avtomatike: LAD (Ladder Logic/ Lestvična Logika) danes povsem uveljavljen način za programiranje krmilnikov pri znanih proizvajalcih industrijskih krmilnikov. Temelji na»relejni«logiki. Slika 5: Zgled LAD FBD (Functional Block Diagram / Funkcijski Blokovni diagram) podobno kot LAD, vendar izvedba FBD temelji na logiki funkcijskih blokov. Vhode in izhode krmilnika povezujemo s pomočjo blokov, ki imajo natančno določeno funkcionalnost. temperature ležajev in segmentov, nivoji olja v ležajih, nivo vode v turbinskem pokrovu, stanja ventilov tlačnega sistema itd. Slika 6: Zgled FBD
STL (Statement List/ Trditvena lista) različica zbirnega programskega jezika (assembly language). Slika 7: Zgled STL Programiranje krmilnikov SIMATIC S7-300 izvajamo v programskem okolju Simatic Manager. C. SCL (Structured Control Language) je različica Pascala, proceduralnega programskega jezika, ki ga je leta 1970 iznašel Niklaus Wirth. Sintaksa jezika SCL omogoča neposreden dostop do strojne opreme krmilnika analognih in digitalnih vhodov/izhodov ter spominskih območij. Na voljo so standardni podatkovni tipi (BOOL, INT, WORD ) in kompleksni podatkovni tipi (polja, strukture). SCL omogoča absolutne, simbolične in posredne načine naslavljanja podatkov. Uporabljajo se lahko standardni programski stavki: IF, CASE, FOR, WHILE, REPEAT, RETURN itd. Podobno kot pri programskih orodjih FBD, STL in LAD se koda SCL-a zlaga v funkcijske bloke, ki imajo naslednjo strukturo: GLAVA BLOKA DEKLARACIJE PARAMETRI LOKALNE SPREMENLJIVKE PROGRAMSKA KODA SCL Slika 8: Programsko okolje Simatic Manager Za programsko okolje SIMATIC Manager je značilno, da je možna pretvorba med načini programiranja FBD, STL in LAD z izbiro ustreznega načina pogleda. Samo programiranje poteka tako, da se koda ukazov FBD, STL in LAD v pripadajočem urejevalniku zloži v t i. funkcijske bloke (FB), katerim so pridruženi podatkovni bloki (DB). Ti vsebujejo spremenljivke in strukture različnih podatkovnih tipov, ki se uporabljajo znotraj funkcijskega bloka - parametre. Klic FB-a izvedemo iz organizacijskega bloka (OB) v urejevalniku OB-a preprosto vpišemo klic na ime funkcijskega in podatkovnega bloka. OB-i se razlikujejo glede na čas, ki jim ga operacijski sistem krmilnika dodeli za vnovično izvajanje oziroma klic. Omenjena programska orodja, predvsem LAD in FBD, predstavljajo že vrsto let uveljavljen način programiranja na področju procesne avtomatike. Četudi so ta orodja povsem zadostna za razvoj večine industrijskih aplikacij, imajo določene omejitve, saj gre navsezadnje za t. i.»nižje programske jezike«, ki nikakor niso primerljivi z možnostmi»višjih«programskih jezikov, kot so na primer C, Java, Perl, Pascal in podobno. V svojem naboru programskih orodij krmilnik SIMATIC S7-300 ponuja presenečenje -»višji«programski jezik SCL (Structured Control Language) oziroma različico Pascal-a. SCL omogoča enostavnejše programiranje sicer zapletenih algoritmov in opravil. Koda SCL-a je uporabljena za izvedbo preprečevanja prekomernega nihanja delovne moči agregata na HE Zlatoličje. Slika 9: Struktura FB v SCL-u Zelo preprost program v programskem jeziku SCL zgleda takole: Slika 10: Zgled programske kode SCL
D. Izvedba programske kode za preprečevanje prekomernega nihanja agregata Program, ki je napisan v SCL-u z namenom, da preprečuje prekomerno nihanje moči agregata na HE Zlatoličje, dejansko predstavlja zgolj enega od mnogih funkcijskih blokov v spominu krmilnika. V osnovi deluje program tako, da spremlja potek delovne moči na analognem vhodu krmilnika. Če je v predpisanem intervalu 10 s zabeleženih vsaj 5 prenihajev, se ukrep hitre zapore agregata izvede takoj. Časovni okvir je določen z začetnim in končnim pulzom intervala, ki ga ustvari sistemska časovna funkcija Ton. V kolikor so prenihaji zabeleženi, vendar ni doseženo zadostno število le-teh za proženje hitre zapore, se časovni interval samodejno podaljša, vendar samo še enkrat. Preverjanje nihajev se torej nadaljuje v novem časovnem oknu. S tem je zagotovljena večja verjetnost, da se ujame zadostno število prenihajev. Glavni parametri programa so podani v podatkovnem bloku DB, ki sodi k funkcijskem bloku glavnega programa. Na naslednji sliki je prikazano okno za opazovanje vrednosti spremenljivk krmilnika v realnem času (SIMATIC Manager) na katerem so vidni glavni parametri programa: V. TESTNO OKOLJE IN IMPLEMENTACIJA REŠITVE NA TERENU Za potrebe testiranja smo v laboratoriju na DEM postavili testno okolje, ki je bilo zelo dober približek razmer na samem agregatu. Konfiguracija testnega okolja je naslednja: krmilnik turbinske zaščite v polni konfiguraciji testna naprava kot vir 3f-ih izmeničnih tokov in napetosti 3f merilni pretvornik za delovno moč programsko orodje»ibaanalyzer«za snemanje procesnih veličin v krmilnikih serije S7 S testno napravo smo na merilni pretvornik vsiljevali različne oblike 3f tokov in napetosti. Izhod iz merilnega pretvornika (4 20 ma) smo povezali na analogni vhod krmilnika. Dobljena vrednost je nato v krmilniku digitalizirana in programsko ustrezno obdelana. V odvisnosti od nastavljenih parametrov (števila prenihajev v časovnih oknih, amplitude delovne moči, ) je sistem prožil ustrezen izhod, ki je enakovreden sprožitvi zaščitnega ukrepa hitre zapore. Slika 12: Orodje»ibaAnalyzer«S pomočjo programskega orodja»ibaanalyzer«, smo se preko standardnih komunikacijskih vodil (MPI ali Profibus) povezali na centralno procesno enoto krmilnika in v realnem času spremljali zvezni potek spremenljivk in odziv sistema. Po zaključenem testiranju v laboratoriju je bila aplikacija prenesena na prej opisani sistem turbinske zaščite agregata 2 HE Zlatoličje. VI. ZAKLJUČEK Slika 11: Opazovanje spremenljivk v realnem času V podjetju smo si kot izziv zadali izdelavo programskega modula, ki bi opisana nihanja prepoznal in nanje tudi ustrezno reagiral. Aplikacija predstavlja dodatni zaščitni varnostni ukrep za preprečevanje
nihanja moči agregata, nujen zaradi velikosti stroja in vpliva na omrežje. V primeru neuspešnega stabiliziranja agregata, ki ga izvajajo funkcije vzbujalnega sistema, turbinska zaščita se izvede izklop agregata iz omrežja. Delo je zahtevalo sodelovanje strokovnjakov DEM iz različnih področij in je rezultat znanj in izkušenj iz vseh do sedaj izvedenih projektov prenov elektrarn. A. Reference [1] Hans Berger, Automating with STEP 7 in STL and SCL, Publicis Corporate Publishing, 4th revised edition,2007 [2] SIEMENS AG A&D AS CS 2 PA PCS7 on Tour BASIC (version 7.0), March 2007 Edition V1.0 [3] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji Temeljna znanja, 2005 [4] France Avčin, Peter Jereb, Preizkušanje električnih strojev, 1973