Электротехника и автоматизация что это
Автоматизация электроэнергетических систем: АПВ, АВР, АЧП, АРЧ и другие виды автоматики
Основные параметры, регулируемые с помощью автоматических систем управления режимами энергосистем — частота электрического тока, напряжения узловых точек электрических сетей, активные и реактивные мощности и токи возбуждения генераторов электростанций и синхронных компенсаторов, потоки активных и реактивных мощностей в электрических сетях энергосистем и межсистемных связях, давление и температура пара, нагрузки котельных агрегатов, количество подаваемого воздуха, разрежение в топках котлов и т. д. Кроме того, автоматически могут срабатывать выключатели в электрических сетях и т. п. аппараты.
Автоматическое управление режимами электрических систем состоит из:
автоматики качества энергии ;
автоматики экономического распределения.
Автоматика надежности (АН) — совокупность автоматических устройств, действующих при возникновении аварийного повреждения оборудования и способствующих быстроте ликвидации аварии, ограничению ее последствий, предотвращению развития аварий в энергосистеме и тем самым максимальному снижению перерывов в электроснабжении.
Наиболее распространенные устройства АН — релейная защита электрического оборудования, автоматическая аварийная разгрузка энергосистемы, автоматическое повторное включение, автоматическое включение резерва, автоматическая самосинхронизация, автоматический частотный пуск остановленных агрегатов гидростанций, автоматические регуляторы возбуждения генераторов.
Автоматическая аварийная разгрузка энергосистем (ААР) обеспечивает сохранение баланса мощности в энергосистемах при тяжелой аварии, сопровождающейся потерей большой генераторной мощности и снижением частоты переменного тока.
При срабатывании ААР автоматически отключается ряд потребителей энергосистемы, что позволяет сохранить баланс мощностей и предотвращает сильное снижение частоты и напряжений, угрожающее нарушением статической устойчивости всей энергосистемы, т. е. полным развалом ее работы.
ААР состоит из ряда очередей, каждая из которых действует при снижении частоты до определенной заданной величины и отключает определительную группу потребителей.
Различные очереди ААР отличаются уставкой частоты срабатывания, а в ряде энергосистем и временем их действия (уставкой реле времени).
Разбивка ААР на очереди предотвращает излишнее отключение потребителей, т. к. при отключении достаточного их числа частота повышается, не допуская срабатывания следующих очередей ААР.
Применяется автоматическое обратное включение потребителей, ранее отключенных ААР.
Автоматическое повторное включение (АПВ) автоматически повторно включает линию передачи после ее автоматического отключения. Часто имеет место успешное АПВ (кратковременное обесточивание приводит к самоликвидации аварии), и поврежденная линия остается в работе.
АПВ имеет особо важное значение для одиночных линий, т. к. успешное АПВ предотвращает обесточивание потребителей. Для многоцепных линий АПВ автоматически восстанавливает нормальную схему питания. Наконец, АПВ на линиях, соединяющих электростанцию с нагрузкой, повышает надежность использования данной электростанции.
АПВ делится на трехфазное (отключение всех трех фаз при повреждении хотя бы на одной из них) и однофазное (отключение только поврежденной фазы).
АПВ линий, идущих от электростанций, выполняется как с проверкой синхронизма, так и без нее. Длительность цикла АПВ определяется по условиям гашения дуги (минимальная длительность) и по условиям устойчивости (максимальная длительность).
Автоматическое включение резерва (АВР) включает резервное оборудование при аварийном отключении основного. Например, при питании группы потребительских линий от одного трансформатора при его отключении (из-за повреждения или по иной причине) АВР приключает линии к другому трансформатору, чем восстанавливается нормальное электроснабжение потребителей.
АВР широко применяется во всех случаях, когда по условиям электрической схемы он может быть осуществлен.
Автоматическая самосинхронизация обеспечивает включение (обычно в аварийных случаях) генераторов методом самосинхронизации.
Сущность метода в том, что невозбужденный генератор включается в сеть и затем на него подается возбуждение. Самосинхронизация обеспечивает быстрое включение генераторов и ускоряет ликвидацию аварии, позволяя в короткий срок использовать мощность генераторов, потерявших связь с энергосистемой.
Автоматический частотный пуск (АЧП) остановленных агрегатов гидроэлектростанций действует от снижения частоты в электросистеме, возникающего при потере большой генераторной мощности. АЧП приводит гидротурбины в действие, доводит их скорость до нормальной и производит самосинхронизацию с сетью.
АЧП должен работать при более высоком значении частоты, чем аварийная разгрузка энергосистемы, чтобы по возможности предотвратить действие последней. Автоматические регуляторы возбуждения синхронных машин обеспечивают повышение статической и динамической устойчивости энергосистемы.
Автоматика качества энергии
Автоматика качества энергии (АКЭ) поддерживает надлежащее значение таких параметров, как напряжение, частота, давление и температуpa пара и т. п.
АКЭ заменяет действия оперативного персонала и позволяет повысить качество энергии за счет более быстрой и чувствительной реакции на ухудшение качественных показателей.
Наиболее распространенные устройства АКЭ — автоматические регуляторы возбуждения синхронных генераторов, автоматические устройства изменения коэффициента трансформации трансформаторов, автоматические регулировочные трансформаторы, автоматы изменения мощности статических конденсаторов, автоматические регуляторы частоты (АРЧ), автоматические регуляторы частоты и межсистемных перетоков мощности (АРЧМ).
Первая группа устройств АКЭ (кроме АРЧ и АРЧМ) позволяет автоматически поддерживать напряжения в ряде узловых точек электрических сетей в заданных пределах.
АРЧ — устройства, регулирующие частоту в энергосистемах, могут быть установлены на одной или на ряде электростанций. Чем больше число электростанций с АРЧ, тем точнее регулируется частота в энергосистеме и тем меньше доля участия каждой электростанции в автоматическом регулировании частоты, что повышает экономичность регулирования.
Для объединенных энергосистем широко применяется комбинированное автоматическое регулирование частоты и межсистемного перетока мощности с помощью АРЧМ.
Автоматика экономического распределения
Автоматика экономического распределения (АЭР) обеспечивает оптимальное распределение активных и реактивных мощностей в энергосистеме.
Расчет оптимального распределения мощностей может производиться как непрерывно, так и по запросу диспетчера, при этом, могут учитываться не только расходные характеристики затрат на отдельных электростанциях, но и влияние потерь энергии в электрических сетях, а также различных ограничений распределения мощностей (предельные мощности агрегатов, предельные нагрузки передач и т. п.).
Автоматика экономического распределения и автоматические регуляторы частоты могут работать независимо друг от друга, но могут быть и взаимосвязаны.
В последнем случае АРЧ предотвращает отклонение частоты, используя для этой цели изменения мощностей отдельных агрегатов станции, независимо от условий экономического распределения только в пределах сравнительно небольшого изменения суммарной нагрузки.
При достаточно значительном изменении суммарной нагрузки приходит в действие АЭР и изменяет тем или иным способом уставки мощности на АРЧ отдельных электростанций. При независимости АЭР от АРЧ уставки АРЧ изменяются диспетчером после получения ответа на запрос АЭР.
Электротехника и автоматизация что это
Сферой профессиональной деятельности является область науки и техники, которая включает совокупность технологий, средств, способов и методов человеческой деятельности, направленных на создание условий для обмена информацией на расстоянии, преобразования информации с помощью электронных средств.
Объектами профессиональной деятельности выпускников являются технологические системы, технические средства, обеспечивающие всякую передачу, излучение и прием знаков, сигналов, письменного текста, изображений, звуков, по проводной, радио, оптической или следующим другим системам, а также преобразование информации электронными средствами:
– сети связи и системы коммутации;
– многоканальные телекоммуникационные системы, включая системы оптического диапазона;
– системы и устройства радиосвязи, включая системы спутниковой, радиорелейной и мобильной связи;
– системы и устройства звукового и телевизионного вещания, электроакустики и речевой информатики, мультимедийной техники;
– системы и устройства передачи данных;
– электронные, в том числе и компьютерные системы управления объектами, преобразования информации;
– средства защиты информации в телекоммуникационных системах;
– средства метрологического обеспечения телекоммуникационных систем и сетей;
– менеджмент и маркетинг в телекоммуникациях;
– управление эксплуатационным и сервисным обслуживанием телекоммуникационных устройств.
Сфера профессиональной деятельности
Выпускники подготовлены для работы в области автоматизации, информатизации и управления в технических системах, связанных с применением средств и методов обработки информации для управления во всех сферах производства.
Объектами профессиональной деятельности выпускников являются автоматизированные системы управления технологическими процессами различных производств, автоматизированные информационно-управляющие системы различного назначения, автоматизированные системы приема, обработки и передачи данных различного назначения, автоматизированные системы проектирования систем, объектов, устройств, автоматизированные системы технологической подготовки производства различных производств, автоматизированные системы комплексных испытаний деталей, изделий, узлов, устройств в различных отраслях промышленности.
Автоматизация в электротехнике: тенденции и прогнозы
В эру рыночной экономики, когда на первый план выходит частная инициатива, роль государства в развитии страны остается по-прежнему очень весомой. Ведь кто, как не государство может провозгласить новый курс, разработать конкретную программу действий, подвести под нее правовую базу и выделить на это средства, дав мощный толчок развитию инновационных технологий?
В 2017 году одним из таких импульсов стало принятие программы «Цифровая экономика Российской Федерации». Применительно к топливно-энергетическому комплексу страны цифровизация призвана стать тем эффективным инструментом, который поможет ТЭК выжить в условиях конкурентной борьбы за рынок сбыта.
Ещё каких-то 20-30 лет назад энергетические компании могли диктовать (впрочем, они это и делали) потребителям свои условия. Такая тенденция наметилась при переходе России к рыночным отношениям. Именно в тот момент промышленные предприятия соглашались на любые условия, только бы их производственные мощности были обеспечены электроэнергией. Но это время осталось в прошлом.
Сегодня энергетики из категории монополистов энергорынка перешли в разряд рядовых поставщиков тепловой и электрической энергии. Ситуация в ТЭК складывается таким образом, что они вынуждены конкурировать с малой распределенной энергетикой – потребителями, которые построили собственные энергогенерирующие объекты компактных размеров, – и со строительными компаниями, устанавливающими на крышах домов автономные котельные.
По данным профильных источников, в России около 8-11% генерации приходится на долю распределенной энергетики, которая обеспечивает электричеством и теплом конкретных потребителей вне единой энергосистемы и оптового рынка электроэнергии. Они отказываются от централизованного энергообеспечения, поскольку считают перекрестное субсидирование ценовой дискриминацией (когда одни потребители платят за электроэнергию больше за счет сниженного тарифа другим).
С другой стороны, несмотря на наличие большого резерва установленной мощности (исходя из данных системного оператора, в 2018 г. средний коэффициент использования установленной мощности электростанций ЕЭС России составил 40,2%) существует вызов со стороны «зеленой» энергетики.
Наметившаяся тенденция особенно ярко выражена в странах Европы, где уже сегодня на долю распределенной энергетики приходится значительная часть энергорынка, а источники «зеленой» энергии поддерживаются на государственном уровне как безопасные, экологичные и энергоэффективные.
В России альтернативная энергетика внедряется менее активно, но процесс запущен, и остановить его уже едва ли удастся. Сегодня ее осваивают удаленные и труднодоступные районы страны, технологически изолированные от единой энергосистемы. Но, судя по количеству запланированных к реализации проектов, совсем скоро традиционная генерация будет вынуждена немного потесниться.
Что поможет встретить перемены во всеоружии? Конечно же, модернизация производственных мощностей, оптимизация и клиентоориентированность. Что это означает? Прежде всего, необходимость повышать эффективность производства и при этом учитывать нужды потребителей. Для этого надо оптимизировать режим работы энергогенерирующих объектов и ЛЭП, а также минимизировать издержки, связанные с износом энергооборудования и сетевого комплекса.
«Наступление» автоматизации. Проблемы и перспективы
Внедрение цифровизации и автоматизации, о которых сейчас так много говорят, способно помочь отечественной электроэнергетике совершить эволюционный прорыв. Продуманные решения и грамотное использование новых технологий могут стать тем драйвером роста, который выведет отрасль на качественно новый уровень.
По оценкам специалистов, в настоящее время российский топливно-энергетический комплекс не использует по максимуму те возможности, которые открывают перед ним инновационные технологии. На многих энергогенерирующих объектах до сих пор функционирует оборудование, введенное в эксплуатацию в середине прошлого века. Старые датчики контроля не всегда работают корректно. Поэтому энергетикам становится сложнее прогнозировать сбои в работе оборудования и предотвращать возможные аварии. В случае поломки ремонтные бригады вынуждены тратить массу времени на поиск причины и ее устранение. Каждая такая авария – это простой мощности, который выливается в серьезные убытки.
Видимо, поэтому в электроэнергетике так ценятся специалисты в возрасте 50+, которые за годы работы до мельчайших деталей изучили устройство и особенности эксплуатации энергооборудования, знают все его «боли» и потому умеют быстро определять причину неисправности.
Но старые кадры постепенно уходят, им на смену приходят молодые специалисты без опыта работы. Поэтому сегодня в отрасли остро стоит вопрос дефицита квалифицированных работников. В штате многих энергокомпаний работают сотрудники пенсионного возраста и молодежь, которая из-за сравнительно невысокой заработной платы едва ли задержится там надолго и потому не успеет перенять и передать дальше опыт «поколений».
Хотя определять проблему «на глазок» — это способ для мезозойской эры. В условиях современных реалий, когда роботизация, цифровизация и автоматизация активно завоевывают новые позиции, проблему можно решить более цивилизованными методами. Например, путем технического переоснащения отрасли, что позволит свести к минимуму влияние пресловутого человеческого фактора на технологические процессы. Правда, этот способ весьма затратный и нуждается в серьезных инвестициях.
Когда речь заходит о роботизации электроэнергетики, эксперты признаются, что в настоящее время создавать роботов в России невыгодно. Гораздо нужнее технологи, которые умеют ими управлять. Однако специалистов по программированию и обслуживанию роботизированных комплексов еще надо готовить, открывать для них учебные курсы в профильных учебных заведениях. Разумеется, все возможно, но это вопрос времени.
Остается автоматизация технологических процессов. Внедрение инновационных систем контроля позволяет прогнозировать развитие ситуации на основе сбора и анализа массивов информации о работе оборудования. Помимо этого автоматизированное диспетчерское управление помогает быстро обнаруживать участки, где произошел сбой, выявлять причину и оперативно направлять к месту аварии ремонтные бригады.
Новые технологии внедряются в ТЭК достаточно активно. Однако многие энергокомпании бессистемно подходят к решению этого вопроса и обвешивают оборудование всевозможными датчиками разных размеров и калибров. Однако разрозненные процессы контроля способны снизить КПД самой идеи автоматизации и использования цифровых систем.
В результате такого переизбытка информации база предприятия наполняется просто колоссальным количеством данных, которые никак не используются. В то время как грамотный подход к сбору информации позволяет корректировать стратегии развития энергокомпаний, делая их более конкурентоспособными и клиентоориентированными.
Одной из серьезных проблем российской энергетики является недостаток стратегического мышления. Некоторые предприятия отрасли не уделяют должного внимания проблемам потребителей. Хотя именно ориентированность на клиента – это реальный шанс сохранить стабильность в условиях растущей конкуренции.
Однако для того, чтобы учесть нужды потребителей, сначала надо разобраться, в чем именно они заключаются. Это можно сделать с помощью анализа данных о работе оборудования сетей, которые собирают средства автоматизации и цифровизации.
К примеру, используя эту информацию, энергетики могут управлять пиковой нагрузкой на сети и оптимизировать их работу. Помимо этого у энергокомпаний появляется возможность гибко реагировать на изменения экономической среды, причем делать это с минимальными потерями для себя и своих клиентов.
Энергогенерирующие компании могут сократить расходы, связанные с выработкой лишних киловатт в те периоды, когда спрос на них падает. Также они могут обеспечить качественное бесперебойное энергоснабжение потребителей и присоединение к сетям новых клиентов без ущерба для уже действующих.
Внедрение новых технологий открывает перед энергетиками широкие возможности. Ведь детальный анализ собранных данных может помочь найти дополнительные пути развития и таким образом сохранить стабильность в условиях, когда традиционный рынок энергетики сжимается.
В качестве примера можно привести Финляндию. В этой стране энергетические компании продают потребителям не только тепловую энергию, а еще и холод, который вырабатывается из тепла. При этом тепло генерируется серверным и сетевым оборудованием огромного центра обработки данных. Дата-центр обеспечивает отопление небольшого города, а часть тепла конвертируется в холод, который обеспечивает охлаждение оборудования.
Новые продукты, созданные на базе анализа данных о работе сетей и особенностях поведения потребителей, не обязательно должны относиться к генерации и распределению электроэнергии. Цифровые данные можно использовать для собственных разработок в сфере информационных технологий.
Например, речь идет о создании маркетплейса для энергетиков, который будет напрямую выводить энергогенерирующие компании и поставщиков энергии на потенциальных клиентов. Если в перспективе удастся найти практичное и удобное решение, в дальнейшем его можно будет масштабировать и предлагать услуги как российским, так и зарубежным компаниям. Первый, кто создаст такую ІТ-площадку, окажется в выигрыше.
Автоматизированная «палочка-выручалочка»
Задачи, связанные с повышением эффективности работы сети (а вместе с этим и эффективности всей компании), качества энергоснабжения и обеспечения управляемости являются ключевыми для каждой энергокомпании, особенно если системные сбои могут привести к убыткам и создать аварийную ситуацию.
Все эти задачи можно решить с помощью автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУ ТП). Контрольные датчики фиксируют первичные данные по заданным параметрам, после этого система обеспечивает подачу оперативной информации на все уровни управленческой иерархии, управляет работой энергооборудования и сетевой инфраструктуры. При этом влияние человека сводится к минимуму, оно присутствует лишь на этапе принятия наиболее значимых и ответственных решений.
Выполнение поставленных задач достигается за счет использования широкого функционала автоматизированной системы:
Компонентами автоматизированной системы управления могут быть как отдельные элементы, так и устройства, объединенные в единый комплекс. При этом она в обязательном порядке оснащена единой системой операторского управления.
С этой целью может быть использован один или даже несколько связанных между собой пультов управления. Помимо этого неотъемлемыми элементами системы являются стандартные элементы автоматики: контрольные датчики, исполнительные устройства и механизмы управления.
На начальном уровне контроллеры осуществляют замеры рабочих параметров и регулируют ход технологического процесса. С помощью средств коммуникации они передают собранную и обработанную информацию на верхний уровень, где находится рабочее место оператора и сервер, где в заархивированном виде хранится полная база данных.
В диспетчерской создана графическая модель, на которой с помощью сигнальных устройств и изображений отображается динамически изменяющаяся функционально-техническая схема управляемой сети. Дежурный персонал отслеживает работу электрооборудования, имея в своем распоряжении всю нужную для этого оперативную информацию.
В АСУ ТП могут быть использованы аппаратные средства:
В качестве программных продуктов могут быть использованы:
Также в АСУ ТП могут быть интегрированы:
Это же интеллект!
Электроэнергетика долгое время являлась одной из самых консервативных отраслей экономики. Российская Федерация унаследовала от бывшего Советского Союза энергосистему, которая характеризовалась высокой степенью централизации, отличалась большими размерами энергообъектов и просто гигантскими по протяженности электросетями. Она работала по накатанной схеме и была далека от каких-либо трансформаций.
Однако современный потребитель уже перестает быть пассивным. Он хочет, чтобы качество электроснабжения постоянно повышалось, но при этом сдерживался рост цен. В условиях конкуренции генерирующие и сетевые компании вынуждены инвестировать средства в развитие своих инфраструктурных объектов, повышать эффективность работы и строить отношения с потребителями по новым правилам.
В последние годы в ТЭК РФ наметился серьезный сдвиг фокуса внимания с традиционного метода обслуживания сетей в сторону ІТ-технологий. Участники рынка автоматизировали сбор информации и обмен данными (например, наладили электронный документооборот), внедряют бизнес-аналитику и экспериментируют с инструментами оптимизации.
Поворот в сторону автоматизации объясняется стремлением компаний повысить эффективность инвестиций как в сфере генерации, так и в сфере доставки электроэнергии, минимизировать затраты и увеличить управляемость. Интегрированный инжиниринг постепенно проникает во все технологические процессы.
В России активно ведутся разговоры об интеллектуализации сетей в рамках реализации «дорожной карты» Национальной технологической инициативы EnergyNet и ее пилотных проектов. На сегодняшний день интернет энергии – это уже не вымысел, но он пока еще не стал действительностью. Скорее это образ лучшей энергетики, который постепенно, шаг за шагом, трансформируется в реальность.
Сегодня ТЭК вступает в эпоху выдающихся инноваций, когда революционные технологии из, казалось бы, совершенно фантастических концепций претворяются в жизнь. Эксперты сформировали пять трендов, на которых базируется цифровая сеть:
В ноябре 2018 года состоялась Стратегическая сессия EnergyNet, на которой было принято решение назвать 2019-й годом комплексных пилотных проектов сообщества. Ключевой особенностью этих проектов является нацеленность на решение определенной проблемы из сферы энергоснабжения потребителей. Помимо этого, предусмотрен полный комплекс мер, необходимых для решения каждой из поставленных задач. Речь идет об инновационных технологиях, организационных моментах, бизнес-схемах, нормативно-правовых документах и оптимальном взаимодействии экономических факторов.
На 2019 год запланирован запуск проектов EnergyNet, которые касаются шести наиболее важных направлений:
Чтобы не просто выживать, но еще и развиваться, предприятиям отечественного ТЭК необходимо модернизировать оборудование с использованием интеллектуальных систем, расширить список услуг и стать более клиентоориентированными. Внедрение инновационных технологий и системный подход к решению наболевших проблем способны решить ключевые задачи электроэнергетики, связанные с низкой эффективностью генерирующего оборудования и изношенностью сетевой инфраструктуры. Помимо этого цифровизация и автоматизация производственных процессов помогут энергетикам снизить операционные затраты и создать дополнительные направления для развития бизнеса.