CC BY
73
«РЭС -Подстанция 35...220 кВ - фидер 6...10 кВ - ТП 6...10 кВ - фидер 0,4 кВ», т.е. создания базы «электрических адресов» абонентов в дополнение к обычно имеющейся в сбытовой компании информации об их территориальном расположении.
E-А. Burlakova
METHODS OF EVALUATION OF TECHNICAL LOSSES IN ELECTRICAL DEVICES THE POWER SYSTEMS
The methods for calculating technical losses power generationare considered.
Key words: loss of electricity, electrical networks.
Получено 24.12.11
УДК 621.13
Ю.Н. Тимонин, директор, (4872)32-77-69, tulenergo@tula.elektra.ru (Россия, Тула, филиал "Тулэнерго" ОАО "МРСК" Центра и Приволжья), В.А. Сушкин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, v. a. sushkin@gmail. com (Россия, Тула, ТулГУ)
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДЕНИЕМ ТРАНСФОРМАТОРА
Разработана система управления групповым электроприводом для насосных агрегатов и вентиляторов системы охлаждения силового трансформатора, которая состоит из частотно-регулируемого преобразователя, микропроцессорной системы управления и переключающей контакторной аппаратуры.
Ключевые слова: силовой трансформатор, насосы, электропривод, частотно-регулируемый преобразователь.
Преобразование энергии в трансформаторе неизбежно связано с потерями, выделяющимися в виде тепла (тепловой энергии) в ее активных, а также конструктивных частях. Для удаления выделяющегося тепла за пределы трансформатора предусматривается охлаждение при помощи охлаждающего масла, которое непрерывно движется через активные элементы. Тепло, выделяющееся в обмотках и магнитопроводе, передается через их наружную поверхность охлаждающему маслу. Нагретое масло имеет меньшую плотность, чем холодное масло вблизи стенок бака. Возникает конвективная циркуляция масла в баке. Около нагретых частей оно движется, постепенно нагреваясь, вверх, около стенок бака, постепенно охлаждаясь и отдавая запасенное тепло через стенки бака окружающему возду-
ху.
Система охлаждения трансформатора состоит из каналов, по которым перемещается охлаждающая среда (масло), насоса, который создает напор, необходимый для циркуляции охлаждающей среды. В замкнутых системах охлаждения, в которых циркулирует постоянное количество масла, имеются также теплообменники-охладители, предназначенные для охлаждения масла и удаления тепла во внешнюю среду, с дополнительным обдувом теплообменника вентилятором с асинхронным двигателем.
Для разработки системы управления охлаждением трансформатора создана проектная модель оценки эффективности работы, алгоритм управления и система группового управления электроприводом насосных и вентиляторных агрегатов.
Проектная модель
Пусть имеется математическая модель трансформатора W, используемая в традиционном проектировании на стадии поверочного расчета
W = < P, F > .
Эта модель характеризуется множеством переменных
P ={Pt |р еPс^лр = р(F)},
являющихся подмножеством множества вещественных чисел ^, между которыми определены связи, оформленные в виде множества логических выражений
F =F |F еFлF(P) = true}.
Множество логических выражений может быть разбито на две системы отношений:
1) система отношений тождества (уравнений), записанных в форме
F( P)=о|
где N - количество отношений тождества;
2) система неравенств, записанных в форме
_ P(P) = 0|t ,
где N - количество неравенств.
Проектная модель трансформатора может быть реализована на базе однонаправленной функции f, осуществляющей поверочный расчет, преобразуя некоторое подмножество входных величин P , характеризующих конструкцию трансформатора, в подмножество выходных величин P , характеризующих параметры работы трансформатора (рис. 1).
Рис. 1. Функция поверочного расчета трансформатора
258
Таким образом, множество переменных P является объединением двух подмножеств:
P=P u P,
где
P = P|P еP сPлP * f (F)},
P ={P|P е P с P л P. = f (F)}.
В свою очередь, подмножество входных величин P является объединением двух подмножеств:
P=P u P .
Подмножество фиксированных переменных P состоит из переменных, значения которых фиксируются в начале расчета и не меняются в ходе поиска решения:
P = {P |PеP сPлP = const}.
Подмножество варьируемых переменных P состоит из переменных, значения которых варьируются алгоритмом поиска решения:
P = р е P с P л P. = var}.
Множество выходных переменных состоит из двух подмножеств:
P=P= u P'.
Подмножество результирующих значений P= отличается от подмножества требуемых значений P* тем, что к переменным множества P= не предъявляются требования равенства заданным значениям: они свободны, то есть могут принимать любые значения, получаемые на выходе функции f при заданных входных значениях. Переменным множества P* в начале поиска присваиваются фиксированные значения. Задача поиска в том и состоит, чтобы определить значения всех переменных множества P при фиксированных значениях множества P , которые бы обеспечили совпадение значений переменных множества P* с теми значениями, которые заданы проектировщиком в начале поиска при произвольных значениях переменных множества P= .
В отличие от элементов P= множества P = на каждый элемент P* множества P* накладывается ограничение P* «P0 еP0*. При этом значения элементов P0 множества P0 задаются проектировщиком в начале поиска.
Схема поиска решения представлена на рис. 2, где П - проектировщик, задающий значения переменных из множеств P и P0* .Значения из множества P0* сравниваются со значениями из множества P* на выходе функции поверочного расчета трансформатора f. На основании множества отклонений s, состоящих из элементов
s. = p 0 - P *,
. .0 .
строится среднеквадратичная невязка
259
* *
N Р *_ Р*
I (^)2
N = -Р-,
N
на основании которой средствами подсистемы поиска решения формируется множество варьируемых переменных P, которое вместе с множеством P подается на вход функции поверочного расчета трансформатора f.
Рис. 2. Схема поиска решений
Пусть имеется реальный трансформатор, для которого может быть построена математическая модель, характеризующаяся множеством переменных Р , и множеством отношений ¥. При этом проектировщику известны значения некоторых переменных из множества Р, образующие два подмножества: Р и Р (точнее Р0*). В множество Р могут входить такие величины, как число витков в обмотках трансформатора, марка стали, размеры магнитной системы и обмоток. Эти величины можно получить из документации на трансформатор. Набор известных переменных множества Р может быть ограничен, например, могут быть неизвестны число витков обмоток, размеры магнитопровода, потому что отсутствует подробная документация на трансформатор. Тогда в множество Р войдут только те величины, которые можно непосредственно измерить на объекте, например, размеры бака, паспортные данные, выбитые на табличке.
Значения величин множества Р0*, такие, как напряжение короткого замыкания ик и ток холостого хода /0, определяются либо по паспортным данным, либо по документации, либо по результатам непосредственных измерений на реальном объекте. Это те величины, которые в традиционном проектировании рассчитываются подсистемой поверочного расчета. Необходимо найти такое состояние множества Р, при котором Р* = Р0*.
Математическая модель силового трансформатора представляет собой компонентные алгебраические уравнения, получаемые на основе знаний о предметной области. С целью упрощения вопросов программной реализации модели и повышения эффективности решения задач модель может иметь несколько версий, отличающихся различной степенью учета некоторых протекающих в объекте процессов; конкретизацией структуры конструктивных элементов; способами алгоритмизации компонентных
уравнений и т.д.
Обычно в случае силового трансформатора множество входных величин Р состоит из двух подмножеств.
Структура и основные параметры
В состав системы группового управления электроприводом (СГУЭП) входят частотно-регулируемый преобразователь (ЧРП), асинхронные двигатели насосных агрегатов, ), асинхронные двигатели вентиляторных агрегатов, контакторы - сетевые и преобразовательные, а также микропроцессорная система управления (МПСУ), состоящая из блока регулирования и управления, панели местного управления и блока GPRS-модема. Асинхронные двигатели в составе СГУЭП, однотипные, соответствующие выходной мощности ЧРП. Электропитание двигателей осуществляется от сети или от преобразователя.
ЧРП служит для плавного регулирования производительности любого насосного или вентиляционного агрегата. Коммутационная аппаратура обеспечивает подключение электродвигателей (рабочих и запасного) к преобразователю или сети, а также требуемое переключение их с выхода преобразователя на сеть и обратно. МПСУ с комплектом датчиков (электрических и технологических) и ПИД-регулятором реализует заданные алгоритмы управления в штатных и аварийных режимах СГУЭП. Панель местного управления (ПМУ) в составе СГУЭП, снабжённая жидкокристаллическим дисплеем и плёночной клавиатурой, обеспечивает оператору возможность настройки и контроля состояния системы в конкретных условиях эксплуатации.
Режимы работы
СГУЭП обеспечивает работу насосных и вентиляторных агрегатов в ручном и автоматическом режимах, причём с возможностью как местного, так и дистанционного управления. В ручном режиме управления осуществляются следующие операции:
- выбор состояния (настройка/работа) и режима работы (основной/резервный) системы;
- выбор вида (местное/дистанционное) и типа (ручное/автоматическое) управления;
- настройка стабилизируемых и контролируемых технологических параметров (давления, расхода, температуры и пр.), а также параметров ПИД-регулятора;
- принудительная ротация функций агрегатов, обеспечивающая равномерный износ оборудования;
- опробование системы в штатных режимах(запуск и вывод их из работы).
В автоматическом режиме управления СГУЭП реализует следую-
щие функции:
- плавное регулирование производительности насосов (основной рабочий режим) в зависимости от температуры масла и окружающего воздуха, ограничивающее пусковые токи и исключающее гидродинамические удары в трубопроводе;
- ступенчатое регулирование производительности (резервный режим работы), обеспечивающее работу насосов при отказе преобразователя частоты;
- программная ротация функций насосов и автоматический ввод резерва;
- защита используемого электро- и гидрооборудования от опасных последствий отказов элементов и узлов системы;
- индикация параметров и сигнализация о состоянии системы и её функциональных узлов;
- обмен информацией системы с внешними объектами по диспетчерской сети.
В основном рабочем режиме СГУЭП обеспечивает плавный пуск одного из асинхронных двигателей и частотное регулирование производительности соответствующего насоса посредством преобразователя частоты. Нерегулируемые насосы в этом режиме могут быть по необходимости обесточены (отключённый насос) или подключены непосредственно к сети (сетевой насос), а запасной насос находится в состоянии холодного резерва (резервный насос). Такая концепция построения СГУЭП избрана по экономическим соображениям - реализуемая мощность насосной станции превышает мощность ЧРП.
В резервном режиме работы осуществляют прямой пуск асинхронных двигателей и ступенчатое регулирование производительности системы с использованием контакторов. При этом каждый из насосов является нерегулируемым и может быть обесточен (отключённый насос) или подключен к сети, а запасной насос по-прежнему находится в состоянии холодного резерва.
Возможность выбора предпочтительного режима работы (основной или резервный) предоставляется оператору при настройке, а в случае отказа ЧРП в основном режиме переход к резервному осуществляется автоматически.
Алгоритмы управления
В основном рабочем режиме при отклонении технологического параметра (например, давления в напорном коллекторе) от заданного значения производительность регулируемого насоса автоматически изменяется для компенсации этого отклонения. При уменьшении текущего значения технологического параметра на 2...3 % относительно заданного уровня регулируемый двигатель переключается на сеть и используется далее в каче-
стве сетевого.
Требуемое повышение производительности СГУЭП реализуется тем, что один из отключённых двигателей подключается к преобразователю в качестве регулируемого. Если же резерв отключённых двигателей в этих условиях исчерпан, то преобразователь обеспечивает работу сетевых двигателей в течение 1...2 мин и затем отключает их, сигнализируя об аварийном состоянии трубопровода.
При увеличении текущего значения технологического параметра на 2.3 % относительно заданного уровня регулируемый двигатель обесточивается и переводится в статус отключённого, а один из сетевых двигателей синхронно подключается к преобразователю в качестве регулируемого. При отсутствии сетевого двигателя преобразователь переводит регулируемый двигатель в режим периодического включения/отключения, обеспечивая таким образом стабилизацию технологического параметра в условиях минимальной производительности.
В резервном режиме работы (например, при отказе преобразователя частоты) компенсация отклонений технологического параметра от заданного значения осуществляется последовательным подключением к сети отключённых двигателей или отключением сетевых двигателей. При этом подключение очередного отключённого двигателя к сети происходит при условии, если текущее значение технологического параметра уменьшилось на 3.5 % относительно заданного уровня.
Ротация функций насосов и автоматический ввод резерва
Возможность принудительной ротации функций насосов предоставляется оператору в режиме настройки СГУЭП перед вводом его в работу. Автоматическая (программная) ротация функций насосов (регулируемый, нерегулируемый или запасной - в основном режиме и приоритет их подключения/отключения — в резервном режиме) осуществляется периодически с временным интервалом, задаваемым при настройке, без перерывов в работе системы.
При отказе регулируемого насоса в основном режиме работы его двигатель обесточивается, а взамен него к выходу преобразователя частоты автоматически подключается двигатель запасного насоса.
Защитные функции
Защитные функции в СГУЭП реализуются как на общесистемном уровне, так и на уровне отдельных функциональных узлов, таких, как трубопровод, питающая сеть, двигатели насосов и преобразователь частоты. Для предотвращения аварийного состояния питающей сети необходимо
исключить продолжительные токовые перегрузки (тепловая защита) и последствия КЗ в системе (электромагнитная защита). Поддержание в исправном состоянии регулируемого и сетевых двигателей обеспечивается контролем потребляемого тока (тепловая и электромагнитная защиты, а также защита от неполнофазного режима питания). Надёжное функционирование преобразователя частоты и его силовых элементов поддерживается за счёт контроля выходных токов (защита от токовых перегрузок и короткого замыкания - внешнего и внутреннего), а также контроля температуры силовых элементов, так что при превышении допустимых уровней преобразователь отключается.
В дополнение к перечисленным "узловым" защитным функциям СГУЭП реализует "общесистемные" функции защиты.
Следует особо отметить, что МПСУ "ведёт" так называемый журнал аварий, в котором фиксируются обстоятельства десяти последних аварийных ситуаций (с указанием их причин и следствий).
Обмен информацией по диспетчерской сети
Обмен информацией (управление и сигнализация) СГУЭП с внешними объектами (диспетчерский пульт АСУ ТП, внешний компьютер и пр.) осуществляется без перерывов режима его работы по последовательному каналу (RS-232/RS-485) или с использованием встроенного GPRS-модема.
Дистанционное управление СГУЭП возможно только при соответствующем выборе вида управления в процессе его настройки. При этом осуществляется передача и приём системой следующих команд: смена состояния (настройка/работа) и режима работы (основной/резервный); смена вида (переход на местное) и типа (ручное/автоматическое) управления; изменение задаваемых значений технологических параметров, а также параметров ПИД-регулятора; принудительная ротация насосов или изменение параметров программной ротации; изменение состава индицируемых параметров и перечня сигналов о состоянии системы и функциональных узлов.
Выводы
1. Описанная система группового управления электроприводом обеспечивает эффективную эксплуатацию системы охлаждения трансформатора.
2. Использование нескольких насосов в составе группового электропривода в сочетании с принудительной их ротацией и автоматическим вводом резерва повышает эксплуатационную надёжность систем водо-
снабжения.
3. Применение частотно-регулируемого преобразователя позволяет снизить стоимость пускорегулирующей аппаратуры в комплексе управления групповым электроприводом.
Yu.N. Timonin, V.A. Sushkin
MANAGERIAL SYSTEM BY OOLING THE RANSFORMER
The group electric drive control complex for housing services pumping stations, which includes frequency regulated converter, four asynchronous motors pump drives and switching contactor devices is presented.
Key words: housing services, pumping station, electric drive, frequency regulated converter
Получено 24.12.11
УДК 378.1
В. М. Степанов, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-54-50, eists @гатЬ ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ),
В.С. Косырихин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, eists @гатЬ ler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОДГОТОВКА И ПЕРЕПОДГОТОВКА ИНЖЕНЕРНЫХ И НАУЧНЫХ КАДРОВ В ОБЛАСТИ ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЯ
Описана разработанная структура обучающего комплекса по рациональному энергопотреблению на базе Тульского государственного университета.
Ключевые слова: энергоресурсосбережение, подготовка кадров, энергосберегающие технологии.
Наиболее энергоемким объектом сферы образования в Тульской области является Тульский государственный университет. Его энергопотребление в год составляет 7 млн кВт-ч; тепловой энергии - 40,4 тыс. Гкал. В связи с этим ТулГУ рассматривается как демонстрационная зона для образовательных учреждений не только Тульской области, но и всего Центрального региона России.
Проект "Разработка обучающего комплекса по рациональному энергопотреблению для демонстрационной зоны по энергосбережению Центрального региона России (на базе Тульского государственного уни-
