Файл: Учет и контроль электроэнергии в системах электроснабжения.pdf
Добавлен: 08.07.2023
Просмотров: 57
Скачиваний: 2
Введение
Важнейшей проблемой современной энергетики является энергосбережение, т. е. экономное использование топливно-энергетических ресурсов. Наблюдаемое быстрое исчерпание доступных природных запасов топлива ведет к их резкому удорожанию и соответствующему увеличению стоимости выпускаемой предприятиями продукции. Для обеспечения высокой энергоэффективности необходимо совершенствовать управление энергоснабжением всех видов (электрической энергией, водоснабжением, теплоснабжением, газоснабжением, воздухоснабжением, кислородо-азотоснабжением) промышленных и сельскохозяйственных предприятий, железнодорожного транспорта, социальных и коммунально-бытовых обьектов. В первую очередь следует выделить управление электроснабжением, для которого характерен жесткий баланс генерируемой и потребляемой электроэнергии. Управление потреблением электрической энергии позволяет снизить затраты топливно-энергетических ресурсов без снижения объемов выпускаемой продукции. Это достигается как за счет энергосберегающих мероприятий, проводимых на предприятиях – потребителях электроэнергии – и непосредственно не связанных с режимным взаимодействием с электростанциями – производителями электроэнергии, – так и путем выравнивания суточных графиков активной нагрузки потребителей и соответственно электростанций. Практическая реализация контроля, учета и управления электропотреблением осуществляется при помощи автоматизированных систем управления, устанавливаемых на предприятиях и на понизительных электрических подстанциях и электрических станциях.
Эффективность работы автоматизированных систем управления обеспечивается обработкой поступающих в них измеряемых данных о значениях мощности и электрической энергии, а также результатов сигнализации положений коммутационных электрических аппаратов. Это дает возможность оперативно контролировать достоверность и повышать расчетным методом точность учета мощности и энергии, сглаживать временные ряды мощности и прогнозировать нагрузки потребителей, что способствует улучшению качества управления электропотреблением и повышает энергоэффективность промышленных и иных потребителей.
1. Учет и контроль электроэнергии в системах электроснабжения
В состав СОЭ входит система учета электроэнергии. Эта система должна отвечать нормативным требованиям на системы учета и интегрироваться в систему диспетчеризации электроснабжения.
Различают расчетный учет электроэнергии и технический учет. Расчетным учетом электроэнергии называют учет отпущенной потребителям электроэнергии для денежного расчета за неё. Техническим учетом электроэнергии называется учет для контроля расхода электроэнергии в зданиях, внутри предприятий и т.п. Счетчики бывают для расчетного учета и для технического учета. В общем случае учет электроэнергии не ограничивается расчетным и техническим учетом для здания или предприятия. Учет электроэнергии представляет собой процесс измерения потребленной энергии специальными приборами — счетчиками электроэнергии. Счетчики являются интегрирующими приборами, т.е. их показания зависят от времени, за которое производится измерение. В общем случае счетчик производит измерения, а точнее, вычисляет энергию. Различают счетчики прямого и трансформаторного включения. Счетчиком прямого включения называется прибор, через который протекает ток нагрузки и напряжение подводится непосредственно. Такие счетчики применяются на напряжение 220/380 В и токи до 100 А для мелкомоторного производства и бытового сектора. Для крупных зданий и предприятий с током потребления более 100 А необходимо включение счетчиков с применением трансформаторов тока (ТТ). В ряде случае учет осуществляется по стороне высшего напряжения трансформатора 10-6 кВ. В этом случае счетчики включают через трансформаторы тока и через трансформаторы напряжения (ТV).
Кроме схемы включения, счетчики различаются по устройству. Существуют индукционные счетчики, принцип действия которых основан на явлении электромагнитной индукции, под действием которой вращается индукционный диск и энергия подсчитывается механической системой по количеству оборотов. Современные счетчики выполняются без механических элементов, а вычисление энергии производит электронная схема, в которую заводятся сигналы (параметры) тока и напряжения. В настоящее время происходит переход от индукционных к электронным счетчикам. Как измерительный прибор, счетчик позволяет снимать так называемые профили нагрузок — графики мощности в зависимости от времени. Профиль (график) нагрузки - важная информация для сотрудников энергослужбы предприятия и электроснабжающей организации. Он позволяет оценить степень загрузки электрооборудования, выявить периоды с максимальным потреблением и выработать меры по выравниванию графика. Процедура замера профиля нагрузки с помощью счетчиков сводится к съёму показаний с получасовым интервалом осреднения. Использование индукционных счетчиков возможно только в исполнении с импульсным выходом. Для этого счетчики оборудуются специальными импульсными приставками, а в большинстве случаев выпускаются уже с данной функцией. При этом полнота информации о характере электропотребления недостаточна, а в случае разрыва связи с устройствами сбора и передачи данных и вовсе теряется.
Применение электронных (микропроцессорных) счетчиков позволяет получать информацию не только о профиле (графике) нагрузки и потребленной электроэнергии, но и о параметрах режима и показателях качества электрической энергии (ПКЭ). Имеются модификации микропроцессорных счетчиков, хранящие в своей памяти измеренные данные и позволяющие их считать и передавать для дальнейшей обработки даже после полного отключения объекта. Микропроцессорные счетчики оснащены интерфейсами и обладают следующими метрологическими и функциональными характеристиками:
- класс точности — из ряда 0,2 0,5 и 0,5 1,0 в зависимости от вида исполнения (промышленного или бытового);
- энергонезависимый встроенный таймер реального времени;
- возможность учета по разным тарифным зонам времени суток (минимум три зоны — дневная, ночная, пиковая);
- запись получасового максимума мощности;
- контроль показателей качества электроэнергии (для промышленного и мелкомоторного исполнения);
- регистрация параметров режима электрической сети (для промышленного и мелкомоторного исполнения);
- цифровой промышленный интерфейс RS-485 для программирования и чтения данных;
- многофункциональный встроенный индикатор (дисплей);
- энергонезависимая память для показаний энергопотребления и профилей нагрузки.
Микропроцессорный счетчик является полноценным хранилищем информации об энергопотреблении, системе остается только передать готовые обработанные цифровые данные в центр энергоучета на верхний уровень обработки (билинговая система). При выборе оборудования системы учета необходимо удостовериться, что компоненты системы — измерительные трансформаторы, счетчики, УСПД, АСКУЭ в целом, включая ПО и модемы, — имеют сертификаты утверждения типа средств измерений и соответствующие сертификаты соответствия. Также следует учитывать, что каждая конкретная энергосистема имеет свой утвержденный перечень - классификатор средств учета, который целиком не повторяет весь перечень средств учета, внесенных в Государственный реестр средств измерений. Это вызвано сложившимися связями с заводами - изготовителями, наличием у метрологической службы региона конкретного поверочного оборудования и рядом других причин. При создании объектовой АСКУЭ необходимо получить технические условия в предприятии Энергосбыта. При организации учета необходимо обеспечить меры по исключению несанкционированного доступа к цепям тока и напряжения измерительных трансформаторов и счетчиков. Выполнение этих мер контролируется инспекторами предприятия Энергосбыта. Конкретные требования к организации учета электроэнергии, в том числе предупреждению несанкционированного вмешательства в цепи учета, излагаются в ПУЭ и региональных руководящих документах (например Инструкция по проектированию учета электропотребления в жилых и общественных зданиях).
2. Автоматизация контроля и управления технологическими процессами
2.1. Общие сведения об управлении технологическими процессами
Вначале задачу управления технологическим процессом на производстве почти полностью вручную решал человек-оператор. Он подавал определенное количество материала и энергии, одновременно на глаз оценивал ход процесса, при необходимости корректировал его и устанавливал момент завершения процесса. Операции измерения, контроля и выработки управляющих воздействий на объект основывались преимущественно на восприятии, интуиции и опыте человека-оператора.
По мере усложнения производства требовалось более развитое и точное управление, чему препятствовала ограниченность способностей человека, невозможность на глаз и на ощупь отслеживать процесс производства. Переход от ручного контроля и управления к автоматическому происходил в несколько этапов. Первой функцией управления, подвергшейся автоматизации, было измерение. Датчик информации (измерительный прибор) (Д) с индикатором (И) заменил органы чувств человека, обеспечил быстрые и достаточно точные измерения. К индикатору можно подключить регистрирующий прибор (РП), записывающий динамику изменения значений измеряемых технологических переменных. Эти данные могут использоваться для анализа хода технологического процесса, а записанная регистратором диаграмма часто служит отчетным документом. Человек-оператор подает вручную (мануальная связь) управляющие команды на исполнительные механизмы (ИМ), руководствуясь информацией, поступающей от индикатора (визуальная связь). Небольшое механическое усовершенствование позволило перейти от автоматической индикации к автоматическому контролю, более удобному для работы человека оператора. При автоматическом контроле оператор получает информацию об отклонениях технологических переменных , определяемых в блоке сравнения фактического и заданного (требуемого) значений контролируемой переменной. Последнее формируется и запоминается с помощью задатчика информации (ЗИ). Древнегреческий механик и математик Герон Александрийский изобрел в I в н.э. в Египте регулятор паровой машины для автоматического открывания дверей пирамид. Однако в Египте, большинство населения которого составляли рабы, т. е. дешевая рабочая сила, это изобретение не получило признания. В процессе промышленной революции в Европе по мере усложнения промышленных процессов, увеличения единичной мощности оборудования, использования форсированных режимов работы с повышенными скоростями, большими давлениями и температурами, с увеличением числа контролируемых переменных и усилением взаимных связей между отдельными звеньями производственных объектов возникла острая необходимость в создании и применении автоматических регуляторов. Одним из первых используемых в промышленности стал регулятор Д. Уатта (вторая половина XVIII в.), служивший для поддержания постоянного числа оборотов вала паровой машины. Измерительным устройством являются грузики, укрепленные на втулке, вращающейся с числом оборотов, пропорциональным числу оборотов паровой машины. Угол отклонения α грузиков под действием центробежной силы изменяется в зависимости от числа оборотов. Отклонение передается к задвижке, изменяющей давление пара, подаваемого в машину. Автоматическое регулирование позволяет полностью исключить человека из контура управления. Его функцию выполняет автоматический регулятор. Автоматические регуляторы, устанавливаемые непосредственно на оборудовании, долгое время удовлетворяли потребностям производственных технологий. Однако во второй половине XX в. произошли большие перемены в промышленности. Резко убыстрившиеся усложнение технологических процессов и рост взаимных связей между технологическими переменными приводили к несовершенному регулированию, т. к. трудно создать взаимосвязанную систему регулирования процесса в целом на базе отдельных автоматических регуляторов. Стало очевидным, что функциональные возможности традиционных регуляторов с жесткой, не поддающейся оперативному изменению структурой, недостаточны. Эти факторы привели к созданию автоматизированных систем управления (АСУ) на базе электронных вычислительных машин (ЭВМ).
2.2. Классификация систем управления
Понятие «автоматизированная система» было введено в СССР в 60–70-е гг. прошлого столетия для того, чтобы отличать системы управления, в которых использовались ЭВМ, от автоматических систем, в которых управление производилось на базе традиционных регуляторов без средств вычислительной техники. За прошедшие десятилетия вычислительная техника получила широкое распространение в промышленности и современные автоматические системы, равно как и автоматизированные, строятся с применением ЭВМ. Чисто автоматическая система отличается от автоматизированной тем, что она функционирует без участия человека. Управление с помощью автоматизированных систем основывается на взаимодействии человека с ЭВМ. Автоматизированные системы управления подразделяются на автоматизированные системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и автоматизированные системы управления предприятиями (АСУП). Под АСУ ТП понимается человеко-машинная система, которая обеспечивает с помощью средств вычислительной техники сбор, обработку информации и на ее основе выработку и реализацию управляющих воздействий на технологический объект управления в соответствии с принятым критерием регулирования. Автоматизированная система управления предприятием – это АСУ, предназначенная для решения на основе применения экономико-математических методов и средств вычислительной техники задач управления организационно-управленческой и производственно-хозяйственной деятельностью предприятия, производственного объединения, отрасли хозяйства, хозяйства страны в целом. Органичное объединение АСУП и АСУ ТП с целью повышения общей технологической и экономической эффективности предприятия представляет собой интегрированную АСУ (ИАСУ). Одни и те же средства вычислительной техники могут служить для решения задач как АСУП, так и АСУ ТП. Исторически сложилось так, что в энергетике под АСУ ТП понимают автоматизацию процессов выработки электрической и тепловой энергии на электростанциях. Задачи управления графиками вырабатываемой электростанциями энергией, ее перетоками по ЛЭП (в том числе межсистемными) и распределением между потребителями решается системами, называемыми автоматизированными системами диспетчерского управления (АСДУ). Системы, управляющие энергохозяйством на промышленных предприятиях, называются автоматизированными системами управления энергоснабжением (АСУЭ). С их помощью решаются задачи экономичного потребления всех видов энергоресурсов: электричества, пара, воды, газа, сжатого воздуха и др.. АСУЭ представляет собой составную часть АСУ всего предприятия, которая управляет процессом его основного профильного производства. Автоматизированные системы управления позволяют решить задачу автоматизации управления в целом всего объекта с учетом взаимных связей между разными контурами управления. Сложность, недостаточная изученность объекта и взаимных связей не дают возможность полно и точно формализовать выполняемые АСУ ТП функции. Поэтому одной из основных отличительных черт АСУ ТП является, наряду с наличием ЭВМ, присутствие человека-оператора. Роль человека в АСУ ТП весьма значительна. По мере развития и совершенствования АСУ может превратиться в чисто автоматическую без участия человека. Однако в то же время будут возникать новые АСУ, вызываемые необходимостью управлять вновь появляющимися сложными, недостаточно изученными технологическими процессами. В АСУ ТП воздействие на объект управления осуществляется, как правило, в реальном масштабе времени, т. е. в том же темпе, что и протекающие в объекте технологические процессы.