FI121406B - Voimantuotantoverkon mallintaminen kuorman jakamiseksi - Google Patents

Description

Voimantuotantoverkon mallintaminen kuorman jakamiseksi Tekniikan ala Tämä keksintö liittyy sähkövoimansiirtoverkkoon, johon on yhdistettävissä sähkön-5 tuotantolaitteita ja kuormia. Erityisesti keksintö liittyy laivojen verkkoihin ja muihin vastaaviin itsenäisiin sähkövoimansiirtoverkkoihin.

Tekniikan taso

Laivojen muiden vastaavien sovelluskohteiden itsenäiset sähkövoimansiirtover-10 kot ovat verrattain pieniä. Niihin on yhdistetty generaattoreita tyydyttämään laivan sähkönkulutuksen tarve. Kutakin generaattoria pyörittää voimanlähde, kuten dieselmoottori. Generaattorit pyörivät sähköverkossa samalla nopeudella, jotta sähköverkossa olisi sama taajuus joka paikassa. Sähköä ei voida taloudellisesti varastoida, joten sähköntuotannon on vastattava verkossa olevaa sähkönkulutusta. Voimansiir-15 toverkossa on siis oltava jokin järjestely kuormituksen jakamiseksi generaattoreiden kesken.

Eräs tunnettu tapa on käyttää Droop -säätöä, eli poikkeamasäätöä. Kullakin generaattorilla on tehontuotantosuora verkon taajuuden funktiona. Kun kuormitus kasvaa, pyrkii verkon taajuus laskemaan, ja kun kuormitus pienenee, pyrkii taajuus nouse-20 maan. Haittana on siis, että systeemin pysyvän tilan taajuus on riippuvainen systeemiin kuormasta.

Toinen tapa on käyttää ns. isokroonista kuormanjakoa. Tässä tavassa järjestelmän keskimääräistä kuormitusta käytetään hyväksi muodostamaan asetusarvot generaattoreille kuorman jakamiseksi. Isokroonisen säädön periaate on samankaltainen poik-25 keamasäädön kanssa, mutta se ei niin riippuvainen verkon kuormasta.

Digitaaliset tietoliikenneväylät ovat yleistyneet korvaamaan vanhemmat analogiset väylät, joita on käytetty hyväksi kuorman jakamisessa. Digitaalisten väylien etuina ovat niiden tarkkuus, varmuus, häiriöttömyys. Analogiaratkaisut ovat kuitenkin olleet hyvin muuntautuvia verkon eri konfiguraatioihin. Digitaalista ratkaisua käytettäessä 2 on vaikea jäljitellä analogista voimansiirtoverkkoa. Voimansiirtoverkossa on tyypillisesti kytkimiä, joiden tilaa voidaan tarpeen mukaan muuttaa joko automaattisesti tai manuaalisesti. Ohjelmistosta, piirikortista tai muusta laitteistosta, jota käytetään kuor-majakoon, tulee helposti hyvin monimutkainen.

5

Keksinnön lyhyt kuvaus

Keksinnön tavoitteena on vähentää edellä mainittuja digitaalisuuden mukanaan tuomia haittoja. Tavoite saavutetaan päävaatimuksessa kuvatulla tavalla. Epäitsenäiset vaatimukset kuvaavat keksinnön erilaisia toteutusmuotoja.

10 Keksinnön mukainen sähkövoimansiirtoverkon konfiguraatiotilanteen mallintamis-järjestely käsittää mallintamiselementin 7, joka on tarkoitettu asennettavaksi jokaiseen sähkövoimansiirtoverkon generaattoriin. Voimansiirtoverkossa kukin generaattori 1 on yhdistettävissä kahden eri kytkimellä 2, 3 varustetun yhteysreitin kautta muihin generaattoreihin. Voimansiirtoverkko on linja tai silmukka, ja generaattoreilla on 15 peräkkäiset tunnukset. Mallintamiselementti 7 on järjestetty mittaamaan mainittujen kytkimien tila molemmilla yhteysreiteillä, kunnes kyseisillä reiteillä havaitaan aukinainen kytkin ja havaitsemaan kunkin kiinni olevan kytkimen perusteella sitä vastaava generaattori ja mallintamaan näin voimansiirtoverkko, johon kuuluvat havaitut generaattorit ja kiinni olevien kytkimien välityksellä samaan sähköpiiriin kuuluva voiman-20 siirtoverkon alue.

Kuvioluettelo

Seuraavassa keksintöä kuvataan yksityiskohtaisemmin oheisten piirustuksien kuvioiden avulla, joissa 25 Kuvio 1 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta generaattorin kytke misestä voimansiirtoverkkoon,

Kuviot 2 ja 3 havainnollistavat mahdollisia verkkotopologioita,

Kuvio 4 havainnollistaa keksinnön mukaista verkon hahmottamista, 3

Kuvio 5 esittää esimerkkiä datavektorista, joka lähetetään tieto liikenneverkossa ja

Kuvio 6 kuvaa esimerkkiä keksinnöllisestä menetelmästä.

5 Keksinnön kuvaus

Kuvio 1 esittää esimerkkiä generaattorista 1 ja sen kytkemisestä voimansiirtoverk-koon 4. Kuten havaitaan generaattori on kytketty kahdella kytkimellä 2, 3 voimansiir-toverkkoon. Kytkimien välinen osa voidaan siis tulkita kuuluvan osaksi voimansiirto-verkkoa, sillä sen läpi voi kulkea sähkövirtaa, kun vähintään yksi kytkin on kiinni.

10 Kahden kytkimen ansioista generaattorista voidaan syöttää sähkövoimaa, molempiin suuntiin voimansiirtoverkkoa 4 tai jompaan kumpaan suuntaan. Generaattoria 1 pyörittää esimerkiksi mäntäpolttomoottori tai kaasuturbiini. Kahden generaattorikohtaisen kytkimen käytöllä voimansiirtoverkko on erittäin mukautuva. Kullakin generaattorilla on siis kaksi yhteysreittiä muuhun verkkoon.

15 Kuviot 2 ja 3 kuvaavat mahdollisia verkkotopologioita, Voimansiirtoverkko 4, 5 voi olla linja tai silmukka. Vain nämä verkkotopologiat ovat mahdollisia, jotta keksinnöllinen verkon hahmottaminen voidaan suorittaa. Suhteellisen pienissä verkoissa, kuten laivoissa tästä ei ole haittaa. Itse asiassa tämä voi jopa helpottaa verkon suunnittelua.

Jokaisella generaattorilla 1 - 1G on oma tunnuksensa. Verkon peräkkäisillä koneil- 20 la on peräkkäiset tunnukset. Jos olemassa olevan verkon johonkin kohtaan lisätään uusi generaattori, on sille ja sen jälkeen oleville generaattoreille annettava uusi tunnus. Verkon ensimmäisellä generaattorilla on ensimmäinen tunnus ja viimeisellä generaattorilla viimeinen tunnus. Generaattorin tunnusta voidaan siis hyödyntää generaattorin paikan hahmottamisessa verkossa, kuten kuvataan jäljempänä.

25 Kuvio 4 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta toiminnasta. Jotta isokrooninen kuormanjako olisi mahdollista, useita parametreja/signaaleja on välitettävä generaat-toreiden välillä. Tietojen välittämiseen käytetään CAN -väylää (Controller Area Network) 6. Lähetys tapahtuu yleislähetyksenä, eli kaikki generaattorit näkevät samat tiedot. Tiedot lähetetään esimerkiksi datavektorissa (kuvio 5), joka koostuu generaat- 30 torikohtaisista elementeistä 12. Generaattorikohtainen elementti alkaa edullisesti ge- 4 neraattorin tunnuksella 13, jonka jälkeen on kenttiä erilaisille signaalitiedoille, parametreille ja kytkimien statustiedoille 14. Kukin generaattori päivittää sille osoitettua elementtiä.

Kuvion 4 esimerkissä generaattori N+1, tarkemmin sanottuna generaattorin ver-5 konmäärityselementti 7, selvittää voimansiirtoverkon 4 kytkimien tilat. Selvittäminen suoritetaan mittaamalla voimansiirtoverkosta esimerkiksi aaltoimpedanssia, jonka perusteella voidaan päätellä ovatko kytkimet kiinni vai auki. Selvittäminen aloitetaan jompaan kumpaan suuntaan verkossa. On edullista, että tarkistussuunnat ja järjestys määritetään, jotta voidaan hyödyntää generaattorikohtaisia tunnuksia. Tässä tekstis-10 sä suunnat määritetään joko ’’eteenpäin” tai ’’taaksepäin” Tarkistussuunnat voidaan kuitenkin nimetä halutulla tavalla. Lisäksi tarkistussuuntajärjestys voidaan toteuttaa myös halutussa järjestyksessä: ’’eteenpäin” ensimmäiseksi tai ’’taaksepäin” ensimmäiseksi.

Kuvion 4 tilanteessa Generaattori N+1 aloittaa kytkimen statuksien selvittämisen 15 ’’taaksepäin”, jolloin ensimmäinen kohdattava kytkin 8 havaitaan olevan kiinni, eli sen status-arvo on 1 tässä esimerkissä. Verkonmäärityselementti 7 pystyy tästä mittauksesta havaitsemaan, että generaattori N kuuluu samaan voimansiirtoverkon alueeseen, joka kuuluu samaan sähköpiiriin. Statusselvitystä jatketaan ’’taaksepäin” kunnes havaitaan kytkin 9, joka on auki. Tällaisen kytkimen statukseksi tulee 0. Aukinai-20 nen kytkin tarkoittaa että seuraava generaattori ei kuulu samaan voimansiirtoverkon alueeseen ja tarkistaminen kyseiseen suuntaan voidaan lopettaa. Kaikki kytkimet jotka on havaittu olevan kiinni, ilmaisevat samalla generaattorit (kytkintä seuraava generaattori), jotka kuuluvat samaan ryhmään. Tämä on mahdollista, kun käytetään peräkkäisiä generaattorikohtaisia tunnuksia.

25 Kun toinen suunta on tarkistettu, tarkistetaan päinvastainen suunta, eli kuvion 4 tapauksessa ’’eteenpäin”. Havaitaan, että ensimmäinen tarkistettava kytkin 10 on auki, eli se saa statukseksi nollan, ja tarkistus lopetetaan ”eteenpäin”-suuntaan. Kytkintä 11 ei siis enää tarkisteta, koska se ei enää kuulu samaan voimansiirtoverkon alueeseen. Mitatuista kytkinten statustiedoista, verkonmäärityselementti pystyy mallinta-30 maan voimansiirtoverkon alueen, joka muodostaa yhteisen sähköpiirin. Kytkinten sta-tustiedot sijoitetaan datavektorin generaattorikohtaisen elementin 12 kenttään 14, jo- 5 ka on varattu kytkinten statustiedoille. Katso kuvio 5. Datavektori yleislähetetään CAN -väylän kautta muille generaattoreille. Lähetetyn datavektorin kautta, kaikki generaattorit saavat tarvittaessa tiedot muiden generaattoreiden tekemistä kytkinten statustie-totarkistuksista.

5 Jokainen generaattori suorittaa kytkinten statuksien tarkistamisen ja verkon alueen mallintamisen ja käsittää samanlaisen verkonmäärityselementin 7 sekä päättää itsenäisesti, mitkä muut generaattorit kuuluvat samaan voimansiirtoverkkoon. Mitään keskusyksikköä ei siis tarvita. Verkon konfigurointi (kytkinten statuksien muutokset) voi siis tapahtua reaaliaikaisesti.

10 Verkonmäärityselementti voidaan toteuttaa ohjelmistona tai sähköpiirinä. Ohjelmisto voidaan ladata generaattorin muistiin ja suorittaa tarkoitukseen sopivassa prosessorissa. Eräs toteutusmuoto on ASIC-piiri (Application Specific Integrated Circuit). Verkon osan mallintamisen jälkeen, samaan sähköpiiriin kuuluvat generaattorit voivat jakaa kuorman, käyttämällä hyväksi tietoa verkon osan keskimääräisestä kuormasta 15 ja vallitsevasta kuormasta. Vaikka kuvioissa ei ole esitetty kuormia, on selvää, että sähkövoimansiirtoverkkoon on yhdistettävissä kuormia.

Kuvio 6 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta menetelmästä laivojen sähkö-voimansiirtoverkon konfiguraatiotilanteen mallintamiseksi. Menetelmä on tarkoitettu suoritettavaksi jokaisessa sähkövoimansiirtoverkon generaattorissa. Kuten aikai-20 semmin jo mainittiin, verkossa kukin generaattori 1 on yhdistettävissä kahden eri kytkimellä 2, 3 varustetun yhteysreitin kautta muihin generaattoreihin, joka voimansiirto-verkko on linja tai silmukka, ja generaattoreilla on peräkkäiset tunnukset. Verkon ensimmäisellä generaattorilla on ensimmäinen tunnus ja viimeisellä generaattorilla viimeinen tunnus.

25 Menetelmä käsittää vaiheet: mittaamaan 62, 64 mainittujen kytkimien tila molemmilla yhteysreiteillä, kunnes kyseisillä reiteillä havaitaan aukinainen kytkin 63, 66, havaitsemaan 63 kunkin kiinni olevan kytkimen perusteella sitä vastaava generaattori ja mallintamaan 65 näin voimansiirtoverkon osa, johon kuuluvat havaitut generaattorit ja kiinni olevien kytkimien välityksellä samaan sähköpiiriin kuuluva voimansiirtoverkon 30 alue. Havaitsemis- ja mallintamisvaiheessa käytetään hyväksi verkon rakennetta ja generaattoreiden peräkkäisiä tunnuksia. Mittaamisvaihe on järjestetty edullisesti mit- 6 taamaan aluksi ensimmäisen yhteysreitin kytkinten tila, jonka jälkeen siirrytään mittaaman toisen yhteysreitin kytkinten tila.

Kuvion 6 esimerkissä mittaus aloitetaan ensimmäisestä reitistä 61. Ensimmäisen kohdattavan kytkimen tila mitataan 62. Jos kytkin on kiinni 63, mitataan ensimmäisen 5 reitin seuraava kytkin. Kiinni olevan kytkimen perusteella sitä vastaava generaattori lisätään samaan verkon osaan kuin mittauksen suorittava generaattori 65. Verkon osan mallintaminen siis edistyy joka mittauksella. Kun mittauksessa kohdataan kytkin, jonka tila on ’’auki” tai kun kohdataan tarkistuslinjan viimeinen generaattori eli pääty, lopetetaan reitin mittaus 66, ja tarkistetaan onko toinen reitti jo mitattu 67. Jos 10 molemmat reitit on mitattu 67, mittaus lopetetaan 69. Jos toinen reitti on mittaamatta 67, aloitetaan toisen reitin mittaus 68. Toisen reitin mittaus suoritetaan samalla tavalla kuin ensimmäisen reitin mittaus. Mainittu pääty on siis tarkistuslinjan viimeinen mahdollinen generaattori, eli verkon ensimmäinen tai viimeinen generaattori. Generaattorin tunnus ilmaisee onko kyseessä ensimmäinen vai viimeinen generaattori.

15 Kytkinten mittaustiedot on järjestetty siirrettäväksi datavektorin tiettyyn kohtaan, joka datavektori on järjestetty yleislähetettäväksi muille voimansiirtoverkon generaattoreille. Menetelmä, kuten myös laitteistokin, on järjestetty lisäksi toistuvasti mittaamaan kytkinten tilatiedot.

Kuten voidaan todeta, keksinnöllinen suoritusmuoto voidaan saada aikaa monilla 20 eri ratkaisuilla. On siis selvää, että keksintö ei rajoitu pelkästään tässä tekstissä mainittuihin esimerkkeihin. Mikä tahansa keksinnöllinen toteutusmuoto voidaan siis toteuttaa keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (14)

1. Laivojen sähkövoimansiirtoverkon konfiguraatiotilanteen mallintamisjärjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää mallintamiselementin (7) asennettavaksi jokaiseen sähkövoimansiirtoverkon generaattoriin, jossa verkossa kukin generaattori 5 (1) on yhdistettävissä kahden eri kytkimellä (2, 3) varustetun yhteysreitin kautta mui hin generaattoreihin, joka voimansiirtoverkko on linja tai silmukka, ja joilla generaattoreilla on peräkkäiset tunnukset, joka mallintamiselementti (7) on järjestetty mittaamaan mainittujen kytkimien tila molemmilla yhteysreiteillä, kunnes kyseisillä reiteillä havaitaan aukinainen kytkin tai 10 päätyjä havaitsemaan kunkin kiinni olevan kytkimen perusteella sitä vastaava generaattori ja mallintamaan voimansiirtoverkko, johon kuuluvat havaitut generaattorit ja kiinni olevien kytkimien välityksellä samaan sähköpiiriin kuuluva voimansiirtoverkon alue.

2. Vaatimuksen 1 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että järjestely käsittää data-15 vektorin, joka koostuu generaattorikohtaisista elementeistä (12), jossa elementissä sen tietty osa (14) on tarkoitettu kytkinten tilatiedoille, ja mallintamiselementti (7) on järjestetty päivittämään datavektorin generaattorikohtaista elementtiä ja kytkinten tilatietoja, ja joka datavektori on järjestetty yleislähetettäväksi muille verkon generaattoreille.

3. Vaatimuksen 1 tai 2 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mallintamisele mentti (7) on järjestetty käyttämään generaattorien tunnuksia

4. Vaatimuksen 3 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mallintamiselementti (7) on järjestetty mittaamaan aluksi ensimmäinen yhteysreitti ja sen jälkeen toinen yh-teysreitti.

5. Vaatimuksen 4 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mallintamiselementti (7) on järjestetty toistuvasti mittaamaan kytkinten tilatiedot.

6. Vaatimuksen 4 tai 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mallintamiselementti on toteutettu ohjelmistolla.

7. Vaatimuksen 4 tai 5 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mallintamisele-mentti on toteutettu ASIC-piirillä tai muulla sähköpiirillä.

8. Vaatimuksen 6 tai 7 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että mallintamisele-mentti on asennettu generaattoriin.

9. Vaatimuksen 8 mukainen järjestely, tunnettu siitä, että generaattori on asennet tu voimansiirtoverkkoon.

10. Menetelmä laivojen sähkövoimansiirtoverkon konfiguraatiotilanteen mallintamiseksi, tunnettu siitä, että menetelmä on tarkoitettu suoritettavaksi jokaisessa sähkövoimansiirtoverkon generaattorissa, jossa verkossa kukin generaattori (1) on yhdistet- 10 tävissä kahden eri kytkimellä (2, 3) varustetun yhteysreitin kautta muihin generaatto-reihin, joka voimansiirtoverkko on linja tai silmukka, ja joilla generaattoreilla on peräkkäiset tunnukset, joka menetelmä käsittää vaiheet: -mittaamaan (62, 64) mainittujen kytkimien tila molemmilla yhteysreiteillä, kunnes 15 kyseisillä reiteillä havaitaan aukinainen kytkin (63, 66) tai pääty, -havaitsemaan (63) kunkin kiinni olevan kytkimen perusteella sitä vastaava generaattori ja -mallintamaan (65) voimansiirtoverkon osa, johon kuuluvat havaitut generaattorit ja kiinni olevien kytkimien välityksellä samaan sähköpiiriin kuuluva voimansiirtoverkon 20 alue.

11. Vaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että havaitsemis- ja mallintamisvaiheessa käytetään hyväksi verkon rakennetta ja generaattoreiden peräkkäisiä tunnuksia.

12. Vaatimuksen 10 tai 11 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että mittaamisvai-25 he on järjestetty mittaamaan aluksi ensimmäisen yhteysreitin kytkinten tila, jonka jälkeen siirrytään mittaaman toisen yhteysreitin kytkinten tila.

13. Vaatimuksen 12 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kytkinten mittaus-tiedot on järjestetty siirrettäväksi datavektorin tiettyyn kohtaan, joka datavektori on järjestetty yleislähetettäväksi muille voimansiirtoverkon generaattoreille.

14. Vaatimuksen 13 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmä on järjestetty toistuvasti mittaamaan kytkinten tilatiedot. Krav