Автоматизация интеллектуальных энергосистем
Особый интерес вызывают системы распределения энергии, электрические подстанции. Многие из существующих подстанций до сих пор используют устаревшие регистраторы с бумажными графами, которые вручную необходимо заменять каждую неделю. Многие из защитных устройств для линии связи, информационных каналов и защиты трансформаторов являются простыми электромеханическими компонентами.
Электромонтажники часто вынуждены вручную управлять переключателями во время профилактического обслуживания или перебоев в подаче электроэнергии. Несмотря на то, что настоящая система работает уже на протяжении многих десятилетий, полностью интегрированная автоматизация и информационные платформы, базирующиеся вокруг подстанций и охватывающие всю промышленную систему распределения электроэнергии, смогут обеспечить значительные улучшения. Это приведет к повышению безопасности, более точному определению проблем, сокращению времени перебоев с электроэнергией у потребителей, более эффективному использованию активов и других нижеперечисленных преимуществ.
Пиковая потребность превышает электрическую мощность
Более века прошло с тех пор как Томас Эдисон, Николя Тесла и Джордж Вестингхаус начали свое дело в сфере энергосистем общего пользования в США. На протяжении десятилетий, электроэнергия считалась больше роскошью, нежели необходимостью. Терпимо относились к перебоям в подачи электроэнергии длившимся один час или более. Цена сырья, такого как сталь, медь и алюминий была дешевле по сравнению с сегодняшним днем. В связи с увеличением спроса на электроэнергию проблемы нехватки были решены за счет строительства электростанций. С ростом расхода электроэнергии, коммунальные предприятия увеличили свои материально-технические базы, покупая больше оборудования, при этом потребляя больше сырья в процессе.
Повышение цен на сырьё не оправдывало крупные проекты, так как в конечном счете финансирование происходило за счет увеличения цены за электроэнергию, которую должны были оплачивать потребители коммунальных услуг. Потребители и другие учреждения обычно выступают против любых повышений тарифов, часто оказывая давление на Комиссию по вопросам деятельности коммунальных служб (КВДКС). КВДКС находится в постоянном состоянии балансирования. Они должны убедиться, что коммунальные службы имеют достаточно мощностей для обслуживания всех своих потребителей, но в то же время ограничивают запросы на увеличение тарифов. Когда отказывают в увеличении тарифов на создание дополнительных проектов, коммунальным службам необходимо найти пути, как обеспечить больше нагрузки с имеющимся оборудованием. В таких случаях автоматизация часто является лучшим решением.
Автоматизация увеличивает действующую мощность
Если бы все соответствующие системы автоматизации были на месте, коммунальные службы могли бы сократить нагрузки потребителей автоматически, и обеспечить контроль за распределением энергоресурсов (РЭР). Рост РЭР стал особенно заметен на протяжении последних нескольких лет, так как правительства во всем мире способствовало распространению относительно небольших и локализованных генерирующих мощностей.
Мониторинг и контроль за РЭР приобрело еще большее значение, так как размер и количество данных ресурсов увеличилось. Коммунальные службы хотят иметь возможность увеличить производительность генератора или полностью отключить его, будь то панель солнечной батареи или небольшой газотурбогенератор. Это необходимо для поддержки системы выработки электроэнергии для коммунальных нужд в целом.
До установки интеллектуальных счетчиков все бытовые потребители были оснащены электромеханическими счетчиками, которые лишь следили за потреблением электроэнергии кВт/ч.
Эти счетчики не предназначались для удаленного мониторинга. С помощью интеллектуальных счетчиков появилась возможность контролировать время потребления электроэнергии. Это означает, что коммунальные службы могут выставлять счета на оплату по более высоким тарифам за энергопотребление во время пикового спроса. Если выставлять счета по времени пользования, клиенты смогут иметь представление о своем потреблении электроэнергии и о его стоимости, что поощрит сокращение нагрузки в пиковые часы.
Поиск и устранение перебоев за более короткое время
Большинство коммунальных служб начали автоматизировать процесс восстановления путем установки систем диспетчерского контроля и сбора данных (СКАДА), которые производят мониторинг и контроль линии устройства повторного включения, выключателей и секционизаторов, но система все еще далека от того, чтобы быть полностью автоматизированной. Следовательно, средняя продолжительность прерываний в сети потребителя (CAIDI) превышает 100 минут для большинства клиентов коммунальных служб. CAIDI — это показатель надежности, о котором все коммунальные службы должны сообщать в свои регулирующие органы. Он вычисляется путем сложения всей длительности отключения клиента и деления полученной суммы на общее число отключений. По существу, CAIDI — это измерение того, сколько времени средний потребитель будет без электроэнергии в течение года.
Существует много факторов, которые влияют на время CAIDI, что позволяет ограничивать потребление ресурсов в штормовых условиях. Но во время обычного перебоя, большую часть времени восстановления занимает первоначальное реагирование. Большинство перебоев в подаче электроэнергии на уровне распределения не выявляются аварийными сигналами от автоматического выключателя, а выявляются они от фактического звонка клиентов или от экстренных служб, таких как пожарные отделения или полиция. Это потому, что большинство из этих отключений прежде регистрируются в защитных устройствах, таких как предохранители, выключатели или устройства повторного включения линии — все это обычно не входит в комплект сигнализации.
Поскольку большинство радиальных питающих линий подают питание на нескольких клиентов, электрическая неисправность в одном разделе, будет влиять на всех клиентов, подключенных к этой линии. Другие защитные устройства могут быть установлены для того, чтобы минимизировать количество затронутых потребителей, но, как правило, все потребители останутся без электроэнергии, если неисправность произойдет недалеко от подстанции или в быстродействующей защитной зоне. В случае сбоя, сотрудник службы должен отправиться в этот район и провести визуальное патрулирование, чтобы найти повреждение. Как только проблема будет найдена, электромонтажник должен открыть соседние переключатели.
Как только работа завершена, сотрудник связывается с центром управления, чтобы восстановить подачу электроэнергии оставшимся клиентам путем переключения нагрузки на соседние цепи. Как только секция изолирована, бригада линейных мастеров прибывает на ремонт и замену оборудования по мере необходимости и восстановления навесного монтажного провода, если он был перерезан. Это не самый эффективный способ восстановления подачи электроэнергии и автоматизация предлагает лучшее решение. Внедрение автоматизированных устройств, таких как СКАДА позволило бы переключателям и оборудованию повторного включения сократить простои.
Распределение схем может быть секционировано управлением СКАДА устройств между каждой секцией. Открытые точки, которые подключаются к другим цепям, можно было бы заменить СКАДА-переключателями.
Во время отключения, каждое устройство будет определять, находится ли неисправность в пределах этой зоны, а затем передаст информацию в систему управления. Система будет автоматически изолировать проблему, открыв смежные автоматические выключатели. Питание будет быстро переправлятся в незатронутые разделы, закрывая соединение с соседними цепями. Это могло бы все быть реализовано без вмешательства электромонтажника. Другим дополнительным преимуществом является то, что автоматизированные устройства оснащены контролерами на базе ЭВМ с накопительной памятью. Файлы с информацией по настройке могут храниться в течение нескольких месяцев. Это дает инженерам возможность использовать автоматические устройства удаленно и скачивать информации об ошибках. С этими ценными данными, специалисты смогут диагностировать и определять, имеются ли какие-либо системные проблемы.
Контроль напряжения и коэффициента мощности
Коммунальные службы должны стремиться приближать коэффициент мощности к единице и тем самым минимизировать реактивную мощность, чтобы максимизировать эффективность системы электропередачи. Чем больше реактивной мощности, протекающей через линии передачи, тем меньше реальной электроэнергии может быть передано. Коммунальные службы тратят миллионы долларов на установку устройств по компенсации реактивной мощности, таких как статические компенсаторы, реостаты для регулирования напряжения и поддержания коэффициента мощности на уровень передачи.
Так как большинство потребителей подключаются к распределительной сети, корректируя коэффициент мощности на уровне распределения, можно снизить расходы на установку дорогостоящего оборудования по уровню передачи. Контроль блока конденсаторов на уровне распределения, как правило, ограничен. Они фиксированы, чтобы оставаться под контролем простого таймера или датчика напряжения. Во время летнего пика, все блоки конденсаторов могут быть подключены вручную, чтобы поддержать коэффициент мощности и напряжения. Некоторые проблемы могут возникать из-за большого колебания спроса. Блоки конденсаторов, подключенные вручную для поддержки коэффициента мощности летом, могут дать слишком много реактивной мощности в зимний период, используя предел пропускной способности системы или вызывая высокое напряжение. И наоборот, блоки конденсаторов могут выйти из строя и понизить напряжения у потребителей ниже приемлемых стандартов. Процессы фиксации высокого/низкого напряжения и осуществление коррекции коэффициента мощности, как правило, не автоматизированы. Клиенты должны периодически самостоятельно замерять напряжение и определять, нет ли превышения стандартных показателей. Высокое напряжение снизит продолжительность срока использования многих электрических компонентов, а также увеличит потребление энергии.
Большинство электроники и бытовой техники имеют максимальный предел напряжения и могут быть повреждены при превышении предельных значений. С другой стороны, обеспечение низкого напряжения может быть не достаточно, для того чтобы включить какое-то оборудование.
Автоматическое управление конденсатором, связанным с диспетчерским центром может помочь в коррекции коэффициента мощности и решить вопросы напряжения. Датчики могут измерять коэффициент мощности, и эта информация может быть использована для автоматического и дистанционного управления блоком конденсаторов переключения. С помощью нового установленного автоматического регулятора на каждом блоке конденсаторов, конкретные данные о напряжения и текущие показания также могут быть отправлены обратно в центр управления. С большим количеством данных реального времени инженеры могут инициировать и предвидеть проблемы с коэффициентом мощности и напряжения.
Как справиться с распределенными энергоресурсами
Распределенные энергоресурсы представляют больше проблем, чем просто высокое напряжение у местных потребителей. Когда распределительная система была разработана впервые, она считалась радиальной электрической сетью без какой-либо другой прямой последовательности, помимо передачи. Таким образом, вся релейная защита была представлена просто аппаратами экстра-тока, без каких-либо положений для защиты генератора. Когда распределенные энергоресурсы установлены со стороны нагрузки, система распределения уже не является радиальной и коммунальные службы должны учитывать два важных вопроса безопасности: способность изолировать генератор так, чтобы он не передавал электроэнергию обратно в сеть, где ведется работа.
В отличие от предыдущих примеров, когда автоматизация являлась дополнительным преимущество, в данном случае это требование безопасности. Когда установлены распределенные энергоресурсы автоматические выключатели должны иметь мониторинг напряжения для того чтобы проверить, что генератор не подключен во время запланированного отключения линии или во время тестирования.
Если реле максимального тока не достаточно для защиты линии, оно должно быть обновлено до уровня микропроцессора, чтобы дать дополнительную функциональность. Требуется больше вводных параметров совместно с выделенной линией связи от подстанции к реле генератора, что позволяет одновременное отключения во время неполадок в электрооборудовании.
Проблемы с внедрением автоматизации
Большая часть решений, которые обсуждались в этой статье, уже доступны, но многие до сих пор не реализованы. Подрядчики принудили коммунальные службы внедрить новые технологии, такие как микропроцессорные устройства. В большинстве случаев микропроцессорные устройства управления и реле — это единственные варианты, которые можно получить у поставщиков. Было бы оптимально, если бы доступ к ретрансляции данных производился с настольного компьютера, но если производить это через существующие сети Интернет и электронную почту, то это подвергает систему угрозе.
Представители энергетической отрасли в целом согласны с тем, что автоматизация существующей системы будет полезна. Многие инициативы реализуются, и автоматизированные устройства постепенно заменяют старые компоненты. Но пройдет некоторое время, прежде чем коммунальные службы смогут полностью положиться на способности системы автоматизации, чтобы управлять потреблением электроэнергии. И поскольку устанавливается все большее количество автоматизированных компонентов и систем, у отрасли появится необходимость решения новых проблем, таких, как увеличение пропускной способности, обеспечения безопасности коммуникативных протоколов и установление стандартных спецификаций оборудования. Важное значение для группы стандартизации, руководящих органов и производителей будет иметь совместная работа с коммунальными службами для разработки отраслевых стандартов решения возникающих проблем. Как только набор спецификаций и стандартов будет согласован, будут минимизированы и технические проблемы перехода на новую интеллектуальную сеть.