Концепция интеллектуальной системы электроснабжения

Карпиленко Юрий Анатольевич, генеральный директор АО «РУСЭЛТ»,
Климов Валерий Павлович, к.т.н., технический директор АО «РУСЭЛТ»

Группа «РУСЭЛТ» разработала Интеллектуальную Систему Электроснабжения (ИСЭЛ) — это распределенный комплекс электротехнического оборудования, аппаратного и программного обеспечения, необходимого и достаточного для безопасного, рационального и эффективного управления электроснабжением объекта.  
Данная система (ИСЭЛ) входит как составной элемент интеллектуальных систем управления предприятием (ИСУП), зданием (ИСЗ) или других сложных объектов. 
Интеллектуальная система электроснабжения (ИСЭЛ) использует открытые протоколы обмена данными между различными элементами через сетевые контроллеры, позволяя создать распределенною инфраструктуру, которая имеет высокую степень открытости для наращивания и модернизации. 
В максимальной конфигурации интеллектуальная система электроснабжения (ИСЭЛ) сможет осуществлять централизованный мониторинг оборудования и управление следующими инженерно-техническими системами и комплексами:

• ввода и распределения электроэнергии;
• защиты и заземления;
• общего электроснабжения;
• аварийного электроснабжения;
• гарантированного и бесперебойного электроснабжения;
• энергосбережения и оптимизации нагрузки;
• электропитания высокотехнологического оборудования;
• контроля, управления и учета электроэнергии.

Архитектура  интеллектуальной системы электроснабжения (ИСЭЛ)

Архитектура ИСЭЛ позволяет сформировать пять уровней шин электропитания, обеспечивающих необходимую надежность, эффективность и качество энергии в соответствие со стандартом [1] для различных групп  электрооборудования и обеспечить решение системных задач по электромагнитной совместимости (ЭМС).
ИСЭЛ предусматривает: 

• обеспечение централизованного контроля и управления электроснабжением  предприятия (здания, объекта) с заданной надежностью и энергоэффективностью;
• управление в автоматическом режиме работой системы электроввода и распределения электроэнергии по потребителям;
• обеспечение бесперебойного питания критичного электрооборудования;

• получение объективной информации о работе и состоянии всех подсистем и своевременного сообщения диспетчерам о необходимости вызова специалистов по сервисному обслуживанию в случае отклонения параметров элементов системы от штатных показателей;

• обеспечение адаптации системы к проблемам ЭМС, перенастройки параметров и структуры системы для оптимальной работе в условиях нелинейных нагрузок;
• оптимальный режим управления инженерным оборудованием с целью сокращения затрат на использование энергоресурсов;
• осуществление своевременной локализации аварийных ситуаций.

В таблице 1 представлен состав потребителей и требования к надежности их электроснабжения в соответствие с требованиями нормам ПУЭ [2].
Группы А, В, С расположены в порядке снижения категории надежности.

Таблица 1. Требования к надежности электроснабжения различных групп потребителей

Архитектура ИСЭЛ также позволяет: 

• осуществлять своевременную локализацию аварийных ситуаций; оперативно принимать решения при аварийных и нештатных ситуациях (отключении электроснабжения, пожаре и т.п.);
• ввести объективный анализ работы оборудования и действий инженерных служб;
• сократить расходы на дорогостоящие ремонт и замену вышедшего из строя оборудования, продлить срок его службы за счет постоянного мониторинга параметров системы и своевременного проведения ремонтных работ;
• снизить на 20-30% ежемесячные платежи за счет работы систем в наиболее экономном режиме и автоматического перевода инженерии объекта из дневного в ночной режим работы;
• сократить в 2-3 раза расходы на службу эксплуатации электрооборудования за счет перевода системы в автоматический режим, что снижает расходы на ремонт или замену дорогостоящего оборудования, вышедшего из строя по причине халатности персонала или ошибок оператора;
• снизить расходы  при расширении системы и модернизации за счет использования возможностей открытой архитектуры.

Архитектура ИСЭЛ позволяет обеспечить общий контроль системы с помощью программно-аппаратных средств управления и мониторинга параметров системы. 

Проблемы с электропитанием

Наиболее часто потребители электроэнергии встречаются с следующими видами искажения напряжения в системах электропитания:

• импульсные помехи и высокочастотный шум;
• повышенное или пониженное напряжение;
• отклонение частоты или гармонические искажения напряжения;
• искажение напряжения при переходных процессах;
• кратковременные перебои или полное пропадание электропитания.

Эти помехи вызываются различными причинами, включая аварии, проблемы при переключениях в кабельных сетях и распределительных устройствах, работа мощного промышленного оборудования, экстремальные погодные условия. Проблемы с электропитанием могут приводить к снижению производительности, выходу из строя оборудования, ухудшению качества продукции, ошибкам в обработке данных, рискам потери важной информации и т.д. 
В таблице 2 сведены основные виды искажения напряжения, присутствующие в системах электропитания промышленных и бытовых потребителей, причины их возникновения и средства защиты.

Структура интеллектуальной системы электроснабжения (ИСЭЛ)

Обобщенная структура ИСЭЛ представлена на рис.1. Формирование шин питания различного уровня обеспечивается аппаратными и  программными  средствами для стабилизации, преобразования и резерва электропитания потребителей различного уровня надежности.
Нулевой уровень шины питания соответствует качеству напряжения входного фидера с трансформаторной подстанции ТП.
Два входных фидера с ТП и АВР 1 формируют шину первого уровня с качеством электроэнергии, поступающей от общепромышленной сети. 
Вводно-распределительное устройство (ВРУ) формирует шину второго уровня, защищенную от сетевых перенапряжений, высокочастотных гармоник и шума. Шина второго уровня обеспечивает защиту от перегрузок, короткого замыкания, компенсацию реактивной составляющей мощности.
Стабилизатор напряжения переменного тока (СН) формирует шину третьего уровня, обеспечивающую стабильное напряжение питания в определенном диапазоне отклонений напряжения сети.
Источник бесперебойного питания (ИБП) переменного тока формирует шину четвертого уровня переменного тока, обеспечивающую бесперебойное питание однофазных и трехфазных нагрузок переменного тока 50 Гц с высокой стабильность и низким коэффициентом искажения синусоидальности напряжения шины. 
Выпрямительно-зарядное устройство (ВЗУ) формирует шину четвертого уровня постоянного тока, обеспечивающую бесперебойное питание нагрузок постоянного тока.
АКГ – активный кондиционер гармоник, КРМ – компенсатор реактивной мощности, НН – нелинейная нагрузка, ИН – индуктивная нагрузка, ИБП – источник бесперебойного питания, ПФГ – пассивный фильтр гармоник,  ПЧ – преобразователь частоты.

Составляющие интеллектуальной системы электроснабжения (ИСЭЛ)

Вводно - распределительное устройство (ВРУ)

ВРУ содержит средства защиты, коммутации и распределения электроэнергии сети. Для обеспечения ЭМС с сетью такие помехи, как кратковременные выбросы, переходные перенапряжения, высокочастотный шум, гармонические искажения, могут быть устранены путем применения специальных фильтрующих и защитных устройств:
–    сетевые автоматические выключатели,
–    сетевые фильтры высоко частотных шумов, 
–    фильтры высших гармоник (250, 350, 550 Гц),
–    варисторные блоки устройств защиты от перенапряжений,
–    устройства дифференциальной защиты от токов утечки.
–    быстродействующие предохранители – плавкие вставки,
–    счетчики учета электроэнергии.
Указанные блоки могут быть дополнительно установлены в вводно-распределительном устройстве (ВРУ), формируя шину трехфазного сетевого напряжения второго уровня гарантии. В состав ВРУ входят также  многофункциональный измерительный контроллер (МИК), анализатор состояния изоляции кабеля (АСИ), анализатор качества заземления (АКЗ).

Компенсаторы реактивной мощности (КРМ)

Ступенчатые КРМ переключают секции конденсаторных батарей, обеспечивая оптимальную компенсацию реактивной мощности. В зависимости от используемых коммутаторов КРМ делятся на: контакторные и тиристорные [4]. Диапазон мощностей КРМ-0,4кВ принят от 10 до 1600 кВАр.

 
Устройства компенсация мощности искажения (КМИ)

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие тока с частотами, кратными основной частоте источника питания, вызывают появление мощности искажения.  Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажение тока влияет на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы. Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок [5]. 

КМИ могут быть реализованы на основе пассивных LC-фильтров, настроенных на 3-ю гармонику для однофазных нагрузок, или на 5, 7, 11, 13-ю гармоники для трехфазных нагрузок. Возможно использование активных кондиционеров гармоник (АКГ), самонастраивающихся на определенные частоты высших гармоник [3]. Токовый диапазон компенсации высших гармоник  АКГ составляет 20 – 120 А.

Стабилизаторы напряжения переменного тока

Стабилизаторы напряжения переменного тока 50 Гц предназначены для поддержания стабильного напряжения питания нагрузок бытового и промышленного назначения при отклонениях сетевого напряжения в широком диапазоне.
Стабилизатор напряжения компенсирует колебания (снижение или повышение) сетевого напряжения, формируя шину стабильного напряжения для потребителей (шину гарантированного напряжения переменного тока третьего уровня). 

Различают следующие типы стабилизаторов: СТС, СДТ, СДП, СТЭМ.
СТС - стабилизатор с подмагничиванием;
СДТ - стабилизатор дискретный тиристорный;
СДП - стабилизатор двойного преобразования; 
СТЭМ - стабилизатор электромеханический;
Диапазон мощностей трехфазных стабилизаторов составляет: 10 – 1000 кВА.

Источники бесперебойного питания переменного тока (ИБП)

С помощью ИБП формируется шина гарантированного напряжения четвертого уровня для питания наиболее критичных нагрузок.
Источники бесперебойного питания (ИБП) предназначены для защиты электрооборудования пользователя от неполадок в сети, включая искажение или пропадание напряжения сети, а также подавление высоковольтных импульсов и высокочастотных помех, поступающих из нее. В структуре ИСЭЛ используются ИБП с двойным преобразованием энергии (ИДП).
 
Выпрямительно-зарядные устройства (ВЗУ)

Выпрямительно-зарядные устройства входят в состав источников бесперебойного питания постоянного тока (ИБП) и щитов оперативного тока (ШОТ), формирующих шину гарантированного питания постоянного тока четвертого уровня.
Электрические параметры ВЗУ: напряжение шины - 24, 48, 60, 120, 220 В; ток нагрузки 10 – 100 А.

Устройства плавного пуска (УПП)

Ряд нагрузок с высокими пусковыми токами, такие как асинхронные двигатели, должны оснащаться устройствами плавного пуска (УПП). Повышенный ток в моменты пуска двигателя вызывает перегрев обмоток двигателя, перегружает питающие кабели, может привести к срабатыванию защиты, сокращает срок службы оборудования. Кроме этого при прямом пуске мощных двигателей имеет место просадка напряжения на сетевой  шине, что может отрицательно сказываться на работе другого оборудования. 

Преобразователи частоты для управления электродвигателями

Преобразователи частоты (ПЧ) рекомендуются для управления асинхронными электроприводами в различном технологическом оборудовании. Применение регулируемого электропривода позволяет создавать новую энергосберегающую технологию и предназначены для управления электродвигателями 0,4 кВ мощностью от 0,75 до 400 кВт.

Устройство автоматического ввода резерва (АВР)

АВР1 предназначено для  подключения одного из двух сетевых фидеров к шине первого уровня.  АВР2 предназначено для подключения автономной дизель-генераторной установки (ДГУ) к вводно-распределительному устройству (ВРУ) при длительном отсутствии сетевого напряжения.
ДГУ оснащена автоматической панелью управления (АПУ).

Программно-аппаратные средства управления и мониторинга параметров системы

(ИСЭЛ) использует открытые протоколы обмена данными между различными элементами через сетевые контроллеры, позволяя создать распределенною инфраструктуру, которая имеет высокую степень открытости для наращивания и модернизации. 
Ежедневные операции по измерению, получению данных и планированию энергопотреблению выполняются с помощью высококачественных и эргономических машинных интерфейсов и систем наблюдения и контроля.
Многофункциональный измерительный контроллер (МИК) и серия  регуляторов коэффициента мощности (КРМ) поддерживают протокол Modbus RTU и Modbus ASCII при использовании RS-232 и RS-485 портов. Использование этих функций позволяет считывать показания приборов и управлять ими с помощью программного обеспечения удаленного контроля DCRJSW. 

Литература:

1. ГОСТ 13109-97 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
2. ПУЭ (Правила Устройства Электроустановок) и комплекс стандартов ГОСТ Р 50571 «Электроустановки зданий».
3. Климов В.П., Москалев А.Д. Способы подавления гармоник в системах электропитания, Практическая силовая электроника. 2003. №6.
4. В.Климов, Ю.Карпиленко, В.Смирнов Компенсаторы реактивной мощности и мощности искажения в системах гарантированного электропитания промышленного назначения, Силовая Электроника. 2008. №3.
5. А.Куско, М.Томпсон Качество энергии в электрических сетях, М.: Додэка-ХХ1, 2008.