CC BY
37УДК 621.311.001.57
Д.С. Кротенко, О.А. Белов
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: boa-1@mail.ru
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ОПТИМИЗАЦИИ РЕЖИМОВ СУДОВОЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ЭЛЕКТРОПИТАНИИ ОТ БЕРЕГОВОЙ СЕТИ
Определенные этапы эксплуатации кораблей и судов связаны с длительной стоянкой у пирсовых сооружений. Для целого ряда плавучих объектов такой режим технической эксплуатации является основным. Электроснабжение потребителей электрической энергии в этом режиме осуществляется от береговой сети. Обеспечение безопасности и надежности электроснабжения в данных условиях во многом зависит от качества электрической энергии. Однако по ряду объективных и субъективных причин обеспечение требуемых качественных показателей электроэнергии для судовых потребителей при осуществлении электропитания от береговых источников связано с определенными трудностями. Это обусловлено конструктивными, эксплуатационными, технологическими и нормативными особенностями судовой электроэнергетической системы. Оптимизация режимов работы судовых потребителей при электропитании с берега и имитационное моделирование процессов взаимодействия судовой и береговой сетей является актуальной задачей.
Ключевые слова: судовая электроэнергетическая система, режим длительной стоянки, береговая электрическая сеть, щит питания с берега, качество электроэнергии, электропотребители, надежность электроснабжения.
D.S. Krotenko, O.A. Belov
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatskу, 683003 e-mail: boa-1@mail.ru
MODELING OF OPTIMIZATION PROCESSES OF SHIP'S ELECTRIC POWER SYSTEM AT POWER SUPPLY FROM THE SHORE NETWORK
Certain stages of the operation of ships and vessels are associated with long-term parking at the pier facilities. For a number of floating objects, this mode of technical operation is the main one. Power supply to consumers of electric energy in this mode is carried out from the coastal network. Ensuring the safety and reliability of power supply in these conditions largely depends on the quality of electric energy. However, for a number of objective and subjective reasons, the provision of the required quality indicators of electricity for ship consumers in the implementation of power supply from shore sources is associated with certain difficulties. This is due to the structural, operational, technological and regulatory features of the ship's electric power system. Optimization of ship consumers' operating modes during power supply from the shore and simulation of the processes of interaction between ship and shore networks is an urgent task.
Key words: ship electric power system, long-term parking mode, on-shore electric network, shore power board, power quality, power consumers, reliability of power supply.
Основной задачей любой системы электроснабжения является бесперебойное обеспечение потребителей электрической энергией установленного качества. Для береговых потребителей показатели и нормы качества электроэнергии устанавливаются в точках ее передачи пользователям сетей низкого, среднего и высокого напряжения систем электроснабжения общего назначения переменного трехфазного и однофазного тока частотой 50 Гц согласно [1].
Как правило, электроснабжение судов от береговых сетей переменного тока осуществляется через установленные на причалах стандартные электроколонки, которые и являются точками передачи электроэнергии. Подача электроэнергии от береговой электроколонки в судовую сеть производится через щит питания с берега (ЩПБ). Электроснабжение трехфазным током от береговых источников осуществляется посредством судового гибкого шлангового кабеля по одной из схем, представленных на рис. 1.
а б
Рис. 1. Схемы подключения судовой электроэнергетической системы к береговой сети: а - с изолированной нейтралью; б - с глухозаземленной нейтралью;
2н - эквивалентное сопротивление нагрузки; иА, ив, ис - фазные напряжения источника; ЗКС - точка заземления корпуса судна; ЗН - заземлитель нейтрали
Именно в точках передачи происходит обращение электроэнергии в соответствии с договором на поставку или на услуги по передаче электроэнергии установленного качества, ответственность за которое несет сетевая организация [2, 3].
Качество электроэнергии в судовой электроэнергетической системе (СЭЭС) определяется совокупностью показателей, характеризующих меру отклонения амплитуд, частоты и взаимных фаз мгновенных напряжений от их номинальных значений, а также искажения синусоидальности формы напряжения для 3-фазных потребителей. Электропитание судовых потребителей будет оптимальным, если фазные напряжения отвечают следующим условиям:
=иат ■ ЯП (2n.fi+еа)
иъ = иьт ■ эт(2пА + е),
и = и ■ ят(2пй + е ),
с ст V с/ с /'
и = и = и =42и,
ат Ът ст * н'
/ = ,
еа =еь =ес = ,
(1) (2)
(3)
(4)
(5)
(6)
где иа, иъ, ис - действующие значения фазных напряжений; иат, иът, ист - аплитудные значения фазных напряжений; ин - линейное напряжение сети; / - действующая частота сети; /н - номинальная частота сети;
9а, 9ъ, 9ст - угол сдвига фазы действующего напряжения.
При электроснабжении судовых потребителей от собственных источников электрической энергии данные условия выполняются автоматически, за счет систем регулирования и автоматизации судовой электростанции. Современные судовые комплексы автоматизации позволяют обеспечить требуемые показатели качества электроэнергии как для установившихся, так и для переходных режимов СЭЭС. Упрощенная структурная схема автоматизации судовой электростанции представлена на рис. 2.
и
а
Рис. 2. Структурная схема автоматизации судовой электростанции при электроснабжении от собственных источников: 1 - приводндй двигатель; 2 - синхронный генератор: 3 - автоматический регулятор напряжения (АРН);
4 - автоматический регулятор частоты (АРЧ); 5 - система динстанционного автоматического управления приводным двигателем (ДАУ СДГ); 6 - электрическая защита; 7 - потребители электроэнергии
Электроснабжение судна с берега предполагает соблюдение требований качества электроэнергии и установившегося режима работы судовых потребителей. Однако на практике оба эти условия невозможно обеспечить по ряду объективных и субъективных причин. В первом случае потери напряжения в кабеле берегового питания снижают его значение на судовых распределительных устройствах. При удаленном расположении береговой колонки эти потери могут превышать допустимые значения. Возникновение динамических режимов в СЭЭС при электропитании с берега, связанных с автоматическими пусками, переключениями судовых потребителей или изменением режимов их работы приводит к нарушению устойчивости системы и снижению надежности работы ее элементов. При одновременном воздействии указанных факторов возрастает вероятность возникновения внутренних дефектов и аварийных отказов, которые в последствии затрудняют эксплуатацию СЭЭС в стандартных режимах [4-6].
Для устранения указанных противоречий и оптимизации режимов работы судовой электростанции при электроснабжении с берега предлагается использовать схему, представленную на рис. 3. Внедрение системы контроля и регулирования при электроснабжении с берега позволит обеспечить надежное и качественное электроснабжение потребителей, безопасность стоянки и сохранность элементов СЭЭС [7, 8].
Рис. 3. Структурная схема оптимизации электроснабжения СЭЭС от собственных источников: ЩПБ - щит питания с берега; БК - блок контроля;Тр - регулируемый трансформатор;
БУ - блок управления; <2Е - автоматический выключатель
Анализ представленной схемы позволяет ввести регулировочный коэффициент по напряжению, благодаря чему предоставляется возможность стабилизировать параметры напряжения в судовой электросети и обеспечить требования руководящих документов [1-3].
Вторым критическим параметром, определяющим состояние и устойчивость судовой электроэнергетической системы при электропитании с берега, является суммарный ток нагрузки и пусковые токи потребителей. Превышение установленных критериев по этому параметру приводит к срабатыванию защиты на береговой колонке и обесточиванию всех потребителей. Устойчивость системы в пусковых режимах и в режимах перегрузки, согласно схеме, представленной на рис. 3, обеспечивается дифференциальным блоком контроля параметров, который согласно заданной программе разгружает систему, отключая второстепенных потребителей, или
выдает запрет на запуск потребителей с большими пусковыми токами. Кроме того, при пусках асинхронной нагрузки через блок управления (БУ) регулировочным трансформатором Тр компенсируются потери реактивной мощности в электросети и ограничиваются пусковые токи.
Таким образом, для обеспечения установленных показателей качества электрической энергии для судовой электросети при питании с берега необходимо учитывать ряд факторов, связанных с местом стоянки судна, способом подключения к береговой колонке, конструкцией щита питания с берега, режимом работы потребителей и суммарной мощностью системы в режиме стоянки. Для обеспечения вышеуказанных условий требуется обеспечение технической возможности контроля и регулирования основных параметров. Реализация данного принципа, в т. ч. на основе предлагаемой типовой схемы, позволяет обеспечить требуемое качество электрической энергии в судовой электросети, необходимую надежность электроснабжения потребителей и безопасность эксплуатации судна в режиме длительной стоянки [9].
Литература
1. ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. Федеральный закон «Об электроэнергетике» от 26.03.2003 № 35-Ф3 (редакция, действующая с 13 августа 2019 года).
3. Постановление Правительства РФ от 27.12.2004 № 861 (ред. от 22.06.2019) «Об утверждении Правил недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг и Правил технологического присоединения энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, объектов по производству электрической энергии, а также объектов электросетевого хозяйства, принадлежащих сетевым организациям и иным лицам, к электрическим сетям».
4. Белов О.А. Методология оценки технического состояния электрооборудования при развитии параметрических отказов / О.А. Белов // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. - 2015. - № 3. - С 96-102.
5. Белов О.А. Общий алгоритм развития опасных ситуаций в судовых условиях / О.А. Белов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Восьмой всероссийской научно-практической конференции. - 2017. - С. 51-54.
6. Белов О.А. Процесс формирования постепенного отказа в технических системах / О.А. Белов // Наука, образование, инновации: пути развития: Материалы Шестой всероссийской научно-практической конференции. - 2015. - С. 44-49.
7. Белов О.А. Методология анализа и контроля безопасности судна как сложной организационно-технической системы / О.А. Белов // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2015. - № 34. - С. 12-18.
8. Белов О.А. Оценка безопасности эксплуатации судовых энергетических установок / О.А. Белов // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2017. -№ 42. - С. 6-10.
9. Белов О.А. К вопросу о повышении экологической безопасности судов при долговременном стояночном режиме / О.А. Белов, В.А. Швецов // Природные ресурсы, их современное состояние, охрана, промысловое и техническое использование: Материалы Девятой всероссийской научно-практической конференции. - 2018. - С. 119-121.
