CC BY
38
Стрижакова Елена Владимировна, канд. техн. наук, доцент, a-ezhova@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский государственный технический университет,
COMPUTER SIMULATION OF THE ELECTROMAGNETIC FORCE RESULTING FROM THE
UNEVENNESS OF THE AIR GAP OF AN ELECTROMECHANICAL CONVERTER
V.N. Kozlovsky, A.S. Saksonov, E.V. Strizhakova
The paper simulates the electromagnetic force of unilateral attraction arising as a consequence of misalignment between the rotor and the stator of an electromechanical energy converter.
Key words: air gap, misalignment, computer modeling.
Kozlovsky Vladimir Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, Kozlovskiy-76@mail.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Saksonov Aleksandr Sergeevich, postgraduate, a.s.saksonoff@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University,
Strizhakova Elena Vladimirovna, candidate of technical sciences, docent, a-ezhova@yandex.ru, Russia, Samara, Samara State Technical University
УДК 621.311
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-3-168-173
НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ СПЕЦИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ В УСЛОВИЯХ РЕАЛИЗАЦИИ ИННОВАЦИОННОГО СЦЕНАРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКИ
В.В. Карагодин, В.В. Рыбаков, Д.В. Рыбаков, С.С. Камчалов
В статье на основе анализа технического состояния систем электроснабжения специальных объектов показана объективная необходимость их глубокой модернизации, которая должна учитывать основные положения технической политики в электроэнергетике России. Обосновано предпочтительное направление совершенствования этих систем, в основе которого лежит создание цифровых систем для управления сложными технологическими объектами. Представлены возможные проблемы на пути реализации инновационного подхода к модернизации систем электроснабжения. Определены направления развития систем электроснабжения специальных объектов, поэтапная реализация которых позволит повысить живучесть, надежность и энергоэффективность функционирования электрических сетей. Сделан вывод о том, что процесс модернизации распределительных электрических сетей систем электроснабжения специальных объектов должен быть планомерным и требующим комплексного системного подхода.
Ключевые слова: система электроснабжения, электрические сети, специальный объект, цифровые системы управления, интеллектуальная электрическая сеть.
Разработка и внедрение новых типов вооружения и военной техники в Вооруженных силах Российской Федерации проводится в соответствии с Государственной программой вооружения на 2018-2027 гг. Одним из этапов развития и совершенствования специальных объектов Космических войск является создание новых и модернизация эксплуатируемых наземных комплексов (НК) под современные типы ракет космического назначения.
Данный процесс неизбежно влечет за собой необходимость модернизации систем электроснабжения (СЭС), от надежной работы которых зависит надежность, непрерывность и устойчивость функционирования технических и технологических системами НК [1].
Электрические сети специальных объектов (СО) представляют собой большие, сложные электротехнические системы, включающие различные элементы (главные понизительные подстанции, сетевые и потребительские трансформаторные подстанции, высоковольтные линии электропередачи, внутриобъектовые распределительные сети, резервные стационарные и передвижные электростанции), размещенные на значительных площадях и расстояниях. Между отдельными элементами системы установлены функциональные и информационные связи. Для подтверждения данного утверждения на рис. 1, в качестве примера, приведена функциональная схема системы электроснабжения одного из эксплуатируемых в настоящее время наземного комплекса специального объекта. На схеме приняты следующие сокращения: ТП - трансформаторная подстанция, КТ ПН - комплектная трансформаторная подстанция наружного исполнения, ДЭС - дизельная электростанция.
ЭНЕРГОСНАБЖАЮШАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ
Рис. 1. Функциональная схема системы электроснабжения наземного комплекса специального объекта
Направления развития систем электроснабжения специальных объектов. Определяя возможные направления развития СЭС СО необходимо учитывать, что основная задача систем электроснабжения заключается в обеспечении требуемого уровня живучести, надежности электроснабжения и требуемого качества электроэнергии для потребителей современных и перспективных НК Космических войск.
Тем не менее, необходимо отметить, что в настоящее время еще достаточно существенная часть оборудования СЭС специальных объектов Космических войск эксплуатируется более 40 лет, и за это время оно подвергалось лишь частичной реконструкции. В связи с этим основное электрооборудование по своим тактико-техническим характеристикам приблизилось к границе физического и морального старения [2]. Возросли потери электроэнергии в элементах систем электроснабжения. Кроме того, по оценке специалистов локальная реконструкция отдельных элементов систем электроснабжения привела к снижению надежности электроснабжения ряда ее потребителей и, как следствие, может привести к снижению готовности специальных объектов к выполнению задач по предназначению.
Учитывая, что в качестве основного оборудования СЭС СО, как правило, используется общепромышленное электрооборудование, выпускаемое в основном отечественными производителями, то, очевидно, что процессы совершенствования и источников электроэнергии, и сетевого оборудования СЭС специальных объектов будут проходить в соответствии с технической политикой, определяющей основные пути технологического развития в энергетической отрасли страны [3].
В соответствии с «Основные положения технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г.» процессы модернизации систем электроснабжения должны осуществляется на основе разработки и внедрения технических решений по построению электрических сетей с применением передовых энергоэффективных технологий, обеспечивающих вывод из эксплуатации выработавшего технический ресурс и/или морально устаревшего, экономически неэффективного оборудования.
В настоящее время рассматриваются два возможных направления развития электроэнергетической отрасли страны:
- инерционного сценария развития, предусматривающий модернизацию с использованием эффективных технологий, позволяющих снизить потери в электрических сетях;
- инновационный сценарий развития, предусматривающий модернизацию электроэнергетики на новых принципах [4, 5].
Предпочтение при этом отдается второму направлению, которое аналогично технологии Smart Grid, получившей развитие в ряде стран в последние десятилетия.
Термин Smart Grid (SMART - Self Monitoring Analysisand Reporting Technology - технология самодиагностики, анализа и отчета, GRID (англ.) - энергосистема, электросеть, энергосеть) в литературе имеет несколько альтернативных названий «интеллектуальная сеть энергетики», «интеллектуальная электроэнергетическая система», «активно-адаптивная сеть энергетики», что свидетельствует не совсем однозначном и четком его толковании.
Множество различных точек зрения на концепцию интеллектуальных сетей, объясняет тот факт, что, несмотря на относительное сходство основных факторов развития интеллектуальных сетей приоритеты отдельных участников этого процесса различаются.
По своему содержанию концепция Smart Grid распространяется сегодня практически на все составляющие электроэнергетики:
- систему генерации электроэнергии;
- структуру и конфигурацию электрических сетей;
- учет электроэнергии, информационно-измерительные системы;
- автоматические системы управления;
- связь между объектами электроэнергетики;
- системы автоматики и релейной защиты.
Какие из направлений данной концепции, и в какой степени могут быть реализованы при решении задач совершенствования и развития СЭС СО? Уже сегодня в литературе высказываются сомнения о технической и экономической целесообразности повсеместной ее реализации в части кардинальной реконструкции электрических сетей [6]. Это повлечет за собой ряд негативных последствий: существенное усложнение их структуры и режимов работы, эксплуатация таких сетей будет намного сложнее, резкое снижение надежности релейной защиты и др. Кроме того, не всегда обоснованное стремление к подключению всех видов энергетического оборудования к компьютерной сети и повсеместный переход к цифровой микропроцессорной технике может также привести к негативным результатам: возникновение проблем кибербез-опасности, уязвимости хакерским атакам; необходимости защиты от преднамеренных деструктивных электромагнитных воздействий на электронную аппаратуру, что весьма важно для СЭС СО.
Из этого не следует, конечно, что процессы реконструкции и модернизации систем электроснабжения СЭС СО не должны осуществляться на основе разработки и внедрения технических решений по построению электрических сетей с применением передовых энергоэффективных технологий. Очевидно, процесс модернизации распределительных электрических сетей СЭС СО должен быть планомерным и требует комплексного системного подхода. При этом необходимо, прежде всего, определить содержание этого процесса, выработать минимальные и достаточные требования к облику электрических сетей перспективных СЭС НК, имеющих необходимый уровень информационной безопасности.
Анализ содержания основных направлений модернизации электроэнергетики на новых принципах (инновационный сценарий) позволяет определить приоритеты (цели) перспективного развития систем электроснабжения специальных объектов с учетом особенностей применения и эксплуатации технических комплексов и средств наземного базирования, важности решаемых ими задач. Среди них можно выделить следующие.
Направление развития систем генерации электроэнергии, которое предусматривает разработку принципиально новых и повышение технико-экономической эффективности уже существующих систем генерации электроэнергии, применительно к СЭС СО может быть связано с обоснованием и разработкой путей совершенствования систем автономного электроснабжения СО, роль которых с учетом современных тенденции развития российской энергетики в настоящие время существенно возрастает. Среди таких задач, требующих решения, можно выделить следующие:
- применение современных автономных источников электроэнергии (АИЭ), обладающих эксплуатационными свойствами, позволяющими обеспечить требуемый уровень надежности и требуемое качество электроэнергии во всех возможных режимах эксплуатации, в част-
ности применение для комплектации систем автономного электроснабжения (САЭ) бесщеточных синхронных генераторов, имеющих лучшие массогабаритные и ресурсные параметры;
- разработка микропроцессорных систем автоматического управления источниками электрической энергии, математического обеспечения для реализации наиболее эффективных (в том числе оптимальных) законов управления, структуры интеллектуальных регуляторов автономных источников электроэнергии, программного обеспечения для микропроцессорных систем автоматического управления АИЭ;
- разработка новых адаптивных структур систем автономного и гарантированного электроснабжения и совершенствование существующих принципов их структурного построения с учетом возможности применения для них устройств, повышающих качество электропитания, и решения вопросов электромагнитной совместимости;
- повышение эффективности использования дизелей в дизель-генераторах и качества вырабатываемой электроэнергии за счет использования дизель-генераторов с асинхронизиро-ванными синхронными генераторами;
- разработка унифицированной элементной базы всей электрической части систем автономного и гарантированного электроснабжения повышенной стойкости к воздействию поражающих факторов обычного и ядерного оружия, а также других внешних воздействий.
Электроснабжение технических и технологических потребителей НК, как правило, осуществляется по радиальным схемам, имеющим по сравнению с другими схемами наибольшую надежность. Такие схемы, очевидно, будут применяться и для СЭС новых и тем более модернизируемых НК. В связи с этим к приоритетам (целям) развития электрических сетей нужно отнести:
- определение оптимальной структуры системы электроснабжения специальных комплексов на основе технико-экономических показателей (разработка и применение мощных полностью управляемых компонентов сети, современных регуляторов напряжения, компенсирующих устройств, снабженных системами самодиагностики и мониторинга, надежными каналами передачи и приема информации);
- внедрение цифровых подстанций, которые обладают высоким уровнем автоматизации управления, процессы информационного обмена и управления работой которой осуществляются в цифровом виде на основе протоколов МЭК [7, 8];
- применение новой и прорывной техники, обеспечивающей экономичность электрической сети (например, применение трансформаторов с аморфным магнитопроводом, имеющих потери холостого хода в 2-4 раза ниже, чем у трансформаторов с традиционным магнитопроводом);
- развитие современных и создание новых систем управления, проработка новых принципов информационного взаимодействия энергообъектов, обеспечение их кибербезопас-ности.
Прогресс в области современных компьютеризированных систем обуславливает необходимость дальнейшего интенсивного развития систем мониторинга и самодиагностики электрооборудования, позволяющих предотвратить выход из строя важных элементов сети. Развитие этих систем должно сопровождаться созданием и применением специальных датчиков и специальных алгоритмов диагностики для постоянного мониторинга состояния электрооборудования.
Следует отметить, что уже сегодня в области учета электроэнергии достигнутый уровень техники полностью соответствует концепции Smart Grid, о чем свидетельствует широкое применение многотарифных микропроцессорных счетчиков. Однако, запланированная к реализации на объектах НК Космических войск автоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) на базе современных многофункциональных электронных счетчиков электрической энергии с функциями прогнозирования и анализа состава нагрузок по каждому объекту реализована лишь частично и сводится фактически только к коммерческому учету электрической энергии. В связи с этим в системе учета электроэнергии, связи и передачи данных между объектами СЭС НК представляются актуальными такие задачи как:
- использование многотарифных микропроцессорных счетчиков, способных выполнять расчеты, связываться с другими аналогичными счетчиками, способные накапливать информацию и передавать ее по сети;
- повысить наблюдаемость СЭС за счет организации технического учета на основе использования многотарифных микропроцессорных счетчиков в рамках создания единой автоматизированной системы управления интеллектуальной системой электроснабжения;
— применение АСКУЭ, тесная интеграция этих систем с программным и техническим обеспечением автоматизированных систем диспетчерского управления (АСДУ), обеспечение АСКУЭ и АСДУ надежными каналами связи и передачи информации;
— применение сетевых технологий Ethernet/Internet, обладающих широкой распространенностью и повсеместной доступностью, имеющих отработанные технологии и защищенные протоколы связи.
Не менее актуальными задачами развития СЭС СО представляются также совершенствование процессов эксплуатации и определение направлений повышение надежности систем электроснабжения НК, среди которых следует выделить:
— разработку методов построения оптимальной стратегии технического обслуживания с учетом различных подходов к его организации;
— оценка надежности систем электроснабжения с обоснованием направлений ее повышения; совершенствование методов расчета структурной и функциональной надежности с учетом внедрения инновационного сценария развития СЭС;
— обоснование и разработка мероприятий по внедрению энерго- и ресурсосберегающих технологий в процессе проектирования и эксплуатации систем электроснабжения НК с учетом использования новых технических решений и технологий.
Необходимо отметить, что достижение предложенных приоритетов развития систем электроснабжения должно коррелироваться с развитием смежных систем.
Заключение. Анализ технического состояния оборудования СЭС НК объективно свидетельствует о необходимости проведения реконструкции и модернизации этих систем с целью повышения живучести, надежности и энергоэффективности их функционирования.
В основу программ реконструкции и модернизации СЭС НК должны быть положены основные положения технической политики РФ, которые направлены на внедрение новых энергоэффективных инновационных технологий.
Очевидно, что с развитием производства российского высокотехнологичного оборудования решения по модернизации распределительных сетей СЭС СО станут доступнее и системное внедрение позволит существенно повысить надежность и эффективность работы электросетевого комплекса.
Проведение реконструкции и модернизации одновременно всех элементов СЭС НК потребует с одной стороны прекращения выполнения задач по предназначению, что не всегда возможно, с другой стороны значительных капиталовложений со стороны государства и большое количество времени, так как эти мероприятия потребуют замены огромного количества оборудования. Одним из возможных решений в сложившейся ситуации является проведение поэтапной модернизации существующих и создание принципиально новых СЭС СО, обеспечивающих требуемый уровень живучести, надежности электроснабжения и требуемое качество электроэнергии для потребителей современных и перспективных объектов Космических войск.
Список литературы
1. Карагодин В.В., Рыбаков Д.В., Рыжий Н.В. Обоснование направлений совершенствования систем электроснабжения наземных комплексов с учетом обеспечения информационной безопасности // Научно-технический журнал «Электропитание». 2020. Вып. № 1. С. 3240.
2. Карагодин В.В., Рыбаков Д.В., Рыжий Н.В. Подходы к повышению энергоэффективности систем электроснабжения наземных комплексов // Труды Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского. 2018. Вып. 663. С. 126-131.
3. Основные положения (Концепция) технической политики в электроэнергетике России на период до 2030 г. М.: ОАО РАО «ЕЭС России», 2008. 90 с.
4. Программа инновационного развития ПАО «ФСК ЕЭС» на 2016-2020 годы с перспективой до 2025 года. [Электронный ресурс] URL: http://www.fskees.ru/innovation/innovative_development/innovat-ive_development_program (дата обращения: 05.02.2022).
5. Основные положения концепции интеллектуальной энергосистемы с активно-адаптивной сетью [Электронный ресурс] URL: http://www.fsk-ees.ru/upload/docs/ies aas.pdf (дата обращения: 05.02.2022).
6. Гуревич В.И. Интеллектуальные сети: новые перспективы или новые проблемы? / «Электротехнический рынок». 2009. № 6(36). С. 62-66.
172
7. Правила устройств электроустановок. 7-е изд. Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2007. 512 с.
8. Зинин В.М., Подлесный А.М., Карантаев В.Г. Цифровая подстанция - объект критической инфраструктуры / Автоматизация и IT в энергетике. 2017. № 4 (93). С. 21-28.
Карагодин Владимир Викторович, д-р техн. наук, профессор, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Рыбаков Вячеслав Вячеславович, канд. техн. наук, старший преподаватель, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Рыбаков Дмитрий Вячеславович, канд. техн. наук, старший преподаватель, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф.Можайского,
Камчалов Сергей Сергеевич, сотрудник, vka@mil.ru, Россия, Санкт-Петербург, Военно-космическая академия имени А. Ф. Можайского
DIRECTIONS OF DEVELOPMENT OF POWER SUPPLY SYSTEMS FOR SPECIAL FACILITIES IN THE CONTEXT OF THE IMPLEMENTATION OF AN INNOVATIVE SCENARIO FOR THE DEVELOPMENT OF THE ELECTRIC POWER INDUSTRY
V.V. Karagodin, V.V. Rybakov, D.V. Rybakov, S.S. Kamchalov
Based on the analysis of the technical condition of the power supply systems of special facilities, the article shows the objective need for their deep modernization, which should take in-to account the main provisions of the technical policy in the Russian electric power industry. The preferred direction of improving these systems is substantiated, which is based on the creation of digital systems for managing complex technological objects. Possible problems on the way of implementing an innovative approach to the modernization of power supply systems are presented. The directions of development of power supply systems for special facilities have been determined, the phased implementation of which will increase the survivability, reliability and energy efficiency of the functioning of electric networks. The conclusion is made that the process of modernization of distribution electrical networks of power supply systems of special facilities should be systematic and require an integrated system approach.
Key words: power supply system, electrical networks, special object, digital control systems, intelligent electrical network.
Karagodin Vladimir Viktorovich, doctor of technical sciences, professor, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Military-space academy of A.F. Mozhajsky,
Rybakov Vyacheslav Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, vka@mil.ru, Russia, St.Petersburg, Military-space academy of A.F.Mozhajsky,
Rybakov Dmitry Vyacheslavovich, candidate of technical sciences, senior lecturer, vka@mil.ru, Russia, St.Petersburg, Military-space academy of A.F.Mozhajsky,
Kamchalov Sergey Sergeevich, employee, vka@mil.ru, Russia, St. Petersburg, Militaryspace academy of A.F. Mozhajsky
