Без рубрики

Прямое управление техническими комплексами и их режимами в энергетике

Раскрытие обозначенной темы невозможно без наличия ясного и достаточного, систематизированного определенным образом представления о техническом устройстве энергетического производства. Цели создания такого представления и служит приведенное ниже описание.

Энергетическая система страны: необходимые сведения

Исторически, в процессе развития техническая часть энергетического производства приобрела форму практически единой электротехнической системы, составными частями ряда подсистем которой являются и системы централизованного теплоснабжения крупных городов. Фактором, определяющим правомерность такой трактовки сути указанной формы, является наличие теплоэлектроцентралей в подсистемах электроэнергетики.

Непосредственное энергообеспечение потребителей осуществляется через распределительные энергетические сети, узловые энергоустановки которых выдают энергию с требуемыми параметрами энергопотоков: напряжением, частотой, мощностью, расходом, температурой, давлением…

Распределительные сети этого вида работают обычно при определяющих и зависящих от технических данных собственного оборудования параметрах энергопотоков:

  • электрическом напряжении – до 110, иногда до 220 кВ;
  • температуре и давлении теплоносителя (подготовленной воды) до 150℃ при избыточном давлении до 0,4 МПа ( на участке «источник – промежуточное теплообменное устройство»).

В свою очередь, эти отдельные энергосети низшего уровня объединены в более мощные во всех отношениях питающие сети и подсистемы, энергопотоки которых имеют более высокие значения параметров. В такие объединения включены и генерирующие энергоустановки: ТЭЦ, котельные, отдельные относительно маломощные электростанции, если они есть на данной территории.

Первоначально подобные объединения создавались в пределах административных единиц государства: областей, краев, автономных республик и т.п., и назывались энергосистемами соответствующих субъектов страны: Мосэнерго, Ленэнерго, Татэнерго и т. д.

С технической точки зрения подобные региональные энергосистемы являются в настоящее время подсистемами созданной во второй половине двадцатого века Единой энергетической системы (ЕЭС) страны.

В дальнейшем они и будут обозначаться как подсистемы.

В качестве примечания заметим, что сейчас, в связи с переменой экономических и социальных условий, структуры, организация, принадлежности и названия региональных энергосистем также претерпели некоторые, однако несущественные с технической точки зрения изменения.

Условимся, что далее общая структура организации энергообепечения описывается преимущественно как система обеспечения электрической энергией, поскольку тепловые системы территориально ограничены, как максимум, площадью отдельных населенных пунктов и их ближайших окрестностей, или же площадью районов больших городов, или же площадью крупных промышленных предприятий и прилегающих к ним районов населенных пунктов, то есть являются системами локальными, местными.

Кроме того, принципы построения тепловых и электрических систем, их схем, а также организации управления ими во многом схожи.

Региональные энергосистемы, а также отдельные наиболее мощные, так называемые районные электростанции общегосударственного значения (ГРЭС) посредством линий электропередачи напряжением 220 кВ и выше, а, отчасти, и линий напряжением 110 кВ, и узловых подстанций тех же напряжений объединяются в подсистемы более высокого уровня – отдельных экономических районов страны, например, Центрального, отдельных укрупненных зон Урала, Сибири, Поволжья и т. д.

И, наконец, все указанные подсистемы тем же образом объединяются в систему высшего уровня – Единую энергетическую систему (ЕЭС) страны.

Техническое управление энергетической системой

Приступая к непосредственному раскрытию обозначенной темы раздела, полезно вспомнить, что для функционирования любой системы необходимо, чтобы ее элементы и совокупности этих элементов взаимодействовали между собой по определенному, заданному алгоритму.

Осуществление алгоритма взаимодействия производится за счет управления, то есть целенаправленного воздействия на управляемые объекты, которыми и являются элементы системы, в данном случае отдельные единицы энергооборудования, отдельные энергоустановки, отдельные части (подсистемы) и сама система в целом.

Поскольку эффективная работа современных энергосистем возможна только при достаточно жесткой связи процессов выработки и потребления энергии, большую роль здесь, бóльшую, чем во многих других отраслях, играет непосредственное и достаточно быстродействующее управление.

Технически непосредственное управление в энергосистемах сводится к управлению коммутационными аппаратами электроустановок и запорно-регулирующим оборудованием тепловых. Воздействуя на их приводы, можно подключать (отключать) отдельные единицы производственного энергооборудования, отдельные присоединения, отдельные участки и т. д. к ( от) общей энергосети, тем самым изменяя ее схему, распределение энергопотоков, пути прохождения энергии, влияя таким образом на режимы работы.

С учетом уровня инженерно-технической подготовки читателей в представляемой области знаний далее дается небольшое пояснение понятия «привод».

Приводы коммутационных аппаратов и запорнорегулирующего оборудования – специальные механические или электромеханические устройства, обеспечивающие, при постороннем внешнем воздействии на них, «по команде», изменение состояния этих аппаратов: «включено – выключено», «открыто – закрыто». Простейшие примеры приводов – клавишно-рычажный механизм обычных выключателей освещения, кран-буксы кранов подачи воды и т. п.

К управлению относится также и регулирование – поддержание постоянства или изменение по требуемому закону некоторой физической величины, характеризующей управляемый процесс. В энергетике регулируются параметры энергопотоков, режимы работы энергооборудования, особенно генерирующего и электромашинного, может регулироваться подача энергии. Такое регулирование производится регулировочными устройствами, отдельными или входящими в состав конструкции энергооборудования, и также имеющими приводы.

Регулируется косвенным образом, через финансовоэкономические рычаги, даже потребление энергии.

В энергетическом производстве используются два способа непосредственного управления техническими устройствами подсистем и системы в целом: ручное, называемое оперативным, подразделяющееся на местное и дистанционное, и автоматическое.

Ручное, оперативное управление применяется, когда не требуется сверхбыстрого реагирования на изменение каких-либо условий: при технологическом управлении энергопотоками за счет изменения конфигурации схем отдельных участков энергосети, выводе в ремонт и вводе в работу единиц или комплексов оборудования, производстве некоторых видов регулирования параметров и т.п.

Автоматическое управление играет основную роль в обеспечении работоспособности подсистем энергетики и отдельных энергоустановок при больших скоростях протекания физических процессов в них. За счет него, в частности, решаются задачи защиты подсистем и их элементов от повреждений при выходе значений параметров энергопотоков за допустимые пределы, задачи практически мгновенной локализации поврежденных элементов и участков энергосетей, а также задачи автоматического регулирования параметров энергопотоков.

Оба способа управления дополняют друг друга и применяются совместно.

В целом непосредственное техническое управление обеспечивает выполнение основной задачи энергетики комплексами силового оборудования энергоустановок через решение указанных в предыдущем разделе частных технических задач энергопредприятий.

Непосредственными же задачами управления являются обеспечение бесперебойности энергоснабжения и необходимого качества энергии за счет:

  • управления потоками энергии;
  • поддержания величин параметров энергопотоков в соответствии со стандартами качества;
  • обеспечения подачи количеств энергии и величин параметров энергопотоков, соответствующих заявкам потребителей;
  • поддержания жесткого соответствия режима генерации энергии режиму потребления.

Кроме того, в качестве более частных задач прямого управления можно здесь указать:

  • локализацию (отделение от технической системы средствами коммутации) поврежденных участков, электроустановок или единиц оборудования энергосистем;
  • подготовку участков и других элементов энергосистем к безопасному и безаварийному проведению ремонтных работ и обслуживанию оборудования;
  • своевременное регулирование определенных технических параметров и состояния оборудования с целью обеспечения оптимальных условий его работы, оптимальной экономичности и качества работы участков систем, уменьшения риска повреждения оборудования и аппаратуры и уменьшения объема и тяжести повреждений при авариях, а также с целью предупреждения возникновения и развития аварий;
  • обеспечение постоянного надзора за состоянием участков и элементов энергосистем, за параметрами энергопотоков.

Имеется также ряд других, менее знáчимых задач управления, здесь не перечисляемых.

Однако, как отдельную, специально выделяемую задачу структур прямого управления энергетических производств можно отметить задачу взаимодействия с управляющими структурами потребителей.

Схему управления можно представить в виде схемы, изображенной ниже на рисунке 10.

Графическое представление общей схемы управления техническими устройствами в энергетике
Рис. 10. Графическое представление общей схемы управления техническими устройствами в энергетике

По представленной схеме видно, что некоторые объекты, здесь, например, объект № 1, могут не обеспечиваться дистанционным управлением. Тепловые установки могут не иметь не только дистанционного, но и автоматического управления. Средства активной автоматики обязательны в газовых, механизированных и крупных котельных.

Подавляющее большинство объемов и средств прямого технического управления в энергетике сосредоточено в узловых электроустановках, узловых точках энергетических сетей и систем, хотя некоторые управляемые объекты: коммутационные аппараты, запорно-регулирующая аппаратура и некоторые другие с устройствами их управления, могут быть расположены на трассе линий энергопередачи, секционируя эти линии, разделяя их на секции.

Управление работой электрических сетей осуществляется практически независимо от управления работой тепловых сетей собственным электротехническим и теплотехническим персоналом, оперативными службами и средствами автоматики.

Электротехнический и теплотехнический персонал – специально подготовленный (обученный) персонал, имеющий прямое или опосредованное отношение к эксплуатации электрических и тепловых установок соответственно.

Совместное управление по электротехническому и теплотехническому направлениям производится только на электротеплогенерирующих установках – ТЭС , АЭС и ТЭЦ, а также у крупных потребителей.

Далее описание организации и способов управления дается в общих чертах, без рассмотрения нюансов построения и функционирования управляющих структур.

Оперативное управление

Оперативное техническое управление энергосистемами, энергосетями, энергоустановками и отдельными единицами их оборудования производится специальными диспетчерскими службами подсистем и систем соответствующих уровней и подчиненным им в оперативном отношении персоналом энергопредприятий (вплоть до ремонтного персонала при ликвидации аварий и работах в действующих энергоустановках).

Подчинение в оперативном отношении означает выполнение команд по непосредственному управлению техническими устройствами, по осмотру и выполнению заранее официально определенных небольших по объему и кратковременных работ в энергоустановках.

Определение ( на основе определения действующей электроустановки): электроустановка действующая – электроустановка или ее часть, которые находятся под напряжением либо на которые напряжение может быть подано включением коммутационных аппаратов.

Центры управления (диспетчерские пункты) этих служб более высоких уровней, организуемые из-за разбросанности большого количества управляемых объектов, обычно не располагаются в узловых энергоустановках, но обеспечиваются надежными многоканальными средствами связи и, при необходимости, линиями (каналами) телемеханической связи (телеуправления, телеизмерения, телесигнализации, теленаблюдения) с ними, а также с местами расположения оперативно-выездных бригад (ОВБ) (см. ниже), если ОВБ не располагаются на площадях диспетчерских служб.

Диспетчерские пункты оборудуются также техническими средствами отображения состояния схем и аппаратов управления контролируемых участков энергосистем, средствами отображения значений параметров энергопотоков, устройствами подачи сигналов телеуправления (при необходимости). Такими средствами являются мнемосхемы, измерительные приборы, пульты управления, компьютерная техника и т. д.

Работники диспетчерских служб и подчиненный им оперативный персонал являются специально обученными и подготовленными лицами электро- и теплотехни-ческих специальностей.

Оперативное управление построено по иерархическому принципу. Объем полномочий и сфера деятельности персонала каждой ступени иерархии определен соответствующими нормативными и организационными документами.

Ручное оперативное управление непосредственно производится действиями так называемого оперативного электро- и теплотехнического персонала соответственно, находящегося постоянно посменно, в дежурном режиме в узловых энергоустановках, или такими же оперативными действиями работников ОВБ, выезжающих по команде диспетчеров на необслуживаемые постоянно узловые энергоустановки или на линейные коммутационные и запорно-регулирующие точки, при отсутствии там телеуправления. Такие действия заключаются в операциях «включить (отключить) коммутационные аппараты», «открыть (закрыть) задвижки» и т. п., а также в операциях ручного управления рядом определенных регулирующих устройств.

С помощью подобных операций производится управление энергопотоками и изменение конфигурации схем энергосетей, энергоустановок и т. д., а операции с регулирующими устройствами дают регулировку или нужное изменение значений параметров энергопотоков.

Указанный оперативный и оперативно-ремонтный персонал находится на низшей ступени иерархии и наибольший объем своих действий по управлению производит только по распоряжениям диспетчеров следующей, высшей по значению ступени – диспетчерской службы отдельного предприятия: электростанции, ТЭЦ или района энергосетей.

Однако на телемеханизированных необслуживаемых постоянно энергоустановках операции управления могут производиться дистанционно с вышестоящих диспетчерских пунктов непосредственно их диспетчерами, при этом диспетчеры руководствуются телеинформацией, получаемой с объектов.

Управляющие действия, как ручные, так и автоматические, производятся на основе анализа информации, поступающей из первичных, силовых цепей по информационно-измерительным каналам.

Основными элементами таких каналов являются различные первичные измерительные преобразователи: измерительные трансформаторы, датчики, делители напряжения и т. д. Эти элементы передают информацию о значениях параметров энергопотоков в виде информационных сигналов малой мощности на измерительные приборы энергоустановок, в системы автоматического управления и регулирования, на измерительные приборы и системы отображения информации диспетчерских пунктов. К тому же ряду оборудования относятся и контактные или бесконтактные датчики положения (состояния) силового оборудования: коммутационных аппаратов и запорно-регулирующих устройств, регулировочных устройств, что позволяет иметь информацию и о состоянии схемы того или иного участка энергоснабжения, и о режимах работы отдельных единиц силового энергооборудования.

В относительно маломощных первичных цепях передачи и распределения энергии с достаточно малыми значениями параметров энергопотоков, а в теплоустановках, частично, и со значительными их величинами осуществляется непосредственное воздействие электрического тока и напряжения, температуры, давления и потока теплоносителя на измерительные приборы и измерительные органы автоматики и сигнализации без промежуточных датчиковпреобразователей.

Иерархическая лестница в энергетике, наиболее длинная в электротехническом направлении, может быть представлена в следующем виде: отдельная энергоустановка или комплекс энергоустановок – диспетчерская служба отдельного энергопредприятия – диспетчерская служба региональной подсистемы – диспетчерская служба объединенного диспетчерского управления (ОДУ) – диспетчерская служба ЕЭС.

Диспетчерский пункт участка энергосистемы – «района электрических распределительных сетей»
Диспетчерский пункт участка энергосистемы – «района электрических распределительных сетей»

Службы ОДУ, управляющие, в целом, объединениями региональных подсистем отдельных экономических зон страны, являются также промежуточными и созданы для облегчения оперативного системного управления Единой энергетической системой, имеющей слишком большую для управления из единого центра величину.

Наиболее важные элементы управляемой подсистемы (системы) определенного уровня находятся в непосредственном управлении диспетчера этой же ступени, но в вéдении диспетчеров следующей, старшей по иерархии ступени. Это означает, что переключения и оперативные регулировочные действия в цепях, находящихся в вéдении, управление режимами этих цепей производятся с ведома дежурного персонала старшей по иерархии ступени.

Количество, объем находящегося в прямом или косвенном управлении оборудования энергоустановок увеличивается с ростом иерархического положения ступени управления и зависит от объема подсистемы того же уровня.

Возвращаясь к вопросу о способах ручного управления в энергетике, отметим возрастающую роль дистанционного управления с помощью средств телемеханики, телесигнализации и телеизмерений. Это является общей тенденцией процесса развития технических систем, а основными побудительными причинами здесь являются:

  • уменьшение количества занятых в управлении людей;
  • бóльшая достоверность и объективность информации, обуславливающая принятие решений на более высоком качественном уровне;
  • увеличение скорости реагирования на возмущения в работе систем (подсистем) и отдельных элементов их.

Автоматическое управление и устройства связи

Как уже говорилось, автоматические устройства обеспечивают необходимую быстроту реакции системы управления на изменения контролируемых показателей физических процессов генерации и передачи энергии, требующие корректировки параметров энергопотоков и схем энергоустановок и сетей, с какой бы скоростью эти изменения не происходили.

Кроме того, применение автоматики, по определению, позволяет сократить количество персонала, особенно оперативного, уменьшить влияние на работу энергосистем так называемого «человеческого фактора», уменьшить количество ошибочных действий систем управления за счет этого, увеличить точность управления и регулирования. Все это, в конце концов, увеличивает надежность энергоснабжения, повышает экономичность работы энергосистем и улучшает качество производимой и выдаваемой потребителям энергии.

Автоматическое управление осуществляется обычно локальными устройствами и системами автоматики (УАУ и САУ), размещаемыми и действующими в отдельных энергоустановках, однако результаты действия некоторых их видов могут иметь системное значение.

Комплексы оборудования и аппаратов УАУ (САУ) образуют вместе с первичными, силовыми цепями замкнутые контуры обычно с отрицательными обратными связями. Не лишним будет еще раз повторить, что эти устройства и системы получают информацию о параметрах энергопотоков и состоянии элементов энергоустановок из первичных цепей энергосистем с помощью различного рода измерительных и следящих преобразователей, преимущественно измерительных трансформаторов тока и напряжения, датчиков температуры, давления, положения подвижных частей энергоаппаратов и проч., и направляют выработанные в результате логической обработки в САУ поступающей информации управляющие воздействия на объекты управления: приводы силовых коммутационных электроаппаратов, запорных устройств тепловых систем, устройств непосредственного регулирования и т. д.

В состав энергоустановок входят, кроме спецоборудования и аппаратуры САУ, исполнительные механизмы управляемых объектов – уже упомянутые выше приводы, а также источники оперативного тока, называемые иначе источниками оперативного питания, обеспечивающие работоспособность САУ.

Разумеется, большую роль в работе устройств автоматики, как и вообще в работе систем управления играют комплексы связи, в частности для УАУ, комплекты и полукомплекты которых размещены на разных узловых электроустановках, как, например, устройств некоторых видов защит от воздействия токов аварийных режимов на линии электропередачи, или для устройств телемеханизации управления энергоустановками.

Связь в системах управления обеспечивается передачей сигналов беспроводными радио- и радиорелейными каналами, телефонными линиями, а также с помощью передачи модулированных высокочастотных сигналов по проводам высоковольтных линий электропередачи. В последнем случае необходимо иметь специальные устройства безопасной связи, соединения первичных цепей, находящихся под высоким напряжением, с приемо-передающими устройствами низкого напряжения, а также устройства передачи сигналов по ЛЭП в необходимом направлении.

Таким образом, чтобы обеспечить управление в энергосистемах, необходимо иметь технический комплекс, в составе которого должны быть:

  • устройства формирования и ввода информационных сигналов (измерительные преобразователи и датчики);
  • устройства восприятия и отображения информации (измерительные приборы, измерительные органы, видеомониторы, мнемосхемы, устройства сигнализации);
  • устройства логической и математической обработки поступающей информации и выработки управляющих сигналов в САУ;
  • устройства передачи информационных и управляющих сигналов и команд (каналы связи);
  • устройства оперативного питания систем автоматического управления, регулирования, сигнализации и измерений;
  • исполнительные устройства и механизмы (приводы коммутационной, запорной и регулирующей аппаратуры) и устройства их оперативного питания.