ПРИНЦИПЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ

Задача оперативного управления энергетической технологией в основном решается непрерывно во времени, т. е. в режиме реального времени.

Не менее важными для управления работой энергосистем являются задачи, решаемые не в режиме реального времени, а заранее. Это решения, относящиеся к планированию режима. Режимы и их надежность в значительной степени зависят от правильности решений, принимаемых заранее. Управление, связанное с планированием режимов, требует особого рассмотрения.

Управление подсистемами сводится к координации их действия. Разделение на подсистемы в рамках единой электроэнергетической системы относится не только к ее объектам, но и к задачам, которые приходится решать в процессе управления ими. Известно, что современная тенденция заключается в решении все более сложных и крупных задач управления при помощи их разделения на части, с тем чтобы решение частей задачи, определенным образом координированных, приводило к решению всей задачи в целом. Подобное разделение задачи на части (подсистемы) называют декомпозицией.

Возможна декомпозиция трех видов:

1) временная — долгосрочные, краткосрочные задачи и управление в режиме реального времени;

2) территориальная — энергетические объекты энергосистемы, объединенные энергосистемы;

3) по типам задач — управление режимом активной мощности и частоты, реактивной мощности и напряжения, аварийными режимами и т. д.

Функции, которые могут быть выполнены органами нижестоящего уровня, не должны относиться к функциям органов вышестоящего уровня управления.

Выход из строя органов верхнего уровня иерархического управления не нарушает работу органов нижнего уровня. Однако на нижнем уровне на некоторое время возникает неоптимальный, с точки зрения всего комплекса, режим.

Управление энергетикой осуществляется в соответствии с наиболее надежной иерархической структурой, изображенной на рис. 1.1. Оперативное управление энергосистемой осуществляет Центральное диспетчерское управление (ЦДУ), координируя работу объединенных диспетчерских управлений (ОДУ), управляющих региональными энергетическими объединениями. ОДУ координируют работу энергосистем, оперативное управление которыми осуществляют центральные диспетчерские службы (ЦДС). В свою очередь, ЦДС управляют территориальными предприятиями энергосистем с помощью районных диспетчерских служб (РДС), а также наиболее крупными электростанциями (Ст) и подстанциями (ПСт). РДС управляют более мелкими электростанциями и подстанциями, находящимися на территории, обслуживаемой предприятием.

Каналы связи между различными уровнями управления энергетикой двухсторонние. От нижележащих уровней к вышележащим передается информация о режиме энергетической системы, которая в соответствующих центрах управления подвергается обработке и служит основанием для принятия определенных решений.

Характер информацион ных потоков можно пояснить схемой, изображенной на рис. 1.2, где О — энергетический объект, информация о состоянии и режиме которого передается для различных целей на разные уровни управления (УУ1-УУ5). Первый уровень управления расположен на самом энергетическом объекте. Управление здесь осуществляется автоматическими устройствами и при необходимости – людьми. Для выполнения этих функций может оказаться достаточной информация, доступная на самом объекте. На основании этой информации формируются сигналы управляющего воздействия и принимаются решения местного оперативного персонала. Решение других функций управления требует дополнительной информации от других энергетических объектов, которая поступает на УУ2 – районные диспетчерские пункты (РДП). Естественно, что соответствующая информация должна поступать и с рассматриваемого энергетического объекта, на основании которой принимаются определенные решения по управлению им.

Имеются и такие решения, для принятия которых требуется дополнительная информация, поступающая из нескольких РДП в диспетчерский пункт энергосистемы — УУЗ и т. д.

Каждая ступень управления перерабатывает поступившую информацию, отделяет данные, необходимые вышестоящей ступени, систематизирует их и передает по назначению. В то же время некоторая информация, необходимая для принятия неотложных решений, может передаваться одновременно на несколько уровней.

Рациональной считают такую структуру, которая без ущерба для компетентности принимаемых решений имеет минимально необходимую иерархию. Условия работы энергосистем разнообразны, а следовательно, также разнообразны системы управления ими. При желании упростить систему управления приходится уменьшать разнообразие режимов энергетических систем.

Важной проблемой управления является обеспечение жизнеспособности системы, т. е. способности в зависимости от воздействия окружающей среды постепенно изменять свое состояние и переходить в новое устойчивое положение. Система при этом осуществляет отбор устойчивых состояний, обеспечивая свойство, называемое ультраустойчивостью. Известно, что ультраустойчивость определяется самоорганизацией системы и ее подсистем на низших иерархических уровнях при наличии координирующего действия высших уровней управления.

В системе, управление которой полностью централизовано, передается и перерабатывается огромное количество информации. Надежность такой «сверхцентрализованной» системы неудовлетворительна. Однако без централизованного управления в большой системе нарушается целостность. Самыми надежными оказываются иерархические системы с целесообразно распределенным управлением и самоорганизацией на низших уровнях.

Энергосистемы, являясь объектом управления, должны рассматриваться как системы развивающиеся. Соответственно этому должна развиваться и совершенствоваться система управления энергетикой. Распределение задач на решаемые в большей или меньшей степени централизованно, непрерывно или периодически ни на одном из этапов нельзя считать окончательным. Представления о задачах управления развиваются, т. е. появляется все большее количество новых задач. Развивается и сама система управления. На определенных этапах развития могут возникать трудности, которые должны преодолеваться не только применением средств техники, но и усовершенствованием алгоритмов.

Роль информации в управлении

При управлении энергосистемами используют информацию о режимах, поэтому энергосистемы должны рассматриваться не только в физическом, но и в информационном плане. В качестве устройств, регистрирующих информацию, применяют ячейки с двумя устойчивыми состояниями (триггеры, магнитные элементы с прямоугольной петлей гистерезиса и др.).

Число сообщений, которое может быть передано n элементарными сигналами, Следовательно, число необходимых элементарных сигналов

За единицу принимают такое количество информации, которое соответствует одной из двух равновероятных возможностей: «да» или «нет». Такую единицу называют двоичной единицей или битом.

Различным событиям соответствует определенная вероятность Р их возникновения. В качестве количества информации I о событии принимают логарифм обратной вероятности этого события:

Так, если имеется два объекта, вероятность включенного состояния первого из которых Р = 0,99, а второго – Р = 0,5, то информация, несущая сигнал о включенном положении первого объекта, практически равна нулю:

Сигнал об отключенном положении этого объекта является неожиданностью и несет большую информацию:

Количество информации об изменении положения второго объекта значительно меньше:

Естественно, что в системе, часто пропускающей ложные сигналы, информация обесценивается. Неопределенность может быть оценена единицей неопределенности – энтропией, заимствованной основоположником теории информации К. Шенноном из термодинамики.

Степень неупорядоченности системы зависит от полноты информации о ее поведении. С одной стороны, чем больше объем используемой информации, тем меньше эксплуатационные издержки И (линия 1, рис. 1.10). С другой стороны, увеличение объема информации связано с дополнительными затратами (линия 2). Суммарные затраты показаны линией 3.

Очевидно, что имеется определенный экономически целесообразный объем информации, отличающийся от полного. При неполной информации система обладает некоторой неупорядоченностью.

При больших неупорядоченностях использование небольших дополнительных объемов информации о состояниях управляемых объектов позволяет существенно улучшить качество управления. При высокой упорядоченности системы дальнейшее повышение качества управления требует получения большого дополнительного объема информации, расходы на который не всегда оправданы.

Если предположить, что имеется полная информация и данные достоверны, то система полностью определена (детерминирована). Однако данные содержат погрешности как из-за несовершенства систем измерения и передачи, так и из-за неполноты передаваемых сообщений. Недостоверные данные должны либо восстанавливаться, либо исключаться из массива исходных данных. Эта задача относится к оцениванию состояния системы, под которым подразумевают обычно статистическую обработку измеряемых величин и сопоставление их между собой, а также сопоставление между собой измерений одних и тех же величин, производимых во времени. Целью подобного сопоставления является внесение таких коррективов в измеряемые значения, при которых погрешности измерений были бы минимальными.

Знание характера управляемого процесса, а также соотношений между процессами и величинами в сочетании с передачей определенного объема информации в темпе реального времени образует массив избыточных, но неточных данных. Избыточность неточных данных в ряде случаев позволяет восстановить точность массива информации, необходимую для обеспечения наблюдаемости энергосистемы.

Если учесть, что измеряемые величины уточняют статистическими методами, то наблюдаемость приобретает характер вероятностный, или стохастический (Знания, оторванные от жизни, основывающиеся на отвлеченных рассуждениях, не проверяемых опытом). Наблюдаемость связана с обеспечением управляемости энергосистемы. При отсутствии погрешностей измерения под управляемостьюследует понимать возможность изменения состояния системы от некоторого первоначального до желаемого. При наличии погрешностей управляемость включает вероятностное содержание, т. е. становится стохастической. Под стохастической управляемостьюследует понимать сохранение свойств управляемости при наличии погрешностей.

Сообщения о каких-либо фактах, зарегистрированные любым способом, независимо от того, кому они адресованы и нужны ли они вообще, следует отнести к категории данных. Сообщения, которые необходимы для конкретно решаемой задачи, можно отнести к категории информации. Ценность информации соответствует приращению эффективности работы управляемого объекта. Чем больше приращение, тем выше ценность информации.

Решение большого количества конкретных задач сопровождается накоплением информации, которая подвергается всестороннему изучению. Анализу информации сопутствует появление знаний, с помощью которых устанавливают взаимозависимости между задачами, подлежащими решению, и необходимой информацией.

В системе управления по возможности не должны циркулировать данные. Очередность передачи информации выбирают с учетом ее ценности. Загрузка информационной сети зависит от объема сообщений, передаваемых по ее каналам. Объем сообщения не всегда соответствует объему передаваемой информации. Отношение объема передаваемой информации к объему сообщений характеризует плотность передаваемой информации. Для повышения плотности передаваемой информации применяют статистические и другие методы ее обработки.

Плотность передаваемой информации зависит от того, на какие уровни иерархического управления она передается. Чем выше уровень управления, на который передается информация, тем выше (за исключением особых случаев) должна быть ее плотность. Правильный выбор объема информации может обеспечить управление при минимальном объеме с учетом некоторой избыточности, необходимой для надежности, и, следовательно, при разумной ее стоимости и издержках на эксплуатацию.

Передача информации в ОИК может осуществляться двояко. В первом случае информация передается по мере ее количественного изменения с запоминанием величин до следующей передачи, т. е. спорадически; во втором случае – циклически через равные промежутки времени. Возобновление информации при этом осуществляется через малые промежутки времени.

Человек в системе управления

На энергетических объектах применяют локальные регуляторы, стабилизирующие параметры процессов. Вместо них можно применять также небольшие ЦВМ, обладающие с учетом резервирования достаточно высокой надежностью. Однако надежность ЦВМ с ее большим объемом электронного оборудования и линий связи между машиной и объектом в сотни раз ниже, чем у локального регулятора. В то же время с точки зрения надежности нет препятствий к изменению уставок локальных регуляторов с помощью централизованных вычислительных машин. Поэтому фактор надежности, являющийся важнейшим в данной системе, требует применения дополнительного местного управления с иерархической структурой.

Оператор, располагая необходимой информацией, имеет возможность контролировать задания и команды, идущие от ЦВМ. Таким образом, в данной ситуации последнее слово принадлежит человеку, постоянно контролирующему аппаратуру. В случае отказа централизованной системы управления местные регуляторы продолжают функционировать по заданию оператора, что обеспечивает нормальную, хотя, может быть, и не оптимальную работу.

Присутствие человека в системе управления объясняется еще тем, что на каждом из этапов развития не все задачи полностью формализованы. В то же время имеются и такие задачи, автоматизация которых на каком-то этапе нецелесообразна. Главное свойство, обеспечиваемое участием человека в системе управления,— это адаптивность, т. е. способность приспосабливаться к изменяющимся внешним условиям и обучаться в процессе управления.

Наличие человека в системе управления компенсирует неполноту информации. Человек обладает знаниями, полученными на основе опыта, поэтому в процессе управления он обеспечивает разнообразие управляющих воздействий, соответствующее разнообразию состояний управляемых объектов.

При этом совершенствуется не только процесс управления энергетикой как объектом, но и сама система управления и, следовательно, осуществляется поиск максимального результата при минимальной его стоимости. Это предопределяет определенную эволюцию системы управления, изображенную на рис. 1.11.

На первом этапе управление энергосистемой (ЭС) осуществляется человеком. При этом он получает определенный объем информации, которая используется в ходе управления. На втором этапе структура управления энергосистемой не изменяется и человек использует ЦВМ (ВМ) как средство для проведения вычислительной работы. На третьем этапе ВМ включается в контур управления и наряду с человеком получает определенный объем информации из энергосистемы. Результаты обработки этой информации и вычислительной работы, задаваемой человеком, сообщаются персоналу в качестве рекомендаций, используемых в процессе управления. На четвертом этапе определенный объем функций, связанных с выполнением типовых, стандартных операций, осуществляется ЦВМ. Нетиповые операции и операции, требующие эвристического подхода, выполняет человек. При этом он получает (помимо ЦВМ) определенный объем информации о работе энергосистемы. На пятом этапе основной объем информации поступает и обрабатывается в ЦВМ и используется человеком лишь в обобщенном, «сжатом» виде. Шестой этап характерен тем, что управление энергетической системой в основном осуществляется автоматизированными средствами, а человек вмешивается лишь по мере надобности и т. д. На седьмом этапе действия человека ограничиваются наблюдением за работой системы управления.

Свойство, приобретаемое системой управления при участии человека, называют эргатичностью. При этом участие человека должно учитываться при создании систем автоматизированного управления, при определении его области деятельности и места в системе управления. Неполная информация о событии и связанная с ней неопределенность результата вызывают у человека эмоциональную напряженность (активацию) . От нее в определенной степени зависит эффективность действия оператора. Зависимость эффективности действия оператора Э от активации А изображена на рис. 3. С приростом активации эффективность действия оператора повышается. Однако приращение эффективности с ростом активации происходит в определенных, реальных для человека, пределах. При дополнительном приросте активации приращение эффективности уменьшается, а при некоторой критической активации A_кр оно становится равным нулю. Дальнейший рост активации сопровождается снижением эффективности действия оператора (стресс).

Причины повышения активации помимо неполноты информации и связанной с ней неопределенности результата зависят так же от других обстоятельств. Управление технологическим процессом осуществляется в рамках определенных ограничений. Наиболее часто встречающимися ограничениями являются ограничения по времени и точности управления. Чем меньше времени отведено на выполнение, операции и больше требуемая точность действия, тем выше эмоциональная напряженность. Поэтому одной из первостепенных задач создания систем управления является исключение ситуаций, в которых может возникнуть активация, приближающаяся к критической.

Активация может быть введена в допустимую область с помощью автоматизации некоторых процессов, благодаря чему снижаются неопределенность ситуаций и требования, предъявляемые к быстроте и точности действия. Однако необходимо избегать режимов, отвечающих начальному участку характеристики.

Рисунок 3 – Зависимость эффективности действия Э персонала от эмоциональной напряженности А.

Поступление сигналов о возникновении отклонения от желательного режима, физическая сущность и их количество фиксируются кратковременной памятью. Затем вступает в действие долговременная память. При этом уже количество сигналов увеличивается, так как человек использует различные способы экономного их запоминания. На этой стадии отсеивается часть выделенных признаков, производится их группировка. Одни признаки усиливаются, другие ослабляются. Все это происходит в процессе непрерывного сравнения комплекса воспринимаемых сигналов с эталонами, хранящимися в памяти. Если информация исчерпывающая и в памяти найден эталон аналогичного события в прошлом, то оператор принимает решение и действует в соответствии с ним. Если же информация недостаточна или недостоверна, то оператор не в силах точно оценить обстановку. Он на основании моделей, хранящихся в памяти, выдвигает гипотезы. Из нескольких гипотез предпочтение отдается одной, при этом предпринимаются действия в соответствии с нею. Если гипотеза оказалась неверной, то в системе возникают дополнительные изменения. При условии, что они обратимы, поступают дополнительные сигналы и на первый план выдвигается очередная гипотеза. Так будет продолжаться до тех пор, пока либо объем информации не увеличится до необходимого для безошибочного действия, либо одна из гипотез не окажется верной. После этого вся ситуация переходит в память в качестве эталона для будущего.

В интеллектуальном отношении работа человека может находиться на одном из трех уровней: эмпирическом, аксиоматическом и диалектическом.

Деятельность на эмпирическом уровне предполагает выполнение стереотипных действий в ответ на появление определенных признаков изменения внешней обстановки. При наличии навыка работа сводится к действиям без участия сознания. Операции эмпирического уровня оказываются сравнительно простыми. При этом человек как бы выполняет роль сравнительно простых устройств автоматического управления, однако по сравнению с автоматом, который проходит процесс «обучения» в период конструирования, человек приобретает любую характеристику из числа заданных в результате обучения. Следовательно, человек, хотя и требует времени на обучение, оказывается универсальным элементом системы управления. Функция человека зависит от присущих ему характеристик, которые не являются строго постоянными. Они различны для различных субъектов и будут зависеть от внутренних факторов, таких, как настроение, утомление, самочувствие и т. д. Реакция в каждом конкретном случае будет несколько иной, поэтому о ней можно говорить лишь в вероятностном смысле как о средней величине, обладающей некоторым разбросом.

Деятельность на аксиоматическом (аналитическом) уровне является более сложной и основывается на сочетании усвоенных правил. Сумма наблюдаемых признаков у оператора вызывает представление о характере события. Решение принимается на основании отбора первоначальных истин (аксиом), соответствующих сложившейся ситуации. Решение можно считать принимаемым аналитически. Аналитический подход подразумевает использование существующих опыта, взглядов и теорий. Информация об аксиомах и правилах формальных действий сосредоточена в памяти. Все операции происходят с участием элементов сознания. Недостатком аналитического подхода является его неполнота, поскольку существующие правила не могут охватывать новые ситуации. Решения, принимаемые по старым правилам, могут оказаться ошибочными. Естественно, что представление о новых событиях, связанных с новыми условиями, нельзя получить на основе имеющихся знаний и прошлого опыта.

Основой технического прогресса является диалектический подход. Одна из основных его черт – обнаружение и преодоление противоречий, присущих данной ситуации, в интересах достижения поставленной цели. Для того чтобы сделать новые заключения, требуется длительная упорная работа мысли. Медленное накопление фактов и гипотез подготавливает открытие новой закономерности. Оценка явлений происходит с участием интуиции, в основе которой лежит мысленный эксперимент. В результате накопления данных о новом явлении и нахождения для них обобщающего описания в ряде случаев удается обнаружить новый класс явлений и найти для них правила, которые в дальнейшем могут быть использованы для принятия аналитического и эмпирического решений. Новые идеи и закономерности не соответствуют общепринятым аксиомам, поэтому они усваиваются с трудом и проходят до призна­ния и массового применения сложный путь.

Человек, как центральное звено, всегда участвует в работе сложных систем управления. Однако человеку порой поручают функции, которые он практически выполнить не может или может, но плохо, т. е. несвойственные ему функции. Во избежание этого необходимо различать область машинных и человеческих функции.

Структура системы управления, в которой участвует человек, обладает рядом положительных свойств, однако имеет и некоторые недостатки, обусловленные тем, что она не является жесткой структурой и при определенных условиях может превратиться из системы с отрицательной внешней обратной связью в систему с положительной обратной связью, вызывающую серьезную опасность для работы энергосистемы и ее оборудования.

Неправильные действия персонала в ряде случаев обусловлены несоответствием стереотипа действий (привычки) реально складывающейся обстановке. О таких действиях можно говорить как о неадекватных.

Действия персонала связаны обычно с определенными представлениями об объекте управления – ассоциативной модели объекта. Эта модель с участием персонала образует замкнутый контур управления. Отклонение определенных параметров – симптомов на входе объекта – требует определенных действий по возвращению параметров в исходное нормальное состояние, т. е. целью действия является поддержание нормального режима объекта. Сами же действия верны постольку, поскольку верна модель – представление о поведении объекта. Можно представить себе ситуацию, при которой модель, правильно отражающая поведение объекта в нормальном режиме, неверна для аварийного режима. В таком случае действия в соответствии с воображаемой моделью могут не восстанавливать режим, а необратимо ухудшать его. Результаты действия не будут соответствовать его целям. Не подозревая, что используемая модель не соответствует реальности, персонал до некоторого времени воспринимает ухудшения ситуации не как результат своих действий, а как результат ухудшившихся внешних условий. Стремясь получить ожидаемый результат, он будет продолжать действовать в принятом направлении. Учитывая, что воображаемая и реальная модели различны, управление осуществляется с положительной внешней обратной связью, т. е. с нарушением устойчивости режима. Подобные ситуации в процессе создания средств автоматического управления необходимо выявлять и устранять.

Важным условием работы оператора является его защищенность от помех. Случаи, требующие быстрых действий, часто сопровождаются на энергетических объектах сильными шумами (срабатыванием предохранительных клапанов котлов, изменением шума турбогенераторов и др.), которые могут ввести в заблуждение дежурный персонал, нарушить его систему предвидения. В этом смысле в лучшем положении оказывается оперативный персонал, находящийся на определенном расстоянии от объектов. Дистанция и защищенность от помех позволяют вести работу на более высоком интеллектуальном уровне и с большей сосредоточенностью.

Трудно даются персоналу решения, последствия которых проявляются через значительное время, а иногда и на других объектах энергосистемы. Действиям персонала в подобных случаях должно предшествовать рассмотрение процесса на модели и в другом масштабе времени.

Наряду с автоматизацией процессов с целью повышения эффективности действия персонала применяют системы отображения информации. Наиболее простой системой является щит управления, на котором размещены индивидуальные приборы. На каждом приборе воспроизводится один контролируемый параметр (рис. 1.13, а). Подобные щиты используют для управления не слишком сложными системами с ограниченным числом контролируемых параметров.

Технический прогресс сопровождается усложнением управляемых установок и существенным увеличением числа контролируемых параметров. При этом число приборов существенно возрастает, щиты управления становятся громоздкими, трудно обозримыми. При чрезмерно большом числе приборов происходит потеря информации, так как оператор не может за ними уследить. В таких условиях параметры классифицируют по важности. Наиболее важные параметры контролируют непрерывно, в то время как второстепенные параметры – по вызову (рис. 1.13, б). При этом используют групповые приборы и коммутаторы, при необходимости присоединяемые к цепям измерения требуемого параметра. Возрастание числа контролируемых параметров практически исключает возможность их контроля по инициативе оператора. Для контроля за большим числом параметров применяют ЦВМ, на вход которых они поступают. Каждый из параметров в ЦВМ сопоставляется с допустимыми его значениями. Если параметры не выходят за допустимые пределы, то они на устройства отображения оперативно-информационного комплекса (ОИК) не поступают или могут поступать лишь по вызову оператора. Если же параметры режима управляемой системы выходят за допустимые пределы, то они ав­томатически поступают на устройства отображения информации, привлекая внимание персонала. В качестве устройства отображения информации используют электроннолучевую трубку – дисплей, на котором отображаются цифровые данные, а также схемы контролируемых объектов, соответствующие их состоянию в натуре (рис. 1.13, в). Данные могут воспроизводиться также в виде графического построения, позволяющего следить за динамикой процесса.

На ОИК решаются задачи следующих типов:

1. отображения непосредственно измеряемых данных;
2. отображения результатов расчетов, проводимых на основе измеряемых величин;
3. прогноза, например вероятностной оценки нагрузки в предстоящее время на основе ее изменения в прошлом и текущих данных и т. д.;
4. решаемые в режиме диалога человека и ЦВМ.

Диагностика состояния контролируемых объектов и задачи принятия решения в случае отклонений режима от нормального, с которыми не справляются устройства автоматического управления, остаются по-прежнему функциями операторов.

При управлении особо сложными объектами возникает необходимость в консультативной функции ОИК, поэтому актуальным становится оснащение комплексов отображения информации программами, с помощью которых управляющая ЦВМ может использоваться в принятии самих решений (рис. 1.13, г). Комплекс подобных эвристических программ строится на базе семантической сети, содержащей описание элементов управляемых объектов и их взаимосвязей, а также описание технологического процесса, т. е. узлов и связей между ними в виде смысловых отношений. Работа осуществляется посредством диалога оператора и машины по определенным правилам движения, которые содержатся в другой части программ – сценарии диалога, хранящемся в памяти ЦВМ.

При возникновении события ЦВМ для фиксированных условий строит гипотезу события. В этом случае возникают неясности из-за отсутствия сведений, не вводящихся в машину. ЦВМ запрашивает у оператора дополнительные сведения о данных, которые не измеряются датчиками, а также об ограничениях, которые не выражаются явно. Оператор отвечает на эти вопросы. Через несколько циклов диалога ЦВМ выдает окончательные рекомендации, необходимые для принятия решений. После ликвидации нарушения система возвращается к обычному отображению данных в дежурном режиме.

Необходимость автоматизации существующих подстанций

Задача электроэнергетической промышленности заключается в том, чтобы как можно быстрее найти способ наиболее оптимального управления электроэнергетической системой на всех ее уровнях. Каждое предприятие в своем стремлении автоматизировать существующие подстанции должно сфокусировать свое внимание на двух вопросах, которые имеют значение для оптимального управления энергосистемой: экономическом и техническом.

ЭКОНОМИЧЕСКИЙ ВОПРОС

Экономический вопрос является основным при оценке процесса автоматизации существующих подстанций. Информация об энер­госистеме позволяет предприятию стать более успешным и более конкурентоспособным на свободном рынке, где конкуренция между предприятиями вызвана прекращением государственного регулирования электроэнергетической отрасли. В этих условиях, когда требуется быстрое принятие решений, информация становится стратегической необходимостью. Без такой информации, а она не может быть получена от традиционных подстанций, предприятия становятся неконкурентоспособными.

Ниже рассмотрены текущие изменения, а также те, которые могут потребоваться в ближайшем будущем.

Изменения на рынке электроэнергии. Большинство изменений произошло на рынке электроэнергии, и еще больше изменений ожидается в будущем. На традиционном рынке, где региональные центры управляют и торгуют электроэнергией, для потребителей нет других поставщиков электроэнергии. На нерегулируемом рынке эта ситуация исчезает. Энергоснабжающие компании заменяют электроэнергетические компании, и на рынке появляются новые розничные продавцы электроэнергии. Приватизация региональных электрических сетей привела к появлению на региональном рынке других компаний с новыми производителями электроэнергии и роз­ничными продавцами.

На открытом рынке потребитель становится покупателем, который может выбирать поставщика. Это должно усилить конкуренцию между поставщиками и привести к созданию рынка с переменными ценами на электроэнергию. Такой рынок называется "свободный рынок цены и места".

Ежедневно поставщики предоставляют информацию о передаваемых мощностях, а розничные продавцы получают информацию об использованной электроэнергии. При этом требуется быстрый обмен точной информацией о поставках электроэнергии и ценах. Кроме того, покупатели должны знать ежедневные эксплуатационные расходы для того, чтобы точнее составлять план производства продукции и увеличивать свою прибыль.

Предприятия передачи и распределения должны разделить регулируемые (передача и распределение) и нерегулируемые (рынок электроэнергии) сферы открытого рынка. У рынка электроэнергии появились новые функции, которые необходимы для работы этой сферы. При этом в регулируемой сфере не требуется никаких значительных изменений, необходимость есть только в информации, требующейся для выработки решений энергетического рынка. Поэтому существующие подстанции должны быть оснащены новым оборудованием, чтобы необходимая информация поступала с требуемой периодичностью.

Уменьшение стоимости эксплуатации. Стоимость эксплуатации – основная составляющая общих экономических затрат предприятия. Точная информация крайне важна для сокращения эксплуатационных расходов. Экономия средств может быть достигнута за счет:

• сокращения числа обслуживающего персонала благодаря возможности дистанционного управления подстанциями, в частности диспетчерского персонала и ремонтных бригад, работа которых может быть скоординирована с учетом информации о текущей ситуации на подстанции и в сети;

• более быстрого определения места повреждения и его устранения, благодаря чему сокращаются перерывы электроснабжения, что непосредственно отражается на расходах. Это также относится к отказам устройств управления и защиты;

• последовательных переключений и экспертных систем, выполняющих сложные функции быстрее и точнее человека;

• улучшенной и более точно скоординированной работы таких функций управления, как контроль напряжения и реактивной мощности, реконфигурация сети, восстановление электроснабжения после устранения повреждений.

Сокращение расходов на текущее обслуживание. Предприятия, работающие на конкурентном рынке, должны разделить расходы на текущее обслуживание на три категории:

• упрощение отыскания неисправностей.

Отыскание неисправностей на существующих подстанциях является утомительным и длительным процессом из-за сложных схем вторичной коммутации и большой протяженности электрических проводов. На автоматизированных подстанциях время, необходимое для отыскания неисправностей, может быть сведено к минимуму, так как схема вторичных цепей проще и протяженность их меньше. Отыскание неисправностей будет осуществляться с помощью специальных компьютерных программ;

• сокращение расходов на текущее обслуживание первичного оборудования.

Расходы на материалы, запасные детали, а также рабочее время, затрачиваемое на текущие ремонты первичного оборудования, могут быть сокращены благодаря получению точных и периодических данных о работе оборудования. Например, новые устройства защиты распределительных линий позволяют получать информацию о том, сколько раз выключатель работал в условиях замыкания, в отличие от простых счетчиков, которые определяют лишь общее число операций выключателя. Зная число коммутаций, произведенных выключателем в условиях КЗ, можно определить момент необходимого текущего ремонта. Такие данные не могут быть получены от подстанций традиционного типа;

• сокращение расходов на текущие ремонты и эксплуатацию устройств защиты и управления.

Революция, произведенная цифровой связью, новые программные технологии, цифровые реле и цифровые устройства управления должны значительно сократить время, затрачиваемое человеком на регулярное тестирование и ремонты традиционных полупроводниковых реле и устройств управления.

Система автоматизации подстанции, осуществляющая постоянный контроль и диагностику всей установки, позволяет планировать текущие ремонты в соответствии с необходимостью.

Сокращение затрат на монтаж подстанции. Предполагается, что новое современное оборудование позволит снизить затраты. Особенно уменьшатся затраты на объединение отдельных элементов оборудования в один блок. Однако это зависит от размера подстанции и функциональных требований к ней.

Предприятиям, как и промышленным потребителям, необходимо четко увидеть разницу в стоимости традиционных и современных систем. Такое сравнение позволит ускорить замену старого оборудования на подстанциях новым. На сегодняшний день реальные данные для подобных исследований получить сложно.

Основное снижение расходов происходит за счет следующих мер:

• сокращения кабельной системы и места, необходимого для устройств защиты и управления.

На существующих подстанциях традиционного типа необходима прокладка кабелей большой длины между ячейками и диспетчерской. При этом кабель подвергается воздействию электромагнитных полей, старению, возможны потеря сигнала и повреждение кабеля. При повреждении кабеля необходимы вызов обслуживающей бригады, время на отыскание повреждения, а также замена или ремонт кабеля.

На автоматизированных подстанциях, где используется цифровая обработка сигнала, нет протяженной кабельной системы. Прокладка кабеля необходима лишь для связи первичного оборудования с местным щитом управления ячейкой, соединение осуществляется либо напрямую, либо через шину технологического процесса.

При этом помимо снижения расходов на прокладку и эксплуатацию кабелей также уменьшается территория, занимаемая подстанцией;

• сокращение количества единиц оборудования для выполнения отдельных функций.

На современных автоматизированных подстанциях основное снижение стоимости происходит благодаря применению новой технологии, связанной с установкой и текущим обслуживанием таких систем, как SCADA RTU, а также цифровых регистраторов неустойчивых повреждений (TFR), регистраторов хода событий (SOE), интерфейсов, вычислительных панелей, панелей управления, если они внедряются вместе с самым современным оборудованием. При этом снижение расходов должно происходить без уменьшения надежности работы подстанции.

ТЕХНИЧЕСКИЙ ВОПРОС

Новые требования, предъявляемые бизнесом к информации, заставят предприятия модернизировать существующие подстанции. Информация необходима как промышленным потребителям, так и продавцам электроэнергии, например для компьютеризованного прогнозирования нагрузки и сложных расчетов при оптовой продаже.

Как энергетические предприятия, так и продавцы должны быть обеспечены точной, своевременной и надежной информацией. Эта информация дает предприятию возможность повысить свою конкурентоспособность на рынке. Ниже перечислены основные технические вопросы, для решения которых необходима модернизация существующих традиционных подстанций.

Требования к данным. Информация, основанная на данных подстанции, играет крайне важную роль в оптимальном управлении энергосистемой. Предприятие не может быть конкурентоспособным, если оно не имеет точных и своевременных данных обо всех компонентах энергосистемы. Данные от автоматизированных подстанций постоянно необходимы главным центрам управления. Программы управления потоками энергии используют такие данные, как сигналы тревоги, информация о состоянии выключателей и сведения в реальном времени о ваттах, варах, вольтах и амперах. Эти данные необходимы в современной электроэнергетике. В будущем подстанции станут информационными технологическими центрами.

Документация. Предприятия постоянно сталкиваются со сложностью в документировании всех изменений и модернизаций сети. Другими словами, обычно нет непрерывно корректируемого исполнительного документа, который отражает действительное состояние вторичного оборудования. Много времени уходит на проверку существующей подстанции перед ее усовершенствованием и реконструкцией.

Новые цифровые системы позволяют автоматически документировать конфигурацию системы при установке. Программное обеспечение каждый раз модифицируется при введении новой системы в работу. Поэтому исполнительный документ постоянно обновляется. Это упрощает систему реконструкции всего вторичного оборудования, и на нее требуется меньше времени.

Функциональность. В отличие от традиционных систем, в которых требуются большие изменения во вторичном оборудовании при введении дополнительных функций, новые современные системы позволяют легко вводить дополнительные функции с помощью существующего оборудования. В свою очередь, это дает возможность выбирать функции различных аппаратных устройств и через средства связи предоставлять данные, необходимые программному обеспечению управляющей станции.

Надежность. Появляется возможность определять в реальном времени неполадки в системе электроснабжения и получать точную информацию об энергосистеме, что сокращает время, необходимое для обнаружения и устранения возникающих проблем, и повышает надежность подстанции.

Выводы

1. Предприятия, осуществляющие автоматизацию своих подстанций, должны сосредоточить внимание на двух аспектах, которые влияют на оптимальное управление энергосистемой — экономическом и техническом.

2.Информация об энергосистеме позволяет предприятию становиться более успешным и конкурентоспособным на свободном рынке, где существует конкуренция между предприятиями.

3.Ниже перечислены факторы, способствующие снижению эксплуатационных расходов за счет АСУ:

• сокращение персонала благодаря дистанционному управлению подстанциями. Имеется в виду не только диспетчерский персонал, но и ремонтные бригады, работа которых будет скоординирована лучшим образом благодаря информации о текущем состоянии на подстанциях и в сети;

• более быстрое обнаружение места повреждения и его устранение, что позволит сократить перерывы питания потребителей и повысит экономические результаты;

• последовательные переключения и экспертные системы, которые выполняют сложные функции быстрее и точнее, чем человек;

• улучшенные и более координированные функции управления сетью, такие, как управление напряжением в сети и перетоками реактивной мощности, конфигурацией сети и процессом восстановления питания потребителей после устранения повреждения и т.п.

4.Предполагается, что система автоматизации позволит снизить стоимость технического обслуживания первичного оборудования, устройств управления и защиты, поскольку для обнаружения неисправностей и их устранения требуется меньшее время.

5.Предполагается, что система автоматизации позволит снизить стоимость подстанции, поскольку необходимо меньше кабелей и пространства для устройств управления и защиты.

6.Предполагается, что система автоматизации позволит повысить надежность получения необходимых данных, документирования изменений и модернизации сети, упростить добавление новых функций современных устройств, сократить период обнаружения неисправностей.